JP7361470B2 - ユーザによる超音波装置の操作を援助するための自動画像取得 - Google Patents
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Description
[0001] 本出願は、以下の米国仮特許出願、すなわち2016年6月20日出願の「AUTOMATIC ACQUISITION ASSISTANCE AND REAL-TIME MEASUREMENT FOR ULTRASUND IMAGING USING DEEP LEARNING」と言う題の米国仮特許出願第62/352,382号、2016年9月6日出願の「METHOD AND APPARATUS TO PROVIDE AUGMENTED REALITY GUIDED ULTRASOUND DETECTION」と言う題の米国仮特許出願第62/384,187号、2016年9月6日出願の「CLINICAL DIAGNOSTIC AND THERAPEUTIC DECISION SUPPORT USING PATIENT IMAGING DATA」と言う題の米国仮特許出願第62/384,144号、2016年12月15日出願の「INTEGRATING STATISTICAL PRIOR KNOWLEDGE INTO CONVOLUTIONAL NEURAL NETWORKS」と言う題の米国仮特許出願第62/434,980号、2017年1月11日出願の「METHOD AND APPARATUS TO PROVIDE AUGMENTED REALITY GUIDED ULTRASOUND DETECTION」と言う題の米国仮特許出願第62/445,195号、2017年2月2日出願の「METHOD AND APPARATUS TO PROVIDE AUGMENTED REALITY GUIDED ULTRASOUND DETECTION」と言う題の米国仮特許出願第62/453,696号、および 2017年2月24日出願の「TECHNIQUES FOR LANDMARK LOCALIZATION」と言う題の米国仮特許出願第62/463,094号の恩恵を35U.S.C§119(e)の下に主張する。上記特定された出願の各々の開示は、参照としてその全体が本明細書に援用される。
[0144] 本開示は、超音波装置を被験者の上に配置し、医学的に関連性を有する超音波像を捕捉する方法を超音波装置のオペレータへ指示する技術を提供する。特定の解剖学的像を含む被験者の超音波像の捕捉は、超音波装置の新米オペレータにとっては困難であるかもしれない。オペレータ(例えば、看護士、技師、または一般人)は、超音波装置を最初に被験者(例えば患者)のどこに置くかを知っておく必要があるだけでなく、標的の解剖学的像を含む超音波像を捕捉するため、被験者上の装置の位置の調整方法も知っておく必要がある。被験者がオペレータの場合、オペレータは超音波装置をはっきりと見ることができないので、該オペレータが適切な表示を識別するのは更に困難であるかもしれない。従って、開示されている特定の実施形態は、オペレータを導いて標的解剖学的像を含む超音波像を捕捉させるための新技術に関している。ガイダンスは、オペレータのコンピュータ装置にインストールされたソフトウェアアプリケーション(これ以降、「アプリ」と呼ぶ)(例えば、携帯装置、スマートフォン、またはスマート装置)によって提供されてもよい。例えば、オペレータはアプリをコンピュータ装置にインストールし、そのコンピュータ装置を超音波装置に(例えば、BLUETOOTHなどの無線接続、あるいはライトニンケーブルなどの有線接続を用いて)接続してもよい。次に、オペレータは、超音波装置を被験者上に配置してもよいし、ソフトウェアアプリケーションは、オペレータが超音波装置を再配置すべきか否か、並びにどのようにそれを進めるべきかを示すフィードバックをオペレータへ提供してもよい。新米のオペレータは、当該指示に従うことにより、標的解剖学的像を含む、医学的に関連性のある超音波像を捕捉できる。
