(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの追跡素子を取り付けられた医療装置と、
互いから離間されたトランスデューサのアレイであって、前記少なくとも１つの追跡素子と前記トランスデューサのアレイとの間の対象においてエネルギを交換し、少なくとも１つの仮想的素子を生成する前記トランスデューサのアレイと、
前記少なくとも１つの追跡素子と前記トランスデューサのアレイとの間で感知された信号を解釈し、前記少なくとも１つの追跡素子の位置が少なくとも二次元において決定されるように前記少なくとも１つの仮想的素子と関連付けられた信号の飛行時間を計算し、視覚的画像において前記医療装置の位置を位置特定する三辺測量モジュールと、
を有し、前記少なくとも１つの仮想的素子が、前記信号の飛行時間に対して共線的な原点を防ぐようにビーム形成される、画像化システム。
【請求項２】
前記トランスデューサのアレイが、ライン及びアークの一方に沿った一次元アレイ内に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記トランスデューサのアレイが、超音波トランスデューサを含み、前記少なくとも１つの追跡素子が、超音波トランスデューサ素子を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記三辺測量モジュールが、前記トランスデューサからの飛行時間により規定される半径を持つ球の間の真の交点を見つけることにより前記少なくとも１つの素子の位置を決定する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記球が、前記少なくとも１つの追跡素子に対して非共線的である中心を持つ、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
真の交点及び対称交点を区別する情報を提供する追加のトランスデューサ素子を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記少なくとも二次元が、三次元を含み、前記医療装置の三次元画像が、二次元画像において追跡される、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
互いから離間されたトランスデューサのアレイであって、対象内の追跡される医療装置とエネルギを交換し、少なくとも１つの仮想的素子を生成する前記トランスデューサのアレイを持つ撮像プローブと、
プロセッサと、
前記プロセッサに結合されたメモリであって、前記メモリが、信号を受信し、前記プロセッサと併せて、前記追跡される医療装置上の少なくとも１つの追跡素子に対して前記少なくとも１つの仮想的素子に対する信号の飛行時間を計算する三辺測量モジュールを含み、前記少なくとも１つの追跡素子の位置が少なくとも二次元において決定され、前記医療装置の画像及び前記対象が視覚的画像において同時に提供される、前記メモリと、
を有し、前記少なくとも１つの仮想的素子が、前記信号の飛行時間に対して共線的な原点を防ぐようにビーム形成される、ワークステーション。
【請求項９】
前記三辺測量モジュールが、前記トランスデューサからの飛行時間により規定される半径を持つ球の間の真の交点を見つけることにより前記少なくとも１つの素子の位置を決定する、請求項８に記載のワークステーション。
【請求項１０】
前記球が、前記少なくとも１つの素子に対して非共線的である中心を持つ、請求項９に記載のワークステーション。
【請求項１１】
真の交点及び対称交点を区別する情報を提供する追加のトランスデューサを有する、請求項８に記載のワークステーション。
【請求項１２】
対象内に導入された医療装置を画像化する画像化システムの作動方法において、前記医療装置が、エネルギを交換する少なくとも１つの素子を含み、
アレイ内に配置された複数のトランスデューサからの信号を前記少なくとも１つの素子と交換するステップであって、前記複数のトランスデューサが少なくとも１つの仮想的素子を生成する、ステップと、
前記少なくとも１つの仮想的素子と前記少なくとも１つの素子との間の前記信号の飛行時間を決定するステップと、
前記飛行時間により規定される半径を持つ球の間の真の交点を決定するステップと、
