(57)【要約】【課題】生体内部への医療用具の挿入に係る術者の施術を支援する技術を提供すること。【解決手段】穿刺対象の血管上方の生体表面に置かれた超音波を送受信する二次元プローブの前記送受信結果に基づいて超音波測定を行う処理部を備えた超音波測定装置であって、前記処理部は、前記血管の走行方向に沿った複数の断層画像を生成することと、前記断層画像から、穿刺により生体内部に挿入された医療用具の先端部を検出することと、前記検出された前記先端部と前記血管との相対位置に基づく報知処理を行うことと、を実行する超音波測定装置である。【選択図】図２６
2018023610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
穿刺対象の血管上方の生体表面に置かれた超音波を送受信する二次元プローブの前記送受信結果に基づいて超音波測定を行う処理部を備えた超音波測定装置であって、
前記処理部は、
前記血管の走行方向に沿った複数の断層画像を生成することと、
前記断層画像から、穿刺により生体内部に挿入された医療用具の先端部を検出することと、
前記検出された前記先端部と前記血管との相対位置に基づく報知処理を行うことと、
を実行する超音波測定装置。
【請求項２】
前記報知処理を行うことは、
前記検出の結果、前記医療用具が検出された前記断層画像およびその検出位置に基づいて前記先端部の予測位置を算出することと、
前記予測位置が前記血管の内部に到達するか否かに基づく報知を行うことと、
を含む、
請求項１に記載の超音波測定装置。
【請求項３】
前記報知処理を行うことは、前記予測位置が前記血管の中心部に到達するか否かに基づく報知を行うこと、を含む、
請求項２に記載の超音波測定装置。
【請求項４】
前記中心部に到達するか否かに基づく報知は、前記予測位置と前記血管の中心位置との相対位置関係を示す画像を表示させることを含む、
請求項３に記載の超音波測定装置。
【請求項５】
前記報知処理を行うことは、前記血管の走行方向と前記医療用具の挿入方向との成す角度に基づく報知を行うこと、を含む、
請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波測定装置。
【請求項６】
前記成す角度に基づく報知は、前記血管の走行方向に対する前記医療用具の挿入方向を示す画像を表示させることを含む、
請求項５に記載の超音波測定装置。
【請求項７】
前記報知処理を行うことは、前記医療用具の挿入速度に基づく報知を行うこと、を含む、
請求項１〜６の何れか一項に記載の超音波測定装置。
【請求項８】
前記報知処理を行うことは、前記血管と前記先端部との距離に基づく報知を行うこと、を含む、
請求項１〜７の何れか一項に記載の超音波測定装置。
【請求項９】
前記報知処理を行うことは、前記先端部が前記血管の内部に位置することに基づく報知を行うこと、を含む、
請求項１〜８の何れか一項に記載の超音波測定装置。
【請求項１０】
前記報知処理を行うことは、前記先端部が前記血管の血管壁に接近したことを示す所定の接近条件を満たすか否かに基づく報知を行うこと、を含む、
請求項１〜９の何れか一項に記載の超音波測定装置。
【請求項１１】
生体内部の目標体に向けて医療用具が挿入される前記生体の表面に置かれた超音波を送受信する二次元プローブの前記送受信の結果に基づいて超音波測定を行う処理部を備えた超音波測定装置であって、
前記処理部は、
前記生体内部の超音波画像を連続して生成することと、
前記超音波画像から、前記医療用具の先端部を検出することと、
前記検出された前記先端部と前記目標体との相対位置に基づく報知処理を行うことと、
を実行する超音波測定装置。
【請求項１２】
穿刺対象の血管上方の生体表面に置かれた超音波を送受信する二次元プローブの前記送受信結果に基づいて超音波測定を行う超音波測定装置の制御方法であって、
前記血管の走行方向に沿った複数の断層画像を生成することと、
前記断層画像から、穿刺により生体内部に挿入された医療用具の先端部を検出することと、
前記検出された前記先端部と前記血管との相対位置に基づく報知処理を行うことと、
を含む制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波測定を行う超音波測定装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超音波画像を観察しながら穿刺を行う、いわゆる超音波ガイド下穿刺が知られている。穿刺針の先端は細く、超音波画像内では見難い場合や見失う場合等があることから、穿刺時の超音波画像の表示にあたっては、穿刺針の位置を視認し易い表示が求められている。例えば、超音波診断装置における穿刺針の視認性を向上させるための技術として、穿刺針の他、血管や腫瘍等を含む生体内部の領域の３Ｄ像を表示させるものが知られている（特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１８５０４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、生体内部の様子を視認性良く確認できたとしても、挿入した穿刺針等の医療用具の先端部を血管や腫瘍といった標的の位置に到達させられなければ、目的の治療や検査を行うことはできない。また、到達するかどうかの判断には熟練を要することから、場合によっては医療用具の挿入作業をやり直すこととなり、患者の負担が増大する問題もある。そこで本発明は、生体内部への医療用具の挿入に係る術者の施術を支援する技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための第１の発明は、穿刺対象の血管上方の生体表面に置かれた超音波を送受信する二次元プローブの前記送受信結果に基づいて超音波測定を行う処理部を備えた超音波測定装置であって、前記処理部は、前記血管の走行方向に沿った複数の断層画像を生成することと、前記断層画像から、穿刺により生体内部に挿入された医療用具の先端部を検出することと、前記検出された前記先端部と前記血管との相対位置に基づく報知処理を行うことと、を実行する超音波測定装置である。
【０００６】
また、他の発明として、穿刺対象の血管上方の生体表面に置かれた超音波を送受信する二次元プローブの前記送受信結果に基づいて超音波測定を行う超音波測定装置の制御方法であって、前記血管の走行方向に沿った複数の断層画像を生成することと、前記断層画像から、穿刺により生体内部に挿入された医療用具の先端部を検出することと、前記検出された前記先端部と前記血管との相対位置に基づく報知処理を行うことと、を含む制御方法を構成してもよい。
【０００７】
第１の発明等によれば、術者であるユーザーは、医療用具の生体内部への挿入に際し、医療用具の先端部と血管との相対位置を確認しながら、その挿入作業を進めることができる。したがって、生体内部への医療用具の挿入に係る術者（ユーザー）の施術を支援することが可能となる。
【０００８】
また、第２の発明として、前記報知処理を行うことは、前記検出の結果、前記医療用具が検出された前記断層画像およびその検出位置に基づいて前記先端部の予測位置を算出することと、前記予測位置が前記血管の内部に到達するか否かに基づく報知を行うことと、を含む、第１の発明の超音波測定装置を構成してもよい。
【０００９】
第２の発明によれば、ユーザーは、医療用具の生体内部への挿入に際し、医療用具の先端部の予測位置が血管の内部に到達するのかを確認しながら、その挿入作業を進めることができる。
【００１０】
また、第３の発明として、前記報知処理を行うことは、前記予測位置が前記血管の中心部に到達するか否かに基づく報知を行うこと、を含む、第２の発明の超音波測定装置を構成してもよい。
【００１１】
第３の発明によれば、ユーザーは、医療用具の先端部の予測位置が血管の中心部に到達するのかを確認しながら、その挿入作業を進めることができる。
【００１２】
また、第４の発明として、前記中心部に到達するか否かに基づく報知は、前記予測位置と前記血管の中心位置との相対位置関係を示す画像を表示させることを含む、第３の発明の超音波測定装置を構成してもよい。
【００１３】
第４の発明によれば、ユーザーは、医療用具の先端部の予測位置が血管の中心部に到達するのかを視覚的に容易に確認することができる。
【００１４】
また、第５の発明として、前記報知処理を行うことは、前記血管の走行方向と前記医療用具の挿入方向との成す角度に基づく報知を行うこと、を含む、第１〜第４の何れかの発明の超音波測定装置を構成してもよい。
【００１５】
第５の発明によれば、ユーザーは、医療用具の生体内部への挿入に際し、血管の走行方向と医療用具の挿入方向との成す角度を確認しながら、その挿入作業を進めることができる。
【００１６】
また、第６の発明として、前記成す角度に基づく報知は、前記血管の走行方向に対する前記医療用具の挿入方向を示す画像を表示させることを含む、第５の発明の超音波測定装置を構成してもよい。
【００１７】
