(57)【要約】超音波トランシーバが、膀胱の質量を決定するために、膀胱の厚さと表面の面積を測定する三次元の配列で膀胱を走査する。膀胱壁の厚さと質量は、膀胱の前部、後部、及び側面部の位置に対して決定することができる。
2005528950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膀胱壁の質量を決定する方法において、
少なくとも膀胱の一部がトランシーバの視野内に入るように超音波のトランシーバを患者の体外に位置合わせをして、前記超音波トランシーバは無線周波数超音波パルスを送信し、前記無線周波数超音波パルスのエコーを受信するように設定されており、
前記超音波トランシーバからの前記無線周波数超音波パルスを膀胱壁の表面に送信し、
前記膀胱壁の表面から反射した前記無線周波数超音波パルスのエコーを受信し、
前記受信した超音波のエコーに基づいて前記表面の面積を計算し、
前記受信した超音波のエコーに基づいて前記膀胱壁の少なくとも一部分の厚さを計算し、
前記計算した表面の面積及び厚さの関数として膀胱壁の質量を計算することを含む方法。
【請求項２】
前記無線周波数超音波は約３ＭＨｚから約１０ＭＨｚの範囲を有する請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記膀胱壁の面積はSと定義され、複数の表面のパッチsi,jを構成し、iとjは緯度と経度の要素であるので、Sの面積は複数パッチの和、
【数１】
2005528950.tif 000017
である請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記膀胱壁の面積は約２００ｍｌから約４００ｍｌを含む膀胱を決定する請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記膀胱壁の面積は約０ｍｌから約２００ｍｌを含む膀胱を決定する請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記膀胱壁の面積は約４００ｍｌから約１０００ｍｌを含む膀胱を決定する請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記各表面のパッチsi,jはさらに、ベクトル(si,j(u,v) = xi,j(u,v)i + yi,j(u,v)j + zi,j(u,v)k)で定義され、i、j、kはそれぞれx-、y-、z-方向の単位ベクトルであり、uとvは表面のパッチの座標である請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記壁の厚さは複数の膀胱壁の領域の厚さの平均値として計算される請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記壁の領域の内部と外部を分離している厚さはさらに関係式
【数２】
2005528950.tif 000018
で算出され、ここでの項max(RF r = r -w/2, r + w/2)及びmin(RF r = r -w/2, r + w/2) + wは、フラクタル次元が、任意の深さrにウィンドウの中心がある無線周波数（ＲＦ）信号の最大値との間の差から計算され、次に走査線nのサンプルの合計数で正規化されるように、任意の数のサンプルの走査線n沿いに、任意の深さrで中心に置かれたウィンドウの長さwの無線周波数（ＲＦ）の最大値及び最小値である請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記壁の領域の内部と外部を分離している厚さfdrは、走査線r沿いの前記深さで放物線の関数を定義する３つのパラメータ（a、b、c）と、ランダム要素ε の加算で、添字iはr、 f d、及びε の具体的な値を示す関係式fdｉ＝ari２＋bri＋c＋εiから決められる形式の放物線の関数によって調節される請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記放物線の関数は関係式
【数３】
2005528950.tif 000019
で算出するフラクタル次元の最大値の少なくとも９７％であり、ハット（^)の付いた前記パラメータは、値がそのパラメータの最小二乗推定であることを示す請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
内部の臓器の質量を決定するシステムであり、
無線周波数超音波パルスを複数の走査面で患者の臓器に送信し、前記臓器から反射した前記パルスのエコーを受信するよう設定されたトランシーバと、
マイクロプロセッサとメモリを有しており、前記メモリはさらに、前記トランシーバから受信した前記エコーに基づいて前記臓器の表面の面積と前記臓器の厚さを決定し、さらに臓器の厚さと面積の関数として前記臓器の質量を計算するために前記マイクロプロセッサによって操作可能なプログラム命令を格納する前記トランシーバと交信するコンピュータシステムと、
