(57)【要約】  超音波システムは、超音波プローブ３１、歪センサ３３及びワークステーション２０を採用する。超音波プローブ３１は、解剖学的領域の超音波画像４０を取得する超音波トランスデューサを含む。歪センサ３３は、超音波プローブ３１上に配置され、前記超音波トランスデューサが前記解剖学的領域の超音波画像４０を取得するときに超音波プローブ３１に対して前記解剖学的領域により加えられる縦歪を測定する。歪センサ３３は、超音波プローブ３１の長手軸を取り囲み、超音波プローブ３１の前記長手軸に対して前記超音波トランスデューサから離間される。ワークステーション２０は、前記超音波トランスデューサにより取得された超音波画像４０から超音波体積４１を再構成し、歪センサ３３により測定された前記縦歪に応答して、前記超音波トランスデューサが前記解剖学的領域の超音波画像４０を取得するときに超音波プローブ３１に対して前記解剖学的領域により加えられる軸力及び／又は折り曲げ力を決定する。
2016512782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
解剖学的領域の画像を取得する超音波トランスデューサを含む超音波プローブと、
前記超音波プローブ上に配置され、前記超音波トランスデューサが前記解剖学的領域の超音波画像を取得するときに前記超音波プローブに対して前記解剖学的領域により加えられる縦歪を測定する歪センサであって、前記歪センサが、前記超音波プローブの長手軸を取り囲み、前記超音波プローブの前記長手軸に対して前記超音波トランスデューサから離間される、前記歪センサと、
を有する医療器具。
【請求項２】
前記歪センサが、前記超音波プローブ上に配置された少なくとも１つの歪ゲージを含む、請求項１に記載の医療器具。
【請求項３】
前記歪センサが、前記超音波プローブ上にグリッドパターンで配置された複数の歪ゲージを含む、請求項１に記載の医療器具。
【請求項４】
前記複数の歪ゲージが、前記グリッドパターン内で等間隔である、請求項３に記載の医療器具。
【請求項５】
前記歪センサが、前記超音波プローブの近位端に隣接して配置され、前記超音波トランスデューサが、前記超音波プローブの遠位端に配置される、請求項１に記載の医療器具。
【請求項６】
前記歪センサにより測定された前記縦歪は、前記超音波トランスデューサが前記解剖学的領域の超音波画像を取得するときに前記超音波プローブに対して前記解剖学的領域により加えられる軸力及び折り曲げ力の少なくとも一方の決定を容易化する、請求項１に記載の医療器具。
【請求項７】
解剖学的領域の画像を取得する超音波トランスデューサを含む超音波プローブと、
前記超音波プローブ上に配置され、前記超音波トランスデューサが前記解剖学的領域の超音波画像を取得するときに前記超音波プローブに対して前記解剖学的領域により加えられる縦歪を測定する歪センサであって、前記歪センサが、前記超音波プローブの長手軸を取り囲み、前記超音波プローブの前記長手軸に対して前記超音波トランスデューサから離間される、前記歪センサと、
前記超音波トランスデューサにより取得される前記超音波画像から超音波体積を再構成するように動作可能なワークステーションであって、前記歪センサにより測定される前記縦歪に応答して、前記ワークステーションは、前記超音波トランスデューサが前記解剖学的領域の超音波画像を取得するときに前記超音波プローブに対して前記解剖学的領域により加えられる軸力及び折り曲げ力の少なくとも一方を決定するように動作可能である、前記ワークステーションと、
を有する超音波システム。
【請求項８】
前記歪センサが、前記超音波プローブ上に配置された少なくとも１つの歪ゲージを含む、請求項７に記載の超音波システム。
【請求項９】
前記歪センサが、前記超音波プローブ上にグリッドパターンで配置される複数の歪ゲージを含む、請求項８に記載の超音波システム。
