JP6917993B2 - 超音波ビーム内での回転の決定 - Google Patents

Description

本発明は、超音波ビーム内での介入装置の回転を決定することに関する。超音波ビームは、医用超音波撮像システムのビームである。

針、カテーテル、及び介入器具などの医用デバイスは、それらの反射性が鏡面性であることから、特に好ましくない入射角において、超音波画像での視覚化が難しいことが多い。

この問題の１つの解決策として、国際公開ＷＯ／２０１１／１３８６９８には、超音波受信器を医用デバイスに取り付けることが開示されている。超音波受信器は、超音波撮像プローブの超音波場からの超音波信号を検出し、それらの信号を超音波受信ビーム形成器により処理する。超音波受信ビーム形成器は、超音波場からの透過型超音波の一方向のみのビーム形成をするように構成され、超音波場に関する超音波受信器、したがって医用デバイスの位置を追跡するために使用される。

この問題の他の解決策として、米国特許第６２１６０２９Ｂ１号には、針を超音波画像内において標的の方に向けるための機構が記載されている。この特許では、超音波プローブの位置は、超音波プローブに３つの赤外線式超音波トランスポンダを取り付けることによって、遠隔配置された位置感知ユニットに関して決定される。トランスポンダは、位置感知ユニットの一部を形成する赤外線式超音波トランシーバによって発せられる赤外線信号に応答して、符号化された超音波信号を生成する。位置感知ユニットによって受信される超音波信号は、３次元スペース内での超音波プローブの位置を計算するコントローラに三角測量情報をもたらす。米国特許第６２１６０２９Ｂ１号には、さらに、針又は位置感知ユニットの位置を測定する類似の機構が記載されている。その後、位置感知ユニットに対する超音波プローブ及び針の位置に基づいて、針先端の軌道が超音波画像上に表示される。

米国特許出願公開第２００４０１９３０４２Ａ１号には、介入装置を案内するように動作する３Ｄ超音波画像診断システムが開示されている。１つの例において、超音波撮像プローブからの超音波パルスは、介入装置上のトランスデューサによって受信され、パルスの飛行時間に基づいてその位置が決定される。

既知の位置測定システムの欠点を軽減するために、ビーム形成超音波撮像システムの超音波ビーム内で追跡される介入装置が提供される。

介入装置は、その周りに巻き付けられ超音波撮像システムからの送信超音波信号を検出するように構成された超音波受信器を用いて追跡され得る。信号は、一方向送信超音波信号である。超音波受信器の位置、したがって介入装置又はビーム形成超音波撮像システムの位置は、超音波受信器によって検出される送信超音波信号を、送信超音波信号のビーム形成ビームシーケンスと相関させることによって決定することができる。介入装置は、介入装置の長手方向軸の周りに円周方向に巻き付けられた超音波受信器の第１の線形センサアレイを含む。各超音波受信器は、長さ及び幅を持ち、アレイは、幅方向に沿って延在する。第１の線形センサアレイは、各超音波受信器の長さが軸に対して長さ方向に配置されるように、長手方向軸に対して介入装置の周りに円周方向に巻き付けられる。そうすることにより、アレイにおける超音波受信器が長手方向軸に対して径方向に異なる視野角を有する、介入装置が提供される。

介入装置がビーム形成超音波撮像システムのビーム内に配置されているとき、各超音波受信器によって検出される信号は、介入装置のその長手方向軸又はビームの起源の周りの回転角度に従って変化する。たとえば、超音波受信器は、超音波ビームの方に向くように超音波ビームの起源の方に向かって相対的に回転されるとき、ビームの相対的に大きな断面領域を遮るので、相対的に大きな信号を検出する。その一方で、超音波受信器は、同じ超音波ビームの起源から相対的に遠ざかるように回転されるとき、ビームの相対的に小さな断面領域を遮るので、相対的に小さな信号を検出する。超音波受信器が超音波ビームの起源に対して反対側になるように介入装置が回転されると、介入装置の本体の影になるので信号はさらに減少する。

したがって、介入装置上の各超音波受信器によって検出される超音波信号の相対的な大きさを比較することによって、超音波ビームの起源に関する介入装置のその長手方向軸周りの回転を決定することができる。好ましい一動作モードでは、最大の信号を検出した受信器又は受信器の群が、超音波ビームの起源、すなわちゼニス（ｚｅｎｉｔｈ）に最も近い介入装置の部分を識別するために使用される。或いは、最初の信号を検出した受信器又は受信器の群が、超音波ビームの起源、すなわちゼニスに最も近い介入装置の部分を識別するために使用されてもよい。

本発明の他の態様によれば、第１の線形センサアレイにおける各超音波受信器の長さは、その幅よりも長い。これは、感知の実施が可能な介入装置の軸方向範囲を向上させ、さらに、各受信器によって検出される信号の信号対雑音比を改善する。

