JP6292866B2 - 超音波画像撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波画像撮像装置及び超音波画像撮像方法に関し、特に、穿刺治療に用いられる超音波画像撮像装置及び超音波画像撮像方法に関する。

超音波プローブと穿刺針に各々装着した位置センサから穿刺針先端位置及び刺入方向を算出し、超音波画像上に穿刺経路や針の先端位置を表示する超音波診断装置が提案されている（例えば特許文献１）。

特開２００５−３２３６６９号公報

被検体に複数の穿刺針を刺入させて、穿刺針の先端に備えられた焼灼装置により穿刺対象（例えば、腫瘍）を焼灼する手法が提案されている。しかしながら、複数の穿刺針が被検体に刺入した場合、相互の位置関係が複雑となり、操作者が混乱するという問題があった。本発明は、複数の穿刺針の先端位置及び刺入方向を検知することで、穿刺針の相互の位置関係を容易に把握でき、穿刺対象（例えば、腫瘍）の焼灼範囲を容易に把握できる超音波画像撮像装置及び超音波画像撮像方法を提供する。

本発明の超音波画像撮像装置は、被検体の超音波画像を取得する超音波探触子と、前記被検体のボリュームデータを記憶するボリュームデータ記憶部と、前記超音波画像における穿刺対象の位置と前記ボリュームデータにおける前記穿刺対象の位置とを位置合わせした前記超音波探触子の位置を検出する第１の位置センサと、前記穿刺対象に穿刺される穿刺針の位置及び方向を検出する第２の位置センサと、前記位置センサと前記位置センサとの位置関係に基づいて、前記ボリュームデータにおける前記穿刺針の位置及び方向を演算する穿刺情報演算部と、前記ボリュームデータに基づいて前記被検体の３次元画像を表示し、前記穿刺針の位置及び方向を前記３次元画像に表示する表示部とを備える。

この構成によれば、被検体の３次元画像を表示し、穿刺針の位置及び方向を３次元画像に表示することにより、穿刺針の位置関係を容易に把握できるとともに、穿刺針と穿刺対象との位置関係を容易に把握できる。

本発明は、複数の穿刺針の先端位置及び刺入方向を検知することで、穿刺針の相互の位置関係を容易に把握でき、穿刺対象（例えば、腫瘍）の焼灼範囲を容易に把握できる。

本実施の形態に係る超音波画像撮像装置の一例を示した図である。 本実施の形態に係る穿刺制御部の一例を示した図である。 焼灼治療用の焼灼装置を備えた穿刺針を示した図である。 被検体の３次元画像を表示し、穿刺針の位置及び方向を３次元画像に表示することを示した図である。 断面が交差する交線を断層画像に表示することを示した図である。 焼灼位置及び焼灼範囲を断層画像及び３次元画像に表示することを示した図である。 超音波画像撮像装置を用いた超音波画像撮像方法の一例を示すフロー図である。 第１の位置センサと第２の位置センサとの位置関係を示した図である。

本発明の実施の形態の超音波画像撮像装置について、図面を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る超音波画像撮像装置の一例を示した図である。本実施の形態に係る超音波画像撮像装置１は、被検体１００の内部に超音波を送受信し、超音波の受信信号を用いて被検体の超音波画像を生成する。図１に示すように、超音波画像撮像装置１は、超音波探触子１０、超音波送受信制御回路１１、送波回路１２、受波回路１３、超音波画像生成部１４、画像処理部１８、及び表示部１９を備える。超音波画像生成部１４は、整相加算回路１５、信号処理部１６、及びスキャンコンバータ１７を備える。また、超音波画像撮像装置１は、ボリュームデータ記憶部２０、第１の位置センサ２１、第２の位置センサ２２、及び穿刺制御部２３を備える。

