JP6265741B2 - オブジェクトの特性の検出に用いる装置 - Google Patents

Description

本発明は、オブジェクトの特性の検出に用いる装置、方法及びコンピュータプログラムに関する。

非特許文献１は、ラジオ周波数（ＲＦ）超音波信号に基づく牛肝臓組織における２次元温度分布を決定する装置を開示する。２次元温度マップは、ＲＦ温熱療法における加熱量制御（thermal dosage control）とリアルタイム温度モニタリングに用いられる。

この装置は、除去療法（ablation therapy）が直接的にモニターされない、すなわち装置が牛肝臓組織のアブレーション状態に関する直接的な情報を提供しないとの欠点がある。２次元温度マップのみが決定され、アブレーション状態に関する間接的かつ不正確な印象のみが与える。それゆえ、２次元温度マップに基づくアブレーションの制御は不正確である。

Huihua Kenny Chiang et al.著「In-Vitro Ultrasound Temperature Monitoring in Bovine Liver during RF Ablation Therapy using Autocorrelation」、pages １５３９ to １５５２, IEEE Ultrasonic Symposium, ２００２

本発明の一目的は、オブジェクトの特性を検出するのに用いる、オブジェクトの特性の検出を改善できる装置、方法及びコンピュータプログラムを提供することである。

本発明の第１の態様では、オブジェクトの特性の検出に用いる装置が提供される。該装置は：
- オブジェクト内の一又は複数の深さにおける時間に依存する前記オブジェクトの特性を示す超音波信号を供給する超音波信号供給部と、
- 前記オブジェクトの特性を検出するために、一定深さに対する前記超音波信号の時間的周期性の程度を示す周期性値を決定する周期性値決定部とを有する。

各一定深さにおける超音波信号の時間的周期性は、この深さにおけるオブジェクトの特性に依存する。よって、一定深さに対する超音波信号の時間的周期性の程度を示す周期性値を決定することにより、各深さにおけるオブジェクトの特性を示す値を提供できる。この周期性値を用いて、改善された品質で、オブジェクトの特性を検出できる。

装置を用いて検出できる特性は、オブジェクトの検知された領域が各深さにおいて構造的変化をしているか否かであり得る。特に、オブジェクトは、好ましくは人又は動物の心臓であり、特性は、例えば、心臓組織のある領域が健康な組織、凝固した組織であるか、又は健康な組織と凝固した組織との間の移行領域であるかである。移行領域では、組織構造は健康な組織構造が壊れることにより変化する、すなわち、移行領域では、組織構造が構造的変化をする。一方、健康な組織と凝固した組織を有する領域では、組織構造は変化しない。移行領域は病変境界に対応する。病変境界は決定された周期性値を用いて検出できる。よって、前記装置はさらに、前記決定された周期性値に応じて、前記オブジェクトにエネルギーを印加することにより生じる病変境界を決定する病変境界決定部を有する。病変境界決定部は、好ましくは、オブジェクトを切除するためにそのオブジェクトにアブレーションエネルギーを印加することにより発生した病変境界を決定するように構成されている。特に、装置は、好ましくは、心臓をアブレーションすることにより生じる、心臓内の病変の境界を決定するように構成されている。一実施形態では、病変境界決定部は、リアルタイムで病変境界を決定し、それによりアブレーション手順のリアルタイムでのモニタリングを可能にする。

好ましくは、前記病変境界決定部は、前記周期性値に閾値を適用することにより、前記病変境界を決定するように構成されている。例えば、ある時刻にある深さにおいて、周期性値が所定閾値より小さいとき、病変境界決定部は、その時刻とその深さにおいて、病変境界があると判断できる。閾値は、例えば較正測定により事前に決定できる。この場合、周期性値は既知のロケーションにおける病変境界を有するオブジェクトに対して決定され、閾値を用いて決定した病変境界のロケーションがその実際の病変境界の既知のロケーションとできるだけよく一致するように閾値が決定される。

時間的周期性は、好ましくは、ある条件やあるイベントが各深さにおいて、時間の経過と共にどのくらい規則的に生じるかを規定する。例えば、それは、各深さにおいて時間の経過とともに、実質的に同じ超音波反射がどのくらい規則的に生じるかを規定する。それゆえ時間的周期性値は、各深さにおいて時間の経過とともにある条件やあるイベントがどのくらい規則的に生じるかを示す規則性値であるとも考えられる。

また、好ましくは、前記装置は、前記オブジェクトにエネルギーを印加するエネルギー印加部と、前記決定された病変境界に応じて前記エネルギー印加部を制御する制御部とを有する。エネルギー印加部は好ましくはオブジェクトを切除するアブレーション部である。エネルギー印加部は、電気エネルギー具体的にはＲＦエネルギーを印加するアブレーション電極、光ファイバなどの光エネルギーを印加する光学要素を有する。エネルギー印加部は、オブジェクトを切除するクライオアブレーション要素、高強度集中超音波要素及び／又はマイクロ波要素を有してもよい。

制御部は、決定された病変境界に応じて、オブジェクトにアブレーションエネルギーを印加するパワー及び／又は時間を制御することにより、エネルギー印加部を、具体的にはアブレーション部を制御するよう構成されている。心臓壁が切除され、壁の厚さは既知である場合、制御部は、その厚さと決定されたアブレーション深さすなわち決定された病変境界の深さとに応じて、エネルギー印加部を制御するように構成してもよい。好ましくは、制御部は、所望のアブレーション深さに到達するまで、特に得られる病変が貫壁性となるまで、心臓壁を切除するように構成されている。

病変境界決定部は、超音波信号から、心臓壁の前面と後面の位置を決定するように構成してもよい。特に、病変境界決定部は、壁の前面と後面の決定された一から、その壁の厚さを決定するように構成されてもよい。このように、超音波信号は、アブレーション深さを決定し、壁の厚さを決定するために用いることができる。すなわち、本実施形態では、壁の厚さを測定する別ユニットを設ける必要はない。壁の厚さ、アブレーション深さ、及び貫壁度は、超音波信号のみを用いて決定できる。

