JP6574531B2 - 体内及び体外超音波プローブの音響的位置合わせ - Google Patents

Description

本開示は、超音波デバイスに関し、より具体的には、超音波プローブの音響的位置合わせに関する。

超音波プローブを使用して生成された画像の画像融合のために、超音波プローブを空間的に位置合わせするために、幾つかの技術が採用されている。これらの技術には、画像ベースの画像位置合わせ、機械的スウィーピングデバイス（例えば手動スウィーピング、小線源療法用ステッパ、血管内超音波検査（ＩＶＵＳ）プルバック、初期世代の「ロッキング」３Ｄ撮像プローブ等）、電磁（ＥＭ）追跡、光学追跡、光ファイバ追跡（Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃａｌ ＲｅａｌＳｈａｐｅ（商標））、光学位置検知可能超音波撮像等が含まれる。

これらの技術は、次の問題のうちの幾つかを含む問題を有する。例えば画像ベースの位置合わせは、計算集約的であり、計算遅延によりリアルタイムではない。機械的デバイスは、プローブの動作範囲、可能な位置及び追跡精度に関して制限がある。ＥＭ追跡は、外部追跡システムのセットアップ及び較正を必要とするという欠点がある。更に、（通常、数ｍｍの）追跡精度は、金属製物体の存在によって低下する。光学（体外の干渉法による光ファイバ）は、高分解能であるが、外部システムのセットアップを必要とし、高価である。

本原理によれば、音響的に位置合わせ可能なプローブは、音響パルスを発生させるトランスデューサと、トランスデューサに結合され、音響パルスの視野を調整するビームフォーマとを含む。媒体に結合される他のトランスデューサに対してトランスデューサを位置合わせするために、トランスデューサは、他のトランスデューサに対するトランスデューサの位置を特定し、音響パルスを運ぶ媒体を介した、トランスデューサに対する他のトランスデューサの位置を明らかにするため、デクリメントされる視野角を用いて、音響エネルギーを反復的に送信及び受信する。

プローブを音響的に位置合わせするシステムは、媒体に結合され、音響パルスを送信及び受信する第１のプローブと、媒体に結合される第２のプローブであって、第１のプローブ及び第２のプローブが互いの視野内にある場合に、第１のプローブと第２のプローブとの間の音響的通信によって位置合わせが提供されるように、音響パルスを送信及び受信する第２のプローブとを含む。第１のプローブ及び第２のプローブを共通の座標系において位置合わせするために、第１のプローブ及び第２のプローブは、音響パルスを運ぶ媒体を介した互いの位置を特定するため、デクリメントされる視野角を用いて、音響エネルギーを反復的に送信及び受信する。

プローブを音響的に位置合わせする方法は、第１のプローブから、第１の視野角において、第１の音響パルスを送信するステップと、第１の音響パルスの飛行時間及び信号強度を測定するために、第２のプローブにおいて、第１の音響パルスを受信するステップと、第２のプローブから、第１の視野角よりも狭い第２の視野角において、第２の音響パルスを送信するステップと、第２の音響パルスの飛行時間及び信号強度を測定するために、第１のプローブにおいて、第２の音響パルスを受信するステップと、第１のプローブ及び第２のプローブを共通の座標系に対して位置合わせするために、測定された飛行時間及び信号強度に基づいて、第１のプローブ及び第２のプローブの位置を計算するステップとを含む。

本開示のこれら及び他の目的、特徴及び利点は、添付図面と関連して読まれるべき以下の本開示の例示的な実施形態の詳細な説明から明らかとなろう。

本開示の好適な実施形態は、次の図面を参照して、以下に詳細に説明される。

図１は、一実施形態に従って超音波プローブを音響的に位置合わせするシステムを示すブロック／フロー図である。 図２Ａは、一実施形態に従ってプローブを音響的に位置合わせするための体外プローブと体内プローブとの間の音響通信を示す図である。 図２Ｂは、別の実施形態によるプローブ間の音響通信を示す図であって、プローブを音響的に位置合わせするために、１つのプローブが複数の要素を含む図である。 図３は、一実施形態に従ってプローブを音響的に位置合わせするためのプローブ間の音響通信を示す図である。 図４は、本原理に従って複数のプローブからの画像データを融合する又は繋ぎ合わせることによって得られる複合画像を有する超音波画像を示す。 図５は、本原理に従ってより大きいビューを形成するために、複数のプローブから繋ぎ合わされた超音波画像を示す。 図６は、一実施形態に従って超音波プローブを音響的に位置合わせする超音波システムを示すブロック／フロー図である。 図７は、例示的な実施形態に従って超音波プローブを音響的に位置合わせする方法を示すフローチャートである。

本原理によれば、同時に使用される２つ以上の超音波プローブの簡単且つ正確な追跡方法及びシステムが提供される。本実施形態は、追跡されているプローブからパルス−エコー画像を形成するために使用される同じ超音波の使用に基づいている。有用な実施形態では、追跡は低コストであり、既存のワークフローを妨げない。一実施形態では、複数の超音波プローブが、互いと連動して使用され、解剖学的構造の視覚化が向上される。これらのプローブは、互いに及び共通の座標系に対して音響的に位置合わせされ、関心領域の大局的な画像又は関心領域内の特定の領域をより詳細に提供できる。一例では、心エコー検査法の分野では、体内の経食道エコー（ＴＥＥ）プローブが、心臓内の詳細な小さい視野を提供できる一方で、体外の経胸壁エコー（ＴＴＥ）プローブが、解剖学的コンテキストを提供できることで視覚化が向上される。複数のプローブの位置合わせは、同期化された取得及び視覚化のための超音波信号伝達を使用して提供される。

