JP6915869B2 - 制御装置 - Google Patents

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Description

本開示は制御装置に関する。
従来、ＨＩＦＵ（High Intensity Focused Ultrasound）治療システムが知られている。ＨＩＦＵ治療システムは、超音波を照射する照射部を備える。照射部から照射された超音波は焦点に収束する。術者は、超音波を照射する前に、超音波の照射位置が目標照射位置と一致するように、照射部を移動させる。目標照射位置は治療したい患部である。照射位置の確認方法として、超音波診断プローブを用いる方法や、ＭＲＩを用いる方法等がある。ＨＩＦＵ治療システムは、特許文献１に開示されている。
特許第５９９８０１７号公報
超音波を照射し始めた後に、患者の体が動くことがある。患者の体が動くと、照射位置が目標照射位置からずれてしまう。この場合、目標照射位置以外の部分に超音波を照射してしまう。
本開示は、治療中に患者の体が移動した場合でも、目標照射位置以外の部分に経皮的治療デバイスの照射を行ってしまうことを抑制できる制御装置を提供する。
本開示の一局面は、経皮的治療デバイス（５、３３）の照射位置と目標照射位置とのずれを検出するずれ検出ユニット（２１）と、前記ずれ検出ユニットが前記ずれを検出した場合、前記経皮的治療デバイスの照射を停止するか、前記照射位置を前記目標照射位置に近づける制御ユニット（２３）と、を備える制御装置（３）である。
本開示の一局面である制御装置によれば、治療中に患者の体が移動した場合でも、目標照射位置以外の部分に経皮的治療デバイスの照射を行ってしまうことを抑制できる。
なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。
治療システム１の構成を表す説明図である。 治療システム１の電気的構成を表すブロック図である。 制御装置３の機能的構成を表すブロック図である。 制御装置３が実行する処理を表すフローチャートである。 超音波画像Ｐ（０）を表す説明図である。 超音波画像Ｐ（０）とテンプレート４７とを表す説明図である。 超音波画像Ｐ（ｉ）を表す説明図である。 制御装置３が実行する処理を表すフローチャートである。 超音波画像Ｐ（０）と複数のテンプレート４７とを表す説明図である。 治療システム１０１の構成を表す説明図である。 治療システム２０１の構成を表す説明図である。
本開示の例示的な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
１．治療システム１の構成
治療システム１の構成を図１〜図３に基づき説明する。図１、図２に示すように、治療システム１は、制御装置３と、ＨＩＦＵ制御部５と、超音波診断部７と、ロボット制御部９と、ロボットアーム１１と、先端ユニット１３と、監視用力覚センサ１５と、を備える。監視用力覚センサ１５は力検出デバイスに対応する。
図２に示すように、制御装置３は、ＣＰＵ１７と、例えば、ＲＡＭ又はＲＯＭ等の半導体メモリ（以下、メモリ１９とする）と、を有するマイクロコンピュータを備える。制御装置３の各機能は、ＣＰＵ１７が非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行することにより実現される。この例では、メモリ１９が、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。また、このプログラムが実行されることで、プログラムに対応する方法が実行される。なお、制御装置３は、１つのマイクロコンピュータを備えてもよいし、複数のマイクロコンピュータを備えてもよい。
制御装置３は、図３に示すように、ずれ検出ユニット２１と、制御ユニット２３と、画像取得ユニット２５と、を備える。制御装置３に含まれる各部の機能を実現する手法はソフトウェアに限るものではなく、その一部又は全部の機能は、一つあるいは複数のハードウェアを用いて実現されてもよい。例えば、上記機能がハードウェアである電子回路によって実現される場合、その電子回路は、デジタル回路、又はアナログ回路、あるいはこれらの組合せによって実現されてもよい。
ＨＩＦＵ制御部５は、後述するＨＩＦＵ照射部３３のアンプを備える。また、ＨＩＦＵ制御部５は、ＨＩＦＵ照射部３３による超音波の照射を開始したり、停止したりする。また、ＨＩＦＵ制御部５は、ＨＩＦＵ照射部３３が照射する超音波の出力を調整する。
超音波診断部７は、後述する診断プローブ３５を用いて、超音波画像を取得する。超音波画像は、患者３４の体内を表す画像である。超音波診断部７はモニタ８を備えている。超音波診断部７は超音波画像をモニタ８に表示することができる。