本発明の他の態様によれば、超音波受信器の間のギャップは、超音波受信器の幅に関して定められる。この配置は、超音波信号に対する介入装置の感度が低減する全体の回転角度を減少させ、角度回転決定の精度を向上させる。

本発明の他の態様によれば、第１の線形センサアレイは、介入装置の長手方向軸の周りにスパイラル状に巻き付けられる。このスパイラル状に巻き付いた配置は、介入装置に対する、超音波トランスデューサ及びそれに関連した電気配線のしっかりとした取り付け方法をもたらす。さらに、これは、介入装置の近位端に電気配線を効率的に配設する配置をもたらす。

本発明の他の態様によれば、介入装置は、同じく長手方向に対して円周方向に介入装置の周りに巻き付けられる第２の線形センサアレイを含む。さらに、第１の線形センサアレイにおける超音波受信器の間の各ギャップは、軸に対して長さ方向に、第２の線形センサアレイにおける受信器と一致、又はそれに対して整列される。この配置は、第１の線形センサアレイのギャップに対応する回転角度での回転感度を向上させる。

本発明の他の態様によれば、第１の線形センサアレイは、長手方向軸に対して直径方向に向かい合う対として配置された偶数個の超音波受信器を備える。超音波受信器は、それぞれ対になった受信器によって検出される超音波信号が差し引かれるように、電気接続される。この配置によって、超音波受信器に関連した電気配線の複雑性が簡素化される。

本発明の他の態様は、様々な方法、コンピュータプログラム製品、及び超音波撮像機構を含めて、独立請求項において定義される。

本発明の第１の態様による、超音波受信器Ｒ_１．．ｎの第１の線形センサアレイ１２を含む介入装置１１ａの側面図である。 ソースＳのビーム起源に対して回転角度Θにある、超音波ビームＢ内に位置する同じ介入装置１１ｂの平面図である。 介入装置の回転角度Θが変化したときの各超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎによって検出された信号Ｓｉｇの図である。 介入装置２１の長手方向軸Ａ−Ａ’の周りに巻き付けられた各超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎの長さＬがそれらの幅Ｗよりも長い、本発明の第２の実施形態の側面図である。 介入装置３１の長手方向軸Ａ−Ａ’の周りに巻き付けられた第１のセンサアレイ３２の超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎがギャップＧ_１、Ｇ_２、Ｇ_ｎによって互いに離間されている、本発明の第３の実施形態の平面図である。 超音波受信器Ｒ_１．．ｎを含む第１の線形センサアレイ４２が基板に取り付けられ、その基板が介入装置４１の長手方向軸Ａ−Ａ’の周りにスパイラル状に巻き付けられている、本発明の第４の実施形態の側面図である。 第１の線形センサアレイ５２及び第２の線形センサアレイ５３が両方とも介入装置５１の長手方向軸Ａ−Ａ’の周りに巻き付けられている、本発明の第５の実施形態の側面図である。 軸に対して直径方向に向かい合う対Ｐ_１、Ｐ_２として配置された偶数個の超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４を備える第１の線形センサアレイ６２が介入装置６１の長手方向軸Ａ−Ａ’の周りに巻き付けられている、本発明の第６の実施形態の平面図である。 ビーム形成超音波撮像システム７４と、超音波トラッキングユニット７５とを含む、本発明の様々な実施形態が使用されることが可能な超音波撮像機構７９の図である。

本発明の原理を説明するために、回転が決定されるべき介入装置が針である様々な実施形態について述べる。しかし、本発明は、カテーテル、ガイドワイヤ、プローブ、内視鏡、電極、ロボット、フィルタデバイス、バルーンデバイス、ステント、僧帽弁クリップ、左心耳クロージャデバイス、大動脈弁、ペースメーカ、静脈ライン、ドレナージライン、組織シールデバイス又は組織切断デバイスのような外科器具など、他の介入装置の回転を決定することにも適用できることが明らかであろう。さらに、記載の実施形態は、ビーム形成超音波撮像システムのような２Ｄ超音波撮像プローブの様々なビーム内にある介入装置の回転の決定に関する。さらに、本発明は、３Ｄ撮像プローブ、経食道プローブ（ＴＥＥ）、経胸腔プローブ（ＴＴＥ）、経鼻プローブ（ＴＮＥ）、心臓内プローブ（ＩＣＥ）など、他のタイプのビーム形成超音波撮像システムに適用できることが明らかであろう。

