JP2012513238A - 医療処置ガイダンスに関する自動的な３次元音響撮像 - Google Patents

Abstract

医療処置ガイダンスに関する３次元音響撮像のシステム及び方法が、関心ボリュームを調べるためにスキャンされる音響信号を受信するステップ４１０と、上記音響信号から上記調べられるボリューム内の手術デバイスの位置を決定するステップ４３０と、上記手術デバイスの方向に垂直な第１の平面の第１の表示を表示デバイス１３０に表示するステップ４７０とを含む。有利には、上記第１の平面に垂直な少なくとも１つの平面の第２の表示も表示される。また、有利には、上記第１の平面及び上記第２の平面に垂直な第３の平面の第３の表示も表示される。更に有利には、同じ時間での第１、第２、及び第３の表示が表示される。

Description

本発明は、音響撮像装置及び方法に関し、より詳細には、医療処置ガイダンスに関する自動３次元撮像を用いる音響撮像装置及び方法に関する。

音響波（詳細には、超音波を含む）は、多くの科学的又は技術的な分野において有益である。この分野は、例えば医療診断及び医療処置、機械パーツの非破壊制御及び水中撮像等である。音響波は、光学観察と相補的な診断及び視覚化を可能にする。なぜなら、音響波は、電磁波に対して透過的でない媒体において進むことができるからである。

１つの用途において、音響波は、医療処置を実行する間、開業医により使用される。特に、音響撮像装置は、医療処置の成功した動作を容易にするため、関心ボリュームの画像を開業医に提供するために使用される。特に、音響画像は、手術デバイスが使用されることになるターゲット領域の方へこの手術デバイスを誘導するために、開業医により使用されることができる。

斯かる用途の１つの例は、神経ブロック処置である。この場合、開業医は、遮断剤が注入されることになる神経の方へ麻酔針を誘導する。他の例は、高周波切除（ＲＦＡ）針、生検針、嚢胞ドレナージ、カテーテル配置、ライン配置などを含む処置を含む。

斯かる音響撮像手術ガイダンスのため、医師が、手術デバイスを見て、このデバイスが使用されることになるターゲット領域に対するその位置、方向及び軌跡を容易に目にすることを可能にすることが、望ましい。従来の構成において、これは、必ずしも可能でない。なぜなら、手術デバイスが、音響トランスデューサのスキャン平面と正確にそろえられることはできず、この場合、このデバイスは、撮像されることができないからである。処置デバイスを視覚化することの追加的な複雑さは、針のようなデバイスが挿入されるとき曲がる又は歪むことで発生する可能性がある。

処置の間音響撮像を使用する他の医療処置も、類似する問題を抱える可能性がある。

従って、デバイスが使用されることになるターゲット領域に対する手術デバイスの位置、方向及び軌跡を医師がより容易に見ることを可能にすることができる音響撮像装置を与えることが、望ましい。

本発明の１つの側面によれば、音響撮像装置が、関心ボリュームを調べるためにスキャンされ、音響トランスデューサにより受信される音響信号を処理するよう構成される音響信号プロセッサと、上記処理された音響信号に基づき画像を表示する表示デバイスと、ユーザが上記音響撮像装置の少なくとも１つの動作パラメタを制御することを可能にするよう構成される制御デバイスと、上記処理された音響信号から上記調べられるボリューム内の手術デバイスの位置を決定するよう構成されるプロセッサとを有し、上記音響撮像装置が、上記手術デバイスの方向に垂直な第１の平面の第１の表示を上記表示デバイスに表示するよう構成される。

本発明の別の側面によれば、医療処置ガイダンスに関する３次元音響撮像の方法が、関心ボリュームを調べるためにスキャンされる音響信号を受信するステップと、上記音響信号から上記調べられるボリューム内の手術デバイスの位置を決定するステップと、上記手術デバイスの方向に垂直な第１の平面の第１の表示を表示デバイスに表示するステップとを有する。

