(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エコー撮影法プローブの操作を支援する装置であって、
第１の数の自由度を有する関節型機械的構造であって、前記第１の数よりも少ない第２の数の自由度で関節型機械的構造を作動させる複数のモータ駆動部を有する関節型機械的構造と、
前記関節型機械的構造が前記エコー撮影法プローブの位置パラメータ及び／又は速度パラメータに依存して前記エコー撮影法プローブに力を与えるように前記モータ駆動部を制御する制御部と、
を有し、
前記力は、前記エコー撮影法プローブの画像平面が患部を含んでいるときにはゼロであり、前記エコー撮影法プローブが前記患部から次第に遠ざかるにつれて増大する、エコー撮影法プローブの操作を支援する装置。
【請求項２】
前記エコー撮影法プローブの前記位置パラメータ及び／又は速度パラメータは、前記モータ駆動部の自由度の数よりも大きい自由度の数に対応する、請求項１に記載のエコー撮影法プローブの操作を支援する装置。
【請求項３】
前記関節型機械的構造は、前記エコー撮影法プローブを担持する関節又は前記エコー撮影法プローブを担持するのに適した関節を含むアームであり、前記力は前記関節で前記エコー撮影法プローブに伝達される、請求項１又は２に記載のエコー撮影法プローブの操作を支援する装置。
【請求項４】
Ｘ線の線源、検出器及び圧迫板を含むマンモグラフィ撮像装置と、
請求項１〜３の何れか一項に記載のエコー撮影法プローブの操作を支援する装置と、
を備えた撮像アセンブリ。
【請求項５】
前記力は弾性であり、
【数１】
0005975676.tif 000030
により定義され、式中、
【数２】
0005975676.tif 000031
は前記力であり、ｋは剛性定数であり、
【数３】
0005975676.tif 000032
は前記エコー撮影法プローブと前記患部との間の距離である、請求項４に記載の撮像アセンブリ。
【請求項６】
前記圧迫板を含む平面に垂直な軸に沿った前記力の垂直成分はゼロである、請求項４又は５に記載の撮像アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は一般的には、例えば乳房トモシンセシスにおいて検出された異常の乳房エコー撮影法検査の範囲内での撮像時に、関節型機械的構造によって機器又は器具の操作を支援する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トモシンセシスは、着目対象の三次元表現（３Ｄ）を一連の連続断面の形態で得ることを可能にするＸ線撮像方法である。
【０００３】
これらの断面は、様々な角度配置の下での着目対象の投影から再構成される。
【０００４】
このことを行なうために、着目対象は一般的には、Ｘ線を放出する線源とＸ線の検出器との間に載置される。線源及び／又は検出器は移動自在であるので、検出器での物体の投影方向が変化し得る（典型的には３０°の角度範囲にわたる）。
【０００５】
これにより、着目対象の幾つかの投影が異なる角度配置の下で得られ、これらの投影から、一般的には当業者に周知の逆投影方法によって、着目対象の三次元表現を再構成することが可能である。
【０００６】
トモシンセシスは、乳ガンをスクリーニングするとき及び診断するときに特に用いられる。この場合には、この手法を乳房トモシンセシス又は３Ｄマンモグラフィと呼ぶ。
【０００７】
図１は、トモシンセシスによって器官Ｂの二次元（２Ｄ）投影画像を取得してこの器官の三次元（３Ｄ）画像を再構成する撮像装置１を概略図示している。
【０００８】
線源４からのＸ線が、様々な角度配置に従って器官Ｂへ向けて放出される。器官Ｂに交差した後に、Ｘ線は検出器３によって検出されて投影画像集合を形成する。
【０００９】
典型的には検出器３に平行な断層写真法の切断面（画像）としての器官Ｂの三次元表現が、当業者に周知の断層写真法再構成方法によって再構成される。
【００１０】
従来の３Ｄマンモグラフィと同様に、患者の乳房は、トモシンセシス検査時に検出器３と圧迫板２との間で特に圧迫される。
【００１１】
医師は、患部候補（possible lesion）を検出するために断層写真法の切断面を解析する。
