JPH11503629A - 三次元デジタル超音波追跡システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ネットワークを形成する圧電トランスジューサによって複数の距離を同時に測定する方法及び装置。高周波デジタルカウンタを用いることによって、超音波トランスジューサの作動と、同様のトランスジューサによる受信との間の伝搬遅延を迅速に正確に定義する。送信及び受信モードの間のデューティサイクルを変えることによって、システムは、各トランスジューサの三次元位置を追跡し、三角法により測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 三次元デジタル超音波追跡システム 発明の分野 本発明は一般に距離測定装置に関し、特に、複数の圧電トランスジューサを使 用して二次元または三次元で距離を測定するソフトウエア制御デジタルソノミク ロメータに関する。 発明の背景 高周波の音波のタイムオブフライト（ｔｉｍｅーｏｆーｆｌｉｇｈｔ）の原理 を使用して、水のような媒体の中の距離を正確に測定することができる。高周波 の音波、すなわち超音波は、１００ｋＨｚないし１０ＭＨｚの周波数の範囲の振 動エネルギーとして定義される。三次元の寸法を得るために使用される装置は、 ソノマイクロメータとして知られている。代表的な、ソノマイクロメータは、組 織に移植され、電気回路に接続される一対の圧電トランスジューサ（送信器と受 信器）から成る。トランスジューサの間の距離を測定するために、送信器は超音 波を生成するために電気的に励起される。その結果生じた音波は、それが受信器 によって検出されるまで媒体を通って伝搬する。 送信器は、高電圧スパイクによって励起され、インパルス作用は、マイクロ秒 の下で継続する。これは、それ自身の特徴を有する共振周波数で圧電結晶を振動 させる。送信器信号のエンベロープは、時間と共に急速に減衰し、水状媒体を通 って送信器から離れるように伝搬する６つまたはそれより多い連続したサイクル を生じる。また、音のエネルギーはそれが出合うすべてのインターフェイスで減 衰される。 受信器は、通常、送信器結晶と同様の特徴を有する圧電性結晶であり、これは 音エネルギーを検出し、振動を始める。この振動は、ミリボルト台の電気信号を 発生し、この電気信号は、適当な受信器回路によって増幅される。 水状媒体での超音波の伝搬速度はよく知られている。従って、超音波のパルス が届く距離は、音を発信した瞬間と音を受信した時間との間の遅延時間を記録す ることによって測定することができる。 従来技術のソノミクロメータは、それらの有用性を制限する多数の欠点がある 。 第１に、従来のソノマイクロメータは、信号を送信および受信するためにアナ ログ回路（例えば、位相容量充電回路）を使用する。測定距離を表す電圧は、ア ナログの形でストリップチャート・レコーダに出力される。このデータはコンピ ュータ分析のためにデジタル化されなければならない。 第２に、従来のシステムは、禁止時間及び受信器回路を起動するしきい値電圧 を調整するためにアナログポテンショメータを使用する。これはしばしばオシロ スコープを使用することを必要とする。システムを使用する度に、これらの設定 を手動で行い、システムを同調するために調整しなければならない。これらは時 間がかかり、煩わしい。全体として、システムの機能は変更することができない 。使用するチャンネルの数とは無関係に、繰り返し周波数が固定され、従って、 システムは、測定することができる距離、およびシステムが作動する時間精度の 双方において非常に制限される。 第３に、従来の超音波追跡システムは、固定された繰り返し速度で順に励起さ れる送信器と受信器結晶の対を特徴とする。このように従来技術のシステムは、 試験をする上での柔軟性に欠ける。例えば、一対の結晶を埋め込む前に、ユーザ は、各結晶の機能を決定しなければならず、同様に、ユーザは、どの距離をどの 結晶対によって測定するかを決定しなければならない。これは、不便である。な ぜならば、外科医は時々手順の変更を必要とするからである。もし、受信器また は送信器の結晶のいずれかが故障するとすれば、それらの間の距離を測定するこ とができない。したがって、手術を開始するために多大な努力が払われた後に重 要な測定値が失われる場合がある。 第４に、従来のソノマイクロメータシステムは、分離した結晶対の間の直線距 離のみを測定する。従って、三次元情報を得ることは不可能である。 たとえ、距離の複数の組み合わせをなんとか結びつけることができたとしても 、データの固有のアナログ的な性質は、さらに複雑なハードウエアを使用するこ とを必要とするであろう。 最後に、従来のシステムは、チャンネルの数を増加させるために大きなプラグ インユニットを必要とするしきい値コンデンサとポテンショメータのようなディ スクリート素子を用いる。このシステムは非常に大きく、通常２フィート（約６ ０ｃｍ）の幅、１８インチ（４５．８ｃｍ）の奥行き、１２インチ（３０．５ｃ ｍ）の高さを有する。目で見ることができるようにするためおよび次の処理のた めにストリップチャート・レコーダのようなハードウエアをさらに使用しなけれ ばならない。これは、研究所および病院でスペース上の制限がある場合には非常 に不便である。 発明の要約 本発明によれば、従来技術のソノマイクロメータのもつ問題を克服し、多様な 医療および研究の応用に対する機能を向上させるソフトウエア制御デジタルソノ マイクロメータが提供される。 第１に、本発明の超音波追跡システムは、集積パーソナルコンピュータと組み 合わせてデジタル電子回路を使用する。データがセンサからデジタル的に、かつ 直接得られるので、外部のＡ／Ｄコンバータは必要とはされない。制御コンピュ ータの速度によって、本発明の追跡システムは、１９μｍほどの小さい距離の増 分を検出することができる。得られたデータは、それが得られたとき、コンピュ ータスクリーンに表示され、簡単なキー操作によってコンピュータの記憶媒体に 保存することができる。実験または外科手術の後に、ユーザの仕様に応じて保存 データを検証し、操作することができる。 第２に、本発明のシステムによれば、実質的にすべての機能はデジタル的に制 御され、従って非常に柔軟性がある。まず始めに、どの結晶が活動しているか、 並びに各チャンネルの機能をユーザが選択できるようにするセットアップメニュ ーがつくられる。次に、データディスプレープログラムが、トランスジューサの パラメータを特定の用途のために特注することができる。例えば、非常にわずか なチャンネルを使用する場合には、繰り返し周波数は、データが数ＫＨｚで得ら れるように増大される。他方、もし、システムが、容器からの連続したエコーが 問題を提起するガラスの内部で使用されると、連続した測定の間にエコーを減衰 することができるように繰り返し周波数を低減することができる。 結晶へ供給される電力の期間は、正確な作業のために減少させるか、もし、よ り大きな距離を測定することが必要な場合、増加させることができる。結晶リー ドの間の電磁インターフェイスを克服するために必要な遅延期間は、可変禁止と いう特徴によって調整可能である。さらに、表示され、任意のデータ記憶装置に 記憶されたサンプルの数は、ユーザのプロトコルの要求時間の長さに応じて変更 可能である。最後に、表示された情報の解像度は、測定された標本の動きの度合 いに関連して変更可能である。これらの全部の機能は、ソフトウエア制御で以下 にさらに詳細に示す注文設計のデジタルカード、すなわちモジュールによってデ ジタル的に制御される。 後の処理および獲得データを可視化する注文製作されたソフトウエアが、本発 明のシステム内に含まれる。これらのルーチンにおいて、ストレイデータ点を容 易に除去することができ、平滑化のために３つのフィルタを使用することができ 、レベルシフトは非連続性の領域を除去することができ、チャンネルを引き出す ことができ、ビートの分析を行うことができ、最小最大水準の自動検出を用いる ことができる。最後に、容量及び位置の情報を提供しながら、デカルト座標系で データ点を描くことができるルーチンを提供することができる。 本発明の超音波追跡システムは、従来技術の結晶対の制限を克服する。本発明 は、非常に早い繰り返し速度で順に励起することができる３２個程のトランスジ ューサと共に動作し、それによっていくつかの距離を瞬時に測定するという効果 が得られる。実際には、距離は順に測定されるが、連続した測定の間の遅延時間 が５ミリ秒よりは決して大きくないので、測定は大部分の生物学的用途において 殆んど同時に起こる。 さらに、本発明のシステムは、トランスジューサに送信器と受信器を組み込ん だ構成を備える。これは試験物体（例えば、カテーテル、針、プローブ等）に結 晶の配列を固定し、どの結晶が送信器として機能しているか、どれが受信器とし て機能しているかを決定する自由を研究者にを提供する。さらに、このタイプの 構成は、送信器−受信器対に厳密に制限される必要はない。トランシーバを使用 することによって、移植された結晶の間のデューティサイクルは、送信および受 信モードで自動的に変わり、結晶のグループの間の距離のすべての可能な組み合 わせを決定することができる。このタイプの用途は、測定の冗長度を必要とする 研究、並びに、三次元の追跡のもととなる基準フレームを早く確立するために特 に有用である。 本発明の超音波追跡システムは、真の三次元モードに構成することができる。 この構成において、４つまたは５つ以上のトランシーバが、距離を測定する物体 （たとえば標本）内に取り付けられ、移動基準フレームとして作用する。複数の 送信器が種々の場所の標本に取付けられる。任意の３つのトランシーバが信号を 送り、受けることができるので、それらは基本的にはｘ，ｙ平面をつくる。アク ティブな送信器が基準平面の上または下にあるかどうかを決定することによって 周りの結晶のｚ軸を決定するために４番目のトランシーバが使用される。 最後に、本発明のシステムは、最近の集積回路および注文製作でプログラムさ れた論理回路チップを使用するので、従来技術のユニットより物理的にかなり小 さい。本発明のシステムの大きな部分が、ユーザのＰ．Ｃ．（パーソナルコンピ ュータ）内で実行される。ユニット全体が標準のＡＴコンピュータマザーボード に直接差し込まれる３つのデジタルコンピュータカードから成る。１つのケーブ ルが制御コンピュータとディスクリートな周辺送信器／受信器／トランシーバユ ニットを接続する。この有利な配置は、従来技術の従来のユニットに必要な試験 スペースの大きさを著しく小さくする。 図面の簡単な説明 好ましい実施例の詳細な説明を次の図面を参照して行う。 