第６の発明によれば、ユーザーは、血管の走行方向に対する医療用具の挿入方向を視覚的に容易に確認できる。
【００１８】
また、第７の発明として、前記報知処理を行うことは、前記医療用具の挿入速度に基づく報知を行うこと、を含む、第１〜第６の何れかの発明の超音波測定装置を構成してもよい。
【００１９】
第７の発明によれば、ユーザーは、医療用具の生体内部への挿入に際し、医療用具の挿入速度を確認しながら、その挿入作業を進めることができる。
【００２０】
また、第８の発明として、前記報知処理を行うことは、前記血管と前記先端部との距離に基づく報知を行うこと、を含む、第１〜第７の何れかの発明の超音波測定装置を構成してもよい。
【００２１】
第８の発明によれば、ユーザーは、医療用具の生体内部への挿入に際し、血管と医療用具の先端部との距離を確認しながら、その挿入作業を進めることができる。
【００２２】
また、第９の発明として、前記報知処理を行うことは、前記先端部が前記血管の内部に位置することに基づく報知を行うこと、を含む、第１〜第８の何れかの発明の超音波測定装置を構成してもよい。
【００２３】
第９の発明によれば、ユーザーは、医療用具の生体内部への挿入に際し、医療用具の先端部が血管の内部に位置した場合、すなわち、医療用具が血管に刺入された場合を確実に把握できる。
【００２４】
また、第１０の発明として、前記報知処理を行うことは、前記先端部が前記血管の血管壁に接近したことを示す所定の接近条件を満たすか否かに基づく報知を行うこと、を含む、第１〜第９の何れかの発明の超音波測定装置を構成してもよい。
【００２５】
第１０の発明によれば、ユーザーは、医療用具の生体内部への挿入に際し、医療用具の先端部が血管の血管壁に接近したことを確実に把握できる。
【００２６】
また、第１１の発明として、生体内部の目標体に向けて医療用具が挿入される前記生体の表面に置かれた超音波を送受信する二次元プローブの前記送受信の結果に基づいて超音波測定を行う処理部を備えた超音波測定装置であって、前記処理部は、前記生体内部の超音波画像を連続して生成することと、前記超音波画像から、前記医療用具の先端部を検出することと、前記検出された前記先端部と前記目標体との相対位置に基づく報知処理を行うことと、を実行する超音波測定装置を構成してもよい。
【００２７】
第１１の発明によれば、ユーザーは、生体内部の目標体に向けた医療用具の挿入に際し、医療用具の先端部と目標体との相対位置を確認しながら、その挿入作業を進めることができる。これによれば、生体内部への医療用具の挿入に係るユーザーの施術を支援することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】超音波測定装置の全体構成例を示す図。
【図２】対象部位の超音波測定および当該対象部位に穿刺針を挿入する様子を模式的に示す概略斜視図。
【図３】断層画像の一例を示す模式図。
【図４】断層画像の他の例を示す模式図。
【図５】断層画像の他の例を示す模式図。
【図６】断層画像中の特徴点の抽出例を示す図。
【図７】特徴点画像の一例を示す図。
【図８】特徴点画像の他の例を示す図。
【図９】特徴点画像の他の例を示す図。
【図１０】各スライス位置の最大動き量をプロットした図。
【図１１】図１０の最大動き量の微分結果を示す図。
【図１２】穿刺時の表示画面の画面構成例を示す図。
【図１３】予測位置の算出を説明する図。
【図１４】予測位置と血管との相対位置関係の一例を示す図。
【図１５】予測位置と血管との相対位置関係の他の例を示す図。
【図１６】報知画面部の表示例を示す図。
【図１７】挿入角度の算出を説明する図。
【図１８】報知画面部の他の表示例を示す図。
【図１９】報知画面部の他の表示例を示す図。
【図２０】報知画面部の他の表示例を示す図。
【図２１】報知画面部の他の表示例を示す図。
【図２２】報知画面部の他の表示例を示す図。
【図２３】報知画面部の他の表示例を示す図。
【図２４】先端位置画像表示部の他の表示例を示す図。
【図２５】先端位置画像表示部の他の表示例を示す図。
【図２６】超音波測定装置の機能構成例を示すブロック図。
【図２７】超音波測定装置が行う処理の流れを示すフローチャート。
【図２８】血管／針先検出処理の流れを示すフローチャート。
【図２９】減衰特徴値の算出を説明するための簡易的な超音波伝搬モデルを示す図。
【図３０】注目走査線に係る減衰補正値をグラフ化した図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付す。
【００３０】
図１は、本実施形態における超音波測定装置１０の全体構成例を示す図であり、二次元プローブである超音波プローブ１６の取り付け状態を示している。超音波測定装置１０は、超音波画像を生成する装置であり、超音波プローブ１６が処理装置３０とケーブルによって電気的に接続された構成を有する。
【００３１】
超音波プローブ１６は、使用時に被検体２の皮膚面（生体表面）に当てられるセンサー面側において、超音波を送受信する複数の超音波素子（超音波振動子）１７１を所定数行×所定数列のマトリクス状に配置して有している（図２を参照）。超音波素子（以下、単に「素子」ともいう）は、超音波と電気信号とを変換する超音波トランスデューサーであり、数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚの超音波パルスを送信するとともに、その反射波を受信する。超音波測定に先立ち、超音波プローブ１６は、測定の目的に応じた被検体２の部位（対象部位）に対して粘着台座１８により貼付・固定される。
【００３２】
粘着台座１８は、生体表面に着脱可能な粘着層を有しており、被検体２が身体を動かしても容易に外れたり剥がれたりしない。粘着台座１８は、超音波プローブ１６における素子１７１の一方の配列方向（例えば行方向）が、対象部位を走行する検出対象の血管（例えば上腕動脈）２１の走行方向に沿うように貼付される。なお、検出対象の血管２１は、例えば橈骨動脈や大腿動脈、頸動脈や鎖骨下動脈、大動脈等であってもよく、特に限定されない。
【００３３】
処理装置３０は、一種のコンピューター制御装置であり、超音波測定を利用して被検体２の生体情報を取得する。具体的には、超音波測定装置１０は、処理装置３０の制御により超音波プローブ１６から被検体２へ超音波ビームを入射（送信）し、その反射波（超音波エコー）を受信して超音波測定を行う。そして、反射波の受信信号を増幅・信号処理し、被検体２の生体内構造の位置情報や経時変化等の反射波データを生成する。超音波測定は、所定周期で繰り返し行われる。この所定周期での測定単位を「フレーム」と呼ぶ。
【００３４】
反射波データには、いわゆるＡモード、Ｂモード、Ｍモード、ドップラーモードの各モードの画像が含まれる。Ａモードは、第１軸を超音波ビームの送受信方向（走査線）に沿った受信信号のサンプリング点列とし、第２軸を各サンプリング点での反射波の受信信号強度（反射強度）として、反射波の振幅（Ａモード像）を表示するモードである。また、Ｂモードは、超音波ビームを所定の走査範囲内で走査させながら得た反射波振幅（Ａモード像）を輝度値に変換することで可視化した、生体内構造の二次元の超音波画像（Ｂモード像）を表示するモードである。
【００３５】
［概要］
本実施形態の超音波測定装置１０は、超音波ガイド下穿刺に用いられる。例えば、術者であるユーザー（例えば医師）は、医療用具としての穿刺針を対象部位に差し込み、血管に刺入する血管穿刺を行う。その際、超音波画像を観察することで、穿刺対象の血管や生体内部に挿入した穿刺針の位置を把握できる。
【００３６】
図２は、超音波プローブ１６を被検体２の生体表面に貼付して超音波測定をしながら、対象部位に穿刺針９を挿入する様子を模式的に示す概略斜視図である。本実施形態では、対象部位の検出対象の血管２１に向けて穿刺針９が挿入される場合を想定しており、穿刺針９は、血管２１の走行方向に沿って挿入される。ここで、血管２１の走行方向に沿わせる素子１７１の行方向（穿刺針９の挿入方向ともいえる）をｙ方向、素子１７１の列方向をｘ方向、これらの各方向と直交する生体表面からの深さ方向をｚ方向と定義する。
【００３７】
例えば、超音波プローブ１６は、各素子１７１が列（素子列）毎に超音波測定を行う。具体的には、各素子列の素子１７１は、超音波ビームの入射位置をｘ方向に素子１７１のピッチ分ずつずらしながらｚ方向（生体表面からの深さ方向）の走査線に沿って超音波ビームを送受信し、１フレーム分の反射波データを得る。したがって、穿刺針９の挿入方向と交差する面（例えばｘｚ平面）の超音波画像（対象部位のスライス像）を各素子列のｙ位置毎に得ることができ、血管２１の走行方向に沿った複数の断層画像ＩＳ（ＩＳ−１，２，・・・）をフレーム単位で生成できる。各素子列のｙ位置は、その列番号を素子１７１のピッチに乗じることで求めることができる。以下、各素子列のｙ位置を「スライス位置」といい、穿刺針９の挿入側である図２に向かって左端の断層画像ＩＳ−１のスライス位置から順に、ｙＳ−１，ｙＳ−２，・・・と表記する。各断層画像ＩＳには、血管２１の短軸像が描出され、穿刺針９の短軸像が適宜描出される。
