JP5906200B2 - 超音波撮像における撮像平面の自動配置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに交差する少なくとも２つの２次元画像を用いる超音波撮像に関する方法、斯かる方法を実行するよう構成される超音波撮像デバイス、斯かる超音波撮像デバイスを含むシステム、斯かる方法を実行するコンピュータプログラム、及び斯かるコンピュータプログラムを格納するコンピュータ可読媒体に関する。

リアルタイム超音波は、例えば生検及び局所切除治療法（無線周波数切除を含む）といった介入的な手順を誘導するため、日常的に用いられる。メカニカル及びマトリクストランスデューサにおけるリアルタイムのマルチプラナ再構成（ＭＰＲ）及びバイプレーン（bi-plane）超音波の最近の導入により、任意の平面においてリアルタイム生体構造情報を集めることが現在は可能である。バイプレーン超音波撮像において、２つの撮像平面が生成される。この平面は共に、トランスデューサのアクティブ開口と交差する。ＭＰＲは、生の画像データのセットから２次元画像を再構成する方法である。即ち、横断断面画像のセットから、異なる方向を持つ任意の画像が計算されることができる。例えば、正面、矢状又は傾斜断面画像である。ＭＰＲにおいて、トランスデューサ開口と交差しない、そのように決定された撮像平面は、Ｃ平面と呼ばれる。

ＵＳ２００７／００７３１５５Ａ１号は、患者に針を挿入する前に、２次元超音波画像の撮像平面における針の目的地を調節可能に決めるコンパクトな超音波針誘導システム及び方法を記載する。このシステムにおいて、持針器は、検査の被写体の２次元画像を取得する超音波プローブに提供される。挿入の間、針の方向が変化しないと仮定すると、持針器の位置及び従って針の方向が分かれば、２次元画像と針との交差ポイントが決定されることができる。この交差ポイントは、ディスプレイ上に２次元画像を表示するときマークされることができる。しかしながら、このシステムは使用の際あまり柔軟でない。その結果、代替的な撮像方法及びシステムに対する必要性が存在する。

本発明の目的は、超音波撮像に関する代替的な方法及びシステムを提供することである。

上記目的は、独立請求項に記載の方法及びシステムを用いて解決される。更なる有利な発展は、従属項に記載される。

本発明のある実施形態によれば、超音波撮像に関する方法が提供される。そこでは、検査の対象物、例えば患者に含まれるターゲット領域へと移動される介入的な対象物、好ましくは針の長手方向と整列配置される第１の２次元画像が取得される。この整列は、介入的な対象物の長手軸が、実質的に又は正確に第１の画像の撮像平面に含まれることを意味する。更に、第１の２次元画像が取得される前又は後に、介入的な対象物の位置及び方向が自動的に決定される。このオーダーは、位置及び方向が決定される方法に依存する。好ましくは、これは、画像特徴解析を用いて、又は介入的な対象物を電磁気に追跡することにより、又は光学センサによる位置の決定により、実行されることができる。画像特徴解析を用いる場合、又は光学センサによる決定の場合、介入的な対象物の位置は、任意の画像を取得する前に決定されることができる。画像特徴解析を用いるとき、介入的な対象物の位置を決定する基礎として、少なくとも１つの画像が取得されなければならない。介入的な対象物の位置及び方向に基づき、第２の２次元画像の位置が、自動的に決定され、第２の２次元画像が取得される。第２の２次元画像は、介入的な対象物の長手方向と交差し、好ましくは、第１及び第２の画像の撮像平面は互いに垂直である。ＭＰＲが用いられる場合、介入的な対象物の長手軸に対しても垂直であるよう、Ｃ平面が選択される。「取得する」という用語は、バイプレーン超音波の場合において、トランスデューサ及びデータプロセッサを用いて画像を取得することを含むことができ、ＭＰＲの場合において、利用可能なデータベースから所望の画像を取得することを含むことができる。同様に、「取得デバイス」という用語は、トランスデューサだけでなく、利用可能なデータベースから所望の画像を取得するコンピュータ又はデータプロセッサのモジュールを含むことができる。