超音波信号供給部は、オブジェクトに超音波パルスを送出し、その超音波パルスがオブジェクトにより反射された後の動的なエコーシリーズを受信し、受信した動的なエコーシリーズに応じた超音波信号を発生するように構成してもよい。

超音波パルスは、オブジェクトに送出されると、異なる深さで反射され、エコー信号が超音波信号供給部により異なる時に受信される。エコー信号は、超音波パルスのオブジェクト内の異なる深さにおける反射により発生し、一連のエコー（an echo series）を形成する。音速と時間を考慮して、超音波パルスがオブジェクトに送出された後のエコーを記録すると、一連のエコーを、オブジェクトの超音波反射特性の、オブジェクト内の深さへの依存性に変換できる。

さらに、好ましくは、異なる時にオブジェクトに対して複数の超音波パルスを送出し、異なる時にエコーシリーズを発生する。これらのエコーシリーズは、異なる時に異なる超音波パルスから取得され、異なる時間に属すが、動的エコーシリーズを形成する。受信した動的エコーシリーズに依存する超音波信号は、異なる深さと異なる時におけるオブジェクトの超音波反射特性を表す。

超音波信号供給部は、超音波信号を供給するどんなユニットであってもよい。例えば、超音波信号供給部は、生成された超音波信号を記憶する記憶部でもよいし、または、発生された超音波信号を受信する超音波信号受信部であってもよい。超音波信号は、それを処理する別のユニットに供給できる。また、超音波信号供給部は、超音波信号を測定する超音波測定部であってもよい。

受信した動的エコーシリーズに依存する超音波信号は、２次元に依存する、例えば水平軸の時間に依存しかつ垂直軸の深さに依存する、反射強度を示す２次元画像として表せる。２次元画像もＭモード画像と考えることができる。周期性値決定部は、この２次元画像の周期性値を決定するように構成してもよい。病変境界は、例えば、周期性値が所定閾値より低い２次元画像中の領域を識別することにより決定できる。また、受信された動的エコーシリーズに応じた超音波信号は、時間と、２または３空間次元に依存する、反射強度を示す３次元又は４次元の画像として表すこともできる。これにより、超音波パルスがオブジェクトに送出された方向で、病変境界を決定できる。

病変境界決定部は、Ｍモード画像から異なる時刻における病変境界を決定し、それにより病変境界の進行を決定するように構成されてもよい。

好ましくは、前記オブジェクトは周期的に運動するオブジェクトであり、前記装置は、前記オブジェクトの周期的運動に周期を含むバンドパスで、一定深さに対して、前記周期性値を決定する前に、前記超音波信号を時間的にフィルタリングするフィルタリング部を有する。オブジェクトは、好ましくは人又は胴部の心臓であり、フィルタリング部は、心周期の所定周波数範囲内にある超音波信号の時間的周波数にフィルタリング部を通過させるように構成されていてもよい。さらに好ましくは、前記装置はさらに、前記オブジェクトの周期的運動の周期を決定する周期決定部を有し、前記フィルタリング部は前記周期的運動の決定された周期を含むバンドパスで、一定深さに対して、前記超音波信号を時間的にフィルタリングするように構成されている。これにより、周期的運動の現在決定された周期にフィルタリングを合わせることができ、オブジェクトの周期的運動の周期が一定でない場合に、超音波信号のフィルタリングが改善される。

そのため、フィルタリング部は、オブジェクトの周期的運動の実際に決定された周期に合わせた適応的バンドパスを提供するように構成されてもよい。例えば、バンドパスは、所定の絶対的又は相対的周波数範囲を有しても良い。周波数範囲は、周期的運動の実際に決定された周期にセンタリングしてもよい。

特に、一定深さに対する超音波信号の時間的周期性は、オブジェクトの周期的運動により生じる。オブジェクト内の各領域における周期性の程度は、超音波信号により検知されるが、その領域内のオブジェクトの構造に依存し得る。その構造は、その領域がオブジェクトの全体的な周期的な運動にいかに追随するか規定する。周期性値は、それゆえ、オブジェクトの周期的運動により規定される周期を有する周期性を示すことができる。オブジェクトの周期的運動の周期を含むバンドパスで超音波信号を時間的にフィルタリングすることにより、その周期性値に貢献しない超音波信号の部分をフィルタアウトでき、それによりフィルタされた超音波信号に基づき周期性値を決定する品質が改善される。

周期決定部は、心電計（ＥＣＧ）信号を測定するユニットを有してもよい。例えば、心臓組織を切除するためにアブレーション電極を用いる場合、アブレーション電極その他の電極を、アブレーションサイトにおける局所的な電気的アブレーションを測定するように構成できる。この局所的な電気的アブレーションは、周期的なもの、特に実質的に正弦波状のものでもよく、心臓の運動の周期性、すなわち心拍を決定するために用いることができる。心拍はフィルタリング手順の正確なバンドパスを画定できる。局所的電気的活性化が心房細動を示す場合、逆時間心周期長さ（inverse temporal cardiac cycle length）をバンドパスの所定の絶対的又は相対的周波数範囲をセンタリングできる周期として用いることができる。

周期決定部は、超音波信号から周期的運動の周期を決定するように構成できる。例えば、オブジェクトが心臓であり、装置が、心臓組織内の特性を検出するように構成されている場合、特に、装置が、心臓組織内の病変境界を検出するように構成されている場合、周期決定部は、心臓壁の前面又は後面に対応する超音波信号の部分の周期的変化を決定し、心臓の周期的運動の周期として、この周期的変化の周期を決定するように構成されてもよい。

前記周期性値決定部は、一定深さに対する超音波信号の時間的自己相関に依存する周期性値を決定するように構成されている。特に、周期性値決定部５は、一定深さに対する超音波信号の規格化された時間的自己相関値に依存する周期性値を決定するように構成されている。