【００３８】
図３〜図５は、あるフレームにおけるスライス位置ｙＳ−２，ｙＳ−６，ｙＳ−７の断層画像ＩＳ−２，６，７の一例を示す模式図である。図３が断層画像ＩＳ−２、図４が断層画像ＩＳ−６、図５が断層画像ＩＳ−７にそれぞれ対応する。本例では、スライス位置ｙＳ−２，ｙＳ−６には穿刺針９が到達しており、対応する断層画像Ｉ１−２，６の各々に穿刺針９の短軸像が描出されている。一方、断層画像Ｉ１−７のスライス位置には穿刺針９は到達しておらず、その短軸像は描出されていない。
【００３９】
なお、本実施形態の超音波測定によれば、各素子１７１と対向する生体表面の各位置を超音波の入射位置とするＡモード像が得られることから、行方向に沿う入射位置に係るＡモード像を用いることで、ｙｚ平面の超音波画像を生成することもできる。また、列方向や行方向に限らず、センサー面の対角線上の入射位置に係るＡモード像を用いれば、当該対角線を通り、センサー面と直交する平面の超音波画像を生成することも可能である。血管の走行方向がわかれば、それに沿った（つまり血管２１の縦断面の）超音波画像を生成できる。
【００４０】
［原理］
本実施形態では、各スライス位置の断層画像から血管２１および穿刺針９の先端部を検出する処理（血管／針先検出処理）をフレーム単位で行い、検出結果に基づく各種報知処理を行う。
【００４１】
（１）血管／針先検出処理
血管／針先検出処理では先ず、各スライス位置の断層画像毎に、該当する断層画像中の特徴点を抽出する。そして、抽出した特徴点を用いて血管２１を検出するとともに、各特徴点の移動先をフレーム間で追跡し、その動きベクトルを用いて穿刺針９の先端部を検出する。
【００４２】
図６は、断層画像中の特徴点の抽出例を示す図であり、特徴点を円で示している。なお、理解を容易にするため、図６では特徴点Ｐの数を減らして示しているが、実際には、図示以上の多くの特徴点が抽出される。また、血管２１の輪郭を一点鎖線で明示している。
【００４３】
特徴点Ｐは、周囲と比べて輝度値に変化が生じ、画像中から際立って観測できる点である。特徴点の抽出方法としては、例えば、コーナー検出法（Harris and Stephens）を用いることができる。あるいは、最小固有値法（Shi and Tomasi）やＦＡＳＴ特徴検出等のその他のコーナー検出法を用いてもよいし、ＳＩＦＴ（Scale Invariant Feature Transform）に代表される局所特徴量やＳＵＲＦ（Speeded Up Robust Features）特徴量を用いて特徴点を抽出してもよい。また、走査線毎に反射波振幅（輝度値でもよい）のピークを検出し、そのピーク位置を特徴点として抽出する方法を用いてもよい。
【００４４】
超音波の反射強度は媒質が変化する位置で高くなり、断層画像（Ｂモード像）において、反射強度が高い位置は高輝度として表される。したがって、特徴点Ｐは、血管壁の他、筋や腱、脂肪等の輝度変化が生じている部分に多く現れる。また、図６では図示していないが、その断層画像に穿刺針９が描出されていれば、穿刺針９の位置にも特徴点が現れる。穿刺針９は、生体組織に比べて反射強度が高いからである。これに対し、血管２１の内部では、超音波はほとんど反射せず血液を透過するため、特徴点Ｐもほとんど現れない。つまり、血管２１の位置には、血管壁に沿って略円形状に特徴点Ｐが分布して現れることとなる。
【００４５】
したがって、略円形状に分布している特徴点Ｐを選出することで、血管２１を検出できる。具体的には、当該略円形状の中心を血管２１の中心位置（血管中心）とする。また、選出した特徴点Ｐの各位置を血管壁の位置とし、血管中心付近を通る走査線（中心走査線）上の２つの血管壁の位置を前壁位置および後壁位置とする。ここでの処理により、血管中心および血管壁の断層画像内の位置を求めることができる。
【００４６】
また、このとき、血管中心および前後壁の各位置のｘｙｚ空間内の位置を算出する。ｘ座標は、中心走査線の走査線番号を素子１７１のピッチに乗じることで求めることができる。ｙ座標は、当該断層画像のスライス位置である。また、ｚ座標は、中心走査線のＡモード像から各位置に対応するサンプリング点を特定することで求めることができる。すなわち、中心走査線のＡモード像には、血管２１の前壁および後壁の各深さ位置に反射波振幅のピークが現れる。したがって、Ａモード像中で対応するピークを検出して前壁位置および後壁位置の各サンプリング点を特定し、それらの中点を血管中心のサンプリング点として特定する。サンプリング点を特定したら、次式（１）によりｚ座標を求める。式（１）において、ｆｓはサンプリング周波数［Ｈｚ］、ｃは音速［ｍ／ｓ］、ｋはサンプリング点をそれぞれ表す。
【数１】
2018023610.tif 000003
【００４７】
その後は、例えば「トラッキング」技術等を利用し、次フレーム以降の各スライス位置における前壁位置および後壁位置を算出する。また、各位置の中点を血管中心とし、フレーム毎に算出する。トラッキングは、対象とする反射波データ（例えば中心走査線のＡモード像でもよいし、Ｂモード像である断層画像でもよい）に関心領域（トラッキングポイント）を設定し、異なるフレーム間で関心領域を追跡し変位を算出する公知の処理である。
【００４８】
その一方で、血管２１の先端部を検出するため、スライス位置毎に次フレーム以降の断層画像中で各特徴点を追跡する。その際、次フレームにおける各特徴点の位置（移動先）に基づいて、特徴点毎に動きベクトルを算出する。特徴点の追跡は、空間的輝度勾配を利用した勾配法を適用して行うことができる。あるいは、特徴点の各々を含む所定サイズの画像ブロックをテンプレートとしたブロックマッチング法等を適用し、次フレームにおける各特徴点の移動先を探索するのでもよい。ここでの処理により、対象フレームの各断層画像中の全ての特徴点について、その次フレームにおける移動先への動きベクトルが算出される。
【００４９】
動きベクトルを求めたならば、その大きさを用いて穿刺針９の先端部を検出する。図７〜図９は、対象フレームにおける異なる３つのスライス位置の特徴点画像例を示す図である。特徴点画像は、各特徴点の位置の動き量をその動きベクトルの大きさとし、特徴点が存在しない位置については動き量を「０」として、対応する断層画像中の各位置の動き量を画像化したものである。図７〜図９は、穿刺針９の先端部が位置するスライス位置を中心とした連続する３つのスライス位置に係る特徴点画像であり、図７の特徴点画像に対応する断層画像には穿刺針９の軸部が、図８の特徴点画像に対応する断層画像には穿刺針９の先端部がそれぞれ描出され、図９の特徴点画像に対応する断層画像には穿刺針９は描出されていない。
【００５０】
特徴点画像は、動き量の大きい位置（動きベクトルの大きい特徴点の位置）ほど高輝度に表される。図７および図８では、中央付近の穿刺針９の描出位置が明るく示されている。穿刺針９の描出位置に動きベクトルの大きい特徴点が現れるのは、穿刺針９の移動に伴ってその周辺組織も変位するためと考えられる。動きベクトルの大きさ（動き量）は、穿刺針９の先端部付近において最も大きくなる。図７と図８の画像からは分かり難いが、穿刺針９の軸部が描出された図７よりも、穿刺針９の先端部が描出された図８の方が、穿刺針９の近傍周囲の高輝度部分（白色の部分）が広く描出されている。すなわち、大きな動きベクトル（動き量）が現れる位置が数多く存在している。
【００５１】
図１０は、横軸をスライス位置とし、縦軸を動き量として、各スライス位置の動き量の最大値（最大動き量）をプロットした一例を示す図である。穿刺針９の先端部がスライス位置Ｐ１１にあったときの図を示している。図１０に示すように、スライス位置毎に最大動き量を比較すると、その値は先端部が位置したスライス位置Ｐ１１で突出して大きい。すなわち、図１０の例では、穿刺針９の先端部はスライス位置Ｐ１１に位置しており、その最大動き量の動きベクトルに係る特徴点の位置が、当該先端部のｘｚ平面内の位置に対応している。そこで、各スライス位置の断層画像から動きベクトルの大きさが最大の特徴点を選び、最大動き量を取得する。そして、予め定められる所定の判定用閾値Ｄ１１を用いて各スライス位置の最大動き量を閾値判定し、判定用閾値Ｄ１１を超えている最大動き量のスライス位置と、当該最大動き量に係る特徴点の位置とから対象フレームにおける穿刺針９の先端部を検出する。また、このとき、検出した先端部のｘｙｚ空間内の位置を断層画像或いは特徴点画像から算出し、先端位置とする。
【００５２】
なお、スライス位置毎の最大動き量を閾値判定する構成に限らず、図１０に示したスライス位置毎の最大動き量をｙ方向に沿って微分し、その上で閾値判定するとしてもよい。図１１は、図１０の最大動き量の微分結果を示す図である。例えば、図１１に示す判定用閾値Ｄ１３を用い、微分値が判定用閾値Ｄ１３を超えているスライス位置と、その微分値に係る特徴点の位置とから対象フレームにおける先端位置を算出するのでもよい。
