JP7294945B2

JP7294945B2 - 超音波発信器具、超音波撮像装置

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Publication number: JP7294945B2
Application number: JP2019150325A
Authority: JP
Inventors: 亮今井; 智彦田中
Original assignee: 富士フイルムヘルスケア株式会社
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2039-08-20
Also published as: JP2020185363A

Description

本発明は、超音波を発信する超音波発信器具、および超音波画像を撮像する超音波撮像装置に関する。

カテーテル等の細径治療器具を用い、体内の治療を低侵襲に実施する治療方法が存在する。このような治療においては体表面に針等を刺して治療用の器具を体内に入れるので、開腹・開胸手術と比較して患者負担が小さい反面、治療用器具を直視することができないので体内をイメージングする装置によって治療部位の画像を得ることが必要となる。このような低侵襲治療の１例として、血管の狭窄・閉塞部位をカテーテル等の器具で治療する手法がある。治療に際しては器具の位置を特定するために、広範囲の生体透視像が得られるＸ線撮像装置が広く用いられている。一方でＸ線撮像においては骨以外の体組織が映りにくく造影剤を併用する必要がある、造影剤で造影可能であるのは血流が存在する領域のみであり、閉塞部自体は造影できないといった課題があるので、超音波イメージングが補助的に用いられることがある。超音波イメージングは血管などを造影剤不要で描出でき、また被曝もない。

上記のような超音波ガイドを用いた検査・治療においては、患部もしくは細径医療器具付近を描出しておき、その画像を頼りに検査・治療用器具を進めていく。カテーテル等を用いた治療においては、狭窄・閉塞部位付近の血管を描出しておき、血管から外に出ないように器具を進めていく。しかし超音波ガイドによる検査・治療においては、超音波画像撮像領域から器具が外に出てしまう場合があること、画像上でカテーテル等の先端部を見分けることが困難な場合があること、などの課題がある。

上記の課題を解決しうる手法として、器具から超音波を発生させ、これを位置検出用の信号として利用することにより器具の位置を決定する技術が考案されている（特許文献１）。この技術においては超音波画像の取得と超音波発生源からの信号取得を交互に繰り返し、超音波画像上に器具の位置を描出する。このような技術においては例えば直径１ｍｍ以下の細径器具中に超音波発生源を設置する必要がある。したがって、光音響効果を利用し、直径数百μｍ以下の光ファイバと先端部に付着させた光吸収性材料によって超音波を発生させる技術が、超音波発生源として有望である。光音響効果とは、光吸収性材料に短パルスレーザを照射すると局所的に急速な温度上昇が発生し、温度上昇による熱膨張によって超音波が発生する効果である。特許文献１においても超音波発生に光音響効果が用いられている。

特許第５８１９３８７号

光音響効果を用いて超音波を発生させる技術を用いる場合、カテーテル等の器具中に光ファイバと光音響信号発生用の光吸収体を設置する必要がある。しかし発生した超音波信号の伝搬状態は器具の部材や構造によって変化する。特に器具が金属のような音響インピーダンスが周囲の生体組織と著しく異なる物質によって形成されている場合、（ａ）発生した超音波が特定の方向に伝搬しない、（ｂ）超音波発生源を器具内部に設けた場合、金属部材によって超音波が遮られて超音波が器具外部に出る際に著しく減衰する、といった課題がある。

特許文献１は、穿刺針の針内部に超音波発生機構を設ける例を記載している。穿刺針には針内部の穴を常に体表側に向けて使用するので、金属である針によって超音波信号が隠されることはない。しかしカテーテル等の軸対象なデバイスはこの限りではなく、上記のような課題が発生する可能性がある。特許文献１にはこの課題の解決方法は示されていない。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、超音波を透過しない材料によって構成された器具であっても、器具周囲の各方向に対して均一に超音波を発信することができる超音波発信器具を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波発信器具は、ワイヤ部材、前記ワイヤ部材の周囲に配置され、後方の端が前記ワイヤ部材に固定されたコイル部、前記ワイヤ部材に沿って、前記コイル部の内部に配置された光導波路、前記コイル部の先端側に配置され、前記光導波路が出射する光のうち少なくとも一部を透過させる光透過部材、前記光透過部材の外周のうち少なくとも一部を覆う外周部材、を備え、前記外周部材は、前記光を吸収することにより超音波を発生させる光吸収材料によって形成されていることを特徴とする。

本発明に係る超音波発信器具によれば、金属等のように超音波を透過しない材料によって構成された器具であっても、器具周囲の各方向に対して均一に超音波を発生させることができる。