好ましくは、前記周期性値決定部は、一定深さに対する超音波信号の時間的自己相関の非ゼロシフトロケーションにおける一又は複数のピーク値に依存する周期性値を決定するように構成されている。周期性値決定部は、周期性値として、超音波信号の時間的自己相関の、非ゼロシフトロケーションにおけるピーク値、又は非ゼロシフトロケーションにおけるピーク値の合成、例えば非ゼロシフトロケーションにおける複数のピーク値の平均を決定するように構成してもよい。例えば、前記周期性値決定部は、非ゼロシフトロケーションにある第１のピークの第１のピーク値に依存する周期性値を決定するように構成され、前記非ゼロシフトロケーションにある第１ピークの第１ピーク値は、一定深さに対する超音波信号の時間的自己相関のゼロシフトロケーションにおけるピークの隣にある。非ゼロシフトロケーションの第１のピークは、オブジェクトの周期的運動の一期間、オブジェクトが心臓の場合は、一心周期だけのシフトに対応する。自己相関を用いることにより、一又は複数の周期性値を比較的簡単に決定することができる。

好ましくは、前記周期性値決定部は、それぞれ一定深さと時間的セグメンテーション長さに対応する異なる超音波信号セグメントを決定し、その異なる超音波信号セグメントに対して周期性値を決定するように構成されている。また、好ましくは、前記病変境界決定部は、前記周期性値に応じて、前記病変境界を決定するように構成されている。また、この場合、病変境界決定部は、各周期性値に閾値を適用することにより、病変境界を決定するように構成されてもよい。例えば、ある超音波信号セグメントにおいて、周期性値が決定され、それが所定閾値より小さいと、その超音波信号セグメントは病変境界に位置していると判断できる。

時間的セグメンテーション長さは好ましくは予め決定される。時間的セグメンテーション長さは、キャリブレーション測定により予め決定できる。この場合、病変境界の位置は既知であり、決定される病変境界の位置が、既知の病変境界の実際の位置にできるだけ一致するように、時間的セグメンテーション長さを決める。

好ましくは、前記装置は、深さと、周期性値が決定された超音波信号セグメントの時間的位置とに応じて周期性値を示すディスプレイを有する。ディスプレイは、所定の病変境界及び／又は超音波信号を示すように構成されてもよい。例えば、決定された病変境界を、周期性値上又は超音波信号がＭモード画像の場合にはＭモード画像上に線として示すことができる。

医師などのユーザは、ディスプレイ上で少なくとも病変境界を示す周期性値を見ることができ、例えば、表示された周期性値に基づきアブレーション手順を制御できる。

さらに好ましくは、装置は、カテーテルを有し、超音波信号供給部は前記カテーテル内にある。これにより、装置を心臓などの空洞オブジェクト内で動作させることができる。さらに、オブジェクトが生きた組織である場合、高周波超音波の浸透深さは小さいが、超音波をオブジェクトの内面近くに配置できるので、高周波超音波を利用できる。好ましくは、エネルギー印加部はカテーテル内、又はカテーテルに配置される。

本発明の別の一態様では、オブジェクトの特性を検出するのに用いる方法が提供される。該方法は、
- 超音波信号供給部が、オブジェクト内の一又は複数の深さにおける時間に依存する前記オブジェクトの特性を示す超音波信号を供給するステップと、
- 前記オブジェクトの特性を検出するために、周期性値決定部が、一定深さに対する前記超音波信号の時間的周期性の程度を示す周期性値を決定するステップとを有する。

本発明のさらに別の態様では、オブジェクトの特性を検出するのに用いるコンピュータプログラムが提供される。該コンピュータプログラムは、請求項１に記載の装置を制御するコンピュータにおいて実行されると、前記装置に、請求項１４に記載の方法のステップを実行させるプログラムコード手段を有する。

言うまでもなく、請求項１の装置、請求項１４の方法、及び請求項１５のコンピュータプログラムは、同様の及び／又は同一の好ましい実施形態を有し、特に従属項に記載した実施形態を有する。

言うまでもなく、本発明の好ましい実施形態は、従属項の、各独立項との任意の組合せであり得る。

本発明の上記その他の態様を、以下に説明する実施形態を参照して明らかにし、説明する。

オブジェクトの特性の検出に用いる装置の一実施形態を示す図である。 Ｍモード画像における超音波信号セグメントを示す図である。 自己相関関数を示す図である。 超音波信号のエコーシリーズを示す図である。これらのエコーはＡラインに対応する。 Ｍモード画像と、対応する周期性値の２次元表現とを示す図である。 オブジェクトの特性の検出に用いる装置の他の一実施形態を示す図である。 カテーテルチップの一実施形態を示す図である。 オブジェクトの特性の検出に用いる方法の一実施形態を示す図である。

図１は、オブジェクトの特性の検出に用いる装置の一実施形態を示す図である。装置１は超音波信号供給部２を有する。超音波信号供給部２は、オブジェクト９内の一又は複数の深さにおける時間に依存するオブジェクト９の特性を示す超音波信号を供給する。本実施形態において、オブジェクトは人の心臓であり、具体的には心臓壁である。

超音波信号供給部２は、オブジェクト９に超音波パルスを送出し、その超音波パルスがオブジェクト９により反射された後の一連の動的なエコー（dynamic echo series）を受信し、受信した一連の動的なエコーに応じた超音波信号を発生するように構成されている。

