JP6479039B2 - 超音波画像取得に対する触覚フィードバック - Google Patents

超音波画像取得に対する触覚フィードバック Download PDF

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Description

本発明は、医療用超音波撮像システム、特に、超音波検査者が超音波画像を取得するのを援助する触覚フィードバック装置に関する。
超音波画像取得を巡る困難性は、超音波プローブナビゲーションのものである。取得された超音波画像が、基準座標系を持たないので、超音波検査者がいつでも関心対象の画像を取得するためにどこにプローブを移動するかを知っていることは難しいかもしれない。しばしば、特定の関心対象の画像を取得するためにどのように及びどこにプローブを移動するかの情報は、重要な経験から得られる。定性的な評価だけでなく、定量的な測定をも提供する撮像応用に対する要望が増大している。これらの定量的な測定は、取得された画像の手動、半自動、又は完全自動コンピュータ分析であってもよい。画質及び正しい視野は、これらの自動分析応用においてさらにいっそう重大である。画像取得に対するこれらの増大された要望は、熟練した超音波検査者でさえも応えるのが難しいかもしれない。
リアルタイムセグメンテーションアルゴリズムが普及するにつれて、超音波検査者がより多くの画像データを取得することを望みうる領域を示すように超音波検査者にリアルタイムナビゲーションフィードバックを提供する可能性は、より大きな可能性になっている。しかしながら、このナビゲーション情報を超音波検査者に対して有意義な方法で変換することは、自明ではない。どこにプローブを移動するかに関する情報は、モニタに表示される画像上に示されることができるが、超音波検査者にとって所望の領域において画像を取得するためにどのようにプローブを平行移動又は回転させるかは、明らかではないかもしれない。更に、モニタに表示された取得画像を連続的に観察することが、超音波検査者にとって望ましいので、どこにプローブを移動するかに関するいかなるナビゲーション情報も、単に表示画像又はプローブ自体における視覚的キューの使用無しで超音波検査者に対して変換される必要がある。
触覚情報システムの使用により、リアルタイムナビゲーションフィードバックが、直感的に超音波検査者に提供されうる。
本発明の開示の一実施例によると、超音波検査者にナビゲーションガイダンスを提供するシステムは、エコー信号を送信及び受信することができる超音波プローブと、前記超音波プローブにより受信された前記エコー信号に対応する前記超音波プローブからの信号を受信し、画像を生成することができる取得システムと、前記取得システムから前記画像を受信する表示システムとを含むことができ、前記表示システムは、前記画像を分析し、追跡プロセッサにデータを送信することができる解剖学的分析モデルを含み、前記追跡プロセッサは、少なくとも部分的に前記解剖学的モデルから受信されたデータに基づいて画像を取得するための前記超音波プローブの移動を計算することができ、前記表示システムは、前記追跡プロセッサにより計算された前記移動をナビゲーション命令に変換することができるナビゲーション命令生成器を含み、前記ナビゲーション命令は、少なくとも部分的に前記ナビゲーション命令に基づいて触覚フィードバック装置を動作することができる前記超音波プローブに付属する触覚装置に送信されることができ、前記触覚フィードバック装置は、前記超音波検査者に触覚ナビゲーション命令を提供することができる。前記触覚装置は、前記触覚装置の内面にわたって分布する複数の触覚フィードバック装置を有してもよい。前記触覚装置は、同時に動作される触覚フィードバック装置の組み合わせがナビゲーション命令に対応することができるナビゲーション命令セットによって前記複数の触覚フィードバック装置を動作してもよい。前記触覚フィードバック装置は、振動を提供することができるモータであってもよい。前記触覚装置は、更に力センサを含んでもよい。前記システムは、前記力センサからデータを受信し、少なくとも部分的に前記力センサから受信されたデータに基づいて画像を取得するための前記超音波プローブの移動を計算してもよい。前記システムは、前記超音波検査者にナビゲーションガイダンスを提供するために断続的に動作してもよい。前記追跡プロセッサは、生理学的データを受信し、少なくとも部分的に前記生理学的データに基づいて画像を取得するための前記超音波プローブの移動を計算してもよい。