図１において、図１Ａは、本発明の第１の態様による、超音波受信器Ｒ_１．．ｎの第１の線形センサアレイ１２を含む介入装置１１ａの側面図であり、図１Ｂは、ソースＳのビーム起源に対して回転角度Θにある、超音波ビームＢ内に位置する同じ介入装置１１ｂの平面図であり、図１Ｃは、介入装置の回転角度Θが変化したときに各超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎによって検出された信号Ｓｉｇの図である。図１Ａに示される針は、長手方向軸Ａ−Ａ’を有し、その周りには３つの超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎを備える線形センサアレイ１２が円周方向に巻き付けられている。各超音波受信器は、長さＬ、幅Ｗを有し、アレイは、幅方向に沿って延在する。このようにアレイが長手方向軸Ａ−Ａ’に対して介入装置の周りに円周方向に巻き付けられる場合、各超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎの長さＬは、軸Ａ−Ａ’に対して長さ方向に配置される。そうすることにより、介入装置１１ａは、長手方向軸Ａ−Ａ’に対して異なる径方向視野角をそれぞれ有する３つの超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎを備えるようになる。図１Ｂは、ソースＳのビーム起源に対して回転角度Θにある、超音波ビームＢ内に位置する図１Ａと同じ介入装置、すなわちアイテム１１ｂの平面図を示す。ビームＢは、２Ｄ超音波撮像プローブのようなビーム形成超音波撮像システムの超音波ビームである。２Ｄ超音波撮像プローブによって生成される全超音波場は、典型的には、対象領域を精査し、それによりそのスライスの平面像を生成するために使用される、ビームＢのような扇形の複数のビームを含む。したがって、図１Ｂでは、ソースＳのビーム起源は、超音波受信器Ｒ_１とＲ_ｎとの間のΘ＝０°にある。図示のように、介入装置１１ｂの長手方向軸Ａ−Ａ’は、図面の平面に対して垂直である。図１Ｂを参照して、図１Ｃは、介入装置の回転角度Θが変化したときに各超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎによって検出された信号Ｓｉｇの図である。角度Θは、ビームＢの起源に対する介入装置の軸Ａ−Ａ’周りの回転角度である。したがって、介入装置１１ｂがΘ＝０°から時計回りに回転されると、信号Ｓｉｇは、はじめに超音波受信器Ｒ_１のその最大値に向かって増加し、プラトーに達し、次いでΘ＝１２０°へと再び減少し、その角度で超音波受信器Ｒ_２からの信号が増加し始める。

図１の超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎは、軸Ａ−Ａ’周りに３６０°にわたる視野角の一部分に対する感度をそれぞれ有するので、超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎによって検出される各信号を比較することによって、軸Ａ−Ａ’の周りすなわちビームＢの起源に対する介入装置１１の回転Θを決定することができる。たとえば、超音波受信器Ｒ_１は、ビームＢのソースＳの中心に向くように超音波ビームＢの方に向かって相対的に回転されると、可能な最大のビームＢの大きな断面領域を遮るので、相対的に大きな信号を検出する。その一方で、この回転位置に超音波ビームＢから相対的に遠ざかるように回転される超音波受信器Ｒ_２は、遮るビームの断面領域が小さいので、相対的に小さな信号を検出する。超音波受信器Ｒ_１が超音波ビームに対して反対側、すなわちソースＳから反対に向くように介入装置１１ｂが回転されると、超音波受信器Ｒ_１が検出する信号は、介入装置１１ｂの本体の影になるのでさらに減少する。この配置は、典型的には、各超音波受信器が、軸Ａ−Ａ’に対して実質的に法線方向、すなわち法線方向に対して±約１０度内で最大の感度を有することを実現する。

したがって、各超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎによって検出される超音波信号Ｓｉｇ_１、Ｓｉｇ_２、Ｓｉｇ_ｎの相対的な大きさを比較することによって、超音波ビームＢの起源、すなわちビームソースＳの中心に関する長手方向軸Ａ−Ａ’周りの介入装置１１ｂの回転を決定することができる。好ましい一動作モードでは、最大の信号を検出した超音波受信器又は受信器の群が、超音波ビームＢのソースＳの中心すなわちゼニスに最も近い介入装置の部分を示すために使用される。一代替動作モードでは、最初の信号を検出した超音波受信器又は超音波受信器の群が、超音波ビームＢのソースＳの中心すなわちゼニスに最も近い介入装置の部分を示すために使用される。これら２つのモードは、組み合わせて使用することもできる。

図１は、３つの超音波受信器を有する第１の線形センサアレイ１２を示しているが、原理上、介入装置の回転の決定は、２つ以上の受信器があれば十分である。というのも、少なくとも、図示の針の２つの可能な１８０°部分のどちらがソースＳの中心に最も近いかを示すのに２つの受信器を使用すれば済むからである。明らかなように、アレイにおける超音波受信器の数を増加させると、各センサが感知する回転角度が減少し、それによって装置の角度分解能が向上する。多数の受信器を有する機構では、いくつかの超音波トランスデューサからの信号がそれらの最大レベルに近い信号をもたらす。したがって、超音波受信器によって検出された信号を分析し、それらの検出した信号の大きさの幾何形状的な中心を決定すること、たとえば、それらのスペース分布に対してガウスなどの関数又はステップ関数を適合しガウス関数のピーク又はステップ関数の中心に対応する受信器に基づいて回転を識別することによって、超音波ソースＳの中心に最も近い受信器を決定することが有益である。