図２は、本実施の形態に係る穿刺制御部２３の一例を示した図である。図２に示すように、穿刺制御部２３は、穿刺情報演算部２４、刺入経路演算部２５、焼灼位置演算部２６、焼灼範囲演算部２７、及び穿刺／焼灼情報記憶部２８を備えており、第１の位置センサ２１、第２のセンサ２２に接続される。また、穿刺制御部２３は第１の位置センサ２１、第２のセンサ２２を駆動するための駆動信号や電源となっている。また、図１では穿刺制御部２３には第１の位置センサ２１、第２のセンサ２２がワイヤで接続される例を示しているが、駆動信号の供給が有線、無線の何れであってもよい。また、第１の位置センサ２１、第２のセンサ２２の電源の供給は接触でも、非接触の何れであってもよい。

図３は、焼灼治療用の焼灼装置４０，４１，４２を備えた穿刺針３０，３１，３２を示した図である。図３に示すように、被検体１００に複数の穿刺針３０，３１，３２を刺入させて、穿刺針３０，３１，３２の先端に備えられた焼灼装置４０，４１，４２により組織５００（例えば、肝臓）中の穿刺対象５０（例えば、腫瘍）を焼灼する。

図１の超音波探触子１０は、被検体１００の超音波画像を取得するためのものであり、複数の振動子を配設して形成されている。また、超音波探触子１０は、３次元超音波探触子であり、振動子を機械的に移動させることにより又は振動子に電気的な遅延時間を与えることにより、３次元でビーム走査を行って、被検体１００に超音波を送信及び受信する。超音波送受信制御回路1１は、超音波を送信及び受信するタイミングを制御する。送波回路１２は、超音波探触子１０を駆動して超音波を発生させるための送波パルスを生成するとともに、内蔵された送波整相加算回路によって、送信される超音波の収束点をある深さに設定し、被検体１００に超音波を送信する。受波回路１３は、超音波探触子１０から超音波信号を受波し、所定のゲインで増幅する。

超音波画像生成部１４は、受波回路１３により受波された超音波信号から超音波画像を生成する。超音波画像生成部１４は、被検体１００の内部の２次元超音波画像（断層画像）又は３次元超音波画像を生成する。整相加算回路１５は、受波回路１３で増幅された超音波信号の位相を制御し、ＲＦ信号フレームデータを形成する。信号処理部１６は、整相加算回路１５からのＲＦ信号フレームデータを入力して、ゲイン補正、ログ補正、検波、輪郭強調、及びフィルタ処理などの各種信号処理を行う。スキャンコンバータ１７は、信号処理部１６から出力されるＲＦ信号フレームデータを超音波周期で取得し、映像信号に変換する。スキャンコンバータ１７は、信号処理部１６からのＲＦ信号フレームデータをデジタル信号に変換して断層画像データを生成するA／D変換器と、A／D変換器によりデジタル化された断層画像データを記憶するフレームメモリとを含む。

画像処理部１８は、複数の画像データ（例えば、３次元画像データと断層画像データ）を重畳して表示部１９に表示させる。表示部１９は、画像データをアナログ信号に変換するD／A変換器と、D／A変換器からアナログビデオ信号を入力して映像として表示するモニタ（ＣＲＴモニタや液晶モニタなど）とを含む。

ボリュームデータ記憶部２０は、被検体１００のボリュームデータを記憶する。ボリュームデータは、被検体１００の医用画像データ（３次元画像データ）であり、超音波画像、Ｘ線ＣＴ画像、及びＭＲＩ画像を含む。また、ボリュームデータは、超音波探触子１０により取得された被検体１００の４Ｄ超音波画像データ（リアルタイム３次元超音波画像データ）であってもよい。

第１の位置センサ２１は、超音波画像における穿刺対象５０の位置とボリュームデータにおける穿刺対象５０の位置とを位置合わせした超音波探触子１０の位置を検出する。表示部１９にボリュームデータに基づく３次元画像が表示され、操作者が、３次元画像の所定の断面（例えば、穿刺対象５０を含む断面）に超音波探触子１０の断層画像（２次元超音波画像）を一致させるように、超音波探触子１０を操作することで、超音波画像とボリュームデータの位置合わせを行う。第１の位置センサ２１は、６軸センサなどにより構成され、３次元空間における位置及び方向を検出する。第１の位置センサ２１は、位置合わせした超音波探触子１０の位置を検出すればよく、超音波探触子１０に装着されてもよい。

