(57)【要約】【課題】磁気位置センサおよび音響画像処理デバイスを含むプローブを較正するための装置であって、不動の機械的フレームワークを有する、装置が提供される。【解決手段】このフレームワークに固定された１または複数の磁界発生器は、既知の空間的特徴の磁界を発生させる。音響ターゲットアセンブリは、運動機構に結合されたファントムを含み、この運動機構は、フレームワークに対して既知の軌道内でファントムを動かすように構成されている。フレームワークに固定されたジグは、画像処理デバイスがファントムを画像化するのに好適な向きで、１または複数の磁界発生器の磁界内にプローブを保持する。プロセッサは、位置センサに対する画像処理デバイスの座標を較正するために、プローブからの位置信号および画像信号を処理する。【選択図】図１
2008188427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気位置センサおよび音響画像処理デバイスを含むプローブを較正するための装置において、
不動の機械的フレームワークと、
前記フレームワークに固定された１または複数の磁界発生器であって、既知の空間的特徴の磁界を発生させるために作動する、磁界発生器と、
音響ターゲットアセンブリであって、前記フレームワークに対して既知の空間的関係にあり、運動機構に結合されているファントムを含んでおり、前記運動機構は、前記ファントムを前記フレームワークに対して既知の軌道内で動かすように構成されている、超音波ターゲットアセンブリと、
前記フレームワークに固定されたジグであって、前記画像処理デバイスが前記ファントムを画像化するのに好適な向きで、前記１または複数の磁界発生器の前記磁界内に前記プローブを保持するための、ジグと、
プロセッサであって、前記プローブが前記ジグの中にある間、前記磁界に応答して前記位置センサから位置信号を受信し、前記ファントムからの音波の反射に応答して前記画像処理デバイスからの画像信号を受信するように結合されており、かつ、前記位置センサに対する前記画像処理デバイスの座標を較正するために、前記位置信号および前記画像信号を処理するように結合されている、プロセッサと、
を具備する、装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
前記画像処理デバイスは、画像面を有する２次元の画像を取り込むように構成されており、
前記ファントムは、前記プローブが前記好適な向きで前記ジグの中に保持されている時に、前記画像面と交差する線で交わる二つの空間面を画定するような形状および位置付けになっている、装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置において、
前記ファントムは、二つの平面を含み、
前記二つの平面は、前記二つの空間面をそれぞれ画定し、かつ、前記平面からの前記音波の前記反射が、前記画像処理デバイスによって取り込まれた前記画像中に、所与の長さを有する矢じり形を形成するように配列されており、
前記ファントムは、前記二つの空間面に対して垂直である整合面を画定する前記平面の線形延長部をさらに含み、それにより、前記画像面が前記整合面と整合している時に、前記線形延長部からの前記音波の前記反射によって、前記矢じり形の前記長さが増す、装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置において、
前記画像処理デバイスは、画像面を有する２次元の画像を取り込むように構成されており、
前記ファントムは、前記プローブが前記好適な向きで前記ジグの中に保持されている時に、前記画像面と交差する少なくとも二つの平行でない線を含む、装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置において、
前記ファントムは、前記線上に１または複数の点源を含む、装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置において、
前記音響ターゲットアセンブリは、前記フレームワークに固定されている、装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置において、
前記ターゲットアセンブリに固定された追加の位置センサ、
をさらに含み、
前記追加の位置センサは、前記磁界に応答して追加の位置信号を発生させ、
前記プロセッサは、前記音響ターゲットアセンブリと前記フレームワークとの間の前記空間的関係を決定するために、前記追加の位置信号を処理するために作動する、装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置において、
前記１または複数の磁界発生器は、３対のヘルムホルツコイルを具備し、
各対は、他の対と直交し、
前記コイルは、勾配が較正された電磁場を発生させるために駆動させられる、装置。
【請求項９】
位置センサおよび音響画像処理デバイスを含むプローブを較正するための装置において、
超音波ファントムであって、
前記超音波ファントムは、壁面を含み、
前記壁面は、内部空間が、前記プローブをこの内部空間の中に挿入させて複数の位置および向きでこの内部空間内を移動させることができる程度に十分な形状および大きさに定められるような形状になっており、
これら壁面は、異なるそれぞれの位置で複数の較正ターゲットを含む、
超音波ファントムと、
１または複数の磁界発生器であって、前記ファントムの近くに既知の空間的特徴のエネルギー場を発生させるために作動する、１または複数の磁界発生器と、
プロセッサであって、前記プローブが前記内部空間にある間、前記エネルギー場に応答して前記位置センサから位置信号を受信し、前記ファントムからの音波の反射に応答して前記画像処理デバイスから画像信号を受信するように、かつ、前記位置センサに対する前記画像処理デバイスの座標を較正するために、前記位置信号および前記画像信号を処理するように、結合されている、プロセッサと、
を含む、装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置において、
前記較正ターゲットは、２またはそれ以上の異なる面内で向きが定められている、装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の装置において、