【００１２】
医師は、既に識別した区域にわたって例えばエコー撮影法プローブによる付加的な検査を行なうことを望む場合がある。
【００１３】
慣例的に、乳房エコー撮影法検査は、仰臥している患者又は体側に僅かに寝返りを打った患者について行なわれる。乳房は圧迫されない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
エコー撮影法プローブによって評価されるべき患部の位置を決定するためには、放射線科医は患者の乳房に重ねて３Ｄトモシンセシス画像を心中で「重畳表示」しなければならない。患者はトモシンセシスでは乳房を圧迫した状態で立位（又は座位）にあり、またエコー撮影法では乳房を圧迫していない状態で仰臥しているため、この重畳表示は極めて困難である。
【００１５】
この問題の解決策は、トモシンセシス検査の後に直ちに、患者を同じ姿勢にしてエコー撮影法検査を行なうものである。患者の乳房は、トモシンセシス検査の前に圧迫されて、一旦エコー撮影法検査が完了したら圧迫を解除される。トモシンセシス・システムは、エコー撮影法検査と互換性のある圧迫板を装備しているべきである（圧迫板は、エコー撮影法プローブによって放出される音波に対して「透過性」であるべきである）。
【００１６】
この場合には、エコー撮影法プローブによって取得される画像と、断層写真法の切断面とが患者の乳房の同じ位置に対応する。
【００１７】
しかしながら、プローブを患部候補のレベルに到達させるために、医師は断層写真法の画像を参照として用いて患部の位置を決定しなければならない。
【００１８】
このことは、医師が断層写真法の画像から患部候補の空間での位置を心中で再構成しなければならないため、容易には行なわれ得ない。
【００１９】
機器又は器具の操作時に利用者に支援を提供する装置は、ロボット工学では既に公知である。
【００２０】
このことを行なうために、支援装置は、利用者が業務を果たし得るように機器又は器具を位置決めするために機器又は器具に対して運動制約を課す可能性を与える。
【００２１】
業務とは、利用者が機器又は器具によって行使することを望む何らかの自由度数による画定された動作を意味するものとする。
【００２２】
これらの装置が多くのモータ駆動部を要求するとすれば、現状では複雑であり、嵩高く、高価である。
【００２３】
また、構造が機器又は器具に与えているものよりも少ない自由度数に従って関節型機械的構造を作動させるための支援装置も公知である。
【００２４】
例えば外科手術において、器具を接合させたアームの端部を予め配置するための関節型アームが既に公知である。一旦、アームがこれにより予め配置されたら、利用者は、アームをこの位置に制約したままで自分が持っている器具に特定の並進運動又は回転運動をさせることができる。
【００２５】
しかしながら、かかる関節型アームは、利用者が機器又は器具に与える運動について利用者にガイドを提供する訳ではない。
【００２６】
上述の特定の事例では、これら公知の装置は、エコー撮影法プローブの配置にガイドを提供する訳ではない。
【００２７】
実際に、モータ駆動部の数は器具の自由度数よりも少ないばかりでなく、業務を遂行するのに必要とされる自由度数よりも少ない。
【００２８】
従って、モータ駆動部の数を少なくし、単純で安価でありながら、器具又は機器の運動の実際のガイドを可能にする関節型機械的構造によって器具又は機器の操作を支援する装置の必要性が存在している。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明の目的は、医師が、患部候補を含む区域を走査することを可能にする機器又は器具によって、着目領域の患部を目標に設定して解析するのを支援することにある。
【００３０】
一実施形態によれば、本発明は、機器又は器具の操作を支援する装置に関し、この装置は、支持体に設けられて、機器又は器具を取り付けることができる関節型機械的構造と、この関節型機械的構造が機器又は器具に提供するものよりも少ない自由度数に従って関節型機械的構造を作動させるモータ駆動部と、これらのモータ駆動手段の自動制御部とを含んでいる。