図２は、介入装置２１の長手方向軸Ａ−Ａ’の周りに巻き付けられた各超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎの長さＬがその幅Ｗよりも長い、本発明の第２の実施形態の側面図である。アレイにおける各超音波受信器の幅を減少させることで図１の実施形態の線形センサアレイの角度分解能を向上させることの欠点としては、それによって各超音波受信器によって検出される信号の信号対雑音比が低くなることが挙げられる。しかし、この信号対雑音比の低減は、各超音波受信器の長さを増加させることによって、部分的に補償できることが分かった。さらに、本発明によって企図される介入装置について、このように各受信器の長さを増加させることで、軸Ａ−Ａ’のより長い長さに沿った介入装置の回転の決定が可能になる。そうすることにより、別のやり方でより短いセンサが有限の超音波ビームの外にある場合でも、装置の回転を決定することが可能になる。回転の決定が可能な介入装置の軸のこの延長は、そうでなければより短いセンサが平面外の位置にあることになる平面超音波撮像システムに特に有用である。

図３は、介入装置３１の長手方向軸Ａ−Ａ’の周りに巻き付けられた第１のセンサアレイ３２の超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎが、ギャップＧ_１、Ｇ_２、Ｇ_ｎによって互いに離間されている、本発明の第３の実施形態の平面図である。さらに、第３の実施形態では、軸Ａ−Ａ’からの各ギャップＧ_１、Ｇ_２、Ｇ_ｎを弧とした角度α_１、α_２、α_ｎは、軸Ａ−Ａ’からの各超音波受信器の幅Ｗを弧とした角度β_１、β_２、β_ｎ以下である。図１Ｃを参照して説明したように、超音波ビームに対する介入装置の感度は、各超音波センサ間のギャップのところで減少する。有利には、第３の実施形態の配置は、介入装置が超音波に対して低い感度を有する全体の回転角度を減少させ、角度回転決定の精度を向上させる。

図４は、超音波受信器Ｒ_１．．ｎを含む第１の線形センサアレイ４２が基板に取り付けられ、その基板が介入装置４１の長手方向軸Ａ−Ａ’の周りにスパイラル状に巻き付けられている、本発明の第４の実施形態の側面図である。基板は、たとえば、ＰＥＴ、ＰＭＭＡ、ＰＶＤＦなどのポリマーから形成されるホイルである。基板は、外部電気回路と電気接触するように受信器に電気接続される電線又はトラックを含むことができる。上述したように、各超音波受信器の幅Ｗを減少させることによって介入装置の回転感度を向上させることの欠点としては、各受信器によって検出される信号の低減がある。図４の配置は、同じ又はオーバーラップする角度範囲をそれぞれ捉える複数の個別の受信器を設けることによって、各受信器の減少した幅を補償する。さらに、個々の受信器は、たとえば外部電気回路を使用して、一緒に動的にグループにされ得る。これは、任意の所定の回転範囲にわたって、増加した信号をもたらすために使用される。たとえば、介入装置４１は、第１のモードであって、各受信器が第１の角度範囲の一部分に対する感度を有する第１の受信器群からの信号が電子的にまとめられて合計され、第１の角度分解能を有する第１の回転信号がもたらされる、第１のモード、又は、第２のモードであって、各受信器が第２の角度範囲の一部分に対する感度を有する第２の受信器群からの信号が電子的にまとめられて合計され、第２の角度分解能を有する第２の回転信号がもたらされる、第２のモードで動作するように構成され得る。こうして、受信器のグループ化を動的に調節することによって相対的に高い又は相対的に低い角度分解能が達成される。図４のスパイラル状に巻き付いた配置は、超音波トランスデューサＲ_１．．ｎとそれに関連した電気配線を介入装置４１にしっかりと取り付ける方法を実現する。さらに、これは、たとえば信号分析装置及び／又はプロセッサとのインターフェスであることもある介入装置の近位端に電気配線を効率的に配設する配置をもたらす。

