(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端付近に超音波を発生する超音波発生手段を備え、被検体内に挿入されるカテーテル又は細径プローブと、
前記被検体に対して超音波を送受波する複数の超音波振動子を二次元的に配列してなる超音波プローブと、
前記超音波プローブが超音波画像生成用の超音波送波を行うように駆動信号を発生する第１の送信駆動手段と、
前記超音波発生手段が位置検出用超音波送波を複数回行うように駆動信号を発生する第２の送信駆動手段と、
前記超音波画像生成用の超音波送波と前記位置検出用超音波送波とが異なるタイミングで交互に実行されるように、前記第１の送信駆動手段及び前記第２の送信駆動手段を制御する制御手段と、
前記複数の位置検出用超音波に基づく超音波受信信号を加算し、当該加算後の受信信号に基づいて前記カテーテル又は細径プローブの位置情報を求める位置演算手段と、
前記超音波画像生成用の超音波送波に対応する超音波受信信号に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段と、
前記位置情報に基づいて、前記超音波画像と共に前記カテーテル又は細径プローブの位置を表示する表示手段と、
を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
前記演算手段は、三箇所の異なる超音波振動子で受信された超音波受信信号を用い、その三箇所の超音波受信信号における最大振幅位置又は重心位置の時間差に基づいて、前記位置情報を求めることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
【請求項３】
前記演算手段は、超音波振動子で受信された超音波受信信号の中から所定の間隔以上離れた異なる三箇所の超音波受信信号を選択して、その超音波受信信号に基づいて前記位置情報を求めることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
【請求項４】
超音波診断装置で受信された超音波受信信号を用いて、最大振幅に対応する位置の時間的変化を求める手段と、
前記最大振幅に対応する位置の時間的変化を用いたフィッティング処理により、所定の関数を求める手段と、をさらに備え、
前記演算手段は、前記関数に基づいて前記位置情報を求めること、
を特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
【請求項５】
前記超音波プローブは、
前記被検体内の三次元領域に対して超音波を送受波するものであり、
表示する超音波画像の断層位置を変更するための入力手段を有すること、
を特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の超音波診断装置。
【請求項６】
前記超音波プローブは、
前記被検体内の三次元領域に対して超音波を送受波するものであり、
カテーテル又は細径プローブの位置の表示・非表示を切り換えるための入力手段を有すること、
を特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の超音波診断装置。
【請求項７】
先端付近に超音波を発生する超音波発生手段を備え、被検体内に挿入されるカテーテル又は細径プローブと、
前記被検体に対して超音波を送受波する複数の超音波振動子を二次元的に配列してなる超音波プローブと、
前記超音波プローブが超音波画像生成用の超音波送波を行うように駆動信号を発生する第１の送信駆動手段と、
前記超音波発生手段が位置検出用超音波送波を複数回行うように駆動信号を発生する第２の送信駆動手段と、
前記超音波画像生成用の超音波送波と前記位置検出用超音波送波とが異なるタイミングで交互に実行されるように、前記第１の送信駆動手段及び前記第２の送信駆動手段を制御する制御手段と、
前記超音波振動子から出力される超音波受信信号に所定の走査線に沿ってフォーカスする遅延加算を行うことにより超音波受信信号を形成するものであって、前記位置検出用の超音波送波に伴って前記走査線の方向が変わるように遅延特性が変わる遅延加算手段と、
前記遅延加算された超音波受信信号に基づいて、前記カテーテル又は細径プローブの方向及び深さの位置情報を求める位置演算手段と、
前記超音波画像生成用の超音波送波に対応する超音波受信信号に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段と、
前記位置情報と前記超音波画像に基づいて、前記超音波画像上で前記カテーテル又は細径プローブの位置を示す情報を含む表示画像を生成する表示画像生成手段と、
を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項８】
先端付近に超音波を発生する超音波発生手段を備え、被検体内に挿入されるカテーテル又は細径プローブと、
前記被検体に対して超音波を送受波する複数の超音波振動子を二次元的に配列してなる超音波プローブと、
前記超音波プローブが超音波画像生成用の超音波送波を行うように駆動信号を発生する第１の送信駆動手段と、
前記超音波発生手段が位置検出用超音波送波を複数回行うように駆動信号を発生する第２の送信駆動手段と、
前記超音波画像生成用の超音波送波と前記位置検出用超音波送波とが異なるタイミングで交互に実行されるように、前記第１の送信駆動手段及び前記第２の送信駆動手段を制御する制御手段と、
前記位置検出用超音波に対応する超音波受信信号に基づいて、前記カテーテル又は細径プローブの位置情報を求める位置演算手段と、
前記超音波画像生成用の超音波に対応する超音波受信信号に基づいて、超音波画像を生成する画像生成手段と、
前記位置情報に基づいて、前記超音波画像の断層位置を変える断層位置変更手段と、
を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項９】
前記断層位置変更手段は、前記カテーテル又は細径プローブの位置から所定の距離離れた位置に断層位置を変更するものであることを特徴とする請求項８記載の超音波診断装置。
【請求項１０】
前記断層位置変更手段は、前記カテーテル又は細径プローブの位置を含む第１の断層の超音波画像と、