を有するシステム。
【請求項１３】
前記無線周波数パルスは約３ＭＨｚから約１０ＭＨｚの範囲である請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
各走査面は複数の走査線として配置されており、前記複数の走査線のそれぞれの走査線は１．５度ずつ離れており、走査する前記臓器の寸法に適した長さを有している請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記複数の走査面におけるそれぞれの走査面は、前記複数の走査面における隣接する走査面から約７．５度離れている請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記トランシーバから受信した前記エコーは、トランスデューサによって電気信号に変換される請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記トランシーバは、走査面のグラフィック画像を二次元で、及び前記複数の走査面を三次元で示す表示部を含む請求項１２に記載のシステム。
【請求項１８】
前記臓器は膀胱である請求項１２に記載のシステム。
【請求項１９】
前記メモリに格納されたプログラム命令はさらに、前記膀胱壁の前部、後部、又は側面部の一つ以上の位置で、膀胱壁の表面の面積、及び膀胱の壁の厚さを計算するための複数の方程式を有する請求項１３に記載のシステム。
【請求項２０】
膀胱壁の表面の面積を測定するための前記複数の方程式には
【数４】
2005528950.tif 000020
を含む請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
膀胱壁の厚さを計算するのに使われる前記方程式には、
【数５】
2005528950.tif 000021
が含まれる請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記膀胱壁の質量は膀胱壁の面積、厚さ、及び前記膀胱壁の比重の積として計算される請求項１９に記載のシステム。
【請求項２３】
前記膀胱壁の前記比重は０．９６である請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
膀胱の厚さは、走査した膀胱の複数の位置に基づいて計算した複数の膀胱壁の厚さの平均である請求項２２に記載のシステム。
【請求項２５】
前記トランシーバは、膀胱壁の厚さと膀胱壁の質量が継続的に監視できるように患者によって装着される請求項１２に記載のシステム。
【請求項２６】
前記コンピュータシステムは、インターネットのウェブベースのシステムを経由して遠隔操作用に設定されており、前記インターネットウェブベースのシステムは、内臓が肥大する比率が決定できるように、臓器の厚さと臓器の質量の決定を収集、分析、及び格納する複数のプログラムを有する請求項１２に記載のシステム。
【請求項２７】
前記複数のプログラムはさらに、疾病の追跡、疾病の進行を可能にし、患者に有益な指示を提供する命令を含む請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
内部の臓器の質量を決定するためのシステムであり、
複数の走査面で無線周波数超音波パルスを患者の臓器に送信し、前記臓器から反射した前記パルスのエコーを受信するよう設定されたトランシーバと、
前記トランシーバによって受信されたエコーに基づいて前記臓器の表面の面積と前記臓器の厚さを決定して、さらに前記臓器の厚さと面積の関数として前記臓器の質量を計算する手段と、
を有するシステム。
【請求項２９】
前記無線周波数超音波パルスは、約３ＭＨｚから約１０ＭＨｚの範囲を有する請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記トランシーバはさらに、男性及び女性患者の解剖学的構造に調節された無線周波数超音波パルスを送信し受信する請求項２８に記載のシステム。
【請求項３１】
前記臓器の表面の面積を決定する方法は、前記トランシーバが受信した前記エコーを分析するための第一の複数の方程式を含み、前記第一の複数の方程式は、
【数６】
2005528950.tif 000022
を含む請求項２８に記載のシステム。
【請求項３２】
前記臓器の厚さを決定する方法は、前記トランシーバが受信した前記エコーを分析するための第二の複数の方程式を含み、前記第二の複数の方程式は、
【数７】
2005528950.tif 000023
を含む請求項２８に記載のシステム。
【請求項３３】
前記臓器の質量は、臓器の表面の面積と、厚さと、密度の積で決定される請求項２８に記載のシステム。
【請求項３４】