図５は、第１の線形センサアレイ５２及び第２の線形センサアレイ５３が両方とも介入装置５１の長手方向軸Ａ−Ａ’の周りに巻き付けられている、本発明の第５の実施形態の側面図である。第２の線形センサアレイ５３は、スペースＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_ｎによって互いに離間された複数の超音波受信器Ｒ_ａ１、Ｒ_ａ２、Ｒ_ａｎを含む。第２の線形センサアレイ５３は、第１の線形センサアレイ５２の超音波受信器間の各ギャップＧ_１、Ｇ_２、Ｇ_ｎが軸Ａ−Ａ’に対して長さ方向に第２の線形センサアレイの受信器Ｒ_ａ１、Ｒ_ａ２、Ｒ_ａｎと一致するように、軸Ａ−Ａ’に対して円周方向に、介入装置５１の周りに巻き付けられる。図１Ｃを参照すると、超音波受信器の相対的に小さな信号は、超音波受信器と一致する回転角度に比べて、アレイにおける超音波受信器間のギャップと一致する回転角度Θで検出される。したがって、第２の線形センサアレイ５３の超音波受信器が軸Ａ−Ａ’に対して長さ方向に第１の線形センサアレイ５２のギャップと一致する図５の機構５１は、第１の線形センサアレイ５２のギャップに対応する回転角度において向上した回転感度をもたらす。

第５の実施形態において、第１の線形センサアレイ５２と第２の線形センサアレイ５３は、軸Ａ−Ａ’に対して、互いに１ｍｍ以上の距離ｄだけ離れて軸方向に配置されることが好ましい。第１の線形センサアレイ５２のうち超音波ビームのソースに最も近い超音波受信器の位置は、その位置及びその回転を示す介入装置上のポイントをもたらす。さらに、第２の線形センサアレイ５３のうち超音波ビームのソースに最も近い超音波受信器の位置は、その位置及びその回転を示す介入装置上の第２のポイントをもたらす。これらの最も近い受信器の位置は、介入装置に対して固定されているので、これらのポイントを共に使用して介入装置の軌道を決定することができる。軌道に対する感度の向上は、介入装置の軸に沿って２つの線形センサアレイを少なくとも１ｍｍオフセットさせることによって実現する。

図６は、軸に対して直径方向に向かい合う対Ｐ_１、Ｐ_２として配置された偶数個の超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４を備える第１の線形センサアレイ６２が介入装置６１の長手方向軸Ａ−Ａ’の周りに巻き付けられている、本発明の第６の実施形態の平面図である。さらに、第６の実施形態では、各超音波受信器は、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４のそれぞれにおいて矢印によって示されるようなポーリング（ｐｏｌｌｉｎｇ）ベクトルを持つ圧電素子を備える。さらに、図６に示されるように、各対の超音波受信器は、対ごとに、ｉ）超音波受信器のポーリングベクトルが軸Ａ−Ａ’に対して互いに反対であり、さらに、ｉｉ）超音波受信器が、それらのポーリングベクトルが互いに反対になるように並列に電気接続されるように、配置される。

圧電素子は、本質的に、圧縮位相（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｐｈａｓｅ）の超音波が圧電素子上に衝突したときにその電極間に生成される電気信号の極性を示すポーリングベクトルを持つ。したがって、図６の配置では、各受信器対からの組み合わさった信号がそれらの検出した信号の差を示す。そうすることにより、超音波ビームに最も近い対になった検出器からの組み合わさった信号が強められ、それによって各対からの検出された信号の信号対雑音比が改善される。さらに、対になった信号をもたらすことによって、検出した信号を分析する及び／又は処理するために介入装置の遠位端にもたらされる必要がある電気配線の数が減少し、それによって超音波受信器に関連する電気配線の複雑さが簡素化される。

記載の実施形態における超音波受信器は、圧電デバイスであることが好ましい。当業界でよく知られたものなど、様々なタイプの硬質又は軟質の圧電材料が使用に適している。しかし、超音波受信器は、圧電ポリマーから形成することが好ましい。圧電ポリマーは、有利には、可撓性の向上をもたらし、したがって、針などの介入装置の軸周りに共形的に巻き付けることができる。適当な圧電ポリマーには、ポリフッ化ビニリデン、すなわちＰＶＤＦ、ポリフッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））などのＰＶＤＦコポリマー、又はＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）などのＰＶＤＦターポリマーがある。超音波受信器は、介入装置に対して取り付けやすくするために、ホイルを形成するように、たとえば、圧電材料とその関連の電気配線を、２枚のＰＥＴシートの２つの感圧接着剤すなわちＰＳＡ表面間に挟むことによって形成することができる。超音波トランスデューサは、一般に、上述したＰＥＴシートのうちの一方のＰＳＡ層の使用に加えて、様々な技術を用いて介入装置に取り付けることができる。そのような技術としては、蒸着、印刷及び接着剤使用が挙げられる。

