(57)【要約】  超音波検知誘導システムは、解剖学的領域に対して医療ツール３０を作動させるための超音波モーター４０を備える医療ツール３０を利用する。超音波検知誘導システムは、超音波トランスデューサ５０と超音波検知誘導コントローラ７０とを更に利用する。動作中、超音波トランスデューサ５０は、超音波モーター４０が解剖学的領域に対して医療ツール３０を作動させるとき、超音波モーター４０によって放出された音響波の、超音波トランスデューサ５０による検知を示す音響検知データを生成し、超音波検知誘導コントローラ７０は、超音波トランスデューサ５０による音響検知データの生成に応答して、超音波モーター４０による医療ツール３０の作動を制御する。
2020501726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
解剖学的領域に対して医療ツールを作動させる超音波モーターを備える、当該医療ツールと、
前記超音波モーターが前記解剖学的領域に対して前記医療ツールを作動させるとき、超音波トランスデューサによる前記超音波モーターによって放出された音響波の検知を示す音響検知データを生成する、当該超音波トランスデューサと、
前記超音波トランスデューサによる前記音響検知データの生成に応答して、前記超音波モーターによる前記医療ツールの作動を制御する超音波検知誘導コントローラと
を備える、超音波検知誘導システム。
【請求項２】
前記超音波検知誘導コントローラが、
音響検知データの前記超音波トランスデューサによる生成に応答して、前記超音波モーターによる前記医療ツールの前記作動を検出するツール作動検出器と、
前記解剖学的領域に対する前記医療ツールの作動位置の前記ツール作動検出器による検出に応答して、前記医療ツールの前記作動を制御する医療ツールアクチュエータと
を備える、請求項１に記載の超音波検知誘導システム。
【請求項３】
前記ツール作動検出器が、前記解剖学的領域に対する前記医療ツールの作動位置を検出し、
前記医療ツールアクチュエータが、前記解剖学的領域に対する前記医療ツールの前記作動位置から目標位置への、前記医療ツールの作動を指示する運動作動コマンドを生成し、
前記超音波モーターが、前記医療ツールアクチュエータによる前記運動作動コマンドの生成に応答して、前記作動位置から前記目標位置に前記医療ツールを作動させる、
請求項２に記載の超音波検知誘導システム。
【請求項４】
前記医療ツールアクチュエータが、前記解剖学的領域に対する前記医療ツールの前記作動位置と前記目標位置との間の誤差から前記運動作動コマンドを導出する、
請求項３に記載の超音波検知誘導システム。
【請求項５】
前記超音波検知誘導コントローラが、
運動コマンド分析器による前記音響波の波形分析から導出された、前記超音波モーターによる前記医療ツールの前記作動の、前記超音波検知誘導コントローラによる制御のステータスを確認する、当該運動コマンド分析器
を備える、請求項１に記載の超音波検知誘導システム。
【請求項６】
前記超音波検知誘導コントローラが、
前記超音波モーターによる前記医療ツールの前記作動の、前記超音波検知誘導コントローラによる制御における時間遅延を検出する制御遅延補償器
を備える、請求項１に記載の超音波検知誘導システム。
【請求項７】
前記超音波検知誘導コントローラが、
前記音響波の予想される波形と前記音響波の実際の受信された波形との間の差分の、運動分析器による分析から導出された、前記超音波モーターの作動状態を決定する、当該運動分析器
を備える、請求項１に記載の超音波検知誘導システム。
【請求項８】
前記超音波検知誘導コントローラが、
前記音響波の波形によって示された前記超音波モーターの問題を診断する診断マネージャ
を更に備える、請求項１に記載の超音波検知誘導システム。
【請求項９】
前記超音波トランスデューサは、更に、前記超音波モーターが、前記解剖学的領域に対する目標作動位置に前記医療ツールを作動させるとき、前記解剖学的領域に対する前記医療ツールの超音波撮像を示す超音波撮像データを生成し、
前記超音波検知誘導コントローラが、更に、前記超音波トランスデューサによる前記超音波撮像データの生成に応答して、前記解剖学的領域に対する前記医療ツールの前記超音波撮像内の目標位置の描画を制御する、