内部の臓器の壁の厚さを決定するシステムであり、
患者の前記臓器に複数の走査面で無線周波数超音波パルスを送信し、前記臓器から反射した前記パルスのエコーを受信するよう設定されたトランシーバと、
前記トランシーバから受信した前記エコーに基づいて前記臓器の厚さを決定する手段と、
を有するシステム。
【請求項３５】
前記無線周波数超音波パルスは、約３ＭＨｚから約１０ＭＨｚの範囲を有する請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記臓器の厚さを決定する方法は、前記トランシーバが受信した前記エコーを分析するための複数の方程式を含み、前記複数の方程式は、
【数８】
2005528950.tif 000024
を含む請求項３４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００２年６月７日出願の米国特許出願第１０／１６５，５５６号に基づく優先権を主張するもので、その開示内容は本出願において援用する。
本発明は、広くは、膀胱の機能不全を診断する超音波の適用に関する。
【背景技術】
【０００２】
膀胱の機能不全の査定には様々な技法が使われてきた。そのような技法とは一般に、膀胱の大きさ、又は膀胱の体積、つまり膀胱内の尿量を決定する方法を試みている。一例として、米国特許第６，１１０，１１１号（Barnard）では、膀胱の表面を球形の表面と比較するために超音波を使用して膀胱の膨張を査定するシステムを開示している。バーナードによると、膀胱の形状が球状に近いほど、膀胱内の圧力がより高い。
【０００３】
膀胱の質量の測定はまた、数種の異なる臨床症状の診断に使用できる。膀胱壁の厚さ及び膀胱の質量は、膀胱出口閉塞及び膀胱の膨張を示すのに使用することができる。排尿出口閉塞は尿に高い圧力を生じるので、それに対して膀胱筋は収縮しなければならない。その高い圧力が膀胱筋により大きい力を作用させるので、その結果膀胱筋肥大を引き起こす。膀胱筋肥大の症状としては、壁の厚さと質量の増加が含まれる。長年の間、膀胱壁の厚さを排尿筋肥大の指標として使用することが知られてきた（参照文献：Matthews PN, Quayle JB, Joseph AEA, Williams JE, Wilkinson KW, Riddle PR, The use of ultrasound in the investigation of prostatism, British Journal of Urology, 54:536-538, 1982、及びCascione CJ, Bartone FF, Hussain MB, Transabdominal ultrasound versus excretory urography in preoperative evaluation of patients with prostatism, Journal of Urology, 137:883-885, 1987）。膀胱壁の厚さを膀胱壁の体積（又は膀胱壁の体積を膀胱組織の比重で掛けた膀胱の質量）に変換することにより、膀胱の体積とは独立した一つに数字が得られる。体積が上昇するにつれて膀胱壁は薄くなるが、膀胱壁の総体積（又は膀胱の質量）は不変である。
【０００４】
膀胱機能性のもう一つの主要パラメータとして、膀胱の膨張がある。膀胱の体積と膀胱圧が上昇するにしたがい、膀胱壁は伸張し薄くなる。膀胱の膨張に関連する二つの顕著な疾患として、失禁と過渡な膨張がある。
膀胱圧及び膀胱の膨張が上昇するにつれ、膀胱括約筋が尿を保持できないために尿失禁という事態が生じてしまうことがある。多くの個人の場合、この失禁が起こる時点は一定の体積で発生する。その結果、この体積を知り、膀胱の体積を長期間測定することができれば、失禁症状を予防することができる。さらに、様々な方法を通して、膀胱の容量及び膀胱の体積の失禁の時点の両方を上昇できることが研究で判明している。この技法は、遺尿性患者に効果的に使用されている。
【０００５】
過渡な膨張とは、過度に膀胱圧が上昇する極端なレベルまで膀胱が充満してしまう症例のことで、腎障害、腎不全を生じる可能性があり、さらに脊髄損傷を持つ患者は自律神経反応障害から死に至る可能性もある。失禁と同様、過渡な膨張は非侵襲的な膀胱の体積測定を使ってうまく回避されてきた。
【０００６】
膀胱の体積が小さい時点での膀胱反応は、人間一様である。正常な成人は典型的に、50ｍｌ以下の尿を残した排尿を問題なく行える。従って、正常な残尿量（ＰＶＲ）と内科的疾患の可能性のあるＰＶＲは比較的容易に設定できる。膀胱の体積が小さい時点での膀胱の膨張の情報はそれほど有用ではない。しかし、正常な人間の膀胱容量は幅広く異なる。したがって、過度な膨張又は失禁が発生する体積の閾値を設定するのはさらに困難である。膀胱が充満するにしたがって、膀胱の膨張の定量化がより有用となる。膀胱膨張の測定基準が過渡な膨張及び膀胱容量をより有効に示すと考えられるので特にそうである。
