(57)【要約】第１及び第２のトランスデューサと、当該第１及び第２のトランスデューサに接続され、第１及び第２のトランスデューサ間で複数の距離測定を実行する超音波測距サブシステムとを具える距離測定システム。この距離測定システムは、更に、超音波測距サブシステムに接続され、複数の距離測定（例えば８回）から超音波干渉を除去し、干渉を除去した距離測定に基づいて距離を出力するフィルタを具える。このフィルタは、複数の距離測定の一つを選択することで超音波干渉を除去し、その場合、出力された距離は、この選択された距離測定である。超音波干渉は、典型的には最も短い距離測定としてそれ自身を表すので、選択された距離測定は好ましくは最小距離測定より大であることが好ましく（例えば最大距離測定など）、これによって超音波干渉を除去する。
2005534410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
距離測定システムにおいて：
第１及び第２のトランスデューサと；
前記第１及び第２のトランスデューサに接続され、前記第１及び第２のトランスデューサ間の複数の距離測定を実行する超音波測距サブシステムと；
前記複数の距離測定から超音波干渉をフィルタし、このフィルタした距離測定に基づいて距離を出力する前記超音波測距サブシステムに接続されたフィルタと；
を具えることを特徴とする距離測定システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記フィルタが前記複数の距離測定の一つを選択して前記複数の距離測定をフィルタし、前記出力した距離が前記選択された距離測定であることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムにおいて、前記選択された距離測定が、最小の距離測定より大であることを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項２に記載のシステムにおいて、前記選択された距離測定が最大の距離測定であることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１及び第２のトランスデューサの一つがカテーテルに搭載されていることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記距離測定回数が８であることを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記超音波測距サブシステムが、更に：
前記第１のトランスデューサに接続され、送信パルスを生成し、前記第１のトランスデューサに送信するパルス発生器と；
前記第２のトランスデューサに接続され前記第２のトランスデューサから受信パルスを検出する閾値検出器と；
前記パルス発生器と前記閾値検出器に接続された測定手段と；
を具え、各距離測定について、前記測定手段が前記パルス発生器をトリガして送信パルスを生成して前記第１のトランスデューサに送信し、前記送信パルスの送信と前記閾値検出器による受信パルスの検出との間の経過時間を測定し、前記測定した経過時間に基づいて前記距離測定を生成することを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項７に記載のシステムにおいて、前記測定手段が前記経過時間を測定するデジタルカウンタを具えることを特徴とするシステム。
【請求項９】
距離測定システムにおいて：
第１及び第２のトランスデューサと；
前記第１及び第２のトランスデューサに接続され、前記第１及び第２のトランスデューサ間の距離測定を遂次実行する超音波測距サブシステムと；
前記超音波測距サブシステムに接続され前記距離測定を遂次受信し、最後のＮ回の距離測定から超音波干渉をフィルタし、前記フィルタした距離測定に基づいて距離を出力するフィルタと；
を具えることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムにおいて、前記フィルタが、前記最後のＮ回の距離測定の一つを選択することによって前記最後のＮ回の距離測定をフィルタし、前記出力された距離が前記選択された距離測定であることを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムにおいて、前記選択された距離測定が、最小距離測定より大であることを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項１０に記載のシステムにおいて、前記選択された距離測定が最大距離測定であることを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項９に記載のシステムにおいて、前記Ｎが８であることを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項９に記載のシステムにおいて、前記フィルタが前記Ｎ回の距離測定の距離の変化を計算し、この距離の変化を閾値と比較して、前記距離の変化が前記閾値を超える場合は距離を出力し、そうでない場合は超音波測距サブシステムから受信した最新の距離測定を出力することを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のシステムにおいて、前記距離の変化が、前記超音波測距サブシステムから受信した前記最後のＮ回の距離測定の最大及び最小間の差であることを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１４に記載のシステムにおいて、前記距離の変化が、前記超音波測距システムから受信した最後のＮ回の距離測定の変化であることを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１４に記載のシステムにおいて、前記距離の変化が前記超音波測距システムから受信した最後のＮ回の距離測定の２次導関数であることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の属する技術分野
本発明は、一般的に超音波測距に関し、特に超音波干渉の存在下において超音波測距を実行するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
超音波測距は、２本のトランスデューサ間の距離を計算する技術である。超音波測距の原理が図１に示されており、ある距離で隔てられている２本の超音波トランスデューサ１０、２０を示す。この超音波トランスデューサの一方は送信トランスデューサ１０であり、他方は受信トランスデューサ２０である。これらのトランスデューサ１０、２０間の距離を測るためには、送信トランスデューサ１０が超音波パルス２５を送信し、このパルスが受信トランスデューサ２０で検出される。このトランスデューサ１０、２０間の距離ｄは、