この実施形態は、移動される介入的な対象物の運動が自動的に追跡されることを可能にする。その結果、検査下の対象物の所望の撮像が、表示されることができる。ここで、この撮像は、介入的な対象物の運動に対して固定される。こうして、撮像システムの処理は、より少ない参加者を必要とし、例えば外科医といったユーザは、他の作業に更に集中することができる。誘導のための真のリアルタイム撮像モダリティを提供するという点で、超音波は、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）に対して有利である。これにより、ターゲット領域に対して針を誘導するとき、介入放射線医により多くの自信が提供される。

更なる実施形態によれば、ある方法が提供され、そこでは、上記介入的な対象物の位置及び方向を決定するステップが、上記介入的な対象物の先端、特に針の先端の位置を決定するステップを含み、上記第２の画像が、上記先端の前方へ所定の距離分を遠ざけられるよう、上記第２の画像の位置が決定される。

この点で、本発明の発明者らは、従来の方法及びシステムを用いるとき、介入的な対象物がその軌跡に沿ってどの障壁に遭遇するかについてユーザが良好な概要を得ていないことに気づいた。こうして、「仮想内視鏡」が超音波撮像デバイスに提供される。好ましくは、この方法は、平面が常に針先端のわずかに前方にあるよう、Ｃ平面（ＭＰＲが用いられるとき）又は横断平面（バイプレーン超音波を用いるとき）を調整するステップを含む。ＭＰＲを用いるとき、針シャフトは好ましくは常にＣ平面に垂直である。この撮像平面構成は特に、針先端の前方の即時的な景色に関する情報をユーザに提供する。これは、例えば主血管に当たることを回避するため、必要に応じてユーザが針軌跡を予想及び調整することを可能にする。

さらに他の実施形態によれば、上記介入的な対象物の位置及び方向が、反復的に決定され、上記第２の画像の位置が、上記介入的な対象物の変化する位置及び／又は方向に対して適合される。こうして、介入的な対象物が移動される間距離が一定に保たれるよう、介入的な対象物の位置及び上記調整の実行が定期的に追跡される。こうして、介入的な対象物が挿入される間、ユーザは景色情報の更新を得る。この更新は、所定の時間間隔内でリアルタイムに実行されることができる。

更なる実施形態によれば、この方法は完全に自動的である。一方、別の実施形態では、例えば、所望の距離の入力を要求することにより、この方法はユーザと相互作用する。

さらに他の実施形態によれば、この方法は、針先端の前の異なる距離に配置される複数の横断方向の平面を取得及び表示するステップを有する。ユーザは、現在の方向において針を保つ場合に、針の前の経路に何があるかについての追加的な概要を得ることができる。

更に、本発明は、上記方法の少なくとも１つを実行するよう構成される超音波撮像デバイス、斯かる方法を実行するコンピュータプログラム、及び斯かるコンピュータプログラムを格納するコンピュータ可読媒体を提供する。これらはすべて、上述した実施形態と同じ利点を提供する。

本発明の要旨は、関心領域を含む少なくとも２つの撮像平面の表示を可能にする超音波信号が取得される方法を提供することと見られることができる。これらの撮像平面の１つは、針の主軸と整列配置され、他の平面は、これに対する横断方向にあり、針先端の前の所定の距離に配置される。

２つの撮像平面の３次元のイラストを用いて撮像システムを概略的に示す図である。 図１ａの撮像平面の上面図である。 本発明のある実施形態による超音波撮像に関する方法を示すフローチャートである。