図７は、本発明の様々な実施形態を使用した、ビーム形成超音波撮像システム７４と、超音波トラッキングユニット７５とを含む、超音波撮像機構７９の図である。ビーム形成超音波撮像システム７４は、例示的な２Ｄ平面超音波撮像プローブ７６と、コンソール７７とを含む。図示のように、２Ｄ平面超音波撮像プローブ７６は、多数の超音波ビームＢ_１．．ｋからなる扇形の超音波場を生成する。２Ｄ平面超音波撮像プローブ７６は、たとえば、互いをつなぐ矢印によって示されるように、有線又は無線の手段によって、コンソール７７に動作可能に接続される。コンソール７７は、図示のように、撮像システムプロセッサＩＳＰと、撮像システムインターフェースＩＳＩと、ディスプレイＤＩＳＰとを含む。コンソール７７は、医療処置の管理に使用される。２Ｄ超音波撮像プローブ７６は、関心ボリュームＶＯＩに対して超音波エネルギーを送受信するため超音波トランシーバの一次元アレイ（図示せず）を含む。コンソール７７は、さらに、ビームＢ_１．．ｋにおける超音波信号を生成し検出するために２Ｄ超音波撮像プローブ７６によって送信される又は受信される信号の位相を増幅する及び／又は調節するように構成される、電子ドライバ・レシーバ回路（図示せず）を含むことができる。

このように、電子ドライバ・レシーバ回路は、放射される及び／又は受信される超音波ビームの方向を操作するために使用される。コンソール７７は、さらに、プログラム及びアプリケーションを記憶するメモリ（図示せず）を含む。メモリは、たとえば、２Ｄ超音波撮像プローブ７６が送信及び／又は受信する超音波信号のシーケンスをコントロールするように構成される超音波ビームコントロールソフトウェアを記憶することができる。しかし、超音波撮像システムのうちのいくつかがコンソール７７内に配置されるように上述したが、代替として、たとえばＰｈｉｌｉｐｓ ＶＩＳＩＱ超音波撮像システムの場合のように、これらのアイテムのうちのいくつかが２Ｄ超音波撮像プローブ７６内に配置されてもよいことに留意されたい。

超音波トラッキングユニット７５は、トラッキングプロセッサ７８と、介入装置７１とを含み、これら２つのユニットは、互いをつなぐ矢印によって示されるように、有線か無線のいずれかによって通信する。無線通信は、たとえば、光、赤外線、又はＲＦ通信リンクを用いて実現される。超音波トラッキングユニット７５は、さらに、介入装置７１の長手方向軸Ａ−Ａ’の周りに円周方向に配置された超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎによって検出される信号を増幅するように構成される電子回路（図示せず）を含む。

動作において、超音波トラッキングユニット７５は、２Ｄ超音波撮像プローブ７６の超音波ビームＢ_１．．ｋのうちの１つにおける介入装置７１の回転、さらには位置及び向きを追跡するために使用される。

２Ｄ超音波撮像プローブ７６の超音波ビームＢ_１．．ｋのうちの１つにおける介入装置７１の回転を追跡するために使用される方法のステップは、
第１の線形センサアレイ７２の各超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎから、ビーム形成超音波撮像システムの送信超音波パルスを示す信号を受信するステップであって、送信超音波パルスは、ビーム形成超音波撮像システム、すなわち２Ｄ超音波撮像プローブ７６からの送信されたパルスを示す、ステップと、
受信した信号を比較するステップであって、当該比較は、検出された信号の大きさ、振幅又は時間の比較を含むことができる、ステップと、
最大の受信信号又は最初の受信信号のどちらかを有する超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎを超音波ビームの起源に関連付けるステップであって、関連付けるステップは、超音波ビーム、すなわちＢ_１．．ｋのうちの１つの起源、すなわちゼニス（頂点）に回転方向的に最も近い受信器の回転位置Θを識別するステップとを使用する。

２Ｄ超音波撮像プローブ７６の超音波ビームＢ_１．．ｋのうちの１つのソースからの介入装置７１の距離を決定するために、
超音波ビームの送信と、超音波受信器によるその検出との間の時間遅延Δｔを計算するステップ、及び、
時間遅延と超音波伝播速度を掛け算することによって、超音波ビームのソースと超音波受信器との間の距離Ｄ_ｘを決定するステップ
を使用することができる。

具体的には、上記のようにして決定された距離は、超音波ビームの起源と、介入装置７１の、第１の線形センサアレイ７２の最も近い超音波受信器が取り付けられている部分との間の距離であり、つまり、いわゆる飛行時間法を用いて決定される。注目すべき点は、超音波伝播速度は関心ボリュームＶＯＩ内で変化するが、そのような変化は超音波画像にも表されるので、対応する超音波画像での距離誤差又は範囲誤差にならないことである。

最大の信号に関連する超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎが配置されているのは、ビーム形成超音波撮像システム７４によって放射された複数の超音波ビームＢ_１．．ｋのうちのどの超音波ビームかを識別するために、
複数のビームの放射ビームシーケンスを、最大の受信信号を有する超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎによって受信された信号と相関させるステップ
を使用することができる。