前記カテーテル又は細径プローブの位置を含み、且つ、前記第１の断層とは異なる第２の断層の超音波画像を表示するものであることを特徴とする請求項８記載の超音波診断装置。
【請求項１１】
前記断層位置変更手段は、過去の前記位置情報と現在の前記位置情報に基づいて、過去の位置と現在の位置の間で順次断層位置が変わるように断層位置の変更を行うものであることを特徴とする請求項８記載の超音波診断装置。
【請求項１２】
先端付近に超音波を発生する超音波発生手段を備え、被検体内に挿入されるカテーテル又は細径プローブと、
前記被検体に対して超音波を送受波する複数の超音波振動子を二次元的に配列してなる超音波プローブと、
前記超音波プローブが超音波画像生成用の超音波送波を行うように駆動信号を発生する第１の送信駆動手段と、
前記超音波発生手段が位置検出用超音波送波を複数回行うように駆動信号を発生する第２の送信駆動手段と、
前記複数の位置検出用超音波に基づく超音波受信信号を加算し、当該加算後の受信信号に基づいて前記カテーテル又は細径プローブの位置情報を求める位置演算手段と、
前記超音波画像生成用の超音波送波と前記位置検出用超音波送波とが異なるタイミングで交互に実行されるように、前記第１の送信駆動手段及び前記第２の送信駆動手段を制御する制御手段と、
前記超音波画像生成用の超音波送波に対応する超音波受信信号に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段と、
前記位置情報に基づいて、前記超音波画像と共に前記カテーテル又は細径プローブの位置を自動的に表示する表示手段と、
を具備することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項１３】
前記制御手段は、前記第１の送信駆動手段による１ボリューム分以上の駆動信号発生に対して、前記第２の送信駆動手段による駆動信号発生が少なくとも一回実行されるようにタイミングを制御し、
前記カテーテル又は細径プローブの位置はリアルタイムで自動的に更新されて前記超音波画像と共に表示されること、
を特徴とする請求項１２記載の超音波診断装置。
【請求項１４】
前記超音波発生手段が発生する超音波の繰り返し周期は、任意に設定可能であることを特徴とする請求項１２記載の超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、血管や胆管などの管腔にカテーテル、細径プローブ等の挿入手段を挿入し、診断や治療を行う際のモニタリング技術に係わり、特に体外用３次元超音波診断装置を用いたカテーテルや細径プローブ等の位置を検出可能な超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、患者の血管および胆管等の管腔内に直接カテーテルや細径プローブを挿入し、病変や狭窄、管壁への浸潤度を診断し、術式計画や術後の治療効果判定を行ったり、ＴＡＥ（経カテーテル動脈塞栓術）やＰＴＣＡ（経皮的冠動脈拡張術）、ＰＴＣＲ（経皮的冠動脈内血栓溶解術）等の治療が試みられている。このため、術者はカテーテルや細径プローブの侵入位置（特に、先端位置）を把握し、先端部が診断部位あるいは治療部位に到達することを確認する必要がある。
【０００３】
従来、このカテーテルや細径プローブの先端位置の把握法として、Ｘ線透視装置を用いて体内のカテーテルや細径プローブ侵入部位を撮影し、術者はモニタに映し出されたＸ線画像を見ながら、カテーテルや細径プローブの先端位置をモニタリングしている。しかし、Ｘ線透視によるモニタリングでは、患者はもちろんのこと、術者も過剰なＸ線被爆を受けるので、人体に悪影響を及ぼすという問題がある。
【０００４】
このため、Ｘ線透視装置に代わり、超音波診断装置を用いてカテーテルや細径プローブの先端位置を確認する方法が提案されている。その方法の一つとして、カテーテルや細径プローブの先端にトランスジューサを設置し、体外用プローブから送信された超音波ビームを受信することで位置情報を得るものがある。この方法は、例えば特開平４−１２９５４３等で提案されている。
【０００５】
一方、従来の二次元超音波診断装置は、一般的に一次元アレイ超音波トランスジューサから超音波ビームを送信することで一つの面内を走査し、断層画像を再構成、表示するシステムとなっている。近年、このシステムによって、超音波プローブから超音波ビームを被検体内へ三次元的に照射して診断画像を収集し、３次元情報を得る試みが盛んに行われており、超音波診断装置における三次元画像の表示は新たな可能性を期待されている。具体的には、例えば、腹部用のコンベックスプローブやリニアアレイプローブを手動または機械的に移動させたり、電子セクタプローブを回転させる機構を持った経食道用マルチプレーンプローブを用いる等によって研究が進められている。
【０００６】
しかしながら、従来の二次元超音波診断装置は、一般的に一次元アレイ超音波トランスジューサから超音波ビームを送信することで一つの面内を走査し、断層画像を再構成、表示するシステムとなっている。従って、上述した第１の方法、すなわちコンベックスプローブやリニアアレイプローブを手動させる手法、電子セクタプローブを回転させる手法によれば、３次元情報を得ること自体に従来の断層像走査に比べてかなりの時間を要するため、心臓などの動きの早い対象の場合は動きの情報が捉えられない。また、動きが心臓ほど速くない腹部にしてもプローブの固定が十分に一定でない場合は、画像が大きく歪むという問題がある。
【０００７】
従って、仮に従来の２次元超音波診断装置を用いて、カテーテルあるいは超音波プローブの先端に体外用プローブ超音波による通信を行い位置を検出する目的で超音波トランスジューサを設置したとしても、３次元的な血管や管腔の走行を１画面上に表示することは困難である。従来の２次元超音波診断装置は、主に１次元アレイ超音波トランスジューサの走査面内の断層像を表示するものであるため、術者の人為的作業によって血管や管腔の走行が表示された一断層像を探り当てる必要があるからである。
【０００８】