本発明の更に別の側面によれば、第１の平面に垂直な第２の平面の第２の表示も表示される。

本発明の更なる側面によれば、第１及び第２の平面に垂直な第３の平面の第３の表示も表示される。

音響撮像デバイスのブロック図である。 手術デバイスとこの手術デバイスが向けられる体の一部とに対する３つの平面の典型的な構成を示す図である。 第１の例に基づき図２に示される３つの平面の表示を示す図である。 第２の例に基づき図２に示される３つの平面の表示を示す図である。 医療処置ガイダンスのため３次元音響撮像の方法のフローチャートを示す図である。

本発明が以下、添付の図面を参照してより完全に記載されるだろう。添付図面において、本発明の好ましい実施形態が示される。しかしながら、本発明は、異なる形式において実現されることができ、本書に記載される実施形態に限定されるものとして解釈されるべきでない。むしろ、これらの実施形態は、本発明の例示的な教示として与えられる。

図１は、音響撮像デバイス１００の高レベル機能ブロック図である。当業者により理解されるように、図１に示される様々な「パーツ」は、ソフトウェア制御されたマイクロプロセッサ、ハードワイヤード論理回路又はそれらの組み合わせを用いて物理的に実現されることができる。また、これらのパーツは図１では説明目的のため機能的に分離されるが、これらは任意の物理実現において様々な態様で組み合わせられることができる。

音響撮像デバイス１００は、音響（例えば、超音波）トランスデューサ１１０、音響（例えば、超音波）信号プロセッサ１２０、表示デバイス１３０、プロセッサ１４０、メモリ１５０及び制御デバイス１６０を含む。

音響撮像デバイス１００において、音響信号プロセッサ１２０、プロセッサ１４０及びメモリ１５０は、共通の筐体１０５に与えられる。しかしながら、表示デバイス１３０は、音響信号プロセッサ１２０、プロセッサ１４０及びメモリ１５０と同じ筐体１０５に与えられることができる。更にいくつかの実施形態では、筐体１０５は、制御デバイス１６０の全ての部分を含むことができる。他の構成も可能である。

音響トランスデューサ１１０は、少なくとも音響信号を受信するよう構成される。ある実施形態において、音響トランスデューサ１１０は、音響信号を送信して、この送信された音響信号により生成される音響「エコー」を受信するよう構成される。別の実施形態では、音響トランスデューサ１１０は、別々のデバイスにより送信又はスキャンされた音響信号を受信する。有利には、音響トランスデューサ１１０は、３次元関心ボリュームを調べる音響信号を受信する。ある実施形態において、音響トランスデューサ１１０は、３次元ボリュームを調べる２次元音響トランスデューサアレイを含むことができる。別の実施形態では、音響トランスデューサ１１０は、任意の瞬間においてスキャン平面を調べる１次元音響トランスデューサアレイを含むことができ、３次元関心ボリュームを調べるため、スキャン平面に対して垂直な方向において、機械的に「揺らされる」又は電子的に操縦されることができる。

ある実施形態において、音響撮像デバイス１００は、一体的な音響トランスデューサ１１０なしに与えられることができ、その代わりに、分離して与えられることができる１つ又は複数の種類の音響トランスデューサを用いて作動するよう構成されることができる。

音響（例えば、超音波）信号プロセッサ１２０は、音響信号が受信されるボリュームに関連するデータを生成するため、受信される音響信号を処理する。

プロセッサ１４０は、音響撮像装置１００のための機能を与えるため、メモリ１５０と連動して１つ又は複数のソフトウェアアルゴリズムを実行するよう構成される。ある実施形態において、プロセッサは、表示デバイス１３０を介してユーザにグラフィカルユーザインタフェースを与えるため、ソフトウェアアルゴリズムを実行する。有利には、プロセッサ１４０は、音響撮像装置１００の様々な機能を実行することを可能にする実行可能ソフトウェアコードを格納する、自身のメモリ（例えば、不揮発性メモリ）を含む。代替的に、実行可能コードは、メモリ１５０内の所定のメモリ位置に格納されることができる。メモリ１５０は、プロセッサ１４０に応じてデータを格納することもできる。