前記医療装置の位置を追跡するように前記対象とともに前記真の交点を画像化するステップと、
を有し、前記少なくとも１つの仮想的素子が、前記信号の飛行時間に対して共線的な原点を防ぐようにビーム形成される、方法。
【請求項１３】
送信／受信された信号に対して新しい原点を提供するように１つ又は複数の送信器からの送信された信号をビーム形成するステップを有する、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、医療装置及び処置に関し、より具体的には、一又は二次元撮像プローブを使用する三次元における医療装置位置特定に対するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波ガイダンス下の針挿入は、例えば、生検、体液排出、神経ブロック、血管アクセス等に対して、一般的に実行される。針視覚化技術は、（例えば、針視覚化強化ソフトウェアを使用して）針シャフトにおおよそ垂直のステアリング撮像ビームに基づいて実施するのに成功している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
多くの場合、針は、組織不均一性及びベベル非対称性により撮像面から外れる。面外の針は、前記針が超音波エネルギを全く受けないので、針視覚化強化ソフトウェアがどれだけ高性能であるかにかかわらず、見えなくなる。臨床医は、この場合、前記針を見つけるために撮像トランスデューサを移動しなくてはならず、通常、元の目標面を失う。更に、臨床医は、前記針が前記撮像面に対してどこにあるかを知らず、したがって、前記針を見つけるためにそのようにトランスデューサを移動するかの指標を持たない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本原理によると、画像化システム及び方法は、追跡素子を取り付けられた医療装置を含む。トランスデューサのアレイは、前記追跡素子と前記トランスデューサのアレイとの間の対象においてエネルギを交換するために互いから離間されたトランスデューサを持つ。三辺測量モジュールは、前記追跡素子と前記トランスデューサのアレイとの間で感知された信号を解釈し、追跡素子の位置が少なくとも二次元において決定されるように前記アレイ内の前記トランスデューサと関連付けられた信号の飛行時間を計算し、視覚画像内の前記医療装置の位置を位置特定するように構成される。
【０００５】
本開示のこれら及び他の目的、フィーチャ及び利点は、添付の図面と併せて読まれる具体的実施例の以下の詳細な説明から明らかになる。
【０００６】
本開示は、以下の図を参照して好適な実施例の以下の説明を詳細に示す。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】１つの具体的実施例による医療装置を画像化するシステム／方法を示すブロック／フロー図である。
【図２Ａ】１つの具体的実施例によるプローブのトランスデューサアレイ素子から発する飛行時間球の側面図を示す図である。
【図２Ｂ】１つの具体的実施例によるプローブのアレイ素子から発する飛行時間球の前面図を示し、真の及び対称的な交点を示す図である。
【図３】本原理による三辺測量を示すように交わる３つの球を示す透視図である。
【図４】本原理による針の三次元レンダリングを持つ二次元超音波画像である。
【図５Ａ】一実施例による仮想的送信器素子を形成するように集束／ビーム形成された物理的アレイの素子を示す概略図である。
【図５Ｂ】他の実施例による物理的アレイの後ろに形成された仮想的素子を示す概略図である。
【図５Ｃ】他の実施例による信号遅延に基づく仮想的受信器素子を形成するようにビーム形成された物理的アレイの素子を示す概略図である。