また、カテーテルや細径プローブの先端の位置が常に走査面内に収まるよう維持し続けなければならず、被験者の呼吸や心拍などによって動きやプローブの固定位置のずれによって走査面からはずれた場合、あらためて走査面内を探さなければならず、検査や治療の時間に影響を与えるという問題点がある。
【０００９】
そこで２次元のフェイズドアレイ超音波トランスデューサを有し、超音波ビームを立体的に走査できる機能を持つ超音波プローブを備え、３次元のボリューム像を当該フレームで走査し、表示できる３次元超音波診断装置の開発が研究途上にある。この様な三次元超音波診断装置を利用して、被検体内に挿入されるカテーテル等に設置された超音波トランスジューサの位置を検出する技術も、例えば特開平１０−２７７０４０に開示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したこれらの超音波診断装置においては、フレームレートを上げるために、１回の送信ビームを太くし、受信時に前記送信ビームが含む複数のラスタ（例えば２方向や４方向）の信号を受信する並列同時受信方式が用いられている。従って、カテーテルあるいは細径プローブの先端の位置検出用超音波トランスジューサで受信し位置検出を行う場合、ラスタ方向すなわち方位方向への位置精度は、送信ビームの広がりと感度の低下という両面から悪くなる傾向にある。ましてや、近年研究途上にあるリアルタイムに３次元空間を走査し、表示する超音波診断装置においては、表示レートを十分に確保するために、並列同時受信数を例えば１６方向と更に増大、すなわち送信ビームを太くする必要があり、検出位置精度は益々低下するという問題がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記を解決するためになされたもので、カテーテルや細径プローブの位置をモニタリングする際、術者に操作上の負担を軽減し、自動的に精度良く位置検出が可能で、モニタリングをする上で効果的な表示法を具備した３次元超音波診断装置を提供することにある。
【００１２】
請求項１に記載の発明は、先端付近に超音波を発生する超音波発生手段を備え、被検体内に挿入されるカテーテル又は細径プローブと、前記被検体に対して超音波を送受波する複数の超音波振動子を二次元的に配列してなる超音波プローブと、前記超音波プローブが超音波画像生成用の超音波送波を行うように駆動信号を発生する第１の送信駆動手段と、
前記超音波発生手段が位置検出用超音波送波を複数回行うように駆動信号を発生する第２の送信駆動手段と、前記超音波画像生成用の超音波送波と前記位置検出用超音波送波とが異なるタイミングで交互に実行されるように、前記第１の送信駆動手段及び前記第２の送信駆動手段を制御する制御手段と、前記複数の位置検出用超音波に基づく超音波受信信号を加算し、当該加算後の受信信号に基づいて前記カテーテル又は細径プローブの位置情報を求める位置演算手段と、前記超音波画像生成用の超音波送波に対応する超音波受信信号に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段と、前記位置情報に基づいて、前記超音波画像と共に前記カテーテル又は細径プローブの位置を表示する表示手段と、を備えたことを特徴とする超音波診断装置である。
請求項７に記載の発明は、先端付近に超音波を発生する超音波発生手段を備え、被検体内に挿入されるカテーテル又は細径プローブと、前記被検体に対して超音波を送受波する複数の超音波振動子を二次元的に配列してなる超音波プローブと、前記超音波プローブが超音波画像生成用の超音波送波を行うように駆動信号を発生する第１の送信駆動手段と、前記超音波発生手段が位置検出用超音波送波を複数回行うように駆動信号を発生する第２の送信駆動手段と、前記超音波画像生成用の超音波送波と前記位置検出用超音波送波とが異なるタイミングで交互に実行されるように、前記第１の送信駆動手段及び前記第２の送信駆動手段を制御する制御手段と、前記超音波振動子から出力される超音波受信信号に所定の走査線に沿ってフォーカスする遅延加算を行うことにより超音波受信信号を形成するものであって、前記位置検出用の超音波送波に伴って前記走査線の方向が変わるように遅延特性が変わる遅延加算手段と、前記遅延加算された超音波受信信号に基づいて、前記カテーテル又は細径プローブの方向及び深さの位置情報を求める位置演算手段と、前記超音波画像生成用の超音波送波に対応する超音波受信信号に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段と、前記位置情報と前記超音波画像に基づいて、前記超音波画像上で前記カテーテル又は細径プローブの位置を識別可能に構成した表示画像を生成する表示画像生成手段と、を備えたことを特徴とする超音波診断装置である。
請求項８に記載の発明は、先端付近に超音波を発生する超音波発生手段を備え、被検体内に挿入されるカテーテル又は細径プローブと、前記被検体に対して超音波を送受波する複数の超音波振動子を二次元的に配列してなる超音波プローブと、前記超音波プローブが超音波画像生成用の超音波送波を行うように駆動信号を発生する第１の送信駆動手段と、前記超音波発生手段が位置検出用超音波送波を複数回行うように駆動信号を発生する第２の送信駆動手段と、前記超音波画像生成用の超音波送波と前記位置検出用超音波送波とが異なるタイミングで交互に実行されるように、前記第１の送信駆動手段及び前記第２の送信駆動手段を制御する制御手段と、前記位置検出用超音波に対応する超音波受信信号に基づいて、前記カテーテル又は細径プローブの位置情報を求める位置演算手段と、前記超音波画像生成用の超音波に対応する超音波受信信号に基づいて、超音波画像を生成する画像生成手段と、前記位置情報に基づいて、前記超音波画像の断層位置を変える断層位置変更手段と、を備えたことを特徴とする超音波診断装置である。
