JP4958455B2

JP4958455B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP4958455B2
Application number: JP2006065821A
Authority: JP
Inventors: 元大滝
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2026-03-10
Also published as: JP2007236767A

Description

本発明は、超音波診断装置に係り、特に穿刺支援機能を備えた超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、被検体に超音波を送波するとともに、被検体で反射した超音波を反射エコー信号として受波し、反射エコー信号に基づいて超音波像を再構成して表示している。このような超音波像を参照しながら被検体に穿刺針を刺入して穿刺対象組織等（例えば、羊水など）を採取する穿刺が行われている。穿刺を行うに際しては、まず、被検体に刺入する穿刺針が対象組織に到達する前に穿刺対象組織とは異なる血管や臓器（以下、穿刺障害物という）などを傷つけないような安全な刺入経路を決定する必要がある。従来は、超音波診断装置で得られる２次元情報であるＢモード画像を参照しながら穿刺針の刺入経路の計画を立てていた。しかし、２次元情報であるＢモード画像から体内の立体的な構造を判断することは難しく、刺入経路の計画には経験が必要であった。

また、近年では、３次元超音波像及び超音波探触子と穿刺針支持金具との相対的な位置関係から予め既知となっている穿刺針の刺入経路を表す穿刺ガイドラインを参照して刺入経路の計画を立てる手法が提案されている。しかし、穿刺ガイドラインは、穿刺針の刺入経路を予め予想して模擬的に表示している２次元画像にすぎないので、３次元超音波像と穿刺ガイドラインとを重ね合わせて表示した場合、穿刺障害物などと穿刺ガイドラインとの前後関係がわかりづらく、やはり刺入経路の計画は困難であった。

また、特許文献１には、３次元超音波像と、３次元超音波像を構成する複数の２次元Ｂモード超音波像を表示して、これらの画像を参照しながら穿刺目標位置を特定することが記載されている。さらに、穿刺目標位置を特定した後に、穿刺目標位置と穿刺針支持金具の穿刺針出口とを結ぶガイドラインと、このガイドラインに平行する断面の断面像と、ガイドラインに直交する断面の断面像を表示させ、これらの画像を参照しながら穿刺を行うことが記載されている。これによれば、穿刺目標位置の特定と、穿刺針の刺入を容易に行うことができるとされている。

特開平６−２０５７７６

しかしながら、特許文献１の技術では、適切な刺入経路を計画できない場合がある。すなわち、穿刺目標位置を特定した後にガイドラインに直交する断面像などを参照しながら穿刺針を刺入するので、穿刺障害物が穿刺針の刺入経路又はその付近に存在しているのを見落とす可能性がある。そして、このように穿刺針刺入時に穿刺障害物を発見して穿刺をやり直す場合は、穿刺針の抜き刺しをすることとなり、被検体の負担が増えることとなる。

本発明は、穿刺針の適切な刺入経路を容易に決定することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の超音波診断装置は、被検体との間で超音波を３次元的に送受信する３次元探触子と、３次元探触子に装着され被検体に刺入する穿刺針を挿通するガイド穴を有する穿刺針支持金具と、３次元探触子により受信された反射エコー信号に基づいて複数の超音波像を再構成する画像処理部と、複数の超音波像のデータから予め設定された穿刺針の刺入経路を含む特定超音波像を抽出する抽出部と、複数の超音波像のデータを蓄える画像メモリと、穿刺針の刺入経路を表す穿刺ガイドラインを生成するグラフィックス生成部と、画像メモリに蓄えられた超音波像データ群に基づいて穿刺ガイドラインに直交した断面位置の断面像を再構成する断面像処理部と、特定超音波像と穿刺ガイドラインとを重ねて断面像と並べて合成する画像合成部と、画像合成部で合成された画像を表示する表示部と、断面像の断面位置を設定する制御手段とを備えてなることを特徴とする。