本発明のこれら及び他の側面が、以下に説明される実施形態から明らかとなり、これらの実施形態を参照して説明されることになる。

図１ａは、本発明のある実施形態による撮像システム１を概略的に示す。図１ａは、３次元表示における２つの撮像平面を更に示し、図１ｂは、トランスデューサのアクティブ開口から見られる、針の長手方向軸を含む平面に沿ったこれらの撮像平面の上面図投影を示す。図１ａ及び図１ｂは、バイプレーン超音波撮像の場合を例示的に示す。しかしながら、本発明の教示は、マルチプラナ再構成（ＭＰＲ）においても同様に適用可能である。ＭＰＲ及びバイプレーン超音波撮像において、少なくとも２つの垂直な撮像平面を同時に表示することが可能である。１つに平面は、例えば医療針といった介入デバイスの主軸に沿ったものであり、別の平面は、図１ｂの上面図において、介入デバイスの主軸に垂直に存在する。斯かる構成は、リアルタイム超音波誘導下で、ターゲット病巣へと介入デバイスを誘導するとき有益である。

図１ａは、第１の撮像平面８、例えば方位角の平面に含まれる超音波信号を送信及び受信するトランスデューサ２を示す。更に、第２の撮像平面９に含まれる超音波信号を送信及び受信するトランスデューサ２が提供される。例えば、バイプレーン超音波の場合、横断平面又はバイプレーンが用いられ、ＭＰＲの場合、Ｃ平面が用いられる。トランスデューサ２は好ましくは、２Ｄアレイ・マトリクストランスデューサである。斯かる２Ｄアレイ・マトリクストランスデューサは、検査される対象物に面する表面上に、例えばチェス盤又はセグメント化されたリング状の態様で構成されるトランスデューサ要素のアレイを有する。これらのトランスデューサ要素の各々はそれ自身の送信受信チャネルを具備する。こうして、個別のトランスデューサ要素が、個別に制御されることができる。それらを適宜駆動することにより、結果として生じる超音波ビームは、傾けられる、（垂直軸又はトランスデューサのセンタービームに沿った軸の周りで）回転される、及び、以前のデバイスのようにトランスデューサを物理的に回転させる必要なしに、電子的に焦束されることができる。トランスデューサ２は、トランスデューサ２を制御するよう構成されるデータプロセッサ４に接続される。更に、データプロセッサ４は、トランスデューサ２により取得される超音波信号に対応する、それぞれ撮像平面８及び９に含まれる２次元画像１０及び１１を再構成する。画像１０及び１１は、例えば患者（図示省略）といった検査の対象物の再構成を提供する。対象物の特定のターゲット領域７、例えばターゲット病巣は、少なくとも第１の撮像平面８により交差される。これらの画像１０及び１１は、データプロセッサ４に接続されるディスプレイ５により表示可能である。また、撮像システム１は、撮像システム１を操作するためユーザに提供されるユーザインタフェース６を有する。

図１ａは、針１３を更に示す。この針は、他の任意の介入デバイスとすることもできる。第１の撮像平面８は、針１３の長手方向軸１４に揃えられるよう配置される。即ちこの長手軸は、第１の撮像平面８に含まれる。例えば従来技術において既知の形状認識アルゴリズムといった画像特徴解析を少なくとも第１の画像１０に適用することにより、針１３の位置及び方向、特にシャフト方向及び針先端１５の位置が、画像１０において自動的に認識されることができる。この目的のため、データプロセッサ４は、特徴解析方法を実行することができ、従って検出デバイスとして機能することができる。

代替的な態様において、針１３の位置及び方向、特にシャフト方向及び針先端１５の位置は、自動先端追跡機能を実現するTraxtal, Inc.により導入される電磁気針先端追跡といった電磁気追跡により自動的に認識される。この目的のため、従来技術から知られるように、別々の電磁追跡デバイスが提供されなければならない。これらのデバイスは、データプロセッサ４に接続される。