従来の超音波発信器具の構成例を示す図である。実施形態１に係る位置検出システム２００の構成図である。実施形態１に係るガイドワイヤ２０４の構造図である。窓部３０５内に光散乱部材４０１を配置した構成例を示す。ガイドワイヤ２０４に対してレーザ光を導入する機構を示す。位置検出システム２００の詳細構成図である。位置検出システム２００の動作シーケンスを示すフローチャートである。実施形態１の効果をシミュレーションによって示した図である。実施形態２に係るガイドワイヤ２０４の構造図である。窓部３０５を円筒状に構成した例である。実施形態３に係るガイドワイヤ２０４の構造図である。実施形態４における超音波発信源の形状例を示す。実施形態４における角度検出の方法を説明する図である。実施形態４の効果を実験により検証した結果を示す。上面の傾き角度の計測結果をプロットした図である。実施形態４における超音波撮像面外方向の角度検出の方法を説明する図である。血管治療用のガイドワイヤへ実施形態４における超音波発信源を組み込んだ例を示す。実施形態４における位置検出システム２００の動作シーケンスを示すフローチャートである。

＜従来の超音波発信器具における課題について＞
図１は、従来の超音波発信器具の構成例を示す図である。図１においてはカテーテルのような細長い治療・検査器具のわきに超音波発生源が取り付けられている例を想定している。光ファイバは器具と平行に延伸しており、光ファイバの先端に光吸収体が取り付けられている。光吸収体に対して光を照射すると、光音響効果によって光吸収体が超音波発信源として作用する。

超音波イメージングガイド下の治療においては、カテーテル等の細径器具を側面からイメージングする場合が多い。しかしカテーテル等の器具はその軸周りに回転しうるので、超音波が伝搬しにくい方向に器具が向いている場合、器具の位置を特定できない可能性がある。具体的には図１のように超音波発生源が治療・検査器具を挟んで超音波プローブ（超音波送受信器）と反対側に位置しているとき、超音波プローブの方向へ発生する超音波の強度は器具に遮られて弱くなる。特にこの器具がカテーテル治療において使用されるガイドワイヤのように金属のような音響インピーダンスが生体と大きく異なる素材で作られている場合、課題はより深刻である。

＜実施の形態１＞
図２は、本発明の実施形態１に係る位置検出システム２００の構成図である。ここでは位置検出システム２００の１例として、カテーテル治療において使用されるガイドワイヤ（細径器具）の先端位置を検出する構成例を説明する。ただし本発明の適用先はガイドワイヤに限られるものではなく、同様の形状と用途を有する細径医療器具に対して適用できることを付言しておく。

位置検出システム２００は、パルスレーザを搭載した超音波撮像装置２０１、画像を表示するディスプレイ２０２、超音波を送受信する超音波プローブ２０３、超音波発信器具２０７を搭載したガイドワイヤ２０４、を備える。カテーテルを用いた血管の治療においては被検体２０５の血管２０６内にガイドワイヤ２０４が挿入される。超音波撮像装置２０１と超音波プローブ２０３によって血管付近の断層像を撮像することにより、操作者は治療対象の構造を把握できる。超音波ビーコンを用いた位置検出システムにおいてはガイドワイヤ２０４の先端部に超音波発信器具２０７が取り付けられており、発生した超音波を超音波プローブ２０３が受信することによって先端位置を推定し、ディスプレイ２０２に示された超音波画像中に先端位置を重畳する。これにより、画像上にガイドワイヤ２０４が見えない場合でも先端部の位置を容易に把握することができる。また先端部位置は超音波画像の描出領域範囲外でも決定することができるので、超音波発信器具２０７が描出領域外にある場合であっても超音波発信器具２０７が存在している方向を示すことができる。

血管治療に用いられるガイドワイヤ２０４は太さが０．５ｍｍ以下である。したがって超音波発生機構もこのサイズ以下である必要がある。超音波発生機構としてはピエゾ素子が一般的であるが、ガイドワイヤ２０４中に０．５ｍｍ以下のサイズのピエゾ素子を設置して配線することは困難である。一方で光音響効果を利用した超音波発生機構はこのような細径器具に組み込むのに適している。光音響効果は、パルスレーザ光が光吸収性材料に対して照射された際にパルス状の超音波が発生する現象である。光を吸収する物体に対してパルスレーザ光が照射されると、パルスレーザ光の吸収により物体の温度が局所的に急速に上昇する。この急速な温度上昇により物体の体積が局所的に膨張し、この膨張によって超音波が発生する。このような超音波はパルスレーザ光のパルス幅がｎｓオーダであるときに効率よく発生することが知られている。

光ファイバは保護用のコーティングまで含めてもその直径は数百μｍ程度であり、細いものであれば直径２００μｍ以下である。したがって直径０．５ｍｍ以下のガイドワイヤ２０４中にも埋め込むことができる。光ファイバの先端に光吸収体を設置し、光ファイバの末端からパルスレーザ光を導入することにより、先端部において超音波を発生させることができる。