請求項１２に記載の発明は、先端付近に超音波を発生する超音波発生手段を備え、被検体内に挿入されるカテーテル又は細径プローブと、前記被検体に対して超音波を送受波する複数の超音波振動子を二次元的に配列してなる超音波プローブと、前記超音波プローブが超音波画像生成用の超音波送波を行うように駆動信号を発生する第１の送信駆動手段と、前記超音波発生手段が位置検出用超音波送波を複数回行うように駆動信号を発生する第２の送信駆動手段と、前記複数の位置検出用超音波に基づく超音波受信信号を加算し、当該加算後の受信信号に基づいて前記カテーテル又は細径プローブの位置情報を求める位置演算手段と、前記超音波画像生成用の超音波送波と前記位置検出用超音波送波とが異なるタイミングで交互に実行されるように、前記第１の送信駆動手段及び前記第２の送信駆動手段を制御する制御手段と、前記超音波画像生成用の超音波送波に対応する超音波受信信号に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段と、前記位置情報に基づいて、前記超音波画像と共に前記カテーテル又は細径プローブの位置を自動的に表示する表示手段と、を具備することを特徴とする超音波診断装置である。
【００２７】
本発明に係る実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成用件における適宜な組み合わせにより種々の発明が摘出され得る。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態〜第３実施形態を図面に従って説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００２９】
まず、本発明に係る超音波診断装置１０のブロック構成を、図１をもとに説明する。
【００３０】
図１は、本発明に係る超音波診断装置１０のブロック構成図を示している。
【００３１】
本超音波診断装置１０は、３次元超音波診断装置と、カテーテル（または細径プローブ）およびカテーテル先端に搭載された位置検出用超音波トランスジューサ駆動ユニットとに大きく分けることができる。以下、３次元超音波診断装置、位置検出用超音波トランスジューサ駆動ユニットの順に説明する。
【００３２】
３次元超音波診断装置は、被験者との間で超音波信号の送受信を担う２次元アレイ超音波プローブ２１と、この超音波プローブを駆動しかつ超音波プローブ２１の受信信号を処理する装置本体２０と、この装置本体に接続されかつオペレータからの指示情報を装置本体に入力可能な操作パネル４０を具備する。
【００３３】
２次元アレイ超音波プローブ２１は、超音波振動子をマトリックス状に配列した超音波探触子である。この２次元アレイ超音波プローブ２１によって、断層面に垂直なスライス方向のダイナミックフォーカス、三次元領域の走査が可能である。
【００３４】
装置本体２０は、超音波送信部２２、超音波受信部２３、ＲＦメモリ部２４、位置検出部２５、レシーバ部２６、グレイスケールモード用３次元像再構成部２７、ドプラユニット２８、ドプラ用３次元像再構成部２９、イメージメモリ部３０、メモリ合成部３１、制御回路３２、表示部３３を具備する。
【００３５】
超音波送信部２２は、パルス発生器２２１、遅延回路２２２およびパルサ２２３からなり、パルス状の超音波を生成して走査を行うためのものである。２次元アレイプローブ２１においては、遅延回路２２２の遅延制御により、空間の任意方向のエコー信号を得るためのフォーカス点制御に加えて、断層像と垂直方向の音場制御を行うことで１次元アレイプローブに比べてより焦点を絞ったエコー信号が得られる。
【００３６】
プローブ２１からチャンネル毎に出力されるエコー信号は、超音波受信部２３に取り込まれる。ここでエコー信号は、チャンネル毎にプリアンプ２３１で増幅され、受信遅延回路２３２により受信指向性を決定するのに必要な遅延時間を与えられ、加算器２３３で加算され（整相加算）、アナログデジタルコンバータ（Ａ／Ｄコンバータ）を介して出力される。この加算により受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調される。この送信指向性と受信指向性とにより送受信の総合的な超音波ビームが形成される。
【００３７】
超音波受信部２３の出力データは、ＲＦメモリ部２４に記録保持される。
【００３８】
そして、通常のプローブ２１の送受信による被写体内の解剖学的あるいは機能的な情報に関するデータに関しては、ＲＦメモリ部２４からレシーバ部２６またはドプラユニット２８に送られる。
【００３９】
グレイスケールモード用のデータは、レシーバ部２６に送られる。レシーバ部２６は図示しないが対数増幅器、包絡線検波回路、エコーフィルタから構成され、レシーバ部２６の出力は、イメージメモリ部３０に送られる。
【００４０】
グレイスケール用３次元像再構成部２７では、前記イメージメモリ部３０に記録された３次元データをもとに、表示に必要なデータを再配列して、任意断像を切り出したり、任意の視点から所望の２次元写像法を用いて２次元平面にマッピングした後、ビデオフォーマットのラスタ信号列に変換し、イメージメモリ部３０およびメモリ合成部３１に送る。イメージメモリ部３０では前記再配列されたデータを記憶保持し、メモリ合成部３１は画像と設定パラメータ等の情報を並べる、あるいは重ねるなどしてビデオ信号として表示部３３に出力する。以上、このようにして被写体の３次元組織形状を表す３次元グレイスケールモード像が表示される。
【００４１】
カラードプラ法においては、ドプラユニット２８にてドプラ信号を検波し、速度あるいはパワあるいは分散等の３次元情報が計算される。計算された３次元情報はグレイスケールモード同様イメージメモリ部３０に記録保持され、ドプラ用３次元像再構成部２９にて任意画面の切り出し、あるいは所望の２次元写像法を用いて２次元平面にマッピングした後、イメージメモリ部３０およびメモリ合成部３１に送られる。メモリ合成部３１において３次元グレイスケールモード像に重畳した形式で表示する。
【００４２】
イメージメモリ部３０は前記の３次元データの他に、３次元像再構成部の信号（３次元像再構成によりマッピングされた２次元信号列、ビデオフォーマットのラスタ信号列、いずれか一方または両者）を記録保持する機能も有す。また、前述したようにイメージメモリ部３０はグレイスケールモードおよびカラードプラの３次元情報を記録保持する。これらの記録情報は、例えば診断後に操作者が呼び出して利用することが可能となっており、その場合、３次元像再構成部２７、２９、メモリ合成部３１を経由して表示部３３に出力される。
【００４３】
位置検出部２５、制御回路３２は、本発明に係る超音波診断装置において特徴的な構成要素である。