第１図は、各トランスジューサの三次元の位置を追跡し、三角測量法で決定す る、三次元空間の発明による４つのトランスジューサを概略的に表す図； 第２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄを含む第２図は、好ましい実施例のデジタルカード 、すなわちモジュールに使用されるコンピュータインターフェイスアーキテクチ ャの概略図； 第３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆ，３Ｇ，３Ｈ，３１，３Ｊ，３Ｋ，３ Ｌ，３Ｍ，３Ｎ，３Ｏ，３Ｐ，３Ｑを含む第３図は、好ましい実施例によるコン トローラカードアーキテクチャの概略図； 第４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ，４Ｆ，４Ｇ，４Ｈ，４Ｉ，４Ｊ，４Ｋ，４ Ｌ，４Ｍ，４Ｎ，４Ｏ，４Ｐを含む第４図は、好ましい実施例によるカウンタカ ードアーキテクチャの概略図； 第５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ，５Ｇ，５Ｈ，５Ｉ，５Ｊ，５Ｋ，５ Ｌ，５Ｍ，５Ｎを含む第５図は、好ましい実施例によるカウンタカードアーキテ クチャの概略図； 第６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄを含む第６図は、好ましい実施例による送信器／受 信器／トランシーバアーキテクチャの概略図； 第７図は、好ましい実施例によるカウンタモジュールの動作を示すタイミング 図； 第８図は、好ましい実施例によるＡ／Ｄモジュールの動作を示すタイミング図 ； 第９図は、本発明の特定の実施例によるカテーテル案内システムの概略図； 第１０図は、好ましい実施例による複数のトランスジューサの概略図； 第１１図は、本発明の追跡システムを使用する３−Ｄ視覚化アルゴリズムのフ ローチャート； 第１２図は、第１の他の実施例による円筒形またはリング状のトランスジュー サの斜視図； 第１３図は、第２の他の実施例による結晶のリング形状の配列の斜視図； 第１４図は、第３の他の実施例による複合トランスジューサの斜視図；そして 第１５図は、第９図による実施例によるカテーテル案内システムの外部基準フ レームの概略図である。 好ましい実施例の詳細な説明 上述したように、本発明の超音波追跡システムは、複数のトランシーバを使用 し、その各々は、送信器または受信器として作用するようにプログラムされてい る。４つまたは５つ以上のトランシーバを使用することによって、第１図に示す ような三次元フル測定機能が提供される。任意の３つのトランシーバ（ＴＲｘ１ ，ＴＲｘ２およびＴＲｘ３）が平面（すなわち、ｘ，ｙ平面）に配置される。第 ４のトランシーバ（ＴＲｘ４）は、アクティブな１つの送信器結晶がトランシー バＴＲｘ１，ＴＲｘ２，およびＴＲｘ３によって達成された基準平面の上または 下にあるかどうかを決定することによって、周りの結晶（すなわち、複数の結晶 Ｔｘ）のｚ座標を決定するために使用される。標本に取り付けられた多数の送信 器（Ｔｘ）の各々は順に発信し、一方すべての基準トランシーバは受信信号を記 録する。各送信器からトランシーバによってつくられた基準平面への距離は既知 であるから、送信器の相対的なｘ，ｙ，ｚ座標を決定することができる。これは 、三角測量法を使用してパーソナルコンピュータ（Ｐ．Ｃ．）でリアルタイムで 行われる。結晶をネットワーク化するこの方法は本発明のシステムに特有なもの であり、これによってユーザは、調査している物体の三次元の動きを追跡するこ とができる。明らかに、送信器の数が多ければ多いほど、さらによくその動きを 再現することができる。 三次元の追跡及び三角測量法を使用するデジタル超音波追跡システムの特定の 用途を以下にさらに詳細に説明する。 上述したように、本発明による超音波追跡システムは、最近のＰＣに見いださ れる標準のＡＴ型のコンピュータマザーボードに完全に統合されている。 本発 明のハードウエアの大部分を有する３つのデジタルカードは、ユニットの全体動 作において特定のモジュラー機能を実行する。このように、各カードは、制御プ ロセッサのＩＳＡアーキテクチャと互換性を有するように適当なシステムインタ ーフェイス構造を備えている。 第２図は、３つのデジタルカードに共通なコンピュータインターフェイス及び アドレススキーマのブロック図である。本システムは、メモリマッピングデバイ スと反対のＩ／Ｏマッピングデバイスとして分類されることに留意すべきである 。その結果、制御プロセッサ内のＩ／Ｏレジスタがすべてのデータスループット に関連する。 第２図に示すように、このシステムコンピュータインターフェイスアーキテク チャは、フル２バイトのデータトランスファ（ＤＯ−Ｄ１５），および一部がア ドレスデコーデフルィング（Ａ１−Ａ１３）であることを特徴とする。フル２バ イトのアドレスデコードであることは必要とはされない。ＡＴバスに送られ、そ こから出るすべての信号は、アドレスおよびコントロールラインの双方の８つの バッファ（ｄ１とｄ２）とデータラインのトランシーバ（ｄ３とｄ４）を使用し てバッファ処理される。デコーディングに関して、各ボードは、アドレス選択用 の８つのディップスイッチ（ｄ７）またはそれに相当する物を有する。アドレス ラインＡ６からＡ１３は、この機能のために使用され、したがって各々が４０（ １６進）（すなわち．２⁶）の解像度を有する２５６個の異なったアドレスを提 供する。Ａ０はアドレスのデコードには使用されないことに留意すべきである。 ８ビットのマグニチュードコンパレータ（ｄ５）は、手動で設定されたディッ プスイッチをコンピュータマザーボードによってポーリングされたアドレスライ ンに等しくするために使用される。一致が検出されたとき、各々が１から８のデ マルチプレクサであるデマルチプレクサｄ８とｄ９をゲートする信号が発生され る。下方の３つのアドレスライン（Ａ１−Ａ３）は、これらのリードおよびライ トデマルチプレクサの双方への入力として使用される。それらの機能を区別する ために、バッファ処理されたＩＯＲ信号が、各デマルチプレクサの反対極性のイ ネーブル端子に送られる。したがって、もしＩＯＲがハイの状態にあるとき、シ ステムコンピュータのインターフェイスは書き込みモードである。Ｉ／Ｏアドレ ス端子からの読み出し及び書き込みを避けるために、テーマルチプレクサクｄ８ とｄ９への反対極性の入力としてアドレスラインＡ４が使用される。これは、リ ードを正確に１０（１６進）（すなわち、２⁴）だけ書込みからオフセットする 作用を有する。この結果は、デジタルボードから“読み出し”およびデジタルボ ードへの“書込み”をゲートするために使用される８つのデータビットの内２つ の制御可能な範囲である。１つのＰＬＤ（ｄ６）は、デコーダ回路の他の部品の 間のグルーロジック（ｇｌｕｅ ｌｏｇｉｃ）を処理する働きをする。 マイクロプロセッサのＸ８６ファミリのアーキテクチャによって、有限の量の Ｉ／Ｏレジスタがある。これらのレジスタは、６５５３５の８ビットレジスタま たは３２７６７の１６ビットレジスタのいずれかに分割することができる。ボー ドへおよびボードからのデータ転送の性質によって、およびＡＴバスのＩ／ＯＣ Ｓ１６入力へのアクティブなロウ信号の選択によって、１６ビットデータ転送の みがシステムによって使用される。 デジタル回路カードに延びる残りの制御ラインは、アドレスイネーブル（ＡＥ Ｎ）である。この信号は、マグニチュードコンパレータ（ｄ５）をゲートするた めにＩ／Ｏリード及びＩ／Ｏライト信号と関連して使用される。そのようにする ことによって、追跡システムとＰ．Ｃ．の他の内部のコンピュータモジュールと の間のダイレクト・メモリアクセス（ＤＭＡ）衝突が避けられる。 本発明の超音波追跡システムの第１の機能モジュールはコントローラカードで ある。機能図が、第３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆ，３Ｇ，３Ｈ，３Ｉ， ３Ｊ，３Ｋ，３Ｌ，３Ｍ，３Ｎ，３Ｏ，３Ｐ及び３Ｑを含む第３図に記載されて いる。コントローラカードは、システム全体の機能を支配し、調整するために、 第２図を参照して上述した同一のバス・デコードスキーマを使用する。すべての デジタルカードについて言えるが、コントローラは、埋め込み層が、それぞれ電 源、接地面である４つのプリント基板（ＰＣＢ）が好ましい。 カードの動作は次の通りである。１つのプログラマブルロジック装置（ＰＬＤ ）ｃ１は、３２ＭＨｚで２バイト分をカウントするサイクルにプログラムされる 。ｃ１の出力レジスタは常にアクティブであり、したがってカウンタは、０〜６ ５５３５のカウント値を絶えず出力する。これらの出力は、システム全体を通し て比較とタイミングの双方を目的として使用される。このために、信頼性が高く 応答が早いＰＬＤが要求される。機能ブロックｃ２−ｃ５はデコード回路から所 定の値をラッチし、それらをｃ１の出力と比較する。よって、システムが動作を 開始したとき、特定の値がｃ２−ｃ５のレジスタに書き込まれ、これらの値がｃ １の出力に一致したとき、パルス長（６ビット）、サイクル長さ（８ビット）お よび禁止（１５ビット）のようなものを表す信号がに発生される。図示するよう に、ロウデータバイトの比較（ｃ２とｃ５）の“一致”出力は、それらの一致状 態を保持するためにエッジ・トリガ・フリップフロップ（ｃ１１）を必要とする 。ハイデータバイトコンパレータ（ｃ４）の出力は、ｃ１０とｃ１２に直接送る ために十分な期間を有する。８０ＭＨｚのクロックを使用すると、パルス長信号 は３１．２５ｎｓの増分で０μｓと３１．２５μｓとの間で可変である。インヒ ビット信号は０μｓから２．０４８ｍｓの間で６２．５ｎｓの増分で可変であり 、サブサイクル長信号は０μｓと２．０４８ｍｓの間で１６μｓの増分で可変で ある。以下に詳細に説明するように、所定の用途に最も適するように代表的な値 がｃ２−ｃ５のレジスタにロードされる。 ｃ１カウンタの第２の機能は、１−８のデマルチプレクサ（ｃ１０）をリセッ トする信号を発生し、このデマルチプレクサ（ｃ１０）は、重要なシステムパラ メータをリセットするｃ１及びｃ１１への用途の信号を発生する。第３図で分か るように、これらのパラメータの１つは、以下詳細に示す残りのシステムカード に配置された８つのトランシーバ内のデータの流れの方向を決定するモード機能 である。ｃ１の４つの出力は、システムのＲＣＶＲラインを通すサイクルに使用 され、それによって１６個のレシーバモジュールのデフォルトを提供する。 