図２で示したように位置検出システム２００は、ガイドワイヤ２０４の側面方向に向かって発生した超音波を超音波プローブ２０３によって検出する。しかしガイドワイヤ２０４の方向は一定ではなく軸周りに回転しうるので、ガイドワイヤ２０４からの信号を見失わないためには、ガイドワイヤ２０４周囲の全方向に向かって超音波を発生させる必要がある。しかしながらガイドワイヤ２０４は超音波を強く反射する金属材料でできているので、単純に光ファイバをガイドワイヤ２０４側面に取り付けただけではガイドワイヤ２０４の影となり光ファイバと反対方向には超音波が伝搬しづらくなってしまう。一方でガイドワイヤ２０４の一部を超音波透過性の部材で作ろうとすると、超音波透過性の柔らかい素材を用いる必要があり、ガイドワイヤ２０４の強度を保てなくなる恐れがある。

図３は、本実施形態１に係るガイドワイヤ２０４の構造図である。ガイドワイヤ２０４は、ガイドワイヤ本体を構成する金属、合金製のワイヤ部３０１、コイル部３０２、先端部３０３（不透明部材）、超音波信号を発生させるための光ファイバ３０４（光導波路）、光を透過する窓部３０５（光透過部材）、窓部の周囲に塗布された光吸収体３０６、を備える。超音波を発生させるためのパルスレーザ光は光ファイバ３０４を通じて窓部３０５へ導入される。パルスレーザ光は窓部３０５内で拡散し、光吸収体３０６にあたると吸収され、超音波を発生させる。ガイドワイヤ２０４の全方位に対して超音波を発生させるためには、窓部３０５と光吸収体３０６は全周にわたって設けられていることが望ましい。ただし例えば光吸収体３０６が窓部３０５の外周の一部のみを覆うように配置されている場合であっても、その覆われている部分から超音波を発生させることができるので、その限りにおいて本実施形態１の効果を発揮できる。

図４は、窓部３０５内に光散乱部材４０１を配置した構成例を示す。光ファイバ３０４から射出された光は通常、前方方向に伝搬するので、窓部３０５内で均一に拡散しない。このようなレーザ光の不均一性が問題となる場合、光ファイバ３０４の前方に光散乱部材４０１を配置することによって光を散乱させ、窓部３０５内において均一にレーザ光が広がるようにすることができる。この例では透明な窓部３０５の一部に穴が開いており、この穴に光散乱部材４０１が設けられている。光散乱部材４０１は例えば用いるレーザ光を吸収しないプラスチックなどの微小な粒子を混ぜ込んだ透明な樹脂等によって作ることができる。光散乱部材４０１によって十分な強度が確保できる場合には窓部３０５をすべて光散乱部材４０１で置き換えてもよい。

図５は、ガイドワイヤ２０４に対してレーザ光を導入する機構を示す。まず光音響信号を発生させるレーザ５０１からレーザ光５０２が射出される。光音響信号発生のため、レーザはナノ秒程度のパルス幅をもつパルスレーザである必要がある。レーザの直後にはレーザ光のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるためのシャッタ５０３が設けられている。その後レーザ光は減衰機５０４によって適切なパワーに調整される。パワーが調整されたレーザ光はレンズ５０５によって集光され、光ファイバのコネクタ５０６が取り付けられたガイドワイヤ２０４中の光ファイバ３０４へ導入される。ガイドワイヤ２０４はその末端部から別の治療用器具を添わせて入れるために用いられる。したがってコネクタ５０６は他の器具の挿入を妨げないよう、簡便に取り外しもしくは切断できるものである必要がある。レーザ５０１については先に述べたようにナノ秒のパルス幅を持つレーザである必要があるが、最も一般的で安価であるＮｄ：ＹＡＧレーザの発振波長は赤外光で不可視である。光の漏出が発生した場合に目視で判別ができるよう、光音響発生用のパルスレーザと同軸で操作者の目に障害を与えない程度のパワーの可視光レーザが導入されてもよい。

図６は、位置検出システム２００の詳細構成図である。超音波撮像装置２０１は、演算部６０２、超音波を送受信する送信部６０３と受信部６０４、外部入力６０５、メモリ６０６、画像出力部６０７、ディスプレイ２０２を備える。超音波プローブ２０３は内部に超音波探触子を備え、送信部６０３からの電力によって超音波を発生させ、受信部６０４に対して受信した超音波信号を送る。ガイドワイヤ２０４はレーザ光源６１１につながっており、レーザ光源６１１から出力されたパルスレーザ光によってガイドワイヤ２０４の先端で超音波が発生する。パルス幅ｎｓ程度のレーザ光源６１１は独自の周波数でパルスレーザ光を発生しており、パルス発生のタイミング信号を受信部６０４へ送る。演算部６０２による制御下で超音波画像の取得と器具位置の推定が交互に実施され、両者が重畳された画像がディスプレイ２０２上に表示される。