ｄ＝ｖτ
で計算される。ここで、ｖはトランスデューサ１０、２０間の媒体中での超音波パルス２５の速度であり、τは超音波パルス２５が送信トランスデューサ１０から受信トランスデューサ２０へ移動する移動時間である。
【０００３】
超音波測距の一つのアプリケーションは、３次元（３Ｄ）座標システム内での装置の位置を追跡する超音波位置追跡でのアプリケーションである。図２を参照すると、これは、追跡される装置１１５上に一またはそれ以上の測距トランスデューサ１１０を搭載することと、間隔を空けて配置されている４つあるいはそれ以上の基準トランスデューサ１２０−１〜１２０−４を設けることによって実行される。
【０００４】
この例では、追跡される装置１１５はカテーテルの先端である。測距トランスデューサ１１０は、受信トランスデューサとして動作し、基準トランスデューサ１２０−１〜１２０−４は各々、受信トランスデューサと送信トランスデューサの双方として動作する。
【０００５】
３Ｄ座標システムを構築するために、基準トランスデューサ１２０−１〜１２０−４が順次励起され、超音波パルス（図示せず）を送信する。各基準トランスデューサ１２０−１〜１２０−４が超音波パルスを送信するとき、他の基準トランスデューサ１２０−１〜１２０−４が、その超音波パルスを検出する。次いで、この検出された超音波パルスの各々について超音波測距を実行することによって、基準トランスデューサ１２０−１〜１２０−４間の相対距離が計算される。この計算された距離は更に三角測量されて、３Ｄ空間内における基準トランスデューサ１２０−１〜１２０−４間の相対位置を決定する。この基準トランスデューサ１２０−１〜１２０−４間の相対位置が、次いで、３Ｄ座標システム上にマッピングされ、３Ｄ座標システム内の測距トランスデューサ１１０の位置を追跡するための基準を提供する。
【０００６】
測距トランスデューサ１１０、従って測距トランスデューサ１１０を搭載している装置１１５の３次元座標システム中の位置を追跡するために、基準トランスデューサ１２０−１〜１２０−４は遂次励起され、超音波パルスを送信する。各基準トランスデューサ１２０−１〜１２０−４が超音波パルスを送信すると、測距トランスデューサ１１０がその超音波パルスを検出する。測距トランスデューサ１１０と各基準トランスデューサ１２０−１〜１２０−４との距離ｄ１〜ｄ４は、各検出された超音波パルスについて超音波測距を実行することによって計算される。この計算された距離が次いで三角測量されて、３次元空間における基準トランスデューサ１２０−１〜１２０−４に対する測距トランスデューサ１１０の相対位置を決定する。次いで、３次元座標システムにおける測距トランスデューサ１１０の位置が、基準トランスデューサ１２０１〜１２０−４に対する測距トランスデューサ１１０の相対位置と、3次元座標システムにおける基準トランスデューサ１２０−１〜１２０−４の既知の位置とに基づいて決定される。
【０００７】
超音波測距を用いた追跡システムの一例は、現在はボストンサイエンティフィック社の一部であるカーディアック・パスウエイズ社（Cardiac Pathways Corporation）によって商業的に開発された、リアルタイムポジションマネージメント（Realtime Position Management:登録商標）（ＲＰＭ）である。このＲＰＭシステムは、基準カテーテル、マッピングカテーテル、焼灼カテーテルを含む医療デバイスの位置を追跡するのに超音波測距を用いている。
【０００８】
超音波測距は、超音波パルスの送信と検出によって距離を測定しているので、例えば超音波撮像器などの超音波源からの超音波干渉に対して無防備である。例えば、超音波干渉が受信トランスデューサ２０によって検出されて、送信トランスデューサ１０からの超音波パルスとして間違ってとらえられ、距離の測定を誤ることがある。
【０００９】
発明の概要
本発明の第１の特徴によれば、距離測定システムは第１及び第２のトランスデューサと、この第１及び第２のトランスデューサ間の複数回の距離測定を実行するためにこれらの第１及び第２のトランスデューサに接続された超音波測距システムとを具える。限定されない実施例として、前記距離測定を実行するにおいて、前記距離測定システムは、送信パルスを発生し前記第１のトランスデューサへ送信するために前記第１のトランスデューサに接続されたパルス発生器と、前記第２の検出器からの受信パルスを検出するために前記第２のトランスデューサに接続された閾値検出器と、前記パルス発生器と閾値検出器に接続された測定手段（例えばデジタルカウンタ）と、を具える。この場合、各距離測定について、前記測定手段がパルス発生器をトリガして送信パルスを生成して前記第１のトランスデューサへ送信し、この送信パルスの送信と閾値検出器による受信パルスの受信の間の経過時間を測定し、この測定した経過時間に基づいて距離測定を行う。
【００１０】
この距離測定システムは、更に、複数の距離測定（例えば８回など）から超音波干渉をフィルタリングし、このフィルタをかけた距離測定に基づいて距離を出力する超音波測距サブシステムに接続されたフィルタを具える。この距離測定システムは、医療アプリケーションを含め、様々なアプリケーションを持ちうる。医療アプリケーションでは第１及び第２のトランスデューサを一のカテーテルに搭載することができる。
【００１１】
この好ましい実施例では、このフィルタは、複数回の距離測定のうちの一つを選択することによって超音波干渉をフィルタで除去する。この場合、出力された距離は選択された距離測定のものである。超音波干渉は典型的には、最も短い距離測定としてそれ自身を表すものであるので、この選択された距離測定は、最も短い距離測定よりも大であること（例えば最大距離測定など）が好ましく、これによって、超音波干渉をフィルタして除去する。
【００１２】
本発明は、その最も広い特徴においてそのように限定されるべきではないが、前記フィルタが遂次距離測定を受信し、最後のＮ回の距離測定からの超音波干渉をフィルタ除去する。この場合フィルタは、それらの距離測定の一つを選択することによって最後のＮ回の距離測定をフィルタリングすることができる。本システムがトランスデューサの動きにより応答性が高くなるように、フィルタはＮ回の距離測定の距離の変化を計算して、この距離の変化と閾値とを比較することができる。従って、フィルタは距離の変化が前記閾値を越えたときに距離を出力する一方で、そうでない場合は超音波測距サブシステムから受信した最新の距離測定を出力することができる。実際、このフィルタリングは超音波干渉があるときにのみに遂行され、これによって距離測定プロセスにより良い応答性を提供する。距離の変化の計算は、最後のＮ回の距離測定の最大値と最小値の差を取る、最後のＮ回の距離測定の変化を計算する、あるいは最後のＮ回の距離測定の二次導関数を計算するなど、様々な方法で行うことができる。
【００１３】