コントローラカードの第２の主な役割は、送信器活性化ビットの動作を管理す ることである。プリロード可能なアップカウンタとして送信器ＰＬＤ（ｃ６）を 使用することによって、スタート送信器を示す値は入力レジスタにラッチされる 。クロック信号としてマルチプレクサｃ１０の出力を使用すると、ｃ６が６つの 送信器ビットを歩進し、それらを透過型バッファ（ｃ１３）および６ビットコン パレータ（ｃ９）の双方に出力する。送信器ビットがすべての３つのデジタルボ ードとコンピュータの周辺機器に送られるので、容量性のローディングを避ける ために透過型バッファが必要になる。 最終転送値が、それがｃ７によってラッチされた後に６ビットコンパレータの 第２の側に送られる。８つのラッチ（ｃ８）が制御ソフトウエアによって送信器 ビットの状態を読むためにのみ使用される。６ビットの比較が行われて等しくさ れると、残りの２つのデジタルカード上のアドレスインクリメンタを計時するテ ータがローカルバスに送り出される。６ビットが送信器インクリメントビットを 等しくするために使用されるが、デフォルトシステムが１６個の可能な送信器チ ャンネルに対応する４ビット送信値を可能にする。しかしながら、本発明の超音 波追跡システムのさらに高い段のモデルは、５ビット伝送値に対応する３２個の 送信サイクルまでを使用する。 ８ビットのラッチ（ｃ１４）はまた、アドレスカウンタ、割り込み制御および トリガトグルを制御するために使用される信号を発生し、その信号をゲートする ためにシステムによって使用される。 大部分の信号がデジタルカードを接続するローカルバスに到達する前に、それ らは、正しいタイミングと信号極性を保証する簡単な“グルーロジック”ＰＬＤ であるｃ１２を通過する。この回路モジュールはまた、追加の試験設備を調節お よびゲートする外部システムトリガのようなパラメータを発生するように構成さ れている。 信号を発生するコントローラカードとは異なり、カウンタカード（第４図）は 、超音波の距離情報を統合する信号を受信する。カウンタカードは、送信器／受 信器／トランシーバ周辺ユニット（第６図）への外部ｄｂ２５接続を特徴とする 。この２４個の導体、カウンタカードと周辺の送信／受信ユニットとの間の個々 にシールドされた接続は、４ビット送信器増分信号（ＴＸＢＩＴＳ）、送信器パ ルス長さ信号（ＣＳ１及びＣＳ）および（３２までアップグレイドされる）１６ 個の送信器チャンネルを収容する１６個のデフォルト受信ラインをになう。本発 明による超音波追跡システムの実施例は全てではないが、１６個のフルレンジの 受信器を使用する。したがって、受信ラインが未使用のとき、所望の信号と干渉 することを避けるために接地される。 カウンタカードすなわちモジュールの機能図が第４図に示されている。カウン タモジュールの機能は、２つの段階、すなわち、データの書き込み及びデータの 読み出しにおいて最もよく示されている。有効な信号が送信結晶を起動するため に外部周辺ユニット（第６図）によって送り出された正確な瞬間にデータ書き込 み段階を検査すると、受信器ＰＬＤ（ｓ１０−ｓ１３）の拡張可能なバンクがゼ ロにリセットされる。これらのカウンタは、３２ＭＨｚの各内側クロックによっ てゼロの値からカウントアップされる。各ＰＬＤ（ｓ１０−ｓ１３）は個々の受 信トランスジューサに接続されている（第６図）。各ＰＬＤ（ｓ１０−ｓ１３） の１５ビットのデジタルカウント値は、所定の値を越えて歩進されるにつれて、 受信信号の受信を可能にするＰＬＤ内の内部レジスタは起動される。この所定の 値は、システムの禁止動作を実行するために使用され、送信結晶を起動すること によって生じる電磁干渉を阻止するように設計されている。送信された超音波の 機械的な振動が、受信トランスジューサによって一旦検出されると、それは、電 気信号に変換され、増幅され、濾波され、適切なカウンタＰＬＤに送り返される 。これは、チップ内のデジタルカウントを停止させる作用をする。 次に、１−１６のマルチプレクサ（ｓ１４）が、カウンタの出力イネーブルが 順に起動されるように起動される。アクティブな送信器と、接続された各受信器 との間の分離された距離に対応した得られたデジタル値はそれから、一時的に記 憶するためにオンボードＲＡＭモジュール（ｓ８とｓ９）に２バイトで出力され る。ＲＡＭモジュールが起動される毎に、１６個の場所のデフォールトが、１６ 個のデフォールト受信信号に応じて書き込まれる。このサイクルは、システム内 の次の送信器のために繰り返される。ＲＡＭアドレスの歩進は、受信器／送信器 値を表す８ビットを出力する８ピンのバッファｓ５によって行なわれる。このシ ステム内のすべての送信器が一旦順に起動され、記録されると、コントローラモ ジュールからのマスターサイクル信号は、カウンタアドレスインクリメンタＰＬ Ｄであるｓ１を起動する。このモジュールはそれから、次の送信／受信マスタサ イクルのための次に主要なブロックのＲＡＭアドレスを歩進する。 オンボードＲＡＭモジュールｓ８とｓ９は典型的には、８ビットの１３１，０ ７２である。したがって、１６個の送信器と１６個の受信器からなるデフォルト 構成においては、ＲＡＭは、その容量に達する前に５１２回アクセスされる。２ ０４８個の完全な送信器／受信サイクルを可能にするように、オンボードＲＡＭ を８ビットにアプグレードするオプションが存在する。大部分の生物学的な調査 に対して、２００Ｈｚの繰り返し周波数が要求されることに留意すべきである。 よって、２５６ｋＢの記憶容量（１２８ｋ×２）であっても、オンボードＲＡＭ は２．５６秒ほどの時間で完全に一杯にされうる。したがって、本発明のシステ ムは、記憶情報をダウンロードするソフトウエア機能を含む。この方法を、以下 に詳細に説明する。 データ読み取り段階を首尾よく実現するために、カウンタカード、すなわちモ ジュールは、ＲＡＭに自動的に歩進されるアドレスを監視し、それらのアドレス に値を書き込む。このタスクは、８ピンのトランシーバ（ｓ２とｓ３）によって 実行される。コントローラカードによって発生されるモード機能を使用すると、 アドレスデータは、システムのタイミングに応じて読み取り状態から書き込み状 態にシフトする。これは、１６ビットの値をｓ２とｓ３に単に書き出すことによ ってＰＡＭ内の任意のアドレスを起動する能力をソフトウエアに与える。送信器 と受信器の歩進が自動的であるので、これらの値を監視する必要はない。よって 、ｓ４は、８つのトランシーバよりむしろ単に８ピンのＤタイプのフリップフロ ップでよい。 アドレスがデータ出力のために一旦ＲＡＭに書き込まれると、８ピンのバッフ ァｓ６とｓ７は、ＰＬＤ距離データがマザーボードプロセッサのＩ／Ｏレジスタ にロウとハイのバイトデータパスに沿って入り、次にコンピュータＲＡＭに、最 後に永久的に記憶するためにハードディスクに送ることができるように開かれる 。システムタイミングダイヤグラム（第７図と第８図）で最もよく分かるように 、このシステムは、大部分の各システムサイクルのためのデータ出力モードにあ る。ＲＡＭへのデータ入力は、規則的に、しかし８μｓの間隔のみで行なわれる 。 カウンタモジュール、すなわちカードの第２の大きな機能は、アナログ信号出 力である。デジタルデータの獲得が従来のアナログ回路よりも多くの点ですぐれ ているにもかかっわらず、多くのユーザは、アナログ信号とともに作用すること が要求される。したがって、デジタルアナログ（ＤＡＣ）コンバータ（ｓ１７） が、好ましい実施例の標準的な追跡システムに対してオプションとして提供され る。本発明のＤＡＣは次のように作動する。連続した８ビットの値は、４つのマ グニチュードコンパレータ（ｓ１５ｂ，ｄ，ｆ，ｈ）の内の１つの一方の側にラ ッチされる。これらの値は、送信器／受信器の出力信号の任意の組み合わせを４ つのアナログ回路に転送することができるようにソフトウエアによって選択可能 である。各コンパレータの両側（ｓ１５ｂ，ｄ，ｆ，ｈ）の他方の側は、一定の サイクリング送信器と受信器ビットに直接接続されている。コンパレータの両側 に供給される値が等しいとき、その出力は、ＤＡＣ（ｓ１７）に送られる前に４ −２ラインエンコーダ（ｓ１６）に送られる。この構成の下に、４つの異なった １２ビットのアナログチャンネルは、コンピュータからの出力に接続することが できる。 最後に、カウンタカード、すなわちモジュールは出力イネーブル信号のタイミ ング、および３２Ｘ１６の送信チャンネル容量の処理を調整するために“グルー ロジック”ＰＬＤ（ｓ１８）を使用する。 本発明の超音波システムの最終的なデジタルカード、すなわちモジュールは、 同期化アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータカード、すなわちモジュールで ある。代表的な試験中、ユーザは、ネットワーク距離測定以上のものを獲得する ことを望む。例えぼ、心臓の検査において、圧力、ＥＣＧおよび血流のようなア ナログ信号は重要である。このために、拡張可能なＡ／Ｄカードが好ましい実施 例の追跡装置に組み込まれる。基本的なシステムは、４つのＡ／Ｄチャンネルを 備えることが好ましい。しかしながら、独立した１２ビットチャンネルを１６個 まで±１０Ｖの範囲で設けることができる。 第５図に示すように、Ａ／Ｄモジュールは、実質的にカウンタカードと同じよ うに機能する。アナログチャンネルはａ１−ａ４にｄｂケーブル接続（ＲＧＢ１ ７４同軸コネクタ）を介して送られる。データ入力モード中に、すべてのアナロ グチャンネルは、８ビットの２つの１３１，０７２ＲＡＭモジュール（ａ６＆ａ ７）に送られる。ＲＡＭは、４つのゲートされた受信器ビット（ａ１３）を使用 して自動的に歩進される。カウンタアドレス・インクリメンタと同じクロックを 受ける歩進アドレスＰＬＤ（ａ１４）がＲＡＭへの残りの１３個のアドレスライ ンを提供するために使用される。よって、完全な送信受信サイクルが実行される たび毎に、Ａ／ＤＲＡＭおよびカウンタＲＡＭレジスタが増大する。ライト、す なわちデータ出力モードの間、適当なＲＡＭの場所にアクセスするためにアドレ スが各８ピンのＤタイプのフリップーフロップ（ａ１２）とトランシーバ（ａ１ ０＆ａ１１）に書き込まれる。８ピンのバッファａ８とａ９が開かれ、これによ り変換されたアナログ情報をハイおよびローバイトのデータバスに沿ってコンピ ュータの記憶装置に転送することができるようになる。 最後に、Ａ／Ｄモジュール上のタイミング信号を調整するために制御ＰＬＤ（ ａ５）が使用される。Ａ／Ｄおよびカウンタ情報を適合するように起動すること によって、デジタル距離情報を変換されたアナログデータと同期させることが可 能になる。 Ａ／Ｄカードの第２の機能は、デジタル入力を直接行うことである。