制御デバイス１６０は、ユーザが音響撮像装置１００と相互作用し、これを制御する手段を与える。

図１においては、音響撮像デバイス１００が、プロセッサ１４０及び分離した音響信号プロセッサ１２０を含むものとして示されるが、一般に、プロセッサ１４０及び音響信号プロセッサ１２０は、ハードウェア、ファームウェア及びソフトウェアの任意の組合せを有することができる。特に、ある実施形態において、プロセッサ１４０及び音響信号プロセッサ１２０の処理は、単一の中央処理ユニット（ＣＰＵ）により実行されることができる。本書に開示される音響撮像デバイスと整合する多くの変形例が可能である。

ある実施形態において、プロセッサ１４０は、表示デバイス１３０と連動して、音響撮像装置１００のユーザにグラフィカルユーザインタフェースを与えるソフトウェアアルゴリズムを実行するよう構成される。

入力／出力ポート１８０は、プロセッサ１４０と他のデバイスとの間の通信を容易にする。入力／出力ポート１８０は、１つ又は複数のＵＳＢポート、Ｆｉｒｅｗｉｒｅポート、ブルートゥースポート、無線イーサネットポート、専用設計のインタフェースポート等を含むことができる。ある実施形態において、プロセッサ１４０は、入力／出力ポート１８０を介して制御デバイス１６０から１つ又は複数の制御信号を受信する。

音響撮像装置１００が以下において、その動作の観点から説明されることになる。特に、神経ブロック処置と連動する音響撮像装置１００の例示的な処理が以下に説明されるであろう。

最初に、ユーザ（例えば、麻酔医又は麻酔医のアシスタント）は、患者の体における関心ボリュームを調べるため音響撮像装置１００を調整する。特に、手術デバイス（例えば、針）が患者神経に挿入されることになる場合、ユーザは、針が挿入されることになる体の一部（例えば、神経）を含む患者の体のボリュームを通り音響信号をスキャンするよう、音響トランスデューサ１１０を調整する。音響トランスデューサ１１０が２Ｄトランスデューサアレイを含む実施形態では、このトランスデューサは、３Ｄ画像ボリュームデータを出力する。音響トランスデューサ１１０が１Ｄトランスデューサアレイを含む実施形態では、各時間瞬間において、音響トランスデューサ１１０は、関心ボリュームの薄い（例えば、厚さ１ｍｍの）スライスを表す２Ｄ画像データを出力する。その場合、全体の関心ボリュームに関するボリュメトリックデータを一定の時間間隔生成するよう、１Ｄアレイは、スキャンされる又は「揺らされる」ことができる。

音響撮像装置１００は、受信した音響信号を処理し、手術デバイス（例えば針）及びその現在の位置及び方向を識別する。有利には、音響撮像装置１００は、手術デバイスの軌跡を決定することができる。

ある実施形態において、プロセッサ１４０は、手術デバイス（例えば針）の位置を決定するため、特徴認識アルゴリズムを実行する。有利には、手術デバイスにより占められる領域の全体の範囲が決定される。特徴認識アルゴリズムは、その形状（例えば、線形）、その長さ、その幅等を含む手術デバイスの１つ又は複数の既知の特徴を使用することができる。これらの特徴は、音響撮像装置１００のメモリ１５０に予め格納されることができ、及び／又はプロセッサ１４０及び制御デバイス１６０により実行されるアルゴリズムに基づき、ユーザにより音響撮像装置１００に格納されることができる。ある実施形態において、手術デバイスの少なくとも一部（例えば針の先端）が、その認識を容易にするエコー生成物質で覆われることができる。

別の実施形態では、音響撮像装置１００は、スキャンされるボリュームの１つ又は複数の画像を生成して、ユーザに表示する。ユーザはその後、表示された画像内の手術デバイスを手動で特定するため、制御デバイス１６０を使用することができる。例えば、ユーザは、表示された画像において手術デバイスの境界の輪郭を描く又は境界を定めるため、トラックボール又はマウスを操作することができる。プロセッサ１４０は、ユーザの入力を受信し、手術デバイスの位置を決定する。この場合も、ある実施形態において、手術デバイスの少なくとも一部（例えば針の先端）が、その認識を容易にするエコー生成物質で覆われることができる。