【図６】他の具体的実施例による医療装置を画像化するシステム／方法を示すブロック／フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本原理によると、目標面、（例えば、前記目標面の目標生体構造に対する）医療装置の相対的位置及び軌道は、処置中に面外針画像を失うことに関連付けられた問題を避けるために同時に撮像される必要がある。一次元（１Ｄ）超音波プローブは、幅広い範囲の臨床的介入において生体構造に対する針の二次元（２Ｄ）視覚化に対して使用される。しかしながら、前記針又はツールの位置は、撮像面の外側に位置する場合に、評価されることができない。本システム及び方法は、目標生体構造画像を失うことなしに面外の針を追跡及び視覚化するために提供される。一実施例において、これは、（２Ｄ撮像に対する）単純な一次元（１Ｄ）プローブを使用して、又は３Ｄ撮像に対する二次元（２Ｄ）プローブを使用して達成される。１Ｄアレイを使用して前記撮像面に対する針の３Ｄ位置を評価する方法も、提供される。
【０００９】
超音波素子（パッシブ又はアクティブ）は、被追跡ツール内に、例えば、前記ツールの先端に埋め込まれる。前記被追跡素子と前記撮像プローブの複数の素子との間の超音波信号飛行時間は、前記被追跡素子の位置を与えるように三次元（３Ｄ）三角測量又は三辺測量ルーチンにおいて使用される。結果として、超音波ガイド針介入は、高価な追加機器（例えば、マトリクスアレイ）の必要性なしに、大幅に容易化される。
【００１０】
本発明は、医療機器に関して記載されているが、しかしながら、本発明の教示は、大幅に広く、複雑な生物又は機械系を追跡又は分析する際に使用される如何なる器具にも適用可能であると理解されるべきである。特に、本原理は、生物系の内部追跡処置、肺、胃腸管、排出器官、血管等のような体の全ての領域における処置に適用可能である。図に表現された要素は、ハードウェア及びソフトウェアの様々な組み合わせで実施されることができ、単一の要素又は複数の要素に結合されうる機能を提供することができる。
【００１１】
図に示された様々な要素の機能は、専用ハードウェア及び適切なソフトウェアと関連付けられたソフトウェアを実行することができるハードウェアの使用により提供されることができる。プロセッサにより提供される場合、前記機能は、単一の専用プロセッサにより、単一の共有プロセッサにより、又は一部が共有されることができる複数の個別のプロセッサにより提供されることができる。更に、用語"プロセッサ"又は"コントローラ"の明示的使用は、ソフトウェアを実行することができるハードウェアを排他的に示すと解釈されるべきではなく、限定なしで、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、ソフトウェアを記憶する読取専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発性記憶部等を暗示的に含むことができる。
【００１２】
更に、本発明の原理、態様及び実施例、並びにこれらの特定の例をここに列挙する全ての提示は、これらの構造的同等物及び機能的同等物の両方を含むと意図される。加えて、このような同等物が、現在既知である同等物及び未来に開発される同等物（すなわち、構造とは関係なく、同じ機能を実行する開発された要素）の両方を含むことが意図される。このように、例えば、ここに示されるブロック図が、本発明の原理を実施する具体的システムコンポーネント及び／又は回路の概念図を表すことは、当業者により理解される。同様に、フローチャート及びフロー図等が、コンピュータ可読記憶媒体において実質的に表されることができる様々なプロセスを表し、このようなコンピュータ又はプロセッサが明示的に示されているかどうかにかかわらず、コンピュータ又はプロセッサにより実行される。
【００１３】
更に、本発明の実施例は、コンピュータ又は命令実行システムにより又は関連して使用されるプログラムコードを提供するコンピュータ使用可能又はコンピュータ可読記憶媒体からアクセス可能なコンピュータプログラムの形を取ることができる。この記載の目的に対して、コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読記憶媒体は、前記命令実行システム、装置又はデバイスにより又は関連して使用されるプログラムを含む、記憶する、通信する、伝搬する又は輸送することができる装置であることができる。前記媒体は、電子、磁気、光、電磁、赤外又は半導体システム（又は装置又はデバイス）又は伝搬媒体であることができる。コンピュータ可読媒体の例は、半導体又は固体メモリ、磁気テープ、着脱可能コンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、固い磁気ディスク及び光ディスクを含む。光ディスクの現在の例は、コンパクトディスク‐読取専用（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクトディスク‐読取／書込（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）及びＤＶＤを含む。