[0154] 本開示は、医学的に関連性を有する被験者の超音波像を捕捉するように、超音波装置のオペレータを導くための技術を提供する。新しいタスクを実行する方法(例えば、超音波装置の使用方法)を個人に教示するのは困難な課題である。余りにも難しいまたは混乱させるような指示を提供された個人は面食らってしまうかもしれない。従って、開示された特定の実施形態は、標的解剖学的像を含む超音波像を捕捉するように超音波装置のオペレータを導くための、明瞭かつ簡潔な指示を提供する新技術に関している。いくつかの実施形態において、オペレータは超音波装置を被験者の上に配置し、コンピュータ装置(携帯スマートフォン、タブレットなど)が、被験者の初期位置から被験者の標的位置まで超音波装置を移動させるようにオペレータを導く方法に関するガイダンスプランを生成する。ガイダンスプランは、初期位置から標的位置までオペレータを導くのに、一連の簡単な指示または段階(例えば、「上へ移動」、「下へ移動」、「左へ移動」、および「右へ移動」)を有していてもよい。
[0162] 本開示は、超音波装置のオペレータを導く拡張現実インターフェースを作成する技術を提供する。書面による指示および/または話し言葉による指示は、オペレータにとっては理解が困難である。例えば、特定の方向へ超音波装置を移動させる指示(例えば、「左へ移動」)は、オペレータが使用する参照点が異なるので曖昧である。その結果、オペレータは、指示に正しく従っていると信じつつ間違った方向へ超音波装置を移動するかもしれない。従って、特定の開示された実施形態は、拡張現実インターフェースを通して超音波装置のオペレータへ指示を提供する新技術に関する。拡張現実インターフェースにおいては、オペレータの現実世界の環境表示に指示が重ね合わされる。例えば、拡張現実インターフェースは、被験者上に配置された超音波装置の表示と、超音波装置が移動する特定の方向を示す矢印とを有していてもよい。従って、オペレータは、拡張インターフェースの矢印の方向と同じ方向へ被験者上の超音波装置を移動させることにより、超音波装置を容易に再配置できる。
[0167] 本開示は、超音波装置の上に置かれたマーカーを用いて超音波装置の位置を追跡する技術を提供する。上述したように、拡張現実インターフェースを通して超音波装置内のオペレータへ指示を提供することにより、その指示は明瞭かつ容易に理解される。拡張現実インターフェースは、現実世界の環境の捕捉画像(例えば、携帯スマートフォン上のカメラによって捕捉された画像)と、捕捉画像の上に重ね合された超音波装置の動かし方に関する1つ以上の指示とを有してもよい。指示が捕捉画像内にある現実世界の物体を基準に配置された場合、斯かる拡張現実インターフェースは、更に直感的に理解可能であろう。例えば、超音波装置を左へ動かすようにオペレータへ指示する矢印は、その矢印が捕捉画像内の超音波装置の近くに配置されるならば、オペレータにとって更に分かり易くなる。従って、本明細書記載の技術の態様は、指示が拡張現実インターフェース内に適切に配置されるように、捕捉画像内の超音波装置を追跡する新技術に関する。捕捉画像内の超音波装置の位置を識別する課題は、捕捉画像内に肉眼で見える明瞭なマーカーを超音波装置上に配置することにより軽減されるであろう。マーカーは、例えば、自動画像処理技術(深層学習技術など)を用いて容易に識別される明瞭なパターン、色、および/または画像を有していてもよい。従って、捕捉画像内の超音波装置の位置は、捕捉画像内のマーカーの位置を特定することにより識別できる。捕捉画像内の超音波装置の位置が識別されたならば、超音波装置の近くの位置において指示を捕捉画像上に重ね合わせることにより、更に直感的に理解可能な拡張現実インターフェースを形成してもよい。
[0171] 本開示は、捕捉された超音波画像を自動的に解釈して、被験者の医療パラメータを識別する技術を提供する。超音波装置の新米オペレータは、被験者に関する医学的に関連性のある情報を集めて、捕捉された超音波画像を解釈することはできないかもしれない。例えば、新米オペレータは、被験者の医療パラメータ(例えば、被験者の心臓の駆出率)を、捕捉された超音波画像から計算する方法を知らないかもしれない。従って、特定の開示された実施形態は、捕捉された超音波画像を自動的に分析して、被験者の医療パラメータを識別する新技術に関している。いくつかの実施形態において、医療パラメータは、最新式の画像処理技術(深層学習など)を用いて識別してもよい。例えば、深層学習技術を利用して、超音波像内に特定の器官(例えば、心臓、肺)の存在を識別してもよい。超音波像内の器官が識別されたら、その器官の特色(例えば、形状および/またはサイズ)を分析して、被験者の医療パラメータ(例えば、被験者の心臓の駆出率)を決定してもよい。