超音波パルスは、オブジェクトに送出されると、異なる深さで反射され、エコー信号が超音波信号供給部２により異なる時に受信される。エコー信号は、超音波パルスのオブジェクト内の異なる深さにおける反射により発生し、エコーシリーズ（an echo series）を形成する。音速と時間を考慮して、超音波パルスがオブジェクトに送出された後のエコーを記録すると、エコーシリーズを、オブジェクトの超音波反射特性の、オブジェクト内の深さへの依存性に変換できる。さらに、異なる時にオブジェクト９に対して複数の超音波パルスを送出し、異なる時にエコーシリーズを発生する。これらのエコーシリーズは、異なる時に異なる超音波パルスから取得され、異なる時間に属すが、動的エコーシリーズを形成する。受信した動的エコーシリーズに依存する超音波信号は、異なる深さと異なる時におけるオブジェクトの超音波反射特性を表す。

受信した動的エコーシリーズに依存する超音波信号は、２次元に依存する、例えば水平軸の時間に依存しかつ垂直軸の深さに依存する、反射強度を示す２次元画像として表せる。対応する２次元Ｍモード画像を図２に例示する。

装置１はさらに、心臓９の周期的運動の周期を決定する周期決定部３を有する。本実施形態では、周期決定部３は、超音波信号から、特にＭモード画像から周期的運動の周期を決定するように構成されている。図２において、矢印１１は、心臓組織中の深さを示し、心臓壁の前面又は後面に対応する。周期決定部３は、心臓９の周期的運動の周期として、矢印１１で示した深さにおけるＭモード画像における周期的変化の周期を決定するように構成されている。他の一実施形態では、周期決定部は、他の方法で、オブジェクトの運動の周期を決定するように構成できる。例えば、周期決定部は、ＥＣＧ信号を測定するユニットを有してもよい。例えば、心臓組織を切除するためにアブレーション電極を用いる場合、アブレーション電極その他の電極を、アブレーションサイトにおける局所的な電気的アブレーションを測定するように構成できる。この局所的な電気的アブレーションは、周期的なもの、特に実質的に正弦波状のものでもよく、心臓の運動の周期性、すなわち心拍を決定するために用いることができる。また、特にＡＦがあれば、逆時間心周期長さ（inverse temporal cardiac cycle length）を心臓９の周期的運動の周期として用いてもよい。

装置１は、さらに、オブジェクト９の周期的運動の決定した周期を含むバンドパスで、一定の深さの超音波信号を時間的にフィルタリングするフィルタリング部４を有する。そのため、フィルタリング部４は、オブジェクト９の周期的運動の実際に決定された周期に合わせた適応的バンドパスを提供するように構成されている。例えば、バンドパスは、所定の絶対的又は相対的周波数範囲を有しても良い。周波数範囲は、周期的運動の実際に決定された周期にセンタリングしてもよい。

装置１はさらに、一定深さに対する超音波信号の時間的周期の程度を示す周期性値を決定する周期性値決定部５を有する。本実施形態では、周期性値決定部５は、一定深さに対する超音波信号の規格化された時間的自己相関値に依存する周期性値を決定するように構成されている。特に、周期性値決定部５は、一定深さに対する超音波信号の時間的自己相関の非ゼロシフトロケーションにおける一又は複数のピーク値に依存する周期性値を決定するように構成されていてもよい。例えば、非ゼロシフトロケーションにおける第１ピークの第１ピーク値は、一定深さに対する超音波信号の時間的自己相関のゼロシフトロケーションにおけるピークの隣にあるが、周期性値として決定できる。さらに、超音波信号の時間的自己相関の非ゼロシフトロケーションにおけるピークの一組のピーク値を、周期性値として決定してもよい。例えば、これらの非ゼロシフトピーク値の平均を周期性値として決定してもよい。

本実施形態では、周期性値決定部５は、異なる超音波信号セグメント（それぞれ一定深さと時間的セグメンテーション長さに対応する）を決定し、その異なる超音波信号セグメントに対して周期性値を決定するように構成されている。時間的セグメンテーション長さは、好ましくは（preferentially）、少なくとも２つの心周期をカバーするように決定される。特に、時間的セグメンテーション長さは、３つ乃至６つの心周期をカバーするように決定されてもよい。例えば、時間的セグメンテーション長さは、少なくとも４秒であり、６秒乃至１２秒の範囲内にあることが好ましい。ここで、最大の期待心周期は２秒であると仮定した。一実施形態では、時間的セグメンテーション長さは予め決められず、オブジェクトの周期的運動の現在の測定された周期に合わせられる。時間的セグメンテーション長さは、オブジェクトの運動の実際に測定された周期の所定の倍数として決定することもできる。例えば、時間的セグメンテーション長さ（temporal segmentation duration）は、実際に測定された周期の逆数の少なくとも２倍であり、好ましくは（preferentially）実際に測定された周期の逆数の３倍乃至６倍である。

図２は、Ｍモード画像と、３つの超音波信号セグメントＡ，Ｂ及びＣを例示している。各超音波信号セグメントは、時刻ｔに始まる時間セグメンテーション長さＷを有する。このように、各超音波信号セグメントは［ｔ，ｔ＋Ｗ］により画定できる時間ウィンドウに属する。それぞれの超音波信号セグメント、すなわち図２に示したＭモード画像中の一定深さｄにある水平セグメントは、ｆ（ｄ，ｔ）と記すことができる。ここでｆは長さＷのベクトルである。

超音波信号及び超音波信号セグメントは、上記の通りフィルタリング部４によりフィルタされることが好ましい（prefeerentially）。特に、超音波信号は、心臓の周期的運動の周期を含む周波数範囲の周波数のみがフィルタリング部４を通過するように、バンドパスフィルタされる。周波数範囲は、例えば、０．５Ｈｚ乃至３Ｈｚの比較的狭い帯域幅である。この帯域幅は、３０拍／分から１８０拍／分までの心拍の範囲をカバーする。
規格化された自己相関関数Ｃ（ｆ（ｄ，ｔ），ｌ）は、次式により計算することができる：