トランスデューサを備えた体内機器の超音波位置決めは、1つ以上の超音波送信器／受信器の３Ｄ位置を追跡するために使用される。これを使用して、1つ又は幾つかのプローブの互いに対する２Ｄ又は３Ｄの姿勢（例えば位置及び向き）を決定及び追跡することができる。共通の座標系に対して位置合わせされると、画像処理を使用して、システムの視覚化機能が拡大される。本原理は、空間及び時間における複数の超音波プローブのリアルタイム位置合わせができるようにすることによって、マルチパースペクティブ撮像を可能にする。これは、軟組織の解剖学的構造の視覚化を向上させ、デバイスのシャドーイング又は反射によるアーチファクトを減少させる。本原理は、超音波プローブの任意の組み合わせに、また、例えば頭蓋撮像、乳房撮像、腎臓撮像等といった多数の応用に適用可能である。

当然ながら、本発明は、医用機器に関して説明されるが、本発明の教示内容は、はるかに広義であり、任意の音響機器に適用可能である。幾つかの実施形態では、本原理は、複雑な生体系又は機械系の追跡又は解析に使用される。特に、本原理は、生体系の内部及び／又は外部追跡処置、並びに、肺、胃腸管、排泄器、血管といった身体のあらゆる領域における処置に適用可能である。図面に示される要素は、ハードウェア及びソフトウェアの様々な組み合わせで実現されてよく、単一の要素又は複数の要素にまとめられる機能を提供する。

図面に示される様々な要素の機能は、専用ハードウェアだけでなく、適切なソフトウェアに関連してソフトウェアを実行可能であるハードウェアを使用することによって提供可能である。当該機能は、プロセッサによって提供される場合、単一の専用プロセッサによって、単一の共有プロセッサによって、又は、複数の個別のプロセッサによって提供可能であり、個別のプロセッサのうちの幾つかは共有されてよい。更に、「プロセッサ」又は「コントローラ」との用語の明示的な使用は、ソフトウェアを実行可能なハードウェアを排他的に指すと解釈されるべきではなく、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）ハードウェア、ソフトウェアを記憶する読み出し専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、不揮発性記憶装置等を暗に含むが、これらに限定されない。

更に、本発明の原理、態様及び実施形態だけでなく、これらの具体例を列挙する本明細書におけるすべての記述は、これらの構造上の等価物及び機能上の等価物の両方を包含することを意図している。更に、このような等価物は、現在知られている等価物だけでなく、将来開発される等価物（即ち、構造に関係なく、同じ機能を行うように開発される任意の要素）の両方も含むことを意図している。したがって、例えば当業者であれば、本明細書において提示されるブロック図は、本発明の原理を具現化する例示的なシステムコンポーネント及び／又は回路の概念図を表すことは理解できるであろう。同様に、当然ながら、任意のフローチャート、フロー図等は、コンピュータ可読記憶媒体において実質的に表現される様々な処理を表し、したがって、コンピュータ又はプロセッサによって、当該コンピュータ又はプロセッサが明示的に示されているか否かに関わらず、実行される。

更に、本発明の実施形態は、コンピュータ若しくは任意の命令実行システムによる又は当該コンピュータ若しくはシステムに関連して使用されるプログラムコードを提供するコンピュータ使用可能又はコンピュータ可読記憶媒体からアクセス可能であるコンピュータプログラムプロダクトの形を取ることができる。本説明のために、コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読記憶媒体は、命令実行システム、装置若しくはデバイスによる又は当該システム、装置若しくはデバイスに関連して使用されるプログラムを、含む、記憶する、通信する、伝搬する又は運搬する任意の装置であってよい。媒体は、電子、磁気、光学、電磁、赤外若しくは半導体システム（若しくは装置若しくはデバイス）又は伝搬媒体であってよい。コンピュータ可読媒体の例には、半導体若しくは固体メモリ、磁気テープ、取り外し可能なコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、剛性磁気ディスク及び光学ディスクが含まれる。光学ディスクの現在の例には、コンパクトディスク−読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクトディスク−読み出し／書き込み（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）、ブルーレイ（登録商標）及びＤＶＤが含まれる。

明細書における本原理の「一実施形態（one embodiment又はan embodiment）」だけでなくその他の変形例への参照は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、特性等が、本原理の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、明細書全体を通して様々な場所における「一実施形態において」との表現だけでなく任意の他の変形例の出現は、必ずしもすべて同じ実施形態を指しているわけではない。

当然ながら、次の「／」、「及び／又は」及び「少なくとも１つの」、例えば「Ａ／Ｂ」、「Ａ及び／又はＢ」及び「Ａ及びＢの少なくとも１つ」のうちの何れか１つの使用は、第１のオプションだけの選択（Ａ）、第２のオプションだけの選択（Ｂ）、又は、両方のオプションの選択（Ａ及びＢ）を包含することを意図している。更なる例として、「Ａ、Ｂ及び／又はＣ」及び「Ａ、Ｂ及びＣの少なくとも１つ」の場合、このような表現は、第１のオプションだけの選択（Ａ）、第２のオプションだけの選択（Ｂ）、第３のオプションだけの選択（Ｃ）、第１及び第２のオプションだけの選択（Ａ及びＢ）、第１及び第３のオプションだけの選択（Ａ及びＣ）、第２及び第３のオプションだけの選択（Ｂ及びＣ）、又は、すべてのオプションの選択（Ａ、Ｂ及びＣ）を包含することを意図している。これは、当技術分野及び関連の技術分野における当業者には容易に理解されるように、列挙されるアイテムの数だけ拡大適用される。