【００５３】
以上説明した血管／針先検出処理により、各フレームにおいてスライス位置毎に血管２１が検出されるとともに、各フレームで穿刺針９の先端部が検出される。
【００５４】
（２）報知処理
本実施形態の報知処理は、処理装置３０が備える表示装置等において報知処理結果である報知内容を画面表示することで行う。図１２は、穿刺時の表示画面の画面構成例を示す図である。図１２に示すように、表示画面は、断層画像を観察するための先端位置画像表示部Ｗ２１および連続スライス位置画像表示部Ｗ２３と、案内表示部Ｗ２５と、報知内容を確認するための報知画面部Ｗ２７とを備える。なお、図１２では、先端位置画像表示部Ｗ２１および連続スライス位置画像表示部Ｗ２３において表示される断層画像を模式図として図示しているが、実際には、例えば後述する図２４等のような断層画像（Ｂモード像）が表示される。各部Ｗ２１，Ｗ２３の表示は、フレーム毎に更新される。
【００５５】
先端位置画像表示部Ｗ２１は、先端部が検出された断層画像（以下、「先端位置画像」という）を表示する。この先端位置画像表示部Ｗ２１では、先端位置画像内の穿刺針９の先端部（先端位置）を識別表示する。図１２では、先端位置を指し示す矢印形状の先端位置マーカーＭａが付してある。ただし、識別表示は、先端位置マーカーＭａの表示によって行う場合に限らず、穿刺針９の先端部を所定の表示色で表示する等し、先端位置を強調表示することで行ってもよい。
【００５６】
連続スライス位置画像表示部Ｗ２３は、例えば５つの連続するスライス位置を表示範囲として、表示範囲内の断層画像をスライス位置の順番で並べて表示する。なお、表示範囲とするスライス位置の数（一度に表示する断層画像の数）は５つに限らず適宜設定でき、前送りボタン／後送りボタンやスクロールバーの操作等によって表示範囲を切り替えることができる。また、表示範囲内に先端位置画像のスライス位置が含まれるときには、先端部画像の外周枠を先端位置画像表示部Ｗ２１と同様の表示態様で識別表示する。
【００５７】
案内表示部Ｗ２５は、各スライス位置の断層画像の配列を表示し、先端位置画像表示部Ｗ２１に表示されている先端位置画像のスライス位置Ｐ２５１と、連続スライス位置画像表示部Ｗ２３に表示されている断層画像の表示範囲Ｐ２５３とを識別表示してユーザーに案内する。
【００５８】
報知画面部Ｗ２７は、予測位置表示ボタンＢ２７１、角度表示ボタンＢ２７２、速度表示ボタンＢ２７３、および血管相対位置表示ボタンＢ２７４の選択状態に応じた報知処理結果を表示する。ボタンＢ２７１〜Ｂ２７４は、何れか１つを選択できることとする。ただし、２つ以上を選択できるようにし、各々に係る報知処理結果を並べて表示する構成でもよい。以下、各ボタンＢ２７１〜Ｂ２７４の選択時に行う報知処理および報知画面部Ｗ２７の表示例について順に説明する。
【００５９】
１．先端部の予測位置に基づく報知処理（予測位置報知処理）
予測位置報知処理は、予測位置表示ボタンＢ２７１の選択時に行う。予測位置報知処理では先ず、上記した先端部の検出結果に基づき先端部の予測位置を算出する。図１３は、予測位置の算出を説明する図であり、対象部位における穿刺針９の挿入状態と併せて、対象フレームおよびそれ以前のフレームで検出された先端位置Ｐ３１，Ｐ３５，Ｐ３６を示している。対象フレーム以前に２つ以上のスライス位置において先端位置が検出されていれば、２点間を結ぶ挿入経路直線Ｌ３によって針先の挿入経路を予測することができる。本実施形態では、例えば、初順のスライス位置ｙＳ−１の断層画像ＩＳ−１において先端位置として最後に検出された先端位置Ｐ３１と、対象フレームで検出した先端位置Ｐ３６とを予測に用いる。断層画像ＩＳ−１において“最後に検出された”先端位置Ｐ３１としたのは、途中で針の挿入が止まった場合等、同じスライス位置で繰り返し先端位置が検出される場合もあるためである。ただし、予測に用いる２点は適宜選択してよい。例えば、初順のスライス位置ｙＳ−１の断層画像ＩＳ−１において最初に検出した先端位置を用いてもよいし、対象フレームで検出した先端位置と、それより１つ前のスライス位置で最後に検出した先端位置とを予測に用いるとしてもよい。
【００６０】
予測位置の算出は、穿刺針９が未到達であるスライス位置（未到達スライス位置）について行う。すなわち、先端位置Ｐ３１，Ｐ３６によって定まる挿入経路直線Ｌ３と、未到達スライス位置によって定まるｘｚ平面との交点Ｐ３７，Ｐ３８，・・・を先端部の予測位置として算出する。各交点Ｐ３７，Ｐ３８，・・・のｘ座標は次式（２）により求めることができ、ｚ座標は次式（３）により求めることができる。式（２），（３）において、ｘ１は先端位置Ｐ３１のｘ座標、ｙ１はそのｙ座標（＝スライス位置ｙＳ−１）、ｚ１はそのｚ座標を表し、ｘ２は先端位置Ｐ３６のｘ座標、ｙ２はそのｙ座標（＝スライス位置ｙＳ−６）、ｚ２はそのｚ座標を表す。各式（２），（３）において、交点Ｐ３７，Ｐ３８，・・・のｙ座標であるスライス位置ｙＳ−７，ｙＳ−８，・・・をｙに代入することで、交点Ｐ３７，Ｐ３８，・・・のｘ座標（ｘ）とｚ座標（ｚ）とが得られる。
【数２】
2018023610.tif 000004
【００６１】
続いて、先端部の予測位置が血管２１の中心部に到達するか否かを判定する。例えば、未スライス位置毎に血管２１の内側に中心部領域を設定し、予測位置が中心部領域内か否かの判定を行う。中心部領域内の予測位置が１つでもあれば、予測位置が血管２１の中心部に到達すると判定する。
【００６２】
図１４および図１５は、異なる未到達スライス位置における予測位置Ｐ４１，Ｐ４３と血管２１との相対位置関係を示す図である。図１４および図１５では十字形状の予測位置マーカーＭｂによって予測位置Ｐ４１，Ｐ４３を指し示しており、予測位置マーカーＭｂは、その中心が予測位置Ｐ４１，Ｐ４３に重なるように付してある。また、血管２１の内側に破線で示す領域が中心部領域Ｃ４１である。中心部領域Ｃ４１は、例えば、辺の長さが血管径の半分の長さの矩形の領域とされ、その中心Ｃ４が血管中心と一致するように設定される。血管径は、前後壁の各位置間の距離として求めることができる。なお、中心部領域は血管２１の中心を含む血管２１の内側の領域であれば円形や楕円形の領域であってもよいし、その大きさについても適宜設定してよい。
【００６３】
予測位置が血管２１の中心部に到達するか否かを判定したならば、報知画面部Ｗ２７に判定結果を表示する制御を行う。図１６は、予測位置報知処理に係る報知画面部Ｗ２７の表示例を示す図である。図示の例では、判定結果をメッセージとして表示している。なお、メッセージの表示に限らず、未到達スライス位置における予測位置と血管２１との相対位置関係を示す画像を表示するのでもよい。例えば、当該画像として、図１４や図１５のような模式図を報知画面部Ｗ２７に表示するのでもよいし、当該未到達スライス位置の断層画像を報知画面部Ｗ２７に表示し、その予測位置に予測位置マーカーＭｂを付すのでもよい。またその際、判定結果に応じて予測位置マーカーＭｂを異なる表示態様で表示してもよい。例えば、予測位置が血管２１の中心部に到達する場合と到達しない場合とで予測位置マーカーＭｂの表示色を変えたり、到達しない場合に予測位置マーカーＭｂを点滅表示するとしてもよい。
【００６４】
また、判定結果は、報知画面部Ｗ２７に表示する場合に限らず、判定結果に応じて未到達スライス位置の断層画像の外周枠の表示色を変えたり、あるいは外周枠を点滅表示する等して、その報知を連続スライス位置画像表示部Ｗ２３で行ってもよい。その際、未到達スライス位置の断層画像中で、予測位置に予測位置マーカーＭｂを付すようにしてもよい。また、その場合は、予測位置マーカーＭｂの表示態様によって判定結果を報知してもよい。あるいは、先端位置画像表示部Ｗ２１において判定結果の報知を行ってもよい。例えば、その外周枠や、先端位置マーカーＭａの表示態様による報知が挙げられる。また、画面表示による視覚的な報知に限らず、例えば、予測位置が血管２１の中心部に到達しないと判定した場合に所定の警告音を音出力し、判定結果の聴覚的な報知を行ってもよい。
【００６５】
また、その他にも、予測位置と血管中心との距離に応じて予測位置マーカーＭｂの表示色を変えてもよい。また、本例では、予測位置が血管２１の中心部に到達するか否かを判定することとしたが、血管２１の内部に到達するか否かを判定し、判定結果を報知するとしてもよい。この場合には、未到達スライス位置毎に、予測位置が血管２１の内側か否かを判定すればよい。
【００６６】
以上の予測位置報知処理によれば、ユーザーは、そのまま穿刺針９の挿入を進めた場合に先端部が血管２１の中心部に到達するのかを把握できる。したがって、報知画面部Ｗ２７の表示を確認しながら適宜穿刺針９の挿入方向を修正しつつ、挿入作業を行うことができる。
【００６７】
２．穿刺針の挿入角度に基づく報知処理（角度報知処理）