前記エネルギー場は、電磁場を含む、装置。
【請求項１２】
磁気位置センサおよび音響画像処理デバイスを含むプローブを較正するための方法において、
既知の空間的特徴の磁界を発生させるために、不動の機械的フレームワークに固定されている、１または複数の磁界発生器を作動させることと、
前記フレームワークに対して既知の空間的関係にある音響ターゲットアセンブリの中のファントムを提供することと、
前記画像処理デバイスが前記ファントムを画像化するのに好適な向きで、前記１または複数の磁界発生器の前記磁界内にあるジグの中に前記プローブを保持することと、
前記ファントムが前記プローブに対して既知の軌道を描くように、前記ファントムおよび前記ジグの少なくともひとつを動かすことと、
前記プローブが前記ジグの中にある間、前記磁界に応答して前記位置センサから位置信号を受信し、前記ファントムからの音波の反射に応答して前記画像処理デバイスから画像信号を受信することと、
前記位置センサに対する前記画像処理デバイスの座標を較正するために、前記位置信号および前記画像信号を処理することと、
を含む、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、
前記画像処理デバイスは、画像面を有する２次元の画像を取り込むように構成されており、
前記ファントムは、前記プローブが前記好適な向きで前記ジグの中に保持されている時に、前記画像面を交差する線で交わる二つの空間面を画定するような形状および位置付けになっている、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、
前記ファントムは、二つの平面を有し、
前記二つの平面は、前記二つの空間面をそれぞれ画定し、かつ、前記平面からの前記音波の前記反射が、前記画像処理デバイスによって取り込まれた前記画像中に、所与の長さを有する矢じり形を形成するように構成されており、
前記ファントムは、前記二つの空間面に対して垂直である整合面を画定する前記平面の線形延長部をさらに含み、それにより、前記画像面が前記整合面と整合している時に、前記線形延長部からの前記音波の前記反射によって、前記矢じり形の前記長さが増す、方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の方法において、
前記画像処理デバイスは、画像面を有する２次元の画像を取り込むように構成されており、
前記ファントムは、前記プローブが前記好適な向きで前記ジグの中に保持されている時に、前記画像面を交差する少なくとも二つの平行でない線を含む、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法において、
前記ファントムは、前記線上に１または複数の点源を含む、方法。
【請求項１７】
請求項１２に記載の方法において、
前記音響ターゲットアセンブリは、前記フレームワークに固定されている、方法。
【請求項１８】
請求項１２に記載の方法において、
追加の位置センサが、前記ターゲットアセンブリに固定されており、かつ、前記磁界に応答して追加の位置信号を発生させ、
前記位置信号および前記画像信号を処理することは、前記音響ターゲットアセンブリと前記フレームワークとの間の前記空間的関係を決定するために、前記追加の位置信号を処理することを含む、方法。
【請求項１９】
請求項１２に記載の方法において、
前記１または複数の磁界発生器は、３対のヘルムホルツコイルを具備し、
各対は、他の対と直交し、
前記１または複数の磁界発生器を作動させることは、勾配が較正された電磁場を発生させるために前記コイルを駆動させることを含む、方法。
【請求項２０】
位置センサおよび音響画像処理デバイスを含むプローブを較正するための方法において、
前記プローブを超音波ファントムの内部空間に挿入することであって、
前記超音波ファントムは、前記内部空間を画定するような形状になっている壁面を含み、
これら壁面は、異なるそれぞれの位置で複数の較正ターゲットを含む、
挿入することと、
前記プローブを、複数の位置および向きで前記内部空間内を移動させることと、
前記ファントムの近くに既知の空間的特徴のエネルギー場を発生させることと、
前記プローブが内部空間内の前記複数の位置および向きにある間、前記エネルギー場に応答して前記位置センサから位置信号を受信し、前記ファントムからの音波の反射に応答して前記画像処理デバイスから画像信号を受信することと、
前記位置センサに対する前記画像処理デバイスの座標を較正するために、前記位置信号および前記画像信号を処理することと、
を含む、方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、
前記較正ターゲットは、２またはそれ以上の異なる面内で向きが定められている、方法。
【請求項２２】
請求項２０に記載の方法において、
前記エネルギー場は、電磁場を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【開示の内容】
【０００１】
〔関連出願に対する相互参照〕
本願は、参照して本明細書に組み入れる、２００７年１月３１日に出願された米国仮特許出願第６０／８８７，４５７号明細書の利益を主張する。
【０００２】
〔発明の分野〕
本発明は、全般的には、超音波画像処理システムに関し、特に、超音波プローブの較正のための装置および方法に関する。
【０００３】
〔発明の背景〕
開示内容が参照して本明細書に組み入れられる、米国特許出願公開第２００４／０２５４４５８号明細書には、位置センサおよび超音波トランスデューサを有するプローブを較正するための装置および方法が記載されている。この装置は、内部の既知の位置に置かれた超音波ターゲットを含む試験固定具（test fixture）を含む。トランスデューサが超音波ターゲットに整合している時に、コンピュータは、位置センサによって生成される位置信号を受け取る。そうして、コンピュータは、試験固定具の基準座標系（a frame of reference）におけるプローブの向きを決定し、プローブの向きに応じて、プローブの較正データを決定する。
【０００４】