請求項１に記載の超音波検知誘導システム。
【請求項１０】
超音波トランスデューサと、超音波モーターを備える医療ツールとのための超音波検知誘導コントローラであって、前記超音波検知誘導コントローラは、
前記超音波モーターが解剖学的領域に対して前記医療ツールを作動させるとき、前記超音波モーターによる音響波の放出の、前記超音波トランスデューサによる検知を示す、音響検知データの前記超音波トランスデューサによる生成に応答して、前記解剖学的領域に対する前記医療ツールの作動を検出するツール作動検出器と、
前記解剖学的領域に対する前記超音波モーターによる前記医療ツールの前記作動の、前記ツール作動検出器による検出に応答して、前記解剖学的領域に対する、前記超音波モーターによる前記医療ツールの作動を制御する医療ツールアクチュエータと
を備える、超音波検知誘導コントローラ。
【請求項１１】
前記ツール作動検出器が、前記解剖学的領域に対する前記医療ツールの作動位置を検出し、
前記医療ツールアクチュエータが、前記解剖学的領域に対する前記医療ツールの検知された位置から目標位置への、前記医療ツールの作動を指示する運動作動コマンドを生成する、
請求項１０に記載の超音波検知誘導コントローラ。
【請求項１２】
運動コマンド分析器による前記音響波の波形分析から導出された、前記超音波モーターによる前記医療ツールの前記作動の、前記医療ツールアクチュエータによる制御のステータスを確認する、当該運動コマンド分析器
を更に備える、請求項１０に記載の超音波検知誘導コントローラ。
【請求項１３】
前記超音波モーターによる前記医療ツールの前記作動の、前記医療ツールアクチュエータによる制御における時間遅延を検出する制御遅延補償器
を更に備える、請求項１０に記載の超音波検知誘導コントローラ。
【請求項１４】
前記音響波の予想される波形と前記音響波の実際の受信された波形との間の差分の、運動分析器による分析から導出された、前記超音波モーターの作動状態を決定する、当該運動分析器
を更に備える、請求項１０に記載の超音波検知誘導コントローラ。
【請求項１５】
前記音響波の波形によって示された前記超音波モーターの問題を診断する診断マネージャ
を更に備える、請求項１０に記載の超音波検知誘導コントローラ。
【請求項１６】
超音波トランスデューサと、超音波モーターを備える医療ツールとのための超音波検知誘導方法であって、前記超音波検知誘導方法は、
超音波検知誘導コントローラが、解剖学的領域に対する前記超音波モーターによる前記医療ツールの作動を制御するステップと、
前記超音波トランスデューサが、前記超音波モーターが前記解剖学的領域に対して前記医療ツールを作動させるとき、前記超音波モーターによる音響波の放出の、前記超音波トランスデューサによる検知を示す音響検知データを生成するステップと
を有し、
前記超音波検知誘導コントローラが、前記超音波トランスデューサによる前記音響検知データの前記生成に応答して、前記解剖学的領域に対する前記超音波モーターによる前記医療ツールの前記作動を制御する、超音波検知誘導方法。
【請求項１７】
前記超音波検知誘導コントローラが、解剖学的領域に対する前記超音波モーターによる前記医療ツールの前記作動を制御するステップは、
前記超音波検知誘導コントローラが、前記解剖学的領域に対する前記医療ツールの作動位置を検出するステップと、
前記超音波検知誘導コントローラが、前記解剖学的領域に対する前記医療ツールの検知された位置から目標位置への、前記医療ツールの作動を指示する運動作動コマンドを生成するステップと、
前記超音波モーターが、前記運動作動コマンドに応答して、前記検知された位置から目標位置に前記医療ツールを作動させるステップと
を有する、請求項１６に記載の超音波検知誘導方法。
【請求項１８】
前記超音波検知誘導コントローラが、前記解剖学的領域に対する前記医療ツールの前記作動位置と前記目標位置との間の誤差から前記運動作動コマンドを導出する、
請求項１７に記載の超音波検知誘導方法。
【請求項１９】
前記超音波検知誘導コントローラが、前記解剖学的領域に対する前記超音波モーターによる前記医療ツールの前記作動を制御するステップは、