よって、 ４つまでのデジタル入力チャンネルがラッチａ１５を介して入力され、アナログ データと同じようにして実験中に８ピンのバッファａ８を介して監視される。 本発明の超音波追跡システムの最終的なハードウエア部品は、第６図に示すよ うに周辺送信器／受信器／トランシーバユニットである。好ましい実施例の各周 辺ボードは、８つの受信器を備えた１６個の送信器もしくは８個のトランシーバ を支持する容量を有している。これらの部品は、２層の印刷回路ボード上に取り つけられ、上述したような２４個の導体、個々にシールドされたコンピュータケ ーブルによってホストコンピュータシステムに接続されている。外部の周辺ユニ ットは、独立した電源（ｔ５）からのその送信電圧レベルとバイアス電圧を入力 する。このユニットはまた、このユニットがアクティブまたはスタンバイモード であるかどうかを指示するために２つのカラーＬＥＤを有している。 周辺ユニットは次のように作動する。コンピュータからユニットへのデジタル 信号はプルアップ抵抗を通って、ＣＭＯＳ１−１６デコーダ（ｔｒ１）へ送られ る。デコード信号はそれから、選択可能な送信器またはトランシーバに送信され る。可変期間のパルス長さ信号は、フィルタリングとバイアスエレメントを介し てＮチャンネルエンハンスモードのＶＭＯＳトランジスタ（Ｑ３）のゲートに送 られる。ゲート信号は送信電圧レベルを接地する。この信号は、ステップアップ 絶縁変圧器（Ｔ１）を通り、周辺ユニットを出て、３２個のゲージの被覆された マルチ撚線（ｔ２）を介してトランスジューサ（ｘ１）に送られる。 トランスジューサそれ自身（ｘ１）は、電気的に絶縁された密封体で包まれた 円筒形の圧電セラミック結晶であるのが望ましい。 同様の受信器のネットワークを使用して、送信器結晶からの機械的振動が検出 され、電気信号に変換される。各個々の受信器回路は、ステップアップ絶縁変圧 器（Ｔ１）と、全体で４８ｄＢの利得を有する二段の増幅器（Ａ１）と、リニア オペアンプ（ｔｒ３）と、半波整流器（Ｄ１）と、ＴＴＬレベルインバータ（ｔ ｒ４Ａ及びｔｒ４Ｂ）とで構成される。ＴＴＬインバータから出力されたデジタ ル波形は、それが適当なＬＬＤまでシールドケーブルを通して送信される前にＲ Ｆチョーク（ｔ９）を使用してさらに絶縁される。 受信器の最も良好な態様によれば、シングルエンドタイプ増幅器Ａ１は差動増 幅器と置換することができる。 本発明の三次元追跡システムの動作をさらによく理解するために、第７図及び 第８図に１組のタイミングチャートを示す。これらの図は、動作の読出しおよび 書込み段階の双方の間にカウンタモジュール（第４図）とＡ／Ｄモジュール（第 ５図）の動作を示している。デフォールトによって、カウンタモジュールは、各 サブサイクル長さの間に１６個の受信器のためのデータをアクティブに獲得する 。逆に、Ａ／Ｄデータの獲得は、同じ時間間隔の間に１回または各マスタサイク ル長さに１回のみ生じる。説明を簡単にするために、双方のタイミングチャート は、送信器“ｘ”から送信器“ｘ＋１”への遷移に基づいている。リードとライ トサイクルとの間の時間配分が明らかに等しいにもかかわらず、実際のところ、 読出しサイクルが著しく長い。さらに詳細には、好ましい実施例において、書込 みサイクルは、サブサイクルにつき１２μｓのウインドウに制限される。 第７図を参照すると、カウンタモジュール（第４図）は次のように作動する。 読出しサイクルの始めに、送信結晶（ｘ１）を起動するためにＶＭＯＳトランジ スタ（第６図のｔ４）にインパルス信号が送り出される。正確に同じ時刻に、組 み合わされたカウンタＰＬＤ（ｓ１０ａ−ｄ，ｓ１３ａ−ｄ）がゼロのカウント から解放され、３２ＭＨｚのクロック速度でカウントアップを開始する。上述し たように、ＣｏｕｎｔＰＬＤの禁止信号のアサーションは、論理ロウレベルに保 つことによって、水晶リードの間の電磁干渉を禁止する。ユーザによって調整可 能な遅延の後に、ＣｏｕｎｔＰＬＤ信号が状態を変化させ、それによって、関連 したＣｏｕｎｔＰＬＤ ＲＣＶＲ ライン（ＲＣＶＲ０−３）の有効な信号の受 信が可能になる。 第１の有効な超音波信号が一旦検出され処理されると、ＰＬＤの出力レジスタ にデジタルカウンタ値が保持される。この距離カウントが生じる時間はまた、ユ ーザの仕様にもとづいて期間内で変更可能である。この間に、本システムの読出 し／書込み状態を決定するトランシーバは、システムＲＡＭ（ｓ８，ｓ９）から 予め獲得されたデジタルの距離値のダウンロードを可能にする（ハイの状態のＣ ｏｕｎｔＡＤＤ ＯＥ）。Ｓ２−Ｓ４（第４図）を使用してＲＡＭアドレス値を 絶えず監視することによって、コンピュータは、ＲＡＭの状態を追跡をし続ける ことができる。ＲＡＭ（第４図のｓ８，ｓ９）がその容量に近づくにつれて、こ の読出しウインドウの間にダウンロードが実行される。 カウンタモジュールを作動させる書込みウインドウは、１２μｓアクティブハ イのサブサイクル長さ信号によって制限される。この信号がアサート（ａｓｓｅ ｒｔ）されたとき、ＣｏｕｎｔＡＤＤ ＯＥ信号は状態を変化させ、自動アドレ ッシングモードが発動されたことを示し、ＣｏｕｎｔＢＵＳ ＤＩＲ信号がトラ ンシーバを通るデータの反対の流れを可能にするように状態を変化させ、アドレ ッシングＰＬＤ（ｓ１）の出力レジスタを起動するためにＣｏｕｎｔＢＵＳ信号 が立ち上がる。ＣｏｕｎｔＲＡＭ ＯＥ信号は、データの記憶のためにＲＡＭ（ ｓ８，ｓ９）を準備するためにディセーブルとされる。ＣｏｕｎｔＰＬＤ ＯＥ 信号は、１６個の個々のカウンタを通してサイクリングをイネーブルにし、Ｃｏ ｕｎｔＲＡＭ ＷＥ信号は各デジタルカウント値をＲＡＭ（ｓ８，ｓ９）に記憶 するためにオンオフする。これらの機能を制御するために使用される信号は、制 御モジュールカウンタ（ｃ１）の種々のブールコンビネーションによって発生さ れる。４ビット受信器のデフォルト値は、ＲＡＭアドレシングを自動的に行うた めに周期化（ｃｙｃｌｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ）され、ＣｏｕｎｔＢＵＳモード信 号は、アドレッシングＰＬＤｓ１，第４図）によって発生される現在のアドレス 値をサンプリングすることによってオンオフされる。この値は、次の書込みウイ ンドウのためにデータの適当なダウンロードの間にメモリに記憶される。これら の機能は、１２μｓのサブサイクルウインドウの最初の８μｓの間に実行される 。 １６個のすべての受信器（第６図）が一旦それらの距離データをＲＡＭ（ｓ８ ．ｓ９）にダウンロードすると、マスタサイクル長の値は、次の大きなサイクル を示すために歩進される。同時に、ＣｏｕｎｔＲＡＭ ＷＥ信号は、受信器距離 の値のポーリングと共にディセーブルとされる。 最後に、残りの４μｓは、受信器チップ（ＣｏｕｎｔＰＬＤ ＲＳＴ）と歩進 カウンタビットの各々をコントローラカード（第３図）からリセットしながら、 カウンタモジュールをその読出しモードに戻して終了する。 ガイドとして第８図を使用すると、本追跡システムのＡ／Ｄモジュールは、１ つの大きな例外を除いてカウンタモジュールと同一に作用する。書込みモードは 、マスタサイクル長さ信号の遷移中にのみ生じる。これらが生じるとき、デフォ ールトの１６個の変換アナログチャンネルが周期化され、それらの各ＲＡＭの場 所に書き込まれる。同じＡ／Ｄバスモードサンプリングが、４つのチャンネルの バンクに各ＲＡＭチップが設けられることを保証するために生じる。各チップに 、Ａ／Ｄ ＣＨＩＰ ＳＥＬＥＣＴ信号がデータのスループットのためにロウに 切り換えられる２μｓのウインドウが与えられる。８μｓの終りに、Ａ／Ｄパラ メータが、アナログチャンネルのサンプリングが再開しながら、それらの書込み 状態にリセットされる。遷移が次の配列の送信器を起動するために一旦生じると 、ＡＤ ＩＮＴＥＲＲＵＰＴ 信号がロジックのロウの値に立下がり、アクティ ブなチャンネルの変換が完了したことを示す。 周辺ユニット（第６図）によって獲得されたデータの適当な収集及び処理を行 う機械語コードはすべて×８６プロセッサの周りに基本をおいていることが好ま しい。システムを通しての情報の転送は、迅速に継目なく行われる。１６個の送 信器と１６個の受信器、または１６個のトランシーバを備えた典型的なシステム の場合、２５６個の２バイトの距離データの記憶がマスタサイクル長さ信号の各 サイクル毎に実行される。代表的なユニットのオンボードＲＡＭ（ｓ８，ｓ９） は１２８ｋＢなので、ＲＡＭは、オーバーライトが生じる前に５１２個のマスタ サイクルを記憶する容量を有する。大部分の臨床実験は、典型的には、生物学的 な動きを十分に追跡するために２００Ｈｚのデータ記憶速度を要求し、２．５６ 秒のデータ保存のみが正しく得られる。 これは代表的なデータランに対しては明らかに不十分であり、システムのリー ドサイクルの間にＲＡＭモジュールを周期的にダウンロードするために本発明の システムについてソフトウエアルーチンが書かれた。 システムからの情報の転送は、次の通りである。デジタルボード（第３図ない し第５図）がアクセスされる毎に、全体で１０２４バイトのデータが確保される 。この１ｋＢは常駐ＰＣのマザーボードＲＡＭの６４ｋＢの専用バッファに書き 込まれる。コンピュータが任意の追加のタスクを実行するための能力がないとす れば、その上で実行される機械語コードは、この情報をディスプレイに対して閉 ざす。この機能は、マザーボードＲＡＭのＲＡＭバッファが一杯になる前に６４ 回実行される。これが一旦起こると、システムのソフトウエアは、６４ｋＢバッ ファに保持されたデータのバイナリ保存を実行する。この段階で、６４ｋＢのバ イナリファイル全体を受け入れ、データ保存命令の最後にＰＣのハードディスク ドライブにそれらを送るためにＤＯＳ ｓｍａｒｔｒｖ．ｅｘｅのような標準の ディスクキャシュが起動される。このシナリオでは、データ保存の期間に対する 唯一の制限はデスクキャッシュの容量である。このように、本発明の超音波追跡 システムは、ベースのＰＣコンピュータにメモリを追加するだけで顧客の特定の ニーズに合致するように構成することができる。 データ保存とディスプレーのソフトウエアに加えて、本発明によるユニットは 、保存されたバイナリデータファイルを操作し、それを可視化する後処理ソフト ウエアルーチンを使用するが望ましい。 本発明によるシステムの特定の医学的な応用と好ましいカテーテルガイダンス の実行に関する詳細な説明を続ける。 i) 人間の循環器を通るカテーテルの追跡 カテーテルは、病院の資格のある人間が循環器から閉塞物と障害物を除去する か、または他の関連する問題を直す手順の一部として人間の静脈または動脈に挿 入される装置である。