【００１４】
ここで同様な数字が同じ又は同様の要素を表す図面、最初に図１を参照すると、医療処置を実行するシステム１００が、事例的に表現されている。システム１００は、ワークステーション又はコンソール１１２を含むことができ、ここから、処置が、監督及び管理される。処置は、生検、アブレーション、薬物の注射等を含むが、これらに限定されない如何なる処置をも含むことができる。ワークステーション１１２は、好ましくは、１つ又は複数のプロセッサ１１４並びにプログラム及びアプリケーションを記憶するメモリ１１６を含む。システム１００の機能及びコンポーネントが、１つ又は複数のワークステーション又はシステムに一体化されることができると理解されるべきである。
【００１５】
メモリ１１６は、医療装置１０２からの電磁、光及び／又は音響フィードバック信号を解釈するように構成された装置感知モジュール１１５を記憶することができる。感知モジュール１１５は、医療画像において医療装置１０２を表現する又は位置を提供するのに前記信号フィードバック（及び他のフィードバック）を使用するように構成される。医療装置１０２は、例えば、針、カテーテル、ガイドワイヤ、内視鏡、プローブ、ロボット、電極、フィルタ装置、バルーン装置又は他の医療コンポーネント等を含むことができる。ワークステーション１１２は、撮像システム１１０を使用して対象の内部画像を見るディスプレイ１１８を含むことができる。撮像システム１１０は、超音波、蛍光透視、光音響等のような撮像モダリティを含むことができる。撮像システム１１０は、例えば、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム、蛍光透視システム、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム、超音波システム又は他のシステムを含むこともできる。ディスプレイ１１８は、ユーザがワークステーション及びそのコンポーネント及び機能とインタラクトすることを可能にすることもできる。これは、キーボード、マウス、ジョイスティック又はワークステーション１１２に対するユーザインタラクションを可能にする他の周辺機器又は制御部を含むことができるインタフェース１２０により更に容易化される。
【００１６】
１つ又は複数のセンサ／トランスデューサ１０６は、装置１０２内に一体化されることができ、したがって、エネルギ源１２５からの追跡情報は、装置１０２において検出されることができる。
【００１７】
この具体例は、（装置１０２上の）被追跡素子１０６が受信器であり、追跡素子又は（撮像アレイ１０９の）トランスデューサ１０７が送信器であることに関連して記載され、反対の構成も提供されることができると理解されるべきである。例えば、同じ飛行時間が、送信器として（装置１０２上の）被追跡素子１０６を使用することにより測定されることができ、（アレイ１０９の）追跡素子／トランスデューサは、受信器として動作することができる。
【００１８】
エネルギ源１２５は、体／対象１４８に対して外側の線源から提供される必要がなく、内部線源から又は他の撮像装置１１０からであることができる。一実施例において、前記エネルギ源は、超音波源である。センサ／素子１０６は、電磁エネルギ又は音響エネルギを検出する（又は前記エネルギを送信する）のに使用されることができる。これは、装置１０２の位置及び／又は向きを解釈するのに使用されるエネルギの交換を可能にする。前記信号は、調節を行う又は他の形で前記医療処置を実行するのにフィードバックとして使用される。トランスデューサ１０７は、（プローブ内に配置された）超音波センサ又は他のセンサ又は送信装置を含むことができる。
【００１９】