その後、ある実施形態において、音響撮像装置１００は、手術デバイスの方向に垂直な第１の平面を決定する。例えば、手術デバイスが針であるとき、音響撮像装置１００は、針の先端において針の体の長さ方向（長い次元）を通り延在するラインに垂直な平面として、第１の平面を決定することができる。別の構成において、音響撮像装置１００は、手術デバイスの周辺での手術デバイスの軌跡（例えば、針の先端の軌跡）に垂直な平面として、第１の平面を決定することができる。

その後、ある実施形態において、音響撮像装置１００は、第１の平面に垂直な第２の平面を決定する。有利には、注目する体の一部（例えば神経）が延在する方向に平行に第２の平面が延在するよう、この第２の平面は選択されることができる。しかしながら、第２の平面の他の方向も可能である。実際、有利な実施形態において、音響撮像装置１００は、ユーザが第２の平面を選択又は変化させることを可能にする。第１及び第２の平面が決定された後、第１及び第２の平面の両方に垂直なただ１つの第３の平面が存在する。従って、第３の平面は、第１及び第２の平面から決定されることができる。

音響撮像装置１００は、表示デバイス１３０を介して第１、第２、及び第３の平面の一部又は全部を表示する。

これは、図２を参照してより好適に理解されることができる。この図は、手術デバイス（例えば針）１０とこの手術デバイスが向けられる体の一部（例えば神経）２０とに対する３つの平面の例示的な構成を示す図である。図２に示されるように、第１の平面２１０は、軌跡方向Ｄに沿って手術デバイス１０（例えば針）の方向に垂直である。第２の平面２２０は、第１の平面２１０に垂直で、神経２０が延在する方向に平行に延在する。第３の平面２３０は、第１及び第２の平面２１０及び２２０に垂直であり、神経２０の断面を切断する。

図３Ａは、第１の例に基づき図２に示される３つの平面の表示を示す図である。図３Ａに示される表示は、音響撮像装置１００の表示デバイス１３０により表示されることができる。画像３１０は、第１の平面２１０の２次元表示を示し、画像３２０は、第２の平面２２０の２次元表示を示し、画像３３０は、図２の第３の平面２３０の２次元表示を示す。上述したように、いくつかの実施形態では、音響撮像装置１００は、これらの全３平面のうちのいくつかを表示することができる。

図３Ａに示される例において、針１０の軌跡は神経２０から僅かにオフセットされており、現在の軌跡は神経２０に当たらないことになる。この表示を用いて、ユーザは、問題を容易に認識することができ、針が所望の位置及び角度で神経２０をさえぎるよう、針１０の軌跡を調整することができる。

図３Ｂは、第２の例に基づき図２に示される３つの平面の表示を示す図である。図３Ａ同様、図３Ｂにおいて、画像３１０は、第１の平面２１０の２次元表示を示し、画像３２０は、第２の平面２２０の２次元表示を示し、画像３３０は、図２の第３の平面２３０の２次元表示を示す。この場合も、上述したように、いくつかの実施形態では、音響撮像装置１００は、これらの全３平面のうちのいくつかを表示することができる。

図３Ｂに示される例において、針１０の軌跡は、神経２０を貫くことになるものである。この表示を用いて、針が所望の位置及び角度で神経２０をさえぎるよう、ユーザは、針１０を容易に誘導することができる。

図４は、例えば図１の音響撮像装置１００といった音響撮像装置による医療処置ガイダンスのための３次元音響撮像の方法のフローチャートを示す図である。

第１のステップ４１０において、関心ボリュームを調べる音響信号が、音響トランスデューサにより受信される。

ステップ４２０において、音響撮像装置により表示される表示をユーザが選択したかが決定される。選択した場合、この処理は後述するようにステップ４６０へ進む。選択していない場合、この処理はステップ４３０へ進む。

