WO2009154081A1 - 注射針誘導装置 - Google Patents

Abstract

　肉眼で直視できない血管９と、体内に挿入された注射針１０を画像化し、その血管９と針１０の三次元の位置関係が認識できるモニター３を有した注射針誘導装置４を提供する。 　近赤外線で血管９を透視し、体内に挿入され透視できない針１０をバーチャル画像で再現して、血管９と針１０のバーチャル合成画像をモニター３に表示する。そして、その画像に、針１０を挿入する目標８８、方向、距離１２－Ａ、針の血管に対する角度１２－Ｂなどを表示して、血管９と針１０の位置関係が三次元的に認識できる注射針誘導装置４を提供する。

Description

注射針誘導装置

　本発明は、注射針を血管内へ挿入することを容易にするための誘導装置に関するものである。

　静脈注射や採血のために注射針を血管内に挿入する技術は、医師や看護師が、皮膚の観察や触覚で血管のありかを予測して針を挿入している。しかし、これは、経験や勘に頼る要素が多く、必ずしも一度の挿入で確実に目的を達しているとは限らない。

　静脈に針を挿入する技術が、確実性を持ち得ない要因は、体内にある血管を直視できないため血管の位置、走行、形状などを把握することが難しいことに加え、体内に挿入された注射針部分も目視できず、血管と針の位置関係が正しく認識されていないことにある。

　これらの問題に対して、特許文献１には、血管の状態を、赤外線を利用して映像化する発明が開示されている。また、特許文献２には、７００～８００ｎｍの波長を有する光により、血管の状態を目視する方法が開示されている。更に、特許文献３には、赤外線検出器によって得られたホットスポットを血管と見なし、顔料または点光源によってその位置を示す方法が開示されている。更に、特許文献４には、注射器の形状から、体内に入っている注射針の先端位置を推定し、血管の画像と合成して表示する装置が開示されている。更に、特許文献５には、超音波で静脈の位置を検知して、反射波の方向に注射針を推進させる装置が開示されている。

特開２００４－２６７５３４号公報 特開２０００－３１６８６６号公報 特開２００２－５０７４４６号公報 特開２００６－１３０２０１号公報 特開２００５－６６３１０号公報

　しかしながら、注射針を血管に挿入する従来の技術は、上述のとおり、いずれも体外からの目視や、触覚などで血管の在りかを推測する不確かな情報による手探りにも似た操作である。例えば、特許文献４には、血管を画像化し、体内に挿入された針の先端位置を推定して、血管と針の先端位置の合成画像を表示する技術に関して開示されている。しかしながら、特許文献４に記載の装置では、平面上における血管の位置と、針の先端位置の関係を知ることはできるが、深さ方向の位置関係が不明となっている。

　つまり、血管に注射するためには、血管内に針の先端を嵌入して止める必要があり、平面画像ではかえって血管の位置関係を誤り、例えば針の先端が血管の手前である場合や、血管を突き抜けている場合などを誤認して、注射してしまう可能性がある。すなわち、血管と針の先端は、三次元的に位置合わせを行ってはじめて、注射を行うことが可能となる。

　そこで、本発明は、肉眼で直視できない血管は、静脈を流れる還元ヘモグロビンが特定の近赤外線を吸収、反射する性質を利用して、血管を近赤外線で透視してこれをバーチャルに画像化し、また、注射器や針の形状（情報）を可視光などで認識し、体内に挿入され透視できない針をバーチャルに再現して画像化するとともに、その血管と針の三次元の位置関係を開示できるモニターを有した注射針誘導装置を提供することである。

　血管注射補助装置の理想形態は、血管と針を透視して立体映像で直視することが望まれるが、その実現には装置が複雑になること、針を透視するＸ線などで被爆の恐れがあること、及び、三次元映像を見るための煩わしい偏光めがねや装置が必要なことなど、実用面で問題が多い。

　そこで、本発明は、使用される注射針の形状が予め特定されることを前提に、注射針の筋肉への挿入が、純粋な直線運動であることに着目して、針及び針の延長ラインをバーチャルに画像化し、直進操作に必要な、針の方向、目標、距離と、角度を、奥行き情報として血管画像に表示することによって、立体映像に等しい有効情報を提供する二次元の映像モニター（動画）を可能にしたものである。

　上記の目的を達成するための本発明に係る注射針誘導装置は、近赤外線を用いて血管を画像化する手段と、可視光で針を画像化する手段と、体内に挿入された針及び針の延長ラインをバーチャルに画像化する手段を有することを特徴とする。

　上記の注射針誘導装置において、血管に向かって並列に設置された２台のカメラで取得する注射器、針及び、血管の画像情報から、血管と針及び針の延長ラインをバーチャルに画像化し、カメラ視点ごとに、血管と針及び針の延長ラインを合成画像とすることを特徴とする。