更に、当然ながら、要素、領域又は材料といった要素が、別の要素の「上（on又はover）」にあると言及される場合、当該要素は、当該他の要素の上に直接あっても、介在要素が存在していてもよい。対照的に、要素が、別の要素の「上に直接ある」と言及される場合、介在要素は存在しない。当然ながら、要素が、他の要素に「接続」又は「結合」されると言及される場合、当該要素は、当該他の要素に直接的に接続又は結合されていても、介在要素が存在していてもよい。対照的に、要素が、別の要素に「直接的に接続される」又は「直接的に結合される」場合、介在要素は存在しない。

次に、図面を参照する。図面中、同じ参照符号が同じ又は同様の要素を示す。最初に、図１を参照する。一実施形態に従って２つ以上のプローブを音響的に位置合わせするシステム１００が例示的に示される。システム１００は、各プローブ１２、１４に関連付けられる１つ以上のワークステーション又はコンソール１１２を含む。一実施形態では、単一のワークステーション１１２が、複数のプローブ１２、１４に対して使用されてよい。ワークステーション１１２は、好適には、１つ以上のプロセッサ１１４と、プログラム及びアプリケーションを記憶するメモリ１１６とを含む。メモリ１１６は、１つ以上の超音波プローブを互いに対して音響的に位置合わせするためのプログラムを記憶する。位置較正モジュール１５０がメモリ１１６に記憶され、すべての超音波プローブ１２及び１４を、単一の座標系に対して位置合わせする。更に、位置較正モジュール１５０は、処置又はトレーニングセッション中に、プローブ１２が動的に位置を変更するにつれて、その新しい位置及び向きを更新する。図１は、すべてのビーム送受信が同期して行われるように、すべてのプローブ１２、１４が単一の超音波システム又はワークステーション１１２によって制御可能であることを示すが、本原理は、単一の又は分散配置された位置較正モジュール１５０に位置を報告する複数のビーム送受信システムを含んでもよい。

一実施形態では、複数の超音波プローブ１２、１４が、互いと連動して使用され、解剖学的構造の視覚化が向上される。例えば心エコー検査では、体内の経食道エコー（ＴＥＥ）プローブ１４が、心臓（ボリューム１３０）内の詳細な小さい視野を提供できる一方で、体外の経胸壁エコー（ＴＴＥ）プローブ１２が、解剖学的コンテキストを提供できることにより、視覚化が向上される。これらのプローブ１２、１４は、それらの間の超音波信号伝達を使用して、互いに対して位置合わせされ、取得及び視覚化を同期化することができる。

位置合わせ処理は、プローブ１２、１４間の信号交換に依存する。位置較正モジュール１５０は、プローブ１２、１４間で送受信された信号に基づいて、プローブの位置を計算する。位置較正モジュール１５０によって場所は更新されて、インコヒーレントなボリューム複合又はサイド・バイ・サイド表示のために、共通の基準空間又は座標系１３２内で複数の画像ボリュームを位置合わせするための変換マトリクス又は他の位置インジケータが生成される。

画像生成モジュール１４８を介して、ユーザによって、画像構成の好みが、システム１００に入力されてよい。画像生成モジュール１４８は、複数のプローブ１２、１４から得られた画像を繋ぎ合わせて又は融合して、単一のビューを作成するか、又は、特定の領域又は関心領域のより詳細なビューを連続的又は同時に生成する（マルチビュー）。

一実施形態では、プローブ１４は、被験者１５２のボリューム１３０の体内に配置され、プローブ１２は、被験者１５２の体外に配置される。体外プローブ１２は、共通空間１３２内でより簡単に追跡される。体外プローブ１２は、１つ以上の方法を使用して、互いに位置合わせ可能である。これらの方法には、空間符号化、電磁（ＥＭ）追跡又は標準基準座標空間１３２を生成する他の方法が含まれる。このような追跡は、プローブ１２、１４が本原理の態様に従って音響的に位置合わせされることが可能であるため、任意選択である。一例では、ＥＭ追跡が使用される場合、１つ以上のプローブ１２は、ＥＭ発生器（図示せず）によって作られたＥＭ場内のプローブ１２の移動を追跡するＥＭセンサ１６を含む。体外プローブ１２の位置が分かると、体内プローブ１４は、例えば大きい視野にわたって一連の指向音響パルスを送信し、プローブ１２は、当該パルスを受動的に受信する。これは、体外プローブ１２が能動的に送信し、体内プローブが受動的に受信することで繰り返される。

受信エコーの信号強度、飛行時間及び／又は他の音波特性に基づいて、プローブ１２、１４は、他のプローブ１２、１４がある大まかな方向を特定することができる。次の反復又はサイクルにおいて、集束パルスが再び送信されるが、より小さく、また、より方向が定められた視野にわたって送信される。これは、各プローブの焦点が、他のプローブ１２、１４の場所に定められるまで、反復的に且つ同期的に繰り返される。位置較正モジュール１５０は、各反復における各プローブ１２、１４の位置及び向きを記憶する。互いに対するプローブ１２、１４の場所（例えば距離及び方向）が分かると、位置較正モジュール１５０によって座標変換が生成され、すべてのプローブが同じ座標空間１３２内で位置合わせされる。

プローブ１２、１４は、プローブ１２、１４が互いを音響的に認識することを確実とするために、それらの動作帯域幅が重なる必要がある。例えばプローブ１２、１４の帯域幅は、好適には、送信されたパルスが検出可能であるように、他のプローブと同じ中心周波数を含む。プローブ１２、１４が、複合撮像を行う（例えば２つ以上のプローブが、単一の複合画像又は繋ぎ合わせ画像に寄与する）場合、プローブ１２、１４は、互いの撮像錐台内にある必要がある。