【０００７】
膀胱壁の厚さを測定する現在の方法は、一次元（Aモード）と二次元（Bモード）超音波に依存しており、操作者の誤作動に大きく影響を受けやすく、時間がかかり、不正確である。一次元又は二次元超音波を使用する操作者は、膀胱壁の画像が充分に見えるまで、通常膀胱のより前方部分に、超音波探触子を繰返し再配置しなければならない。さらに、一次元及び二次元超音波に制限があるため、膀胱を不正確な球形モデルに想定することが求められる。おそらく上記及びその他の理由のため、業界は膀胱壁の厚さを測定するのは、膀胱の膨張を量子化するには信頼性に欠ける、又は非効果的な方法であると結論づけた（米国特許第６，１１０，１１１号（Barnard）の第１列第５０〜５９行を参照）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、膀胱の膨張の評価をする際に用いる、膀胱壁の厚さを正確に測定するシステムが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、患者の膀胱を走査するために三次元超音波装置を採用する。超音波走査によって収集されたデータは、膀胱の質量を算出するために分析される。膀胱の質量の情報は次に、膀胱の機能不全の評価に使われる。
本発明の好ましい実施例において、患者の体外に配置されたマイクロプロセッサをベースとした超音波装置は、患者の膀胱を超音波パルスで複数面走査し、各面に沿った反射エコーを受け取り、エコーをアナログ信号に変換し、アナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタル信号をコンピュータシステムにダウンロードする。
【００１０】
様々な走査方法、及び分析方法が本発明に基づいて適しているであろうが、好ましい実施例では、コンピュータシステムは、膀胱壁の内面（粘膜下）と外面（漿膜下）から反射したエコーの数学的分析から、膀胱の一部分を三次元で円錐形に成形した画像を得るために、ダウンロードしたデジタル信号の走査変換を行う。円錐形の画像は、規則的に間隔が開いた複数の走査面の配列を得るために、無線周波数（ＲＦ）超音波（約３−１０ＭＨｚ)を用いた、三次元のＣモードの超音波パルスが反射するのを介して得られる。各走査面は規則的に間隔が開いた複数の走査線を含んでいる。規則的に間隔が開いた走査面を組み合わせると、膀胱壁の領域、又は、膀胱壁の内面及び外面の表面のパッチの位置を決める基盤となる立体的な走査円錐が得られる。各表面のパッチの位置は、フラクタル分析方法により測定され、内面と外面のパッチの間の距離又は厚さが算出される。膀胱壁の質量は、膀胱の表面の面積、膀胱壁の厚さ及び膀胱壁の比重の積として計算される。膀胱壁全体又は膀胱の前部、後部、側面部を含む様々な領域の厚さ及び質量を測定することができる。
【００１１】
本発明の代替実施例では、ダウンロードされたデジタル信号は、インターネットのウェブベースのシステムで制御される遠隔マイクロプロセッサ装置と互換性がある設定になっている。インターネットのウェブベースのシステムには、臓器の厚さ及び臓器の質量の測定を収集、分析及び格納する複数プログラムが含まれる。代替実施例はこのように、内臓が経時的に肥大する比率を測定する能力を提供する。さらに、プログラムは、疾病の追跡、疾病の進行を可能にし、患者に有益な指示を提供する命令を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の好ましい実施例及び代替実施例を、以下の図面を参照して詳しく説明する。
本発明の超音波トランシーバの携帯用実施例を図１に示す。トランシーバ１０は、トリガ１４と性別変換器１６の付いたハンドル１２、ハンドル１２に取り付けられらたトランシーバのハウジング１８、トランシーバのドーム２０、及びトランシーバのドーム２０の反対側の端にあるトランシーバのハウジング１８に取り付けられたユーザとの対話用の表示部２４を含む。トランシーバ１０は、ユーザによって患者の身体に接触する位置に保持される。動作中、トランシーバは、身体に３〜１０ＭＨｚの範囲内で、無線周波数超音波信号を送信して、返ってくるエコー信号を受信する。性別変換器１６は、男性患者の解剖学的構造と女性患者の解剖学的構造に、無線周波数超音波の送受信を調節する役割をする。トランシーバは、マイクロプロセッサ及びそのマイクロプロセッサとコンピュータシステムのデジタル信号プロセッサに関連したソフトウェアで制御される。本発明で使用される「コンピュータシステム」という用語は、作業指示を実行したりデータを操作できる任意のマイクロプロセッサベース、又はその他のコンピュータシステムを幅広く包含し、従来のデスクトップやノートブックコンピュータに限定されるものではない。表示部２４は、一連の走査を開始するためのトランシーバ１０の適切、又は最適な位置決めを示す英数字データを表示する。代替実施例では、走査面の二次元又は三次元の画像を図１の表示部２４に表示することもできる。