すべてのタイプのカテーテル及び外科的なプローブまたは 器具を追跡するために使用されるガイドシステムとして作動するように本発明の 三次元のデジタル超音波追跡システムを構成することができる。 カテーテルを追跡する現在の方法は、患者をＸ線源に頻繁にさらすことが含ま れる。連続的な各Ｘ線は、患者内でカテーテルの動きに関する情報を提供する。 さらに、カテーテルの手順の間に患者にコントラスト剤が頻繁に注入される。 これらの注入は、カテーテルの実際の場所に関する情報をさらに提供し、外科医 がカテーテルの次の動きを計画するのを助ける。 Ｘ線放射とコントラスト剤の注入はそれぞれ患者の健康に有害となりうる。さ らに、これらの追跡方法も時間を消費し、ストレスと患者の合併症をしばしば引 き起こす。 本発明をカテーテルを追跡するために使用するときに得られる本発明の主な利 点は次の通りである。 １）患者の体内のカテーテルの場所を探しながら有害なＸ線とコントラスト剤 を使用する必要が殆んどなくなる。 ２）手術時間が著しく短縮され、安全とコストの両面でメリットがある。 ３）１９μｍの理論的な解像度の結果、カテーテルの非常に正確な位置決めが 得られる。 本発明のカテーテルのガイダンスシステム（ＣＧＳ）の基本原理は、カテーテ ルを追跡することができる三次元での内部基準フレームと（選択的な）外部基準 フレームを作ることを含む。上述したトランシーバハードウエアと三角測量法を 使用して、結晶位置決めデータが得られ、重要なカテーテルの場所を解析するた めに処理される。 病院の治療スタップがカテーテルの場所を見ることをさらに容易にするために 、結晶の位置情報は、対象となる領域の記録されたビデオループ上に重ねられる 。このビデオループは、Ｘ線または走査超音波のような画像モダリティから生成 することができ、１つまたは複数の心臓の周期の間、生物学的組織の自然の動き を示すことを意味するものである。これに加えて、ビデオループは、カテーテル を追跡するためにＣＧＳによって使用された不透過な圧電トランスジューサ（ｘ １）の位置を描くことができる。これらの圧電トランスジューサは、それらが内 側または外側にあるかどうか“標識”として作用する。ビデオにおいてこれらの 標識を識別することによって、案内圧電結晶の位置を、得らえたビデオ情報と関 連づけることができる。このように、画像処理と超音波位置決め方法は、１つま たは複数の完全な心臓サイクルと結びつけることができる。画像形成が一旦連結 されると、画像ビデオループが、残りの手順を通して有害なおそれのある画像（ とコントラスト剤の注入）にとって代ることができる。 典型的には、これらの手順で使用されるカテーテルは、大腿部の静脈を通して 身体に導入される。カテーテルは、入口点から内部ガイドワイヤを使用して問題 の領域、通常人間の心臓に押されか、案内される。物理的には、カテーテルは、 生物適合性のプラスティックで製造され、脈管の手術において、脈管を人工的に 拡張するための膨張可能なバルーンに対する電気物理的な動作において心臓の活 動を検出する電極センサとアクチュエータようなオプションを特徴としている。 本発明のカテーテルガイダンスシステム（ＣＧＳ）の応用を実行する際に重要 な概念は、圧電トランスジューサと画像形成カテーテルを合併することである。 これらの手順のために使用されるカテーテルの構造はよく確立されているので、 次の側面を含む、超音波センサの構造が考慮されなければならない。 １．使用される圧電材料のタイプ ２．カプセルに包む手順 ３．トランスジューサの形状 ４．作動周波数 ５．起動手順 内部および外部の基準フレームの双方に使用するために選択される材料は、互 いに適切に通信するために優れた送信及び受信特性を有しなければならない。人 体内の作度温度は主な関心ではないので、低いキューリ温度を有する高い誘電材 料が使用できる。基本的には、これが、入力電圧当たりの超音波出力の増大量を 規定する。この目的のために好ましい材料はＰＺＴ（ジルコンチタン酸塩）であ る。 これらの材料は生物適合性ではないので、適切なカプセル材料が使用される。 カプセル材料は、生物適合性を有するのみならず、超音波の伝搬を阻害しない音 響インピーダンスを有しなければならない。これは内部基準フレームトランスジ ューサまたは結晶にとって非常に重要である。外部基準結晶は、標準的なＢタイ プの超音波走査に対して使用されるものと同様の音響結合ゲルを必要とする。 超音波送信、円筒形結晶（ｘ１）が内部基準フレームのために全方向使用され る。円筒形トランスジューサは、優れた送信及び受信特性を発揮しながら、全方 向放射パターンを保持する。外部的には大きなディスクタイプの結晶が使用され る。 本発明による超音波追跡システムの可変ソフトウエアコントロールによって、 起動周波数を最大の性能と効率のために最適化することができる。内部基準フレ ームの場合、より小さい距離が監視され、従ってより大きな起動サイクル周波数 を使用することができる。これと反対のことが外部基準フレームについて当ては まる。 双方の基準フレームについて、トランスジューサの起動方法は同じである。こ の詳しく説明した方法を第６図を参照して説明する。絶縁された伝導ワイヤが、 起動パルスを制御ユニットからトランスジューサにを伝送するために使用される 。カテーテル結晶の場合、信号ワイヤは、ステアリング案内ワイヤと同じを通っ て内部を通される。最後に、結晶の配置は、どの基準フレームを使用するかにか かっている。第９図は、本発明の提案されたカテーテルガイダンスの応用による 、カテーテル先端部についての円筒形トランスジューサの配置を示す。よく分か るように、２つの超音波結晶（ｘ１，ｘ２）は各カテーテル上で使用される。こ れによって結晶は互いに連通し、その領域で内部に配置された他の全ての結晶お よび外部結晶と連通することができる。カテーテル上の同心状の２つの結晶から の情報を使用することによって、ベクトルデータを先端の位置だけではなく、そ の方向をも示すために得ることができる。３つまたはそれより大きい数の結晶を 使用することによって、カテーテルの曲率と三次元形状を再現することができる 。 分かるように、２つ（またはそれより多い数の）結晶（Ｘ１，Ｘ２）は、カテ ーテルの場所、向きおよび曲率を示す適切に離れた距離でカテーテル（Ｃ）の軸 線に沿って永久に同心円状に配置される。圧電材料は、プレスフィット、結合、 コスティング（ｃｏｓｔｉｎｇ）または蒸着のような種々の手段によってカテー テルに固定することができる。 第９図の結晶構成の１つの実施例を第１０図に断面で示す。複数内腔カテーテ ル１００（または他の適当なプローブ）が、装置の三次元形状または範囲を以下 に詳細に説明するように測定し、表すことができるように身体に挿入される。圧 電結晶１１０を使用することの代替例として、ＰＶＤＦ（ポリビニルフルオライ ド）のようなフィルムパッチを使用することができる。ＰＶＤＦは、結晶材料で はないが、ポリマーである。従って、それはシートまたはストリップ状につくら れ、フィルムの薄い矩形のパッチとしてカテーテルに固定されうる。その動作原 理はＰＺＴと同様である。ＰＶＤＦは基本的に、異なる形状と構造に容易に成形 することができる圧電材料である。 カテーテル１００は、適切なポリマーから製造することができる。ワイヤ（図 示せず）は、カテーテル１００の１つの内腔を通過するか、製造中にポリマーに 組み込むことができる。結晶１１０は、カテーテル１００に一部をまたは全体を 埋め込むことができるか、またはその表面に固定することができる。この結晶は 、電気伝導体１４０が接続される適当なロシバッキング（ｌｏｓｓｙ ｂａｃｋ ｉｎｇ）１３０に取り付けることが好ましい。また、結晶１１０は、それに固定 することができるドーム状のポリマーレンズ１５０を備えることができる。 上述したように、本発明の１つの側面によれば、第１０図の複数の結晶プロー ブと組み合わせて、プローブまたはカテーテル１００の位置、形状または動きを 身体または器官の内側で参照することができるテンプレートとして現在ある、ま たはユーザが獲得した画像情報を表示するために使用することができるソフトウ エアが提供される。この三次元の画像化アルゴリズムは第１１図に示されている 。 “Ｐａｔｈ１”のアルゴリズムの部分は、第２図から第６図を実現する回路ボ ードを収容するＰＣ上、および追加の処理能力と三次元画像化性能を備えた独立 したコンピュータ（図示せず）またはワークステーション（“ＷＳ”）で実行さ れる。 この方法は、デジタル回路ボードを収容するＰＣで開始される。ＰＣはデータ 獲得サイクルを完了し、各々が測定空間内の結晶のすべての組み合わせ（モジュ ール１１００）の間の距離を超音波パルスが伝わるためにかかる時間に対応する 多数の数字をメモリ内に有する。この空間内には、追跡されるカテーテルまたは プローブ（第９図）上に取り付けられた多数のトランスジューサと、患者の重要 な場所にトランスジューサが存在する（第１５図参照）。この伝搬遅延測定、す なわち“信号”がノイズでだめになる場合があり、ある信号処理を原信号（モジ ュール１１０２）の同様の値を復元するために行うことができる。これは、信号 の範囲を試験することによって、そしてデータ信号の前の軌道に対して平滑化ま たは予想適合によって行なうことができる。 信号処理に続いて、改善された“信号”が、第２図から第８図を参照して上述 した方法によってトランスジューサ対の間の距離の真の測定に対応する”データ ”にＰＣ内で変換される。これは、特定の材料内での音速を考慮して伝搬遅延を 距離測定値に変換することによって行われる。この変換は、音が伝搬する同様の 材料に応じて、間単な線形処理であり、または非線形に増減することができる。 この変換の出力は、距離測定値の“データ”である（モジュール１１０４）。 もし、測定空間内を通過する信号伝搬が少ないことによって信号が絶えず脱落 するならば、このデータは依然としてくずれる。しかしながら、トランジューサ 対の間の多数の余分な距離が得られるので、トランスジューサの三次元の位置を 再現するための利用可能な個々の距離より十分大きい測定値が通常存在ある。こ のデータ充填は、“多次元・スケーリング”アルゴリズムまたはその変形を使用 して行うことができる。この方法は基本的には、入手可能な他の距離測定値の多 数の組み合わせに基づいて、失なわれたデータを埋めることである。これは反復 処理（モジュール１１０６）であり、代表的には、コンピュータワークステーシ ョン（”ＷＳ”）上で行われる。この前処理の出力はより完全なデータである。 モジュール１１０６のデータ出力はそれから、よく知られた方法（モジュール １１０８）で幾何学的アルゴリズムを使用して追跡される点の三次元座標に変換 され、”三次元座標”を生じる。 