一実施形態では、体外プローブ１２は固定されたままで、体内プローブ１４が動かされてよい。しかし、本原理はこの構成に限定されず、１つ以上のプローブが固定され、１つ以上のプローブが何時でも動いていてよい。特に有用な実施形態では、体外プローブ１２は、被験者１５２の胸壁上に固定されたままである経胸壁プローブを含み、体内プローブ１４は、被験者１５２のボリューム１３０内を動くことができる。体内プローブがＴＥＥプローブである場合、ＴＥＥプローブは、消化管内を上下に動き、ＴＥＥプローブの各位置において、位置合わせが必要となる。ＴＥＥプローブ１４が、複数の体外プローブ１２（例えばＴＴＥプローブ）の１つのプローブの視野から外れると、別のＴＴＥプローブ１２が（視野内の）よりいい位置にある場合は、当該別のプローブが処置のために起動される。

一実施形態では、画像生成モジュール１４８は、様々なビューイング構成を設定する。これには、複数のプローブからの受信データを組み合わせる単一の複合ビュー、各プローブの別々の画像を含むマルチペインビュー、プローブからの融合画像又はこれらの任意の組み合わせが含まれる。画像は、直接表示されても、表示前に処理があってもよい。画像は、被験者１５２の内部像を見るために表示デバイス１１８に表示される。ディスプレイ１１８は更に、ユーザが、ワークステーション１１２並びにそのコンポーネント及び機能、又は、システム１００内の任意の他の要素とやり取りすることを可能にする。これは、キーボード、マウス、ジョイスティック、触覚デバイス又はワークステーション１１２からのユーザフィードバック及びワークステーション１１２とのやり取りを可能にする任意の他の周辺若しくは制御機器を含むインターフェース１２０によって更に容易にされる。

なお、本原理は、様々なタイプのプローブ及び様々なタイプの音響技術（例えば血管内超音波検査（ＩＶＵＳ）、内視鏡超音波検査（ＥＵＳ）、心腔内心エコー（ＩＣＥ）、気管支内超音波検査（ＥＢＵＳ）、ＴＥＥ、ＴＴＥ等）を使用して採用することができる。幾つかの実施形態では、プローブ１２、１４は、Ａモード、Ｍモード等のスキャナを有する単一の要素を含む。プローブ１２、１４は、ドップラー（商標）、ＳｏｎｏＣＴ（商標）又は他のモードで撮像することができ、任意の組み合わせで表示される。プローブ１２、１４は、例えば圧電（ＰＺＴ）、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）、光学センサ等といった任意のセンサ技術の組み合わせを、各プローブ１２、１４に採用してよい。

図２Ａを参照するに、プローブ１２は、大型の体外超音波プローブを含み、プローブ１４は、小型の超音波プローブ（例えば２ＤのＩＣＥ）を含む。プローブ１４からの２ＤのＩＣＥ画像は、プローブ１２（例えば３ＤのＴＥＥ画像）に対して位置合わせされる。プローブ１２の要素のサブセット又はすべての個々の要素が、プローブ１４の座標系内で追跡される（又はその反対も同様である）。プローブ１２の任意の単一の要素の追跡は、プローブ１４から放出される信号を使用して行われる。プローブ１４とプローブ１２との間の集束ビーム２０、２２は、角度のある視野を変えつつ、順に、互いによって送受信される。プローブ１２、１４の位置は、（範囲をもたらす）飛行時間及び（ビーム方向をもたらし、信号強度を提供する）角度情報の解析によって明らかになる。約２０ｍｍ離れている要素について、０．４ｍｍ以下の位置精度及び１．２°以下の角度精度が達成可能である。

各プローブ１２、１４は、他のプローブ１４、１２の視野内にある必要がある。２つの要素、パッチ又はビーコンを用いて、超音波要素（プローブ）の姿勢及び位置を推定することができる（２つの要素は、物体の６つの自由度（３つの並進、３つの回転）を特徴付ける空間内のベクトルを規定する）が、より多くの要素を追跡することは、推定のロバスト性のために有益である。プローブ１２、１４の相対的位置及び向きが分かると、両方のプローブ１２、１４からの画像は、同じ座標系で表示可能である。個々の画像が、単一のディスプレイで重ね合わされ、各プローブが、小さい領域又はより広い領域における分解能を提供する。

図２Ｂを参照するに、プローブ１４（及び／又はプローブ１２）は、例えばＡモード／Ｍモード単一センサ撮像を行う幾つかの個別のセンサ／要素３０を含んでもよい。所与のプローブについてのセンサ位置が分かっており、センサ／要素３０のアレイ配置によって、プローブ１４上のセンサ３０の空間的関係が分かっていることにより、飛行時間、位置及び姿勢情報の計算がより簡単にできるようになる。

図３を参照するに、複数のプローブの音響的位置合わせは、単一のＴＥＥプローブ１４と、大面積ＴＴＥ（又はＬＡＴＴＥ）プローブを形成する複数のＴＴＥプローブ１２とを含む。図３に例示的に示されるように、複数の経胸腔プローブ及び経食道プローブが、例えば介入心臓学的手順のために位置合わせされる。位置合わせ処理には、次の点が含まれる。ＴＥＥプローブ１４（例えばワイヤ又はカテーテル）が食道又は被験者の他のボリューム内に配置され、２つのＴＴＥプローブ１２が、様々な肋間間隙内の（例えば肋骨間の）胸壁上に配置される。これらは、プローブの対向するグループを提供する。体外プローブ１２は、空間符号化、ＥＭ追跡等を使用して、互いに対して位置合わせされ、標準基準座標空間が生成される。第１の反復１８０の第１のインスタンス１６０において、ＴＴＥプローブ１２は、大きい視野にわたって、一連の指向音響パルス１６１を送信し、ＴＥＥプローブ１４は、当該パルス１６１を受動的に受信する。インスタンス１６２において同じ処理が繰り返され、ＴＥＥプローブ１４は能動的にパルス１６３を送信し、ＴＴＥプローブ１２は、当該パルス１６３を受動的に受信する。パルス１６１及び１６３から受信されたエコーの強度及び飛行時間に基づいて、プローブ１２又は１４は、他のプローブ１４又は１２がある大まかな方向を特定することができる。