　上記の注射針誘導装置において、前記合成画像のうち、第１画像を座標軸Ｘ－Ｙ、第２画像を座標軸Ｘ－Ｚで表すとき、第２画像の血管とバーチャル針の延長ラインが交差する交点のＸ軸の値を、第１画像のＸ軸の同じ値にある血管位置に針を挿入する仮目標としてマークし、注射器の方向操作で、第１画像のバーチャル針の延長ラインが、そのマークと合致するとき、そこに対して注射針の挿入を行うことを特徴とする。

　上記の注射針誘導装置において、前記マークと、針先からマークまでの距離及び、針の血管に対する角度の少なくとも一方を、前記合成画像に表示することを特徴とする。

　上記の注射針誘導装置において、前記針先からマークまでの距離と、前記針の血管に対する角度を、前記マークを中心とする図形で表し、針の動きに応じて、距離はその大きさで、角度はその形状変化で表現する奥行きイメージ画像とすることを特徴とする。

　上記の注射針誘導装置において、針が膚に接近する状況を、針と膚に落とす影を撮影して、その画像形状から針の接触直前を認識しモニターに予告表示、又は、音で警告することを特徴とする。

　上記の注射針誘導装置において、前記合成画像を、立体映像ディスプレーで立体映像として表示することを特徴とする。

　本発明は、上述のとおり、血管と針の映像化と、その血管と針の位置関係を認識する装置であって、次の効果が期待される。

　１）血管を、肉眼の感度で見るのではなく、透視技術、画像処理技術を用いて画質を最適にした血管像で認識することができる。

　２）血管の形状、走行、屈折の状況などが正しく認識できるので、針を挿入するに適した血管とその挿入箇所を容易に選定することができる。

　３)上記の血管認識により、注射針の種類やサイズを予め選定することができる。

　４)血管と針が三次元で交差する針の挿入目標、方向、角度を、的確に把握することができる。

　５)注射手技者による針の方向操作、挿入操作に連動して、注射針の目標（距離、挿入角度、方向）が、リアルタイムに表示されるので、モニター誘導だけで、容易かつ正確に針を血管に挿入することができる。

　以上により、本発明は、静脈注射の操作性、正確性、安全性のいずれの面でも大幅な改善が図られる。

図１は本発明の実施の形態に係る注射針誘導装置の外観斜視図である。 図２は図１に示すモニターの画像内容を例示した図である。 図３は図２の一部である総合画像の内容を例示した図である。 図４は挿入目標を決定する制御フローを示した図である。 図５は挿入目標と針の先端の位置関係を示す図形の形状を算出する制御フローを示した図である。

　本発明は、肉眼で把握できない血管を、近赤外線によってバーチャルに画像化し、また、可視光などで認識される注射器や針の情報をもとに、体内に挿入された針と、針の直進ラインを、バーチャルに画像化する。

　そして、その血管バーチャル画像と、針（及びバーチャルに再現した針）と、針の延長ラインの各画像を、現実の位置関係を反映した合成画像（Ｍｉｘｅｄ　Ｒｅａａｌｉｔｙ）でモニターに表示する。

　なお、血管と針の位置関係を三次元で認識するため、上記の合成画像は、視点が異なる２点で画像化し、２つの画像をモニターに表示、又はその画像データを記録する。

　そして、その２つの画像データより、針の挿入目標となる血管の位置、針先から目標血管までの距離、及び、針の血管に対する角度を、計測（コンピュータで解析）して、モニターに表示するものである。

　図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図１は、血管を撮影するための近赤外線などの光源を有するカメラと、注射器及び針１０を撮影するカメラを内蔵した注射針誘導装置４の概観斜視図である。

　平面カメラ１、側面カメラ２は、いずれも血管を撮影する近赤外線カメラと、注射器及び針を撮影する可視光カメラを兼ねたもので、平面カメラ１は、血管９と注射器及び針１０を上から撮影し、側面カメラ２は、血管９と注射器及び針１０を側面から撮影するものである。

　平面画像５は、平面カメラ１で撮影した血管９と注射針１０、及び、バーチャル針１０とその延長ライン１１の各画像を複合現実（Ｍｉｘｅｄ　Ｒｅａｌｉｔｙ）で合成し、その合成画像に、針１０の挿入が予測される血管位置に挿入目標８８を表示したものである。

　側面画像６は、側面カメラ２で撮影した画像及びバーチャル画像を、平面画像同様、複合現実の合成画像で表示したものである。

　また、平面画像５の挿入目標８８は、側面画像６のバーチャル針の延長ライン１１と血管９が画面上交差する交点８を検出して、平面画像５の血管の同位置にプロットしたもので、注射器の方向操作で、リアルタイムに血管９上を移動して表示されるものである。