本発明の第２の特徴によれば、２本のトランスデューサ間の距離を測定する方法は、これらのトランスデューサ間の距離測定を複数回（例えば８回）実行するステップを含む。例えば、この距離測定は、トランスデューサの一方を励起して超音波パルスを送信するステップと、この超音波パルスがもう一方のトランスデューサに届くまでの時間を測定するステップを具えていても良い。
【００１４】
この方法は、さらに、複数回の距離測定からの超音波干渉をフィルタリングするステップと、このフィルタリングした距離測定に基づいて距離を出力するステップとを具える。この距離測定は、例えば複数回の距離測定のうちの一つを選択することによってフィルタリングされうる。この場合、この出力された距離は、選択された距離測定になる。この選択された距離測定は、例えば最大距離測定など、最小距離測定より大きいことが好ましい。
【００１５】
本発明は、その最も広い特徴においてそのように制限されるべきではないが、前記距離測定は順次受信され、超音波干渉が最後のＮ回の距離測定からフィルタして除去される。この場合、前記最後のＮ回の距離測定は、Ｎ回の距離測定の一つを選択することによってフィルタリングすることができる。この方法がトランスデューサの動きにより応答性が高くなるように、Ｎ回の距離測定の距離の変化を計算して閾値と比較することができる。そして、この距離の変化が閾値をこえたときに距離が出力される一方、そうでないときは超音波測距サブシステムから受信された最も新しい距離測定が出力され、これによってより応答性の高い方法を提供する。距離の変化の計算は、最後のＮ回の距離測定の最大値と最小値の差を取る方法、最後のＮ回の距離測定の変化を計算する方法、最後のＮ回の距離測定の二次導関数を計算する方法を含む様々な方法がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
図面は、本発明の好ましい実施例における設計と有用性を示すものであり、同様の素子には共通の符号が付されている。
【図１】図１は、2つのトランスデューサ間の超音波測距の原理を示す図である。
【図２】図２は、超音波測距を用いた超音波による位置追跡を示す図である。
【図３】図３は、超音波測距システムの機能図である。
【図４】図４は、超音波パルスの移動時間を測定するのに使用される送信パルスと受信パルスのタイムラインである。
【図５】図５は、超音波干渉源を含む環境における図３に示す超音波測距システムを示す図である。
【図６】図６は、送信パルスと受信パルス間の超音波干渉の到達を示すタイムラインである。
【図７】図７は、本発明の一実施例にかかる距離フィルタを更に具える超音波測距システムの機能図である。
【図８】図８は、本発明の他の実施例にかかる距離フィルタの動作を示すフローチャートである。
【図９】図９は、本発明の他の実施例にかかる複数の送信トランスデューサを具える超音波測距システムの機能ブロック図である。
【図１０】図１０は、本発明の更に他の実施例にかかる超音波位置追跡システムの機能ブロック図である。
【図１１】図１１は、図１０のシステムに使用することができる医療カテーテルと基準カテーテルの例を示す図である。
【図１２】図１２は、図１０のシステムの例証的なディスプレイ画像を示す図である。
【図１３】図１３は、２つのトランスデューサ間の距離に対しての本発明のフィルタ付き、およびフィルタなしでの距離エラーの可能性を示すグラフである。
【００１７】
好ましい実施例の詳細な説明
図３は、トランスデューサ１０、２０間の距離を測定する超音波測距システムのブロック図である。測距システム３１０は、一般に、送信トランスデューサ１０に接続されたパルス発生器３２０と、受信トランスデューサ２０に接続された閾値検出器３３０と、閾値検出器３３０に接続された距離回路３４０を具える。パルス発生器３２０は、例えば周波数６００ＫＨｚの電圧パルスを発生することができる。閾値検出器３３０は、受信トランスデューサ２０からの閾値レベル、例えば電圧レベル、を超える信号を検出する。測距システム３１０は、更に、パルス発生器３２０に接続された制御・タイミング回路３５０と、この制御・タイミング回路３５０と距離回路３４０に接続された距離カウンタ３６０を具える。距離カウンタ３６０はクロックで駆動されるデジタルカウンタであってもよい。説明を容易にするために、一の送信トランスデューサ１０のみが記載されている。複数の送信トランスデューサによるより典型的なケースは後述する。
【００１８】
トランスデューサ１０、２０間の距離を測定するために、制御・タイミング回路３５０がパルス発生器３２０をトリガして送信パルスを生成し、送信トランスデューサ１０に送信する。送信トランスデューサ１０は、この送信パルスを超音波パルスに変換して、超音波パルス２５を送信する。制御・タイミング回路３５０は、また距離カウンタ３６０をトリガして、送信パルスの送信時間にゼロからカウントを開始する。距離カウンタ３６０でカウントされている値は、送信パルスの送信からの時間測定を提供する。
【００１９】
超音波パルス２５が送信された後、受信トランスデューサ２０は、超音波パルスを受信してこの超音波パルスを閾値検出器３３０で検出される受信パルスに変換する。この受信パルスを検出すると、距離回路３４０は距離カウンタ３６０から現カウント値を読む。この読み出したカウント値は、送信パルスの送信と受信パルスの受信間の経過時間を表しており、これはトランスデューサ１０、２０間の超音波パルス２５の移動時間τに相当する。これが送信パルスと受信パルスのタイムラインを示す図４に記載されている。この読み出したカウント値は、また、トランスデューサ１０、２０間の距離測定も提供する。なぜなら、トランスデューサ１０、２０間の距離ｄは、
ｄ＝ｖτ
であり、超音波パルス２５の移動時間τに比例するためである。ここで、ｖは、超音波パルス２５の速度である。距離回路３４０は、トランスデューサ１０、２０間の距離測定としてこの読み出したカウント値を出力する。
【００２０】
一の実施例では、距離回路３４０は、送信パルスが送信された後、例えば１００μ秒といった時間窓内の受信パルスを予期している。この時間窓は、前記送信パルスが送信されたのと同時又はすぐ後に開始することができる。受信パルスの検出時間を決定するにあたって、距離回路３４０は、閾値検出器３３０が時間窓内で検出した最初の信号を受信パルスと見做す。
【００２１】
超音波干渉を含む環境における超音波測距システム３１０の動作を、超音波干渉５２５の源５１０が記載されている図５を参照して述べる。この超音波干渉源は、例えば超音波撮像トランスデューサである。以下の説明では、超音波干渉５２５が閾値検出器３３０によって検出され得る程振幅が十分に大きいものと仮定されている。
【００２２】
超音波干渉が、送信パルスの送信前に受信トランスデューサ２０に届く場合は、距離回路３４０はこの超音波干渉を無視する。これは、送信パルスが送信される前は距離回路３４０がまだ受信パルスを予期していないからである。