次の反復１８２において、より集束されたパルス１６５及び１６７が、より小さく且つより方向が定められた視野にわたって送信される。反復１８２の第１のインスタンス１６４において、ＴＴＥプローブ１２は、より狭い視野にわたって、一連の指向音響パルス１６５を送信し、ＴＥＥプローブ１４は、当該パルス１６５を受動的に受信する。インスタンス１６６において、同じ処理が繰り返され、ＴＥＥプローブ１４は能動的にパルス１６７を送信し、ＴＴＥプローブ１２は、当該パルス１６７を受動的に受信する。パルス１６５及び１６７から受信されたエコーの強度及び飛行時間に基づいて、プローブ１２又は１４は、他のプローブ１４又は１２がある方向を特定することができる。

処理は、各プローブの焦点が、他のプローブの場所に定められるまで、反復的に且つ同期的に続けられる。例えば反復１８４において、より方向が定められた視野にわたって、更に一層集束されたパルス１６９及び１７１が送信される。反復１８４の第１のインスタンス１６８において、ＴＴＥプローブ１２が、より狭い視野（例えば反復毎に５〜１０度。しかし、他の量が使用されてもよい）にわたって、一連の指向音響パルス１６９を送信し、ＴＥＥプローブ１４は、当該パルス１６９を受動的に受信する。インスタンス１７０において、同じ処理が繰り返される。ＴＥＥプローブ１４は、能動的にパルス１７１を送信し、ＴＴＥプローブ１２は、当該パルス１７１を受動的に受信する。パルス１６９及び１７１から受信されたエコーの強度及び飛行時間に基づいて、プローブ１２又は１４は、他のプローブ１４又は１２がある方向を更に特定することができる。

互いに対するプローブ１２、１４の場所（例えば距離及び方向）が分かると、すべてのプローブを同じ座標空間内で位置合わせするために必要な座標変換が決定される。

なお、本例は、ビーム焦点及び視野が調整される３回の反復について説明しているが、幾つかの実施形態では、応用及び必要な分解能に応じて、単一の反復が使用されても、複数の反復が使用されてもよい。更に、３つのプローブが説明されているが、任意の数のプローブ１２及び／又は１４が使用されてもよい。

図４を参照するに、本原理に従って複数の撮像プローブを用いて撮られた心臓ファントムの６つの画像１８８〜１９８が例示的に示される。画像１８８、１９２及び１９６は、心臓ファントムの単一ビュー画像を示す。画像１９０、１９４及び１９８は、アジマス方向において離されている様々な視点から撮られた６つの画像を組み合わせることによって実現される拡張視野（ＦＯＶ）の高品質画像を示す。画像１８８及び１９０は、アジマス方向スライスを示す。画像１９２及び１９４は、エレベーション方向スライスを示す。画像１９６及び１９８は、横方向スライスを示す。様々な視点からのＴＥＥ／ＴＴＥプローブからの幾つかの画像の組み合わせは、本原理による拡張視野撮像及び高画質のための空間的複合の可能性をもたらす。

空間及び時間における複数の超音波プローブのリアルタイム位置合わせは、マルチパースペクティブ撮像を可能にし、これは、軟組織の解剖学的構造の視覚化を向上させ、デバイスのシャドーイング又は反射によるアーチファクトを減少させる。本原理は、超音波プローブの任意の組み合わせに、また、例えば頭蓋撮像、乳房撮像、腎臓撮像等といった多数の応用に適用可能である。

図５を参照するに、１つのプローブからの複数の画像を、経時的に、他のプローブの基準フレームと繋ぎ合わせて、より大きい視野を有するより大きい画像２００を作成することができる。或いは、繋ぎ合わせは、経時的な組織の動き（例えば心臓又は肺の動き）を見る際に役立つように使用される。

図６は、例示的な超音波撮像システム２１０をブロック図形式で示す。超音波システム２１０は、単一のトランスデューサデバイス又はプローブ２１２を例示的に示すが、複数のプローブ２１２を含んでも、他の単一トランスデューサデバイス又はプローブ２１２システムと共に使用されてもよい。トランスデューサデバイス又はプローブ２１２は、超音波を送信し、エコー情報を受信するトランスデューサアレイ２１４を含む。トランスデューサアレイ２１４は、例えば直線アレイ又はフェーズドアレイとして構成されてよく、圧電要素（ＰＺＴ）、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）要素等を含むことができる。トランスデューサアレイ２１４は、例えば２Ｄ及び／又は３Ｄ撮像のために、エレベーション寸法及びアジマス寸法の両方において走査可能なトランスデューサ要素の２又は３次元アレイを含む。プローブ２１２は、ＴＴＥプローブ、ＴＥＥプローブ又は任意の他のプローブを含んでよい。