前記超音波検知誘導コントローラが、運動コマンド分析器による前記音響波の波形分析から導出された、前記超音波モーターによる前記医療ツールの前記作動の、医療ツールアクチュエータによる制御のステータスを確認するステップと、
前記超音波検知誘導コントローラが、前記超音波モーターによる前記医療ツールの前記作動の、前記医療ツールアクチュエータによる制御における時間遅延を検出するステップと、
前記超音波検知誘導コントローラが、前記音響波の予想される波形と音響前記音響波の実際の受信された波形との間の差分の、運動分析器による分析から導出された、前記超音波モーターの作動状態を決定するステップと、
前記超音波検知誘導コントローラが、前記音響波の波形によって示された前記超音波モーターの問題を診断するステップと
のうちの少なくとも１つを有する、請求項１６に記載の超音波検知誘導方法。
【請求項２０】
前記超音波モーターが、前記解剖学的領域に対する目標作動位置に前記医療ツールを作動させるとき、前記超音波トランスデューサが、前記解剖学的領域に対する前記医療ツールの超音波撮像を示す超音波撮像データを生成するステップと、
前記超音波検知誘導コントローラが、前記超音波トランスデューサによる前記超音波撮像データの生成に応答して、前記解剖学的領域に対する前記医療ツールの前記超音波撮像内の前記目標位置の描画を制御するステップと
を更に有する、請求項１７に記載の超音波検知誘導方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の発明は、一般に、超音波誘導システム（たとえば、Ｓｐａｒｑ超音波システム、Ｅｐｉｑ超音波システム、ＳｏｎｉｘＧＰＳ超音波誘導システム、ＡＣＵＳＯＮ  Ｓ３０００（商標）超音波システム、ｆｌｅｘ  Ｆｏｃｕｓ  ４００ｅｘｐ超音波システムなど）に関する。本開示の発明は、より詳細には、超音波モーターによって作動可能な医療ツールの超音波誘導を与えることによってそのような超音波誘導システムを改善することに関する。
【背景技術】
【０００２】
患者の体内の医療ツール（たとえば、介入及び外科ツール／計器）の作動が、多くの介入及び外科タスク、すなわち、ツール整列、穿刺、穿孔などのために必要とされる。今日、作動は、作動機構のサイズにより、開腹手術において主に使用される。このサイズは、作動モーターの寸法によって左右される。旧来の電気モーターは多くの部分（たとえば、永久磁石、コイル、整流子など）からなり、それらは、小型化の可能性を制限する。更に、これらのモーターは、治療デバイス及び医療撮像デバイスに干渉する電磁妨害を引き起こす。
【０００３】
電磁モーターの代替物は、圧電ベースの超音波モーターである。作動は、超音波モーターを構成する圧電結晶に時間変動電圧を印加し、材料の伸縮を引き起こすことによって達成される。この機械的発振は、旧来の電磁モーターを模倣する回転運動又は直線運動にコンバートされる。圧電ベースの超音波モーターの利点のうちのいくつかは、スケーラビリティ（それらは極めて小さくされ得る）、無制限直線運動（親ねじ依存でない）、ボリューム当たりの高い電力、及びＥＭ障害がないことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
有利であるが、圧電ベースの超音波モーターの欠点は、それらが、作動可能な構成要素（たとえば、シャフト、ディスクなど）の変位の量及び速度を測定するために追加のセンサーを必要とすることである。これは、不正確な又は開ループ位置制御につながり、これは、医療適用例に対する制限要因である。不正確さは、いくつかの主要な原因に由来している。
【０００５】
１つの原因は、圧電ベースの超音波モーターの不正確な物理モデルである。特に、圧電ベースの超音波モーターの制御モデルは当技術分野で知られているが、それらは、非線形であり、環境（たとえば、温度、要求されるトルク／負荷）に依存し、したがって、圧電ベースの超音波モーターの以前の制御モデルは、信頼できないと判明した。
【０００６】
第２の原因は、環境との圧電ベースの超音波モーターの相互作用である。より詳細には、圧電ベースの超音波モーターは、開ループ制御システムによって検出及び補償されない（たとえば、組織からの）抵抗を受ける。