ステップ４３０において、音響撮像装置は、調べられる関心ボリューム内の手術デバイスの位置を決定する。上述したように、これは、音響撮像装置に格納されることができるか又はユーザにより音響撮像装置のメモリに入力されることができる手術デバイスの特徴認識と所定の特徴とを用いて、自動的に実行されることができる。代替的に、手術デバイスの位置は、表示された画像内の手術デバイスを特定するユーザによる支援を用いて決定されることができる。

ステップ４４０において、音響撮像装置は、手術デバイスの方向に垂直な第１の平面を決定する。例えば、手術デバイスが針であるとき、音響撮像装置は、針の先端における針の体に沿って延在するラインに垂直な平面を決定することができる。別の構成において、音響撮像装置は、手術デバイスの周辺部における手術デバイスの軌跡に垂直な平面として、第１の平面を決定することができる。

オプションのステップ４５０において、音響撮像装置は、第１の平面に垂直な、第２及び／又は第３の平面を決定する。有利には、注目する体の一部（例えば神経）が延在する方向に第２の平面が平行に延在するよう、この第２の平面が選択されることができる。しかしながら、第２の平面の他の方向が可能である。第１及び第２の平面が決定された後、第１及び第２の平面の両方に垂直なただ１つの第３の平面が存在する。従って、第３の平面は、第１及び第２の平面から決定されることができる。第１の平面だけが表示されることになる場合、いくつかの実施形態では、ステップ４５０は省略されることができる。

ユーザがステップ４２０において表示されることになる表示を選択した場合、ステップ４６０において、音響撮像装置は、このユーザにより選択された表示のために表示されることになる平面を決定する。１つの構成において、音響撮像装置は、手術デバイスの方向に垂直な第１の平面を決定し、ユーザは、第１の平面に垂直な所望の第２の平面をステップ４２０において選択する。代替的に、ユーザは、表示されることになる全ての平面のいずれかを選択することができる。

ステップ４７０において、音響撮像装置１００は、第１、第２、及び第３の平面の一部又は全部をユーザに表示する。

この処理は繰り返され、その結果、手術デバイスが移動されるにつれて平面の表示が連続して更新される。ある実施形態において、平面表示は、１秒につき５回以上更新されることができる。別の実施形態では、平面表示は、１秒につき２０回以上更新されることができ、有利には１秒につき３０回以上更新されることができる。

好ましい実施形態が本書に開示されるが、本発明の概念及び範囲に含まれる多くの変形例が可能である。例えば、説明の容易さから、上述の例は、局所麻酔学の用途に主に焦点を当てたが、上述されるデバイス及び方法は、以下に限定されるものではないが、脈管アクセスに関する処置、ＲＦ切除、生検処置等を含む、様々な異なる状況及び医療処置に対して適用されることができる。斯かる変形例は、本願明細書、図面及び請求項を読めば、当業者には明らかであろう。従って、添付の請求項の精神及び範囲を除けば、本発明は何ら限定されることはない。

Claims (20)