ここで、ｕ（ｄ，ｔ’）は深さｄ、時刻ｔ’における超音波信号を示し、ｌは遅延を示す。遅延ｌは、好ましくは-maxlagsより大きく、+maxlagsより小さい。すなわち、maxlagsはＣの計算に用いる最大遅延を決める。好ましくは、変数maxlagsの値は、最大限可能性のある心周期いより大きい時間的長さに対応する。例えば、maxlagsの値は、それぞれの超音波信号セグメントの長さの半分である。

図３は、３つの自己相関関数１２，１３，１４を示す。これらは図２に示した３つの超音波信号セグメントＡ，Ｂ，Ｃに対応する。図３において、任意単位の遅延ｌに依存する、すなわち時間ラインにおけるシフトに依存する規格化された相関値Ｃを示した。第１超音波信号要素Ａはアブレーション前の領域に対応し、第２超音波信号セグメントＢはアブレーション中の領域に対応し、超音波信号セグメントＣは病変が安定している領域に対応する。それゆえ、病変フロント又は病変境界は、第２超音波信号セグメントＢでカバーされた領域にある。図３に示した点線のボックス１５は、非ゼロシフトロケーションにおける第１ピークを含む。第１ピークは、時間的自己相関関数のゼロシフトロケーションにおけるピークの隣にある。この第１ピークは、１心周期のシフトすなわち遅延に対応する。一実施形態では、周期性値決定部５は、点線のボックス１５内のピークのピーク値を、周期性値として決定するように構成されている。このピーク値はＰ（ｆ（ｔ，ｄ））と記すことができる。図３から分かるように、第１と第３の超音波信号セグメントＡ，Ｃに対応する自己相関関数１２、１３は、周期性値すなわち第１非ゼロシフトピークのピーク値が、対応する、第２超音波信号セグメントＢに対応する自己相関関数１４の周期性値より大きい。

装置１はさらに、決定された周期性値に応じて、心臓９にエネルギーを印加することにより生じた病変境界を決定する病変境界決定部１０を有する。病変境界決定部１０は、好ましくは、心臓９を切除するために心臓９にアブレーションエネルギーを印加することにより発生した病変境界を決定するように構成されている。特に、病変境界決定部１０は、周期性値に閾値を適用することにより、病変境界を決定するように構成されている。例えば、ある時刻ｔにある深さｄにおいて、周期性値Ｐ（ｆ（ｔ，ｄ））が所定閾値より小さいとき、病変境界決定部１０は、その時刻ｔとその深さｄにおいて、病変境界があると判断できる。閾値は、例えば較正測定により事前に決定できる。この場合、周期性値は既知のロケーションにおける病変境界を有する心臓組織に対して決定され、閾値を用いて決定した病変境界のロケーションがその病変境界の既知のロケーションとできるだけよく一致するように閾値が決定される。例えば、図３を参照して、点線のボックス１５内の自己相関関数１４のピーク値が閾値より低く、点線のボックス１５内の自己相関関数１２と１３のピーク値が閾値より高くなるように、閾値を事前に決定することができる。

病変境界決定部１０は、異なる時刻ｔと異なる深さｄに病変境界があるか、周期性値Ｐ（ｆ（ｔ，ｄ））に基づいて判断するように、構成されていることが好ましい。病変境界決定部１０は、例えば、心臓組織内の病変境界の進行を判断するように構成されていてもよい。

装置１はさらに、心臓９にエネルギーを印加するエネルギー印加部８と、決定された病変境界に応じてエネルギー印加部８を制御する制御部６とを有する。エネルギー印加部８は、好ましくは、アブレーション電極を用いて、電気エネルギー、特にＲＦエネルギーを印加するように構成されている。エネルギー印加部８は、例えば光ファイバを用いて、心臓組織を切除する光エネルギーを印加するように構成されていてもよい。さらに、エネルギー印加部８は、心臓組織を切除するクライオアブレーション要素、高強度集中超音波要素及び／又はマイクロ波要素を有してもよい。

制御部６は、決定された病変境界に応じて、心臓にエネルギーを、本実施形態ではアブレーションエネルギーを印加するパワー及び／又は時間を制御することにより、エネルギー印加部８を制御するよう構成されている。好ましくは、心臓壁が切除され、壁の厚さは既知である。制御部６は、その厚さと決定されたアブレーション深さすなわち決定された病変境界とに応じて、エネルギー印加部８を制御する。制御部６は、好ましくは、所望のアブレーション深さに到達するまで、特に得られる病変が貫壁性となるまで、心臓壁を切除するように構成されている。

好ましくは、壁の厚さも病変境界決定部１０により決定される。特に、病変境界決定部１０は、超音波信号から心臓壁の前面と後面の位置を決定し、決定された壁の前面と後面の位置から、壁の厚さを決定するように構成されている。このように、超音波信号は、病変境界を決定し、壁の厚さを決定するために用いることができる。すなわち、本実施形態では、壁の厚さを測定する別ユニットを設ける必要はない。壁の厚さ、病変境界すなわちアブレーション深さ、及び貫壁度は、超音波信号のみを用いて決定できる。

心臓壁の前面と後面の決定を、図４を参照して以下により詳細に説明する。

図４は、超音波信号のＡラインを例示している。Ａラインは、ある時刻ｔにおけるＭモード画像における垂直線に沿った超音波振幅に対応する。

超音波パルスは、オブジェクト９に送出されると、異なる深さで反射され、エコー信号が受信される。エコー信号は、超音波パルスのオブジェクト内の異なる深さにおける反射により発生し、エコーシリーズ（an echo series）２１、すなわち図４に例示したＡラインを形成する。音速と時間を考慮して、超音波パルスがオブジェクト９に送出された後のエコーを記録すると、一連のエコーを、オブジェクト９の超音波反射特性の、オブジェクト内の深さへの依存性に変換できる。図４において、任意単位の深さｄに応じて、超音波反射特性に対応する任意単位のエコーシリーズ振幅ａを示した。