【００１３】
好ましい超音波トランシーバが上記に説明され図１に描写されているが、他のトランシーバを使うことも可能である。例えば、トランシーバは電池式又は携帯用である必要はなく、上部搭載の表示部２４を使う必要もなく、その他多くの機能又は相違点を含んでもよい。トランシーバ１０は、膀胱などの内部の対象物の分析に使用可能なデータを収集するために、体内を非侵襲的にプローブで検査できさえすればよい。表示部２４は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、陰極線管（ＣＲＴ）であってもよく、又は、英数字データ又はグラフィック画像を表示できるその他の適切な表示部であってもよい。
【００１４】
走査するために腹部上に最適に配置されると、トランシーバ１０は超音波信号（好ましい実施例では約３．７ＭＨｚ）を膀胱領域に送信する。超音波信号は、図２で示すように、走査線として知られる一般にリニア信号バーストの形態を有する。走査線はそれぞれ約２０ｃｍの長さで、トランシーバのドーム２０を発信元とし、走査線のクラスタでドームのカットアウト３０を延長して走査面３２を形成する。走査面３２内は、共通の回転角（θ)を共有するが、独自の傾斜角（φ）を有する複数の走査線がある。好ましい実施例において、各面は７７の走査線を含むが、本発明の範囲内で線数が異なることも可能である。
【００１５】
走査線の面が送信された後、トランシーバの回転角θはわずかに増加され、パルス反射した信号の別の面が送信し受信される。本過程が希望に応じて繰り返されて、一連の走査面を作り出す。それぞれの面は前の面からわずかに回転される。図３に示すように、好ましい実施例では、各走査面３２は送信し受信され、それぞれ最近隣の面から約７．５度離れて、２４の面列に表示される。図３に示すように、傾斜角φ は−６０度と６０度の間の合計１２０度の角度を走査する。図４は、２４の面の配列の上面図を示す。
【００１６】
走査線が送信し受信されると、返ってきたエコーはトランスデューサによってアナログの電気信号に変換され、アナログ・デジタル変換器でデジタル信号に変換されて、膀胱壁の位置を決定する分析のために、コンピュータシステムのデジタル信号プロセッサに伝達される。コンピュータシステム自体は図示されていないが、マイクロプロセッサとＲＡＭ、ハードドライブ、光ディスクドライブ 、又は処理命令及びトランシーバ１０で生成されたデータを格納するためのその他メモリを含む。
【００１７】
壁の位置が確認されると、壁の位置、復調振幅データ、及び膀胱壁前部の領域内の直交振幅復調信号のサブセットは、発明の好ましい実施例の図５に示すアルゴリズムにしたがって、更なる分析のためにマイクロプロセッサに送られる。最初に、１番目のブロック５０において、膀胱に関する超音波データが得られる。一般に、膀胱固有のデータは、表示画面で受信データを見ながら、図３に示すように膀胱が充分に円錐形の視野内に入るように必要に応じてトランシーバ１０の位置合わせをして、トランシーバ１０の操作を行うユーザによって得ることができる。
【００１８】
超音波の膀胱のデータを取得後、その超音波データは、２番目のブロック５１に示すように、膀胱が約２００から４００ｍｌを含んでいるかを決定するために処理される。もし「含んでいない（Ｎｏ）」であれば、３番目のブロック５２に示すように、膀胱は約２００から４００ｍｌまで蓄積するのが許され、「含む（Ｙｅｓ）」、つまり膀胱はすでに好ましい約２００〜４００ｍｌの体積を含む場合には、４番目のブロック５３に示すように、膀胱壁の位置決めを開始することができる。超音波走査内での臓器壁の位置、及び他の臓器の外部境界の決定は、現在市場に出ている超音波装置の能力の範囲内である。しかしながら、一般にその過程は、トランシーバのドームから膀胱壁までの走査線の長さを決定する。壁の位置を含むデータは、コンピュータメモリに格納される。
【００１９】
超音波振幅データの完全な円錐形が走査され、壁の位置がデジタル信号プロセッサで決定されると、マイクロプロセッサは、壁の位置の検出ミスを訂正し膀胱堆積を決定するために、データをさらに分析する。これに関しては２つの具体的な技術が、米国特許第４，９２６，８７１号（Ganguly et al.）と米国特許第５，２３５，９８５号（McMorrow et al.）に詳細に開示されており、この２つの米国特許は、参照により開示に含まれる。これらの米国特許は、超音波を膀胱に対して非侵襲的に送信し受信し処理した上で、膀胱の体積を計算するシステムに関する詳細な説明を提供している。
【００２０】