[0175] 本開示は、捕捉された超音波像を用いて、被験者の医療状態の診断を生成する技術を提供する。超音波像の新米オペレータは、超音波装置を用いて被験者の医療状態を診断する方法を知らないかもしれない。例えば、オペレータは、医療状態を診断するのに、被験者の解剖学的像のうちいずれを撮像すべきか確信が持てないかもしれない。更に、オペレータは、医療状態を診断するのに、捕捉された超音波像をどのように解釈すればよいか分からないかもしれない。従って、特定の開示された実施形態は、被験者の医療状態の診断面で超音波装置のオペレータを支援する新技術に関する。いくつかの実施形態において、斯かる技術は、医療専門家のコンピュータ装置(例えば、スマートフォン)にインストールされた診断アプリで使用されてもよい。医療専門家は、診断アプリを用いて、被験者の医療状態の診断の全プロセスを実行してもよい。例えば、医療専門家は、診断アプリを用いて、被験者に関する医療情報(例えば、年齢、体重、身長、安静時心拍数、血圧、体表面積など)を取得し、それを用いて、超音波装置で撮像すべき被験者の特定の解剖学的像を決定してもよい。次に、診断アプリは、解剖学的像の超音波像を捕捉するように医療専門家を導く。診断アプリは、捕捉された超音波像(または一連の超音波像)および/または超音波装置からの生の超音波データを利用してもよい。被験者の医療状態を診断するのに、超音波像(複数も可)および/または生の超音波データと組み合わせて他の情報(被験者に関する医療情報など)を用いてもよいことは理解されるべきである。
[0181] 図1は、被験者101の標的解剖学的像の超音波像を取得するようにと、超音波装置102のオペレータを導くように構成された例示的超音波システム100を示す。図に示されるように、超音波システム100は、通信リンク112によってコンピュータ装置104へ通信可能に連結された超音波装置102を含む。コンピュータ装置104は、超音波装置102から超音波データを受信し、受信した超音波データを用いて超音波像110を生成するように構成されていてもよい。コンピュータ装置104は、超音波像110を分析し、標的解剖学的像を含む超音波像を捕捉するには、超音波装置102をどのように再配置すべきかに関して、超音波装置102のオペレータにガイダンスを提供してもよい。例えば、コンピュータ装置104は、超音波像110を分析し、超音波像110が標的解剖学的像(例えば、PLAX解剖学的像)を含んでいるか否かを決定してもよい。超音波像110が標的解剖学的像を含んでいるとコンピュータ装置104が決定した場合、コンピュータ装置104は、超音波装置102が適切に位置付けられていることを示す表示を、表示装置106を用いてオペレータへ提供してもよい。そうでなければ、コンピュータ装置104は、表示装置106を用いて、超音波装置102を再配置する方法に関してオペレータへ指示108を提供してもよい。
[0201] 拡張現実インターフェースを通して指示をオペレータへ提供すれば、オペレータにとっては指示が分かり易くなることを本発明者達は認識している。図5Aは、拡張現実インターフェースをオペレータへ提供するように構成された、例示的超音波システムを示す。図に示されるように、超音波システムは、通信リンク512を通してコンピュータ装置504に通信可能に連結された超音波装置502を有する。超音波装置502、通信リンク512、および/またはコンピュータ装置504は、図1を参照して上述した超音波装置102、通信リンク112、および/またはコンピュータ装置104に類似していてもよい。超音波システムは、超音波装置502上に置かれたマーカーを更に有する。マーカーを用いることにより、コンピュータ装置504は、(例えばコンピュータ装置504に一体化されている)撮像装置506によって捕捉される、非音波画像内の超音波装置の位置を比較的容易に追跡できる。コンピュータ装置504は、非音声画像内の超音波装置の追跡位置を用いて、1つ以上の要素(例えば、指示)をその非音波画像上に重ね合わせ、拡張現実インターフェースを形成してもよい。斯かる拡張現実インターフェースは、(例えば、コンピュータ装置502と一体化され、撮像装置506の反対側に配置されている)表示装置508を通して表示してもよい。