角度報知処理は、図１２の角度表示ボタンＢ２７２の選択時に行う。角度報知処理では、穿刺針９の挿入角度θを算出し、算出した挿入角度θに基づく報知を行う。図１７は、挿入角度θの算出を説明する図である。例えば先ず、図１３を参照して説明したのと同様の要領で先端位置Ｐ５１１，Ｐ５１６から挿入経路直線を算出し、穿刺針９の挿入方向Ｌ５１として得る。また、対象フレームにおいて各スライス位置で算出した血管中心Ｐ５３１，Ｐ５３６，Ｐ５３７等から、血管２１の走行方向Ｌ５３を算出する。例えば、各スライス位置の血管中心Ｐ５３１，Ｐ５３６，Ｐ５３７等を用いて近似直線を算出し、走行方向とするのでもよいし、血管中心Ｐ５３１，Ｐ５３６，Ｐ５３７等から適当な２点を選び、当該２点間を結ぶ直線を走行方向として算出してもよい。また、血管中心に限らず、前壁位置や後壁位置を用いて走行方向を算出するのでもよい。そして、血管２１の走行方向Ｌ５３と、穿刺針９の挿入方向Ｌ５１との成す角度を穿刺針９の挿入角度θとして算出する。
【００６８】
挿入角度θを算出したならば、報知画面部Ｗ２７に表示する制御を行う。図１８は、報知画面部Ｗ２７の表示例を示す図である。例えば、報知画面部Ｗ２７には、算出した挿入角度θの挿入角度表示Ｄ２７１とともに、血管２１の走行方向に対する穿刺針９の挿入方向を示す画像（挿入角度画像）Ｄ２７３を表示する。
【００６９】
先ず、挿入角度画像Ｄ２７３は、例えば、横軸をスライス位置とし、縦軸を深さ位置（ｚ）として血管２１や穿刺針９の挿入状態を示した模式図であり、血管２１の走行方向Ｌ５３と穿刺針９の挿入方向Ｌ５１とを示したものである。この挿入角度画像Ｄ２７３は、既に検出されている血管中心および前後壁の各位置や、穿刺針９の先端位置から生成できる。
【００７０】
次に、挿入角度表示Ｄ２７１は、挿入角度θに応じた文字色で表示する。ここで、挿入角度θが小さいと、血管２１の壁面で穿刺針９がすべって刺入できない事態が生じ得る。また、例えば、穿刺針９を血管２１に刺入した後、その針管の内部にガイド用のワイヤーやカテーテルを通してこれらを血管２１に挿入する処置を行う場合等では、挿入角度θが大きいと、穿刺針９の先端から血管２１内に挿入したワイヤー等が血管２１を貫通する事態を招く可能性が高まる。具体的な数値は特に限定されないが、例えば、挿入角度θが６０°前後であれば、何れの事態も招き難くすることができると考えられる。
【００７１】
そこで、本実施形態では、例えば、挿入角度θが５０°未満の場合と、５０°以上７０°以下の場合と、７０°を超えている場合とで挿入角度表示Ｄ２７１の文字色を変える。なお、挿入角度表示Ｄ２７１の背景色を変えるのでもよい。
【００７２】
また、挿入角度θが何れの角度範囲に属するかの報知は、報知画面部Ｗ２７に表示する場合に限らず、予測位置報知処理と同様に、連続スライス位置画像表示部Ｗ２３の外周枠や予測位置マーカーＭｂの表示態様により行ってもよいし、先端位置画像表示部Ｗ２１の外周枠や先端位置マーカーＭａの表示態様により行ってもよい。この場合は、挿入角度θが上記３つの角度範囲の何れに属するのかに応じてそれらの表示色を変える構成が挙げられる。あるいは、報知画面部Ｗ２７において、挿入角度θが何れの角度範囲に属するのかに基づくメッセージを表示するのでもよい。
【００７３】
この角度報知処理によれば、ユーザーは、報知画面部Ｗ２７の表示によって挿入角度θを確認しながら、穿刺針９の挿入作業を行うことができる。またその際、挿入角度表示Ｄ２７１の文字色等によって、挿入角度θの大小を視覚的に容易に確認できる。
【００７４】
３．穿刺針の挿入速度に基づく報知処理（速度報知処理）
速度報知処理は、図１２の速度表示ボタンＢ２７３の選択時に行う。速度報知処理では、例えば、１つ前のフレームにおける先端位置から対象フレームにおける先端位置までの距離と、１フレーム時間（フレーム時間間隔ともいえる）とから穿刺針９の挿入速度を算出する。そして、算出した挿入速度を報知画面部Ｗ２７に表示する制御を行う。
【００７５】
図１９は、報知画面部Ｗ２７の表示例を示す図である。図１９に示すように、報知画面部Ｗ２７には、例えば、算出した挿入速度を表示する。ここで、挿入速度が速いと、穿刺針９が血管２１を貫通する事態を招く可能性が高まる。また、対象部位によっては、神経損傷等を避けるために穿刺針９を慎重に挿入する必要がある。そこで、本実施形態では、所定速度以上の場合と、所定速度未満の場合とで例えば表示する文字色や背景色を変更する。
【００７６】
なお、速度の報知は、報知画面部Ｗ２７に表示する場合に限らず、予測位置報知処理と同様に、連続スライス位置画像表示部Ｗ２３の外周枠や予測位置マーカーＭｂの表示態様により行ってもよいし、先端位置画像表示部Ｗ２１の外周枠や先端位置マーカーＭａの表示態様により行ってもよい。表示態様としては、例えば、所定速度以上の場合と所定速度未満の場合とで表示色を変えてもよいし、所定速度以上の場合に点滅表示する構成としてもよい。あるいは、報知画面部Ｗ２７において、挿入速度が速いのか遅いのかに基づくメッセージを表示する態様としてもよい。
【００７７】
この角度報知処理によれば、ユーザーは、報知画面部Ｗ２７の表示によって挿入速度を確認しながら、穿刺針９の挿入作業を行うことができる。またその際、挿入速度の文字色等によって、挿入速度が速いのか遅いのかを視覚的に容易に確認できる。
【００７８】
４．血管との距離に基づく報知処理（接近距離報知処理）
接近距離報知処理は、図１２の血管相対位置表示ボタンＢ２７４の選択時に行う。接近距離報知処理では先ず、穿刺針９の先端部が描出されたスライス位置（或いは断層画像）において穿刺針９の先端位置と血管２１の前壁位置の深さ位置を比較することで、穿刺針９の先端部が血管２１の内部に到達しているか否かを判定する。そして、血管２１の内部に到達していない場合は、先端位置と前壁位置との深さ方向の距離が接近条件の一例である前壁接近条件を満たすか否かを判定する。例えば、当該深さ方向の距離が予め定められる所定距離（前壁接近距離）未満であることを、前壁接近条件として判定する。そして、報知画面部Ｗ２７において、前壁接近条件を満たすか否かの判定結果に応じた報知を行う。ここでの報知は、例えば、先端位置画像における穿刺針９の先端部（先端位置）と血管２１との相対位置関係を示す画像上で行う。
【００７９】
図２０は、前壁接近条件を満たさないと判定した場合の報知画面部Ｗ２７の表示例を示す図であり、図２１は、前壁接近条件を満たすと判定した場合の報知画面部Ｗ２７の表示例を示す図である。先ず、前壁接近条件を満たさない場合は、図２０に示すように、断層画像上に穿刺針９の先端部（先端位置）と血管２１との深さ方向の距離を表示する。一方、前壁接近条件を満たす場合には、図２１に示すように、断層画像上に穿刺針９の先端部を囲って示すマーカーＭ６を付すことで、前壁に接近している旨を報知する。なお、所定の警告音を音出力して聴覚的な報知を行うとしてもよい。
【００８０】
次に、穿刺針９の先端部が血管２１の内部に到達していると判定した場合は、先端位置と血管２１の後壁位置との深さ方向の距離に基づき後壁接近条件を満たすか否かを判定する。例えば、穿刺針９の先端部が血管２１の内部であり、且つ、穿刺針９の先端位置と血管２１の後壁位置との深さ方向の距離が予め定められる所定距離（後壁接近距離）未満であることを、後壁接近条件として判定する。穿刺針９の先端部が血管２１の内部であることを前提とするならば、穿刺針９の先端位置と血管２１の後壁位置との深さ方向の距離が予め定められる所定距離（後壁接近距離）未満であることを後壁接近条件とすることもできる。そして、報知画面部Ｗ２７において、後壁接近条件を満たすか否かの判定結果に応じた報知を行う。
【００８１】
図２２は、後壁接近条件を満たさないと判定した場合の報知画面部Ｗ２７の表示例を示す図であり、図２３は、後壁接近条件を満たすと判定した場合の報知画面部Ｗ２７の表示例を示す図である。先ず、後壁接近条件を満たさない場合は、図２１に示すように、穿刺針９の先端部（先端位置）と血管２１との深さ方向の距離を表示する。一方、後壁接近条件を満たす場合には、図２３に示すように、穿刺針９の先端部を囲って示すマーカーＭ７を付すことで、後壁に接近している旨を報知する。あるいは、所定の警告音を音出力して聴覚的な報知を行う。ただし、当該報知は、穿刺針９が後壁を貫通する事態を確実に防止するため、例えばマーカーＭ７を点滅表示したり、前壁に接近した場合の警告音よりも長音或いは音量の大きい警告音を音出力する等、前壁接近条件を満たした場合と異なる態様で行うとよい。また、同様の理由により、後壁接近条件を定める後壁接近距離は、前壁接近条件を定める前壁接近距離よりも長くするのがよい。
【００８２】
なお、接近距離報知は、先端位置画像表示部Ｗ２１において行う構成でもよい。前壁接近条件を満たさないと判定した場合の先端位置画像表示部Ｗ２１の表示例を図２４に示し、後壁接近条件を満たさないと判定した場合の先端位置画像表示部Ｗ２１の表示例を図２５に示す。
【００８３】
以上の接近距離報知処理によれば、ユーザーは、報知画面部Ｗ２７の表示によって穿刺針９の先端位置と、血管２１の前壁位置又は後壁位置との距離を確認しながら、穿刺針９の挿入作業を行うことができる。またその際、先端位置が前壁位置に接近した場合や、先端位置が後壁位置に接近した場合を容易に確認できる。