上述の’８７１及び’９８５米国特許が提供する方法論を使用し、データは、膀胱の体積が約２００から４００ｍｌの範囲内であるかを決定するのに使われる。膀胱の体積がその範囲内である場合、５番目のブロック５４に示すように、超音波データは、壁の位置からの実際の表面の面積を決定するのに使用される。表面の面積の計算は、以下で詳しく説明する。５番目のブロック５４で表面の面積を計算している間に、６番目のブロック５６に示すように、反射したＲＦ超音波を膀胱壁の前部から受信する。これらのタスクは並行処理が好ましいが、順次処理でもよい。その後、７番目のブロック５８に示すように、膀胱壁の厚さは壁の位置で重複するコヒーレント信号から決定される。膀胱壁の厚さの決定は、以下で詳しく説明する。最後に、７番目のブロック５８で示すように、膀胱の質量が厚さ、面積及び膀胱の密度の積で計算される。
【００２１】
前節で示した体積の限定は、膀胱の質量を最適に測定するために許容される膀胱の体積範囲として含まれる。質量の計算は、この範囲外の体積でも行うことができるが、測定の精度が低くなる。例えば、２００ｍｌ以下及び４００ｍｌ以上の膀胱の体積も測定できるが、精度が低くなる。４００ｍｌを大幅に超える体積、例えば１０００ｍｌから複数リットルの膀胱の体積では、本発明は大きな膀胱の大きさに合わせて２０ｃｍ以上の走査線を利用する。本発明は、人間及び動物の内部の臓器の厚さと質量の測定に適用することができる。走査線の長さは、走査する内部の臓器の寸法に一致するように調節される。
【００２２】
表面の面積の測定
５番目のブロック５４の表面の面積測定は、壁の位置で定義された表面のパッチの関数を補間する面積を積分することで行われる。数学的な計算を以下に詳しく説明する。
膀胱の表面はＳと定義する。この表面は、膀胱の壁の位置の分析によって決定した膀胱の実際の表面に相当する。この形状は前もって分からないので、膀胱を球形又は楕円形としてモデル化することは、表面の大雑把な近似値しか得られない。その代わり、表面Ｓは一連の個々の表面のパッチsi,j の構成として定義される。ここでiとjは、地球表面を緯度と経度の線で分けるのと同様に、表面の緯度と経度の要素を通して計算される。膀胱の表面の面積Ｓは、個々の表面のパッチすべての和
【００２３】
【数９】
2005528950.tif 000003
と定義される。
図６に三次元で示すように、一例として、５つの走査線３２〜４８が、３軸のプロット用グリッド６９を基準とし、漿膜下壁の位置７２を実質的に縦方向に横切っている。５つの走査面は、第一走査面３２、第二走査面３６、第三走査面４０、第四走査面４４、及び第五走査面４８を含む。走査面は次の方式で添字付き変数jとして表示される。５つの経度の走査面に実質的に正常なのは、５つの緯度の６０〜６８で、第一統合線６０、第二統合線６２、第三統合線６４、第四統合線６６、及び第五統合線６８を含む。統合線は次の方式で添字付き変数iとして表示される。
【００２４】
一例として、４つの表面のパッチの関数が、図６に漿膜下 壁の位置７２としてハイライトされている。前記のiとjの添字は、膀胱の表面の緯度と経度の線の指標に相当する。ここでの議論のために、iは経度線に、jは緯度線に相当する。ただし、iとjは数学的に同等な結果と交換できるものであることを述べておく。図６で提供する走査面と統合線の定義を使って、４つの表面のパッチの関数が、上部左から時計回りにs36,62, s40,62, s40,64, および s36,64.と定義される。
【００２５】
表面のパッチは、パッチの座標si,j(u,v) の関数と定義される。パッチの座標uとvは、０が最初の緯度又は経度の座標（iとjの位置）、１は次の緯度又は経度座標（i+l及びj+lの位置)を表すところの、０ ≦ u、 v < １と定義される。表面の関数は、i、j、kはそれぞれx-、y-、z-方向の単位ベクトルであるところの、デカルト座標si,j(u,v) = xi,j(u,v)i + yi,j(u,v)j + zi,j(u,v)kで表現することもできる。ベクトルの形式では、表面のパッチの関数の定義は方程式１に示される。
【００２６】
【数１０】
2005528950.tif 000004
表面のパッチの関数の定義が完了したので、図５の５番目のブロック５４に示す表面の面積の計算に注目する。S、A(S)の表面の面積は、方程式２に示すように、面積の要素を表面Sで積分すると定義される。Sは多数のパッチの表面の関数から成るため、表面Ｓの面積の計算は、方程式３のように、個別の表面のパッチの関数の面積の和で書き換えられる。
【００２７】
【数１１】
2005528950.tif 000005
表面全体の方程式２と同様に、表面のパッチの面積は、方程式４に示すように、面積の要素を表面のパッチで積分する。表面のパッチの関数での積分は、表面の積分をパッチ座標uとvの二重積分に変換することによって、計算の簡素化ができる。表面の面積分とパッチの座標の積分との変換を方程式５に示す。
【００２８】
【数１２】
2005528950.tif 000006