当技術分野では、位置センサを較正するための様々な方法が知られている。例えば、その開示内容を参照して本明細書に組み入れる、米国特許第６，２６６，５５１号明細書および同第６，３７０，４１１号明細書には、磁気位置センサを備えたプローブを較正するための方法および装置が記載されている。この較正を用いて、プローブにおける磁気センサコイルの位置、向き、および利得（gains）における変動を測定し、補償する。プローブを較正するためには、機械的ジグが、１または複数の所定の位置および向きにプローブを保持し、放射器が、既知の実質的に均一の磁界をジグの近傍に生成する。コイルによって生成される信号を分析し、これを用いて、コイルの利得、および、直交性からのコイルの偏差についての、較正データを作成する。
【０００５】
位置センサを備えた超音波画像処理装置（ultrasound imager）を較正するための他の方法も、当技術分野で周知である。例えば、開示内容を参照して本明細書に組み入れる、米国特許第６，１３８，４９５号明細書に、スキャニング面に対して、画像処理トランスデューサまたはスキャニングトランスデューサにおける位置測定コンポーネントを較正するための方法および装置が記載されている。較正は、追加の位置測定コンポーネントを含む較正デバイスを用いて行われ、それによって較正の進行中に、これらの位置測定コンポーネント間の相対位置を計算できる。較正はまた、追加の位置測定コンポーネントに対して既知の位置にある、スキャニング面内のターゲットを観察することにより行われる。
【０００６】
別の例として、開示内容を参照して本明細書に組み入れる、米国特許第６，５８５，５６１号明細書に、超音波ヘッドを較正するための較正ユニットが記載されている。この較正ユニットは、その較正ユニットの基準部分に対して既知の位置および向きにおいて、超音波ヘッドを受容するように構成されている。この較正ユニットにより、超音波デバイスに結合したマーカーの座標系の較正が可能となる。基準部分から受け取るエコーを用いて、例えば、超音波ヘッドと基準部分との間のずれ（offset）を較正することができる。較正ユニットは、超音波デバイスを受容できる直径を有する孔を備えた、例えば、好適なプラスチックなどの、音速が既知である材料から形成されるのが好ましい。較正の際に、エコー（echoes）が、較正ユニットの底部と、好ましくは空気である周囲媒体との接触面から受け取られる。このエコーを用いて、超音波デバイスヘッドから接触面までのずれを計算することができる。
【０００７】
〔発明の概要〕
以下に開示されている本発明の実施形態は、位置センサを有する超音波画像処理プローブを較正するための、改善されたシステムおよび方法を記載する。これらの実施形態は、超音波カテーテルを較正する際に特に有用であり、この超音波カテーテルは、トランスデューサアレイおよび位置センサを含み、例えば、心室（chambers of the heart）などの体腔内で画像処理するのに適している。しかしながら、本発明の原理は、体内および体外の両方の使用のために、様々な異なる種類のプローブに適用することもできる。
【０００８】
一実施形態では、磁気位置センサおよび音響画像処理デバイスを含むプローブの較正のための装置が提供される。この装置は、不動の機械的フレームワーク（rigid mechanical framework）を備えており、この機械的フレームワークは、位置センサに対する画像処理デバイスの較正の基準座標系としての役割を果たす。フレームワークに固定された１または複数の磁界発生器は、既知の空間的特徴の磁界を発生させる。音響ターゲットアセンブリもまた、フレームワークに固定されている。このアセンブリは、運動機構に結合されているファントムを備えており、この運動機構は、フレームワークに対して既知の軌道内でファントム（phantom）を移動させる。フレームワークに固定されたジグは、画像処理デバイスがファントムを画像化するのに適した向きで、プローブを磁界中に保持する。この構造において、プロセッサは、位置センサから位置信号を受信し、画像処理デバイスから画像信号を受信し、位置センサに対する画像処理デバイスの座標を較正するために、信号を処理する。
【０００９】
別の実施形態において、プローブの較正のための超音波ファントムは、壁部を備えており、この壁部は、内部空間を画定するような形状になっており、この内部空間は全体的または部分的にこれらの壁部によって囲まれている。これら壁部は、異なるそれぞれの位置において、複数の較正ターゲットを備えている。１または複数の磁界発生器は、ファントムの近くにおいて、既知の空間的特徴のエネルギー場（energy field of known spatial characteristics）を発生させる。プローブは、壁部によって画定された内部空間の中に挿入され、複数の位置および向きに移動させられる。プローブが内部空間の中にある間に、プロセッサは、位置センサから位置信号を受信し、画像処理デバイスから画像信号を受信し、位置センサに対する画像処理デバイスの座標を較正するために、位置信号および画像信号を処理する。
【００１０】
本発明は、添付の図面とともに、以下に示す本発明の実施形態の詳細な説明からより完全に理解されるであろう。
【００１１】
〔実施形態の詳細な説明〕
図１は、本発明の実施形態に従った、患者の体内に挿入するためのカテーテル２２などの細長いプローブを含む超音波画像処理システム２０を例示する概略的な絵画図である。システム２０は、好適な信号処理回路およびユーザーインターフェイス回路を備えたコンピュータプロセッサを典型的に含む、コンソール２４を含む。このコンソールは、後述するように、カテーテル２２から信号を受信して、処理する。典型的に、このコンソールは、使用者がカテーテル２２の機能を観察して調節することができるようにするとともに、カテーテルを用いて形成される画像を表示する。カテーテル２２は典型的に、使用者がカテーテルの動作を制御するためのハンドル２６を含む。このハンドル、すなわちコンソール２４にカテーテルを結合するコネクタは、例えば、上記した米国特許第６，２６６，５５１号明細書に記載されているように、較正データを保存するための超小型回路も含むことができる。
【００１２】