これらの三次元座標は、三次元座標を処理し、ユーザの入力またはライブラリ データベースから予め得られた情報に基づいて、三次元構造を構成する正しい順 序で点を配置するシーン評価モジュール（モジュール１１１０）に送られる。例 えば、番号３，５，６および９の結晶は、予め定められた１つのカテーテル上に 取り付けられ、空間内のこれらの点が、一緒に接続されるであろうことが前もっ て知られている。このシーン評価モジュールはそれから、カテーテル本体に固定 された個々の結晶の三次元の位置に基づいて、カテーテルの位置、寸法および形 状を表すであろう三次元画像を構成するであろう。同様の方法で、問題の領域の 心室の壁に沿ってカテーテルを単に引くことによって、鼓動を打つ心室の内側の 三次元の表面区画を形成するようにしてカテーテル結晶を配置することができる 。このモジュールの出力は、処理される多数のエレメントを含む”三次元シーン ”であり、そのいくつかは、患者に固定されたカテーテルと個々の結晶である（ 第１５図）。 三次元シーンは三次元画像サブシステム（モジュール１１１２）によって形成 され、画像モニタに出力される。 もしカテーテルが動いていなければ、三次元シーンを、いずれにしても再び形 成したり更新したりする必要はない。したがって、入って来るデータの流れの何 らかの変化を検出するモジュール１１１４が備えられている。もし変化があれば 、このモジュールは、ＷＳによって獲得され、処理された新しい三次元座標が前 に与えられた目的またはシーンから著しく変化したかどうかを決定する別のモジ ュール１１１６に知らせる。もしそれらが変化していれば、この更新された情報 が三次元シーンの現在のモデルに組み込まれ、レンダリングモジュールに送られ る。 カテーテルのディスプレイは、シーンの画像化のただ１つの部品である。これ らのカテーテルは、二次元または三次元画像のようないくつかの認識可能な特徴 に関して表示されなければならない。したがって、本発明のシステムはまた、外 部で獲得された画像を二次元または三次元形状で入力する能力を有している。こ れらの画像はすでにデジタル画像であり、またはそれらは、フレーム取得器を通 して生のビデオソースから直接入力することができる。この外部からの画像の獲 得を実行するアルゴリズムは、外部画像モダリティ（モジュール１１１８）の入 力で始まる“Ｐａｔｈ２”として第１１図に概略的示されている。 これらの画像の組は、ＷＳ（モジュール１１２０）内での処理と操作に適した フォーマットに変換される。生成された画像データの組はそれから、さらにＷＳ 内で処理することができる”デジタル画像”になる。 これらの画像は、それらを三次元シーンに適合させるためにある方法で前処理 されなければならない。もしそれらがカテーテルとともに示されるならば、それ らは、適宜な大きさを変える必要がある。もし、画像が移動するものであるなら ば、それらは、三次元シーン化レンダリンクに正しいシーケンスで出力されるよ うにメモリ内で更新されるか再フォーマット化されなければならない。このよう な処理は、前処理モジュール１１１２によって行われる。ビデオ情報に対しては 、適切な同期信号が順序化（モジュール１１２４）のために要求される。 三次元シーン評価の最も重要な側面の１つは、三次元カテーテグラフを重なる 画像と正しい空間的な関係に配置することである。これは、基準結晶のような画 像内の特徴を測定座標系におけるそれらの位置に合わせることによって行われる 。この方法は、標準的な座標変換操作を使用し、画像空間のどの特徴が測定空間 の同じ特徴（結晶）に対応するかについての入力情報のみが必要とする。この情 報は最初のセットアップ（モジュール１１２６）でユーザによって入力すること ができるか、または画像処理アルゴリズムを使用して自動的に検出することがで きる。カテーテルのグラフが、下にある画像と一旦合致すると、与えられた瞬間 に表示されるべき画像の組を示す情報は、三次元シーン評価器（モジュール１１ １０）に送られる。さらに、新しい画像情報が届き、使用されなければならない かどうかを試験するために、適切な信号が変化を検出し、システムにシーンを更 新することを指示するモジュール１１１４に送られる。 二次元ビデオループまたは三次元超音波ループのような画像の組を移動させる ために、データの組の動きは、患者の心臓の鼓動の速度に連続的に合致する速度 で出力されなければならない（第１１図のＰａｔｈ３）。もし再生されるデータ の組が心臓の現在の状態と同期していないならば、三次元シーンは、認識可能な フォーマットでは表示されず、画像に対する腹部の動きが生じる。“ビデオルー プ”を患者の心臓の鼓動と同期させる第１のステップは、生のＥＧＣ信号を処理 コンピュータ（モジュール１１２８）に入力することである。 この信号は、標準のＡ／Ｄコンバータ（モジュール１１３０）を使用してデー タに変換される。 このデータはそれから、心臓の現在の活動に対応するタイミング信号を生じる アルゴリズムを含む同期発生器モジュール１１２４に送られる。例えば、同期発 生器モジュール１１２４は、メモリの場所またび入力ポートを起動することがで き、またはＱＲＳコンプレックスが確認されたとき割り込みを発生する。同期発 生器モジュール１１２４は、入力信号を追跡し、ゼロクロス又は信号の予期され た形態に関連する他の情報と組み合わせて、大きな変化率があるかどうかを試験 することによってこれを行う。同期発生器タモジュール１１２４は、ＰＣ、ＷＳ またはＱＲＳコンプレックスを識別して同期信号をＷＳに出力するように設計さ れた完全に外部のデバイスで実行することができる。 これらの機能全ての頂点にあるのが、簡単に前述したインターフェース（モジ ュール１１２６）である。このモジュールは、キーボードとマウス（図示せず） からのユーザの入力をチェックし、適切な情報を三次元シーン発生器（モジュー ル１１１０）とユーザ入力によって行われうる他のモジュールに送る。典型的に は、ユーザ入力は、コンピュータスクリーン上に表示されるタイプ情報の変形を 含み、信号を処理する方法は含まない。ユーザはまた、カテーテルの場所を下に ある画像の組と合をせるのを補助することもできる。 システムはまた、表示される三次元構造上（モジュール１３３２）の電位の表 示のような他の補助データ情報と合わせることもできる。この情報は、このメイ ンシステムにとって末梢的なものであり、三次元シーンの評価モジュール１１１ ０に容易に組み込むことができる方法で組み立てられる。 第１の他の実施例によれば、身体または器官の内での三次元位置を追跡する目 的で、カテーテルまたは他のプローブに取り付けるために第１２図に示すように 円筒形またはリング形状の超音波トランスジューサが提供される。第１２図に示 すように、円筒形結晶またはトランスジューサは、圧電材料が配置されるロシバ ッキング１２００を有する。ロシバッキングは、ＰＺＴ材料の過剰なリンギング を防止する。結晶が励起されると、超音波は前後に伝搬する。結晶と外側の媒体 （水または空気）の間のインターフェイスに超音波が到達するとき、インピーダ ンスの不整合に合い、超音波の大部分は結晶にはね返る。これは結晶リングが多 数のサイクルの間鳴るからである。このロシバッキングは、後方に向かった波が 結晶（すなわち、それが同様のインピーダンスを有し）を出て、最小の反射で消 えることを可能にする。バッキング材料は、典型的には、中にタングステン粉末 が混合されたエポキシである。理想的には、バッキング材料は結晶自身よりも数 倍かの厚さを有しなければならない。 圧電材料１２１０が、超音波導体材料１２２０（例えば、ポリマー材料）の１ ／４波長マッチング層で被覆されている。導電ワイヤ（図示せず）が圧電材料に 接続されている。上述したように、超音波の前方への伝搬波は、インピーダンス マッチング材料が与えられない限り、典型的に結晶／水インターフェイスからは ね返る。この材料の目的は、各材料のインターフェイスでのミスマッチが少なく 、大部分の超音波が後方に反射するよりも前方に伝搬するように、水とＰＺＴと の間に中間インピーダンスを提供することである。典型的には１つまたは２つの 層が中間インピーダンスを有する結晶に堆積される。層の厚さは、反射波の間に 破壊的なインターフェイスが生じ、それによって結晶のリンギングを低減するよ うに超音波の波長の１／４でなければならない。 もし、ＰＶＤＦが圧電材料１２１０に使用されるならば、フィルムまたは材料 でカテーテルまたは他のデバイスを包み、またはフィルムまた材料をその上に直 接成形するか鋳造し、装置の一部品になるようにすることができる。また、現存 のカテーテルまたは他の器具に、本体内でその追跡を容易にするために第１２図 の実施例にしたがってＰＶＤＦ材料を後から取り付けることも考えられる。 また、カテーテルを圧電フィルム（例えば、ＰＶＤＦ）で包んだり、圧電フィ ルムを鋳造したり、カテーテルのいくつかの場所に圧電フィルムを堆積すること も考えられる。 第２の他の実施例によれば、結晶の配列が、超音波エネルギーのライン源また は点源の集合として機能し、各々は、第１３Ｂ図及び第１３Ｃ図に示すようにシ リンダの平面から実質的に離れるように、扇形に超音波エネルギーを放射するよ うに、シリンダの軸線に直角な方向から大きく離れる角度で超音波エネルギーを 放射することができる形状を有する、第１３Ａ図に示すようなリング状の結晶の 配列またはセグメント化された単一の結晶を設けることができる。 上記結晶は各々が、リング全体の大きさよりむしろ、小面の寸法により決まる 共振周波数で個々に共振するように１ｍｍ台の大きさの複数の小平面１３００を 備えている。このリングは、その内外面よりむしろ第１３図に示すように両面が 導体１３１０でめっきされている。 第３の実施例によれば、ロシバッキング１４１０にＰＺＴ基板１４００を有す る複合超音波トランスジューサが設けられる。ＰＶＤＦフィルム１４２０はＰＺ Ｔ基板１４００に接合されている。この実施例は、ＰＺＴの大きい転送効率（す なわち、電気エネルギーの音エネルギーへの変換）とＰＶＤＦの高受信能率（す なわち、音エネルギーの電気エネルギーの変換）という利点を有する。ＰＶＤＦ とＰＺＴフィルム１４２０、１４００は、図示するように直接接続するか、また はその間の絶縁体または導体の適切な層で電気的に絶縁されることが考えられる 。また、ＰＶＤＦまたはＰＺＴ構造は、第１４図に示すようなスラブ形状、また は第９図、第１０図、第１２図または第１３図の実施例に示すような円筒形にす ることも考えられる。 第１５図は、外部結晶を配置する方法を示している。