この情報は、第２の撮像平面９の位置及び／又は方向を決定するために、リアルタイムに用いられる。その結果、針先端１５と、長手軸１４が第２の撮像平面９と交差するポイントとの間の長手軸１４に沿った距離である距離１６分、針先端１５のわずかに前方にこの平面が進められる。図１ｂにおいて、上面図への距離１６の投影が示される。この場合、斯かる投影も、関連する距離として用いられることができる。この距離１６は、トランスデューサ２の個別のトランスデューサ要素を制御することによりセットされることができる。その結果、結果として生じる超音波ビームが、垂直軸又はトランスデューサの中央ビームに沿った軸の周りで回転され、及び、傾き動作が、参照符号１７でマークされる矢印により示されるように実現されるよう、軸１２の周りで傾斜される。参照符号１８は、第１及び第２の撮像平面の交差ラインを示す。ＭＰＲを用いる場合、第２の撮像平面９は、長手軸１４に垂直であるよう追加的に選ばれることができる。針先端１５及び第２の撮像平面９の間の好ましい距離は、必要に応じて針軌跡に対する調整をするのに十分な時間をユーザに与えるようなものにされるべきである。好ましい距離は、数ミリメートルから数センチメートルの間のいずれかである。この距離はより好ましくは、１〜５ｍｍの範囲にあり、撮像システムにより自動的及び反復的に決定されるか、一度自動的に決定され、撮像手順の間一定に保たれるか、ユーザインタフェース６を用いてユーザにより決定されるかのいずれかである。この距離が自動的に決定される場合、それは、介入的な対象物のタイプ、介入的な対象物の移動する速度、検査の対象物及び／又はターゲット領域のタイプに基づき決定されることができる。この文脈において、実施形態は、第２の撮像平面９及び針先端１５の間の距離を特定するために、ユーザ又はオペレータに対する革新的なインタフェースを有する。例えば、ユーザは、センチメートル又はミリメータで所望の距離を入力するよう促されることができる。この距離が入力されると、針先端１５の所望の距離分前方で第２の撮像平面９を取得及び表示するため、撮像システムが起動される。

針１３の位置及び／又は方向を持つことで、長手軸１６が第２の撮像平面９と交差するポイントが、ディスプレイ５に表示されるとき、取得された第２の画像１１においてマークされることができる。使用の際、撮像平面８及び９は、生の超音波画像を実現するため、針の運動に追従することになる。マーカーは、例えば十字線により又は交差ポイントを囲む円により、生の超音波画像上に重畳される。こうして、針の予想された経路が表示されることができる。

本実施形態において、針先端１５及びシャフト方向に関する情報は、トランスデューサ２（超音波スキャナ又はビーム形成器）をリアルタイムに駆動し、及び第２の撮像平面９（横断面）がどのように作成されるかを決定する。超音波撮像システム１がＭＰＲモード（これは、４次元又はＣ平面モードができる）で動作するとき、トランスデューサは位置／方向を決定される必要がない。なぜなら、撮像平面の全てが集められているからである。この場合、調整はＭＰＲ画像再構成ステップに適用される。これは、超音波システム撮像システム上又は外部コンピュータ上で行われることができる。

上記に対する精練は、例えば周囲の生体構造といった検査の対象に関して針の軌跡がどのようなものになるかを予想することができるよう、針先端１５へと平面を戻すため又は針先端１５から平面を遠ざけるため、ユーザ又はオペレータが、針シャフトに沿って第２の撮像平面９を素早くスライドすることを可能にする。

図２は、示された方法ステップを参照して、第２の撮像平面９の自動位置決めを行う上記の説明された方法を示すフローチャートである。この図において、針１３の位置及び方向が、バイプレーン撮像を行うとき、画像特徴解析を用いて決定される場合が示される。第１のステップＳ１００において、ユーザは、針１３のシャフトに沿って、第１の撮像平面８を整列配置する。この目的のため、第１の画像１０がディスプレイ５に表示される。この第１の撮像平面８は、針先端１５も示す。その結果、次のステップＳ１０１において、画像特徴解析の適用により、針１３の位置及び方向が決定される。最初に第１の画像８に垂直な（及びトランスデューサのアクティブ開口から見られる上面図において針シャフトに垂直な）追加的な画像が、ユーザにより針先端１５に配置されるとき、より正確な位置及び方向データが実現されることができる。代替的に、ユーザによる第１の撮像平面８の整列に対して、この整列は、画像を取得し、針の存在、位置及び方向に対する特徴解析方法により画像を解析し、第１の撮像平面８の位置を更新し、及び針１３が正確に長手軸１４と整列配置されるまで、これを繰り返すことにより、自動的に実現されることができる。