【００４４】
位置検出部２５は、位置検出用超音波トランスジューサ５２からパルスが送信かつ同期してプローブ２１が受信した場合のみ、前記ＲＦメモリ部２４の位置情報用データをもとに最大振幅位置あるいは重心位置を求め、得られた位置情報を制御回路３２へ出力する。
【００４５】
制御回路３２は、各ブロック制御のための信号を送信している。また、位置検出部２５からの位置に関する情報を用いて、後段の３次元像再構成部２７、２９やメモリ合成部３１を制御し、表示に関する実施例に示すように画像構成や位置のマーキング処理を実行させる。
【００４６】
なお、位置検出部２５が実行する位置検出、制御回路３２が実行する送受信制御シーケンスについては、図２、図３、図４を用いて後で詳しく説明する。
【００４７】
操作パネル４０には、トラックボール４２、キーボード４３、フットスイッチ４４などが接続あるいは設置されて成る。これらは、従来の診断では装置条件の設定、関心領域（ＲＯＩ）の設定を行うものであるが、同様に本発明の諸処の設定条件を変えるためにも使用される。
【００４８】
次に、位置検出用超音波トランスジューサ駆動ユニット５０について説明する。
【００４９】
位置検出用超音波トランスジューサ駆動ユニット５０は、３次元超音波診断装置と電気的に接続され、３次元超音波診断装置からの制御信号をもとに、同期してカテーテル５１先端に搭載された位置検出用超音波トランスジューサ５２を駆動し、超音波の送信を行う。
【００５０】
（位置情報検出処理）
次に、上記構成を有する超音波診断装置が実行する、カテーテル５１の位置情報の検出処理について説明する。当該位置検出処理は、従来の方式と異なり、受信した位置検出用超音波信号を遅延加算によりフォーカスした後の情報に基づいて位置情報を求めることをその特徴としている。以下に述べる位置検出処理によれば、従来と比してＳ／Ｎ比を向上させることができ、精度の高い画像情報を提供できるのである。
【００５１】
制御回路３２は、前記カテーテル５１先端に搭載した位置検出用トランスジューサ５２と、体外用２次元アレイプローブ２１とに対して、お互いに干渉しあわないように送受信制御する。すなわち、制御回路３２は、送信については、一方が送信している場合、もう一方は送信を止める。一方、制御回路３２は、受信については、体外用２次元アレイプローブ２１が常に行うように制御する。
【００５２】
より具体的には、次の様である。すなわち、制御回路３２は、位置検出用トランスジューサ５２で送信する場合、位置情報に関するデータを体外用２次元アレイプローブ２１で受信する。この時プローブ２１は送信を停止する。また、体外用２次元アレイプローブ２１で送信する場合、生体内からの反射エコー、すなわち生体内情報の画像構成に関するデータをプローブ２１で受信する。この時、位置検出用トランスジューサ５２は送信を停止する。
【００５３】
これらの送受信制御シーケンスにより回路構成や信号処理手順は変化する。図２、図３を参照して、送受信制御の処理シーケンスに関して説明する。
【００５４】
図２（ａ）は、第１の処理シーケンス例を説明する為の図であり、各ボリュームの始まりを示すボリューム初期信号、生体内の情報を得るための超音波パルスを送信するための体外用２次元アレイプローブ２１の送信トリガ、位置検出用超音波パルスを送信するための位置検出用トランスジューサ５２の送信トリガ、及び位置検出処理に関するタイミングチャートを示している。
【００５５】
また、図３は、図２（ａ）中の期間Ａ、Ｂのそれぞれに対応した送受信状態Ａ（二次元アレイプローブ２１のみによる体内モニタリング用超音波の１ボリューム分の走査を示す状態）、送受信状態Ｂ（位置検出用トランスデューサ５２からの位置検出用超音波送信、二次元アレイプローブ２１による位置検出用超音波受信を示す状態）を説明するための図である。なお、体内モニタリング用超音波走査と位置検出用超音波走査とによる一ボリューム走査期間をＣとすると、Ｃ＝Ａ＋Ｂである。
【００５６】
図２（ａ）に示した第１の処理シーケンスは、１ボリューム走査（期間Ｃ）のうち、１レートあるいは数レートのみ位置検出用の送受信を行い、他のレートは通常の画像構成用の送受信を行う例である。２次元アレイプローブ２１の各ｃｈに収集された画像構成用のデータは、前述したように、超音波受信部２３で信号増幅、遅延、加算処理を受け、ＲＦメモリ部２４で記憶され、収集データのモードに応じてレシーバ部２６またはドプラユニット２８で処理を受ける。その後、グレースケールモード用３次元像再構成部２７あるいはドプラ用３次元像再構成部２９へ送られる。
【００５７】
一方、位置検出用受信データは、図２（ａ）に示した期間Ｂにおいて、超音波受信部２３を通り、ＲＦメモリ部２４に記憶される。このとき、位置検出用受信データは、超音波受信部２３にて遅延処理を受けず、加算処理はＳ／Ｎ向上の用途で数レートの送受信があったときに行われるように制御される。超音波受信部２３にて遅延処理が行われないのは、走査のリアルタイム性を損なわないように、位置検出部２５で並列に処理するためである。そして、ＲＦメモリ部２４に記憶された位置検出用データは、位置検出部２５に読み出される。
【００５８】
次に、送受信制御の処理シーケンスの他の例について説明する。
【００５９】
図２（ｂ）は、第２の処理シーケンス例を説明する為の図である。第２の処理シーケンスは、数ボリュームもしくは１ボリュームの通常走査の後、１ボリュームを使って位置検出用の送受信を行う例である。
【００６０】
すなわち、超音波受信部２３を流用し、ＲＦメモリ部２４に記憶されたデータを用いて、位置検出部２５にて最大振幅位置検出を行う。これを交互または数ボリュームおきに行う。この第２の処理シーケンスの利点は、超音波受信部２３が流用できるため、位置検出部における演算処理が少ないこと、およびＳ／Ｎの点で有利であるということである。
【００６１】