図７は、位置検出システム２００の動作シーケンスを示すフローチャートである。位置検出システム２００は、超音波画像の取得と超音波発信器具２０７からの超音波信号を用いた位置取得を交互に実施し、その結果として得られた画像を重畳することにより、超音波発信器具２０７の位置を画像上に描出する。以下図７の各ステップについて説明する。

（図７：ステップＳ７０１）
演算部６０２は、超音波画像取得と器具位置推定のどちらを実施するかを判定する。ここでは１例として超音波画像の取得と器具位置の推定を交互に実施することとした。超音波画像取得と器具位置推定は必ずしも交互に実施する必要はなく、両者に大きな位置ずれが起こらない程度のアップデートが両方のプロセス間で実施されれば十分である。超音波画像取得を実施する場合には一般的な超音波イメージングシステムと同じステップが実施される。図７はその簡略化したステップを示した。

（図７：ステップＳ７０２～Ｓ７０５）
超音波画像を取得する場合は、Ｓ７０２～Ｓ７０５を実施する。超音波プローブ２０３は超音波を送信する（Ｓ７０２）。超音波プローブ２０３は被検体２０５から反射してきた超音波信号を受信する（Ｓ７０３）。演算部６０２は、Ｓ７０３において受信した超音波信号をもとに画像を構成し（Ｓ７０４）、これをディスプレイ上に表示する（Ｓ７０５）。

（図７：ステップＳ７０６～Ｓ７１０）
超音波発信器具２０７の位置を推定する場合は、Ｓ７０６～Ｓ７１０を実施する。まずレーザ光をブロックしているシャッタ５０３を開け（Ｓ７０６）、レーザ光をガイドワイヤ２０４先端付近の光吸収体３０６へ照射する（Ｓ７０７）。レーザ光が光吸収体３０６に対して照射されると超音波が発生するので、この超音波を超音波プローブ２０３によって受信する（Ｓ７０８）。演算部６０２は、受信した超音波波形をもとに超音波発信器具２０７の位置を推定し（Ｓ７０９）、その位置を超音波画像上に重畳してディスプレイ２０２上で描画する（Ｓ７１０）。

演算部６０２は、超音波発信器具２０７の位置を推定する方法として例えば下記のような方法をとることができる。１例としてはパルスレーザ光の一部をフォトディテクターで受け、この信号をトリガーとして超音波波形を取得する。超音波プローブ２０３中には通常複数個の超音波受信素子が設けられており、各々の受信素子で観測された超音波信号の受信時刻の差から超音波発信器具２０７の位置を推定することができる。

図８に本発明の効果をシミュレーションによって示した図を記載した。図８は図１のように超音波発生機構をワイヤ部の側面に取り付けた場合と図３に記載した本発明の構造の２つについて、光音響効果によって発生した超音波の伝搬状況をシミュレートした図である。シミュレーションにおいては図８上部に示した構造を用いた。ワイヤ部は鉄を想定し、光吸収部材としては着色したシリコンゴムを想定した。この構造において光ファイバを通じてパルスレーザ光を照射し、光音響効果によって発生した超音波の伝搬を３次元定期に計算している。

図８上段の構造図中に矢印で示した位置の断面における音圧分布の図を図８下段に示した。下段の図はレーザ光照射から０．４５μｓ後の圧力分布を示している。ワイヤ部側面に光吸収体を設置した左側の構造では、発生した超音波がワイヤ部に遮られ、ワイヤ部がある上方向に超音波が伝搬していないことがわかる。一方で本発明の構造を用いた右図においては等方的に超音波が伝搬していることがわかる。

＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る超音波発信器具２０７は、カテーテル等の細径器具（ガイドワイヤ２０４）中に光が透過する窓部３０５を配置するとともに、窓部３０５の外周部に光音響信号発生用の光吸収体３０６を配置することとした。窓部３０５は超音波発信器具２０７の軸周り方向に向かって均一に超音波を発生させられるよう、円筒状のような軸対象もしくはそれに近い構造とすることができる。これにより、超音波がガイドワイヤ２０４本体の金属部分によって遮られることなく、先端部周辺の各方向に向かって均一に超音波を発生させることができる。

＜実施の形態２＞
本発明の実施形態２では実施形態１とは異なる細径器具の構造について説明する。実施形態１と同じく発明の形態を具体的に述べるため、カテーテル治療において使用される細径器具を例として取りあげる。位置検出システム２００の全体構成と動作ステップについては実施形態１と同様であるので、説明を割愛する。