ロボット制御部９は、ロボットアーム１１の動作を制御する。図１に示すように、ロボットアーム１１の根元部２７は台２９に固定されている。ロボットアーム１１の先端部３１には、先端ユニット１３及び監視用力覚センサ１５が取り付けられている。ロボットアーム１１は、動作することにより、先端ユニット１３及び監視用力覚センサ１５の位置を変化させることができる。ロボットアーム１１は、先端ユニット１３のうち、後述する水袋３７を患者３４の体に押し付けることができる。患者３４は、ベッド３６の上に横臥している。監視用力覚センサ１５は、患者３４の体が先端ユニット１３に加える力を検出する。
先端ユニット１３は、ＨＩＦＵ照射部３３、診断プローブ３５、水袋３７、操作部３９、及び操作用力覚センサ４１を備える。ＨＩＦＵ照射部３３は、焦点に収束した超音波（以下では収束超音波とする）を患者３４の体に照射する。ＨＩＦＵ照射部３３及びＨＩＦＵ制御部５は、経皮的治療デバイス及び収束超音波照射装置に対応する。経皮的治療デバイスとは、超音波、放射線等を外部から患者の体内に照射するデバイスである。収束超音波照射装置とは、焦点に収束した超音波を外部から患者の体内に照射するデバイスである。水袋３７は、ＨＩＦＵ照射部３３と患者３４との間に位置する。水袋３７は患者３４に押し当てられる。
診断プローブ３５は、超音波を用いて、患者３４の体内を表す超音波画像を作成する。超音波画像の視野は、ＨＩＦＵ照射部３３が収束超音波を照射する位置（以下では照射位置Ｆとする）と一定の位置関係を有する。診断プローブ３５は超音波画像を超音波診断部７に送る。
操作部３９は、術者４３が把持可能なハンドルである。操作部３９は術者４３により操作される。操作用力覚センサ４１は、術者４３によって操作部３９に加えられた力の大きさと方向とを検出する。ロボット制御部９は、操作用力覚センサ４１が検出した力の大きさと方向とに応じてロボットアーム１１を動作させる。
２．制御装置３が実行する処理
制御装置３が実行する処理を図４〜図７に基づき説明する。この処理は、術者４３が収束超音波を照射するべき位置（以下では目標照射位置Ｔとする）を決定し、目標照射位置Ｔに向けて収束超音波の照射を開始した後に実行される。なお、術者４３は、モニタ８に表示された超音波画像を見ながら、目標照射位置Ｔを探すことができる。目標照射位置Ｔは、患者３４の体に対し、一定の位置にある。
図４のステップ１では、画像取得ユニット２５が、超音波診断部７及び診断プローブ３５を用いて超音波画像を取得する。ここで取得する超音波画像をＰ（０）とする。超音波画像Ｐ（０）の例を図５に示す。超音波画像Ｐ（０）は、患者３４の体内の一部を表す。照射位置Ｆは超音波画像Ｐ（０）の視野４５の中にある。視野４５に対する照射位置Ｆの位置関係は固定されている。超音波画像Ｐ（０）において、目標照射位置Ｔと照射位置Ｆとが一致するように、ＨＩＦＵ照射部３３の位置が調整されている。
ステップ２では、ずれ検出ユニット２１が、図６に示すように、超音波画像Ｐ（０）からテンプレート４７を抽出する。テンプレート４７は、超音波画像Ｐ（０）のうちの一部の領域である。ずれ検出ユニット２１は、超音波画像Ｐ（０）のうち、照射位置Ｆを除外した部分からテンプレート４７を抽出する。テンプレート４７の形状は、例えば、内周円４９と外周円５１との間の領域である。テンプレート４７は、患者３４の体に対し、一定の位置にある。
ステップ３では、画像取得ユニット２５が、ｉを１にする。ｉは、超音波画像に付される番号である。
ステップ４では、画像取得ユニット２５が、超音波診断部７及び診断プローブ３５を用いて超音波画像Ｐ（ｉ）を取得する。超音波画像Ｐ（ｉ）は、ステップ４においてｉ番目に取得された超音波画像である。超音波画像Ｐ（ｉ）の視野５３の形状及び大きさは、視野４５の形状及び大きさと同じである。
視野４５に対する照射位置Ｆの位置関係と、視野５３に対する照射位置Ｆの位置関係とは同じである。よって、超音波画像Ｐ（０）と超音波画像Ｐ（ｉ）とを重ねると、超音波画像Ｐ（０）における照射位置Ｆと、超音波画像Ｐ（ｉ）における照射位置Ｆとは同じ位置となる。
ステップ５では、ずれ検出ユニット２１が、超音波画像Ｐ（ｉ）の中で、前記ステップ２で抽出したテンプレート４７と相関が高い部分（以下では高相関部５５とする）を探す。高相関部５５の例を図７に示す。高相関部５５は、例えば、テンプレート４７との相関係数が予め設定された閾値より大きい部分である。高相関部５５は、患者３４の体のうち、テンプレート４７が表す部分と同一の部分である可能性が高い部分である。すなわち、高相関部５５は、超音波画像Ｐ（ｉ）のうち、テンプレート４７に対応する部分に該当する。
ずれ検出ユニット２１は、超音波画像Ｐ（ｉ）の中に高相関部５５を発見できれば、ステップ６に進み、超音波画像Ｐ（ｉ）の中に高相関部５５を発見できなければ、ステップ１２に進む。なお、超音波画像Ｐ（ｉ）の中に高相関部５５を発見できる場合とは、患者３４の体の移動量が小さく、目標照射位置Ｔの追跡が可能である場合に対応する。一方、超音波画像Ｐ（ｉ）の中に高相関部５５を発見できない場合とは、患者３４の体の移動量が大きく、目標照射位置Ｔの追跡が不可能である場合に対応する。