【０００７】
最後に、運動を生じることになる圧電結晶の発振に運動信号を変換するための時間又は慣性によって引き起こされる、システムにおける遅延がある。
【０００８】
これらの問題を緩和するためのいくつかの方法は、ホール効果センサー、抵抗性センサー、又は光エンコーダなど、変位センサーの使用を含む。これらのセンサーは、圧電ベースの超音波モーター自体の近くに、又はそれ自体の上に取り付けられなければならず、それにより、機構のサイズは増加する。また、そのようなセンサーは、環境との圧電ベースの超音波モーターによる作用を検出するのに十分な分解能を有しない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
超音波誘導システムを改善するために、本開示は、組み合わせられた、医療ツールの超音波撮像と超音波モーターの音響検知とを使用することによって超音波モーターを有する医療ツールを制御して、それにより医療ツールを解剖学的領域内に正確に配置するための発明を提供する。
【００１０】
本開示の発明の一実施形態は、解剖学的領域に対して医療ツールを作動させるための超音波モーターを備える、医療ツールを利用する超音波検知誘導システムである。
【００１１】
超音波検知誘導システムは、超音波トランスデューサと超音波検知誘導コントローラとを更に利用する。
【００１２】
動作中、超音波トランスデューサは、超音波モーターが解剖学的領域に対して医療ツールを作動させるとき、超音波モーターによって放出された音響波の、超音波トランスデューサによる検知を示す音響検知データを生成し、超音波検知誘導コントローラは、超音波トランスデューサによる音響検知データの生成に応答して、超音波モーターによる医療ツールの作動を制御する。
【００１３】
本開示の発明の第２の実施形態は、ツール作動検出器と超音波モーターアクチュエータとを利用する超音波検知誘導コントローラである。
【００１４】
動作中、ツール作動検出器は、超音波モーターが解剖学的領域内で医療ツールを作動させるとき、超音波モーターによる音響波の放出の、超音波トランスデューサによる検知を示す、音響検知データの超音波トランスデューサによる生成に応答して、解剖学的領域内の超音波モーターによる医療ツールの作動を検出する。
【００１５】
医療ツールアクチュエータは、解剖学的領域内の超音波モーターによる医療ツールの作動の、ツール作動検出器による検出に応答して、解剖学的領域内の超音波モーターによる医療ツールの作動を制御する。
【００１６】
本開示の発明の第３の実施形態は、超音波検知誘導方法である。
【００１７】
超音波検知誘導方法は、超音波検知誘導コントローラが、解剖学的領域内の超音波モーターによる医療ツールの作動を制御するステップに関与する。
【００１８】
超音波検知誘導方法は、超音波モーターが解剖学的領域内で医療ツールを作動させるとき、超音波トランスデューサが、超音波モーターによる音響波の放出の、超音波トランスデューサによる検知を示す音響検知データを生成するステップに更に関与し、超音波検知誘導コントローラは、超音波トランスデューサによる音響検知データの生成に応答して、解剖学的領域内の超音波モーターによる医療ツールの作動を制御する。
【００１９】
本開示の発明を説明し、主張する目的で、
（１）  「超音波検知誘導システム」という用語は、組み合わせられた、医療ツールの超音波撮像と超音波モーターの音響検知とを使用することによって超音波モーターを有する医療ツールを制御して、それにより医療ツールを解剖学的領域内に正確に配置するための本開示の発明の原理を組み込んだ、本開示の技術分野で知られており、以下で想到されるような、すべての超音波誘導システムを広く包含する。知られている超音波誘導システムの例としては、限定はしないが、Ｓｐａｒｑ超音波システム、Ｅｐｉｑ超音波システム、ＳｏｎｉｘＧＰＳ超音波誘導システム、ＡＣＵＳＯＮ  Ｓ３０００（商標）超音波システム、ｆｌｅｘ  Ｆｏｃｕｓ  ４００ｅｘｐ超音波システムがあり、