図９は、本実施形態２に係るガイドワイヤ２０４の構造図である。ワイヤ部３０１、コイル部３０２、先端部３０３が設けられている点については実施形態１と同様である。実施形態１との差異は窓部３０５がワイヤ部３０１の先端部分の周囲に配置されている点である。このような構造とすることにより、実施形態１と比べて窓部３０５の機械的な強度に対する要請を軽減することができる。実施形態１と同じく窓部３０５と光吸収体３０６は、全方位に位置検出用の超音波を発生させるため、全周にわたって設けられていることが望ましい。

窓部３０５の中央に不透明な材料（ワイヤ部３０１）があることによって、光ファイバ３０４から射出されたレーザ光の拡散の均一性が低下し、発生する超音波強度の分布もワイヤの円周方向に対し不均一となる。このようなレーザ光拡散の不均一性が問題となるような場合には実施形態１と同じく光ファイバ３０４の前方に光散乱部材を設けることにより、窓部３０５内に均一にレーザ光が広がるようにすることができる。実施形態１と同じく光散乱部材は例えば用いるレーザ光を吸収しないプラスチックなどの微小な粒子を混ぜ込んだ透明な樹脂等で作ることができる。

図１０は、窓部３０５を円筒状に構成した例である。カテーテルなどの細径器具１００１が中央をワイヤその他の器具が通過する円筒形状を持つ場合においても、本発明に係る構成を用いることができる。この場合は細径器具１００１内部かつ細径器具１００１の中空部分の外周において、円筒状に形成した窓部３０５を配置することができる。光吸収体３０６は実施形態１と同様に窓部３０５の外周に配置する。一般的に内部に器具を通過させる細径器具１００１は実施形態１で説明したガイドワイヤ２０４よりも太い径が許される。径サイズに余裕がある場合は複数の光ファイバを細径器具１００１内に搭載することにより、光拡散の均一性を向上させ、超音波をより等方的に発生させることができる。

＜実施の形態３＞
本発明の実施形態３では実施形態１～２とは異なる細径器具の構造について説明する。実施形態１と同じく発明の形態を具体的に述べるため、カテーテル治療において使用される細径器具を例として取りあげる。位置検出システム２００の全体構成と動作ステップについては実施形態１と同様であるので、説明を割愛する。

図１１は、本実施形態３に係るガイドワイヤ２０４の構造図である。ワイヤ部３０１、コイル部３０２が設けられている点については実施形態１と同様である。実施形態１との差異は、窓部３０５が先端部３０３を兼ね、ガイドワイヤ２０４の先端部に設けられていることである。窓部３０５として例えば石英ガラス製の球のような散乱のない材料を設置すれば光ファイバ３０４から発した光は器具前方方向に照射され、前方に強い超音波が発生する。窓部３０５として散乱体を混合した樹脂を用いれば窓部３０５内で光が散乱され、全方位に均等な超音波が発生する。先端部に窓部３０５を設ける場合、窓部３０５は生体組織と直接ぶつかるので機械的な耐久性が要求される。一方でガイドワイヤ２０４先端と信号発生源の位置が同一となり、治療上把握が重要な器具先端位置推定の誤差を少なくすることができる。

本実施形態３において、光吸収体３０６は必ずしも窓部３０５の湾曲面全体を覆う必要はなく、湾曲面のうち少なくとも一部を覆うことにより、その部位から超音波を発信することができればよい。

＜実施の形態４＞
実施形態１～３で説明した技術は、治療器具内に設けられた超音波発信源の位置を特定するための技術である。一方で透明な窓部を設けることの効果は上記の均一に超音波を発生する点以外にも存在する。具体的には、透明な窓部の構造を角度が規定できる形状とすることにより、治療用器具の位置に加えて角度を計測することが可能である。角度情報は治療器具の進行方向を決める等の用途で有用である。そこで本発明の実施形態４においては、透明な窓部の形状を角度が規定できる形状とすることによって、細径治療器具の角度を検出する方法について述べる。

尚、角度が規定できる形状とは、正確にはある形状を特定の角度回転させたとき、その形状が回転前と同一にならない形状をさしている。形状が球形の場合、回転操作で形状が変化しないため角度が規定できない。３辺の長さが直方体の場合、１８０°回転で同一の形状になるが、それ以外の回転では同一にならない。角度計測機能の実現のためには最低１つの角度の回転操作に対して同一の形状とならなければよいが、対称性が高いほど例えば直方体における１８０°回転のように回転を認識できない角度が増えるため、なるべく対称性が低い形状が望ましい。１例として立方体の場合、９０°の回転と１８０°の回転で形状が回転前と同一になるので、立方体よりも、１８０°の回転でのみ形状が回転前と同一になる直方体（３辺の長さが異なる）のほうが望ましい。尚、この形状は超音波撮像装置によって画像化されなければならないため、この形状の大きさは超音波撮像装置の分解能以上である必要がある。