撮像システム１１０は、リアルタイム術中撮像データを収集するように設けられることができる。前記撮像データは、ディスプレイ１１８に表示されることができる。感知モジュール１１５は、センサ／素子１０６により測定されたエネルギに基づいて、センサ／素子１０６、したがってリアルタイム画像内の装置１０２の位置を決定することができる。これは、ここに記載されるように三辺測量又は三角測量方法／モジュール１０４を使用することを含みうる。（フィードバック信号を使用する）医療装置１０２のデジタルレンダリングは、前記リアルタイム画像（追跡）に対する装置１０２の位置を実現するように表示されることができる。前記デジタルレンダリングは、画像処理モジュール１１７により生成されることができる。
【００２０】
超音波システムを使用する追跡及び撮像が、同時に又は連続して生じることができることは、理解されるべきである。好適な実施例において、トランスデューサの撮像アレイは、前記トランスデューサの追跡アレイと同じである。追跡するのに撮像ビームを使用すること及びその逆（撮像するのに追跡ビームを使用する）が可能である。しかしながら、ここに記載される追跡ビームは、超音波撮像に適していないかもしれない。このような場合に、撮像フレーム及び追跡フレームは、インタリーブされる（交互にされる）ことができる。前記被追跡素子が、送信器である場合、その帯域幅が、撮像パルスのものと別である必要があるか、又はスキャンが、前記被追跡素子からの信号の受信中に中断されうるかのいずれかである。他の技術は、両方の動作（例えば、追跡及び撮像）がリアルタイムで実行されることを保証するように使用されることもできる。
【００２１】
一実施例において、撮像システム１１０は、超音波システムを含み、放射は、実際は音響的である。この場合、センサ１０６は、超音波プローブ１１１上のアレイ１０９内に配置された超音波トランスデューサ１０７により生成された音響信号を検出する超音波センサを含む。このようにして、解剖学的画像及び装置画像の両方が、同時に表示されることができる。
【００２２】
他の有用な実施例において、介入アプリケーションは、対象１４８の内部の２以上の医療装置の使用を含む。例えば、１つの装置１０２は、１つの点に配置されるガイドカテーテルを含むことができ、他の装置１０２は、前記カテーテルの長さに沿った固定された／異なる点においてアブレーション又は生検を実行する針を含むことができる。装置の他の組み合わせも考えられる。
【００２３】
１つの特に有用な実施例において、１つ又は複数の超音波センサ１０６が、被追跡ツール又は装置１０２に取り付けられる。ツール１０２は、装置１０２の位置を追跡するセンサを使用して追跡される。１Ｄ撮像アレイ１０９は、センサ１０６によってツール１０２を撮像するように設けられる。アレイ１０９は、１Ｄ次元アレイ１０９を形成するトランスデューサ（受信器又は送信器）のラインを含むことができる。前記一次元アレイは、トランスデューサ１０７の直線配置（ライン）を含むことができるか、又は湾曲経路（アーク）に配置されたトランスデューサ１０７を含むことができる。
【００２４】
一実施例において、ビーム形成技術を使用する物理的に平面のアレイが、物理的アレイ素子１０７から発する飛行時間球の原点を空間的にシフトするのに使用される。複数の物理的素子を（適切な時間遅延を使用して）空間内の１つの位置に集束させることにより、焦点位置が、仮想的素子になる。
【００２５】
感知モジュール１１５は、ツール１０２に乗った超音波素子１０６を追跡する三次元（３Ｄ）三辺測量ルーチンを含む。一実施例において、ディスプレイ１１８は、２Ｄ超音波画像に重畳された被追跡ツール１０２の３Ｄレンダリングを提供する。ツール１０２の位置は、図２Ａ−２Ｂを参照して事例的に記載されるように決定される。
【００２６】
図２Ａ及び２Ｂを参照すると、図は、（送信又は受信に対する）複数の超音波（ＵＳ）トランスデューサ又は素子２２２を持つ湾曲アレイ（２Ｄプローブ又は１Ｄアレイ）超音波プローブ２２０の近傍に表現された先端において要素２０８（例えば、送信又は受信に対する超音波素子）を持つ被追跡ツール２０６（例えば、針）を示す。本原理によると、撮像面に対するツール２０６の３Ｄ位置は、プローブ２２０内のトランスデューサ２２２の１Ｄアレイを使用して評価される。超音波素子２０８（パッシブ又はアクティブ）は、被追跡ツール２０６内に、例えば、先端に埋め込まれる。被追跡素子２０８と撮像プローブ２２０の複数のトランスデューサ２２２との間の超音波信号飛行時間は、被追跡素子２０８の位置を与えるように３Ｄ三角測量又は三辺測量ルーチン（図１の１０４）において使用される。複数の素子２０８がツール２０６において使用されることができると理解されるべきである。各センサの位置は、処置中に位置を記述するために本原理を使用して追跡されることができる。