方程式５を方程式４に、方程式４を方程式３に置き換えることにより、全表面の面積を計算することができる。これらの置換結果を方程式６に示す。
【００２９】
【数１３】
2005528950.tif 000007
表面のパッチの関数は、一次導関数で連続的であればどの関数でもよい。実施例では、いかなる表面の関数でも使用可能ではあるが、立体Ｂ−スプライン補間関数が表面のパッチの補間関数に使われている。この補間関数は、方程式１に示すデカルト座標の関数に適用されている。si,jのx座標の補間方程式を方程式７に示す。同様の計算が、表面のパッチの関数のyi,jとzi,j要素にも行われる。
【００３０】
【数１４】
2005528950.tif 000008
各パッチの関数に対する補間関数は立体表面であるため、補間は、求積法の公式をそのまま使って行うこともできる。このアプリケーションで使う公式を方程式８に示す。
【００３１】
【数１５】
2005528950.tif 000009
si,j(u,v) は、デカルト座標（方程式１)でベクトル関数として定義されていることを思い出すと、偏導関数の外積のノルムは次のように書くことができる。
【００３２】
【数１６】
2005528950.tif 000010
実際のx-、y-及びz-の位置が補間関数に使われる場合、表面はx、y及びz単位の二乗で計算される。この時点で、図５の５番目のブロック５４の計算が完了する。
壁の厚さの決定
質量計算の２番目の要素は、膀胱筋壁の厚さの測定である。この厚さは、膀胱壁の粘膜下と漿膜下の表面の間の正常な厚さであると定義される。
【００３３】
壁の厚さは、壁の厚さの領域内のＲＦ信号のフラクタル次元から計算される。膀フラクタル次元は、膀胱筋を通した界面での反射の多様性のため増加する。膀胱筋壁を通したフラクタル次元の増加と減少は、フラクタル次元が膀胱壁の領域内の深さの関数であるところの放物線としてモデル化できる。そして膀胱の厚さは、フラクタル次元の最大値の少なくとも９７％である放物線モデル領域であると決定する。計算を次の方程式１０で検討する。
【００３４】
【数１７】
2005528950.tif 000011
フラクタル次元の計算は、図５の４番目のブロック５６に相当する。フラクタル次元は、ウィンドウの長さwで計算される。現在の実施例では、wの値は５で、サンプルの数は走査線に沿って向いているが、その値は変更することができる。フラクタル次元は、任意の深さrにウィンドウの中心があるＲＦ信号の最大値と、同じウィンドウの最小値との間の差より計算される。ウィンドウの長さwは、この差に加算され、結果はウィンドウの長さと正規化される。その結果の対数は、次に走査線nのサンプルの合計数のウィンドウの長さに対する比率の対数で除算される。走査線沿いの各深さでのフラクタル次元の計算を方程式１０に示す。このフラクタル次元の測定は、走査線の中心n-wのサンプルを計算する。
【００３５】
超音波信号に基づいて、フラクタル次元の測定が計算された後で、膀胱壁の厚さを計算することができる。以下の計算は図５の７番目のブロック５８に相当する。
膀胱筋壁の領域内のＲＦ信号のフラクタル次元fdは、次に深さrの関数としての放物線の方程式としてモデル化される。単一の深さの点に対する方程式モデルを方程式１１に示す。この方程式は、走査線rに沿った深さで放物線を定義する３つのパラメータ（a、b、c）と、ランダム要素ε の加算である。添字iはr、fd、ε の具体的な値を示す。
【００３６】
方程式１１     fdｉ＝ari２＋bri＋c＋εi
方程式１１の形式の方程式は、壁の領域内のそれぞれの深さの点を求める。観測の数は変数で、超音波信号で観測される膀胱壁の厚さによって決まる。n組の観測と仮定して、添字iは観測を１からnまで数える。方程式１１の形式のn組にの方程式は、方程式１２にある行列方程式にまとめることができる。fd、ε、及びXの行列のそれぞれの行は、n観測の１つに相当する。方程式１１の放物線のパラメータはベクトルβに収集される。
【００３７】
【数１８】
2005528950.tif 000012
次の段階は、方程式１１の形式のn組の方程式の、又は観測の組に基づいた行列方程式１２の、放物線のパラメータの値を推定することである。パラメータの最小二乗推定を用い、推定の計算を方程式１３に示す。方程式１３において、添字tは転置行列を示し、添字-1はが逆行列を示す。ハット（^)の付いたパラメータは、値がパラメータの最小二乗推定であることを示す。
【００３８】
【数１９】
2005528950.tif 000013
フラクタル次元の最大値の位置は、放物線のモデルの一次導関数を０に等しい（方程式１５)とし、rを求めることで決めることができる。フラクタル次元が最大である位置は方程式１６で示される。
【００３９】
【数２０】
2005528950.tif 000014
放物線のモデルによって定義されるフラクタル次元最大化法を決めるには、方程式１６を方程式１４に置き換えてfdmaxを求めればよい。結果値を方程式１７に示す。