図１２は、本実施形態４における超音波発信源の形状例を示す。図１２の左側には特許文献１等に記載されている光音響効果を用いた超音波発信源の形状の例として、超音波発信源をワイヤに取り付けた例を示した。図１２右図は本実施形態４に係る超音波発信源の構造を示す。

ワイヤ部１２０１に沿って光ファイバ１２０２が配置され、光ファイバ１２０２の先端に光吸収体１２０３が設けられる。光ファイバ１２０２に対してパルスレーザ光を導入することにより、光吸収体１２０３から超音波が発生する。これを実施形態１と同じく超音波プローブによって受信し、受信信号波形から画像を構成し、超音波発信源の位置を特定する。

本実施形態４に係る超音波発信源は、図１２左図の従来例とは異なり、透明な窓部１２０４が光ファイバ１２０２の先端に設けられている。透明な窓部１２０４の表面に光吸収体１２０３が設けられる。この透明な窓部１２０４と光吸収体１２０３が角度が定義できる構造を持つことが本実施形態４の特徴である。１例として先に述べたように窓部１２０４の形状を３辺の長さが異なる直方体とすればよい。超音波の発生強度を均一化するため、窓部１２０４は光散乱体を含む材料で構成されてもよい。

図１３は、本実施形態４における角度検出の方法を説明する図である。図１３左図が従来技術の方法、右図が本技術の方法を示している。従来技術は、１例として図１３左図のように超音波発信源からの信号を画像化し、画像中の信号強度が最も高い点を超音波発信源の位置として検出する。本実施形態４においては、超音波発信源の形状が非回転対称となっている。１例として図１３右図のように超音波発信源の形状を断面が長方形となるようにした場合、発生した超音波信号を画像化すると、超音波発信源の像も長方形となる。たとえばこの長方形の超音波強度の重心を取ることにより中心位置を計測することができる。加えて、この長方形の長辺の傾きを計測することにより、この治療器具の傾きを計測することができる。

特許文献１等の公知例において、超音波発信用の色素は光ファイバ先端部に設けられている。一般的に光ファイバの太さは数百μｍ程度であり、その先端から発信された超音波を画像化しても画像上ではほぼ１つの点にしか見えず、その方向を定義することが困難である。本実施形態４の構造のように、角度が定義でき、かつ超音波画像上で判別可能な大きさを持つ超音波発信源を設けることが本質的に重要である。

図１４は、本実施形態４の効果を実験により検証した結果を示す。図１４において用いた超音波発信源は、図１２右図に示した構造である。光ファイバ先端に透明なシリコンゴムを直方体形状に整形したものを取り付け、その表面に光吸収体を塗布している。この超音波発信源を金属製の棒の上に取り付け、発生する超音波信号を元に画像を再構成したものが図１４である。本実験で使用した超音波発信源はシリコンゴムの直方体のうち光ファイバに接する面以外の５面すべてに光吸収体を塗布したので、超音波断層像上では上下と先端の３面がＵ字状に写っている。

図１４から超音波発信源の位置を検出する場合、１例として先端部の面（Ｕ字の縦棒にあたる部分）の像の中心位置を超音波発信源の先端と認識すればよい。傾きを計測する場合には１例として上面に相当する線の傾きを検出すればよい。

図１５は、上面の傾き角度の計測結果をプロットした図である。図１５においては超音波発信源の角度を０度から４５度の範囲で変化させ、実際の角度を横軸に示し、その角度を計測した結果を縦軸に示している。点線で引かれた理想的な推定直線に対し、実際の計測結果を示した黒い点は誤差±５度以下の範囲であり、正しく角度計測ができていることがわかる。

上記の方法は超音波撮像面内での回転角度を検出するものであるが、超音波画像撮像面に垂直な面内での回転角度も推定することができる。図１６に超音波画像撮像面に垂直な面内での回転角度の検出方法を示した。図１６左図は超音波撮像断面と超音波発信源の方向が揃っている場合を示している。この場合、超音波発信源の長軸方向の断面が観察される。図１６右図は超音波発信源が超音波画像撮像面に対し傾いているときの状況を示している。この場合、回転角度θに対し、Ｘ軸方向の超音波発信源の長さがもともとの長さのｃｏｓθ倍になる。したがって、超音波発信源の真の長さをシステム内部に保持しておけば、実際に超音波画像から計測した超音波発信源の長さと真の長さの比をとり、その逆コサインをとることで音波画像撮像面に垂直な面内での回転角度を計測することができる。尚、この方向では回転の方向は計測できない。例えば＋４５°の回転と－４５°の回転では同一の超音波像となってしまうためである。回転の方向を検出するためには追加的な情報やセンサー等が必要である。