【００８４】
［機能構成］
図２６は、超音波測定装置１０の機能構成例を示すブロック図である。超音波測定装置１０は、処理装置３０と、超音波プローブ１６とを備え、処理装置３０は、操作入力部３１０と、表示部３２０と、音出力部３３０と、通信部３４０と、処理部４００と、記憶部５００とを備える。
【００８５】
超音波プローブ１６は、複数の超音波素子（超音波振動子）１７１を備え、処理装置３０（より詳細には、処理部４００の超音波測定制御部４１０）から出力されるパルス電圧に基づいて超音波を送信する。そして、送信した超音波の反射波を受信し、受信信号を超音波測定制御部４１０へ出力する。
【００８６】
操作入力部３１０は、ユーザーによる各種操作入力を受け付け、操作入力に応じた操作入力信号を処理部４００へ出力する。ボタンスイッチやレバースイッチ、ダイヤルスイッチ、トラックパッド、マウス等により実現できる。
【００８７】
表示部３２０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の表示装置によって実現され、処理部４００からの表示信号に基づく各種表示を行う。
【００８８】
音出力部３３０は、例えばスピーカー等で実現される音出力装置であり、処理部４００からの音信号に応じた音出力を行う。
【００８９】
通信部３４０は、処理部４００の制御のもと、外部との間でデータを送受するための通信装置である。この通信部３４０の通信方式としては、所定の通信規格に準拠したケーブルを介して有線接続する形式や、クレイドル等と呼ばれる充電器と兼用の中間装置を介して接続する形式、無線通信を利用して無線接続する形式等、種々の方式を適用可能である。
【００９０】
処理部４００は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のマイクロプロセッサーや、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＩＣ（Integrated Circuit）メモリー等の電子部品によって実現される。そして、処理部４００は、各機能部との間でデータの入出力制御を行い、所定のプログラムやデータ、操作入力部３１０からの操作入力信号、超音波プローブ１６からの各超音波振動子の受信信号等に基づき各種の演算処理を実行して、被検体２の生体情報を取得する。なお、処理部４００を構成する各部は、専用のモジュール回路等のハードウェアで構成することとしてもよい。
【００９１】
この処理部４００は、超音波測定制御部４１０と、血管検出部４２０と、針先検出部４３０と、報知処理部４４０とを含む。
【００９２】
超音波測定制御部４１０は、超音波プローブ１６とともに超音波測定部２０を構成し、この超音波測定部２０によって超音波測定が行われる。超音波測定制御部４１０は、公知技術を利用して実現することができる。例えば、超音波測定制御部４１０は、駆動制御部４１１と、送受信制御部４１３と、受信合成部４１５と、トラッキング部４１７とを備え、超音波測定を統合的に制御する。
【００９３】
駆動制御部４１１は、超音波プローブ１６からの超音波パルスの送信タイミングを制御し、送信制御信号を送受信制御部４１３に出力する。
【００９４】
送受信制御部４１３は、駆動制御部４１１からの駆動信号に従い各超音波素子１７１への印加電圧としてパルス電圧を発生させて、超音波プローブ１６に出力する。また、送受信制御部４１３は、超音波プローブ１６からの各超音波素子１７１による超音波の受信信号の増幅やフィルター処理等を行い、処理結果を受信合成部４１５に出力する。
【００９５】
受信合成部４１５は、必要に応じて遅延処理等を行っていわゆる受信信号のフォーカスに係る処理等を実行し、反射波データを生成する。
【００９６】
トラッキング部４１７は、反射波データ５２０を参照し、超音波測定のフレーム間でトラッキングポイントを追跡するいわゆる「トラッキング」に係る処理を行う。例えば、トラッキング対象の反射波データにトラッキングポイントを設定するための処理、設定したトラッキングポイントを異なるフレーム間で追跡する処理、トラッキングポイントの変位を算出する処理を行うことができる。いわゆる「エコートラッキング」や「位相差トラッキング」等の機能が実現される。
【００９７】
血管検出部４２０は、各スライス位置の断層画像から特徴点を抽出し、血管２１を検出する。そして、トラッキング部４１７によるトラッキング結果に基づいて、フレーム毎に血管中心および前後壁の各位置を追跡する。
【００９８】
針先検出部４３０は、血管検出部４２０によって抽出された特徴点のフレーム間の動き量をもとに、フレーム毎に穿刺針９の先端部を検出して先端位置を算出する。この針先検出部４３０は、各特徴点をフレーム間で追跡し、動きベクトルを算出する動きベクトル算出部４３１を備える。
【００９９】
報知処理部４４０は、穿刺針９の先端部と血管２１との相対位置等に基づく各種報知処理を行う。本実施形態では、図１２に示したボタンＢ２７１〜Ｂ２７４の選択状態に応じて、予測位置報知処理、角度報知処理、速度報知処理、又は接近距離報知処理を行う。この報知処理部４４０は、予測位置算出部４４１と、予測位置判定部４４２と、挿入角度算出部４４３と、挿入速度算出部４４４と、接近距離算出部４４５と、接近距離判定部４４６とを備える。
【０１００】
予測位置算出部４４１は、穿刺針９の先端部の検出結果に基づいて、先端部の予測位置を算出する。予測位置判定部４４２は、先端部の予測位置が血管２１の中心部に到達するか否かを判定する。挿入角度算出部４４３は、血管２１および先端部の検出結果に基づいて、血管２１の走行方向と、穿刺針９の挿入方向との成す角度を穿刺針９の挿入角度θとして算出する。挿入速度算出部４４４は、先端部の検出結果に基づいて、穿刺針９の挿入速度を算出する。接近距離算出部４４５は、穿刺針９の先端部が血管２１の内部に到達しているか否かを判定し、到達していなければ先端位置と前壁位置との深さ方向の距離を、到達していれば先端位置と後壁位置との深さ方向の距離を算出する。接近距離判定部４４６は、先端位置と前壁位置との深さ方向の距離が前壁接近条件を満たすか否かの判定と、先端位置と後壁位置との深さ方向の距離が後壁接近条件を満たすか否かの判定とを行う。
【０１０１】
記憶部５００は、ＩＣメモリーやハードディスク、光学ディスク等の記憶媒体により実現されるものである。記憶部５００には、超音波測定装置１０を動作させ、超音波測定装置１０が備える種々の機能を実現するためのプログラムや、当該プログラムの実行中に使用されるデータ等が予め記憶され、或いは処理の都度一時的に記憶される。なお、処理部４００と記憶部５００との接続は、装置内の内部バス回路による接続に限らず、ＬＡＮ（Local Area Network）やインターネット等の通信回線で実現してもよい。その場合、記憶部５００は、超音波測定装置１０とは別の外部記憶装置により実現されるとしてもよい。
【０１０２】
この記憶部５００には、超音波測定プログラム５１０と、反射波データ５２０と、トラッキングデータ５３０と、血管検出結果データ５４０と、針先検出結果データ５５０とが格納される。
【０１０３】
処理部４００は、超音波測定プログラム５１０を読み出して実行することにより、超音波測定制御部４１０、血管検出部４２０、針先検出部４３０、報知処理部４４０等の機能を実現する。なお、これらの機能部を電子回路等のハードウェアで実現する場合には、当該機能を実現させるためのプログラムの一部を省略することができる。
【０１０４】
反射波データ５２０は、フレーム毎に繰り返される超音波測定で得た反射波データを記憶する。この反射波データ５２０は、フレーム毎に取得される各走査線のサンプリング点毎の受信信号強度であるＡモード像データと、フレーム毎に取得される各スライス位置の断層画像データとを含む。
【０１０５】
トラッキングデータ５３０は、トラッキング部４１７によるトラッキング結果のデータであり、各スライス位置においてトラッキングポイントとされてトラッキングされたフレーム毎の前壁位置および後壁位置の変位を記憶する。
【０１０６】
血管検出結果データ５４０は、血管検出部４２０による血管２１の検出結果のデータであり、フレーム毎に算出される血管中心および前後壁の各位置を、フレーム番号と対応付けて履歴的に記憶する。
【０１０７】
針先検出結果データ５５０は、針先検出部４３０による穿刺針９の先端部の検出結果のデータであり、フレーム毎に算出される先端位置を、フレーム番号と対応付けて履歴的に記憶する。
【０１０８】
［処理の流れ］
図２７は、超音波測定装置１０が行う処理の流れを示すフローチャートである。ここで説明する処理は、処理部４００が記憶部５００から超音波測定プログラム５１０を読み出して実行し、超音波測定装置１０の各部を動作させることで実現できる。測定に先立ち、超音波プローブ１６が被検体２の生体表面に貼付・固定される。