カテーテル２２の遠位端部２８は、体内の超音波画像を作成するために用いられる、超音波画像処理デバイス３２を含む。遠位端部２８の拡大断面図が、図１の差込み図に示されている。超音波画像処理デバイス３２は通常、当技術分野で周知のように作動させられて、スキャニング超音波ビームの面内（ここでは、「ビーム面」または「画像面」と呼ぶ）に、二次元画像「扇（fan）」３８を作り出すフェーズドアレイ型トランスデューサ３４を含む。このトランスデューサ３４は、カテーテルの長さ方向軸（図面では、Ｚ軸として示されている）を含む。トランスデューサ３４は、ビーム面内の物体から反射された超音波を受信し、この反射波に応答して信号を出力する。通常は、コンソール２４によりこれらの信号が処理され、超音波画像を形成し、表示する。別法として、あるいはこれに加えて、超音波トランスデューサ３４は、ドップラー測定（Doppler measurements）などの他の診断目的または治療的使用に用いることもできる。
【００１３】
カテーテル２２の遠位端部２８は、体内のカテーテルの位置および向きを示す信号を生成する位置センサ３０をさらに含む。これらの位置信号に基づいて、コンソール２４が、画像処理デバイス３２によって取り込まれた各扇画像の位置および向きを決定する。したがって、コンソールは、扇画像に現れる物体の座標を決定することができ、かつ、異なったカテーテル位置で取り込まれた複数の画像を組み合わせることができる。
【００１４】
位置センサ３０は通常、固定された位置および向きの関係で画像処理デバイス３２に近接している。いくつかの実施形態では、位置センサは、患者の体外の磁界発生器によって生成される磁界に応答して信号を作成する１または複数のコイルを含む。これらの信号は、遠位端部２８の位置および向きの座標を決定するために、コンソール２４によって分析される。この種の磁界位置検知は、例えば、上記した米国特許第６，２６６，５５１号明細書に詳細に記載されている。超音波画像処理と磁界位置検知を組み合わせた他の例示的なシステムが、開示内容を参照して本明細書に組み入れる米国特許第６，６９０，９６３号明細書、同第６，７１６，１６６号明細書、および同第６，７７３，４０２号明細書に記載されている。
【００１５】
別法として、カテーテル２２は、当技術分野で周知の任意の他の好適な種類の位置センサを含むことができる。例えば、位置センサ３０は、ホール効果センサ（Hall Effect sensor）などの他の種類の磁界検知デバイスを含むこともできる。別法として、センサ３０は、体外の検知アンテナによって検出される磁界を発生させることもできる。さらなる別法として、位置センサ３０は、電気信号に対する身体のインピーダンスの測定によって、あるいは、超音波位置信号の送信または受信によって、作動することができる。本発明の原理は、医療用プローブに実施できる実質的に任意の位置検知技術に適用することができる。
【００１６】
図１に示されているように、カテーテル２２の構造における物理的な制限により、位置センサ３０および超音波画像デバイス３２は共に、カテーテルの遠位端部から、それぞれ所定の距離だけ離間して、カテーテル２２内に設置されている。（位置センサおよび画像処理デバイスのこの相対的配置は、例示として示されており、かつ、本発明の原理は、並列配列（side-by-side arrangements）を含めた、これらの要素の他の配列に対しても、同様に適用することができる。）扇３８の実際の位置および向きは、位置センサと超音波画像処理デバイスとの間の距離を考慮することによって計算される。カテーテル２２の製造工程における誤差のために、この距離は、通常はカテーテルによって異なるということが経験的に分かっている。さらに、位置センサの軸および画像処理デバイス３２における超音波トランスデューサアレイの軸は、Ｚ軸とは、あるいは互いに対して、正確には整合していない恐れがあるため、扇３８の向きの決定に別の誤差が生じる可能性がある。
【００１７】
整合誤差（alignment variation）の、これらおよび他の原因が、上記した米国特許出願公開第２００４／０２５４４５８（Ａ１）号明細書に、より詳細に記載されている。整合誤差が修正されないと、この整合誤差により、画像扇３８に現れる物体の位置座標の決定において、誤差が生じるであろう。これらの整合誤差を較正および修正するための、ある方法が、米国特許出願公開第２００４／０２５４４５８（Ａ１）号明細書に記載されており、他の方法が米国特許出願公開第２００７／０１０６１５６（Ａ１）号明細書に記載されている。これらの開示内容は、参照して本明細書に組み入れられる。較正のための、他の改善されたシステムおよび方法が、以下に記載されている。
【００１８】
次に図２〜図４を参照する。図２〜図４は、本発明の実施形態に従った、超音波画像処理カテーテルの較正のためのシステム４０を概略的に示している。図２は、絵画図であり、図３および図４は、それぞれ側面図および上面図である。システム４０は、ベース４２を具備し、ベース４２は、１組の磁界発生器４４および音響ターゲットアセンブリ４６に対する不動の機械的フレームワークとしての役割を果たす。様々な種類の磁界発生器が、これに関連して使用されてよい。この実施形態において、磁界発生器は、３対のヘルムホルツコイル４８，５０および５２を具備し、各対は、Ｘ，ＹおよびＺ軸のうちのひとつに沿って向きが定められている。
【００１９】
カテーテル２２は、画像処理デバイス３２がターゲットアセンブリ４６の方を向くように、磁界発生器４４の中心で好適なジグ５４の中に挿入される。ターゲットアセンブリは、運動機構５８の制御下において、画像処理デバイス３２の視野の範囲内でカテーテル２２に対して既知の軌道内で動くファントム５６を含む。様々な種類のファントムおよび機構が、ターゲットアセンブリにおいて使用されてよい。いくつかの特定の例が図５および図６において示されており、図５および図６を参照して以下に記載されている。
【００２０】
本発明の実施形態は、いくつかの従来の超音波カテーテル較正方法に存在するいくつかの問題点に対して取り組んでいる。例えば、多くの超音波較正ファントムにおいて使用されているワイヤは、超音波ビームの幅よりも狭く、その結果、超音波画像中のワイヤの観察を制限する画像の乱れを引き起こす。さらに、超音波ビームに対するファントムの勾配により、ワイヤがビームに交差する正確な位置を決定する際に不正確さを引き起こす恐れがある。他の方法は、電磁システムを用いてカテーテルの位置を測定している間に、超音波ビームによってスキャンされるより大きなファントムを使用する。この方法は、電磁システムの精度に頼っており、この精度は、通常はおよそ１ｍｍである。
【００２１】