外部基準フレームの目的 は、カテーテル上の結晶の精度と動きを監視することである。よく分かるように 、大きなディスク結晶は、手術中に患者の胸の周りに着用されるハーネスタイプ の装置内に配置される。多数の電波不透過トランスジューサが、胸の空洞を通っ て最適な信号を受信するのに適した場所においてハーネスに固定される。 あるいは、心臓、肝臓、肺および他の器官のデータをとることができるように 自己接着取付フィルムまたは接着テープを使用して、患者の重要な場所に直接ト ランスジューサを取り付けることができる。 開示された形状では、人の循環系に導入されるカテーテルの位置と方向を監視 することが可能である。この方法は、位置決めの精度を改良しながら、現在の電 気生理学と脈管の手術の危険性と手術時間の双方を著しく低減する。 ii) 冠状及び抹消的な血管構造を通る血管内の超音波カテーテルの追跡 カテーテルの追跡は血管内の超音波の分野に拡張できる。もし血管が多数の狭 窄をもつならば、血管内超音波デバイスでどの狭窄を画像化するかを正確に知る ことが重要である。これまでの方法は、Ｘ線透視方法でコントラスト剤を注入し ているが、この方法は、上述した危険性を有する。血管内超音波カテーテルは、 カテーテルの画像ヘッドの近傍に取り付けられた低周波送信器によって容易に追 跡することができる。超音波で血管の内側の像を示すデュアルディスプレイを有 することによって、血管造影上の血管の全体構造に対する画像領域の位置は、脈 管学者が病巣をよりよく治療し、患者への手術上の危険性を減らすことができる 。 iii) 生体検査針または生体検査カテーテルの追跡 生体検査カテーテルの追跡は、心臓、肝臓、肺または他の組織または器官のサ ンプルをとる悪い部分から生体検査“バイト(bites)”が時々とられるので特に 重要である。心臓の場合、時々冠状動脈の一部が切断されるか、心臓の弁が損傷 を受け、患者に明らかな余病を併発する。生体検査装置の経路に従い、１つまた は複数の血管像、Ｘ線画像、または超音波画像の組、および追跡カテーテルのリ アルタイムのオーバーレイを使用して、生体検査手順自身がより正確にかつ安全 になされる。 また、けい動脈または大腿部の動脈にカニューレを挿入するときに針を超音波 で追跡することができる。既存のユニットがこの手順に利用可能であるが、この ユニットは、針をしてＢモードの超音波画像のぼんやりした影を投じさせること に依存する。この影は、訓練されていない目には容易には見ることができず、精 度において明らかな制限がある。本発明の原理を使用したリアルタイムの超音波 の針による真の三次元追跡は、このような手順を非常に簡単にする。 iv) 重 要な手術の間におけるプローブの案内 あるむずかしい手術、特に脳の手術において、頭部に挿入されたプローブの三 次元の位置を非常に正確に知ることが重要である。従来の方法は、患者の頭蓋骨 にねじとピンを配置することによって定位的（ｓｔｅｒｅｏｔａｃｔｉｃ）フレ ームに患者のヘッドをしっかり固定していた。フレームが取り付けられた患者は それから、ＭＲＩまたはＣＡＴを使用して画像をとられ、患者の頭部が三次元に 再現される。腫瘍のような病理組織または障害部分は、フレームに対して正確に 位置が決められる。患者はそれから手術室に送られ、電極またはアブレータ（ａ ｂｌａｔｏｒ）のような必要な器具が、これらが特定の経路に沿って患者の頭部 内を移動することができるようにするガイドに固定される。手術の器具が一旦所 定の場所に配置されると、病変部分は、種々の方法で直すか、破壊されるか、治 療される。 この方法は、長たらしく、コストがかかり、画像からの三次元座標を定位的フ レーム内のプローブの実際の位置に変換する際に測定エラーを生じる。 この方法の代わりの例として、三次元ワンドの使用がある。この器具は、毛か 手術テーブルにしっかりと固定された関節式金属アームから成る。アームの各接 続部は、先端部の三次元座標が接合部センサから計算することができるように角 度位置センサを有する。患者の頭部上の目に見える標識をプローブを使用した三 次元画像上の同じ標識に合致させることによって、頭部と画像を互いにそろえる ことができる。このプローブは、手術中に器具を保持し、それらを定位的フレー ムと同じ方法で脳に案内するために使用される。ワンド（ｗａｎｄ）の利点は、 それらがより多くの自由度を有することであり、外科医によって保持することが できることである。欠点は、それが非常に高価で非常に大きいことである。また 、プローブの先端の位置は、患者の頭部に対する元の目盛りとの常に同じ程度の 正確さである。患者の頭部は、関節式アームが固定されるテーブルにしっかりと 固定されたままでなければならない。 本発明による追跡システムの他の用途は、患者の頭部のいずれの部分に基準結 晶を、またプローブにいくつかの結晶を配置することである。プローブを頭部に 挿入するとき、基準結晶に対するその移動は、三次元リアルタイムで追跡するこ とができる。頭部に固定された結晶は、患者と一括に画像をとられ、合わせ処理 を簡単し、またそれらは頭部に固定されているので、手術台に対する頭部の動き は、追跡に関して問題を呈さない。 てんかんのような脳の電気的な乱れを持った患者は、てんかんの場所を手術に よる干渉の前に地図上に適切に表わす必要がある。これは、脳の上に表面電極を 配置することによって行われる。これらの電極は、頭蓋骨にドリルで穴を開けら れた小さいアクセス穴を通って脳に沿って押され、それらの場所は正確に知るこ とはしばしば困難である。本発明の原理によれば、電極パッドに送信器または受 信機の結晶を配置、頭蓋骨の外側に補完的な電極を配置することによって、電極 の動きをリアルタイムで追跡することができ、前に撮った脳の画像で確認するこ とができる。これによって、脳の波の活動の特異性を簡単に地図に描くことがで きる。 vi) 羊水診断針の追跡 羊水診断の方法において使用される生検針の追跡への本発明のリアルタイム追 跡システムの他の用途。針の動きとともに表示された胎児の三次元または二次元 画像は、手術の正確さと速度を増大させることができ、胎児を傷つけることを防 止することができる。 vii) 子宮けい管の拡張の測定 手順の始めはよく制御された方法である。収縮の第１の組の間に、看護婦は、 子宮けい部の拡張を周期的に追跡する。これは、現在は子宮けい管の太さを手に よってチェックすることによって行われる。具体的に言うと、一本または二本の 指を挿入して胎児の頭を触わり、子宮けい管の拡張の度合いを評価する。この拡 張の測定は規則的な間隔で行われ、時間／拡張曲線を描くことができる。これに よって、産科医は子宮けい管の拡張の速度が一旦増大すると大きな収縮が起こる ので出産の手はずを整えることができる。 このような拡張曲線のプロットは、本発明の原理によって超音波結晶で子宮け い管の拡張を測定することによって分娩室で多くの母親について自動化し管理す ることができる。 このようにして、多くの母親の陣痛時の状態を中央ステーションでわずかな看 護婦によって遠隔で監視することができるように出産管理をネットーク化するこ とができる。したがって、産科医は、どの患者がいつ出産する予定であるかを予 測することができ、自分の行動をさらに正確に計画することができる。 viii) ひざの安定性を見るための結合運動の評価 いくつかの整形外科手術では、ひざの安定性は、歩行中に量的に評価される必 要がある。ひざの安定性は、手による操作によって評価することができるが、複 雑な画像技術のみが歩行中のひざの動きを地図に表すことができる。本発明のソ ノマイクロメータ結晶をひざに移植することによって、関節の相対的な動きを正 規の歩きぶりの間に量的に測定することができ、靭帯を増大させる手術をはさら によく計画すことができる。 ix) 手術後の心筋の伸縮性の評価 心筋または環状動脈を治療するために心臓を開く手術の後、患者は、投薬され る薬剤の水準を調整するために監視される。これは、薬品の“滴定”と称される 。心筋の伸縮性は、Swan-Ganzカテーテルで測定され、最適の心筋後機能を得る ために薬品の水準が調整される。都合の悪いことには、Swan-Ganzカテーテルは 、伸縮性の間接的な測定値であり、不適切なデータを生じる圧力を測定する。 しかしながら、一対のソノマイクロメータ結晶は、もしそれらが鼓動している 心室に取り付けられるならば、心筋の収縮性の直接的な測定を行う。これらのト ランスジューサは、胸を開く手術の間に心筋に取り付けることができ、胸を開い ている間、心臓の収縮性を直接測定することができる。導線を胸の壁を通して引 くことができ、心筋の収縮性の監視を手術の後数時間または数日にわたって続け ることができる。この方法は、あまり正確でないSuan-Ganzカテーテルに代わる ものであり、忠者に与えられる薬剤を滴定するために使用することができる。も し結晶が適切に位置決めされるならば、それらは、ペース電極を除去するのと同 じ方法でそれらを引くことによって手術後に除去することができる。 代替の実施例および変形例は添付請求の範囲で定義された本発明の範囲内で可 能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ガベルズ、アンドリュー ダブリュ カナダ国 エヌ０エル １ダブリュ０ オ ンタリオ州 マウント ブリッジス アー ルアール ナンバー１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ａ）間隔をおいて配置された複数の超音波トランシーバと、 ｂ）前記間隔をおいて配置された複数の超音波トランシーバに接続され、前記 各トランシーバが送信器または受信機のいずれか一方として作動するように前記 各トランシーバを選択的にイネーブルにし、前記各送信器が、少なくとも１つの 組合わされた受信器によって検出される出力発振信号を発生するように前記各送 信器を励起するコントローラモジュールと、 ｃ）前記間隔をおいて配置された複数の超音波トランシーバと前記コントロー ラモジュールに接続され、前記送信器の前記励起と前記の少なくとも１つの組合 わされた受信器による前記出力振動の検出との間の経過時間に対応したデジタル カウント値を発生する、前記関連する受信器と組合わされた高速カウンタを含む カウンタモジュールを有するデジタル超音波追跡システム。 ２．前記コントローラモジュールは、各送信器の前記励起の繰り返し速度を調 整する回路をさらに有する請求項１に記載のデジタル超音波追跡システム。 ３．前記コントローラモジュールは、各送信器の前記励起の期間を調整する回 路をさらに含む請求項１に記載のデジタル超音波追跡システム。 ４．