【請求項１０】
前記複数の歪ゲージが、前記グリッドパターン内で等間隔である、請求項９に記載の超音波システム。
【請求項１１】
前記歪センサが、前記超音波プローブの近位端に隣接して配置され、前記超音波トランスデューサが、前記超音波プローブの遠位端に配置される、請求項７に記載の超音波システム。
【請求項１２】
前記軸力が、前記超音波プローブの弾性モジュール及び前記超音波プローブの断面積の少なくとも一方の関数であり、請求項７に記載の超音波システム。
【請求項１３】
前記折り曲げ力が、前記超音波プローブの弾性モジュール、前記超音波プローブの外径、前記超音波プローブの面積のモーメント及び前記超音波プローブの遠位先端からの前記歪センサの中心の距離の少なくとも１つの機能である、請求項７に記載の超音波システム。
【請求項１４】
前記ワークステーションが、前記ワークステーションにより決定される前記軸力及び前記折り曲げ力の少なくとも一方を表す視覚的表現を表示するように動作可能である、請求項７に記載の超音波システム。
【請求項１５】
前記ワークステーションが、前記折り曲げ力と前記歪センサの測定軸との間の角度を決定するように動作可能である、請求項１４に記載の超音波システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは、医療処置、特に前立腺生検及び小線源治療処置、に対するフリーハンド超音波撮像に関する。本発明は、特に、解剖学的対象、特に前立腺まで超音波プローブによって加えられる一貫した力の監視及び制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１を参照すると、超音波ガイド生検及び治療処置（例えば、前立腺生検及び小線源治療）の大部分の間、関心生体構造からの全体的なスイープは、前記生体構造の三次元（３Ｄ）体積４１を再構成するように取得される。特に、超音波撮像は、典型的には、２次元（２Ｄ）超音波トランスデューサ（図示されない）を持つ超音波プローブ３１に取り付けられたハンドル３２を介してフリーハンドスタイルで実行される。電磁又は光学位置センサ（図示されない）は、超音波プローブ３１に取り付けられ、２Ｄ  Ｂスキャン４０のセットは、電磁又は光学トラッカ系２８の基準座標系における相対的な座標に沿って取得される。２Ｄ画像４０のセットは、視覚化、ガイダンス及び分析のために規則的な３Ｄ体積４１に再構成される。
【０００３】
フリーハンド撮像中に、オペレータは、所望の画像面を見つけるように超音波プローブ３１の位置及び向きを調整しながら患者１０の皮膚の表面又は内部組織に対して超音波プローブ３１を押し付ける。このプロセス中に、超音波プローブ３１と患者１０の皮膚又は組織との間の接触力は、下部の組織を変形させる。例えば、前立腺の経直腸的超音波（ＴＲＵＳ）撮像において、超音波プローブ３１は、直腸壁に対して押し付けられ、これは、前立腺において大きな変形を引き起こす。変形の量は、加えられる力の量及び組織組成と相関関係を持つ。
【０００４】
再構成された画像体積４１は、例えば、生体構造セグメンテーション２５及びマルチモダリティ画像結合及び位置合わせ２６のような、異なる応用に対して使用されうる。しかしながら、フリーハンド超音波プローブ３１からの体積再構成２４は、前記超音波プローブの圧力により誘発されるアーチファクトを起こしやすい。特に、超音波プローブ３１の２Ｄ超音波トランスデューサは、取得された画像においてシャドウイングアーチファクトを引き起こす空隙を防ぐように関心体積の表面と密接に接触することを要求される。３Ｄスイープ中に、スキャンされる組織は、可変量の力にさらされ、各取得された２Ｄ画像４０は、異なるプローブ圧力の下で組織から取得される。したがって、前記オペレータにより画像取得中に前記組織に加えられる圧力の量は、フリーハンドスタイルデータ取得２３中に取得された画像４０の品質に劇的に影響を与えうる。結果として、線形スライス運動及び非線形組織変形は、３Ｄ体積４１に対する気を散らす画像アーチファクトを蓄積及び生成する。