本発明の実施形態において、位置センサ３０の位置の読み取りは、３対のヘルムホルツコイル４８、５０、５２によって発生した、勾配が較正された電磁場を使用して、典型的には０．１ｍｍの位置精度を有するヘルムホルツセルの中心の近くで行われる。（選択的には、センサの感度は、最初に一様の磁場において較正されることができる。）センサはコイルの中心の近くに置かれている。各対のコイルは、反対方向に流れる電流によって駆動させられ、それにより中心の電磁場はほぼ一定の勾配を有する。３対のヘルムホルツコイルは互いに対して直交するので、３つの電磁場は、３つの直交方向に勾配を有する。
【００２２】
カテーテル２２を較正する前に、ヘルムホルツ電磁場は、カテーテル位置センサを較正するために使用されるであろう機械的に精密なセンサを用いて、ボリューム中の既知の点において較正される。測定された位置は、所定の機械的原点（predefined mechanical origin）にあてはめ（refer）られ、この機械的原点は、ベース４２の基準座標系に固定されている。これらの測定から、ヘルムホルツ電磁場は、位置の関数として正確にマッピングされる。カテーテルセンサ３０は、次に較正されたボリュームに置かれると、センサの位置および向きは０．１ｍｍの精度まで計算され、これは通常、カテーテル２２の実際の動作において使用される電磁追跡システムの動作の精度よりもずっと優れている。この高精度は、ヘルムホルツチャンバ内に存在する高勾配のおかげである。
【００２３】
図５は、本発明の実施形態に従った、音響ターゲットアセンブリ４６の詳細を示す概略的な絵画図である。この実施形態において、運動機構５８はモーターを含み、このモーターは、結合部６６を介して一定の軌道内でファントム５６を動かすようにローター６４を駆動する。ファントム５６は、扇３８の画像面と交差する線６８および線７０を含む。線６８および線７０は、画像の座標系の推定の計算結果を向上させるために、平行ではない。一組の線に加えて、点源（point sources）７２がファントム上のいくつかの位置に置かれていてよい。これらの点源は、例えば、図示されているように、ファントムの線上の突起部の形態をとっていてよい。これらの突起部要素は、較正の精度を向上させ、特に、超音波ビーム面に対して垂直方向の超音波画像の低解像度によって非常に影響されるパラメータに対する較正の精度を向上させる。
【００２４】
較正の間、ファントム５６は、画像処理デバイス３２の前の正確な軌道内を、典型的には、トランスデューサアレイ３４の軸にほぼ平行である軸を有する円軌道内を、移動させられる。図５に示されているように、運動機構５８が組み立てられ、それにより、ターゲット中の線６８および線７０のそれぞれは、軌道を１周する間に、低勾配で超音波ビームをカットする。（言い換えると、それぞれの線は、常にその最初の向きに対して平行のままである。）多くの画像は、軌道内にあるファントムの異なる位置において、このようにして取り込まれる。選択的には、位置センサ（図示せず）はファントム５６に固定されていてよく、それにより、固定具ベースに対する各画像のファントムの電磁登録を可能にすることができる。超音波ビーム面を交差する線の位置は、画像から得られる。超音波座標系のすべての画像から得られる交差点は、ベース４２の固定された基準座標系における対応する座標に変換される。
【００２５】
固定された座標系における画像の原点（image origin）は、次の最小化式（minimization expression）を解くことによって定められる。
【数１】
2008188427.tif 000003
ここで、
2008188427.tif 000004
は、（所定の順序に配置された）各線の交差点の｛ｃｏｌ，ｒｏｗ｝測定値であり、
2008188427.tif 000005
は、面の原点（ｘ０，ｙ０，ｚ０）および向きの座標（ａｚ，ｅｌ，ｒｌ）の関数としての超音波面との線の交差の解析関数（analytical function）である。最小化問題（minimization problem）は、当技術分野において既知の任意の適切な数値法または解析法を用いることによって解決することができる。
【００２６】
上記された方法を用いて、画像処理デバイス３２の画像の原点と、位置センサ３０の電磁の原点の両方ともに、同一の固定された基準座標系において、高精度で６次元（six dimensions）（位置および向き）にて決定することができる。原点の相対座標を用いて、電磁センサ座標および超音波画像座標の間の較正変換を計算することができる。
【００２７】
本明細書に記載された技術は、ファントムの機械的に正確な運動を使用すること、および、超音波ビームの幅に対してほぼ不変である大きな面（large planes）から線を造ること、を含み、この技術は、超音波ビームとファントムとの間の交差点を決定する精度を向上させる。さらに、電磁較正を単一化されたシステム内で超音波ファントムに統合することは、精度が較正システムの機械的な精度にのみ依存している較正に対しての強固な基盤を提供する。この機械的精度（mechanical accuracy）は、電磁位置追跡および超音波画像測定の両方の精度よりも、通常は優れている。電磁センサを較正するためのヘルムホルツコイルの対の使用はまた、精度を向上させる。その理由としては、ヘルムホルツアセンブリの内部の大きな電磁勾配は、（単一または複数の磁界発生器を用いた）大部分の他の電磁追跡構造と比較して、電磁センサの位置および向きに関するより優れた推定を提供するからである。
【００２８】
ファントム５６の中の線６８および線７０は、ＵＬＳセンサの方を指している矢じり形を形成する二つの面内に配置されていてもよい。（すなわち、この二つの面は、超音波扇面に対して垂直である線に沿って交わる。）その結果、ビームは常に線から拡散的に後方反射しており、超音波画像の中にはっきりした矢じり形（arrowhead shape）を形成する。この矢じり形は、画像中に検出され、矢じり形の位置は、それを形成する二つの線の交差から計算される。
【００２９】