図４において、エコーシリーズ２１の２２と２３で示した領域は、心臓壁の前面と後面に対応する。領域２４は超音波パルスにより直接生成される。このように、厳密な意味では、エコーシリーズは、図４に示したグラフから領域２４を除いたものである。

図４に示したエコーシリーズ２１により、超音波パルスを放射してエコーを受信する超音波部の位置に対する前面２２と後面２３の位置を決定できる。領域２４の最初に測定される振幅は、超音波トランスデューサの位置を示している。領域２４の次は、振幅が実質的にゼロである領域であり、少しすると領域２３で振幅が再び大きくなり、オブジェクトによる最初の反射を、すなわちオブジェクト９の前面を示している。領域２５の振幅は小さく、心臓壁の組織内における反射に対応する。次に領域２２において、振幅が再び大幅に大きくなり、心臓壁の後面を示す。このように、エコーシリーズ２１により、領域２２と２３に基づき、前面と後面の位置を決定できる。

装置１は、さらに、深さｄと、周期性値が決定された超音波信号セグメントの時間的位置ｔとに応じて周期性値Ｐ（ｆ（ｔ，ｄ））を示すディスプレイ７を有する。ディスプレイ７は、さらに、決定された病変境界及び／又は超音波信号、特にＭモード画像を表示するように構成できる。図５は、Ｍモード画像３０と、周期性値Ｐ（ｆ（ｔ，ｄ））の２次元表示（visualization）を示す。これらはディスプレイ７上に表示できる。閉じた線３２は、病変境界に対応する周期性値を有する領域を示す。閉じた線３２はディスプレイ７上には表示されなくてもよい。例え一実施形態において、病変境界が自動的に決定されなくても、周期性値の表示３１は、医師がアブレーション手順中に病変境界の進行をモニターするために用いることができる。表示３１において、異なる周期性値には異なる色が割り当てられる。

一実施形態では、オブジェクトの特性を検出するのに用いられる装置は、好ましくは、図６に示した心臓の特性などの、人３３内のオブジェクト９の特性の検出を可能にするカテーテルを有する。

装置は、カテーテル３４の遠位端すなわちカテーテルの先端に、超音波部を有する。超音波部（図６には図示せず）は超音波制御部３５により制御される。超音波制御部３５は、超音波部とともに超音波信号供給部を形成する。超音波部と超音波制御部３５は、心臓９に超音波パルスを送出し、その超音波パルスが心臓９により反射された後の動的なエコーシリーズ（dynamic echo series）を受信し、受信した動的なエコーシリーズに応じた超音波信号を発生するように構成されている。

カテーテル３４の遠位端には、オブジェクト９を切除するエネルギー印加部がある。エネルギー印加部（図６には図示せず）は、ラジオ周波数エネルギーなどの電気エネルギーを印加する電極や、光ファイバなどの光エネルギーを印加する光学要素などのエネルギー印加要素を有する。

装置はさらに、エネルギー印加要素を制御する制御部６を有する。制御部６と超音波制御部３５は主制御部３６に入っている。他の実施形態では、制御部６と超音波制御部３５は別々の制御部であってもよい。さらに、制御部６はさらにカテーテル先端のステアリング、心臓壁組織の検知及び／又は灌注（irrigation）を制御するように構成されていてもよい。この場合、カテーテルはそれぞれステアリング要素、検知要素及び／又は灌注要素を有する。これらの制御機能は、他の任意数の制御部で、例えば一制御部で又は二以上の制御部で行うこともできる。

装置はさらに周波数決定部３、フィルタリング部４、周期性値決定部５、病変境界決定部１０及びディスプレイ７を有する。

図７は、カテーテル３４の先端をより詳細に示す図である。カテーテル先端は、心臓組織を切除するアブレーション電極８と、超音波部４１とを有する。超音波部４１はアブレーション電極８の内部に、又はアブレーション電極８に配置されている。超音波部４１がアブレーション電極８の内部にある場合、アブレーション電極８は開口を有し、超音波部４１はその開口を通して心臓組織を検知できる。この実施形態では、超音波部４１はアブレーション電極８の先端のまわりの円に沿って配置されている。しかし、他の実施形態では、超音波部の配置はこれと異なってもよい。さらに、複数の超音波部を設ける替わりに、１つの超音波部を用いて超音波信号を発生してもよい。超音波部４１とアブレーション電極８は接続４２を介して主制御部３６と接続されている。接続４２は、例えば、アブレーション電極８に電気エネルギーを供給する電線と、超音波部４１を制御し、超音波部４１からカテーテル３４を介して人３３の外に超音波信号を送る他の線とを有する。図７には図示しないが、カテーテルはさらに灌注要素や別の検知要素（電気的又は光学的検知要素など）などの別の要素を有しても良い。

図６に示した装置は、好ましくは、特にオブジェクト９内部における、好ましくは人間又は動物の心臓の内部におけるカテーテルの位置及び／又は方向を決定するシステムと組み合わせて用いられる。本実施形態では、カテーテルの位置及び／又は方向を決定するのに、磁気共鳴画像化システムやＸ線透視システムなどの画像化システムを用いる。この画像化システムは図６に示した破線３７により示した。カテーテル３４は、特にカテーテル先端は、画像化システム３７を用いることにより、カテーテルの方向と位置の決定を容易にする要素を有する。例えば、カテーテル先端は、カテーテル先端が磁気共鳴画像化システム内で用いられる場合、トラッキングコイルを有し、又はＸ線画像において識別でき、Ｘ線透視システムを用いることによりカテーテルの位置及び／又は方向を決定できる形状である要素を有する。また、カテーテル先端は、オブジェクト９内におけるカテーテルの、特にカテーテル先端の位置及び／又は方向を決定するロケーションセンサを有する。オブジェクトライン内におけるカテーテルの位置及び／又は方向を決定することにより、病変境界を決定し、オブジェクト９内の既知の位置にエネルギーを印加できる。