【０００５】
更に、可変接触力により引き起こされる組織幾何構成の変化は、超音波画像４０が再現するのが難しい理由である。前記撮像が、患者１０の同じ領域に対して実行される場合でさえ、組織変形の量は、確実に、前記力（プローブ圧力）及び／又は組織の生物力学特性の変化によって異なる。
【０００６】
体積再構成２４におけるこのような変形及び歪の影響は、例えば、前立腺セグメンテーションのような、自動画像セグメンテーション２５に関連してかなり劇的である。更に、画像セグメンテーションのエラーは、位置合わせ２６（例えば、磁気共鳴撮像から超音波画像）のエラーになり、結果的に、生検及び小線源治療の精度に影響を与える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、患者１０の関心生体構造まで超音波プローブ３１によって加えられる一貫した力の監視及び制御に対する力／トルク管理２７を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一形式は、超音波プローブ及び歪センサを採用する医療器具である。前記超音波プローブは、解剖学的領域の超音波画像を取得する超音波トランスデューサを含む。前記歪センサは、前記超音波トランスデューサが前記解剖学的領域の画像を取得するときに前記超音波プローブに対して前記解剖学的領域により加えられる縦歪（longitudinal strain）を測定するように前記超音波プローブ上に配置される。前記歪センサは、前記超音波プローブの縦軸を取り囲み、前記超音波プローブの縦軸に対して前記超音波トランスデューサから離間される。
【０００９】
本発明の第２の形式は、前述の医療器具と、前記超音波トランスデューサにより取得された前記超音波画像から超音波体積を再構成し、前記歪センサにより測定された前記縦歪に応答して、前記超音波トランスデューサが前記解剖学的領域の超音波画像を取得するときに前記超音波プローブに対して前記解剖学的領域により加えられる軸力及び／又は折り曲げ力を決定するように動作するワークステーションとを採用する超音波システムである。
【００１０】
本発明の前述の形式及び他の形式並びに本発明の様々なフィーチャ及び利点は、添付の図面と併せて読まれる本発明の様々な実施例の以下の詳細な説明から更に明らかになる。前記詳細な説明及び図面は、本発明を限定するのではなく、単に例示し、本発明の範囲は、添付の請求項及び同等物により規定される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による超音波システムの典型的な実施例を示す。
【図２Ａ】本発明による超音波プローブの典型的な実施例を示す。
【図２Ｂ】図２に示される超音波プローブの断面図を示す。
【図３Ａ】図２Ａに示される超音波プローブによる解剖学的対象のスキャン中に生成される典型的な力を示す。
【図３Ｂ】図３Ａに示される超音波プローブの断面図を示す。
【図４】本発明によるスキャン方法の典型的な実施例を表すフローチャートを示す。
【図５】本発明による較正方法の典型的な実施例を表すフローチャートを示す。
【図６Ａ】本発明による典型的な較正グラフを示す。
【図６Ｂ】本発明による典型的な較正グラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１を参照すると、超音波システムは、コンピュータ２１、モニタ２２及び入力装置（図示されない）、ソフトウェア／ファームウェアモジュール２３−２７のバンドル及び基準トラッカ２８を持つワークステーション２０を採用する。本発明の目的に対して、コンピュータ２１は、医療処置（例えば、前立腺生検及び小線源治療処置）をサポートするように２Ｄ超音波画像４０を処理するハードウェア／回路（例えば、プロセッサ、メモリ等）を用いて構成されたいかなるコンピュータ構造としてもここに広く規定される。このために、モジュール２３−２７は、前記医療処置のサポートにおいて様々な機能性を提供するようにコンピュータ２１上でプログラム及びインストールされる。