図１７は、血管治療用のガイドワイヤへ本実施形態４における超音波発信源を組み込んだ例を示す。本実施形態４の効果について断面形状が長方形となる場合を例として説明したが、超音波発信源の形状は角度検出のための方向が規定可能であればその他形状であってもよい。図１６においては実施形態１と同じく、ワイヤ部３０１の先端にコイル部３０２と先端部３０３が設けられており、この構造に沿って光ファイバ３０４が取り付けられている。先端部３０３の後ろ側に透明な窓部３０５が設けられ、その表面に光吸収体３０６が設けられる。超音波画像を再構成すると、この光吸収体３０６が画像化される。この光吸収体３０６は円筒形状であり、断層像上では２本の線として現れる。したがってこの２本の線のうちどちらかもしくは両方の角度を計測することにより、このガイドワイヤ先端部の傾きを検出することができる。

図１８は、本実施形態４における位置検出システム２００の動作シーケンスを示すフローチャートである。位置検出システム２００の構成は実施形態１と同一である。Ｓ７０１からＳ７１１までも実施形態１と同一である。本実施形態４においては、治療器具の位置を描画した後、システムは非回転対称な超音波発信源の画像からその角度を推定する（Ｓ１８０１）。その後、その角度をユーザが視認できるよう画面上に表示する（Ｓ１８０２）。

＜実施の形態４：まとめ＞
本実施形態４に係る超音波発信器具は、カテーテル等の細径器具中に光が透過する窓部３０５を配置するとともに、窓部３０５の外周部に光音響信号発生用の光吸収体３０６を配置することとした。窓部３０５および光吸収体３０６はその位置に加えて角度が検出可能となるように、角度が規定できる形状（例えば断面が長方形となる１辺が長い直方体や円柱などの形状）を有する。これにより、超音波発信源が設けられた細径治療器具の位置と角度を計測することができる。

＜本発明の変形例について＞
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

以上の実施形態において、窓部３０５は必ずしも光を１００％透過させる必要はない。すなわち光ファイバ３０４が出射した光のうち少なくとも一部が光吸収体３０６に到達して光音響効果により超音波を発生させることができれば、窓部３０５としての機能を発揮することができる。

以上の実施形態において、先端部３０３はガイドワイヤ２０４の先端部分の強度を増すための部材なので、典型的には金属部材によって形成されている。この場合、先端部３０３は光を完全に遮断する部材である。ただし先端部３０３は必ずしも完全に光を遮断する必要はなく、光吸収体３０６が光音響効果により超音波を発生させる効果を阻害しなければ、光の一部を透過させてもよい。また先端部３０３は、必ずしもガイドワイヤ２０４の先端全体を覆う必要はなく、強度を増すことができる程度に先端を覆えばよい。

以上の実施形態において、窓部３０５の外周に光吸収体３０６を配置することとした。ここでいう外周とは、必ずしもガイドワイヤ２０４（または細径器具１００１）の最外周である必要はない。例えば図１１において、光吸収体３０６のさらに外側に超音波を透過させる別の部材（被覆コートなど）が配置されていてもよい。換言すると、光を透過する何らかの部材が窓部３０５として構成されており、その外周部分に光吸収体３０６が配置されることにより超音波を発信することができれば、これら部材の周辺にその他部材が存在してもよい。これは各実施形態において同様である。

以上の実施形態で説明した構造は、超音波イメージングのガイド下で体内に挿入される器具でありその外周部が光吸収体３０６によって構成されている他の細径器具においても適用可能である。

２０１超音波撮像装置
２０２ディスプレイ
２０３超音波プローブ
２０４ガイドワイヤ
２０５被検体
２０６血管
２０７超音波発信器具
３０１ワイヤ部
３０２コイル部
３０３先端部
３０４光ファイバ
３０５窓部
３０６光吸収体
４０１光散乱部材
５０１レーザ
５０２レーザ光
５０３シャッタ
５０４減衰機
５０５レンズ
５０６コネクタ
６０２演算部
６０３送信部
６０４受信部
６０５外部入力
６０６メモリ
６０７画像出力部
６１１レーザ光源
１００１細径器具
１２０１ワイヤ部
１２０２光ファイバ
１２０３光吸収体
１２０４窓部