すなわち、特定超音波像は、予め設定された穿刺針の刺入経路を含む画像であるので、特定超音波像には穿刺針の刺入経路を表す穿刺ガイドラインが常に表示される。したがって、特定超音波像を参照しながら穿刺目標位置に穿刺ガイドラインを合わせた状態で、穿刺目標位置に到達するまでの穿刺ガイドライン上又は穿刺ガイドライン付近に穿刺障害物が存在するか否かを２次元的にではあるが確認できる。特定超音波像上で穿刺目標位置に穿刺ガイドラインを合わせ、かつ穿刺ガイドラインが穿刺障害物を避けるように超音波探触子の位置を調整した後に、特定超音波像と並べて表示する穿刺針の刺入経路に直交する断面像を参照することで、穿刺目標位置に到達するまでに穿刺針の刺入経路の付近に穿刺障害物が存在するか否かを３次元的に確認できる。このように、特定超音波像と穿刺ガイドラインとを重ねた画像及び断面像の両画像を参照しながら穿刺針の刺入経路を計画することで、穿刺針の適切な刺入経路を容易に決定することができる。

この場合において、グラフィックス生成部は、制御手段により設定された断面位置を表すマークを生成して表示部に表示させることが好ましい。これにより、表示部に表示されている断面像が、特定超音波像上のどの位置の断面像なのかを認識することができる。

また、制御手段は、外部入力手段から入力される断面位置の指令信号に基づいて断面位置の設定を変更してもよいし、また、断面位置を予め設定された位置に順次移動させる自動設定手段を用いて断面位置を変更してもよい。これにより、自動的に変更する断面像を参照しながら、穿刺障害物の有無を確認することもできるし、外部入力手段により特定の場所をより詳しく観察することも可能となる。

さらに、グラフィックス生成部は、制御手段により設定される断面位置を表すマークを複数生成して表示部に表示させ、断面像処理部は、制御手段により設定される複数の断面位置における断面像をそれぞれ再構成して表示部に表示させることが好ましい。これによれば、複数の断面像を並べて表示するので、被検体内の立体的構造を把握しやすくなり、穿刺針の適切な刺入経路を容易に決定することができる。

また、グラフィックス生成部は、断面像上に穿刺針が通過する場所を表すマークを生成して表示部に表示させることが好ましい。これによれば、断面像上で穿刺針が通過する場所が明確になり、穿刺針の刺入経路と穿刺障害物との位置関係を明確に把握できるので、穿刺針の適切な刺入経路を容易に決定することができる。

本発明によれば、穿刺針の適切な刺入経路を容易に決定することができる。

以下、本発明を適用してなる超音波診断装置の実施形態を、図１〜図９を用いて説明する。

図１は、本実施形態の超音波診断装置の構成を示す概略ブロック図である。本実施形態の超音波診断装置１は、被検体に対して超音波を３次元的に送信及び受信する３Ｄ用超音波探触子２と、３Ｄ用超音波探触子２に装着される穿刺針支持金具３と、被検体に刺入する穿刺針４と、３Ｄ用超音波探触子２に駆動信号を送信するとともに３Ｄ用超音波探触子２により受信された反射エコー信号を受信して増幅する超音波送受信部６と、３Ｄ用超音波探触子２に送波する駆動信号及び反射エコー信号を整相する超音波整相部７と、超音波整相部７で整相された反射エコー信号を順次入力して、超音波画像を再構成する画像構成部８と、画像構成部８で再構成された画像を表示するモニタ９と、超音波整相部７及び画像構成部８を制御する制御部１１と、制御部１１に指令信号を与える入力部１２で構成されている。

ここで、３Ｄ用超音波探触子２に対して穿刺針支持金具３は設定位置に固定されているため、３Ｄ用超音波探触子２及び穿刺針支持金具３に設けられたガイド穴１３を通って被検体に刺入される穿刺針４の相対的な位置関係も固定されることとなる。なお、３Ｄ用超音波探触子２の長軸方向を表す矢印１４の中心ライン１５に対する穿刺針４の角度θは可変であるが、一旦角度を設定した後に変更する場合は、再度設定が必要である。