【００１３】
第一に、画像取得モジュール２３は、超音波プローブ３１から２Ｄ超音波画像４０のデータセットを受信及び記憶する既知の方法を含み、２Ｄ超音波画像４０の各記憶は、超音波プローブ３１に取り付けられた１以上のセンサ／マーカによるトラッカ２８（例えば、電磁又は光学）の基準座標系内の当該画像の位置を含む。
【００１４】
第二に、体積再構成モジュール２４は、２Ｄ超音波画像４０の相対的な位置から３Ｄ体積４１を生成する既知の方法を含む。
【００１５】
第三に、画像セグメンテーションモジュール２５は、再構成の前に２Ｄ超音波画像４０を区分化する又は３Ｄ体積４１のより容易な分析をサポートするように視覚的特性（例えば、グレイレベル、テクスチャ又は色）によって３Ｄ体積４１をばらばらのセグメントに区分化する既知の方法を含む。
【００１６】
第四に、画像位置合わせモジュール２６は、２Ｄ超音波画像４０のデータセット及び他の撮像モダリティ（例えば、磁気共鳴撮像又はコンピュータ断層撮影）のデータセットを１つの座標系に変換する既知の方法を含む。
【００１７】
第五に、歪測定モジュール２７は、前記解剖学的領域（例えば、前立腺）の超音波プローブ３１によるスキャン中に超音波プローブ３１上に患者１０の解剖学的領域により加えられる軸力及び折り曲げ力を決定する本発明の方法を含む。このために、コンピュータ２１は、前記解剖学的領域の超音波プローブ３１によるスキャン中に超音波プローブ３１上に患者１０の解剖学的領域により加えられる長手歪の歪センサ３３による測定結果を受信し、モジュール２７は、前記軸力及び前記折り曲げ力を決定するように前記歪の測定結果を処理する。
【００１８】
本発明の目的に対して、歪センサ３３は、器具に対して対象により加えられる縦歪を測定する、特に、超音波スキャン中に超音波プローブ３１に対して解剖学的領域により加えられる縦歪を測定するように構造的に構成されたいかなるセンサとしても、ここに広く規定される。また、本発明の目的に対して、縦歪は、超音波プローブ３１の縦軸に平行な、又は平行な成分を持つ、いかなる歪としても、ここに広く規定される。
【００１９】
実際に、歪センサ３３は、超音波スキャン中に超音波プローブ３１に対して解剖学的領域により加えられる縦歪の測定を容易化するいかなる形でも超音波プローブ３１上に配置されうる。例えば、歪センサ３３は、歪センサ３３の近位端において又は隣接して超音波プローブ３１に接着又は一体化されうる。他の例により、歪センサ３３は、超音波プローブ３１の近位端において又は隣接してしっかりと着座するディスポーザブルケーシング上に設置されてもよい。
【００２０】
また、実際に、歪センサ３３は、超音波スキャン中に超音波プローブ３１に対して患者１０の解剖学的領域により加えられる縦歪の実際的な測定に貢献する形で超音波プローブ３１上に配置されたいかなるタイプ（例えば、単軸、三軸、平面等）の１以上の歪ゲージＳＧを採用してもよい。例えば、歪ゲージは、特に２以上の歪ゲージの採用に対してグリッドパターンで、超音波プローブ３１の近位端において又は隣接して長手方向に配置されうる。加えて、歪センサ３３は、温度の変化による歪の補償に対して１以上のダミー歪ゲージを採用してもよい。
【００２１】
以下は、モジュール２７により使用される歪センサ３３の典型的な実施例の記載であり、この後に、モジュール２７により実施される本発明のスキャン方法及び較正方法の典型的な実施例の記載が続く。
【００２２】