ステップ６では、超音波画像Ｐ（０）におけるテンプレート４７の位置から、超音波画像Ｐ（ｉ）における高相関部５５の位置への移動量及び移動方向（以下では、高相関部５５の移動量及び移動方向とする）を、ずれ検出ユニット２１が算出する。高相関部５５の移動量及び移動方向の例を図７に示す。
なお、高相関部５５は、患者３４の体のうち、テンプレート４７が表す部分と同一の部分である可能性が高い部分であるから、高相関部５５の移動量及び移動方向は、超音波画像Ｐ（０）を取得した時点から、超音波画像Ｐ（ｉ）を取得した時点までに、患者３４の体が移動した移動量と移動方向とである。よって、ずれ検出ユニット２１は、高相関部５５の移動量及び移動方向に基づき、患者３４の体が移動した移動量と移動方向とを検出する。
ステップ７では、超音波画像Ｐ（ｉ）における目標照射位置Ｔを、ずれ検出ユニット２１が推定する。目標照射位置Ｔと、テンプレート４７又は高相関部５５とは、いずれも、患者３４の体に対し一定の位置にある。そのため、目標照射位置Ｔと、テンプレート４７又は高相関部５５との位置関係も常に一定である。その結果、超音波画像Ｐ（０）における目標照射位置Ｔから、超音波画像Ｐ（ｉ）における目標照射位置Ｔへの移動量及び移動方向は、高相関部５５の移動量及び移動方向と等しい。超音波画像Ｐ（０）における目標照射位置Ｔは、上述したとおり、照射位置Ｆと等しいから、超音波画像Ｐ（ｉ）における目標照射位置Ｔは、照射位置Ｆから、高相関部５５の移動量だけ、高相関部５５の移動方向に移動した位置である。
ずれ検出ユニット２１は、照射位置Ｆから、前記ステップ６で算出した高相関部５５の移動量だけ、前記ステップ６で算出した高相関部５５の移動方向に移動した位置を、超音波画像Ｐ（ｉ）における目標照射位置Ｔとする。超音波画像Ｐ（ｉ）における目標照射位置Ｔの例を図７に示す。
ステップ８では、前記ステップ７で推定した目標照射位置Ｔと、照射位置Ｆとのずれの量を、ずれ検出ユニット２１が算出する。そして、ずれ検出ユニット２１は、ずれの量が予め設定された閾値より小さいか否かを判断する。ずれの量が閾値より小さい場合はステップ１０に進み、ずれの量が閾値以上である場合はステップ９に進む。
ステップ９では、制御ユニット２３が、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとが一致するように、ロボット制御部９及びロボットアーム１１を用いて、ＨＩＦＵ照射部３３の位置を移動させる。
ステップ１０では、収束超音波の照射を開始した時点から、予め設定された時間が経過したか否かを制御ユニット２３が判断する。予め設定された時間が経過した場合はステップ１２に進み、予め設定された時間が未だ経過していない場合はステップ１１に進む。
ステップ１１では、制御ユニット２３がｉの値を１だけ増す。その後、ステップ４に進む。
ステップ１２では、制御ユニット２３が、ＨＩＦＵ制御部５を用いて、収束超音波の照射を停止する。
なお、ＨＩＦＵ制御部５は、収束超音波の照射を行うとき、最初に、第１の出力で収束超音波を照射し、次に、第１の出力より小さい第２の出力で収束超音波を照射する。
３．制御装置３が奏する効果
（１Ａ）制御装置３は、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとのずれを検出する。制御装置３は、ずれを検出した場合、照射位置Ｆを目標照射位置Ｔに近づける。そのことにより、治療中に患者３４の体が移動した場合でも、目標照射位置Ｔ以外の位置に収束超音波を照射してしまうことを抑制できる。また、治療中に患者３４の体が移動した場合でも、目標照射位置Ｔに収束超音波を照射することができる。
（１Ｂ）制御装置３は、患者３４の体の移動量が大きく、目標照射位置Ｔの追跡が不可能である場合、収束超音波の照射を停止する。そのことにより、目標照射位置Ｔ以外の位置に収束超音波を照射してしまうことを抑制できる。
（１Ｃ）制御装置３は、超音波画像Ｐ（０）を取得する。超音波画像Ｐ（０）において、照射位置Ｆは、視野４５に対し一定の位置関係にある。制御装置３は、超音波画像Ｐ（０）からテンプレート４７を抽出する。制御装置３は、超音波画像Ｐ（ｉ）において高相関部５５を探す。高相関部５５は、患者３４の体のうち、テンプレート４７に対応する部分である。制御装置３は、高相関部５５の移動量及び移動方向を検出する。制御装置３は、高相関部５５の移動量及び移動方向に基づき、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとのずれを検出する。そのため、制御装置３は、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとのずれを容易且つ正確に検出できる。