【００２３】
図６は、送信パルスと受信パルス間に超音波干渉が受信トランスデューサ２０に届く場合を示すタイムラインである。これが生じる場合は、閾値検出器３３０が、まず超音波干渉を検出する。この結果、距離回路３４０は検出された超音波干渉を受信パルスと誤解する。これによって、距離測定ユニット３５０は、距離カウンタ３６０からの計数値を早まって読み取ってしまう。この場合、読み出した計数値は、送信パルスと超音波干渉の検出との間の時間を表わす。この結果、図６に示すように、読み出した計数値は、実際の超音波パルスの移動時間τより短い、間違った移動時間τｅｒｒに相当することになる。このことは、また、距離回路３４０にトランスデューサ１０、２０間の実際の距離よりも短い距離測定を出力させることになる。
【００２４】
受信パルスの後に超音波干渉が受信トランスデューサ２０に届くと、距離測定回路３４０は、この超音波干渉を無視する。これは、閾値検出器３３０がまず受信パルスを検出するためである。この結果、距離回路３４０は受信パルス検出時に正しくカウント値を読む。
【００２５】
上述の３つのケースのうち、測距システム３１０が超音波干渉に影響される唯一のケースは、送信パルスと受信パルス間に超音波干渉が受信トランスデューサ２０に届くときである。この場合、距離回路３４０は、トランスデューサ１０、２０間の実際の距離より短い距離測定を出力する。従って、超音波干渉によって、測距システム３１０が短すぎる距離を測定することになる。本発明は、この特性を利用して、以下に述べるとおり、超音波干渉によって生じる誤った距離測定をフィルタをかけて除去するようにしたものである。
【００２６】
図７は、トランスデューサ１０、２０間の距離を測定するシステム７１０の実施例を示すものであり、距離回路３４０に接続されている距離フィルタ７１５を更に具えている。好ましい実施例では、距離フィルタ７１５はソフトウエアに実装されるが、ファームウエアや、あるいはハードウエアに実装することもできる。本実施例では、制御・タイミング回路３５０は、トランスデューサ１０、２０間の距離測定を、例えばＲＰＭシステム用に１３ｍｓ毎に1回という規則的なインターバルで継続的に開始することができる。制御・タイミング回路３４０が距離測定を開始するたびに、距離回路３４０は距離フィルタ７１５に距離測定を出力する。このフィルタ７１５は、距離回路３４０によって出力された最後のＮ回の距離測定を取って、Ｎ回の距離測定の最大値を出力する。ここで、Ｎは正の整数（例えば、Ｎ＝８）である。
【００２７】
距離フィルタ７１５の動作は、
y(n) = max[x(n), x(n-1), …, x(n-N)]
で表される。ここで、y(n)は距離フィルタの最新の出力であり、x(n)は距離回路３４０からの最新の距離測定であり、max[ ]は、最新の距離測定x(n)で開始した距離回路３４０からの最後のＮ回の距離測定の最大値を取る関数である。
【００２８】
距離フィルタ７１５は、超音波干渉によって生じる誤った距離測定をフィルタにかけ除去する。これは、超音波干渉によって距離回路３４０がトランスデューサ１０、２０間の実際の距離より短い距離測定を出力するためである。この結果、距離回路３４０によって出力された正しい距離測定は、超音波干渉によって生じた誤った距離測定より大きくなるであろう。従って、最後のＮ回の距離測定の少なくとも一つが正しい場合、距離フィルタ７１５によって出力される最大距離測定は、正しい距離測定の一つということになる。距離フィルタ７１５は、距離回路３４０からの最後のＮ回の距離測定の全てがエラーである場合は一の距離エラーを出力するだけである。
【００２９】
本発明の距離フィルタ７１５は、超音波干渉による距離エラーを有意に減少させられる。このことは、超音波干渉による距離回路３４０からの距離エラーの可能性をＰと仮定することによって示すことができる。この場合、最後のＮ回の距離測定の全てがエラーである可能性は、ＰのＮ乗である。距離フィルタ７１５は、最後のＮ回の距離測定が全部エラーである場合にのみ距離エラーを出力するので、距離フィルタ７１５から距離エラーが出力される可能性は、ＰのＮ乗であり、Ｐより有意に小さくなりうる。例えば、Ｐが７７％であり、Ｎ＝８であれば、距離回路３４０から超音波干渉による距離エラーが出力される可能性は７７％であるが、距離フィルタからの超音波干渉による距離エラーが出力される可能性は１２．３％である。明らかにＮを増加することによって、超音波干渉により距離フィルタ７１５が距離エラーを出力する可能性をさらに減らすことができる。しかしながら、以下に説明するように、Ｎを増やすと、違うタイプの距離エラーが増えるかもしれない。
【００３０】
制御・タイミング回路３５０が規則的なインターバル（例えば１３ミリ秒に１回）で距離測定を開始する場合は、距離フィルタ７１５は、
Ｍ＝ＮΔｔ
の有限測定時間窓Ｍの間の最大距離測定を出力する。ここで、Δｔは、隣接する距離測定間の時間であり、Ｎは対象となる距離測定の回数である。例えば、Δｔ＝１３ｍｓ、Ｎ＝８のとき、測定時間窓は１０４ｍｓである。距離フィルタ７１５がトランスデューサ１０、２０間の現在の距離の良好な近似を提供するためには、トランスデューサ１０、２０間の距離が測定窓内で比較的安定を保っていなければならない。これによって、測定窓内での最大距離測定が、確実に、トランスデューサ１０、２０間の現在の距離の良好な近似を提供することになる。トランスデューサ１０、２０間の距離が測定窓内で変化する場合は、最大距離はもはやトランスデューサ１０、２０間の現距離の近似ではないであろう。例えば、トランスデューサ１０、２０間の距離が測定窓内で減少する場合は、最大距離はトランスデューサ１０、２０間の現在の距離より大きくなる傾向になるであろう。
【００３１】
したがって、Ｎの増加にはトレードオフがある。増加するＮは，超音波干渉による距離エラーを減少させるが、測定窓のサイズが大きくなることにより測定窓内での距離の変化による距離エラーが増える。
【００３２】
測定窓内の距離の変化によって生じるエラーを減らす一つの方法は、測定窓を小さくすることである。これは、例えば、より短時間でより多くの距離測定を提供するためにシステム７１０の送信レートを上げることによって、Ｎを減らすことなく実行することができる。この方法で、超音波干渉によって生じる距離エラーを増加させることなく距離の変化によって生じる距離エラーを減らすことができる。
【００３３】
別の実施例では、距離フィルタ７１５が測定窓内での距離の変化を計算し、この計算した距離の変化を閾値と比較する。距離フィルタ７１５は測定窓内での距離の変化がこの閾値を越える場合にのみ最大距離測定を出力する。これ以外の場合は、フィルタ７１５は距離回路３４０からの最も新しい距離測定を出力する。
【００３４】