図６は、本発明の別の実施形態に従った、例えば、線６８および７０の代わりに使用することができる超音波ファントム８０の概略的な絵画図である。ファントム８０は、三角形の外形を有する細長い部品８２を含み、この細長い部品８２は、一種の矢じり形を画定している線で交わる二つの空間面を画定するような形状になっている。ファントムは、矢じり形が、画像処理デバイス３２の方向を指す状態で、線が扇３８の画像面に交差するように、ターゲットアセンブリ４６に典型的には位置されている。ファントム８０は、三角形の部品８２の平面の線形延長部である前縁部を有する横材８４（cross-piece 84）をさらに具備する。横材８４は、したがって、整合面を画定しており、この整合面は、三角形の部品８２の２つの空間面に対して垂直である。
【００３０】
図７Ａおよび７Ｂは、本発明の実施形態に従った、カテーテル２２の異なるそれぞれの整合において画像処理デバイス３２を用いて取り込まれたファントム８０の超音波画像８６および９０の概略的な図である。これらの画像は、カテーテル２２がどのようにファントム８０と正確な整合に至ることができたか、を示しており、それゆえに、扇３８は、横材８４の面と平行であり、かつ横材８４の面と合致している（したがって、部品８２の平面に対して垂直である）。画像８６では、部品８２の面からの超音波ビームの反射が、所与の長さの矢じり形８８を形成している。この画像中では、しかしながら、扇３８は横材８４と整合しておらず、したがって、横材は画像中に見られない。画像９０では、しかしながら、画像面は、横材８４によって画定される整合面と整合している。その結果、画像は、横材８４によって提供される部品８２の平面の線形延長部からの音波の反射によって、矢じり形８８に対して長さが増した矢じり形９２を含む。したがって、システム４０の操作員は、カテーテルがシステム中に適切に整合されたことを決定することができる。
【００３１】
追加として、または代替的に、カテーテルの整合は、ファントムの動きによって作られる仮想の三次元の剛体（virtual three-dimensional rigid body）に基づくことができる。この方法によって、扇３８の幅によって引き起こされる不鮮明さを克服する三角形外形のおかげで、改善された精度で自動的に登録を実行することができる。
【００３２】
上記した図面のファントムおよびターゲットアセンブリの形状および相対的配置は、例としてのみ示されており、幅広い種類の代替の形状および相対的配置が、本発明の範囲内で使用されてもよい。可能な変形は、以下のものを含む。
・ファントムの形状、大きさ、および向きは変更されてもよい。
・調和曲線（harmonic curves）などの曲線が、ファントムの線の代わりに使用されてよい。（例として、正弦曲線、円形形状、および他の種類の曲線を含む。）
・超音波画像から形状を得るために、異なるアルゴリズムが使用されてよい。
・各画像から交差点を得る代わりに、ファントムの応答のモデルに対する画像を、超音波パルスと調和させることによって、超音波画像を分析することができる。
・ファントムが動く機械的軌道は、円形である必要はなく、むしろ、計算を正確に行うために十分な情報が得られる任意の形状を有していてよい。
・カテーテルを保持するジグが動いている間、ファントムは静止した状態で保持されていてよい。その結果、較正手順の観点から、ファントムは依然としてプローブに対して既知の軌道を描いているように見えることが可能である。
【００３３】
次に、図８および図９を参照すると、これらの図は、本発明の別の実施形態に従った、超音波画像処理カテーテル２２の較正のためのシステム１００の要素を概略的に示した図である。図８は、タンク１０２の内側の超音波ファントム１０４を示した絵画図であり、他方で、図９はその側面図である。較正の間、タンク１０２は、典型的には、ファントム１０４の内側および外側の両方に、例えば水などの好適な流体で満たされているが、図中のファントムの詳細がはっきりと見えるように、流体は図８のファントムの内側から省略されている。
【００３４】
ファントム１０４は、容器、この場合は、箱を画定するような形状になっている壁面を含む。この箱の壁面は、異なる所定の位置に、複数の較正ターゲット１０６、１０８を含む。典型的には、図に示されているように、ターゲットは異なる壁面に設置されており、したがって、異なる面に向きが定められている。容器の内部空間は、カテーテルの異なる位置および向き内の異なるターゲットに対して画像処理デバイス３２を向けるために、カテーテル２２が容器内に挿入され、複数の位置および向きに移動させることができる程度に十分な形状および大きさを有している。例えば電磁コイルなどの１または複数の磁界発生器１１２を有する位置パッド１１０が、タンク１０２に隣接して置かれており、ファントム１０４の近くに既知の空間的特徴の電磁エネルギー場を発生させるためにコイルが駆動される。この図に示されている磁界発生器の配列は、典型的には、上記されたようないわゆる勾配が較正された磁場（gradient-calibrated field）を発生させないであろうけれども、本発明の実施形態において、実質的に任意の好適な磁界の幾何学的配列を使用してもよい。
【００３５】
プローブがファントム１０４の内部空間にある間、プロセッサ２４は、電磁場に応答して位置センサ３０から位置信号を受信し、ファントムからの音波の反射による画像処理デバイス３２からの画像信号を受信する。システム１００の操作員は、各画像をフリーズさせ、画像中に現れるターゲットの位置にしるしを付け、それがどのターゲットであるかを識別する。各画像に対して、磁気位置検知システムは、カテーテル先端の位置および向きの座標を決定する。プロセッサ２４（または別個の較正プロセッサ）によって、しるしが付いた画像（annotated images）およびそれに対応している座標が使用されることによって、位置センサに対するカテーテルの超音波トランスデューサアレイの線状のずれおよび角度のずれを較正することができる。位置センサ３０に対する画像処理デバイス３２の座標を較正するために、プロセッサ２４は位置信号および画像信号を処理する。
【００３６】
詳細な較正手順は、以下のようにして実行されることができる。
１．（例えば、上記した米国特許出願公開第２００４／０２５４４５８号明細書に記載されているように、）専用のジグの中の位置センサ３０に対するカテーテル２２の先端のずれを較正する。
２．カテーテルをチューブに挿入し、カテーテル軸からの位置センサのずれを推定するために、位置座標を取得しながらカテーテルを回転させる。
３．カテーテルを較正容器に挿入し、カテーテルをプロセッサ２４に接続し、それによりプロセッサが、位置座標および超音波画像信号の両方を受信するようにする。