【０１０９】
先ず、超音波測定部２０が、超音波測定を開始する（ステップＳ１０１）。ここでの処理により、フレーム毎にＡモード像データや各スライス位置の断層画像データが生成され、反射波データ５２０に格納されていく。
【０１１０】
続いて、血管／針先検出処理を開始する（ステップＳ１０３）。図２８は、血管／針先検出処理の流れを示すフローチャートである。血管／針先検出処理では先ず、血管検出部４２０が、例えば初順のフレームの各スライス位置の断層画像から特徴点を抽出し、血管２１を検出する（ステップＳ２０１）。ここでの処理により、血管中心および前後壁の各位置がスライス位置毎に求まる。血管２１を検出したならば、血管検出部４２０は、次フレーム以降の血管中心および前後壁の各位置を追跡する処理を開始する（ステップＳ２０３）。追跡処理に当たっては、トラッキング部４１７が、ステップＳ２０１で算出した前壁位置および後壁位置をトラッキングポイントとして、トラッキングを開始する。
【０１１１】
その後は、針先検出部４３０が、ループＡの処理をフレーム毎に繰り返し実行し、穿刺針９の先端部を検出する（ステップＳ２０５〜ステップＳ２１７）。すなわち、ループＡでは、次フレームの反射波データが生成されるのを待ってから、スライス位置毎にループＢの処理を実行する（ステップＳ２０７〜ステップＳ２１３）。すなわち先ず、動きベクトル算出部４３１が、対象スライス位置に係る断層画像において、対象フレームから次フレームへの各特徴点の移動先を判定して動きベクトルを算出する（ステップＳ２０９）。そして、針先検出部４３０は、その動きベクトルの大きさが最大の特徴点を選んで最大動き量を取得する（ステップＳ２１１）。
【０１１２】
全てのスライス位置についてループＢの処理を行ったならば、針先検出部４３０は、各スライス位置の最大動き量を閾値判定し、所定の判定用閾値を超えているスライス位置があれば、その特徴点の位置を穿刺針９の先端部として先端位置を算出する（ステップＳ２１５）。
【０１１３】
図２７に戻る。血管／針先検出処理を開始したならば、処理部４００が、図１２に示した表示画面上でフレーム毎に得られる各スライス位置の断層画像を表示する制御を開始する（ステップＳ１０５）。そして、報知処理部４４０が、表示画面上でのボタンＢ２７１〜Ｂ２７４の選択操作に応じた報知処理を行う。
【０１１４】
すなわち、予測位置表示ボタンＢ２７１が選択操作された場合は（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）、予測位置報知処理を行う。すなわち先ず、予測位置算出部４４１が、穿刺針９の先端部の検出結果から、先端部の予測位置を算出する（ステップＳ１０７）。続いて、予測位置判定部４４２が、ステップＳ１０７で算出した予測位置が血管２１の中心部に到達するか否かを判定する（ステップＳ１０９）。そして、報知処理部４４０は、ステップＳ１０９の判定結果に基づく報知を行う（ステップＳ１１１）。
【０１１５】
また、角度表示ボタンＢ２７２が選択操作された場合は（ステップＳ１１３：ＹＥＳ）、角度報知処理を行う。すなわち先ず、挿入角度算出部４４３が、血管２１の走行方向と、穿刺針９の挿入方向との成す角度を穿刺針９の挿入角度θとして算出する（ステップＳ１１５）。そして、報知処理部４４０は、ステップＳ１１５で算出した挿入角度θに基づく報知を行う（ステップＳ１１７）。
【０１１６】
また、速度表示ボタンＢ２７３が選択操作された場合は（ステップＳ１１９：ＹＥＳ）、速度報知処理を行う。すなわち先ず、挿入速度算出部４４４が、穿刺針９の挿入速度を算出する（ステップＳ１２１）。そして、報知処理部４４０は、ステップＳ１２１で算出した挿入速度に基づく報知を行う（ステップＳ１２３）。
【０１１７】
また、血管相対位置表示ボタンＢ２７４が選択操作された場合は（ステップＳ１２５：ＹＥＳ）、接近距離報知処理を行う。すなわち先ず、接近距離算出部４４５が、先端部のスライス位置において先端位置と前壁位置の深さ位置を比較し、穿刺針９の先端部が血管２１の内部に到達しているか否かに応じて処理を分岐する。血管２１の内部に到達していない場合は（ステップＳ１２７：ＮＯ）、接近距離算出部４４５は、先端位置と前壁位置との間の深さ方向の距離を算出する（ステップＳ１２９）。そして、接近距離判定部４４６が、ステップＳ１２９で算出した深さ方向の距離が前壁接近条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１３１）。そして、報知処理部４４０は、ステップＳ１３１の判定結果に基づく報知を行う（ステップＳ１３３）。
【０１１８】
一方、穿刺針９の先端部が血管２１の内部に到達している場合には（ステップＳ１２７：ＹＥＳ）、接近距離算出部４４５は、先端位置と後壁位置との深さ方向の距離を算出する（ステップＳ１３５）。そして、接近距離判定部４４６が、ステップＳ１３５で算出した深さ方向の距離が後壁接近条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１３７）。そして、報知処理部４４０は、ステップＳ１３７の判定結果に基づく報知を行う（ステップＳ１３９）。
【０１１９】
以上説明したように、本実施形態によれば、各スライス位置の断層画像から血管２１および穿刺針９の先端部をフレーム単位で検出することができる。そして、穿刺針９の先端部と血管２１との相対位置等に基づく各種報知処理を行うことができる。これによれば、ユーザーは、超音波画像の観察と並行して、各種報知処理による報知内容を確認しながら穿刺が行える。したがって、生体内部への医療用具の挿入に係る術者（ユーザー）の施術を支援することが可能となる。
【０１２０】
［変形例１］
なお、上記した実施形態では、断層画像中で特徴点を抽出して用い、血管２１や穿刺針９の先端部を検出することとしたが、検出方法はこれに限定されない。例えば、減衰特徴値を算出して用い、血管２１および穿刺針９の先端部を検出する変形例を採用してもよい。本変形例では、反射波データから超音波の入射方向に沿った血管２１の前後壁および穿刺針９の各入射方向位置（深さ位置）を走査線単位で検出する。以下、本変形例の原理を説明するが、穿刺針９については、先端部だけでなくその全域が検出される。
【０１２１】
被検体２に入射した超音波は、被検体２内を減衰しながら伝搬してゆく。発生する減衰には、主に、拡散減衰、吸収減衰、散乱減衰の３種類がある。拡散減衰は、音波が球面状に拡がることによる減衰であり、吸収減衰は、音響エネルギーが媒質に吸収され、熱変換されることによる減衰であり、散乱減衰は、媒質が不均一なことによる減衰である。ここでは、散乱減衰に着目する。そのために先ず、超音波を伝搬させる媒質Ａが異なる媒質Ｂを内在している場合を考える。ただし、超音波の拡散減衰および吸収減衰はないものとする。
【０１２２】
媒質Ａの音響インピーダンスＺ１は、媒質Ａの平均密度ρ１と平均音速ｃ１との積で求められ、媒質Ｂの音響インピーダンスＺ２は、媒質Ｂの平均密度ρ２と平均音速ｃ２との積で求められる（次式（４），（５））。
【数３】
2018023610.tif 000005
【０１２３】
また、媒質Ａを伝搬する超音波が媒質Ａ，Ｂの境界面で反射するときの反射率Ｓは、媒質Ａ，Ｂの音響インピーダンスＺ１，Ｚ２を用いて、次式（６）で表される。
【数４】
2018023610.tif 000006
【０１２４】
そして、媒質Ａ，Ｂの境界面を透過する超音波の透過率Ｔは、次式（７）で表される。
【数５】
2018023610.tif 000007
【０１２５】
式（７）から、媒質Ａの音響インピーダンスＺ１と媒質Ｂの音響インピーダンスＺ２との差が大きいほど媒質Ａ，Ｂの境界面において超音波の反射率Ｓが大きくなり、透過率Ｔが小さくなることがわかる。よって、このような異なる媒質Ａ，Ｂの境界面では、反射率Ｓが大きく（透過率Ｔが小さく）なる分だけ境界面を透過する超音波の信号強度は低下し、減衰した信号となる。したがって、この減衰の程度から、血管２１の前後壁の各位置や、穿刺針９の位置を検出することが可能である。すなわち、信号の減衰が大きいところが、前後壁の入射方向位置である。また、穿刺針９は強反射体であるため、超音波の入射方向に穿刺針９が存在すると、その位置でも超音波の信号は大きく減衰する。そこで、減衰の程度を定量化して用い、全ての走査線において血管２１の前後壁および穿刺針９の各入射方向位置を検出する。
【０１２６】
定量化は、減衰特徴値の１つである減衰補正値を求めることで行う。図２９は、減衰特徴値の算出を説明するための簡易的な超音波伝搬モデルを示す図である。図２９では、複数の媒質境界面４０を有する被検体に対し、超音波プローブ１６から図２９中右方向へと入射信号強度Ｔ１の超音波を入射させた場合を示している。ただし、超音波の拡散減衰および吸収減衰はないものとする。
【０１２７】