第２の位置センサ２２は、穿刺対象５０に穿刺される穿刺針３０，３１，３２の位置及び方向を検出する。穿刺情報演算部２４は、穿刺針３０，３１，３２の長さ、径長さ、及び形状などの穿刺情報を穿刺／焼灼情報記憶部２８から読み出し、第１の位置センサ２１と第２の位置センサ２２との位置関係に基づいて、ボリュームデータ（３次元画像）における穿刺針３０，３１，３２の位置及び方向を演算する。この場合、図３（ｂ）に示すように、表示部１９は、ボリュームデータに基づいて被検体１００の３次元画像１０１を表示し、穿刺針３０，３１，３２の位置及び方向を３次元画像１０１に表示する。第２の位置センサ２２は、６軸センサなどにより構成され、３次元空間における位置及び方向を検出する。

刺入経路演算部２５は、穿刺針３０，３１，３２の長さ、径長さ、及び形状などの穿刺情報を穿刺／焼灼情報記憶部２８から読み出し、第２の位置センサ２２により検出された穿刺針３０，３１，３２の位置及び方向に基づいて、ボリュームデータにおける穿刺針３０，３１，３２の刺入経路６０，６１，６２を演算する。この場合、図３（ｂ）に示すように、表示部１９は、刺入経路６０，６１，６２を含む断面を３次元画像１０１に表示してもよい。

図４は、表示部１９がボリュームデータに基づいて被検体１００の３次元画像１０１を表示し、穿刺針３０，３１，３２の位置及び方向を３次元画像１０１に表示することを示した図である。また、表示部１９は、刺入経路６０，６１，６２を含む断面７０，７１，７２を３次元画像１０１に表示する。表示部１９は、超音波画像及びボリュームデータの少なくとも１つに基づいて、断面７０，７１，７２の断層画像（超音波画像）８０，８１，８２を表示する。この場合、表示部１９は、超音波探触子１０の位置と刺入経路６０，６１，６２とを含む断面７０，７１，７２を３次元画像１０１に表示する。表示部１９は、刺入経路６０，６１，６２を含む任意の断面を３次元画像１０１に表示してもよい。

また、図４では、表示部１９は、複数の刺入経路６０，６１，６２に対応する複数の断面７０，７１，７２をそれぞれ異なる色で３次元画像１０１に表示する。この結果、３次元画像１０１における複数の断面７０，７１，７２を視覚的に容易に区別できる。図５に示すように、表示部１９は、複数の刺入経路６０，６１，６２に対応する複数の断面７０，７１，７２を３次元画像１０１に表示し、複数の断面７０，７１，７２が交差する交線９０，９１，９２を断層画像８０，８１，８２に表示してもよい。交線９０は、断面７０が交差する交線を示し、交線９１は、断面７１が交差する交線を示し、交線９２は、断面７２が交差する交線を示す。交線９０，９１，９２は、３次元画像１０１に表示されている断面７０，７１，７２の色に対応して色付けされてもよい。この結果、交線９０，９１，９２において穿刺針３０，３１，３２が交差する可能性があることを把握でき、交線９０，９１，９２において穿刺針３０，３１，３２が接触しないように、操作者に注意を促すことができる。