（２）  「超音波検知誘導方法」という用語は、組み合わせられた、医療ツールの超音波撮像と超音波モーターの音響検知とを使用することによって超音波モーターを有する医療ツールを制御して、それにより医療ツールを解剖学的領域内に正確に配置するための本開示の発明の原理を組み込んだ、本開示の技術分野で知られており、以下で想到されるような、すべての超音波誘導方法を広く包含し、
（３）  「医療ツール」という用語は、限定はしないが、診断、治療及び外科処置を含む任意のタイプの医療処置をサポートする１つ又は複数の特定のタスクを実行するための、本開示の技術分野で知られており、以下で想到されるような、任意のタイプ及びすべてのタイプの医療ツールを広く包含し、
（４）  「作動」という用語又はその任意の時制は、並進、回転及び／又は枢動の形態の機械的運動を広く包含し、
（５）  「超音波モーター」という用語は、限定はしないが、（１つ又は複数の）圧電構成要素を備える（１つ又は複数の）構成要素の超音波振動によって電力供給される、本開示の技術分野で知られており、以下で想到されるような、すべての電子モーターを広く包含し、
（６）  「超音波トランスデューサ」という用語は、超音波を生成、放出、及び受信するために好適な、本開示の技術分野で知られており、以下で想到されるような、任意の及びすべての超音波トランスデューサを広く包含する。超音波トランスデューサの例としては、限定はしないが、経食道心エコー検査（ＴＥＥ：Ｔｒａｎｓｅｓｏｐｈａｇｅａｌ  ｅｃｈｏｃａｒｄｉｏｇｒａｐｈｙ）プローブ、心内プローブ（ＩＣＥ）、鼻腔内プローブ、及び血管内超音波（ＩＶＵＳ）プローブがあり、
（７）  「コントローラ」という用語は、本明細書で後で例示的に説明される本開示の様々な発明の原理の適用例を制御するための、本開示の超音波検知誘導システム内で利用されるか、又はそのシステムにリンクされる、格納される特定用途向けメインボード又は特定用途向け集積回路のすべての構造上の構成を広く包含する。コントローラの構造上の構成は、限定はしないが、（１つ又は複数の）プロセッサ、（１つ又は複数の）コンピュータ使用可能／コンピュータ可読記憶媒体、オペレーティングシステム、（１つ又は複数の）アプリケーションモジュール、（１つ又は複数の）周辺デバイスコントローラ、（１つ又は複数の）インターフェース、（１つ又は複数の）バス、（１つ又は複数の）スロット、及び（１つ又は複数の）ポートを含み、
（８）  「アプリケーションモジュール」という用語は、固有のアプリケーションを実行するための電子回路及び／又は実行可能プログラム（たとえば、（１つ又は複数の）非一時的コンピュータ可読媒体に記憶された実行可能ソフトウェア及び／又はファームウェア）からなるロボットコントローラの構成要素を広く包含し、
（９）  「信号」、「データ」及び「コマンド」という用語は、本明細書で後で説明される本開示の様々な発明の原理を適用することをサポートする情報及び／又は命令を通信するための、本開示の技術分野で理解され、本明細書で例示的に説明されるように、検出可能な物理量又は推進力のすべての形態（たとえば、電圧、電流、又は磁界強度）を広く包含する。本開示の構成要素間の信号／データ／コマンド通信は、限定はしないが、任意のタイプのワイヤード又はワイヤレス媒体／データリンク上の信号／データ／コマンド送信／受信、及びコンピュータ使用可能／コンピュータ可読記憶媒体にアップロードされた信号／データ／コマンドの読取りを含む、本開示の技術分野で知られており、以下で想到されるような通信方法に関与する。
【００２０】
本開示の発明の上記の実施形態及び他の実施形態、並びに本開示の発明の様々な特徴及び利点は、添付の図面とともに読み取られる本開示の発明の様々な実施形態の以下の詳細な説明から更に明らかになる。詳細な説明及び図面は、限定的ではなく、本開示の発明の例示にすぎず、本開示の発明の範囲は、添付の特許請求の範囲とその均等物とによって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本開示の発明の原理による、超音波検知誘導システムの例示的な実施形態を示す図である。
【図２Ａ】本開示の発明の原理による、線形超音波モーターを備える医療デバイスの超音波検知の例示的な実施形態を示す図である。