　なお、上述の平面画像５の「挿入目標８８」、「血管の同位置」については、次の通り定義したものである。

　立体座標軸をＸ，Ｙ、Ｚとすると、平面画像５をＸ－Ｙ座標、側面画像６をＸ－Ｚ座標で表すことができるが、Ｘ軸を両画像共通の座標軸とすることで、側面画像６の針１０の延長ライン１１と血管９の交点８が持つＸ座標の値を、平面画像５の同じＸ座標の値にある血管を同位置８８としたものである。なお、平面画像５の挿入目標８８の表示は、映像エンジンプログラムによって自動表示されるものである。

　また、総合画像７は、平面画像５の挿入目標８８を中心とした拡大画像に、針先から挿入目標８８までの距離と、側面画像６の針の延長ライン１１が血管９と交差してできる角度を、楕円で表示したものである。本実施例は、楕円としたが、四角や星印でも良く形状を特定するものではない。

　次に、距離１２－Ａ、角度１２－Ｂは、平面、側面の両画像データを計測（コンピュータで解析）して、針先から挿入目標８８までの距離と、針の血管に対する角度を、表示したものである。

　楕円は、挿入目標８８を中心点として表示し、距離１２－Ａは、楕円の横軸直径の大きさで表し、角度１２－Ｂは、距離を表す横軸直径の大きさに角度係数を乗じた縦軸直径の大きさで表示したものである。

　注射針１０を血管９に挿入するには、通常一定の角度が必要であるが、上述の角度１２－Ｂは、側面画像６のバーチャル針の延長ライン１１と血管９が交差してできる角度をいい、仮に３０度が好ましい角度とすると、角度３０のときの角度係数を１として、距離１２－Ａを表示する楕円の横軸直径と縦軸直径の大きさが同一と定めたものである。すなわち、角度が適正３０度を保つとき、距離の如何に関わらず楕円は、常に円を示す設定としたものである。

　そして角度表示は、距離１２－Ａを示す横軸直径を基準として、角度が３０度より大きいとき横軸の大きさに反比例して縦軸が短い横長楕円となり、３０度より鋭角であれば縦長楕円となるように設定したものである。

　図３は、総合画像７が表示する一例で、針の延長ライン１１が挿入目標８８と交差し、角度が円を表示しており、注射針を体内に挿入することが可能な状態を表示したものである。

　すなわち、図３は、手動による注射器の方向操作で、バーチャル針の延長ライン１１を、挿入目標８８と合致させた状態であって、血管とバーチャル針の延長ラインが、三次元空間で交差する位置を検出したことを表示したものである。

　また、注射器の方向操作の結果、血管に対する針の挿入角度が適正な円を表示したものである。

　従って、図３の状態で注射針を体内に直進挿入させていくと、円形のまま次第に小さくなり点となって、針が血管に挿入されることとなる。

　次に、各モニター３の役割について説明するが、平面画像５、側面画像６は、その両画像データから、挿入目標、距離、方向、角度などの奥行き情報（三次元情報）を取得することが主な目的である。

　本実施例は、本発明の技術的思想を説明する便宜上、平面画像５、側面画像６をモニターに表示したが、必ずしもモニター３に表示する必要はなく、画像データを把握、記録することで良い。

　総合画像７は、平面画像５と、側面画像６の両情報を集約し、血管注射に必要な奥行き情報（三次元情報）を平面画像５に付加表示したもので、注射手技者は、この総合画像モニターを注視して針を誘導すれば、おのずと血管注射が正確、安全に遂行されることとなる。

　先述の通り、本実施例は、説明上敢えて三つの画面をモニター３に表示したが、現実の運用では、総合画像７の画面だけをモニター全面に表示することが好ましい。

　次に、注射手技者が、モニターを注視して手技を行う際、不用意に針で膚を傷つけることの無いよう、針が膚に接近したことを警告する必要がある。

　そこで、可視光カメラ（平面カメラ１、側面カメラ２に装備）で、針１０と、針１０が膚に落とす影を撮影し、針１０と影がつくる形状から接近状況を検出（映像エンジンプログラムで、自動検出）して、モニターに表示、あるいは、音で注意を喚起する。

　図４に、平面画像５の挿入目標８８を決定する制御フローを示し、以下に簡単に説明する。まず、側面カメラの制御を開始するステップ（Ｓ２０）と、血管９と針１０を画像化するステップ（Ｓ２１）と、血管９と針１０の延長ライン１１の交点８を検出するステップ（Ｓ２２）により、交点８のＸ座標の値ｘを読み込む（Ｓ２３）処理を行う。他方で、平面カメラの制御を開始するステップ（Ｓ１０）と、血管９と針１０を画像化するステップ（Ｓ１１）により、平面画像５を取得しておく。ここで、平面画像５におけるＸ座標の値が、ｘであり、且つ、血管９と交差する点を挿入目標８８として表示する（Ｓ１５）制御により、挿入目標８８を決定する。