トランスデューサアレイ２１４は、プローブ２１２内のマイクロビームフォーマ２１６に結合される。マイクロビームフォーマ２１６は、アレイ内のトランスデューサ要素による信号の送信及び受信を制御する。本例では、マイクロビームフォーマ２１６は、トランスデューサデバイス２１２と一体にされ、送受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ２１８に結合される。Ｔ／Ｒスイッチ２１８は、送信と受信とで切り替わり、メインビームフォーマ２２２を高エネルギー送信信号から保護する。

送信コントローラ２２０、マイクロビームフォーマ２１６及び／又はビームフォーマ２２２は、送信されるパルスの強度及び視野を制御する。強度及び視野の調整は、図３を参照して説明されたように、各サイクル、即ち、各反復で行われてよい。メモリ２４２内の較正モジュール１５０（図１）が、このプローブ２１２（また、場合によっては、システム内の他のプローブ）用の制御信号を、ビームフォーマ２２２及び／又は送信コントローラ２２０に提供する。このようにすると、視野の角度及び他のパラメータが、プローブのシステムによって制御され、プローブ間で同期して通信するために必要な情報が提供される。

幾つかの実施形態では、Ｔ／Ｒスイッチ２１８及びシステム内の他の要素は、別個の超音波システム基部ではなく、トランスデューサプローブに含まれてもよい。マイクロビームフォーマ２１６の制御下のトランスデューサアレイ２１４からの超音波ビームの送信は、Ｔ／Ｒスイッチ２１８及びビームフォーマ２２２に結合される送信コントローラ２２０によって管理される。送信コントローラ２２０は、ユーザインターフェース又は制御パネル２２４のユーザ操作からの入力を受信しても、プログラミングされてメモリ２４２に記憶されてもよい。

送信コントローラ２２０によって制御される１つの機能は、ビームがステアリングされる方向である。ビームは、トランスデューサアレイから真っすぐ前に（トランスデューサアレイに直交して）ステアリングされても、より広い視野のために様々な角度にステアリングされてもよい。マイクロビームフォーマ２１６によって生成される部分的にビーム形成された信号は、メインビームフォーマ２２２に結合され、そこで、トランスデューサ要素の個々のパッチからの部分的にビーム形成された信号は、完全にビーム形成される信号になるように組み合わせられる。

ビーム形成された信号は、信号プロセッサ２２６に結合される。信号プロセッサ２２６は、受信したエコー信号を、バンドパスフィルタリング、デシメーション、Ｉ及びＱ成分分離及び高調波信号分離といった様々なやり方で処理することができる。信号プロセッサ２２６は更に、スペックル低減、信号複合、及びノイズ除去といった追加の信号エンハンスメントを行ってよい。処理された信号は、Ｂモード（又は他のモード：Ａ、Ｍ等）プロセッサ２２８に結合され、当該プロセッサ２２８は、体内の構造物の撮像のために振幅検出を使用する。Ｂモードプロセッサによって生成された信号は、スキャンコンバータ２３０及びマルチプラナリフォーマッタ２３２に結合される。スキャンコンバータ２３０は、エコー信号を、当該エコー信号が受信された空間的関係で、所望の画像フォーマットに配置する。例えばスキャンコンバータ２３０は、エコー信号を、２次元（２Ｄ）セクタ形状フォーマット又はピラミッド状の３次元（３Ｄ）画像に配置する。マルチプラナリフォーマッタ２３２は、体のボリュメトリック領域内の共通平面内の点から受信されるエコーを、当該平面の超音波画像に変換することができる。

ボリュームレンダラ２３４が、３Ｄデータセットのエコー信号を、所与の基準点から見た投影３Ｄ画像に変換する。２Ｄ又は３Ｄ画像は、スキャンコンバータ２３０、マルチプラナリフォーマッタ２３２及びボリュームレンダラ２３４から、更なるエンハンスメント、バッファリング及び画像ディスプレイ２３８での表示のための一時的記憶のために、画像プロセッサ２３６に結合される。グラフィクスプロセッサ２４０が、超音波画像との表示のためのグラフィックオーバーレイを生成してもよい。これらのグラフィックオーバーレイ又はパラメータブロックには、例えば患者名、画像の日時、撮像パラメータ、フレーム指数等といった標準的な識別情報が含まれる。これらの目的のために、グラフィクスプロセッサ２４０は、タイプ入力される患者名といったユーザインターフェース２２４からの入力を受信する。ユーザインターフェース２２４も、複数のマルチプラナリフォーマットされた（ＭＰＲ）画像の選択及び表示制御のために、マルチプラナリフォーマッタ２３２に結合されていてよい。

本原理によれば、超音波データは、取得され、例えば図１を参照して説明されたように、他のプローブの位置に対する位置及び向きデータと共に、メモリ２４２に記憶される。メモリ２４２は、中央に位置するように表現されているが、メモリ２４２は、信号経路内の任意の位置において、データを記憶し情報交換してよい。

図７を参照するに、互いに対して且つ共通の座標系に対してプローブを音響的に位置合わせする方法が例示的に示される。ステップ３０２において、２つ以上の（例えば超音波）プローブが媒体（例えば被験者又はボリューム）に結合される。プローブは、異なるタイプ（例えばＴＥＥ、ＴＴＥ等）であってよく、被験者又はボリュームの体内及び／又は体外に配置されてよい。ステップ３０４において、第１の音響パルスは、第１の超音波プローブ用に設定される第１の視野角を有する。第１の視野角は広いべきである（第１の反復で最も広い）。第１の視野角は、超音波デバイス内のビームフォーマを使用して設定されてよい。第１の視野角は、較正モジュールを使用して設定されてよい。第１の視野角は、デフォルト数値でも、ユーザ入力を使用して調整及び設定されてもよい。