なお、第２の処理シーケンスでは、位置検出のため１ボリューム分の走査を行わなければならないため、ボリュームレートか低下することが考えられる。この場合の対処法として、位置検出用信号は通過パスが通常の走査時の半分であることを利用し、位置検出用信号受信時にパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）を２倍に切り換える。すなわちボリューム間でＰＲＦ切り換える機能を設ける。これにより、ボリュームレート低下の程度を抑えることが可能となる。例えば、１ボリューム交互で通常走査、位置検出用走査を行った場合、同ＰＲＦではボリュームレートが１／２に低下するが、ＰＲＦ切り換えが可能ならば２／３の低下で済む。
【００６２】
また、上記第１、第２の処理シーケンスの実施例に対し、最大振幅位置検出に代えて、重心位置を求めても良い。
【００６３】
次に、上記位置検出処理を実現する位置検出部２５の回路構成例を説明する。
【００６４】
図４（ａ）は、位置検出部２５の第１の回路構成例を示している。
【００６５】
図４（ａ）に示すように、位置検出部２５は、位置検出のための演算を行う演算部２５１及び検出結果を随時記憶保持するためのメモリ２５２で構成されている。読み出された位置検出用データは、演算器２５１において、受信遅延演算、加算、振幅演算、振幅比較の処理を受け、最大振幅位置すなわちカテーテル先端の位置が随時検出される。振幅比較で選択される最大振幅位置は、比較の都度メモリ２５２で更新され、最終的に検出された位置情報は制御回路３２に送られる。検出位置情報は制御回路３２から３次元像再構成部２７および２９に送られ、検出位置に時間的に対応する画像構成用のデータを用いて、例えば検出位置を含む断面を切り出すのに用いられる。また、同時に位置情報はメモリ合成部３１に送られ、３次元像再構成部２７または２９で作成された画像上にカテーテル先端位置を示すマーカを付けるために用いられる。なお、マーカ表示ＯＮ／ＯＦＦは各外部入力装置４１〜４３等の入力信号により制御される。
【００６６】
また、位置検出部２５が行う位置検出処理は、演算による負荷を減らす目的で、前述したような全ｃｈのデータを用いずに、数ｃｈの位置検出用データのみを用いても良い。その場合、対象とする各ｃｈの位置検出用データのみがＲＦメモリ部２４から読み出され、演算器２５１において、最大振幅位置検出が行われる。各ｃｈにおける最大振幅位置はメモリ２５２に記憶され、これらの値をもとに、あらためて演算器２５１にて３点測量による位置検出や、最小二乗法を用いた２次曲面フィッティングによる極値の検出のための演算が行われ、最終的な検出位置情報が制御回路３２に出力される。この検出処理は、ボリュームレートの低下を伴わないという利点がある。最大振幅位置検出に十分なＳ／Ｎを確保できた場合、１レートまたは数レートのみの送受信で済むからである。従って、比較的少ない情報から位置検出を行うことができるので、回路構成を簡略化することができる。また、フィッティングを行うことにより、ノイズによる各点の位置のばらつきの影響を小さくすることができる。
【００６７】
なお、本発明に係る装置においては、最低異なる３箇所の超音波振動子で受信された受信信号が存在すれば、位置検出処理を行うことが可能である。
【００６８】
また、上記位置検出処理において、受信した複数の位置検出用の超音波信号の中から適した３箇所の超音波受信信号を選択し、当該選択された３箇所の信号の到達時間差に基づいた３点測量により位置検出を行っても良い。この３箇所の選択方法として、例えば、所定間隔以上離れた異なる３箇所の超音波振動子で受信された受信信号を選択する方法が考えられる。この方法では３点の信号から位置情報を求めるので、回路構成を簡略化することができる。
【００６９】
位置検出装置２５は、さらに位置精度を向上させるために、図４（ｂ）に示す構成とすることも可能である。
【００７０】
図４（ｂ）は、位置検出部２５の第２の回路構成例を示している。
【００７１】
図４（ｂ）に示すように、位置検出装置２５は、前記最大振幅位置検出はサンプリングされたラスタ位置と深さ位置を与えるものであるので、位置精度を向上させるために位置検出部２５に補間回路２５３を設けても良い。この場合、前記演算器２５１で検出された最大検出位置に対するラスタ及び深さデータに対し、前後の少なくとも１つ以上のデータが必要となる。そこで、それらのデータは演算器２５１で検出された位置情報をもとに、ＲＦメモリ部２４から補間回路２５３に読み出される。読み出されたデータをもとに補間処理が行われ、補間されたデータはメモリ２５２に記憶される。メモリ２５２に記憶された補間データは、あらためて演算器２５１に読み出され、最大振幅位置検出のための処理を受け、最終的な検出位置情報が制御回路３２に出力される。但し、通常深さ方向には十分細かくサンプリングされているので、特に補間を行う必要がないが、例えばセクタプローブのような深部で走査線密度が低くなる場合には走査線方向について補間を実施する。本補間処理は、図４（ａ）の位置検出部２５に同様に適用しても良い。
【００７２】
なお、位置検出用信号を受信する場合、受信フォーカスのための遅延時間は、通常の体外用プローブで行っている遅延時間の２倍に相当するので（通過パスが片道分になるため）、遅延時間の切り替え制御が必要である。
【００７３】
（位置検出情報表示）
続いて、検出位置情報に関する表示について、二つの表示法を例として説明を行う。
【００７４】
図５は、第１の表示方法を説明するための図である。
【００７５】
図５に示すように、第１の表示法は、グレイスケール像を主とした表示である。すなわち、検出されたカテーテル先端位置を追従及びマーカで表示し、常に先端位置を含む断層像を自動的に更新表示するものである。
【００７６】
例えばセクタプローブであれば、その２次元アレイトランスジューサの配置位置の中央点とカテーテル先端位置の２点を含む断層像を表示する。これは前述したように、位置検出部２５にて検出された位置情報に基づき、制御回路３２から３次元像再構成部２７又は２９に送られた制御信号により実行される。但し、断層像内にカテーテル先端位置が含まれてはいるが、カテーテルが挿入された血管や胆管などの管腔は三次元構造を有するので、必ずしも操作者が所望している断層像であるとは限らない。従って、例えば、前記２点を結ぶ直線を回転軸として、外部入力装置であるトラックボール４１等を用いて断層面を任意に変更し、表示する機能を有することが好ましい。なお、回転軸を決める２点のうち１点は検出位置であるが、もう１点は任意に設定可能であり、トラックボール４１等の外部入力装置により必要に応じて決めることが可能である。