次に、本発明の特徴部である画像構成部８の詳細について、図２〜図８を用いて説明する。図２は、画像構成部８の構成を示す詳細ブロック図である。画像構成部８は、超音波整相部７から出力された超音波データを蓄えるフレームメモリ８ａと、フレームメモリ８ａの超音波データの座標変換等を行い２Ｄ画像を再構成する２Ｄスキャンコンバージョン部８ｂと、２Ｄスキャンコンバージョン部８ｂで再構成された複数枚の２Ｄ画像を格納する３Ｄ生成用フレームメモリ８ｃと、３Ｄ生成用フレームメモリ８ｃに格納された複数枚の２Ｄ画像からボリュームデータを生成する３Ｄスキャンコンバージョン部８ｄと、制御部１１からの信号に基づきボリュームデータから断面像を再構成する断面像生成部８ｅと、穿刺支援用のグラフィックを生成するグラフィックス生成部８ｆと、複数の画像を合成してモニタ９に表示させる画像合成部８ｇで構成される。

ここで、上記各部の機能の詳細について図３〜図９を用いて説明する。図３は、２Ｄスキャンコンバージョン部８ｂ及び３Ｄスキャンコンバージョン部８ｄの機能説明に用いる概念図である。２Ｄスキャンコンバージョン部８ｂは、図３の左図に示すように３Ｄ用超音波探触子２でスキャンした複数枚（図３においてはフレーム番号０〜６で表される７枚）の２Ｄ画像１６を順次再構成して、これらを３Ｄ生成用フレームメモリ８ｃに格納する。３Ｄスキャンコンバージョン部８ｄは、３Ｄ生成用フレームメモリ８ｃに格納された複数枚の２Ｄ画像１６の座標変換等を行って、図３右図に示すように直交したＸＹＺ座標系で表されるボリュームデータ１７を生成する。

ここで、穿刺針支持金具３は、複数枚の２Ｄ画像１６のいずれかと同一面に穿刺針４が刺入されるように３Ｄ用超音波探触子２に固定されているので、これら複数枚の２Ｄ画像１６のいずれかは、穿刺針４の刺入経路１８を含む画像（以下、特定超音波像１９という）となる。図４は、ボリュームデータ１７と穿刺針４の刺入経路１８との関係を例示した概念図である。この例では、ボリュームデータ１７を構成する複数枚の２Ｄ画像１６のうち、略中心の２Ｄ画像が特定超音波像１９である場合を示している。

上述したように、３Ｄ用超音波探触子２と穿刺針４の相対的な位置関係は固定されているので、特定超音波像１９は既知となる。２Ｄスキャンコンバージョン部８ｂは、再構成した複数枚の２Ｄ画像１６から特定超音波像１９を抽出して、この画像に限って３Ｄ生成用フレームメモリ８ｃに格納するだけではなく、画像合成部８ｇに送信してモニタ９に表示させる機能を有している。

断面像生成部８ｅは、ボリュームデータ１７から制御部１１で設定された断面位置の断面像２０を再構成する。ここで、断面像２０の断面位置は、トラックボールなどの入力部１２による操作を制御部１１で検出して、制御部１１から断面像生成部８ｅに与えられる。トラックボールなどの入力部１２はあらゆる方向に動きを指示できるが、制御部１１によって穿刺針刺入方向及びその逆方向に直交する成分のみが抽出されて断面像生成部８ｅに位置情報が与えられる。したがって、図５に示すように、断面像生成部８ｅで再構成される断面像２０は、穿刺針４の刺入経路１８に直交した断面位置での断面のみとなり、穿刺針４の刺入方向と同一の視線方向の断面像がモニタ９に表示される。

本実施形態では、断面像２０の断面位置は、トラックボールなどの入力部１２の操作に基づいて制御部１１で設定されているが、これに限らず例えば断面位置を予め設定された位置に順次移動させる自動設定手段を制御部１１に内蔵してもよい。また、入力部１２の操作と自動設定手段を状況によって切り替えながら使用してもよい。