換言すると、最大の信号に関連するビームＢ_１．．ｋを識別するために、送信と検出との間の時間遅延を補正しつつ、複数のビームの各ビームの放射時間が最大の信号の検出時間に合わせられる。そうすることにより、ビーム形成超音波撮像システムに関する超音波受信器の角度がもたらされる。というのも、この角度は、識別されたビームのビーム角度によって定まるからである。

検出器が配置されているのがどの超音波ビームであるかの識別は、以下の原理に基づく。２Ｄ超音波撮像プローブは、超音波ビームを放射し、ビームＢ_１．．ｋのアレイ内の関心ボリュームＶＯＩが定期的にサンプリングされる。超音波撮像システムによる１つの画像の取得の間に超音波受信器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｎによって検出される時間的な信号は、時間「データマトリックス」によって二次元のＢ_１．．ｋにフォーマットされる。超音波受信器が位置するのがどのビームかを決定するために、検出時間が各ビームの放射の時間と相関され、すなわちそれと比較され、検出信号に最も良く適合する位置が決定される。超音波ビームの間隔により与えられるよりも良好な分解能の角度位置情報を受信するために、時間次元にわたって「データマトリックス」の最大値投影法「ＭＩＰ」が実行され、それによって１ＤのＭＩＰベクトルが得られ、それにガウス適合が適用される。ガウスの中心は、超音波座標系における受信器の角度座標を推測するために使用される。

上述の方法、すなわち回転の追跡、距離の決定、及び超音波の識別を合わせると、介入装置又はビーム形成超音波撮像システムの位置及び回転の精確な識別が実現する。図７を参照すると、これらは、後で、介入装置７１を含み第２の撮像システム（図７には示されない）によってもたらされる第２の画像に、ビーム形成超音波撮像システム７４によってもたらされる超音波画像を位置合わせするために使用される。位置合わせは、超音波トラッキングユニット７５によってもたらされる介入装置の位置及び／又は向きに基づいて超音波及び第２の撮像システムの座標系を整列させることによって行われる。第２の撮像システムは、たとえば、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴ、ＣＴ、ｘ線、又はＭＲ撮像システムである。超音波画像は、上述した場合では、関心ボリュームの２Ｄ画像スライスをもたらす。この画像を、第２の画像で見える特徴がしばしば重要な目印をもたらすことから第２の撮像システムのものと組み合わせることで、ナビゲーションが向上する。第２の撮像システムからの画像は、ライブ画像、又は先に生成される「ナビゲーション」画像である。

上述の方法はいずれも、たとえば、トラッキングプロセッサ７８によって、又は図７に示されるコンソール７７の撮像システムプロセッサＩＳＰによって実行される。さらに、各ユニットの機能を、単一のプロセッサに組み込む、又は別々のプロセッサの中に分散させることもできる。さらに、方法は、プロセッサで実行されるとき、プロセッサにこれらの方法のステップを行わせる命令の形で記録され得る。コンピュータプログラム製品は、専用ハードウェア、並びに適切なソフトウェアとの関連でソフトウェアを実行することが可能なハードウェアによって提供される。プロセッサによって提供される場合、それらの機能は、単一の専用プロセッサ、単一の共有プロセッサ、又はそのうちのいくつかが共有可能な複数の個別プロセッサによって提供される。さらに、用語「プロセッサ」又は「コントローラ」の明示的な使用は、ソフトウェアを実行することが可能なハードウェアだけを排他的に指すものと解釈すべきでなく、これらに限定しないが、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ための読出し専用メモリ「ＲＯＭ」、ランダムアクセスメモリ「ＲＡＭ」、不揮発性ストレージなどを暗黙的に含む。さらに、本発明の実施形態は、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、コンピュータ又は任意の命令実行システムによる使用のために、又はそれに関連してプログラムコードを提供するコンピュータプログラム製品の形態をとることができる。この説明の目的には、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、又はデバイスによる使用のために、又はそれに関連して、プログラムを含む、記憶する、通信する、伝搬する、又は移送することが可能な任意の装置であってよい。媒体は、電子、磁気、光学、電磁気、赤外線、又は半導体システム、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、半導体又は固体状態メモリ、磁気テープ、取り外し可能コンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ「ＲＡＭ」、読出し専用メモリ「ＲＯＭ」、剛性磁気ディスク及び光ディスクがある。光ディスクの現在の例には、コンパクトディスク−読出し専用メモリ「ＣＤ−ＲＯＭ」、コンパクトディスク−書き込み／読み出し「ＣＤ−Ｒ／Ｗ」、Ｂｌｕ−Ｒａｙ（商標）、及びＤＶＤがある。

請求項１のデバイス、請求項９の方法、及び請求項１３のコンピュータプログラム製品は、具体的には従属請求項において定められるような類似且つ／又は同一の好ましい実施形態を有すると理解されたい。さらに、実施形態は、個別に記載されているが、従属請求項において定められるように組み合わせることもできる。