以下、オブジェクトの特性を検出するのに用いる方法を、図８に示したフローチャートを参照して説明する。

ステップ１０１において、超音波部による、オブジェクト内の一又は複数の深さにおける時間に応じたオブジェクトの特性を示す超音波信号が供給される。ステップ１０２において、本実施形態では人の心臓であるオブジェクトの周期的運動の周期を周期決定部により決定する。ステップ装置１０３において、フィルタリング部が、周期的運動の決定した周期を含むバンドパスで、一定の深さの超音波信号を時間的にフィルタリングする。ステップ１０４において、周期性値決定部が、一定深さに対する超音波信号の時間的周期性を示す周期性値を決定する。具体的に、超音波信号から、異なる超音波信号セグメントを決定する。これらセグメントは、一定の深さと時間的セグメンテーション長さに対応する。各超音波信号セグメントに対して、周期性値が決定される。好ましくは、各超音波信号セグメントに対して、自己相関関数を計算し、各自己相関関数の非ゼロシフトピークのピーク値に応じて、各周期性値を決定する。一実施形態では、各時間的自己相関のゼロシフトロケーションにおけるピークの隣にある非ゼロシフトロケーションにおける第１のピークの第１のピーク値を、周期性値として決定する。ステップ１０５において、病変境界決定部により病変境界を決定する。病変境界は、決定された周期性値に応じて、オブジェクトにエネルギーを印加することにより生成される。具体的に、周期性値は、異なる時刻におけるオブジェクト内の異なる深さに対して決定されており、何時、どの深さに病変境界があるか判断するために、所定の閾値と比較される。ステップ１０６において、周期性値の２次元表示がディスプレイ上に表示でき、好ましくは決定された病変境界も表示される。

周期性値を用いて病変境界を決定できる。周期性値は病変形成プロセスにおける病変フロントの不安定性を記述するからである。オブジェクトの特性を検出するのに用いる装置と方法は、上記の通り、時間・周期分析により病変進行をキャプチャするように構成できる。アブレーション手順におけるコンパクトで健康的な組織構造の加熱プロセスと分解により生じる移行のダイナミクスを記述する周期性値を決定する。そのため、構造が変化していない組織領域、すなわち健康か壊死した組織の時間・周期データは、加熱による構造変化が生じている領域と比較して、異なると期待できる。時間・周期データにおけるこの違いは周期性値に反映され得る。周期性値は、特に時間的自己相関は、構造的分解が生じているスポットの動的な変化をキャプチャできる。オブジェクトの周期的運動、特に心臓運動により生じる超音波信号の周期性が妨げられる。それにより、アブレーション直前の同じエリアの超音波信号と比較して、超音波信号のランダム性が短期的に大きくなる。アブレーション後、すなわち病変境界の後では、周期的パターンが再現される。

オブジェクトの特性を検出するのに用いられる装置と方法は、いろいろなアプリケーションで用いることができる。例えば、心臓不整脈や腫瘍アブレーションなどの治療中の組織画像化において用いることができる。しかし、人や動物の、心臓ではなく、その他の器官又は部分などの他のオブジェクトの特性を決定するのに用いることもできる。さらに、本装置と方法は、技術的オブジェクトの特性を決定するのに用いるように構成することもできる。オブジェクトの特性を検出するのに用いられる装置と方法は、肉の処理したり、卵をゆでたり、コンクリートを乾かしたりするアプリケーションにおける構造変化を検出するのに用いることもできる。

上記の実施形態では、病変境界決定部は、一又は複数の周期性値のみに応じて病変境界を決定するように構成されているが、超音波信号から取得できる別の特徴に基づき病変境界を決定するように構成してもよい。例えば、Mモード画像における隣り合う垂直線を相関させて、相関値を決定できる。この相関値と周期性値をともに用いて、各領域に病変境界があるか否か判断できる。この特徴や超音波信号から取得されるその他の特徴を、一又は複数の周期性値とともに用いて、病変境界を決定できる。例えば、ディシジョンツリー分類子などの分類子を用いて、一又は複数の周期性値を有する特徴ベクトルとその他の特徴に応じて、ある領域が病変境界を有するか否か判断できる。分類子をキャリブレーションでトレーニングできる。既知の位置に病変境界を有する組織の超音波信号を用いて特徴ベクトルを決定し、分類子がその病変境界のロケーションを、その病変境界の既知のロケーションとできるだけ一致するように決定するように、分類子をトレーニングする。

上記の実施形態では、装置は、オブジェクトの、特に心臓の周期的運動の周期を決定する周期決定部３を有するが、他の実施形態では、周期決定部３は必ずしも無くても良い。例えば、フィルタリング部４は、オブジェクトの周期的運動の期待される周期を含む所定のバンドパスで、一定の深さの超音波信号を時間的にフィルタリングしてもよい。例えば、オブジェクトが人の心臓である場合、バンドパスは３０拍／分乃至１８０拍／分に対応して、０．５Hz乃至３Hzである。

上記の実施形態では、周期性値決定部は、一定深さに対して超音波信号の時間的自己相関に応じて周期性値を決定するように構成されているが、他の方法で、一定深さに対して超音波信号の時間的周期の程度を示す周期性値を決定するように構成してもよい。例えば、周波数やスペクトル分析を超音波信号に適用してもよい。この場合、周期性値は所定周波数範囲内の超音波信号に基づき決定できる。

上記の実施形態では、超音波信号供給部は、超音波信号を測定する測定部であるが、他の実施形態では、生成された超音波信号がすでに格納されている記憶部でもある。または、発生された超音波信号を入力として受信する超音波信号受信部であってもよい。超音波信号は、それを処理する別のユニットにより用いることができる。

上記の実施形態では、オブジェクトの特性を検出するのに用いる装置は、フィルタリング部を有するが、フィルタリング部は周波数決定部のように任意的である。また、病変境界決定部は任意的であり、オブジェクトの特性を検出するのに用いる装置が、病変決定部を有さない場合、周期性値を例えばディスプレイに直接表示して、一又は複数の周期性値を、エネルギーの印加を制御する制御パラメータとして用いることができる。