前記コントローラモジュールは、前記各送信器を励起した後、可変の期間 の間前記高速カウンタを禁止し、それによって前記各送信器の励起から生じる電 磁干渉によるカウントエラーを回避する回路をさらに有する請求項１に記載のデ ジタル超音波追跡システム。 ５．前記各トランシーバが、 ｄ）前記コントローラモジュールからデジタルの入力信号を受信する送信器入 力と、 ｅ）前記デジタル入力信号を結晶励起信号に変換するステップアップ絶縁変圧 器と、 ｆ）送信モードで前記励起信号を受信し、それに応答して前記出力発振信号を 生成し、受信モードで前記出力発振信号を検出し、それに応答して入力発振信号 を生成し、前記ステップアップ変圧器に印加する圧電結晶と、 ｇ）前記ステップアップ変圧器に接続され、前記入力発振信号をデジタルの出 力信号に増幅及び変換する回路と、 ｈ）前記デジタル出力信号を前記カウンタモジュールに送信し、前記デジタル カウント値で、前記カウンタモジュールに付属した高速カウンタを停止する受信 器出力とをさらに有する請求項１に記載のデジタル超音波追跡システム。 ６．位置が監視される物体に取り付けられる三次元超音波追跡システムであっ て、 ａ）第１の二次元平面を形成するように前記物体に取り付けられている３つの 超音波トランスシーバと、 ｂ）前記二次元平面の一方の側で前記物体に取り付けられた第４の超音波トラ ンスシーバと、 ｃ）前記超音波トランシーバの周りの三次元空間に配置された複数の超音波送 信器と、 ｄ）(i)前記各送信器をして、前記超音波トランスシーバによって受信された 超音波信号を順に発生させることができ、(ii)前記超音波信号の発生と前記各ト ランシーバによる超音波の受信との間の経過時間を順に測定し、(iii)前記経過 時間から前記複数の超音波送信器に対する前記物体の位置と向きを三角測量によ って計算する回路とを有する三次元超音波追跡システム。 ７．ａ）患者に挿入されるカテーテルの先端に隣接するように取り付けられ、 それによって少なくとも２つは内部基準を形成している少なくとも３つの圧電結 晶と、 ｂ）外部基準フレームを形成するように患者の外部に配置された追加の複数の 圧電結晶と、 ｃ）(i)前記各圧電結晶をして、他の前記圧電水晶によって受信される超音波 信号を順に発生させることができ、(ii)前記超音波信号の発生と前記各他の圧電 結晶による受信との間の経過時間を順に測定し、(iii)前記経過時間から前記複 数の追加の圧電結晶に対する前記カテーテルの位置と向きを三角測量によって計 算する回路とを有するカテーテルガイドシステム。 ８．前記２つの圧電結晶の各々が、低キューリ温度を有する高誘電材料からつ くられている請求項７に記載のカテーテルガイドシステム。 ９．前記材料がジルコンチタン酸塩である請求項８に記載のカテーテルガイド システム。 １０．前記圧電結晶の各々が、前記患者のＸ線造影の間に前記カテーテルと対 比するためにＸ線不透過材料の層で被覆されている請求項７に記載のカテーテル ガイドシステム。 １１．Ｘ線不透材料の層で被覆された前記各圧電結晶は、前記超音波信号の伝 搬を妨げない音インピーダンスを有する生物適合性材料でさらに包まれている請 求項１０に記載のカテーテルガイドシステム。 １２．前記２つの各圧電結晶が、全方向超音波照射パターンを発生する円筒形 である請求項７に記載のカテーテルガイドシステム。 １３．前記追加の各圧電結晶は、ディスク形状であり、前記２つの圧電結晶よ り大きい寸法である請求項７に記載のカテーテルガイドシステム。 １４．前記２つの圧電結晶を前記回路に接続する被覆されたステンレススチー ル・ワイヤをさらに有し、前記ワイヤは、前記カテーテルのステアリングガイド ワイヤを収容する、前記カテーテル内の内側シース内に配置されている請求項７ に記載のカテーテルガイドシステム。 １５．前記２つの圧電結晶は、前記カテーテルの軸線に沿って同心円状に配置 され、その間の信号干渉を防止し、前記カテーテルの先端の形状と曲率を示すた めに所定の距離離れている請求項７に記載のカテーテルガイドシステム。 １６．前記追加の圧電結晶が、前記患者によって着用されるようになっている 取付具に取り付けられる請求項７に記載のカテーテルガイドシステム。 １７．前記圧電結晶は、前記カテーテルの壁に少なくとも一部が埋められてお り、前記カテーテルは複数の内腔カテーテルである請求項１５に記載のカテーテ ルガイドシステム。 １８．前記圧電結晶はロシバッキング上に取り付けられており、導電体が前記 圧電結晶に接続されている請求項１７に記載のカテーテルガイドシステム。 １９．各前記圧電結晶に固定されたドーム状のポリマーレンズをさらに有する 請求項１８に記載のカテーテルガイドシステム。 ２０．前記圧電結晶の少なくとも１つは、ロシバッキング上に配置された圧電 材料を有する円筒形状であり、前記圧電材料は、超音波を伝導する材料の１／４ 波長マッチング層で被覆されている、請求項７に記載のカテーテルガイドシステ ム。 ２１．前記圧電材料が、カテーテルに直接包まれ、または鋳造または堆積され たＰＶＤＦである請求項２０に記載のカテーテルガイドシステム。 ２２．少なくとも１つの前記圧電結晶は、垂直から大きな角度で超音波エネル ギを放射することができる形状を有する、リング形状の配列の結晶または分割さ れた単一の結晶のいずれかであり、前記配列または分割された単一の結晶は、超 音波エネルギのライン源のいずれかまたはポイント源として機能し、各々は結晶 のリング形状の配列または分割された単一の結晶のいずれか一方の平面から実質 的に離れるように扇状に前記超音波エネルギを放射する請求項７に記載のカテー テルガイドシステム。 ２３．前記結晶の配列または分割された単一の結晶が、各々が、小面のサイズ によって示される共振周波数で個々に共振するようにミリメートル台の寸法であ る複数の小面を備えている請求項２２に記載のカテーテルガイドシステム。 ２４．結晶の前記リング形状の配列または前記分割された単一の結晶の両側が 導電体で被覆されている請求項２２に記載のカテーテルガイドシステム。 ２５．前記少なくとも１つの圧電結晶が、ロシバッキング上に配置されたＰＺ Ｔ基板を有する複合超音波トランスジューサと、前記ＰＺＴ基板に結合されたＰ ＶＤＦフィルムとを含む請求項７に記載のカテーテルガイドシステム。 ２６．前記ＰＺＴ基板と前記ＰＶＤＦとの間に絶縁体または導電体の１つ以上 の層を有する請求項２５に記載のカテーテルガイドシステム。 ２７．ａ）多数の超音波トランスジューサが取り付けられたカテーテルまたは プローブと、 ｂ）前記多数の超音波トランスジューサに対する外部基準平面を形成する重要 な場所にある複数のトランスジューサと、 ｃ）前記基準フレームに対する前記多数の超音波トランスジューサの三次元座 標を発生するソノマイクロメータ手段と、 ｄ）１つ以上のデジタル画像を局所的に発生するか、外部画像モダリティから １つ以上のアナログ画像を受け、それに応答して前記１つ以上のデジタル画像を 発生する画像獲得手段と、 ｅ）前記三次元座標および前記デジタル画像を受け、前記座標を配置し、それ に応答して前記カテーテルまたはプローブの前記三次元座標が表示されるテンプ レートとして１つ以上のデジタル画像を形成する三次元評価・画像サブシステム とを有する三次元画像化システム。 ２８．前記ソノマイクロメータ手段が、 (i) 前記各トランスジューサと前記外部基準フレームとの間の伝搬遅延を測 定する超音波距離測定手段と、 (ii) ノイズによる劣化が発生する前記測定された伝搬遅延を修正する信号処 理手段と、 (iii) 前記伝搬遅延を距離測定値に変換し、応答として距離測定データ信号 を発生するデジタルソノマイクロメータと、 (iv) 信号伝搬の減衰による信号の欠落から生じる前記距離測定データの失わ れた部分を補填するために前記距離測定データの多数方向のスケーリングを行う 前処理手段と、 (v) 前記前処理手段によりスケーリング処理された距離測定データを三次元 座標に変換する三次元計算手段とを有する請求項２７に記載のシステム。 ２９．前記画像獲得手段はさらに、 (vi) 前記外部画像モダリティからの前記アナログ画像を処理および操作に適 したデジタル画像に変換するデジタル化、データおよびリフォーマット手段と、 (vii) 前記変換されたデジタル画像をスケーリング処理し、前記スケーリン グ処理されたデジタル画像を前記三次元画像サブシステムに出力する前処理手段 とを有する請求項２８に記載のシステム。 ３０．(viii) 心電図信号を受信する手段と、 ix) 前記心電図信号をデジタルＥＣＧ信号に変換するアナログ／デジタル変 換手段と、 x) 前記デジタルＥＣＧ信号を受信し、応答として前記三次元グラフサブシス テムへ出力されるタイミング信号を生成する同期発生器とを有する請求項２９に 記載の三次元画像化システム。 ３１．キーボードとマウスからユーザ入力を受け、それに応答して前記三次元 画像サブシステムに操作制御信号を発生するユーザインターフェイスを有する請 求項３０に記載の三次元画像化システム。 ３２．前記三次元画像サブシステムに送信する補助データ情報を受信する補助 データユーザシステムをさらに有する請求項３１に記載の三次元画像化システム 。 ３３．前記ソノマイクロメータ手段、画像獲得手段、同期発生手段、ユーザイ ンターフェイス手段および補助データ手段から出力された前記信号の変化を検出 し、それに応答して出力信号を発生する手段と、前記出力信号を受信し、前記出 力信号の大きな変化の存在をみつけ、それに応答して前記三次元画像サブシステ ムに知らせる評価手段とをさらに有する請求項３２に記載の三次元画像化システ ム。 ３４．前記三次元評価・画像サブシステムは、前記座標を使用して、前記カテ ーテルまたはプローブが移動する鼓動している心室の動いている形状を定める三 次元表面パッチを形成する請求項２７に記載の三次元画像システム。 ３５．人間の循環器系を通じての前記カテーテルまたはプローブの追跡への請 求項２７に記載の三次元画像化システムの使用。 ３６．冠状及び末梢の動脈を通って前記カテーテルまたはプローブの追跡への 請求項２７に記載の三次元画像化システムの使用。 ３７．生検カテーテルの追跡への請求項２７に記載の三次元画像化システムの 使用。 ３８．定位的な外科手術の間の前記カテーテルまたはプローブの案内への請求 項２７に記載の三次元画像化システムの使用方法。 ３９．羊水診断針の追跡への請求項２７に記載の三次元画像化システムの使用 。 ４０．けい部の拡張の測定への請求項２７に記載の三次元画像化システムの使 用。 ４１．人間のひざの関節の動きの評価への請求項２７に記載の三次元画像化シ ステムの使用。 ４２．外科手術の後の心筋の収縮性の評価への請求項２７に記載の三次元画像 化システムの使用。