グラフィックス生成部８ｆは、３Ｄ用超音波探触子２と穿刺針４との相対的な位置関係に基づいて穿刺針４の刺入経路を表す穿刺ガイドライン２１を生成する。また、制御部１１で設定された断面位置を表す直交線２２及び断面像２０上の穿刺針４が通過する予定の位置を表す穿刺針通過点マーク２３を生成する。

グラフィックス生成部８ｆで生成された各画像、２Ｄスキャンコンバージョン部８ｂで再構成されて抽出された特定超音波像１９及び断面像生成部８ｅで再構成された断面像２０は、画像合成部８ｇによって図６に示すように合成される。つまり、モニタ９の左側には特定超音波像１９、穿刺ガイドライン２１及び直交線２２が重ねて表示され、モニタ９の右側には、断面像２０及び穿刺針通過点マーク２３が重ねて表示される。

ここで、上述したように、制御部１１で設定される断面位置は、穿刺針４の刺入経路に直交した位置のみとなるので、直交線２２の移動は図７に示すように、穿刺ガイドライン２１上の穿刺針刺入方向２４及びその逆方向２５のみに制限される。

また、図８は、複数の断面位置を設定した場合のモニタ９の表示例を示す図である。直交線２２は操作者により任意間隔に配置され、任意間隔のまま穿刺ガイドライン２１上を穿刺針刺入方向２４及びその逆方向２５に移動可能である。しかし、これに限らず、例えば直交線２２を予め設定された等間隔で配置する自動設定手段を制御部１１に内蔵することにより、グラフィックス生成部８ｆは、直交線２２を対象領域の大きさに応じて等間隔で表示させることができる。具体的には、胆嚢等微小領域に直行線２２を設定すると入力部１２で操作した場合、制御部１１は例えば１ｍｍ程度の間隔ごとに直交線２２を自動に設定させる。肝臓等比較的大きな領域に直行線２２を設定すると入力部１２で操作した場合、制御部１１は例えば３ｍｍ程度の間隔ごとに直交線２２を自動に設定させる。

また、必要に応じて、直交線２２を穿刺針４の刺入経路に直交した位置に限定することなく、刺入経路に対して任意の角度に設定する機能を付加することも可能である。例えば、設定した直行線２２に対応した断面像の周辺を観察したい場合、等間隔で配置させた複数の直交線２２のうち一つの直交線２２の角度を任意に設定する。したがって、穿刺ガイドライン２１と直交線２２の交点を中心にして３６０度の画像を観察することができるため、正確に穿刺計画を立てることができる。

このようにして配置された複数の直交線２２が指定する位置は制御部１１から断面像生成部８ｅに入力され複数の断面像２０が再構成される。これら複数の断面像２０は、モニタ９の右側に表示され、各断面像２０上には穿刺針通過点マーク２３が表示される。

ここで、モニタ９に表示される断面像２０の表示領域は可変である。つまり、使用状況に応じて断面像２０の表示領域を縮小して穿刺針通過点マーク２３の付近を拡大させて詳細に観察したり、逆に表示領域を拡大して断面像２０を広く観察することなどが可能である。

なお、本実施形態の超音波診断装置１に、例えば血流など被検体内で移動する対象物に超音波を送波した際に、送波の周波数と反射波の周波数がドプラ効果によって偏位することを利用した超音波ドプラ機能を付加する。制御部１１は、血流を検出した血流ドプラ信号が存在する箇所まで直交線２２を等間隔に配列させ、グラフィックス生成部８ｆは、直交線２２を等間隔で表示させる。血流ドプラ信号が存在する血管は穿刺障害物となり得るため、その血管の手前の位置まで穿刺針の刺入経路を決定する必要がある。そこで、血管の箇所まで直交線２２を等間隔に配列さることにより、効率的に穿刺計画を立てることができる。