（１Ｄ）超音波画像Ｐ（０）、Ｐ（ｎ）のうち、照射位置Ｆの近傍では、キャビテーションが発生し、画像が変化する。制御装置３は、超音波画像Ｐ（０）のうち、照射位置Ｆを除外した部分からテンプレート４７を抽出する。そのため、テンプレート４７、高相関部５５はキャビテーションを含み難い。その結果、高相関部５５を正確に探索することができる。
（１Ｅ）制御装置３は、ＨＩＦＵ制御部５を用いて、第１の出力で収束超音波を照射し、次に、第１の出力より小さい第２の出力で収束超音波を照射する。そのため、安全に患部の細胞を破壊することができる。
＜第２実施形態＞
１．第１実施形態との相違点
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
前述した第１実施形態では、制御装置３は、図４に示す処理を実行したが、第２実施形態では、制御装置３は、図８に示す処理を実行する点で、第１実施形態と相違する。
２．制御装置３が実行する処理
制御装置３が実行する処理を図８に基づき説明する。この処理は、術者４３が目標照射位置Ｔを決定し、目標照射位置Ｔに向けて収束超音波の照射を開始した後に実行される。
図８のステップ２１では、ずれ検出ユニット２１が、監視用力覚センサ１５を用いて、患者３４の体が先端ユニット１３に加える力の大きさを検出する。ステップ２１で検出する力の大きさをＸ０とする。
ステップ２２では、ずれ検出ユニット２１が、監視用力覚センサ１５を用いて、患者３４の体が先端ユニット１３に加える力の大きさを検出する。ステップ２２で検出する力の大きさをＸａとする。
ステップ２３では、直近の前記ステップ２２で取得した力の大きさＸａと、力の大きさＸ０との差（以下では力の差ΔＸとする）が予め設定された閾値より小さいか否かをずれ検出ユニット２１が判断する。力の差ΔＸが閾値より小さい場合はステップ２４に進み、力の差ΔＸが閾値以上である場合はステップ２５に進む。
なお、患者３４の体が移動すると、力の差ΔＸが大きくなる。また、患者３４の体が移動すると、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとのずれが大きくなる。すなわち、力の差ΔＸが大きいほど、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとのずれが大きい。
ステップ２３では、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとのずれに対応する力の差ΔＸを検出し、力の差ΔＸが閾値より小さいか否かを判断しているから、ステップ２３の判断は、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとのずれを検出し、そのずれの量が閾値より小さいか否かを判断することに等しい。
ステップ２４では、収束超音波の照射を開始した時点から、予め設定された時間が経過したか否かを制御ユニット２３が判断する。予め設定された時間が経過した場合はステップ２５に進み、予め設定された時間が未だ経過していない場合はステップ２２に進む。
ステップ２５では、制御ユニット２３が、ＨＩＦＵ制御部５を用いて、収束超音波の照射を停止する。
３．制御装置３が奏する効果
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１Ｅ）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。
（２Ａ）制御装置３は、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとのずれを検出する。制御装置３は、ずれの量が大きい場合、収束超音波の照射を停止する。そのことにより、目標照射位置Ｔ以外の位置に収束超音波を照射してしまうことを抑制できる。
（２Ｂ）制御装置３は、患者３４の体が先端ユニット１３に加える力の大きさＸ０、Ｘａを検出する。制御装置３は、検出した力の大きさＸ０、Ｘａの変動に基づき、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとのずれを検出する。そのため、制御装置３は、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとのずれを容易且つ正確に検出できる。
＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
（１）第１実施形態において、ずれ検出ユニット２１は、図９に示すように、超音波画像Ｐ（０）から、複数のテンプレート４７を抽出してもよい。複数のテンプレート４７は、それぞれ、照射位置Ｆを除外した部分から抽出される。
前記ステップ５において、ずれ検出ユニット２１は、複数のテンプレート４７のそれぞれについて、高相関部５５を探すことができる。仮に、一部のテンプレート４７について、高相関部５５を発見できなくても、複数のテンプレート４７のうち、一定数以上のテンプレート４７について高相関部５５が見つかれば、ずれ検出ユニット２１は、前記ステップ５において肯定判断することができる。