ステップ３０６において、第１の音響パルスが、第２の超音波プローブ（また、ある場合には他のプローブ）において受信される。第２のプローブにおいて、プローブトランスデューサを使用して、第１のパルスの飛行時間及び信号強度が測定される。飛行時間は、第１のプローブが音響パルスを開始した時間と、当該パルスが第２のプローブのトランスデューサに到着した時間との差を求めることによって測定される。信号強度も、トランスデューサによって、信号の電力を測定し、測定電力を音響パルスが第１のプローブを出た時の電力と比較することによって測定される。

ステップ３０８において、第２の音響パルスが、第２の超音波プローブから、第１の音響パルスよりも狭い視野角において送信される。ステップ３１０において、第２の音響パルスが、第１の超音波プローブ（また、ある場合には他のプローブ）において受信され、第２のパルスの飛行時間及び信号強度が測定される。ステップ３１２において、プローブ間の送受信反復は、サイクル毎により狭い視野を用いて続けることができる。第１の超音波プローブ及び第２の超音波プローブは、プローブの対応するビームフォーマを使用して、視野角を調整することができる。

ステップ３１４において、飛行時間及び信号強度は記録され、第１の超音波プローブ及び第２の超音波プローブの位置を計算するために使用される。第１及び第２のプローブ（及び任意の他のプローブ）は、互いに対して位置合わせされ、共通の座標系内に配置される。一実施形態では、１つ以上の他のプローブ及び座標系に対してプローブの場所を相関させるために、１つ以上のプローブについて、変換が計算される。第１の超音波プローブ及び第２の超音波プローブ（及び任意の他のプローブ）は、それらの間での通信を可能とするために、１つ以上の周波数を共有する帯域幅を含む。一実施形態では、すべてのプローブが、共通の中心周波数を共有する。

幾つかの実施形態では、ステップ３１６において、対向するプローブが、２つ以上のグループにまとめられる。例えば第１の超音波プローブは、大面積プローブを集合的に形成するために、複数の第１の超音波プローブを含む。プローブを互いに対して且つ共通の座標系に対して位置合わせするために、測定された飛行時間及び信号強度に基づいて、系内の複数のプローブの位置が計算される。

ステップ３１８において、プローブの系内の複数のプローブの１つが追跡され、座標系を規定するために使用される。プローブは、例えばＥＭ追跡、空間符号化等、任意の適切な技術によって追跡されてよい。

ステップ３２０において、１つ以上のプローブについて収集されたデータの画像が表示される。これには、サイド・バイ・サイド表示、又はプローブから受信した画像データを表示用の単一画像（又は複数画像）に融合する若しくは繋ぎ合わせることによって生成される複合画像が含まれる。すべての又は幾つかのプローブからの超音波画像及び／又は情報が、スクリーン上での表示のために組み合わせることができる。画像は、応用に応じて空間的又は時間的に組み合わされる。例えば画像は、繋ぎ合わされたり、同時に表示されたり、動的に表示され（時間の経過と共に動い）たりする。１つのプローブからの画像を、経時的に別のプローブの基準フレームと繋ぎ合わせることは、より大きい視野を有するより大きい画像を作成するか又は組織の動きを追跡するために行われ、関心領域等のより多くの詳細を提供する。

幾つかの代替実施態様では、ステップに示される機能は、図面に示される順序とは異なる順序で行われる。例えば連続で示される２つのステップは、実際には、実質的に同時に行われてもよい。又は、ステップは、時に、関与する機能に応じて、反対の順序で行われてよい。

添付の請求項を解釈する際に、次の通りに理解されるべきである。
ａ）「含む」との用語は、所与の請求項に列挙される要素又は行為以外の要素又は行為の存在を排除しない。
ｂ）要素に先行する「ａ」又は「ａｎ」との用語は、当該要素が複数存在することを排除しない。
ｃ）請求項における任意の参照符号は、その範囲を限定しない。
ｄ）幾つかの「手段」は、同じアイテム、ハードウェア若しくはソフトウェアによって実現される構造体又は機能によって表される。
ｅ）特に明記されない限り、行為の特定の順番を必要とすることを意図していない。

（例示的であって限定を意図していない）体内及び体外超音波プローブの音響的位置合わせのための好適な実施形態が説明されたが、上記教示内容に鑑みて、当業者によって修正及び変更がなされうることに留意されたい。したがって、開示された開示内容の特定の実施形態に変更を行ってもよく、これらの変更は、添付の請求項によって概説される本明細書に開示される実施形態の範囲内であることは理解されるべきである。したがって、特許法によって義務付けられているように、詳細及び特殊性を説明することによって、特許証によって請求され、保護を望むものは、添付の請求項に記載される。

Claims (24)