また、直交線２２上に血流ドプラ信号が存在する場合、グラフィックス生成部８ｆが直交線２２を例えば青色に着色してモニタ９に表示させることも可能である。これによれば、操作者は、青色に着色された直交線２２の存在により穿刺障害物となり得る血管の存在を容易に発見でき、効率よく穿刺針の適切な刺入経路を決定することができる。

次に、穿刺針４の刺入経路を決定する手順について図９を用いて説明する。図９は、本実施形態の超音波診断装置で穿刺針４の刺入経路を決定するための動作フローチャートである。穿刺針４の刺入経路の計画を開始すると、まず、穿刺対象組織の場所におおよその見当をつけて３Ｄ用超音波探触子２を被検体の体表に接触させ、超音波を３次元的に送受信する（Ｓ１）。被検体から３Ｄ用超音波探触子２に反射してくる反射エコー信号に基づいて、２Ｄスキャンコンバージョン部８ｂで２次元超音波像を順次再構成する（Ｓ２）。再構成された全ての２次元超音波像を３Ｄ生成用フレームメモリ８ｃに格納する（Ｓ３）。

Ｓ３の処理と平行して、再構成された２次元超音波像のうち、特定超音波像１９のみを画像合成部８ｇに送りモニタ９に表示させる（Ｓ４）。グラフィックス生成部８ｆで穿刺針４の刺入経路を表す穿刺ガイドライン２１を生成して、特定超音波像１９に重ねて表示する（Ｓ５）。トラックボールなどの入力部１２からの指令信号に基づいて制御部１１で設定された断面位置における断面像２０を断面像生成部８ｅで再構成して、特定超音波像１９に並べて表示する（Ｓ６）。ここで設定された断面位置情報に基づいて、穿刺ガイドライン２１に重ねて直交線２２が表示され、断面像２０に重ねて穿刺針通過点マーク２３が表示される（Ｓ７）。

特定超音波像１９を参照しながら穿刺目標位置を特定して、穿刺目標位置に穿刺ガイドライン２１が重なるように３Ｄ用超音波探触子２の位置を移動させる。このとき被検体の体表から穿刺目標位置に到達するまでの穿刺ガイドライン２１と穿刺障害物が重なっていないか、又は穿刺ガイドライン２１の付近に穿刺障害物が存在していないかを確認する。言い換えれば、穿刺ガイドライン２１が穿刺目標位置に重なり、かつ穿刺障害物から十分距離を保つように３Ｄ超音波探触子２の位置を調整する（Ｓ８）。この状態で断面像２０の設定断面位置を変更しながら、被検体の体表から穿刺目標位置に到達するまでに、穿刺針４の刺入経路付近に穿刺障害物が存在していないか確認する（Ｓ９）。

Ｓ９の処理で刺入経路又は刺入経路付近に穿刺障害物が存在しており穿刺が困難であると判断された場合は、再びＳ８の処理に戻って別の刺入経路を探す。穿刺障害物が存在していないと判断された場合は、その状態で３Ｄ用超音波探触子２の位置がずれないように固定して、穿刺の実行に移る。

穿刺の実行に際しては、穿刺針４を穿刺針支持金具３に設けられたガイド穴１３に沿って刺入していけば、穿刺目標位置に向かって被検体内を侵入していくが、刺入経路の奥行き方向への刺入距離に関しては画像での確認が必要となる。特定超音波像１９には、被検体内の穿刺針４の画像がリアルタイムに描出されるので、この画像を参照しながら穿刺針４を刺入していけばよい。穿刺を実行する段階で、穿刺針４が描出される超音波像のリアルタイム性を向上させる目的で、３Ｄ用超音波探触子２を３次元モードから２次元モードに切り替えることも可能である。

以上説明してきたように、本実施形態の超音波診断装置によれば、まず、特定超音波像１９と穿刺針４の刺入経路１８を表す穿刺ガイドライン２１を重ねて表示するので、この画像を参照しながら、穿刺目標位置の特定及び２次元的に穿刺障害物が存在するか否かの確認ができる。