【００３１】
本発明の第一の観点による機器又は器具の操作を支援する装置は、上述の制御部が、機器又は器具の位置パラメータ及び／又は速度パラメータに対する制約の達成を容易にするためにモータ駆動部を駆動し、このモータ駆動部は、操作者による操作とは独立に当該駆動部自体では上述の制約を完全には達成し得ないことを特徴とする。
【００３２】
この装置の他の観点は以下の通りである。
【００３３】
・機器又は器具の位置パラメータ及び／又は速度パラメータは、モータ駆動部が動作するときの自由度の数よりも大きい自由度数に対応する。
【００３４】
・制御部は、機械的構造が機器又は器具の位置パラメータ及び／又は速度パラメータに依存して器具に力を与えるようにモータ駆動部を駆動する。
【００３５】
・関節型機械的構造は、器具を担持する又は担持するのに適当な関節を含むアームであり、力はこの関節において機器又は器具に伝達される。
【００３６】
・器具はエコー撮影法プローブである。
【００３７】
第二の実施形態によれば、本発明は、Ｘ線源、検出器及び圧迫板を含む３Ｄマンモグラフィ撮像装置と、本発明の第一の観点による操作を支援する装置とを含むアセンブリに関し、上述の器具はエコー撮影法プローブである。
【００３８】
このアセンブリの他の観点は、以下によるものである。
【００３９】
・力は、プローブの画像平面が患部を含んでいるときにはゼロであり、プローブが目標から遠ざかるにつれて増大する。
【００４０】
・力は弾性であり、
【００４１】
【数１】
0005975676.tif 000002
によって定義され、式中、ｋは剛性（スティフネス）定数であり、
【００４２】
【数２】
0005975676.tif 000003
はプローブと患部との間の距離である。
【００４３】
・圧迫板を含む平面に垂直な軸に沿った力の垂直成分はゼロである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
本発明の他の特徴及び利点は、以下の記載からさらに明らかとなろう。尚、記載は単に説明のためのものであって、添付図面を参照して読まれるべきである。
【図１】トモシンセシスによって器官Ｂの２Ｄ投影画像を取得してこの器官の３Ｄ画像を再構成する撮像装置の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による目標設定及び解析アセンブリを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による支援装置の詳細図である。
【図４】本発明の一実施形態による機器又は器具の操作を支援する原理を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による機器又は器具の操作の支援を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
《目標設定及び解析アセンブリ》
図２は、患者の乳房患部を目標に設定して解析するためのアセンブリを示す。
【００４６】
この目標設定及び解析アセンブリは、図１のものと同じ形式の医用撮像装置１と、エコー撮影法プローブＳのような機器又は器具の操作を支援する装置１０とを含んでいる。
【００４７】
器具又は機器は、検査を行なう又は外科手術を執行するために医師が用い得る任意の医療装置であってよいことは言うまでもない。
【００４８】
乳房の患部を目標に設定して解析する場合には、エコー撮影法プローブは、圧迫板を含む平面２に交差する画像平面Ｕに沿った患者の乳房の２Ｄ画像の取得を可能にする。図４はかかる構成を示す。
【００４９】
目標設定及び解析アセンブリは、医用撮像装置１によって画像を取得して取得された画像を処理するユニット２０を含んでいる。言うまでもなく、これら両作用が二つの別個のユニットにおいて適用されてもよい。
【００５０】
この取得及び処理ユニット２０は、処理方法（例えば２Ｄ投影画像から３Ｄ画像を再構成する処理方法）を適用することについてプログラムされている。このユニットは、例えばコンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロ・コンピュータ、プログラム可能なオートマトン、１若しくは複数の特定応用集積回路、他のプログラム可能な回路、又はワークステーションのようなコンピュータを含む他の装置であってよい。