４．上記に説明されたように、異なるターゲットの画像を取り込むことによって、データ点を取得する。画像が取り込まれた際に位置センサを用いて測定されたように、各データ点は、画像のひとつに対応しており、かつ、各データ点は、（操作員によってしるしを付けられた、あるいはプロセッサによって自動的に決定された）画像中のターゲットの位置と、ターゲットの実際の既知の空間的座標と、カテーテルの位置座標と、を含む。
５．一組のデータ点を用いて、較正変換マトリックスを計算する。較正が有効であることを確認するために、マトリックスの推定誤差を計算することができる。
【００３７】
例えばファントム１０４などの三次元の複数ターゲットファントムの使用によって、カテーテルがジグの中に拘束される必要なく（上記のステップ１は除く）、迅速で便利な較正を行うことができる。図８および図９は、ある特定のファントムの相対的配置を示しているが、ターゲットの任意の好適な三次元の配列を同様に使用することができる。例えば、ファントムの壁面は異なる形状の容器を画定するように配列されていてもよく、あるいは、壁面は、その壁面が画定する内部空間を部分的にのみ取り囲むことができる。
【００３８】
したがって、上記した実施形態は単なる例であり、本発明は、上記に具体的に図示し、記載された形態に限定されるものではないことを理解されたい。むしろ、本発明の範囲は、上記した様々な特徴の組合せおよび部分的な組合せの両方、ならびに、従来技術に開示されていないが上記の記載を読んだ時に当業者が想到するであろう、上記した実施形態の変更および改良も含む。
【００３９】
〔実施の態様〕
（１）磁気位置センサおよび音響画像処理デバイスを含むプローブを較正するための装置において、
不動の機械的フレームワークと、
前記フレームワークに固定された１または複数の磁界発生器であって、既知の空間的特徴の磁界を発生させるために作動する、磁界発生器と、
音響ターゲットアセンブリであって、前記フレームワークに対して既知の空間的関係にあり、運動機構に結合されているファントムを含んでおり、前記運動機構は、前記ファントムを前記フレームワークに対して既知の軌道内で動かすように構成されている、超音波ターゲットアセンブリと、
前記フレームワークに固定されたジグであって、前記画像処理デバイスが前記ファントムを画像化するのに好適な向きで、前記１または複数の磁界発生器の前記磁界内に前記プローブを保持するための、ジグと、
プロセッサであって、前記プローブが前記ジグの中にある間、前記磁界に応答して（responsively）前記位置センサから位置信号を受信し、前記ファントムからの音波の反射に応答して前記画像処理デバイスからの画像信号を受信するように結合されており、かつ、前記位置センサに対する前記画像処理デバイスの座標を較正するために、前記位置信号および前記画像信号を処理するように結合されている、プロセッサと、
を具備する、装置。
（２）実施態様１に記載の装置において、
前記画像処理デバイスは、画像面を有する２次元の画像を取り込む（capture）ように構成されており、
前記ファントムは、前記プローブが前記好適な向きで前記ジグの中に保持されている時に、前記画像面と交差する線で交わる二つの空間面を画定するような形状および位置付けになっている、装置。
（３）実施態様２に記載の装置において、
前記ファントムは、二つの平面を含み、
前記二つの平面は、前記二つの空間面をそれぞれ画定し、かつ、前記平面からの前記音波の前記反射が、前記画像処理デバイスによって取り込まれた前記画像中に、所与の長さを有する矢じり形を形成するように配列されており、
前記ファントムは、前記二つの空間面に対して垂直である整合面を画定する前記平面の線形延長部をさらに含み、それにより、前記画像面が前記整合面と整合している時に、前記線形延長部からの前記音波の前記反射によって、前記矢じり形の前記長さが増す、装置。
（４）実施態様１に記載の装置において、
前記画像処理デバイスは、画像面を有する２次元の画像を取り込むように構成されており、
前記ファントムは、前記プローブが前記好適な向きで前記ジグの中に保持されている時に、前記画像面と交差する少なくとも二つの平行でない線を含む、装置。
（５）実施態様４に記載の装置において、
前記ファントムは、前記線上に１または複数の点源を含む、装置。
（６）実施態様１に記載の装置において、
前記音響ターゲットアセンブリは、前記フレームワークに固定されている、装置。
（７）実施態様１に記載の装置において、
前記ターゲットアセンブリに固定された追加の位置センサ、
をさらに含み、
前記追加の位置センサは、前記磁界に応答して追加の位置信号を発生させ、
前記プロセッサは、前記音響ターゲットアセンブリと前記フレームワークとの間の前記空間的関係を決定するために、前記追加の位置信号を処理するために作動する、装置。
（８）実施態様１に記載の装置において、
前記１または複数の磁界発生器は、３対のヘルムホルツコイルを具備し、
各対は、他の対と直交し、
前記コイルは、勾配が較正された電磁場を発生させるために駆動させられる、装置。
【００４０】
（９）位置センサおよび音響画像処理デバイスを含むプローブを較正するための装置において、
超音波ファントムであって、
前記超音波ファントムは、壁面を含み、
前記壁面は、内部空間が、前記プローブをこの内部空間の中に挿入させて複数の位置および向きでこの内部空間内を移動させることができる程度に十分な形状および大きさに定められるような形状になっており、
これら壁面は、異なるそれぞれの位置で複数の較正ターゲットを含む、
超音波ファントムと、
１または複数の磁界発生器であって、前記ファントムの近くに既知の空間的特徴のエネルギー場を発生させるために作動する、１または複数の磁界発生器と、
プロセッサであって、前記プローブが前記内部空間にある間、前記エネルギー場に応答して前記位置センサから位置信号を受信し、前記ファントムからの音波の反射に応答して前記画像処理デバイスから画像信号を受信するように、かつ、前記位置センサに対する前記画像処理デバイスの座標を較正するために、前記位置信号および前記画像信号を処理するように、結合されている、プロセッサと、
を含む、装置。
（１０）実施態様９に記載の装置において、
前記較正ターゲットは、２またはそれ以上の異なる面内で向きが定められている、装置。