本発明の他の開示された実施例によると、超音波検査者にナビゲーションガイダンスを提供する方法は、解剖学的分析モデルを用いて、超音波プローブにより取得された画像を分析するステップと、少なくとも部分的に前記画像の前記分析に基づいて前記超音波プローブの移動を計算するステップと、前記超音波プローブをナビゲートするように前記超音波プローブにより触覚フィードバックを提供するステップとを含むことができる。前記方法は、更に、十分な画像が取得された場合に前記超音波検査者に信号を提供するステップを含んでもよい。前記信号は、視覚的信号であってもよい。前記方法は、前記超音波プローブに取り付けられた触覚装置に命令を送信するステップ及び前記超音波検査者に前記触覚フィードバックを提供するように前記触覚装置内の触覚フィードバック装置を作動するステップを含んでもよい。
本発明の原理による他の実施例によると、1以上のプロセッサにより実行されるべき、超音波画像を取得する際のナビゲーションガイダンスに対する命令を記憶した非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記命令は、実行される場合に、前記1以上のプロセッサに、超音波プローブから超音波を放射させ、前記超音波プローブにより受信されたエコー信号から画像を生成させ、前記画像が十分であるかどうかを決定するように前記画像を分析させ、十分な画像を得るのに要求される前記超音波プローブの移動を計算させ、前記要求される移動に基づいてナビゲーション命令を生成させ、触覚装置にナビゲーション命令を送信させる。
本発明の一実施例による医療用超音波システムのブロック図である。 本発明の一実施例による触覚装置のブロック図である。 本発明の一実施例によるナビゲーション命令セットのブロック図である。 本発明の一実施例の動作のフローチャートである。
以下の詳細な記載において、限定ではなく説明の目的で、特定の詳細を開示する実施例が、本教示による実施例の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、ここに開示される特定の詳細から逸脱する本教示による他の実施例が、添付の請求項の範囲内にとどまることは、本開示の利益を得る当業者に明らかである。更に、周知の装置及び方法の説明は、実施例の記載を不明瞭にしないように省略されうる。このような方法及び装置は、本教示の範囲内である。
図1を参照すると、本発明の一実施例による超音波撮像システムが、ブロック図形式で示される。前記超音波システムは、2つのサブシステム、すなわち、フロントエンド取得サブシステム10A及び表示サブシステム10Bにより構成される。超音波プローブ60は、前記取得サブシステムに結合され、二次元マトリクスアレイトランスデューサ70及びマイクロビームフォーマ72を含む。前記マイクロビームフォーマは、アレイトランスデューサ70の素子(パッチ)のグループに印加される信号を制御し、各グループの素子により受信される前記エコー信号の一部の処理を行う回路を含む。
取得サブシステム10Aは、ユーザ制御部36に応答し、例えば、送信ビームのタイミング、周波数、方向及び焦点に関して前記プローブに命令する制御信号をマイクロビームフォーマ72に提供するビーム形成コントローラ74を含む。前記ビーム形成コントローラは、アナログ・デジタル(A/D)変換器18及びシステムビームフォーマ20の制御により前記取得サブシステムにより受信されたエコー信号のビーム形成を制御する。前記プローブにより受信されたエコー信号は、前記取得サブシステム内のプリアンプ及びTGC(時間利得制御)回路16により増幅され、A/D変換器18によりデジタル化される。前記デジタル化されたエコー信号は、次いで、システムビームフォーマ20により完全に操作され、集束されたビームに形成される。前記エコー信号は、次いで、デジタルフィルタリング、Bモード及びMモード検出並びにドップラ処理を実行し、高調波分離、スペックル低減及び他の所望の画像信号処理のような他の信号処理をも実行することができる信号プロセッサ22により処理される。
取得サブシステム10Aにより生成された前記エコー信号は、所望の画像フォーマットでの表示のために前記エコー信号を処理する表示サブシステム10Bに結合される。前記エコー信号は、前記エコー信号をサンプリングし、ビームのセグメントを完全なライン信号に接合(splicing)し、信号対雑音改良又はフロー持続(flow persistence)のためにライン信号を平均化することができる画像ラインプロセッサ24により処理される。2D画像に対する画像ラインは、当技術分野において既知であるR−シータ変換を実行するスキャンコンバータ26により所望の画像フォーマットにスキャン変換される。前記画像は、この場合、画像バッファ又はメモリ28に記憶され、ここからディスプレイ38に表示されることができる。メモリ28内の前記画像は、前記画像とともに表示されるグラフィックと重ねられ、前記グラフィックは、ユーザ制御部36に応答するグラフィック生成器(図示されない)により生成される。個別の画像又は画像シーケンスは、画像ループ又はシーケンスのキャプチャ中にシネメモリ(図示されない)に記憶されることができる。