【００５１】
さらに、取得及び処理ユニット２０は、患者の乳房の患部候補のような着目対象の位置を算出し、支援装置１０がプローブＳに加えなければならない応力を算出するように有利にプログラムされている。代替的には、応力の計算が他の装置によって予め行なわれていてもよい。さらに代替的には、患者の乳房の患部候補のような着目対象の位置は、表示器ユニット４０を介して利用者が観察する画像に基づいて利用者によって決定されてもよい。
【００５２】
取得及び処理ユニット２０は、当該取得及び処理ユニット２５に一体化していても別個であってもよい記憶ユニット８に結合される。
【００５３】
記憶ユニット３０は、ハード・ディスク又は他の任意の着脱自在の記憶手段（ＣＤ−ＲＯＭ及びディスケット等）によって形成され得る。この記憶ユニットは、処理及び取得ユニット２０のＲＯＭ／ＲＡＭメモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＵＳＢキー、中央サーバのメモリであってもよい。
【００５４】
取得及び処理ユニット２０は、ディスケット又はＣＤ−ＲＯＭのような命令の媒体（図示されていない）から処理方法の命令を読み取る読み取り装置（図示されていない）、例えばディスケット読み取り器又はＣＤ−ＲＯＭ読み取り器を含み得る。代替的には、ファームウェア（図示されていない）に記憶されている処理方法の命令を実行してもよい。
【００５５】
最後に、医用撮像装置１又はエコー撮影法プローブＳの何れかからの画像を表示するために、目標設定及び解析アセンブリは表示ユニット４０を含んでいる。
【００５６】
表示ユニット４０は、例えばコンピュータ・スクリーン、モニタ、フラット・スクリーン、プラズマ・スクリーン又は任意の形式の商用的に公知の表示装置である。表示ユニット４０は、エコー撮影法プローブＳによる乳房の３Ｄ表現（容積の標本化、及び断面の配向等）、並びに／又は取得された２Ｄ画像の表示や、患部の目標設定及び解析を放射線科医が制御することを可能にする。
《エコー撮影法プローブＳの操作を支援する装置》
図３は、エコー撮影法プローブＳのような機器又は器具の操作を支援する装置１０を概略図示する。
【００５７】
支援装置は、支持体１５に設けられた関節型機械的構造１００を含んでいる。
【００５８】
支持体１５の反対側の端部１４に、構造１００はエコー撮影法プローブＳを担持している。
【００５９】
かかる構造１００は、例えば米国マサチューセッツ州WoburnのSensAble Technologies, Inc.によって配給されているPHANTOM Omniロボット形式の関節型アームである。
【００６０】
この構造１００は、何らかの自由度数、この場合には６の自由度を有するエコー撮影法プローブＳを提供する。
【００６１】
構造１００はさらに、何らかの自由度数、この場合には３の自由度に従ってプローブＳを作動させる何らかの数（ここでは３個）のモータ駆動部１１、１２、１３を有する。
【００６２】
一般的には、構造１００は、構造１００によって与えられる自由度数よりも少ない自由度数に従ってプローブＳを作動させる一定数のモータ駆動部を有する。
【００６３】
支援装置はさらに、機器の位置パラメータ及び／又は速度パラメータに対する制約に従ってモータ駆動部を駆動する自動モータ駆動制御部１６を含んでいる。
【００６４】
この駆動は、機器の位置パラメータ及び／又は速度パラメータに対する制約の達成を容易にする。
【００６５】
具体的には、機器又は器具Ｓの位置パラメータ及び／又は速度パラメータは、モータ駆動部１１、１２、１３が動作するときの自由度数よりも大きい自由度数に対応している。
【００６６】
実際に、モータ駆動部は、利用者による操作とは独立に当該駆動部自体ではこの制約を完全には達成し得ない。
【００６７】
このように、支援装置によって、モータ駆動部１１、１２、１３が動作するときの自由度数よりも大きい自由度数に対応する制約を達成しつつ器具を支援することが可能である。