[0208] 超音波撮像技術は、診断および治療に関する推奨事項と組み合わされることにより、医療撮像へのアクセスを民主化し、日常的な臨床治療および/または患者のモニタリングを加速させる、知的で手頃な価格の製品およびサービスのエコシステムを提供してもよい。この方法は、医療専門家および/または患者が診断および治療決定を病気の初期の段階で行えるようにしたり、新米の撮像装置ユーザ(例えば、消費者)が、種々の状態を検出したり治療への患者の応答をモニターしたりするのを援助したりすることにより、従来の臨床決定支持(CDS)アプリケーションを更に前進させるかもしれない。
[0225] 図9は、標的解剖学的像を含む超音波像を捕捉するように超音波装置のオペレータを導くための、例示的プロセス900を示す。このプロセス900は、例えば、超音波システム内のコンピュータ装置によって実行してもよい。図に示されるように、プロセス900は、超音波像を取得する動作902と、超音波像が標的解剖学的像を含むか否かを決定する動作904と、ガイダンスプランを生成する動作906と、超音波装置を再配置するように指示を提供する動作908と、適切な位置付けを示す指標を提供する動作910とを有する。
[0257] 本明細書記載の技術の態様は、画像(例えば、超音波像および非音波画像)を分析するための、自動画像処理技術の適用に関する。いくつかの実施形態では、自動画像処理技術は、機械学習技術(例えば、深層学習技術)を含んでもよい。機械学習技術は、1組のデータポイントのパターンを識別し、識別したパターンを用いて新しいデータポイントを予測する技術を含んでいてもよい。斯かる機械学習技術は、斯かる予測を行うため、訓練データセットを用いてモデルを訓練する(および/または構築する)工程を含んでいてもよい。訓練されたモデルは、例えば、データポイントを入力として受け取り、そのデータポイントが属する可能性のあるクラスの指標を出力として提供するように構成された分類子として使用されてもよい。
[0262] いくつかのアプリケーションにおいて、ニューラルネットワークは、1つ以上の畳み込み層を用いて畳み込みニューラルネットワークを形成するように実施されてもよい。画像1402を分析するように構成された例示的な畳み込みニューラルネットワークが、図14に示してある。図に示されるように、畳み込みニューラルネットワークは、画像1402を受け取るための入力層1404と、出力を提供するための出力層1408と、入力層1404と出力層1408との間に接続されている複数の隠れ層1406とを有する。複数の隠れ層1406は、畳み込みおよびプーリング層1410と、緻密層1412とを有する。
[0271] いくつかの実施形態では、統計学的事前知識を畳み込みニューラルネットワークへ統合してもよい。例えば、破損データまたはノイズの多いデータであっても頑健な予測を得るため、主成分分析法(PCA)を通して取得された統計学的事前知識を畳み込みニューラルネットワークへ統合してもよい。斯かる実施形態においては、ネットワークアーキテクチャはエンドツーエンドで訓練され、特別設計の層、すなわちPCAを通して発見されるバリエーションのデータセットモードが組み込まれた層であって、斯かるモードを線形的に組み合わせることにより予測を生成する層を有していてもよい。更に、より正確な予測を取得するため、入力画像に関する特定な関心領域に畳み込みニューラルネットワークの焦点を合わせるメカニズムを有していてもよい。
の固有ベクトルを計算することにより取得してもよい。
は対角行列であり、共分散行列の固有値を含んでおり、Eigenbase内の各主成分に関連付けられた分散を示す。