【００２７】
被追跡素子２０８と前記撮像アレイの複数のトランスデューサ２２２との間の超音波信号の飛行時間三辺測量は、使用される撮像アレイトランスデューサ２２が素子２０８に対して共線的でない限り、３Ｄ位置を与えることができる。被追跡素子２０８の位置は、（前記アレイの）追跡トランスデューサ２２２を中心として被追跡素子２０８と追跡トランスデューサ２２２との間の測定された飛行時間により決定される半径を持つ少なくとも３つの球２２６、２２８、２３０の交点にある。３つの球２２６、２２８、２３０の交点は、前記３つの球の中心が被追跡素子２０８に対して共線的ではない限り、２つの点（例えば、真の交点２３１及び対称的な交点２３２）を生じる（２つの球の交線が円であり、前記円との最後の球の交点が２つの点を与える）。
【００２８】
三辺測量は、被追跡素子２０８、したがって前記針又はツール２０６の位置を決定するのに使用される。三辺測量は、球又は三角形の幾何学を使用して、距離の測定により点の絶対的又は相対的位置を決定するプロセスである。三角測量とは対照的に、これは、角度の測定を伴わないが、三角測量技術も使用されうる。
【００２９】
二次元空間において、２つの基準点を使用することは、通常、決定された位置に対して２つの可能性のみを残すのに十分であり、第３の基準点又は他の情報を含めることにより均衡が破られる。三次元空間において、３つの基準点を使用することは、同様に、２つの可能性のみを残し、第４の基準点又は他の情報を含めることにより均衡が破られる。
【００３０】
図３を参照すると、３つの球表面２２６、２２８及び２３０に対する方程式を立て、３つの未知数x, y, zについて前記３つの方程式を解くことにより、解が見つけられる。前記３つの球に対する方程式は、以下のように表されうる。
r12=x2+y2+z2
r22=(x-d)2+y2+z2
r32=(x-i)2+(y-j)2+z2
３つ全ての方程式を満たす(x, y, z)に配置された点を見つける必要がある。
【００３１】
第一に、第１の方程式から第２の方程式を減算し、xについて解く。
x=(r12-r22+d2)/(2d)
最初の２つの球が１より多い点で交わり、すなわちd-r1<r2<d+r1であると仮定する。この場合、xに対する方程式を第１の球に対する方程式に戻して代入することが、円に対する方程式、最初の２つの球の交点に対する解を生じる。
y2+z2=r12-(r12-r22+d2)2/(4d2)
y2+z2=r12-x2を第３の球に対する方程式に代入し、yについて解くことは、以下を生じる。
y=(r12-r32-x2+(x-i)2+j2)/(2j)=(r12-r32+i2+j2)/(2j)-(i/j)x
ここで、解の点のx及びy座標が得られ、第１の球に対する方程式が、z座標を見つけるように整理されることができる。
z=±√(r12-x2-y2)
【００３２】
ここで、x, y, zに対する解を持つ。zは正又は負の平方根として表されるので、これがゼロであることが可能であり、この問題に対して１つ又は２つの解が存在することが可能である。これは、第１の球２２６及び第２の球２３０を交差することから見つけられた円２３４を取り、これを第３の球２２８と交差すると視覚化されることができる。円２３４が、全体的に、球２２８の外側又は内側になる場合、zは、負の数の平方根に等しく、すなわち実の解が存在しない。円２３４が、正確に一点で球２２８に触れる場合、zはゼロに等しい。円２３４が２点で前記球の表面に触れる場合、zは、（図３に表現されるように）正の数のプラス又はマイナスの平方根に等しい。
【００３３】
図２Ａ及び２Ｂを再び参照すると、ここで、１Ｄの曲線をなす撮像アレイ（２２２）を用いて被追跡素子２０８の３Ｄ位置をマッピングすることが可能である。素子が共線的である線形アレイを用いて、送信又は受信集束は、もはや整列されていないアレイ内の仮想的トランスデューサを生成することができ、この技術も、あるビーム形成を持つ線形アレイに適用可能である。ビーム形成は、事実上、送信される信号の原点を新しい位置に移動することにより球の原点を移動する。