請求項に記載した発明を実施する際、図面、本開示、及び添付した特許請求の範囲を研究して、開示した実施形態のその他のバリエーションを、当業者は理解して実施することができるであろう。

請求項において、「有する（comprising）」という用語は他の要素やステップを排除するものではなく、「１つの（"a" or "an"）」という表現は複数ある場合を排除するものではない。

単一のユニット又はデバイスが請求項に記載した複数のアイテムの機能を満たすこともできる。相異なる従属クレームに手段が記載されているからといって、その手段を組み合わせて有利に使用することができないということではない。

一又は複数のユニット又はデバイスにより実行される、オブジェクトの周期的運動の周期の決定、フィルタリング、周期性値の決定、及び病変境界の決定などの計算は、いくつのユニット又はデバイスで実行してもよい。例えば、ステップ１０２乃至１０５は、単一ユニットにより、又は任意数の異なるユニットにより実行してもよい。オブジェクトの特性を検出するのに用いる方法により、オブジェクトの特性を決定するのに用いる装置の計算及び／又は制御をコンピュータプログラムのプログラムコード手段として、及び／又は専用ハードウェアとしてインプリメントしてもよい。

コンピュータプログラムは、光記憶媒体や他のハードウェアとともに、またはその一部として供給される固体媒体などの適切な媒体に記憶／配布することができ、インターネットや有線または無線の電気通信システムなどを介して他の形式で配信することもできる。

請求項に含まれる参照符号は、その請求項の範囲を限定するものと解してはならない。

本発明は、オブジェクトの特性の検出に用いる装置に関する。超音波信号供給部は、超音波信号を供給する。これはオブジェクト内の一又は複数の深さにおける時間に応じたオブジェクトの特性を示し、周期性値決定部は、一定深さに対する超音波信号の時間的周期性の程度を示す周期性値を決定する。各一定深さにおける超音波信号の時間的周期性、すなわち周期性値は、この深さにおけるオブジェクトの特性に依存し、オブジェクトの特性を検出するのに用いることができる。

Claims (13)

1. オブジェクトの特性の検出に用いる装置であって：
   オブジェクト内の一又は複数の深さにおける前記オブジェクトの特性を示す、時間に依存する超音波信号を供給する超音波信号供給部と、
   前記オブジェクトの特性を検出するために、一定深さに対する前記超音波信号の時間的周期性の程度を示す周期性値を決定する周期性値決定部とを有し、
   前記装置はさらに、前記決定された周期性値に応じて、前記オブジェクトにエネルギーを印加することにより生じる病変境界を決定する病変境界決定部を有する、
   装置。
2. 前記病変境界決定部は、前記周期性値に閾値を適用することにより、前記病変境界を決定するように構成されている、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記装置はさらに、前記オブジェクトにエネルギーを印加するエネルギー印加部と、前記決定された病変境界に応じて前記エネルギー印加部を制御する制御部とを有する、
   請求項１に記載の装置。
4. 前記超音波信号供給部は、前記超音波信号としてＭモード画像を供給するように構成されている、請求項１に記載の装置。
5. 前記オブジェクトは周期的に運動するオブジェクトであり、前記装置はさらに、前記オブジェクトの周期的運動に周期を含むバンドパスで、一定深さに対して、前記周期性値を決定する前に、前記超音波信号を時間的にフィルタリングするフィルタリング部を有する、
   請求項１に記載の装置。
6. 前記装置はさらに、前記オブジェクトの周期的運動の周期を決定する周期決定部を有し、前記フィルタリング部は前記周期的運動の決定された周期を含むバンドパスで、一定深さに対して、前記超音波信号を時間的にフィルタリングするように構成されている、
   請求項５に記載の装置。
7. 前記周期性値決定部は、一定深さに対する超音波信号の時間的自己相関に依存する周期性値を決定するように構成されている、
   請求項１に記載の装置。
8. 前記周期性値決定部は、一定深さに対する超音波信号の時間的自己相関の非ゼロシフトロケーションにおける一又は複数のピーク値に依存する周期性値を決定するように構成されている、請求項７に記載の装置。
9. 前記周期性値決定部は、非ゼロシフトロケーションにある第１のピークの第１のピーク値に依存する周期性値を決定するように構成され、前記非ゼロシフトロケーションにある第１ピークの第１ピーク値は、一定深さに対する超音波信号の時間的自己相関のゼロシフトロケーションにおけるピークの隣にある、
   請求項８に記載の装置。
10. 前記周期性値決定部は、それぞれ一定深さと時間的セグメンテーション長さに対応する異なる超音波信号セグメントを決定し、その異なる超音波信号セグメントに対して周期性値を決定するように構成されている、
    請求項１に記載の装置。
11. 前記装置はさらに、前記周期性値に応じて病変境界を決定する病変境界決定部を有する、請求項１０に記載の装置。
12. 前記装置はさらに、深さと、周期性値が決定された超音波信号セグメントの時間的位置とに応じて周期性値を示すディスプレイを有する、
    請求項１０に記載の装置。
13. 超音波信号供給部と周期性値決定部とを有する、オブジェクトの特性の検出に用いる装置の作動方法であって：
    前記超音波信号供給部が、オブジェクト内の一又は複数の深さにおける時間に依存する前記オブジェクトの特性を示す超音波信号を供給するステップと、
    前記オブジェクトの特性を検出するために、前記周期性値決定部が、一定深さに対する前記超音波信号の時間的周期性の程度を示す周期性値を決定するステップと
    を有し、
    前記装置は病変境界決定部をさらに有し、
    前記病変境界決定部が、前記決定された周期性値に応じて、前記オブジェクトにエネルギーを印加することにより生じる病変境界を決定するステップをさらに有する、
    作動方法。

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