リアルタイム体積撮像に対して、表示サブシステム10Bは、リアルタイム三次元画像のレンダリングのために画像ラインプロセッサ24から画像ラインを受信する3D画像レンダリングプロセッサ32をも含む。前記3D画像は、ディスプレイ38にライブ(リアルタイム)3D画像として表示される又は後のレビュー及び診断のための3Dデータセットの記憶のために画像メモリ28に結合されることができる。
本発明の原理によると、前記表示サブシステムは、メモリ40に記憶された自動化された解剖学的分析モデルをも含んでもよい。このような解剖学的分析モデルの例は、米国特許出願13/884617"Identifying individual sub-regions of the cardiovascular system for calcium scoring"に記載された心臓モデル技術である。この技術は、モデルベースのアプローチを使用して3D超音波体積から心臓組織(心室、心管系等)の大部分を素早くセグメント化することができ、その際に、十分な又は不十分な画像データが発見された領域を素早く決定することができる。解剖学的分析モデルの第2の例は、超音波検査者が生検処置中に針の先端をトランスデューサ70の視野内に保つことを援助するように生検針の変形を予測するモデルである。非医療応用において、前記解剖学的モデルは、十分な又は不十分な画像データが発見される領域を決定するために撮像されるべき対象に対するいかなる適切なモデルで置き換えられてもよい。
分析モデル40からのデータは、追跡プロセッサ42に送信されてもよい。追跡プロセッサ42は、少なくとも部分的に分析モデル40から提供されたデータに基づいて所望の画像を得るために、超音波プローブ60が現在の位置に対してどこに移動すべきかを予測し、以下により詳細に記載される触覚装置200に送信されるナビゲーション命令を生成するナビゲーション命令生成器44に要求されるプローブ移動を送信することができる。追跡プロセッサ42は、どこでより多くの画像データが必要されるかをディスプレイ38上で示し、現在の位置に対してプローブ60をどのように移動するかを示すことができる。しかしながら、プローブ60の対称性により、前記超音波検査者は、いつも前記プローブのどの移動が必要な平行移動及び/又は要求される回転と一致するかを正確に知っているわけではないかもしれない。超音波プローブ60上の視覚的キュー(例えば、LED)が、どのようにプローブ60を移動するかを示すのに使用されることができ、特に生体組織及びツール/器具/装置の相対位置が前記視野内で操作される介入の場合に、前記超音波検査者に表示画像の常時観察を維持させることが望ましい。
図2は、超音波プローブ60の外部に取り付けられうる又は超音波プローブ60の筐体の中に統合されうる触覚装置200の一実施例を示す。触覚装置200は、前記超音波検査者に対して追跡プロセッサ42からの情報を通信する直感的な、おしつけがましくない方法を提供する。触覚装置200は、超音波プローブ60を保持する前記超音波検査者の手に身体的感覚を提供するように構成されうる。追跡プロセッサ42により計算されたように、どこに超音波プローブ60が移動されるべきかを伝達するこれらの身体的感覚は、触覚ナビゲーション命令である。触覚装置200は、複数の触覚フィードバック装置201−208を有する。8つの触覚フィードバック装置が、この実施例に描かれているが、より多数又は少数が使用されることができる。触覚フィードバック装置201−208は、超音波プローブ60を保持している超音波検査者により感じられることができる振動を生成するモータであってもよい。ナビゲーション命令生成器44からのパワー及びナビゲーション命令は、コード215により送られる。
追跡プロセッサ42により計算された超音波プローブ60の所望の移動は、ナビゲーション命令生成器44により1以上の触覚フィードバック装置201−208に送信される振動パルスのシーケンスに変換されうる。前記命令は、1以上の触覚フィードバック装置201−208における振動及び/又は1以上の触覚フィードバック装置201−208における異なる振動強度を引き起こすように変換されうる。触覚フィードバック装置201−208を作動するパターン又はシーケンスは、事前に決定されたナビゲーション命令セットにより決定されうる。