Claims (15)

1. 介入装置に取り付けられた超音波受信器によって検出される、ビーム形成超音波撮像システムから送信された超音波信号を、前記超音波信号のビーム形成ビームシーケンスと相関させることによって、前記ビーム形成超音波撮像システムの超音波ビームで追跡される介入装置であって、前記介入装置は、
   長手方向軸と、
   各々が長さ及び幅を持つ複数の超音波受信器を備え、前記幅の方向に沿って延在する、第１の線形センサアレイと、
   を備え、
   前記第１の線形センサアレイは、前記超音波受信器各々の長さが前記長手方向軸に対して長さ方向に配置されるように、前記長手方向軸に対して前記介入装置の周りに円周方向に巻き付けられる、
   介入装置。
2. 前記長さが前記幅よりも長い、請求項１に記載の介入装置。
3. 前記超音波受信器は、ギャップによって互いに離間され、
   前記長手方向軸からの各前記ギャップを弧とした角度は、前記長手方向軸から各前記超音波受信器の前記幅を弧とした角度以下である、
   請求項１又は請求項２に記載の介入装置。
4. 前記第１の線形センサアレイは、基板に取り付けられ、前記基板は、前記介入装置の周りにスパイラル状に巻き付けられる、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の介入装置。
5. スペースによって互いに離間された複数の超音波受信器を備える第２の線形センサアレイをさらに備え、
   前記第２の線形センサアレイは、前記第１の線形センサアレイの各前記ギャップが、前記長手方向軸に対して長さ方向に前記第２の線形センサアレイの前記超音波受信器と一致するように、前記長手方向軸に対して円周方向に前記介入装置の周りに巻き付けられる、
   請求項３に記載の介入装置。
6. 前記第１の線形センサアレイ及び前記第２の線形センサアレイは、前記長手方向軸に対して１ｍｍ以上の距離だけ離れて軸方向に配置される、請求項５に記載の介入装置。
7. 前記第１の線形センサアレイは、前記長手方向軸に対して直径方向に向かい合う対として配置された偶数個の超音波受信器を備え、
   各前記超音波受信器は、ポーリングベクトルを持つ圧電素子を備え、
   各対になった前記超音波受信器は、各対ごとに、
   前記超音波受信器の前記ポーリングベクトルが前記長手方向軸に対して互いに反対向きにあり、且つ、
   前記超音波受信器が、それらの前記ポーリングベクトルが互いに反対向きになるように並列に電気接続される
   ように、配置される、
   請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の介入装置。
8. 前記超音波受信器は、圧電ポリマーから形成される、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の介入装置。
9. ビーム形成超音波撮像システムの超音波ビームに関連して、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の介入装置の回転を決定する方法であって、
   第１の線形センサアレイの各超音波受信器から、前記ビーム形成超音波撮像システムから送信された超音波パルスを示す信号を受信するステップと、
   これら受信した信号を比較するステップと、
   最大の受信信号又は最初の受信信号のどちらかを有する超音波受信器を、前記超音波ビームの起源に関連付けるステップと
   を有する、方法。
10. 前記超音波ビームの送信と前記超音波受信器によるその検出との間の時間遅延に基づいて、前記最大の受信信号に関連付けられた超音波受信器の、前記超音波ビームの前記起源からの距離を決定するステップをさらに有する、請求項９に記載の方法。
11. 複数の超音波ビームの放射シーケンスを、前記最大の受信信号を有する前記超音波受信器によって受信された信号と相関させることによって、前記最大の受信信号に関連付けられた超音波受信器が配置されているのが、前記ビーム形成超音波撮像システムによって放射された前記複数の超音波ビームのうちのどの超音波ビームにおいてであるかを識別するステップをさらに有する、請求項９に記載の方法。
12. 前記ビーム形成超音波撮像システムに関連して、前記介入装置の位置及び回転を使用して、前記ビーム形成超音波撮像システムによってもたらされた超音波画像を、前記介入装置を含み第２の撮像システムによってもたらされた第２の画像に位置合わせするステップをさらに有し、前記位置は、決定された距離及び識別された超音波ビームに基づいて決定され、前記回転は、前記最大の受信信号に関連付けられた超音波受信器に基づいて決定される、請求項１１に記載の方法。
13. プロセッサで実行されると、前記プロセッサに請求項９に記載の方法のステップを実行させる命令を含む、コンピュータプログラム。
14. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の介入装置と、
    請求項９に記載の方法のステップを実行するプロセッサと
    を備える、超音波トラッキングユニット。
15. ビーム形成超音波撮像システムと、
    請求項１４に記載の超音波トラッキングユニットと
    を備える、超音波撮像機構。

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