【００３４】
三辺測量は、２つの位置（前記撮像面に対して対称的）を与えるので、不確定要素が存在しうる。この不確定要素は、先験的情報を使用して、又は超音波プローブ２２０を穏やかに揺動し、被追跡素子２０８の相対的移動（目標面に対して近づく又は離れる）を観測することにより破られることができる。また、単一の追加の撮像センサ、トランスデューサ又は素子２３６（又は送信器）は、前記不確定要素を破るために撮像アレイ２２２側で使用されることもできる（タイブレーカ）。
【００３５】
本技術は、素子２０８が面の厚み２３８内である、すなわち、撮像面に近い場合、被追跡素子２０８を検出することができる。（画質と追跡視野との間の妥協を生じるように集束する小さい高度を持つ）カスタマイズされたプローブ設計は、特定の応用例に対するシステムの機能性を拡張するように使用されることができる。
【００３６】
従来のシステムにおいて、一次元（１Ｄ）超音波（ＵＳ）プローブが、針又は他のツールの２Ｄ視覚化に対して使用される場合、前記ツールの位置は、前記ツールがＵＳ撮像面２３９の外側に位置する場合に撮像に対して評価されることができない。二次元（２Ｄ）超音波プローブ（１Ｄ湾曲アレイ）は、幅広い範囲の臨床的介入において患者の生体構造に対する針の２Ｄ視覚化に対して使用されることができる。従来のシステムにおいて、臨床医は、前記針を視覚化するために前記針を完全に前記面内に向けるのに大量の時間をかける。斜め／直交注入から、前記針は、視覚するのが非常に難しい。しかしながら、本原理によると、前記針又はツールは、目標領域を表示しながら三次元において位置特定及び画像化されることができる。このようにして、前記針は、見つけるのが容易であり、その位置は、超音波ガイド針介入、例えば、神経ブロック、生検、血管アクセス、膿瘍ドレナージ、アブレーション等のような如何なるタイプの処置に対しても正確に追跡される。ＵＳガイド針介入は、高価な追加の機器（マトリクスアレイ）の必要性なしに、大幅に容易化される。ＵＳガイド介入は、（ｉ）より正確に、（ｉｉ）より速く、（ｉｉｉ）（２Ｄプローブを使用することにより）安価になる。
【００３７】
図４を参照すると、一実施例による針２４６の三次元レンダリングを示す具体的な二次元超音波画像２４２が表現されている。針２４６は、画像境界２４４とともに示されるが、これらの境界２４４の外側で追跡されることができる。針２４６のレンダリングは、上記のように三辺測量を使用して生成される。針移動は、リアルタイムで追跡され、周囲の組織に沿って表示される。本原理は、比較的安価なセットアップで速く、正確な画像化を可能にする。
【００３８】
図５Ａ−５Ｃは、ビーム形成技術を説明する。ビーム形成は、物理的アレイ素子から仮想的アレイ素子に（飛行時間に対する）球の原点を空間的にシフトすることができる。（適切な時間遅延を使用して）複数の物理的素子を空間内の１つの位置に集束させることにより、焦点位置は、仮想的素子になる。
【００３９】
図５Ａを参照すると、トランスデューサアレイ３０２は、集束されたエネルギを送信する物理的素子３０４を含む。事例的に、ビームは、焦点位置３０５、３０６及び３０７において交差する。これらの焦点位置３０５、３０６及び３０７は、飛行時間三辺測量計算を実行する球中心として使用されることができる。焦点位置３０５、３０６及び３０７は、平面一次元トランスデューサアレイ構成３０２の使用を可能にすることができる非共線的仮想的素子を有利に提供する。この構成において、医療装置上の追跡センサ３１０は、記載されたように位置推定を実行するために前記仮想的素子（３０５、３０６及び３０７）からエネルギを受信する受信器として機能する。
【００４０】
図５Ｂを参照すると、仮想的素子は、物理的アレイ３０２の後ろから投影されることもできる。例えば、ビーム形成は、前記医療装置に取り付けられたセンサ３１０とはアレイ３０２の反対側にある仮想的素子３１２を統制するのに使用されることができる。
【００４１】