Claims

超音波を発信する超音波発信器具であって、
ワイヤ部材、
前記ワイヤ部材の周囲に配置され、後方の端が前記ワイヤ部材に固定されたコイル部、
前記ワイヤ部材に沿って、前記コイル部の内部に配置された光導波路、
前記コイル部の先端側に配置され、前記光導波路が出射する光のうち少なくとも一部を透過させる光透過部材、
前記光透過部材の外周のうち少なくとも一部を覆う外周部材、
を備え、
前記外周部材は、前記光を吸収することにより超音波を発生させる光吸収材料によって形成されている
ことを特徴とする超音波発信器具。
前記光透過部材は、前記光導波路が前記光を出射する出射端を覆うように取り付けられている
ことを特徴とする請求項１記載の超音波発信器具。
前記光透過部材は、筒状の形状を有しており、
前記光透過部材の底面は、前記出射端を覆う位置に配置されており、
前記外周部材は、前記光透過部材の側面のうち少なくとも一部を覆っている
ことを特徴とする請求項２記載の超音波発信器具。
前記超音波発信器具はさらに、前記光導波路が出射した前記光を前記光透過部材の内部において散乱させる光散乱部材を備える
ことを特徴とする請求項１記載の超音波発信器具。
前記光散乱部材は、前記光導波路が前記光を出射する出射端に配置されている
ことを特徴とする請求項４記載の超音波発信器具。
前記超音波発信器具はさらに、前記光のうち少なくとも一部を遮断する不透明部材を備え、
前記光透過部材は、前記出射端と前記不透明部材の間に配置されており、
前記不透明部材は、前記光透過部材のうち前記外周部材によって覆われていない部分の少なくとも一部を覆うように配置されている
ことを特徴とする請求項２記載の超音波発信器具。
前記ワイヤ部材は、前記コイル部の前方に延び、
前記光透過部材は、前記コイル部の先端側で、前記ワイヤ部材の側面のうち少なくとも一部を覆うように配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の超音波発信器具。
前記ワイヤ部材は、前記コイル部の前方に延び、
前記光透過部材は、前記コイル部の先端側で、前記ワイヤ部材の側面のうち少なくとも一部を覆うように配置されており、
前記不透明部材は、前記ワイヤ部材の先端に取り付けられている
ことを特徴とする請求項６記載の超音波発信器具。
前記超音波発信器具は、中空部分を備え、
前記光導波路は、前記コイル部の内部かつ前記中空部分の外周に配置されており、
前記光透過部材は、前記コイル部の先端側、かつ前記中空部分の外周に配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の超音波発信器具。
前記光透過部材は、一端において湾曲面を有しており、
前記光透過部材の他端は、前記出射端から出射される前記光を受け取る位置に配置されており、
前記外周部材は、前記湾曲面のうち少なくとも一部を覆っている
ことを特徴とする請求項２記載の超音波発信器具。
前記超音波発信器具はさらに、前記光導波路が出射した前記光を前記光透過部材の内部において散乱させる光散乱部材を備える
ことを特徴とする請求項１０記載の超音波発信器具。
前記光吸収材料は少なくとも一つの角度の回転操作に対して対称にならない形状を持つ
ことを特徴とする請求項１記載の超音波発信器具。
前記光吸収材料は円筒形状である
ことを特徴とする請求項１２記載の超音波発信器具。
前記光吸収材料の断面形状は長方形である
ことを特徴とする請求項１２記載の超音波発信器具。
超音波を用いて被検体の画像を撮像する超音波撮像装置であって、
請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の超音波発信器具、
超音波を発生し超音波を受信する超音波探触子、
前記超音波探触子が受信した超音波を用いて前記被検体の超音波画像を生成する画像生成部、
前記超音波発信器具の位置を推定する位置推定部、
を備え、
前記超音波探触子は、超音波を受信する素子を複数備え、
前記位置推定部は、各前記素子が超音波を受信した時刻の差を用いて、前記超音波発信器具の位置を推定し、
前記超音波発信器具は、
前記超音波発信器具の内部に配置された光導波路、
前記光導波路が出射する光のうち少なくとも一部を透過させる光透過部材、
前記光透過部材の外周のうち少なくとも一部を覆う外周部材、
を備え、
前記外周部材は、前記光を吸収することにより超音波を発生させる光吸収材料によって形成されている
ことを特徴とする超音波撮像装置。
前記外周部材は少なくとも一つの角度の回転操作に対して対称にならない形状を持ち、
前記超音波撮像装置はさらに、前記画像生成部によって生成された超音波画像から前記超音波発信器具の傾きを推定する角度推定部を備える
ことを特徴とする請求項１５記載の超音波撮像装置。
前記傾きを推定する角度推定部は前記画像生成部によって生成された超音波画像から前記超音波発信器具の像の傾きを計測し、前記超音波画像面内における角度を推定する
ことを特徴とする請求項１６記載の超音波撮像装置。
前記傾きを推定する角度推定部は前記画像生成部によって生成された超音波画像から前記超音波発信器具の像の長さを計測し、事前に計測された前記超音波発信器具の真の長さとの比をとることによって、前記超音波画像と垂直な面内における角度を推定する
ことを特徴とする請求項１６記載の超音波撮像装置。