そして、穿刺針４の刺入経路１８に直交する断面像２０を参照することで、被検体の体表から穿刺目標位置までの穿刺針４の刺入経路に穿刺障害物が存在するか否かを３次元的に確認できる。つまり、これらの両画面を参照しながら穿刺針４の刺入経路を計画することで、穿刺針４の適切な刺入経路を容易に決定することができる。

本実施形態における超音波診断装置の構成を示す概略ブロック図である。本実施形態における超音波診断装置の画像構成部の構成を示す詳細ブロック図である。本実施形態における２Ｄスキャンコンバージョン部及び３Ｄスキャンコンバージョン部の機能説明に用いる概念図である。ボリュームデータと穿刺針の刺入経路との関係を説明するための概念図である。ボリュームデータと断面像との関係を説明するための概念図である。本実施形態における超音波診断装置のモニタの表示例を表す図である。直交線の移動方向について説明するための概念図である。本実施形態における超音波診断装置のモニタの表示例を表す図である。本実施形態における超音波診断装置で穿刺針の刺入経路を決定するための動作フローチャート図である。

符号の説明

１超音波診断装置
２３Ｄ用超音波探触子
３穿刺針支持金具
４穿刺針
８画像構成部
８ｂ２Ｄスキャンコンバージョン部
８ｃ３Ｄ生成用フレームメモリ
８ｄ３Ｄスキャンコンバージョン部
８ｅ断面像生成部
８ｆグラフィックス生成部
８ｇ画像合成部
９モニタ
１１制御部
１２入力部
１３ガイド穴
１９特定超音波像
２０断面像
２１穿刺ガイドライン
２２直交線
２３穿刺針通過点マーク

Claims

被検体との間で超音波を３次元的に送受信する３次元探触子と、
該３次元探触子に装着され前記被検体に刺入する穿刺針を挿通するガイド穴を有する穿刺針支持金具と、
前記３次元探触子により受信された反射エコー信号に基づいて複数の超音波像を再構成する画像処理部と、
前記複数の超音波像のデータから予め設定された前記穿刺針の刺入経路を含む特定超音波像を抽出する抽出部と、
前記複数の超音波像のデータを蓄える画像メモリと、
前記穿刺針の刺入経路を表す穿刺ガイドラインを生成するグラフィックス生成部と、
前記画像メモリに蓄えられた超音波像データ群に基づいて前記穿刺ガイドラインに直交した断面位置の断面像を再構成する断面像処理部と、
前記特定超音波像と前記穿刺ガイドラインとを重ねて前記断面像と並べて合成する画像合成部と、
該画像合成部で合成された画像を表示する表示部と、
前記刺入ガイドラインにおいて、ドプラ信号が検出される位置まで前記断面像の断面位置を設定する制御手段と
を備えてなる超音波診断装置。
前記グラフィックス生成部は、前記制御手段により設定された前記断面位置を表すマークを生成し、前記ドプラ信号が検出される前記断面位置を表す前記マークを変化させて前記表示部に表示させることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
前記制御手段は、外部入力手段から入力される前記断面位置の指令信号に基づいて前記断面位置の設定を変更することを特徴とする請求項２に記載の超音波診断装置。
前記制御手段は、前記断面位置を予め設定された位置に順次移動させる自動設定手段を有することを特徴とする請求項２に記載の超音波診断装置。
前記グラフィックス生成部は、前記制御手段により設定される前記断面位置を表すマークを複数生成して前記表示部に表示させ、前記断面像処理部は、前記制御手段により設定される複数の前記断面位置における前記断面像をそれぞれ再構成して前記表示部に表示させることを特徴とする請求項３に記載の超音波診断装置。
前記グラフィックス生成部は、前記断面像上に前記穿刺針が通過する場所を表すマークを生成して前記表示部に表示させることを特徴とする請求項５に記載の超音波診断装置。