閾値は、トランスデューサ１０、２０間の距離が、トランスデューサ１０、２０間の移動によって測定窓内で変化しうる最大値によって決めることができる。例えば、受信トランスデューサ２０がカテーテル（図示せず）に搭載されている場合、距離の最大変化は、外科医が測定窓内でそのカテーテルを操縦する最大距離によって決めることができる。この閾値は、
閾値  ＝  Ｎδ
で表すことができる。ここで、δは隣接する距離測定間の距離の最大変化を表し、Ｎは対象となる距離測定の数である。
【００３５】
本実施例の距離フィルタ７１５の動作を図８に基づいて説明する。ステップ８１０では、距離フィルタ７１５が距離回路３４０からの最後のＮ回の距離測定に対する距離の変化を計算する。この距離の変化は、最後のＮ回の距離測定の最大値と最小値間の差として計算することができる。これは、
range(n) = max[x(n),x(n-1),…,x(n-N)] - min[x(n), x(n-1),…,x(n-N)]
で表わされる。ここで、range(n)は最後のＮ回の距離測定に対する距離の変化であり、x(n)は、距離回路３４０からの最新の距離測定である。例えば最後のＮ回の距離測定の分散を計算するなど、距離変化の他の測定法を用いるようにしても良い。他の例として、迅速なカテーテルの動きとランダムな干渉を差別するのに用いることができる、最後のＮ回の距離測定の二次導関数を利用することもできる。これは、干渉がない状態での迅速なカテーテルの動きは、小さい二次導関数を用いて距離測定を出す一方、ランダムな干渉は、相対的に大きな二次導関数で距離測定を出すためである。
【００３６】
ステップ８２０で、距離フィルタ７１５は距離の変化を閾値と比較する。距離の変化が閾値以上であれば、距離フィルタ７１５は、ステップ８３０で、距離回路３４０から最後のＮ回の距離測定の最大値を出力する。そうでない場合は、ステップ８４０で距離フィルタ７１５は、距離回路３４０からの最新の距離測定を出力する。距離フィルタ７１５は距離回路３４０から受信する各順次の距離測定ごとに図８に示すステップを繰り返す。
【００３７】
したがって、本実施例にかかる距離フィルタ７１５は、計算された距離の変化が閾値を超える場合に最大距離測定を出力することのみによって、増加するＮという望まない副次的効果を減少させる。言い換えれば、距離フィルタ７１５は、距離の変化がもっとも超音波によって起こりそうな場合にのみ最大フィルタリング機能を適用し、トランスデューサ１０、２０間の移動による場合には適用しない。
【００３８】
上述の説明では、システムは一の送信トランスデューサを有している。超音波位置追跡などの多くのアプリケーションでは、複数の送信トランスデューサを必要としている。図９は、システム９０５の実施例を示す図である。これは、更に複数の送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎを具え、ここでは、各送信トランスデューサがパルス発生器９２０−１〜９２０−ｎに接続されている。この実施例では、制御・タイミング回路９５０が、受信トランスデューサ２０と各送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎ間の距離測定を遂次開始する。
【００３９】
動作中は、制御・タイミング回路９５０は、パルス発生器９２０−１〜９２０−ｎの各々を遂次トリガし、送信パルスを発生して各送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎに送信し、送信トランスデューサ１０−１〜１０〜ｎに超音波パルス（図示せず）を送信させる。送信パルスは、例えば１ｍｓの時間間隔を置くことができ、したがって、互いの間では干渉しない。
【００４０】
各送信パルスについて、制御・タイミング回路９５０は、距離カウンタ３６０をトリガして、送信パルスの送信時間をゼロからカウントを開始する。制御・タイミング回路９５０はまた、距離回路３４０に対応する送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎを同定するデータを送信する。送信パルスが送信された後、距離回路３４０は例えば１００μｓの時間窓内で受信パルスを待つ。閾値検出器３３０が受信パルスを検出すると、距離回路３４０が距離カウンタ３６０からの現カウント値を読む。この値は、受信トランスデューサ２０と対応する送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎ間の距離測定を提供する。距離回路は、距離フィルタ９１５へ距離測定を出力する。距離回路３４０は、また、その距離測定に対応する送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎを同定するデータを出力する。
【００４１】
距離フィルタ９１５は、測距トランスデューサ２０と各送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎ間の距離に相当する距離測定を距離回路３４０から順次受信する。各受信した距離測定について、フィルタ９１５は相当する送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎを同定する。これは、幾通りかの方法で実行することができる。例えば各距離測定について、制御・タイミング回路９５０及び／又は距離回路３４０が、対応する送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎを同定するデータをフィルタ９１５に送信することができる。代替として、フィルタ９１５は距離回路３４０からの一連の距離測定を受信する順番に従って、相当する送信トランスデューサ１０−１〜１０−２のアイデンティティを決定することができる。例えば、フィルタ９１５はこのシーケンスにおける最初の距離測定が送信トランスデューサ１０−１に相当し、第２の距離測定が送信トランスデューサ１０−２に相当し、以下同様、と仮定することができる。
【００４２】
一の実施例では、距離フィルタ９１５は各送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎについての最大距離を出力する。各送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎについての最大距離を決定するにあたり、フィルタ９１５が距離回路３４０からそれら特定の送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎに対する最後のＮ回の距離測定の最大のものを取る。
【００４３】