[0287] 超音波ビデオシーケンスは、雑音、影、解剖学的相違点、およびスキャン平面の多様性の故に困難であることを本発明者達は理解している。従って、本発明者達は、斯かる困難に対処するため、目印位置を回帰推定するように訓練された完全な畳み込みニューラルネットワークを創案および開発した。この畳み込みニューラルネットワークにおいては、一連の畳み込み層およびプーリング層の後続は、前の層から引き継いだ特徴を有する一群のアップサンプリング層および畳み込み層である。最後の位置推定は、最後の層の回帰マップの質量中心を計算することにより生成される。加えて、推定の不確実性は、予測の標準偏差として計算される。推定の時間的一貫性は、長短期記憶セル(現在のフレームの推定を精密化させるため、前のいくつかのフレームを処理するセル)によって達成される。傍胸骨長軸撮像における左心室の自動測定およびその後の駆出率計算は、ユーザ間の多様性にも拘らず同等の正確性を示している。
はアダマール積を表示する。最後に、隠れ状態が以下の式として更新される。
[0297] 図15Aは、本明細書記載の技術の種々の態様を実施するための、例示的超音波システム1500Aの態様を示す概略ブロック図である。例えば、超音波システム1500Aの1つ以上の構成要素が、本明細書記載のプロセスのいずれかを実行してもよい。図に示されるように、超音波システム1500Aは、処理回路1501と、入力/出力装置1503と、超音波回路1505と、メモリ回路1507とを有している。
[0313] 図16は、上述の超音波装置(例えば、超音波装置102、502、602、および1514)のいずれか、あるいは本明細書記載の超音波回路のいずれか(例えば、超音波回路1505)として利用される、モノリシックな超音波装置1600の例示的実施例を示す。図に示されるように、超音波装置1600には、1つ以上の変換器配列(例えば、アレイ)1602、送信(TX)回路1604、受信(RX)回路1606、タイミングおよび制御回路1608、信号調節/処理回路1610、電力管理回路1618、および/または高密度焦点式超音波(HIFU)制御装置1620が含まれてもよい。図示の実施形態においては、図示された要素の全てが単一の半導体ダイ1612上に形成されている。しかし、代替実施形態においては、図示された要素のうちの1つ以上がチップの外に配置されてもよいことは理解されるべきである。加えて、図示された実施例ではTX回路系1604およびRX回路系1606の両方が示されているが、代替実施形態においては、TX回路系だけ、またはRX回路だけを利用してもよい。例えば、斯かる実施形態は、音響信号を送信するのに1つ以上の送信専用装置1600が使用され場合、並びに超音波による撮像対象の被験者を通して、または斯かる被験者から反射された音響信号を受信するのに、1つ以上の受信専用装置1600が使用される場合に、利用されてもよい。
Claims (17)
- 超音波装置に通信可能に結合された携帯装置を含むシステムをオペレータが使用するための、前記携帯装置の少なくとも1つのプロセッサが実行する方法であって、
前記オペレータが使用している前記超音波装置が前記携帯装置に結合されたカメラの視野内にある場合に、前記カメラを使用して、前記超音波装置の画像を捕捉することと、
前記超音波装置の前記画像内で前記超音波装置のポーズを識別することと、
前記携帯装置の前記少なくとも1つのプロセッサを使用して合成画像を生成することであって、前記合成画像の生成は、少なくとも部分的には、前記超音波装置の前記画像の上に、前記超音波装置の前記ポーズを使用して、前記オペレータが前記超音波装置を移動させる方向の表示を重ね合わせることにより行われ、前記超音波装置の前記画像の上に前記表示を重ね合わせることは、前記超音波装置の前記画像内において、前記超音波装置の少なくとも一部の上に、前記オペレータが前記超音波装置を移動させる方向を示す矢印を重ね合わせることを含む、前記合成画像を生成することと、
前記携帯装置の表示装置を介して、前記合成画像を前記オペレータへ提示することと、を含む方法。 - 前記超音波装置にはマーカーが設けられ、前記超音波装置の前記画像を取得することは、前記マーカーの画像を取得することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記超音波装置の前記ポーズを識別することは、前記超音波装置の前記画像内で前記マーカーの位置を識別することを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記超音波装置によって捕捉された超音波像を取得することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記携帯装置の前記表示装置を介して、前記合成画像とともに前記超音波像を提示することをさらに含む、請求項4に記載の方法。