【００６８】
患者の乳房患部候補を目標に設定して解析するためのエコー撮影法プローブＳの操作の支援の場合には、図４に示すように、制御部１６はモータ駆動部１１、１２、１３に対し、医用撮像装置１の圧迫板２の平面πに又は圧迫板２の平面πの近傍にエコー撮影法プローブＳを配置するのに役立つ設定値を与えるので、患部候補がエコー撮影法プローブＳによって可視化する。
【００６９】
このように、制御部１６は、三つのモータ駆動部１１、１２、１３に対しエコー撮影法プローブＳが当該エコー撮影法プローブＳについて次の四つの自由度（図４の２本の矢印によって示す）に従って移動自在になるような制約を設けつつこれらのモータ駆動部１１、１２、１３を駆動する。すなわち、
・圧迫板２における２種の並進、
・圧迫板２に垂直なベクトルに沿った回転、及び
・圧迫板２とエコー撮影法プローブＳの画像平面Ｕとの間の交線を中心とした回転
である。
【００７０】
例えば、関節型機械的構造１００によって提供される支援は、エコー撮影法プローブＳに伝達される力によって物理的に表現され、この力は圧迫板２でのエコー撮影法プローブＳの位置に依存する。
【００７１】
この単一の力では、任意の制約に従うためにエコー撮影法プローブをガイドするのには不十分であるが、上述の支援は、エコー撮影法プローブＳを如何に操作すればよいかの指標として利用者によって直観的に理解されること、またこれにより達成される部分的ガイドは優れた結果を与えることが判明した。
《乳房トモシンセシスへの応用例》
前述のように、操作を支援する装置は、医師が、医用撮像装置１から断面において検出される患部候補のレベル又は近傍にエコー撮影法プローブＳを配置するのを助ける可能性を与える。
【００７２】
このことを行なうために、エコー撮影法プローブＳを圧迫板２に接触させ、Ｐが接触点である。プローブＳはさらに、機械的構造１００の関節の上方で医師によって把持される。
【００７３】
モータ駆動部は、プローブＳに対する患部候補の相対位置に従って支援装置の制御部１６によって駆動される。
【００７４】
構造１００は、参照系でのプローブＳの位置及び配向を知ることを可能にする運動センサを含んでいる。
【００７５】
この位置及び配向に依存して、処理ユニット２０はＩと示されている患部候補又は目標を画像平面ＵへのＩの投影ＩＵと結ぶベクトル
【００７６】
【数３】
0005975676.tif 000004
の座標を計算する。
【００７７】
制御部１６は、このベクトル
【００７８】
【数４】
0005975676.tif 000005
を入力として受けて、モータ駆動部１１、１２、１３を駆動する。
【００７９】
特に、制御部１６は、構造１００が関節１４においてプローブＳに力
【００８０】
【数５】
0005975676.tif 000006
を伝達するようにこれらのモータ駆動部を駆動する。
【００８１】
場合によって、このような力
【００８２】
【数６】
0005975676.tif 000007
は幾つかのパラメータに依存する。力
【００８３】
【数７】
0005975676.tif 000008
の発生を説明するために、図５を参照する。
【００８４】
二つの直接正規直交参照系を定義する。
【００８５】
【数８】
0005975676.tif 000009
この系は、プローブの点（例えばプローブと圧迫板２を含む平面πとの間の接触点であってよい）であるＰを原点とする参照系であって、エコー撮影法プローブＳの画像平面Ｕに垂直なベクトルである
【００８６】
【数９】
0005975676.tif 000010
と、超音波ビームの対称軸の方向ベクトルである
【００８７】
【数１０】
0005975676.tif 000011
によってエコー撮影法プローブＳに関連付けられる参照系である。また、
【００８８】
【数１１】
0005975676.tif 000012
この系は、原点Ｏの参照系であって、平面πに垂直なベクトル
【００８９】
【数１２】
0005975676.tif 000013
によってエコー撮影法プローブＳを操作する圧迫板２の面に対応する平面πに関連付けられる。
【００９０】
エコー撮影法プローブＳは、
【００９１】
【数１３】