針１３の決定された位置及び方向に基づき、及び特にシャフト方向及び針先端１５の位置に基づき、ステップＳ１０２において、第２の撮像平面９の位置が自動的に決定される。この情報に基づき、第２のトランスデューサ３が、上記したように配置されることができる（例えば、傾けられる）。ステップＳ１０３において、第２の撮像平面９に含まれる画像が取得されることができる。この画像は、針１３の予想された経路、即ち針先端１５の所定の距離前方の画像を示す。ステップＳ１０４において、この第２の画像９はディスプレイ５に表示される。この場合、介入的な対象物の長手方向と第２の画像との交差がマークされる。少なくともステップＳ１０１〜Ｓ１０４は、針１３の運動を追跡し、これに従って第２の撮像平面９の位置を適合させるため、反復的に実行される。また、第１のステップＳ１００は、第１の画像１０が第１の撮像平面１０と整列配置される状態が保たれることを確実にするため、毎回、数時間おきに又は針の方向を変化させるとき、反復ループへと含まれることができる。

針１３の電磁気追跡を用いるとき、ステップＳ１００及びＳ１０１の実行順が交換される。この場合、針１３の位置及び方向が最初に決定される。この情報に基づき、第１及び第２の画像１０及び１１が実質的に同時に取得されることができる。ここで、第１の画像は、針１３と整列配置され、第２の画像１１は、針先端１５の前で所定の距離分遠ざけられる。

この実施形態の変形例によれば、及び好ましくはＭＰＲ撮像に関連して、針が遭遇する何が、その軌跡を同じに留めるべきかに関するより多くの情報をユーザに提供するため、複数のＣ平面が同時に表示される。例えば、各Ｃ平面は、針シャフトに垂直とすることができ、針先端１５の前方所与の距離のところに配置される。例えば、第１のＣ平面は、針先端１５の前方２ｍｍの所に配置され、第２のＣ平面は、針先端の前方５ｍｍの所に配置され、第３のＣ平面は、針先端の前方２０ｍｍの所に配置される等である。針先端１５の前方に存在する検査下の対象物の構造に関しユーザに提供される追加的な情報は、例えば主要な血管にあたることを避けるため、針の軌跡を初期に訂正するのに更に役に立つ。これは、バイプレーン超音波撮像を用いて実現されることもできる。この場合、複数の横断平面が、Ｃ平面の代わりに提供される。

針先端１５の前のこれらの複数の画像が、ディスプレイ５に表示されることができる。この場合、例えば十字線又は円といったマーカーは、それぞれ、針１５の長手方向軸と交差する個別の表示と針１５の長手方向軸との交差を示す。この接続において、針の長手方向軸又は投影された針の先端の軌跡は、赤い点又は赤い円として複数のＣ平面上に表示されることができる。この点又は円は、針先端１５が実際に所与のＣ平面に接近するにつれて、より小さくなる。

針先端１５の前のこれらの複数の画像は、ビデオシーケンスへと統合されることができる。こうして、外科医は、介入的な手順を中断し、針先端１５の前で画像のビデオシーケンスを再生することができる。このように、オペレータは、針先端１５の前方へ配置されるＣ平面のシーケンスを記録し、針軌跡を計画するためシーケンスを再生することができる。言い換えると、マーカーのサイズ及び／又は表示は、距離１６に依存するものとすることができる。針を動かすとき、Ｃ平面の取得が数秒おき（例えば３秒おき）に繰り返される場合、マーカーの円は、継続的により小さくなり、取得が繰り返されるとき、突然大きくなる。

有利には、革新的なユーザインタフェース６が提供されることができる。このインタフェースを用いて、ユーザは、ディスプレイ５上に、第２の撮像平面９及び針先端１５の間の距離１６、ディスプレイ５に表示される横断平面／Ｃ平面の数（第２の平面＋針１３の長手方向と交差する追加的な面の総数）、及び針先端１５に対する横断平面／Ｃ平面の位置を入力することができる。