【図２Ｂ】本開示の発明の原理による、図２Ａの線形超音波モーターを備える医療デバイスの超音波検知の例示的な制御ループを示す図である。
【図３Ａ】本開示の発明の原理による、回転超音波モーターを備える医療デバイスの超音波検知の例示的な実施形態を示す図である。
【図３Ｂ】本開示の発明の原理による、図３Ａの回転超音波モーターを備える医療デバイスの超音波検知の例示的な制御ループを示す図である。
【図４】当技術分野で知られている操縦可能導入器の例示的な実施形態を示す図である。
【図５】本開示の発明の原理による、図１の超音波検知誘導システムの例示的な実施形態を示す図である。
【図６】本開示の発明の原理による、操縦可能導入器と経食道心エコー（ＴＥＥ：ｔｒａｎｓｅｓｏｐｈａｇｅａｌ  ｅｃｈｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ）プローブとの例示的なレジストレーションを示す図である。
【図７】本開示の発明の原理による、超音波検知誘導方法を表すフローチャートの例示的な実施形態を示す図である。
【図８】本開示の発明の原理による、図７のレジストレーションされた操縦可能導入器とＴＥＥプローブとの例示的な制御ループを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本開示の発明の理解を容易にするために、図１の以下の説明は、本開示の発明の原理による、超音波検知誘導システムの基本的な発明の原理を教示する。図１のこの説明から、当業者は、本開示の発明の原理による、超音波検知誘導システムの多数の様々な実施形態を実践するために本開示の発明の原理をどのように適用すべきかを了解されよう。
【００２３】
実際には、本開示の発明は、頭部領域、頸部領域、胸部領域、腹部領域、骨盤領域、下肢、及び上肢を含む、任意の解剖学的領域に適用可能である。
【００２４】
また、実際には、本開示の発明は、限定はしないが、健康又は不健康な、組織及び骨を含む、任意のタイプの解剖学的構造に適用可能である。
【００２５】
更に、実際には、本開示の発明は、任意のタイプの医療処置、詳細には介入及び外科処置に適用可能である。
【００２６】
図１を参照すると、本開示の超音波検知誘導システム２０は、医療ツール３０と、超音波トランスデューサ５０と、超音波検知誘導コントローラ７０と、超音波モーターコントローラ８０とを利用する。
【００２７】
医療ツール３０は、医療処置中に特定のタスクを実行するための任意のタイプの医療ツール（たとえば、介入ツール、外科ツール、及び治療ツール）である。医療ツール３０は、医療ツール３０を作動させること（たとえば、医療ツール３０の並進運動、回転運動及び枢動運動の作動）のための任意のタイプの超音波モーター４０を含む。実際には、時間変動モーター駆動信号８１が、医療ツール３０の作動を制御するために超音波モーター４０に印加される。本開示の技術分野で知られているように、時間変動モーター駆動信号８１が超音波モーター４０に印加されたとき、超音波モーター４０は音響波４１を放出する。
【００２８】
超音波トランスデューサ５０は、（１つ又は複数の）電気信号を（１つ又は複数の）超音波にコンバートし、（１つ又は複数の）超音波を（１つ又は複数の）電気信号にコンバートするための任意のタイプのトランスデューサアレイ６０を備える。実際には、本開示の技術分野で知られている超音波トランスデューサ５０による解剖学的領域撮像が、解剖学的領域（図１に図示せず）を撮像するためのトランスデューサアレイ６０による超音波の放出及び受信に関与する。更に、実際には、図１に示されているように、本開示の発明の原理による超音波トランスデューサ５０による超音波モーター４０の検知は、医療ツール３０の作動中に超音波モーター４０によって放出された音響波４１のトランスデューサアレイ６０による受信と、解剖学的領域を撮像するためのトランスデューサアレイ６０によって放出及び受信される超音波の波形特性とは弁別的な音響波４１の波形特性（たとえば、周波数、振幅、パルス繰返しなど）の情報を与える音響検知データ６１のトランスデューサアレイ６０による生成とに関与する。
【００２９】