　図５に、総合画像７に示している図形、すなわち血管注射に必要な奥行き情報（三次元情報）を示す図形の形状を決定する制御フローを示し、以下に簡単に説明する。ここでは、楕円形の図形により表示する例を示す。まず、針先から挿入目標８８までの距離１２－Ａを検出するステップ（Ｓ３０）と、この距離１２－Ａに基づき、楕円形の横軸直径の長さを決定するステップ（Ｓ３２）を有している。

　他方で、血管９と針１０の延長ライン１１のなす角１２－Ｂを検出するステップ（Ｓ４０）と、なす角１２－Ｂを、最適ななす角（例えば３０°）で除して、角度係数を算出するステップ（Ｓ４１）と、ステップ３２で得た横軸直径に、角度係数を乗じて、楕円形の縦軸直径の長さを決定するステップ（Ｓ４２）を有している。

　以上より得られた横軸直径と縦軸直径から楕円形の形状を決定し、総合画像７に表示（Ｓ３３）する。この制御により、針先と血管の相対的な三次元の位置情報を得ることが可能となり、このため、実用性の高い注射針誘導装置を提供することが可能となる。

　本実施例は、上記実施例の総合画像モニターを、立体映像とするもので、偏光メガネなどを必要とするが、平面画像５と、側面画像６の両画像データ（挿入目標８８、針の延長ラインを含む）を、立体映像ディスプレーで表示するものである。

　以上、実施例を述べたが、本発明の技術的思想を反映する形態は、上述の実施例に限定されるものではない。また、挿入目標、距離、角度、合成など画像データを自動認識し、画像によって通知する映像エンジンプログラムは、種々の対応が可能で、プログラムなどの形態によって、本発明の実施要領や特許請求の範囲が制約を受けるものではない。

　血管と針をバーチャルに画像化し、その血管と針の奥行き関係を開示する本発明の注射針誘導装置は、静脈注射に限らず、採血、輸血、点滴、及び、大腿・内腿・鎖骨下・正中などの静脈や動脈に針、カテーテル、ステントなどの医療器具を穿刺する際の誘導補助装置としても有用である。

１　平面カメラ
２　側面カメラ
３　モニター画面
４　注射針誘導装置
５　平面画像
６　側面画像
７　総合画像
８　交点（側面画像上で、針の延長ラインと血管が交差する点）
９　血管
１０　針、バーチャル針
１１　針の延長ライン（進行仮想線）
１２　距離及び角度を表示する円又は楕円
１２－Ａ　円又は楕円の横軸の長さ（針先から挿入目標までの距離を表すもの）
１２－Ｂ　円又は楕円の縦軸の長さ（針の血管に対する角度を表すもの）
８８　挿入目標

Claims (7)

1. 　近赤外線を用いて血管を画像化する手段と、可視光で針を画像化する手段と、体内に挿入された針及び針の延長ラインをバーチャルに画像化する手段を有することを特徴とする注射針誘導装置。
2. 　血管に向かって並列に設置された２台のカメラで取得する注射器、針及び、血管の画像情報から、血管と針及び針の延長ラインをバーチャルに画像化し、カメラ視点ごとに、血管と針及び針の延長ラインを合成画像とすることを特徴とする請求項１に記載の注射針誘導装置。
3. 　前記合成画像のうち、第１画像を座標軸Ｘ－Ｙ、第２画像を座標軸Ｘ－Ｚで表すとき、第２画像の血管とバーチャル針の延長ラインが交差する交点のＸ軸の値を、第１画像のＸ軸の同じ値にある血管位置に針を挿入する仮目標としてマークし、注射器の方向操作で、第１画像のバーチャル針の延長ラインが、そのマークと合致するとき、そこに対して注射針の挿入を行うことを特徴とする請求項２に記載の注射針誘導装置。
4. 　前記マークと、針先からマークまでの距離及び、針の血管に対する角度の少なくとも一方を、前記合成画像に表示することを特徴とする請求項３に記載の注射針誘導装置。
5. 　前記針先からマークまでの距離と、前記針の血管に対する角度を、前記マークを中心とする図形で表し、針の動きに応じて、距離はその大きさで、角度はその形状変化で表現する奥行きイメージ画像とすることを特徴とする請求項４に記載の注射針誘導装置。
6. 　針が膚に接近する状況を、針と膚に落とす影を撮影して、その画像形状から針の接触直前を認識しモニターに予告表示、又は、音で警告することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の注射針誘導装置。
7. 　前記合成画像を、立体映像ディスプレーで立体映像として表示することを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１つに記載の注射針誘導装置。

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