他の実施例では、フィルタ９１５は、それら特定の送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎに対する最後のＮ回の距離測定における変化を計算することによって各トランスデューサ１０−１〜１０−ｎの距離の変化も計算する。フィルタ９１５は、次いで、各送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎについての距離の変化を閾値と比較するようにしても良い。もし、ある特定の送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎについての距離の変化が閾値を下回れば、フィルタ９１５はその送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎについての最新の距離測定を出力する。もし、ある特定の送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎに対するこの距離の変化が閾値を上回れば、フィルタ９１５はその送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎに対する最後のＮ回の距離測定の最大値を出力する。
【００４４】
好ましくは、フィルタ９１５がフィルタリングした距離測定を出力するたびに、相当する送信トランスデューサ１０−１〜１０−ｎを同定するデータをそこに含んでいる。ソフトウエアに実装される場合は、フィルタ９１５は、いくつかのソフトウエアモジュール内で実施され、それは各送信トランスデューサにつき一つのソフトウエアモジュールであることが好ましい。
【００４５】
本発明は、一又はそれ以上の装置（例えば、カテーテル）の位置を追跡するための超音波位置追跡システムができる。に使用するのに特に好適である。図１０は、本発明の一実施例による超音波位置追跡システム１００５を示す図である。このシステム１００５は追跡される医療装置（図示せず）に搭載された二つまたはそれ以上の測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｍと、四つまたはそれ以上の基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎを具える。各測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｍは、受信トランスデューサとして動作し、各基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎは送受信両方のトランスデューサとして動作すること
【００４６】
図１１は、測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｍ及び基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎを搭載することができる例証的な装置を示す図である。３つの測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−３が、身体内で医療及び／又はマッピング処理を実行するためにカテーテルの遠位部位に搭載されている。カテーテル１１１０はマッピングカテーテル、焼灼カテーテル、その他同等のものであってもよい。この例では、測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｍは、環状超音波トランスデューサの形態を取る。更に図１１には、基準カテーテル１１２０の遠位部位に搭載されている４本の基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−４が示されている。
【００４７】
図１０に戻ってこれを参照すると、システム１００５は更に、測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｍおよび基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎの各々に接続されている距離測定サブシステム１０１５−１〜１０１５−（ｎ+ｍ）と、基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎの各々に接続されているパルス発生器１０２５−１〜１０２５−ｎを具える。各距離測定サブシステム１０１５−１〜１０１５−（ｎ＋ｍ）は、閾値検出器１０３０−１〜１０３０−（ｎ＋ｍ）、距離回路１０３５−１〜１０３５−（ｎ＋ｍ）、及びそれぞれの距離回路１０３５−１〜１０３５−（ｎ＋ｍ）からの距離エラーをフィルタリング除去するための本発明にかかる距離フィルタ１０４０−１〜１０４０−（ｎ＋ｍ）を具える。特に、ソフトウエアに実装する場合は、距離フィルタ１０４０用のソフトウエアモジュールの数は、測距トランスデューサ１０２０の数と、基準トランスデューサ１０１０の数の積、すなわちｍ×ｎ個のフィルタモジュールになる。システム１００５は、更に、各パルス発生器１０２５−１〜１０２５−ｎに接続された制御・タイミング回路１０５０と、制御・タイミング回路１０５０と各距離測定サブシステム１０１５−１〜１０１５−（ｎ＋ｍ）に接続された距離カウンタ１０６０を具える。システム１００５は、また、測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｍと基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎの位置を三角測量するための三角測量回路１０７０と、この三角測量回路に接続されたディスプレイ画像プロセッサ１０７５と、このディスプレイ画像プロセッサ１０７５に接続されたディスプレイ１０８０とを具える。好ましい実施例では、三角測量回路１０７０は、ソフトウエアに実装されるが、ファームウエアあるいはハードウエアに実装することもできる。
【００４８】
動作中は、制御・タイミング回路１０５０はパルス発生器１０２５−１〜１０２５−ｎの各々を遂次トリガして、送信パルスを発生し、その各々の基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎに送信して、基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎに超音波パルスを送信させる。この送信パルスは、互いに干渉を起こさないように、例えば１ｍｓといった時間的間隔をおいて送信することもできる。
【００４９】