1. 音響パルスを送信及び受信するトランスデューサと、
   前記トランスデューサに結合され、前記音響パルスの視野を調整するビームフォーマと、
   を含み、
   媒体に結合される他のプローブが備える他のトランスデューサに対して前記トランスデューサを位置合わせするために、前記トランスデューサは、前記他のトランスデューサに対する前記トランスデューサの位置を特定し、音響パルスを運ぶ前記媒体を介した、前記トランスデューサに対する前記他のトランスデューサの位置を明らかにするため、送信毎に段階的にデクリメントされる視野角を用いて前記他のトランスデューサへ音響エネルギーを送信すること、及び前記他のトランスデューサから送信される音響エネルギーを受信することを反復的に行う、音響的に位置合わせ可能なプローブ。
2. 前記媒体内に、前記トランスデューサから離間されている少なくとも１つの他のトランスデューサを更に含む、請求項１に記載のプローブ。
3. 前記トランスデューサ及び前記少なくとも１つの他のトランスデューサは、共通の座標系に対して音響的に位置合わせされる、請求項２に記載のプローブ。
4. 前記トランスデューサ及び前記少なくとも１つの他のトランスデューサの一方は、共通座標系に対して位置合わせするために、追跡デバイスによって追跡される、請求項２に記載のプローブ。
5. 前記少なくとも１つの他のトランスデューサ及び前記トランスデューサそれぞれは、前記少なくとも１つの他のトランスデューサと前記トランスデューサとの間の通信を可能とするために、１つ以上の周波数を共有する帯域幅を有する、請求項２に記載のプローブ。
6. 前記トランスデューサは、大面積プローブを形成するために、複数のトランスデューサを含む、請求項１に記載のプローブ。
7. １つ以上のトランスデューサ間の前記音響パルスの飛行時間及び信号強度に基づいて、前記１つ以上のトランスデューサの位置を決定する位置較正モジュールを更に含む、請求項１に記載のプローブ。
8. 前記位置較正モジュールは、位置特定を可能とするために、前記音響パルスの連続的な送信及び受信反復において、前記トランスデューサの前記視野の角度を変更する、請求項７に記載のプローブ。
9. 前記トランスデューサからの画像を、経時的に、前記他のトランスデューサのうちの少なくとも１つのトランスデューサの基準フレームと継ぎ合わせて、より大きい視野を有するより大きい画像を作成する画像生成モジュールを更に含む、請求項１に記載のプローブ。
10. プローブを音響的に位置合わせするシステムであって、前記システムは、
    媒体に結合され、音響パルスを送信及び受信する第１のプローブと、
    前記媒体に結合される第２のプローブであって、前記第１のプローブ及び前記第２のプローブが互いの視野内にある場合に、前記第１のプローブと前記第２のプローブとの間の音響的通信によって位置合わせが提供されるように、音響パルスを送信及び受信する第２のプローブと、
    を含み、
    前記第１のプローブ及び前記第２のプローブを共通の座標系において位置合わせするために、前記第１のプローブ及び前記第２のプローブは、音響パルスを運ぶ前記媒体を介した互いの位置を特定するため、デクリメントされる視野角を用いて、音響エネルギーを反復的に送信及び受信する、システム。
11. 前記第１のプローブ及び前記第２のプローブの一方は、前記共通の座標系に対して位置合わせするために、追跡デバイスによって追跡される、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第１のプローブ及び前記第２のプローブは、前記第１のプローブと前記第２のプローブとの間の通信を可能とするために、１つ以上の周波数を共有する帯域幅を含む、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記第１のプローブは、大面積プローブを集合的に形成するために、複数の第１のプローブを含む、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記音響パルスの飛行時間及び信号強度に基づいて、前記第１のプローブ及び前記第２のプローブの位置を決定する位置較正モジュールを更に含む、請求項１０に記載のシステム。
15. 前記位置較正モジュールは、前記音響パルスの連続する送信及び受信反復において、前記第１のプローブ及び前記第２のプローブそれぞれの視野の角度を変更する、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記第１のプローブ及び前記第２のプローブから画像データを受信し、前記画像データを表示用の単一画像に組み合わせる画像生成モジュールを更に含む、請求項１０に記載のシステム。
17. 前記第１のプローブ及び前記第２のプローブの一方からの画像を、経時的に、前記第１のプローブ及び前記第２のプローブの他方の基準フレームと繋ぎ合わせて、より大きい視野を有するより大きい画像を作成する画像生成モジュールを更に含む、請求項１０に記載のシステム。
18. 第１のプローブから、第１の視野角において、第１の音響パルスを送信するステップと、
    前記第１の音響パルスの飛行時間及び信号強度を測定するために、第２のプローブにおいて、前記第１の音響パルスを受信するステップと、
    前記第２のプローブから、前記第１の視野角よりも狭い第２の視野角において、第２の音響パルスを送信するステップと、
    前記第２の音響パルスの飛行時間及び信号強度を測定するために、前記第１のプローブにおいて、前記第２の音響パルスを受信するステップと、
    前記第１のプローブ及び前記第２のプローブを共通の座標系に対して位置合わせするために、測定された飛行時間及び信号強度に基づいて、前記第１のプローブ及び前記第２のプローブの位置を計算するステップと、
    を含む、プローブを音響的に位置合わせする方法。
19. 前記第１のプローブ及び前記第２のプローブの一方は、前記共通の座標系に対して位置合わせするために、追跡デバイスによって追跡される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１のプローブ及び前記第２のプローブは、前記第１のプローブと前記第２のプローブとの間の通信を可能とするために、１つ以上の周波数を共有する帯域幅を含む、請求項１８に記載の方法。
21. 前記第１のプローブは、大面積プローブを集合的に形成するために、複数の第１のプローブを含み、位置を計算する前記ステップは、前記複数の第１のプローブ及び前記第２のプローブを前記共通の座標系に対して位置合わせするために、測定された飛行時間及び信号強度に基づいて、前記複数の第１のプローブ及び前記第２のプローブの位置を計算するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
22. 前記第１のプローブ及び前記第２のプローブは、対応するビームフォーマを使用して調整される視野の角度を有する、請求項１８に記載の方法。
23. 表示用の単一画像となるように、前記第１のプローブ及び前記第２のプローブから受信される画像データを使用して複合画像を生成するステップを更に含む、請求項１８に記載の方法。
24. より大きい視野を有するより大きい画像を作成するために、前記第１のプローブ及び前記第２のプローブの一方からの画像を、経時的に、前記第１のプローブ及び前記第２のプローブの他方の基準フレームと繋ぎ合わせるステップを更に含む、請求項１８に記載の方法。

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