図２９に示す被検体には、超音波の入射方向に相対するように複数の媒質境界面４０＿ｉ（ｉ＝１，２，・・）が存在しており、超音波プローブ１６から入射させた超音波は、これらの媒質境界面４０で反射或いは透過して伝搬してゆく。ｉ番目の媒質境界面４０＿ｉの反射率Ｓｉは、式（６）により、境界となる２つの媒質の音響インピーダンスＺによって決まる。そして、ｉ番目の媒質境界面４０＿ｉからの超音波の反射波の受信信号強度（反射強度）Ｒｉは、媒質境界面４０＿ｉへ入射する超音波の入射信号強度（入射強度）Ｔｉと、媒質境界面４０＿ｉの反射率Ｓｉとの積で求められる（次式（８））。
【数６】
2018023610.tif 000008
【０１２８】
詳細に説明すると、１番目の媒質境界面４０＿１への入射強度Ｔ１は、超音波プローブ１６からの超音波の入射信号強度Ｔ１である。２番目以降の媒質境界面４０＿ｉ（ｉ＝２，３，・・）への入射強度Ｔｉは、手前の（ｉ−１）番目の媒質境界面４０＿（ｉ−１）の超音波の透過強度であり、媒質境界面４０＿（ｉ−１）への入射強度Ｔｉ−１と、媒質境界面４０＿（ｉ−１）からの反射強度Ｒｉ−１との差で求められる（次式（９））。
【数７】
2018023610.tif 000009
【０１２９】
つまり、各媒質境界面４０＿ｉ（ｉ＝１，２，・・）の入射強度Ｔｉは、次式（１０）で表すことができる。
【数８】
2018023610.tif 000010
【０１３０】
そして、媒質境界面４０＿ｉそれぞれからの反射強度Ｒｉが、超音波プローブ１６における受信信号強度となる。このとき、ｉ番目の媒質境界面４０＿ｉからの反射波の受信信号は、手前の（ｉ−１）番目までの媒質境界面４０＿ｊ（ｊ＝１，２、・・，ｉ−１）によって超音波の一部が反射して入射強度Ｔｉが低下していることで、減衰した信号となる。
【０１３１】
さて、ｉ番目の媒質境界面４０＿ｉについて、手前以前の媒質境界面４０＿ｊ（ｊ＝１，２，・・，ｉ−１）が存在しない場合、すなわち、超音波プローブ１６からの入射強度Ｔ１のままの超音波がｉ番目の媒質境界面４０＿ｉに入射した理想状態を考えると、媒質境界面４０＿ｉからの反射強度Ｒｉは、次式（１１）で表される。
【数９】
2018023610.tif 000011
【０１３２】
しかし、ｉ番目の媒質境界面４０＿ｉからの実際の反射強度Ｒｉは式（８）で表されることから、散乱減衰によって理想状態の反射強度Ｒｉよりも小さくなっている。そこで、次式（１２）に示すように、実際の反射強度Ｒｉに所定の減衰補正値αｉを乗じ、理想状態の反射強度Ｒｉに一致させるとする。
【数１０】
2018023610.tif 000012
【０１３３】
式（１２）から、ｉ番目の媒質境界面４０＿ｉの減衰補正値αｉは、次式（１３）で表される。
【数１１】
2018023610.tif 000013
【０１３４】
以上のようにして求まる減衰補正値αｉを実際の反射強度Ｒｉに乗じれば、該当する媒質境界面４０＿ｉにおける受信信号の減衰が相殺される。したがって、減衰補正値αｉは、実際の反射強度（受信信号強度）Ｒｉが、当該媒質境界面４０＿ｉにおける理想状態での反射強度Ｒｉと比べてどの程度小さくなっているのか、すなわち減衰の程度を表す。
【０１３５】
図３０は、横軸をサンプリング点、縦軸を減衰補正値αｉとして、ある走査線（注目走査線）に係るＡモード像から算出した当該注目走査線上の減衰補正値αｉを概略的なグラフで示した図である。減衰補正値αｉは、各サンプリング点をｉとして、式（１３）から求めることができる。ここで、注目走査線上には、穿刺針９と血管２１とが生体表面側からこの順番に存在しているとする。
【０１３６】
図３０に示すように、注目走査線に係る減衰補正値αｉは、穿刺針９の入射方向位置Ｐ８１において値が大きく上昇するとともに、血管２１の前壁の入射方向位置Ｐ８３１および後壁の入射方向位置Ｐ８３３においても値が大きく上昇する。したがって、走査線上で減衰補正値αｉの値が大きく上昇するところがあれば当該走査線上に血管２１や穿刺針９が存在しており、当該変化の大きいところがそれらの入射方向位置に対応する。その際、前後壁の入射方向位置Ｐ８３１，Ｐ８３３と、穿刺針９の入射方向位置Ｐ８１とは、減衰補正値αｉの上がり幅から識別することが可能である。
【０１３７】
そこで、以上のようにして求めた減衰補正値αｉを入射方向（つまりその走査線の方向）に沿って微分して用い、該当する走査線上の前後壁および穿刺針９の入射方向位置を検出する。具体的には、予め前後壁用の判定用閾値と、穿刺針９用の判定用閾値とを設定しておき、サンプリング点毎に各判定用閾値を用いて微分値を閾値判定することで、各々の入射方向位置を検出・識別する。各判定用閾値は、微分値の値幅として設定しておけばよい。
【０１３８】
ここで、図３０の注目走査線が中心走査線であれば、入射方向位置Ｐ８３１，Ｐ８３３間の距離（前後壁管距離）Ｄ８が血管径に相当する。そして、同一のスライス位置において各走査線上に表れる前後壁管距離を比較すると、その値は中心走査線上で最大となる。したがって、スライス位置毎に前後壁管距離が最大となる走査線を選ぶことで、前後壁の入射方向位置間の中点を血管中心として算出できる。一方、先端位置は、穿刺針９の入射方向位置が検出されたスライス位置の中から最大のｙ位置を特定することで算出できる。
【０１３９】
なお、本変形例では、減衰特徴値として減衰補正値αｉを算出することとしたが、別の減衰特徴値である減衰強度値βｉを用いてもよい。減衰強度値βｉは、次式（１４）によって表され、超音波プローブ１６からの超音波の入射信号強度Ｔ１と、減衰補正値αｉとから算出できる。
【数１２】
2018023610.tif 000014
【０１４０】
［変形例２］
また、上記した実施形態では、穿刺針９を血管２１に刺入する血管穿刺を例示したが、血管２１とは別の生体内部の目標体に向けて医療用具を挿入する場合にも同様に適用できる。例えば、腫瘍部等の生体内部の目標体に向けて穿刺針等の医療用具を挿入し、その先端部から腫瘍部等の組織を採取したり、腫瘍部等に薬剤を局所投与する場合、あるいは、その先端部から腫瘍部等にマイクロ波やラジオ波を照射する場合等が挙げられる。
【０１４１】
［変形例３］
また、上記した実施形態では、粘着台座１８によって生体表面に貼り付けて使用するタイプの超音波プローブ１６を例示したが、手で持って対象部位にセンサー面を接触させて使用するタイプの超音波プローブを用いても構わない。
【符号の説明】
【０１４２】
１０…超音波測定装置、１６…超音波プローブ、１７１…超音波素子（超音波振動子）、１８…粘着台座、３０…処理装置、３１０…操作入力部、３２０…表示部、３３０…音出力部、３４０…通信部、４００…処理部、４１０…超音波測定制御部、４１１…駆動制御部、４１３…送受信制御部、４１５…受信合成部、４１７…トラッキング部、４２０…血管検出部、４３０…針先検出部、４３１…動きベクトル算出部、４４０…報知処理部、４４１…予測位置算出部、４４２…予測位置判定部、４４３…挿入角度算出部、４４４…挿入速度算出部、４４５…接近距離算出部、４４６…接近距離判定部、５００…記憶部、５１０…超音波測定プログラム、５２０…反射波データ、５３０…トラッキングデータ、５４０…血管検出結果データ、５５０…針先検出結果データ、２…被検体、２１…血管
【図１】
2018023610.tif 000015
【図２】
2018023610.tif 000016
【図３】
2018023610.tif 000017
【図４】
2018023610.tif 000018
【図５】
2018023610.tif 000019
【図６】
2018023610.tif 000020
【図７】
2018023610.tif 000021
【図８】
2018023610.tif 000022
【図９】
2018023610.tif 000023
【図１０】
2018023610.tif 000024
【図１１】
2018023610.tif 000025
【図１２】
2018023610.tif 000026
【図１３】
2018023610.tif 000027
【図１４】
2018023610.tif 000028
【図１５】
2018023610.tif 000029
【図１６】
2018023610.tif 000030
【図１７】
2018023610.tif 000031
【図１８】
2018023610.tif 000032
【図１９】
2018023610.tif 000033
【図２０】
2018023610.tif 000034
【図２１】
2018023610.tif 000035
【図２２】
2018023610.tif 000036
【図２３】
2018023610.tif 000037
【図２４】
2018023610.tif 000038
【図２５】
2018023610.tif 000039
【図２６】
2018023610.tif 000040
【図２７】
2018023610.tif 000041
【図２８】
2018023610.tif 000042
【図２９】
2018023610.tif 000043
【図３０】
2018023610.tif 000044