各送信パルスについて、制御・タイミング回路１０５０は距離カウンタ１０６０をトリガし、送信パルスの送信時間をゼロからカウントを開始する。送信パルスが送信された後に、各距離測定サブシステム１０１５−１〜１０１５−ｎは、各トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｍ、および１０１０−１〜１０１０−ｎで受信パルスを待つ。各々の閾値検出器１０３０−１〜１０３０−（ｎ＋ｍ）で受信パルスが検出されると、各距離回路１０３５−１〜１０３５−（ｎ＋ｍ）は距離カウンタから現カウント値を読み出して、距離測定としてこの読み出したカウント値を各々の距離フィルタ１０４０−１〜１０４０−（ｎ＋ｍ）へ出力する。各距離フィルタ１０４０−１〜１０４０−（ｎ＋ｍ）は、その各距離回路１０３５−１〜１０３５−（ｎ＋ｍ）からの超音波干渉による誤った距離測定をフィルタし、フィルタリングされた距離測定を三角測量回路１０７０に出力する。各距離フィルタ１０４０−１〜１０４０−（ｎ＋ｍ）の出力は、好ましくは、フィルタリングされた各距離測定について対応する受信および送信トランスデューサを同定するデータを含む。
【００５０】
各送信パルスについて、三角測量回路１０７０は、送信パルスに対応する基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎと他の各基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎの間の距離測定を受信する。三角測量回路１０７０はまた送信パルスに対応する基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎと各測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｍの間の距離測定を受信する。
【００５１】
三角測量回路１０７０は、基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎ間の距離測定を三角測量することによって、３次元空間における基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎ間の相対位置を計算する。三角測量回路１０７０は、次いで、基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎ間の相対位置を３次元座標システムにマッピングして、その３次元座標システム内で測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｍの位置を追跡するための基準を提供する。三角測量回路１０７０は、そのマッピング手順が基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎ間の相対位置を保存する限り、いくつものマッピング手順のうちのどれを使用してもよい。
【００５２】
３次元座標システム内で測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｍの位置を追跡するために、三角測量回路１０７０は、測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｍと基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎ間の距離測定を三角測量することによって、基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎに対する測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｍの相対位置を三角測量する。三角測量回路１０７０は、次いで、基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎに対する測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｍの相対位置と、３次元座標システム内の基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎの既知の位置に基づいて３次元座標システム内の測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｍの位置を決定する。
【００５３】
当業者は、フィルタ１０４０−１〜１０４０−（ｎ＋ｍ）を三角測量回路１０７０に一体化することができることを認識するであろう。これは、例えば三角測量回路１０７０内のソフトウエアを本発明のフィルタリング機能を実行するように変更することによって行うことができる。この場合、各距離回路１０４０−１〜１０４０−（ｎ＋ｍ）からの距離測定は三角測量回路１０７０に直接出力することができ、三角測量回路１０７０はトランスデューサの位置を三角測量する前に本発明にかかるフィルタリング機能を実行する。
【００５４】
三角測量回路１０７０は、測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｍおよび基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎの３次元座標システムにおける位置をディスプレイ画像プロセッサ１０７５に出力する。ディスプレイ画像プロセッサ１０７５は、追跡されている装置の位置と方向を示す画像をグラフィック態様で生成する。ディスプレイ画像プロセッサ１０７５は、３次元座標システムにおける測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｍの位置をプロットすること、および、予めプログラムされた装置のグラフィックモデルに基づいてこのプロットされた位置上に装置のグラフィック表示を再構築することによって、これを行うことができる。このグラフィックモデルは、装置上の測距トランスデューサの相対位置に関する情報を含んでいても良い。この画像は、また、基準カテーテル１１２０（図１１に示す）の位置と方向をグラフィック態様で示すこともできる。ディスプレイ画像プロセッサ１０７５は、３次元座標システム中に基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎ位置をプロットして、このプロットした位置に基準カテーテル１１２０のグラフィカル表示を再構築することによってこれを行っても良い。ディスプレイ画像プロセッサ１０７５は、ディスプレイ１０８０にこの画像を出力し、ディスプレイ１０８０が外科医にこの画像を表示して見せる。
【００５５】
図１２は、追跡される装置が医療カテーテル１１１０（図１１に示す）である場合の例証的画像１２１０を示す。画像１２１０は、医療カテーテル１１１０と基準カテーテル１１２０のグラフィカルな再構築画像を含む。この医療カテーテル１１１０のグラフィカルな再構築画像は、３次元座標システム中での測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−３の追跡された位置に基づいて画像１２１０内で位置決めされ方向付けられる。同様に、基準カテーテル１１２０のグラフィカルな再構築画像は、３次元座標システム中での基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−４の追跡された位置に基づいて画像１２１０内で位置決めされ方向付けられる。３次元座標システム１２１５は、画像１２１０内に示されても、示されなくとも良い。