【００４０】
【数２１】
2005528950.tif 000015
フラクタル次元が最大値の９７％である位置を決めるには、方程式１７を０．９７で掛けて、その結果を方程式１４に置換して、二次方程式の根の公式を使ってrを求める。フラクタル次元が最大値の９７％である位置r97%, を方程式１８に示す。
【００４１】
【数２２】
2005528950.tif 000016
r97% の２つの値が方程式１８から計算される。この２つの値の差が、任意の走査線に沿った膀胱筋壁の厚さを示す。このような走査線は膀胱筋の表面と垂直でない可能性があるので、膀胱壁の厚さは膀胱の表面に垂直な線に沿って測定されなければならず、これらの測定値の収集は、膀胱壁の実際の厚さを決定するために結合される。
【００４２】
これらの測定は、膀胱筋壁のどの表面においても行うことができる。図７に、３本の走査線が、トランスデューサに最も近い前部壁とトランスデューサから最も離れた後部壁の２つの位置で膀胱筋を交差するのが示されている。前記の放物線のモデルは、前部壁と後部壁の両方の厚さを決定するため、それぞれに２回応用できる。両方の厚さの最大値、最小値、及び平均値は、質量計算とデータの経過追跡に使用される。示されている実施例では、この最後の厚さの決定が、図５の７番目のブロック５８に示す過程の最後となる。
【００４３】
図７の３つの走査面は、第二走査面３６、第三走査面４０、及び第四走査面４４である。線の点線部分は、膀胱筋壁を通過する走査線の部分を表す。第二走査面３６、第三走査面４０、及び第四走査面４４は、漿膜下壁の位置７２と粘膜下壁の位置７４を通って送信されていることを示す。これらの厚さの最大値、最小値、及び平均値は、質量計算及びデータの経過追跡に使用される。好ましい実施例では、膀胱は均一の厚さの壁を有すると仮定されるので、壁の厚さの平均値は走査データから算出され、膀胱の質量の決定に使われる。1つの面に3つの走査線のみが示され、互いに７．５度ずつ離れている。面の走査線の数と１つの面内で各走査線を分離する角度は変更できる。
【００４４】
膀胱の質量の決定
厚さと表面の面積が測定されると、膀胱の質量を計算することができる。筋肉組織の体積は、表面の面積に壁の厚さを掛けたものであると仮定し、膀胱の周りのすべての点において壁の厚さは均一であるという仮定に基づく。質量は、筋肉組織の体積と、膀胱筋組織の比重と、水の濃度の積である。膀胱筋の比重は、医学参考文献ですぐに利用できる公知の値である。示されている実施例では、この質量計算は図５の８番目のブロック５９に相当する。
【００４５】
ダウンロードされたデジタル信号を経由して壁の厚さのデータ及び質量データを入手する方法は、インターネットのウェブベースのシステムを経由して遠隔操作用マイクロプロセッサのシステムによって設定が可能である。インターネットのウェブベースのシステム（「System For Remote Evaluation Of Ultrasound Information Obtained By A Program Application-Specific Data Collection Device」）は、特許出願第０９／６２０，７６６号に記載されており、参照により開示に含まれる。インターネットのウェブベースのシステムには、臓器の厚さ、及び臓器の質量の測定を収集、分析、及び格納する複数のプログラムを有する。代替実施例はこのように、内臓が経時的に肥大する比率を測定する能力を提供し、疾病の追跡、疾病の進行を可能にし、患者に有益な指示を提供する。
【００４６】
ここで本発明の好ましい実施例を開示して説明したが、本発明の精神を逸脱することなく、様々な変更を行うことが可能である。従って、本発明の範囲は好ましい実施例の開示に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】マイクロプロセッサ制御のトランシーバである。
【図２】面を形成するために共通の回転角度を共有する走査線を示している。
【図３】相互に約７．５度離した走査面の集合体の側面図を示している。
【図４】相互に７．５度回転させた平面の集合体の側面図を示している。
【図５】膀胱の厚さと質量を測定するためのアルゴリズムである。
【図６】４つの表面のパッチ要素を示しており、それぞれ、そのパッチを囲む16箇所の周辺地点から構築されている。
【図７】膀胱の漿膜下及び粘膜下の壁の位置を貫通する３つの走査線を示している。
【符号の説明】
【００４８】
１０…トランシーバ  １２…ハンドル  １４…トリガ  １６…性別変換器  １８…ハウジング  ２０…ドーム  ２４…表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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