ナビゲーション命令セット300の一例は、図3に示される。他のナビゲーション命令セットが、可能であってもよい。以下に記載された全ての方向は、触覚装置200又は超音波検査者ではなく、読み手の視点からのものである。命令(a)−(f)は、3D空間において超音波プローブ60をどのように移動するかを記述する。(a)において、触覚装置200の右側の2つの触覚フィードバック装置207、208は、x軸に沿った方向305において右にプローブ60を移動するように前記超音波検査者に示すように振動する。(b)において、触覚装置200の左側の2つの触覚フィードバック装置203、204は、x軸に沿った方向310において左にプローブ60を移動するように前記超音波検査者に示すように振動する。(c)において、触覚装置200の前側の2つの触覚フィードバック装置201、202は、y軸に沿った方向315においてページの外にプローブ60を移動するように前記超音波検査者に示すように振動する。(d)において、触覚装置200の後ろ側の2つの触覚フィードバック装置205、206は、y軸に沿った方向320においてページの中にプローブ60を移動するように前記超音波検査者に示すように振動する。(e)において、触覚装置200の下部分の4つの触覚フィードバック装置202、204、206、208は、z軸に沿った方向325において下向きに前記プローブを移動するように前記超音波検査者に示すように振動する。(f)において、触覚装置200の上部分の4つの触覚フィードバック装置201、203、207は、z軸に沿った方向330において上向きにプローブ60を移動するように前記超音波検査者に示すように振動する。
命令(g)−(l)は、トランスデューサ70が撮像対象に入射する角度を調整するように超音波プローブ60をどのように回転させるかを記述する。(g)において、前方下の触覚フィードバック装置202及び後方上の触覚フィードバック装置205は、x軸の周りで反時計回りの方向335にプローブ60を回転させるように前記超音波検査者に示すように振動する。(h)において、前方上の触覚フィードバック装置201及び後方下の触覚フィードバック装置206は、x軸の周りで時計回りの方向340にプローブ60を回転させるように前記超音波検査者に示すように振動する。(i)において、左下の触覚フィードバック装置204及び右上の触覚フィードバック装置207は、y軸の周りで反時計回りの方向345にプローブ60を回転させるように前記超音波検査者に示すように振動する。(j)において、左上の触覚フィードバック装置203及び右下の触覚フィードバック装置208は、y軸の周りで時計回りの方向350にプローブ60を回転させるように前記超音波検査者に示すように振動する。(k)において、前方上の触覚フィードバック装置201及び左下の触覚フィードバック装置204は、z軸の周りで時計回りの方向355にプローブ60を回転させるように前記超音波検査者に示すように振動する。最後に、(l)において、前方上の触覚フィードバック装置201及び右下の触覚フィードバック装置208は、z軸の周りで反時計回りの方向360にプローブ60を回転させるように前記超音波検査者に示すように振動する。
本発明の他の実施例において、触覚装置200は、トランスデューサ70に隣接した1以上の力センサ(図示されない)をも含みうる。前記力センサからのデータは、追跡プロセッサ42に送信されてもよく、ナビゲーション命令生成器44は、前記プローブを用いて印加される圧力を増大又は減少させるように触覚装置200により前記超音波検査者に命令を提供してもよい。前記超音波検査者に触覚フィードバックを提供するように収集され、追跡プロセッサ42に提供されることができる他の生理学的データは、呼吸速度及びECG信号を含む。このデータは、触覚装置200内に統合された追加のセンサにより収集されることができる又は追跡プロセッサ42にデータを送信するように構成された別個の装置であってもよい。