- 前記オペレータが前記超音波装置を移動させる前記方向の前記表示を重ね合わせることは、前記超音波装置を回転させる表示を重ね合わせることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記オペレータが前記超音波装置を移動させる前記方向の前記表示を重ね合わせることは、前記超音波装置を再配置する表示を重ね合わせることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記オペレータが前記超音波装置を移動させる前記方向の前記表示を重ね合わせることは、前記超音波装置を上、下、左または右に移動させる表示を重ね合わせることを含む、請求項1に記載の方法。
- 携帯装置を備えたシステムであって、前記携帯装置は、表示装置と、少なくとも1つのプロセッサとを含み、前記少なくとも1つのプロセッサは、
オペレータが使用している超音波装置が前記携帯装置に結合されたカメラの視野内にある場合に、前記カメラを使用して、前記超音波装置の画像を捕捉することと、
前記超音波装置の前記画像内で前記超音波装置のポーズを識別することと、
前記携帯装置の前記少なくとも1つのプロセッサを使用して合成画像を生成することであって、前記合成画像の生成は、少なくとも部分的には、前記超音波装置の前記画像の上に、前記超音波装置の前記ポーズを使用して、前記オペレータが前記超音波装置を移動させる方向の表示を重ね合わせることにより行われ、前記超音波装置の前記画像の上に前記表示を重ね合わせることは、前記超音波装置の前記画像内において、前記超音波装置の少なくとも一部の上に、前記オペレータが前記超音波装置を移動させる方向を示す矢印を重ね合わせることを含む、前記合成画像を生成することと、
前記表示装置に、前記合成画像を前記オペレータへ提示させることと、を行うように構成される、システム。 - 前記超音波装置にはマーカーが設けられ、前記超音波装置の前記画像は、前記マーカーの画像を含み、前記少なくとも1つのプロセッサは、少なくとも部分的には、前記超音波装置の前記画像内で前記マーカーの位置を識別することによって、前記超音波装置の前記ポーズを識別するように構成される、請求項9に記載のシステム。
- 前記マーカーは、ホログラフィックマーカー、分散型マーカーおよびArUcoマーカーからなる群から選択される、請求項10に記載のシステム。
- 前記超音波装置をさらに備える、請求項9に記載のシステム。
- 前記オペレータが前記超音波装置を移動させる前記方向の前記表示を重ね合わせることは、前記超音波装置を回転させる表示を重ね合わせることを含む、請求項9に記載のシステム。
- 前記オペレータが前記超音波装置を移動させる前記方向の前記表示を重ね合わせることは、前記超音波装置を再配置する表示を重ね合わせることを含む、請求項9に記載のシステム。
- 前記オペレータが前記超音波装置を移動させる前記方向の前記表示を重ね合わせることは、前記超音波装置を上、下、左または右に移動させる表示を重ね合わせることを含む、請求項9に記載のシステム。
- 前記方法は、さらに、前記合成画像を生成する前に、前記携帯装置を使用して、
前記超音波装置によって捕捉された超音波像を、多層ニューラルネットワークを用いて分析することと、
前記多層ニューラルネットワークの出力を用いて、前記表示を決定することと、を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記携帯装置の前記少なくとも1つのプロセッサは、さらに、前記合成画像を生成する前に、
前記超音波装置によって捕捉された超音波像を、多層ニューラルネットワークを用いて分析することと、
前記多層ニューラルネットワークの出力を用いて、前記表示を決定することと、を行うように構成される、請求項9に記載のシステム。
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