【００７７】
また、断層像の方向を決めるための外部入力装置については、操作者が容易にかつ速やかに扱えるように、例えばプローブ本体に搭載しても良い。
【００７８】
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、断層像の方向を決めるための外部入力装置を搭載したプローブ２１の例を示している。すなわち、図６（ａ）は、トラックボールとマーカ表示ＯＮ／ＯＦＦ用スイッチ、図６（ｂ）は、ジョイスティックとマーカ表示ＯＮ／ＯＦＦ用スイッチとを、プローブ内部に組み込んで搭載した例を示している。また、図６（ｃ）は、アタッチメントとしてトラックボールとマーカ表示ＯＮ／ＯＦＦ用スイッチとを搭載した例を示している。
【００７９】
なお、上記いずれの例においても、赤外線等を用いた従来の通信技術により、コードレス化しても良い。また、入力装置の型は本例に示したトラックボール等に限定されず、所望の入力が可能な形態であれば良い。また、プローブ２１と一体化する必要はなく、リモートコントローラーの形態をとり、片手でプローブ２１を操作し、もう一方の手でリモートコントローラーを外部入力装置として操作しても良い。装置上の操作パネルにわざわざ向き変えることなく、手元で必要な最小限の操作を行うことができれば、スムーズに診断を行うことが可能となる。例えは、片手で操作できるリモートコントローラは、フットスイッチ４３よりも複雑な操作が可能で、慣れてくればブラインドタッチで扱うことが出来るようになる。
【００８０】
また、前述したような断層面を決めるための任意の一点を外部入力装置により、マニュアルで操作して決定するのではなく、次のようにして過去のカテーテル又は細径プローブの検出位置を利用して断層面を自動的に装置に決定させることも可能である。
【００８１】
新たに更新された検出位置情報と少なくとも過去の一つ以上の検出位置情報を用いて、管腔の走行方向を直線或いは曲線として推定し、その直線或いは曲線の接線を含み、例えば二次元アレイトランスデューサの配置方向の中央点を通るような断面を決めれば、管腔の縦断面を自動的に表示することが可能である。最も単純な例は、単に一つ過去の位置情報或いは幾つか離れた過去の検出位置情報と更新された検出位置情報とを使って、直線を決めることである。なお、カテーテル或いは細径プローブが位置検出される間に動きを生じなかった場合は、直線や曲線がうまく決まらないのが、ある閾値以下移動の場合はエラー処理としてその前に表示した断面を表示することで回避することができる。
【００８２】
また、検出されたカテーテル５１または細径プローブの先端位置を表示するマーカは、位置検出部２５で得られた情報をもとに、制御回路３２からメモリ合成部３１を制御することで付加されることを前提とする。しかし、ＶＲ表示を利用してマーカ位置に奥行き感を出すために、３次元像再構成部７及び９でマーカを付ける処理をしても構わない。前記マーカはある一定の色相、輝度、サイズで表示することをベースとするが、異なる色相あるいは輝度で、点灯あるいは点滅、または色相変化あるいは輝度変化、またはサイズ変化あるいは形状変化、またはそれらの組み合わせにより作成される等のバリエイションを持たせても良い。加えて前述したように、マーカ表示は外分入力装置４１〜４３あるいは操作パネル４０あるいは前述したプローブ２１本体に搭載・装着された外部入力装置あるいはリモートコントローラーにより、表示ＯＮ／ＯＦＦの切り替えが成される。
【００８３】
更に、本断層像をそのまま表示するモード以外に、走査ボリュームの内、どの断層像を表示しているのかを同時に示すために、図７（ａ）に示す走査ボリューム領域を示すワイヤーフレームに断層像をはめ込み合成表示する。さらにワイヤーフレーム部分に、解剖学的な情報を付加するために図７（ｂ）に示すように走査表面の画像を張り付けて表示したり、ボリュームレンダリングに貼り付けて３次元表示する形態をとっても良い。
【００８４】
別表示として図７（ｃ）および（ｄ）に示すように、カテーテル先端位置を含む２断面表示あるいはプローブ１のトランスジューサアレイ面に平行なＣモード面を用いた２断面表示、あるいは図７（ｅ）に示すような３断面表示を行っても良い。但し、ここで重要なポイントは、前記表示が単なる２断面（Ｃモード面も含む）、３断面表示ではなく、必ずそれらの面内にカテーテルの先端位置が含まれ、カテーテルの移動に伴い自動的に追尾して表示されるという特長を有していることである。
【００８５】
また、前記数断面の同時表示に加えて、位置ガイドとしての３次元表示画像（図７の例）と、前記断層像（図５の例）の２画面表示機能を有す。この場合、主として３次元表示画像はカテーテル５１先端位置を示す断層像が解剖学的にどの位置にあるのかを理解することを目的として、一方断層像は診断を目的として利用する。この場合、後者の断層像には診断の目的のため高解像度が要求されるが。前者の三次元表示画像には、目的により必ずしも高解像度が要求されるとは限らない。そこで、画像処理演算の負荷低減、表示レート向上のために、位置ガイド用の３次元表示画像は処理するボクセルデータ数を減らし、解像度を犠牲にして演算量を減らしても良い。また、同目的で位置ガイド用の３次元表示画像側の更新回数を下げたり（更新しないで前の状態で画像を続けて表示する、つまり３次元表示用に画像を作成するのは数ボリュームに１回とする）、あるいは表示した３次元表示画像はフリーズ画像とし単にカテーテル５１先端位置を示すマーカを更新するだけでも良い。但し、操作者の要求に応じ、フリーズ画像は更新可能である機能を有す（更新スイッチが押された場合、例えば、その次のボリューム走査時に３次元表示用の画像作成を行う）。逆に、表示レートを下げても、カテーテル５１位置を詳細に知りたい要求にも応えられるように、３次元表示画像の解像度優先モード、表示レート優先モード、中庸モードなどのモード切替スイッチを備え付ける。これにより、操作者が目的に応じて容易に使い分けることが可能となる。
【００８６】
なお、上記断層像表示はグレイスケールに限らず、ドプラ像を表示しても良い。
【００８７】
次に、第２の表示法について図８を参照して説明する。