図５Ｃを参照すると、本実施例において、装置素子３２０は、送信器として機能し、仮想的素子３２２、３２３及び３２４は、受信器として機能する。仮想的素子３２２、３２３及び３２４は、物理的アレイ３２８内の物理的素子３２６と対応する。物理的素子３２６は、装置素子３２０から送信された信号を受信する。物理的素子３２６において測定された信号遅延は、仮想的素子３２２、３２３及び３２４の視点からの測定を可能にするように変換される。そうすることにより、ビーム形成は、物理的素子３２６間の共線性を除去するのに使用される。
【００４２】
図６を参照すると、ブロック／フロー図が、１つの具体的実施例による医療装置を画像化する方法を示す。ブロック４０２において、医療装置が、対象内に導入される。前記医療装置は、信号を交換する少なくとも１つの素子を含む。前記医療装置は、針、カテーテル、プローブ、ロボット、フィルタ装置、電極等の少なくとも１つを含むことができる。
【００４３】
ブロック４０４において、信号が、エネルギ源により生成され、前記医療装置上の前記少なくとも１つの素子とアレイ内に配置された複数のトランスデューサとの間で交換される。前記アレイは、（線形の素子を持つ）一次元アレイ又は湾曲若しくは千鳥配列アレイ（二次元）であることができる。ブロック４０６において、前記トランスデューサと前記少なくとも１つの素子との間の信号の飛行時間が、決定される。これは、前記トランスデューサからのパルス又は信号が前記少なくとも１つの素子において受信される（又はその逆の）時間を測定することを含むことができる。
【００４４】
ブロック４０８において、真の交点は、前記飛行時間により規定される半径を持つ球に対して決定される。ブロック４１０において、前記真の交点は、前記医療装置の位置を追跡するように前記対象に沿って経時的に画像化される。前記三辺測量は、ブロック４１２において前記真の交点を決定するのに使用される。ブロック４１４において、前記トランスデューサのアレイは、ライン又は湾曲表面に沿った一次元アレイ内に配置されることができる。前記画像化は、少なくとも３つのトランスデューサに対する前記少なくとも１つの素子の三辺測量を使用して三次元において前記医療装置を画像化することを含むことができる。
【００４５】
ブロック４１６において、追加の素子／トランスデューサは、前記真の交点及び対称交点を区別するように構成されることができる。これは、前記真の及び対称交点が区別されることができる位置において前記トランスデューサを追加することを含むことができる。前記交点を区別する他の技術も、使用されることができる。
【００４６】
ブロック４１８において、前記飛行時間球は、好ましくは、前記少なくとも１つのセンサに対して非共線的である中心を持つ。しかしながら、前記球が共線的である場合、ビーム形成は、１つ又は複数の送信器からの送信された信号に対して使用され、前記送信された信号に対して新しい原点を提供し、共線性を除去することができる。
【００４７】
添付の請求項を解釈する際に、以下のことが理解されるべきである。
ａ）単語"有する"は、所定の請求項に列挙された要素又は動作以外の要素又は動作の存在を除外しない。
ｂ）要素に先行する単語"１つの"は、複数のこのような要素の存在を除外しない。
ｃ）請求項内の参照符号は、その範囲を限定しない。
ｄ）複数の"手段"は、同じアイテム又はハードウェア又はソフトウェア実施構造又は機能により表されてもよい。
ｅ）動作の特定の順序は、特に示されない限り、必要とされることを意図されない。
【００４８】
（説明的であり、限定的ではないことを意図される）二次元撮像プローブを用いる三次元針位置特定に対するシステム及び方法に対する好適な実施例を記載して、修正例及び変形例が、上記の教示を考慮して当業者によりなされることができることに注意されたい。したがって、添付の請求項により概説されるここに開示された実施例の範囲内である変形が、開示された開示の特定の実施例においてなされることができると理解されたい。詳細をこのように記載し、特許法により要求されて、請求され特許証により保護されることを望まれるものは、添付の請求項に記載される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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