一実施形態では、トランスデューサアレイ６０の要素のあるサブセットは、もっぱら解剖学的領域撮像のために指定され、トランスデューサアレイ６０の要素の別のサブセットは、もっぱら超音波モーター検知のために指定される。
【００３０】
別の実施形態では、トランスデューサアレイ６０の全体が、解剖学的領域撮像と超音波モーター検知との間で交替される。
【００３１】
また別の実施形態では、トランスデューサアレイ６０の全体が、超音波モーター検知のために設計され、第２の超音波トランスデューサ又は他の撮像モダリティが、解剖学的領域撮像のために利用される。
【００３２】
超音波検知誘導コントローラ７０は、本開示の発明の原理による超音波モーター４０によって医療ツール３０の作動を制御する。実際には、超音波検知誘導コントローラ７０は、限定はしないが、ツール作動検出器７１、医療ツールアクチュエータ７２、運動コマンド分析器７４、制御遅延補償器７５、運動分析器７６、及び診断マネージャ７７を含む、超音波モーター４０によって医療ツール３０の作動を制御するための（１つ又は複数の）アプリケーションモジュールを実行するように構造的に構成される。
【００３３】
ツール作動検出器７１は、本明細書で更に例示的に説明されるように、トランスデューサアレイ６０に対して超音波モーター４０によって達成される医療ツール３０の作動の検出を実施する。実際には、音響検知データ６１によって示される音響波４１のピークの位置は、本開示の技術分野で知られているように、トランスデューサアレイ６０に対する超音波モーター４０の厳密な作動位置を検出するために利用される。
【００３４】
医療ツールアクチュエータ７２は、本明細書で更に例示的に説明されるように、ツール作動検出器７１によって検出された作動位置から目標作動位置に医療ツールを作動させるためのモーター作動コマンド７３の生成を実施する。モーター作動コマンド７３は、本開示の技術分野で知られているように、超音波モーター４０のキネマティックモデルを介して超音波モーターコントローラ８０によって処理されて、時間変動モーター駆動信号８１が生成される。
【００３５】
運動コマンド分析器７４は、本開示の技術分野で知られているように、医療ツールアクチュエータ７２によるモーター作動コマンド７３の発行と、超音波モーター４０によるモーター駆動信号８１の受信及び／又は実行との間の制御ループのステータスを確認するために音響波４１の波形の分析を実施し、そこで、医療ツールアクチュエータ７２は、モーター作動コマンド７３の生成中に必要に応じて制御ループを調整する。
【００３６】
制御遅延補償器７５は音響波４１のピークの持続時間の検出を実施して、それにより時間遅延を医療ツールアクチュエータ７２に通信し、そこで、医療ツールアクチュエータ７２は、モーター作動コマンド７３の生成中に、本開示の技術において知られている遅延補正方式を実施する。
【００３７】
運動分析器７６は、モーター作動コマンド７３による音響波４１の予想される波形と、音響波４１の実際の受信された波形との間の、詳細には、音響波４１の振幅及びスペクトル成分に関する差分の分析によって超音波モーター４０の作動状態の決定を実施する。音響波４１の予想される波形と実際の受信された波形との間の著しい差分は、限定はしないが、超音波モーター４０の過負荷又は超音波モーター４０の動作の劣化を含む、超音波モーター４０の作動状態を示す。そのような状態は、医療ツール３０が作動させられて目標作動位置に至り、そこで医療ツール３０が抵抗に遭遇するときに発生し、これは、超音波モーター４０からの発せられた音響波４１の変化となって現れる。そのような場合、モーター制御コマンド７３は（たとえば、圧電結晶に関する境界条件により）実際のモーター変位を制御せず、その結果、音響波４１からの超音波シグネチャがあるべきであったのに、超音波シグネチャが消失する。運動分析器７６によるこの決定は、医療ツール３０の位置決めにおける必要に応じてオペレータ制御調整を容易にするために解剖学的領域撮像上の描画を介して通信される。
【００３８】