1. 音響撮像装置であって、
   関心ボリュームを調べるためにスキャンされ、音響トランスデューサにより受信される音響信号を処理するよう構成される音響信号プロセッサと、
   前記処理された音響信号に基づき画像を表示する表示デバイスと、
   ユーザが前記音響撮像装置の少なくとも１つの動作パラメタを制御することを可能にするよう構成される制御デバイスと、
   前記処理された音響信号から前記調べられるボリューム内の手術デバイスの位置を決定するよう構成されるプロセッサとを有し、
   前記音響撮像装置が、前記手術デバイスの方向に垂直な第１の平面の第１の表示を前記表示デバイスに表示するよう構成される、音響撮像装置。
2. 前記表示デバイスが更に、前記第１の平面に垂直な第２の平面の第２の表示を表示する、請求項１に記載の音響撮像装置。
3. 前記表示デバイスが更に、前記第１の平面及び前記第２の平面に垂直な第３の平面の第３の表示を表示する、請求項２に記載の音響撮像装置。
4. 前記表示デバイスが、互いに同じ時間での前記第１の表示、前記第２の表示及び前記第３の表示を表示する、請求項３に記載の音響撮像装置。
5. 前記プロセッサが、前記処理された音響信号から前記調べられるボリューム内の前記手術デバイスの位置を決定するため、特徴認識アルゴリズムを実行するよう構成される、請求項１に記載の音響撮像装置。
6. 前記表示デバイスが、前記調べられるボリュームの１つ又は複数の画像をユーザに表示するよう構成され、前記プロセッサは、前記調べられるボリュームの前記表示された１つ又は複数の画像内の前記手術デバイスを特定するユーザからの入力を、前記制御デバイスを介して受信するよう構成される、請求項１に記載の音響撮像装置。
7. 前記音響撮像装置が、前記手術デバイスの少なくとも一部を覆うエコー生成物質を特定することにより、前記手術デバイスを特定するよう構成される、請求項１に記載の音響撮像装置。
8. 前記音響撮像装置は、表示されることになる前記第１のユーザにより選択された平面を示すユーザからの入力を前記制御デバイスから受信し、前記受信に基づき、前記第１のユーザにより選択された平面の表示を前記表示デバイスに表示するよう構成される、請求項１に記載の音響撮像装置。
9. 前記音響撮像装置が更に、前記第１のユーザにより選択された平面に垂直な第２のユーザにより選択された平面の表示を前記表示デバイスに表示するよう構成される、請求項８に記載の音響撮像装置。
10. 前記手術デバイスの方向が時間にわたり変化するとき、前記音響撮像装置が、前記第１及び第２の表示を連続して更新するよう構成される、請求項１に記載の音響撮像装置。
11. 医療処置ガイダンスに関する３次元音響撮像の方法において、
    関心ボリュームを調べるためにスキャンされる音響信号を受信するステップと、
    前記音響信号から前記調べられるボリューム内の手術デバイスの位置を決定するステップと、
    前記手術デバイスの方向に垂直な第１の平面の第１の表示を表示デバイスに表示するステップとを有する、方法。
12. 前記第１の平面に垂直な少なくとも１つの平面の第２の表示を表示するステップを更に有する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１の平面及び前記第２の平面に垂直な第３の平面の第３の表示を前記表示デバイスに表示するステップを更に有する、請求項１２に記載の方法。
14. 互いに同じ時間での前記第１の表示、前記第２の表示及び前記第３の表示を表示するステップを更に有する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記調べられるボリューム内の前記手術デバイスの位置を前記音響信号から決定するステップが、特徴認識アルゴリズムを実行するステップを有する、請求項１１に記載の方法。
16. 前記調べられるボリューム内の前記手術デバイスの位置を前記音響信号から決定するステップが、
    前記調べられるボリュームの１つ又は複数の画像を表示デバイスを介してユーザに表示するステップと、
    前記調べられるボリュームの前記表示された１つ又は複数の画像内の前記手術デバイスを特定するユーザからの入力を、制御デバイスを介して受信するステップとを有する、請求項１１に記載の方法。
17. 前記調べられるボリューム内の前記手術デバイスの位置を前記音響信号から決定するステップが、前記手術デバイスの少なくとも一部を覆うエコー生成物質を特定するステップを有する、請求項１１に記載の方法。
18. 表示されることになる第１のユーザにより選択された平面の指示を制御デバイスを介してユーザから受信するステップと、
    前記第１のユーザにより選択された平面の表示を前記表示デバイスに表示するステップとを更に有する、請求項１１に記載の方法。
19. 前記第１のユーザにより選択された平面に垂直な第２のユーザにより選択された平面の表示を前記表示デバイスに表示するステップを更に有する、請求項１８に記載の方法。
20. 前記手術デバイスの方向が時間にわたり変化するとき、前記第１及び第２の表示を連続して更新するステップを更に有する、請求項１１に記載の方法。

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