図６は、表示部１９が焼灼装置４０，４１，４２の焼灼位置４３，４４，４５及び焼灼範囲４６を断層画像（超音波画像）８０，８１，８２及び３次元画像１０１に表示することを示した図である。焼灼位置演算部２６は、穿刺針３０，３１，３２における焼灼装置４０，４１，４２の位置（例えば、穿刺針３０，３１，３２の先端位置）などの焼灼情報（穿刺情報）を穿刺／焼灼情報記憶部２８から読み出し、第２の位置センサ２２により検出された穿刺針３０，３１，３２の位置及び方向に基づいて、ボリュームデータにおける焼灼装置４０，４１，４２の焼灼位置４３，４４，４５を演算する。焼灼範囲演算部２７は、穿刺／焼灼情報記憶部２８から焼灼装置４０，４１，４２の焼灼情報を読み出し、焼灼装置４０，４１，４２の焼灼情報に基づいて穿刺対象５０の焼灼範囲４６を演算する。また、焼灼範囲演算部２７は、焼灼装置４０，４１，４２の焼灼情報は、焼灼装置４０，４１，４２の加熱温度、加熱速度、及び加熱時間や穿刺対象５０（又は、組織５００）の比熱及び熱伝播速度などに基づいて穿刺対象５０の焼灼範囲４６を演算してもよい。表示部１９は、焼灼位置４３，４４，４５及び焼灼範囲４６を断層画像（超音波画像）８０，８１，８２及び３次元画像１０１に表示する。

焼灼装置４０，４１，４２が、複数の穿刺針３０，３１，３２の先端部にそれぞれ備えられる場合、焼灼位置演算部２６は、第２の位置センサ２２により検出された複数の穿刺針３０，３１，３２の位置及び方向に基づいて、ボリュームデータにおける複数の焼灼装置４０，４１，４２の焼灼位置４３，４４，４５を演算し、表示部１９は、焼灼位置４３，４４，４５の間の範囲を焼灼範囲４６として３次元画像１０１に表示してもよい。例えば、表示部１９は、焼灼位置４３，４４，４５をそれぞれ結ぶ直線で囲まれた範囲（三角形）を焼灼範囲４６として３次元画像１０１に表示してもよい。焼灼位置が２点である場合、表示部１９は、この２点を結ぶ直線を焼灼範囲４６として３次元画像１０１に表示してもよい。

次に、超音波画像撮像装置１を用いた超音波画像撮像方法について説明する。図７は、超音波画像撮像装置１を用いた超音波画像撮像方法の一例を示すフロー図である。図８は、第１の位置センサ２１と第２の位置センサ２２との位置関係を示した図である。図７のステップＳ２００において、第１の位置センサ（６軸センサ）２１が超音波探触子１０に装着される。ステップＳ２０１において、予め取得されたボリュームデータと断層画像（超音波画像）とが一致する位置を探すことにより、ボリュームデータと断層画像（超音波画像）との位置合わせが行われ、原点Ｐ０が決定される。図８では、位置合わせ後の第１の位置センサ２１の位置が原点Ｐ０として決定され、第１の位置センサ２１により超音波探触子１０の位置が検出される。

ステップＳ２０２において、第２の位置センサ（６軸センサ）２２が、穿刺針３０，３１，３２に装着される。ステップＳ２０３において、穿刺針３０，３１，３２に装着された第２の位置センサ（６軸センサ）２２が、穿刺針３０，３１，３２の位置及び方向を検出する。この場合、穿刺針３０，３１，３２の長さ、径長さ、及び形状などの穿刺情報が穿刺／焼灼情報記憶部２８に予め記憶されている。

ステップＳ２０４において、穿刺情報演算部２４は、穿刺針３０，３１，３２の長さ、径長さ、及び形状などの穿刺情報を穿刺／焼灼情報記憶部２８から読み出し、第１の位置センサ２１と第２の位置センサ２２との位置関係に基づいて、ボリュームデータにおける穿刺針３０，３１，３２の位置及び方向を演算する。第１の位置センサ２１（原点Ｐ０）と第２の位置センサ２２（点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）との相対位置及び第２の位置センサ２２の方向により、穿刺針３０，３１，３２の刺入方向であるベクトルＶ１，Ｖ２，Ｖ３が決定され、穿刺情報に基づいて、穿刺針３０，３１，３２の刺入状態（焼灼装置４０，４１，４２の刺入位置など）が検出される。このように、穿刺情報演算部２４は、超音波探触子１０の位置と穿刺針３０，３１，３２の位置及び方向とに基づいて、ボリュームデータにおける穿刺針３０，３１，３２の位置及び方向を演算する。表示部１９は、ボリュームデータに基づいて被検体１００の３次元画像１０１を表示し、穿刺針３０，３１，３２の位置及び方向を３次元画像１０１に表示する。この結果、複数の穿刺針３０，３１，３２の相互の位置関係を容易に把握できるとともに、穿刺針３０，３１，３２と穿刺対象５０（又は、組織５００）との位置関係を容易に把握できる。