（１１）実施態様９に記載の装置において、
前記エネルギー場は、電磁場を含む、装置。
【００４１】
（１２）磁気位置センサおよび音響画像処理デバイスを含むプローブを較正するための方法において、
既知の空間的特徴の磁界を発生させるために、不動の機械的フレームワークに固定されている、１または複数の磁界発生器を作動させることと、
前記フレームワークに対して既知の空間的関係にある音響ターゲットアセンブリの中のファントムを提供することと、
前記画像処理デバイスが前記ファントムを画像化するのに好適な向きで、前記１または複数の磁界発生器の前記磁界内にあるジグの中に前記プローブを保持することと、
前記ファントムが前記プローブに対して既知の軌道を描くように、前記ファントムおよび前記ジグの少なくともひとつを動かすことと、
前記プローブが前記ジグの中にある間、前記磁界に応答して前記位置センサから位置信号を受信し、前記ファントムからの音波の反射に応答して前記画像処理デバイスから画像信号を受信することと、
前記位置センサに対する前記画像処理デバイスの座標を較正するために、前記位置信号および前記画像信号を処理することと、
を含む、方法。
（１３）実施態様１２に記載の方法において、
前記画像処理デバイスは、画像面を有する２次元の画像を取り込むように構成されており、
前記ファントムは、前記プローブが前記好適な向きで前記ジグの中に保持されている時に、前記画像面を交差する線で交わる二つの空間面を画定するような形状および位置付けになっている、方法。
（１４）実施態様１３に記載の方法において、
前記ファントムは、二つの平面を有し、
前記二つの平面は、前記二つの空間面をそれぞれ画定し、かつ、前記平面からの前記音波の前記反射が、前記画像処理デバイスによって取り込まれた前記画像中に、所与の長さを有する矢じり形を形成するように構成されており、
前記ファントムは、前記二つの空間面に対して垂直である整合面を画定する前記平面の線形延長部をさらに含み、それにより、前記画像面が前記整合面と整合している時に、前記線形延長部からの前記音波の前記反射によって、前記矢じり形の前記長さが増す、方法。
（１５）実施態様１２に記載の方法において、
前記画像処理デバイスは、画像面を有する２次元の画像を取り込むように構成されており、
前記ファントムは、前記プローブが前記好適な向きで前記ジグの中に保持されている時に、前記画像面を交差する少なくとも二つの平行でない線を含む、方法。
（１６）実施態様１５に記載の方法において、
前記ファントムは、前記線上に１または複数の点源を含む、方法。
（１７）実施態様１２に記載の方法において、
前記音響ターゲットアセンブリは、前記フレームワークに固定されている、方法。
（１８）実施態様１２に記載の方法において、
追加の位置センサが、前記ターゲットアセンブリに固定されており、かつ、前記磁界に応答して追加の位置信号を発生させ、
前記位置信号および前記画像信号を処理することは、前記音響ターゲットアセンブリと前記フレームワークとの間の前記空間的関係を決定するために、前記追加の位置信号を処理することを含む、方法。
（１９）実施態様１２に記載の方法において、
前記１または複数の磁界発生器は、３対のヘルムホルツコイルを具備し、
各対は、他の対と直交し、
前記１または複数の磁界発生器を作動させることは、勾配が較正された電磁場を発生させるために前記コイルを駆動させることを含む、方法。
【００４２】
（２０）位置センサおよび音響画像処理デバイスを含むプローブを較正するための方法において、
前記プローブを超音波ファントムの内部空間に挿入することであって、
前記超音波ファントムは、前記内部空間を画定するような形状になっている壁面を含み、
これら壁面は、異なるそれぞれの位置で複数の較正ターゲットを含む、
挿入することと、
前記プローブを、複数の位置および向きで前記内部空間内を移動させることと、
前記ファントムの近くに既知の空間的特徴のエネルギー場を発生させることと、
前記プローブが内部空間内の前記複数の位置および向きにある間、前記エネルギー場に応答して前記位置センサから位置信号を受信し、前記ファントムからの音波の反射に応答して前記画像処理デバイスから画像信号を受信することと、
前記位置センサに対する前記画像処理デバイスの座標を較正するために、前記位置信号および前記画像信号を処理することと、
を含む、方法。
（２１）実施態様２０に記載の方法において、
前記較正ターゲットは、２またはそれ以上の異なる面内で向きが定められている、方法。
（２２）実施態様２０に記載の方法において、
前記エネルギー場は、電磁場を含む、方法。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に従った、超音波画像処理のためのカテーテルに基づくシステムの概略的な絵画図である。
【図２】本発明の実施形態に従った、超音波画像処理カテーテルの較正のためのシステムの概略的な絵画図である。
【図３】図２のシステムの概略的な側面図である。
【図４】図２のシステムの概略的な上面図である。
【図５】本発明の実施形態に従った、音響ターゲットアセンブリの概略的な絵画図である。
【図６】本発明の実施形態に従った、超音波ファントムの概略的な絵画図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態に従った、異なるそれぞれの整合においてプローブを用いて取り込まれた、図６のファントムの超音波画像の概略的な図である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態に従った、異なるそれぞれの対応する整合においてプローブを用いて取り込まれた、図６のファントムの超音波画像の概略的な図である。
【図８】本発明の実施形態に従った、較正タンクの内部の超音波ファントムの概略的な絵画図である。
【図９】本発明の実施形態に従った、超音波画像処理カテーテルの較正のためのシステムの概略的な側面図である。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
2008188427.tif 000014
【図９】
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【外国語明細書】
2008188427000001.pdf