図２Ａは、超音波プローブ３１と超音波プローブ３１の近位端に取り付けられたハンドル３２とを採用する医療器具３０を示す。超音波プローブ３１は、患者１０の解剖学的領域を超音波撮像する超音波トランスデューサ（図示されない）を採用する。前記超音波トランスデューサは、超音波プローブ３１の遠位端に、典型的には超音波プローブ３１の遠位端に対する前記超音波トランスデューサの向きに依存して破線円３５内に配置される。
【００２３】
歪センサ３３の一実施例３３ａは、超音波プローブ３１上にグリッドパターンで配置され、図２Ｂに示されるように超音波プローブ３１の周辺に互いに等距離に配置された４つの歪ゲージＳＧを採用する。歪ゲージＳＧは、金属ワイヤの量を最大化する金属ホイル又は長手軸３４の平行な方向における歪の対象となるホイルからなりうる。
【００２４】
実際に、抵抗の小さな変化を測定するために、歪ゲージＳＧは、電圧励起源（図示されない）とのブリッジ構成で使用されてもよい。前記ブリッジ構成の例は、１／４ブリッジ構成、１／２ブリッジ構成及びフルブリッジ構成を含むが、これらに限定されない。
【００２５】
加えて、図１に示されるように、シグナルコンディショナ３６が、比較的小さい出力電圧の観点で採用されてもよい。一実施例において、シグナルコンディショナ３６は、測定分解能を増大し、信号対雑音比を改良するように信号レベルをブーストする増幅器からなりうる。更に、歪ゲージＳＧは、電気的に雑音の多い環境に配置されてもよい。したがって、シグナルコンディショナ３６は、ほとんどの環境設定において見られる高周波雑音を除去するローパスフィルタからなってもよい。
【００２６】
信号ゲージＳＧ又は代わりにシグナルコンディショナ３６からの出力信号は、前記軸力及び前記折り曲げ力を決定するように及びモニタ２２に前記軸力及び前記折り曲げ力の視覚的表現（例えば、体積４１を覆う数字及び／又は色符号化力マップ）を表示するようにモジュール２７により使用される。実際に、信号ゲージＳＧからの出力信号は、既知の技術によりシグナルコンディショナ３６及び／又はコンピュータ２１に通信されてもよく、記憶及び表示のためにコンピュータ２１又は追加の遠隔装置に更に通信されてもよい。
【００２７】
図３Ａは、超音波スキャン中の超音波プローブ３１の前記解剖学的領域により加えられる前記軸力及び前記折り曲げ力の理解を容易化する。
【００２８】
特に、図３Ａを参照すると、組織５０（例えば、前立腺）に対して超音波プローブ３１の遠位先端において加えられるプローブ力Fpは、組織５０から超音波プローブ３１への反力Frと同じ強度を持つが、反対方向である。本発明の目的に対して、反力Frは、２つの成分、すなわち、軸力Fx及び折り曲げ力Fyに分解される。
【００２９】
図３Ｂをも参照すると、点ＳＧ１、ＳＧ２、ＳＧ３及びＳＧ４における測定された歪が、それぞれ、ε1、ε2、ε3及びε4であると仮定すると、軸力Fx及び折り曲げ力Fyは、以下の式［１］及び［２］から計算されうる。
Fx=-AE (ε1+ε2+ε3+ε4)/4    ［１］
Ｆy=(IE/2lre)(√((ε1+εx)2+(ε2+εx)2)+√((ε3+εx)2+(ε4+εx)2))  ［２］
ここで、εx=Fx/AEは、Fxによる歪であり、Eは、超音波プローブ３１の弾性のモジュールであり、Aは、超音波プローブ３１の断面積であり、Iは、超音波プローブ３１の面積のモーメントであり、reは、超音波プローブ３１の外径であり、lは、各歪ゲージＳＧの中心から超音波プローブ３１の遠位端までの距離である。実際に、縦歪測定は、各歪ゲージＳＧ又はシグナルコンディショナ３６（図１）の出力としての電圧であり、これは、各歪ゲージＳＧの歪及び場所に線形に関連し、εi=ksviである。
【００３０】
式［１］及び［２］は、合計折り曲げ力を計算するので、長手軸３４の周りの超音波プローブ３１の回転角度に依存しない。しかしながら、折り曲げ力方向と歪ゲージＳＧ１の軸との間の角度が、図３Ｂに示されるようにθaである場合、前記角度は、以下の式［３］から計算されうる。