0005975676.tif 000014
となるような点Ｈにおいて医師によって保持される。機械的構造１００は、
【００９２】
【数１４】
0005975676.tif 000015
となるような点Ｔにおいてプローブに力
【００９３】
【数１５】
0005975676.tif 000016
を加える。この点Ｔは、プローブと関節型機械的構造との間の接合部に対応する。この部分は構造の端部１４である。
【００９４】
この力は、プローブＳの画像平面Ｕが患部候補を含んでいるときにはゼロであり、患部候補がエコー撮影法画像において可視に留まるような自由度に従って医師にエコー撮影法プローブＳを操作させる。
【００９５】
さらに、この力は、エコー撮影法プローブＳが目標Ｉから遠ざかるときには増大するような力である。
【００９６】
この力
【００９７】
【数１６】
0005975676.tif 000017
は、
【００９８】
【数１７】
0005975676.tif 000018
によって定義される場合に弾性戻りを発生するために特に選択され得る。式中、ｋは剛性定数である。
【００９９】
この力は、平面πに関連付けられる参照系Ｆ0において定義される三つの成分を含んでいる。
【０１００】
代替的には、エコー撮影法プローブＳと圧迫板２との間の接触点での摂動を回避するために、軸
【０１０１】
【数１８】
0005975676.tif 000019
に沿った力の垂直成分をゼロにする。この場合には、力
【０１０２】
【数１９】
0005975676.tif 000020
は、
【０１０３】
【数２０】
0005975676.tif 000021
によって表現される。
【０１０４】
安定性の理由のために、アームの端部での振動を制動することが望ましい。振動を限定するために、力
【０１０５】
【数２１】
0005975676.tif 000022
は
【０１０６】
【数２２】
0005975676.tif 000023
によって算出されることができ、式中、ｃは定数の制動係数である。
【０１０７】
さらに代替的には、この力に機械的構造１００の端部１４での速度
【０１０８】
【数２３】
0005975676.tif 000024
を盛り込んでもよい。この場合には、力
【０１０９】
【数２４】
0005975676.tif 000025
は、
【０１１０】
【数２５】
0005975676.tif 000026
によって表現され、式中、ｃTはもう一つの制動定数である。
【０１１１】
最後に、力
【０１１２】
【数２６】
0005975676.tif 000027
は、医師をエコー撮影法プローブＳの重量から解放する。この場合には、力
【０１１３】
【数２７】
0005975676.tif 000028
は、
【０１１４】
【数２８】
0005975676.tif 000029
によって表現され、式中、ｍはエコー撮影法プローブＳの質量であり、ｇは標準的な重力定数である。
《結果》
この装置を第一の利用者群によって実験的に試験したところ、所作の精度及び持続時間において改善が見られる。実際に、エコー撮影法プローブＳの画像平面Ｕと目標Ｉとの間の平均距離及び最大距離が本装置によって減少し、実行時間が短縮する。
【符号の説明】
【０１１５】
１：医用撮像装置
２：圧迫板
３：検出器
４：Ｘ線源
１０：支援装置
１１、１２、１３：モータ駆動部
１４：支持体１５の反対側の関節型機械的構造１００の端部
１５：支持体
１６：自動モータ駆動制御部
２０：取得及び処理ユニット
３０：記憶ユニット
４０：表示ユニット
１００：関節型機械的構造
Ｂ：器官
Ｓ：エコー撮影法プローブ
ｄ→：Ｉと表記される患部候補又は目標を画像平面ＵへのＩの投影ＩＵと結ぶベクトル
Ｉ：目標
Ｐ：エコー撮影法プローブＳの圧迫板２との接触点
Ｕ：画像平面
Ｏ：参照系の原点
Ｔ：プローブと関節型機械的構造との接合部
【図１】
0005975676.tif 000033
【図２】
0005975676.tif 000034
【図３】
0005975676.tif 000035
【図４】
0005975676.tif 000036
【図５】
0005975676.tif 000037