ステップＳ２０４において、刺入経路演算部２５は、ボリュームデータ（３次元画像１０１）における穿刺針３０，３１，３２の刺入経路６０，６１，６２を演算する。刺入経路演算部２５は、穿刺針３０，３１，３２の長さ、径長さ、及び形状などの穿刺情報を穿刺／焼灼情報記憶部２８から読み出し、穿刺情報に基づいて、第１の位置センサ２１と第２の位置センサ２２との位置関係から刺入経路６０，６１，６２を演算する。表示部１９は、刺入経路６０，６１，６２を含む断面７０，７１，７２を３次元画像１０１に表示するとともに、断面７０，７１，７２の断層画像８０，８１，８２を表示する（ステップＳ２０６）。

ステップＳ２０２〜Ｓ２０４を繰り返すことにより、穿刺針３０，３１，３２が変更された場合や刺入経路６０，６１，６２が変更された場合に対応することができる。操作者は、実際に穿刺針３０，３１，３２を刺入する前に、刺入経路６０，６１，６２及び断面７０，７１，７２を観察しながら、刺入計画を策定することができる。また、操作者は、断層画像（超音波画像）８０，８１，８２を観察しながら、穿刺針３０，３１，３２の実際の刺入状態を把握することができる。

ステップＳ２０５において、焼灼位置演算部２６は、第２の位置センサ２２により検出された穿刺針３０，３１，３２の位置及び方向に基づいて、ボリュームデータにおける焼灼装置４０，４１，４２の焼灼位置４３，４４，４５を演算し、焼灼範囲演算部２７は、焼灼装置４０，４１，４２の焼灼情報に基づいて穿刺対象５０の焼灼範囲４６を演算する。表示部１９は、焼灼位置４３，４４，４５及び焼灼範囲４６を断層画像（超音波画像）８０，８１，８２及び３次元画像１０１に表示する（ステップＳ２０６）。この結果、操作者は、実際に穿刺針３０，３１，３２を刺入する前に、焼灼位置４３，４４，４５及び焼灼範囲４６を観察しながら、焼灼計画を策定することができる。また、操作者は、断層画像（超音波画像）８０，８１，８２を観察しながら、焼灼装置４０，４１，４２の実際の焼灼状態を把握することができる。

ステップＳ２０６において、表示部１９は、断面７０，７１，７２を３次元画像１０１に表示するとともに、断面７０，７１，７２の断層画像８０，８１，８２を表示する。ステップＳ２０７において、表示部１９は、刺入経路６０，６１，６２に対応する断面７０，７１，７２をそれぞれ異なる色で３次元画像１０１に表示する。ステップＳ２０７において、操作者は、断層画像（超音波画像）８０，８１，８２を観察しながら、穿刺針３０，３１，３２を穿刺する。また、操作者は、断層画像（超音波画像）８０，８１，８２を観察しながら、穿刺対象５０（例えば、腫瘍）を焼灼する。

以上、本発明にかかる実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、請求項に記載された範囲内において変更・変形することが可能である。

本発明は、複数の穿刺針の先端位置及び刺入方向を検知することで、穿刺針の相互の位置関係を容易に把握でき、穿刺対象（例えば、腫瘍）の焼灼範囲を容易に把握でき、穿刺治療に用いられる超音波画像撮像装置及び超音波画像撮像方法などとして有用である。