θa=tan-1((ε4-ε2)/(ε1-ε3))    ［３］
【００３１】
この角度は、超音波プローブ３１の断面上の折り曲げ力Fyの方向を見つけるのに使用されうる。
【００３２】
図４は、本発明のスキャン方法を表すフローチャート６０を示す。フローチャート６０の段階Ｓ６１は、図２及び３に関連してここに以前に記載されたように歪センサ３３（図１）による縦歪測定を含み、フローチャート６０の段階Ｓ６２は、モジュール２７による式［１］及び［２］の計算による軸力Fx及び折り曲げ力Fyの決定を含む。結果の計算は、モニタ２２上に表示されてもよい（例えば、３Ｄ体積４１を覆う数字及び／又は色符号化力マップ）。加えて、モジュール２７は、折り曲げ力角度θaを計算してもよい。
【００３３】
図５は、本発明の較正方法を表すフローチャート７０を示す。フローチャート７０の段階Ｓ７１は、図２及び３に関連してここに以前に記載されたように歪センサ３３（図１）による歪測定を含み、フローチャート７０の段階Ｓ７２は、モジュール２７による歪係数ksの計算を含む。段階Ｓ７２に対して、軸力の式［１］における係数AE及び折り曲げ力の式［２］における係数IE/2lreが、決定される。較正手順に対して、既知の軸力及び折り曲げ力に対する各歪ゲージの出力電圧を知ることのみが要求される。測定された電圧は、前記歪に線形に関連付けられるので、それぞれのグラフ８０（図６Ａ）及び８１（図６Ｂ）に示されるように追加の係数ksを加えることにより前記係数を前記測定された電圧に関連付けることができる。
【００３４】
図１乃至６Ｂを参照すると、当業者は、（１）生体構造の超音波プローブスイープ中にオペレータにより及ぼされる制御されない可変力により引き起こされるモーションアーチファクト及び画像歪の低減、（２）超音波画像の自動セグメンテーション及びモダリティ間／内画像位置合わせの改良、（３）超音波プローブによって加えられる力及びトルクを監視及び制御することによる複数のセッションにわたる一貫した再スキャン、（４）超音波スキャン中に加えられるべき力及びトルクの十分な量を学習することができるように及ぼされる手の力に関するライブフィードバックを提供することによる放射線練習生に対する訓練ツール、（５）組織変形のリアルタイム追跡、画像位置合わせ、組織セグメンテーション等に対して使用されうる組織の有限要素モデルを正確に構築する超音波スキャン下の組織の生物力学特性の推定、及び（６）軟組織の剛性又は歪画像を計算し、健康組織と比較して高い剛性を持つことが知られるがん性領域を検出する組織の弾性の推定を含むが、これらに限定されない、本発明の多くの利益を理解する。
【００３５】
実際に、コンピュータ２１（図１）は、超音波スキャン中にモジュール２７を選択的に使用可又は使用不可にする入力機構を提供してもよい。
【００３６】
本発明の様々な実施例が、図示及び記載されるが、ここに記載された本発明の実施例が、例示的であり、本発明の真の範囲から逸脱することなしに、様々な変更及び修正がなされてもよく、同等物が要素に対して置換されてもよいと、当業者により理解される。加えて、多くの修正が、中心範囲から逸脱することなしに本発明の教示に適応するようになされうる。したがって、本発明が、本発明を実行すると期待されるベストモードとして開示された特定の実施例に限定されないが、本発明が、添付の請求項の範囲内に入る全ての実施例を含むことが、意図される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2016512782.tif 000011
【国際調査報告】
2016512782.tif 000012
2016512782.tif 000013
2016512782.tif 000014