【００８８】
第２の表示法は図８に示すように、カラードプラや造影剤を用いたハーモニック像等により、カテーテル挿入の対象となる血管または体腔等の管腔の３次元像を構築することを主とした表示法であり、構築した管腔の３次元像上にカテーテル位置をマーカで合成表示するものである。背景にあたる部分として、グレイスケール像を組み合わせて表示する。この場合、グレイスケール像は固定面を表示しても良いし、検出されたカテーテルに等距離だけ離れて追従する機能を有してもよい。また、グレイスケール像表示は、ＯＮ／ＯＦＦ機能を有しており、第１の表示法で示したような外部入力装置により制御される。また、これらの表示画像は任意方向への回転が可能である。
【００８９】
従って、本実施形態で述べた超音波診断装置によれば、従来の装置と比較して、以下の実益がある。
【００９０】
（１）従来の２次元超音波診断装置を用いて、カテーテルあるいは超音波プローブの先端に体外用プローブ超音波による通信を行い位置を検出する目的で超音波トランスジューサを設置したとしても、術者の人為的作業によって血管や管腔の走行が表示された一断層像を探り当てる必要があるため、３次元的な血管や管腔の走行を１画面上に表示することは困難であった。さらに、被験者の呼吸や心拍などによって動きやプローブの固定位置のずれによって走査面からはずれた場合、カテーテルや細径プローブの先端の位置が常に走査面内に収まるよう、人為的作業によって維持し続けなければならないため、あらためて走査面内を探さなければならず、検査や治療の時間に影響を与えてしまっていた。
【００９１】
これに対し、本実施形態で述べた超音波診断装置によれば、カテーテル等の位置は自動的に検出され、三次元画像としての血管や胆管などの管腔とともに自動的に表示される。従って、人為的作業によって断層像を探り当てる必要がなく、自動的に精度良く位置検出が可能で、モニタリングをする上で効果的な画像を表示することができる。あわせて、術者の作業負担も軽減することができる。
【００９２】
（２）従来の超音波診断装置においては、フレームレートを上げるために、１回の送信ビームを太くし、受信時に前記送信ビームが含む複数のラスタ（例えば２方向や４方向）の信号を受信する並列同時受信方式が用いられている。従って、カテーテルあるいは細径プローブの先端の位置検出用超音波トランスジューサで受信し位置検出を行う場合、ラスタ方向すなわち方位方向への位置精度は、送信ビームの広がりと感度の低下という両面から悪くなる傾向にある。さらに、リアルタイムに３次元空間を走査し、表示する超音波診断装置においては、表示レートを十分に確保するために、並列同時受信数を例えば１６方向と更に増大、すなわち送信ビームを太くする必要があり、検出位置精度は益々低下するという問題がある。
【００９３】
これに対し、本実施形態で述べた超音波診断装置によれば、位置検出用トランスデューサと体外用二次元アレイプローブとは、一方が送信している場合他方は送信を止め、受信は体外用二次元アレイプローブが常に行う構成となっている。従って、超音波ビームの広がりや干渉を発生せず、自動的に精度良く位置検出が可能で、モニタリングをする上で効果的な画像を表示することができる。
【００９４】
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変形例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【００９５】
【発明の効果】
以上本発明によれば、カテーテルや細径プローブの位置をモニタリングする際、術者に操作上の負担を軽減し、自動的に精度良く位置検出が可能で、モニタリングをする上で効果的な表示法を具備した３次元超音波診断装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る超音波診断装置のブロック構成図を示している。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は、カテーテルの位置情報検出処理に関するシーケンス例を示している。
【図３】図３は、図２（ａ）中の期間Ａ、Ｂのそれぞれに対応した送受信状態Ａ、送受信状態Ｂを示した図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、位置検出処理を実行する位置検出部２５の回路構成例を示した図である。
【図５】図５は、位置検出情報に関する表示方法を説明するための図である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、断層像の方向を決定するための外部入力装置を搭載したプローブ例を示している。
【図７】図７は、位置検出情報に関する表示方法を説明するための図である。
【図８】図８は、位置検出情報に関する他の表示方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１０…超音波診断装置
２０…装置本体
２１…二次元アレイプローブ
２２…超音波送信部
２３…超音波受信部
２４…ＲＦメモリ部
２５…位置検出部
２６…レシーバ部
２７…グレイスケール三次元像再構成部
２８…ドプラユニット
２９…ドプラ三次元像再構成部
３０…イメージメモリ部
３１…メモリ合成部
３２…制御回路
３３…表示部
４０…操作パネル
４１…トラックボール
４２…キーボード
４３…フットスイッチ
５０…位置検出用超音波トランスデューサ駆動ユニット
５１…カテーテル
５２…位置検出用超音波トランスデューサ
２２１、５０１…パルス発生器
２２３、５０２…パルサ
２２２…送信遅延回路
２３１…プリアンプ
２３２…受信遅延回路
２３３、２５１…加算器
２５２…メモリ
２５３…補間器
【図１】
0004476430.tif 000002
【図２】
0004476430.tif 000003
【図３】
0004476430.tif 000004
【図４】
0004476430.tif 000005
【図５】
0004476430.tif 000006
【図６】
0004476430.tif 000007
【図７】
0004476430.tif 000008
【図８】
0004476430.tif 000009