上記実施形態は、２Ｄアレイ・マトリクストランスデューサを参照することによって説明された。しかしながら、本発明は、圧電素子のアレイが関心ボリュームにわたり前後に機械的にスキャンされるような、機械的なトランスデューサを用いることで実現されることもできる。また、各撮像平面に対する別々のトランスデューサが可能である。

本発明の教示は、上述の実施形態又は変形例の任意の組合せをカバーすることが明確に意図される。

本発明が図面及び前述の記載において図示及び説明されたが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であると考えられるべきであり、拘束的なものではなく、本発明を開示された実施形態に限定することを目的とするものではない。特定の手段が相互に異なる従属項に述べられているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。請求項における任意の参照符号は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (12)

1. 超音波撮像に関する方法において、
   検査の対象物に含まれるターゲット領域へと移動される介入的な対象物の長手方向に沿って配置され、該長手方向を含む第１の２次元画像を取得するステップと、
   前記介入的な対象物の前記長手方向と交差する第２の２次元画像を取得するステップであって、前記第２の２次元画像の位置が、前記介入的な対象物の自動的に決定される位置及び方向に基づき、自動的に決定される、ステップと、を有し、
   前記介入的な対象物の位置及び方向の前記決定が、前記介入的な対象物の先端の位置を決定するステップを含み、
   取得される前記第２の２次元画像の位置が、前記決定された先端の位置から前方に所定の距離隔てたところに決定され、
   前記距離が、前記介入的な対象物のタイプ、前記介入的な対象物の移動する速度、前記検査の対象物及び／又は前記ターゲット領域のタイプに基づき、自動的に決定される、方法。
2. 前記介入的な対象物の位置及び方向が、反復的に決定され、前記第２の２次元画像の位置が、前記介入的な対象物の変化する位置及び／又は方向に対して適合される、請求項１に記載の方法。
3. 前記介入的な対象物の長手方向と交差する少なくとも１つの更なる２次元画像を取得するステップを有し、
   前記少なくとも１つの追加的な画像が、前記第２の２次元画像から所定の間隔隔てられて配置される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記介入的な対象物の位置及び方向が、画像特徴解析により決定される、請求項１に記載の方法。
5. 前記介入的な対象物の位置及び方向が、前記介入的な対象物の電磁気追跡により決定される、請求項１に記載の方法。
6. 前記距離が、ユーザにより調整可能である、請求項１に記載の方法。
7. 検査の対象物に含まれるターゲット領域へ移動される介入的な対象物の長手方向と整列配置される第１の２次元画像が、ディスプレイスクリーンに表示され、
   前記介入的な対象物の長手方向と交差する前記第２の２次元画像は、前記ディスプレイスクリーンに表示される、請求項１に記載の方法。
8. 前記介入的な対象物の長手方向と前記第２の２次元画像との交差が、前記表示された画像においてマークされる、請求項７に記載の方法。
9. 超音波撮像デバイスであって、
   第１及び第２の２次元画像を取得する取得デバイスと、
   検査の対象物に含まれるターゲット領域へと移動される介入的な対象物の位置及び方向を決定する検出デバイスとを有し、
   前記第１の２次元画像が、前記介入的な対象物の長手方向に沿って配置され、該長手方向を含み、
   前記第２の２次元画像は、前記介入的な対象物の長手方向と交差し、
   前記取得デバイスが、前記介入的な対象物の位置及び方向に基づき、一の位置で前記第２の２次元画像を取得するよう構成され、
   前記検出デバイスが、前記介入的な対象物の先端の位置を決定するよう構成され、
   前記取得デバイスは、前記決定された先端の位置から前方に所定の距離隔てた位置において前記第２の２次元画像を取得し、前記距離が、前記介入的な対象物のタイプ、前記介入的な対象物の移動する速度、前記検査の対象物及び／又は前記ターゲット領域のタイプに基づき、自動的に決定される、超音波撮像デバイス。
10. 請求項９に記載の超音波撮像デバイスと、介入的な対象物とを有する、システム。
11. 請求項１に記載の方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
12. 請求項１１に記載のコンピュータプログラムを格納するコンピュータ可読媒体。

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