図4は、本発明の一実施例で画像を取得する一例のプロセスのフロー図である。超音波検査者は、超音波プローブ60を用いて画像405を取得する。解剖学的分析モデル40は、前記画像が十分であるかどうかを決定するように前記画像を分析する410。前記画像が十分であると決定される場合、前記プロセスは、445において終了する。画像が十分であるために、前記画像は、所望の質及び正しい視野を持ちうる。前記超音波検査者は、ディスプレイ38上の視覚的信号又は他の信号により前記画像の十分性に対して警告されてもよい。解剖学的分析モデル40が、前記画像が不十分であると決定する場合、追跡プロセッサ42は、所望の画像を取得するのに要求される超音波プローブ60の移動を計算する420。超音波プローブ60の前記要求される移動は、ナビゲーション命令生成器44に送信され、前記要求される移動は、超音波検査者に提供される命令に変換される。ナビゲーション命令生成器44は、ステップ430において命令を触覚装置200に送信する。前記触覚装置は、図3に示されたもののような命令セットを使用する触覚フィードバック装置201−208を使用して超音波検査者に前記ナビゲーション命令を送信する435。前記超音波検査者は、少なくとも部分的に触覚装置200により提供された前記命令に基づいて超音波プローブ60を移動してもよく、新しい超音波画像を取得する440。この新しい画像は、次いで、分析410に対して前記解剖学的分析モデルに送信される。前記プロセスは、十分な画像が前記超音波検査者により取得されるまで繰り返す。
上記のシステム及び/又は方法が、コンピュータベースのシステム又はプログラム可能な論理のようなプログラム可能装置を使用して実施される様々な実施例において、上記のシステム及び方法が、C、C++、FORTRAN、Pascal、VHDL等のような様々な既知の又は後に開発されるプログラミング言語のいずれかを使用して実施されることができることは、理解されるべきである。
したがって、上記のシステム及び/又は方法を実施するようにコンピュータのような装置に指示することができる情報を含むことができる、磁気コンピュータディスク、光ディスク、電子メモリ等のような様々な記憶媒体が、用意されることができる。一度、適切な装置が、前記記憶媒体に含まれる情報及びプログラムに対するアクセスを持つと、前記記憶媒体は、前記情報及びプログラムを前記装置に提供することができ、したがって、前記装置が上記のシステム及び/又は方法を実行することを可能にする。
例えば、ソースファイル、オブジェクトファイル、実行可能ファイル等のような適切な材料を含むコンピュータディスクが、コンピュータに提供された場合、前記コンピュータは、前記情報を受信し、これ自体を適切に構成し、様々な機能を実施するように上で前記図及びフローチャートにおいて概説された様々なシステム及び方法の機能を実行することができる。すなわち、前記コンピュータは、上記のシステム及び/又は方法の異なる要素に関する前記ディスクからの情報の様々な部分を受信し、個別のシステム及び/又は方法を実施し、上に記載された個別のシステム及び/又は方法の機能を統合することができる。
この開示を考慮して、ここに記載された様々な方法及び装置が、ハードウェア、ソフトウェア及びファームウェアにおいて実施されることができることに注意する。更に、様々な方法及びパラメータが、限定的な意味ではなく、例としてのみ含まれる。この開示を考慮して、当業者は、本発明の範囲内にとどまりながら、自身の技術及びこれらの技術に作用する必要とされる機器を決定する際に本教示を実施することができる。

Claims (16)

  1. 超音波検査者にナビゲーションガイダンスを提供するシステムにおいて、
    超音波を送信し、エコー信号を受信する超音波プローブと、
    前記超音波プローブにより受信された前記エコー信号に対応する前記超音波プローブからの信号を受信し、画像を生成する取得システムと、
    前記取得システムから前記画像を受信する表示システムであって、
    前記画像を分析し、前記表示システムの追跡プロセッサにデータを送信する解剖学的分析モデル、
    少なくとも部分的に前記解剖学的分析モデルから受信されたデータに基づいて画像を取得するための前記超音波プローブの移動を計算する前記追跡プロセッサ、及び
    前記追跡プロセッサにより計算された前記移動をナビゲーション命令に変換するナビゲーション命令生成器、
    を有する前記表示システムと、
    前記超音波プローブに付属した触覚装置であって、前記触覚装置が、前記触覚装置の複数の異なる方向に設けられた複数の触覚フィードバック装置を有し、前記触覚装置が、少なくとも部分的に前記ナビゲーション命令生成器から受信された前記ナビゲーション命令に基づいて前記触覚フィードバック装置のうち1以上の触覚フィードバック装置を動作し、前記1以上の触覚フィードバック装置が、前記超音波検査者に触覚ナビゲーション命令を提供し、前記ナビゲーション命令が、前記触覚フィードバック装置のうち1以上の触覚フィードバック装置における振動及び/又は前記触覚フィードバックのうち1以上の触覚フィードバック装置における異なる振動強度を引き起こすように変換される、前記触覚装置と、