前記ステップ６では、複数の高相関部５５のそれぞれについて、高相関部５５の移動量及び移動方向を算出することができる。そして、前記ステップ７において、例えば、複数の高相関部５５の移動量及び移動方向を用いて、超音波画像Ｐ（ｉ）における目標照射位置Ｔを推定することができる。
（２）ずれ検出ユニット２１が、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとのずれを検出する方法は他の方法であってもよい。例えば、図１０に示すように、治療システム１０１は、治療システム１の構成に加えて、カメラ５７をさらに備える。カメラ５７は、患者３４を含む範囲を、所定の時間ごとに繰り返し撮影し、複数の画像を作成する。カメラ５７は作成した複数の画像を制御装置３に出力する。制御装置３は、複数の画像のそれぞれにおいて患者３４の体を認識する。制御装置３は、複数の画像における患者３４の体の位置の変化に基づき、患者３４の体の移動を検出する。
患者３４の体が移動すると、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとがずれる。よって、制御装置３が、複数の画像における患者３４の体の位置の変化に基づき、患者３４の体の移動を検出することは、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとのずれを検出することに等しい。
（３）ずれ検出ユニット２１が、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとのずれを検出する方法は他の方法であってもよい。例えば、図１１に示すように、治療システム２０１は、治療システム１の構成に加えて、シート状圧力センサ５９をさらに備える。シート状圧力センサ５９は、シート状の形態を有する。シート状圧力センサ５９は、複数の圧力センサを備える。複数の圧力センサは、シート状圧力センサ５９の面に分散して配置されている。患者３４は、シート状圧力センサ５９の上に横臥する。シート状圧力センサ５９は、複数の圧力センサの検出結果を制御装置３に出力する。制御装置３は、複数の圧力センサの検出結果の経時的な変化に基づき、患者３４の体の移動を検出する。
患者３４の体が移動すると、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとがずれる。よって、制御装置３が、複数の圧力センサの検出結果の経時的な変化に基づき、患者３４の体の移動を検出することは、照射位置Ｆと目標照射位置Ｔとのずれを検出することに等しい。
（４）ＨＩＦＵ照射部３３の代わりに、他の経皮的治療デバイスを用いてもよい。他の経皮的治療デバイスとして、例えば、放射線照射デバイス等が挙げられる。
（５）第１実施形態において、オプティカルフローの方法により、目標照射位置Ｔを推定してもよい。
（６）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
（７）上述した制御装置の他、当該制御装置を構成要素とする治療システム、当該制御装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の非遷移的実態的記録媒体、治療システムの制御方法等、種々の形態で本開示を実現することもできる。
１、１０１、２０１…治療システム、３…制御装置、５…ＨＩＦＵ制御部、２１…ずれ検出ユニット、２３…制御ユニット、２５…画像取得ユニット、３３…ＨＩＦＵ照射部、３４…患者、３５…診断プローブ、４３…術者、４７…テンプレート、５５…高相関部

Claims (3)

  1. 経皮的治療デバイス（５、３３）の照射位置と目標照射位置とのずれを、前記経皮的治療デバイスの照射を開始した後に検出するずれ検出ユニット（２１）と、
    前記ずれ検出ユニットが閾値より大きい前記ずれを検出した場合、前記経皮的治療デバイスの照射を停止する制御ユニット（２３）と、
    を備え、
    前記ずれ検出ユニットは、患者の体が前記経皮的治療デバイスの照射部に加える力の大きさを前記経皮的治療デバイスの照射を開始した後に繰り返し取得し、最初に取得した前記力の大きさからの前記力の大きさの変動に基づき、前記ずれを検出するように構成された制御装置（３）。
  2. 請求項１に記載の制御装置であって、
    前記経皮的治療デバイスは、集束超音波照射装置である制御装置。
  3. 請求項２に記載の制御装置であって、
    前記集束超音波照射装置は、第１の出力で集束超音波を照射し、次に、前記第１の出力より小さい第２の出力で集束超音波を照射するように構成された制御装置。
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