【００５６】
上述の例では、一の装置が追跡されているが、超音波位置システム１００５は、測距トランスデューサを備え付けた複数の装置を追跡するのに使用することもできる。更に、ディスプレイ１０８０は、３次元座標システム中に身体構造上のランドマークの位置を表示するようにしてもよい。これは、例えば、身体構造上のランドマークに、測距トランスデューサを備え付けたマッピングカテーテルを位置させ、このマッピングカテーテルの位置に基づいて３次元座標システムにおける身体構造状のランドマークの位置を記録することによって行うことができる。３次元座標システム上のこの身体構造状のランドマークの位置を、ディスプレイ１０８０上に表示して、ラベルを付すようにしても良い。これによって、外科医は、ディスプレイ１０８０上のそれら装置の追跡された位置をディスプレイ１０８０上の身体構造状のランドマークの位置に関連させることによって、身体内で装置をより正確にガイドすることが可能となる。
【００５７】
ディスプレイ１０８０は、また、３次元座標システム内に体組織のコンピュータ表示を表示するようにしてもよい。これは、例えば、測距トランスデューサを搭載したマッピングカテーテルを体組織の表面上の異なる位置に移動させ、３Ｄ座標システム内にこれらの位置を記録することによって行うことができる。画像表示プロセッサ１０７５は、例えば身体構造シェルを記録された位置の上に合致させることによって、３Ｄ座標システム内に体組織のコンピュータ表示を再構築することもできる。体組織のコンピュータ表示が、更に、ディスプレイ１０８０上に表示されるようにしても良い。これによって、外科医は、ディスプレイ１０８０上のそれら装置の追跡された位置をディスプレイ１０８０上の体組織のコンピュータ表示に関連させることによって、身体内で装置をより正確にガイドすることが可能となる。このグラフィック再構築技術の更なる詳細は、Willis et al.の特許出願番号０９/１２８，３０４、「動的に変更可能な身体部位の３次元グラフィックモデル（A dynamically alterable three-dimensional graphical model of a body region）」に見ることができる。
【００５８】
本発明の超音波追跡システム１００５の利点は、距離フィルタ１０４０−１〜１０４０−（ｎ＋ｍ）によって、超音波干渉を含む環境において追跡システム１００５のより信頼性のある動作が可能となることである。これは、超音波干渉による距離のエラーをフィルタすることによって成し遂げられ、これによって、測距トランスデューサ１０２０−１〜１０２０−ｎと基準トランスデューサ１０１０−１〜１０１０−ｎの位置を三角測量するのに使用される距離測定の精度が改善される。
【００５９】
本発明は、超音波撮像と同時に超音波追跡システムを用いる場合に特に有益である。超音波撮像と同時に超音波追跡システムを用いることの一つの利点は、外科医がある身体部位において装置の位置を追跡すると同時に、超音波撮像装置を用いて身体位置を撮像して付加的情報を提供することができることである。他の利点は、例えば超音波撮像カテーテルなどの超音波撮像器を有する装置の位置を追跡するのに超音波追跡システムを使用できることである。
【００６０】
超音波撮像と同時に超音波測距システムを使用することにおける本発明の有益性を以下に説明する。
【００６１】
超音波撮像器は、典型的には、身体内に超音波パルスを発信して、結果として生じるエコーパルスを検出することによって身体を撮像する。超音波パルスの発信レートは、以下の二つの要素によって制約される。
１．撮像されるべき距離。これは、超音波エネルギィが撮像目的物へ届き、そこから戻ってくるのに十分な時間がなくてはならないためである。
２．散乱干渉。これは、一の超音波パルスから散乱したエネルギィが、次の超音波パルスが発信され得る前になくなってしまわなくてはならないからである。
【００６２】
撮像トランスデューサがより速くパルスを出せば、超音波追跡システムで干渉を起こす可能性がより高くなる。超音波測距システムの２つのトランスデューサ間で超音波干渉が生じる可能性は
P = (d/v)/T
であり、ここで、ｄはトランスデューサ間の距離、ｖはトランスデューサ間の超音波の速度、Ｔは干渉している超音波撮像器から出る超音波パルス間の時間である。
【００６３】
一例では、心腔内エコー（Intracardiac Echocardiography: ICE）カテーテルは、７６８０Ｈｚのレートで超音波を発信する超音波撮像器を具える。これは、撮像器からの超音波パルス間の時間Ｔが１３０μｓに相当することになる。図１３は、この特定の超音波撮像器が、超音波測距システムの２つのトランスデューサ間で、トランスデューサ間の距離に対する干渉を起こす可能性を示すグラフである。本発明の距離フィルタがない場合は、距離測定エラーの可能性は、上述の式で与えられるとおり、P = (d/v)/Tである。これは、図１３において、『フィルタされていない』と表示されているカーブによって、ｖ＝１．５ｍｍ／μｓ、Ｔ＝１３０μｓとして示されている。値ｖ＝１．５ｍｍ／μｓは、体内での超音波速度とほぼ同じである。本発明の距離フィルタを具える場合は、距離測定エラーの可能性は、ＰのＮ乗となり、大幅に減る。これは、図１３において「フィルタされた」と表示されているカーブによってＮ＝８として示されている。
【００６４】
当業者は、請求項の範囲で規定される本発明の範囲から外れることなく、上述の好ましい実施例に様々な変形を加えることができるであろう。例えば、本発明の距離フィルタは、本明細書に記載されている特定の超音波測距システムとの使用に制限されるものではなく、超音波干渉の影響を受けやすい他の超音波測距システムと共に用いることができる。
【図１】
2005534410.tif 000003
【図２】
2005534410.tif 000004
【図３】
2005534410.tif 000005
【図４】
2005534410.tif 000006
【図５】
2005534410.tif 000007
【図６】
2005534410.tif 000008
【図７】
2005534410.tif 000009
【図８】
2005534410.tif 000010
【図９】
2005534410.tif 000011
【図１０】
2005534410.tif 000012
【図１１】
2005534410.tif 000013
【図１２】
2005534410.tif 000014
【図１３】
2005534410.tif 000015
【国際調査報告】
2005534410.tif 000016
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