    を有する、システム。
  2. 前記触覚装置が、前記触覚装置の内面にわたって分布する複数の触覚フィードバック装置を有する、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記触覚装置が、ナビゲーション命令セットによって前記複数の触覚フィードバック装置を動作し、同時に動作される触覚フィードバック装置の組み合わせが、ナビゲーション命令に対応する、請求項2に記載のシステム。
  4. 前記触覚フィードバック装置が、複数のレベルの振動強度を提供するモータである、請求項1に記載のシステム。
  5. 前記触覚装置が、モータを有し、前記触覚装置が、前記モータにシーケンスでパルスを与える、請求項1に記載のシステム。
  6. 前記触覚装置が、前記超音波プローブ内に統合される、請求項1に記載のシステム。
  7. 前記システムが、ナビゲーションガイダンスを提供するように断続的に動作する、請求項1に記載のシステム。
  8. 前記システムが、前記画像を表示するディスプレイを有し、前記ディスプレイは、十分な画像が取得された場合にメッセージを表示する、請求項1に記載のシステム。
  9. 前記触覚装置が、力センサを有し、前記追跡プロセッサが、前記力センサからデータを受信し、少なくとも部分的に前記力センサから受信されたデータに基づいて画像を取得するための前記超音波プローブの移動を計算する、請求項1に記載のシステム。
  10. 前記追跡プロセッサが、生理学的データを受信し、少なくとも部分的に前記生理学的データに基づいて画像を取得するための前記超音波プローブの移動を計算することができる、請求項1に記載のシステム。
  11. 超音波検査者にナビゲーションガイダンスを提供する方法において、
    解剖学的分析モデルを用いて、超音波プローブにより取得された画像を分析するステップと、
    少なくとも部分的に前記画像の前記分析に基づいて前記超音波プローブの移動を計算するステップと、
    前記超音波プローブに取り付けられ、複数の異なる方向に設けられた複数の触覚フィードバック装置を有する触覚装置に命令を送信するステップと、
    前記超音波プローブをナビゲートするように前記超音波プローブにより触覚フィードバックを提供するステップであって、前記超音波検査者に触覚フィードバックを提供するように前記触覚フィードバック装置のうち1以上の触覚フィードバック装置を作動することを含み、前記触覚フィードバック装置は、作動された場合に振動を提供する、前記提供するステップと、
    を有する方法。
  12. 前記画像の十分性を決定するように前記解剖学的分析モデルを用いて前記超音波プローブにより取得された第2の画像を分析するステップと、十分な画像が取得された場合に前記超音波検査者に信号を提供するステップとを有する、請求項11に記載の方法。
  13. 前記信号が、ディスプレイ上に提供される視覚的信号である、請求項11に記載の方法。
  14. 前記触覚フィードバック装置が、作動される場合に異なる強度の振動を提供する、請求項11に記載の方法。
  15. 前記触覚フィードバック装置が、ナビゲーション命令セットに基づいて作動される、請求項11に記載の方法。
  16. 1以上のプロセッサにより実行されるべき、超音波画像を取得する際のナビゲーションガイダンスに対する命令を記憶した非一時的コンピュータ可読媒体において、前記命令が、実行される場合に、前記1以上のプロセッサに、
    超音波プローブから超音波を放出させ、
    前記超音波プローブにより受信されたエコー信号から画像を生成させ、
    前記画像が十分であるかどうかを決定するように解剖学的分析モデルを使用して前記画像を分析させ、
    十分な画像を得るのに要求される前記超音波プローブの移動を計算させ、
    前記ナビゲーション命令を前記超音波プローブに含まれる触覚装置の複数の異なる方向に設けられた複数の触覚フィードバック装置のうち1以上の触覚フィードバック装置に送信される振動パルスのシーケンスに変換することを含めて前記要求される移動に基づいてナビゲーション命令を生成させ、
    超音波検査者にガイダンスを提供するように前記触覚装置に前記ナビゲーション命令を送信させる、
    非一時的コンピュータ可読媒体。
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