１ 超音波画像撮像装置
１０ 超音波探触子
１１ 超音波送受信制御回路
１２ 送波回路
１３ 受波回路
１４ 超音波画像生成部
１５ 整相加算回路
１６ 信号処理部
１７ スキャンコンバータ
１８ 画像処理部
１９ 表示部
２０ ボリュームデータ記憶部
２１ 第１の位置センサ
２２ 第２の位置センサ
２３ 穿刺制御部
２４ 穿刺情報演算部
２５ 刺入経路演算部
２６ 焼灼位置演算部
２７ 焼灼範囲演算部
２８ 穿刺／焼灼情報記憶部
３０，３１，３２ 穿刺針
４０，４１，４２ 焼灼装置
４３，４４，４５ 焼灼位置
４６ 焼灼範囲
５０ 穿刺対象
６０，６１，６２ 刺入経路
７０，７１，７２ 断面
８０，８１，８２ 断層画像
１０１ ３次元画像

Claims (8)

1. 被検体の超音波画像を取得する超音波探触子と、
   前記被検体のボリュームデータを記憶するボリュームデータ記憶部と、
   前記超音波画像における穿刺対象の位置と前記ボリュームデータにおける前記穿刺対象の位置とを位置合わせした前記超音波探触子の位置を検出する第１の位置センサと、
   前記穿刺対象に穿刺される穿刺針の位置及び方向を検出する第２の位置センサと、
   前記第１の位置センサと前記第２の位置センサとの位置関係に基づいて、前記ボリュームデータにおける前記穿刺針の位置及び方向を演算する穿刺情報演算部と、
   前記ボリュームデータに基づいて前記被検体の３次元画像を表示し、前記穿刺針の位置及び方向を前記３次元画像に表示する表示部と
   を備えることを特徴とする超音波画像撮像装置。
2. 前記第２の位置センサにより検出された前記穿刺針の位置及び方向に基づいて、前記ボリュームデータにおける前記穿刺針の刺入経路を演算する刺入経路演算部を備え、
   前記表示部は、前記刺入経路を含む断面を前記３次元画像に表示することを特徴とする請求項１に記載の超音波画像撮像装置。
3. 前記表示部は、前記超音波探触子の位置と前記刺入経路とを含む前記断面を前記３次元画像に表示することを特徴とする請求項２に記載の超音波画像撮像装置。
4. 前記表示部は、前記超音波画像及び前記ボリュームデータの少なくとも１つに基づいて、前記断面の断層画像を表示することを特徴とする請求項２又は３に記載の超音波画像撮像装置。
5. 前記刺入経路演算部は、複数の前記穿刺針の刺入経路を演算し、
   前記表示部は、複数の前記刺入経路に対応する複数の前記断面をそれぞれ異なる色で前記３次元画像に表示することを特徴とする請求項２乃至４の何れか１つに記載の超音波画像撮像装置。
6. 前記刺入経路演算部は、複数の前記穿刺針の刺入経路を演算し、
   前記表示部は、複数の前記刺入経路に対応する複数の前記断面を前記３次元画像に表示し、前記複数の断面が交差する交線を前記断層画像に表示することを特徴とする請求項４に記載の超音波画像撮像装置。
7. 前記穿刺針の先端部に備えられ、前記穿刺対象を焼灼する焼灼装置と、
   前記第２の位置センサにより検出された前記穿刺針の位置及び方向に基づいて、前記ボリュームデータにおける前記焼灼装置の焼灼位置を演算する焼灼位置演算部と、
   前記焼灼装置の焼灼情報に基づいて前記穿刺対象の焼灼範囲を演算する焼灼範囲演算部とを備え、
   前記表示部は、前記焼灼範囲を前記３次元画像に表示することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１つに記載の超音波画像撮像装置。
8. 複数の前記穿刺針の先端部にそれぞれ備えられ、前記穿刺対象を焼灼する複数の焼灼装置と、
   前記第２の位置センサにより検出された前記複数の穿刺針の位置及び方向に基づいて、
   前記ボリュームデータにおける前記複数の焼灼装置の焼灼位置を演算する焼灼位置演算部とを備え、
   前記表示部は、前記焼灼位置の間の範囲を焼灼範囲として前記３次元画像に表示することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１つに記載の超音波画像撮像装置。

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