運動分析器７６による作動状態の決定に基づいて、超音波検知誘導コントローラ７０は、限定はしないが、アラーム状態をアクティブにすること、超音波検知誘導システム２０の停止、及び作動状態に対処するための改善アルゴリズムを呼び出すことを含む、任意の数の改善及び／又はユーザ通知を実施する。
【００３９】
診断マネージャ７７は、音響波３０の波形特性、詳細には、音響波３０の振幅及び／又はスペクトル成分に基づいて、超音波モーター７７の任意の問題のリモート診断を実施する。潜在的問題の一例は、超音波モーター４０による音響波４１の予想される放射がないことによって示される超音波モーター４０の破壊された圧電要素／接続を含む。
【００４０】
実際には、超音波検知誘導コントローラ７０の１つの構造的実施形態は、１つ又は複数のシステムバスを介して相互接続された、プロセッサと、メモリと、ユーザインターフェースと、ネットワークインターフェースと、ストレージとを含む。
【００４１】
プロセッサは、本開示の技術分野で知られているか、又は以下で想到されるように、メモリ又はストレージに記憶された命令を実行すること、或いは場合によってはデータを処理することが可能な任意のハードウェアデバイスである。非限定的な例では、プロセッサは、マイクロプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、又は他の同様のデバイスを含む。
【００４２】
メモリは、本開示の技術分野で知られているか、又は以下で想到されるように、限定はしないが、Ｌ１、Ｌ２、又はＬ３キャッシュ、或いはシステムメモリを含む、様々なメモリを含む。非限定的な例では、メモリは、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）、フラッシュメモリ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、又は他の同様のメモリデバイスを含む。
【００４３】
ユーザインターフェースは、本開示の技術分野で知られているか、又は以下で想到されるように、管理者などのユーザとの通信を可能にするための１つ又は複数のデバイスを含む。非限定的な例では、ユーザインターフェースは、ユーザコマンドを受信するためのディスプレイ、マウス、及びキーボードを含む。いくつかの実施形態では、ユーザインターフェースは、ネットワークインターフェースを介してリモート端末に提示される、コマンドラインインターフェース又はグラフィカルユーザインターフェースを含む。
【００４４】
ネットワークインターフェースは、本開示の技術分野で知られているか、又は以下で想到されるように、他のハードウェアデバイスとの通信を可能にするための１つ又は複数のデバイスを含む。非限定的な例では、ネットワークインターフェースは、イーサネット（登録商標）プロトコルに従って通信するように構成されたネットワークインターフェースカード（ＮＩＣ）を含む。更に、ネットワークインターフェースは、ＴＣＰ／ＩＰプロトコルによる通信のためのＴＣＰ／ＩＰスタックを実装する。ネットワークインターフェースのための様々な代替の又は更なるハードウェア又は構成が明らかであろう。
【００４５】
ストレージは、本開示の技術分野で知られているか、又は以下で想到されるように、限定はしないが、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、磁気ディスクストレージ媒体、光記憶媒体、フラッシュメモリデバイス、又は同様の記憶媒体を含む、１つ又は複数の機械可読記憶媒体を含む。様々な非限定的な実施形態では、ストレージは、プロセッサが実行するための命令、又はプロセッサがそれに対して動作するデータを記憶する。たとえば、ストレージは、ハードウェアの様々な基本動作を制御するためのベースオペレーティングシステムを記憶する。ストレージは、実行可能ソフトウェア／ファームウェアの形態の１つ又は複数のアプリケーションモジュール７１〜７７を更に記憶する。
【００４６】
また、実際には、コントローラ７０及び８０は、分離されるか、或いは部分的に又は完全に組み込まれる。
【００４７】
本開示の発明の更なる理解を容易にするために、図２Ａ〜図３Ｂの以下の説明は、本開示の発明の原理による、超音波検知誘導方法の基本的な発明の原理を教示する。図２Ａ〜図３Ｂのこの説明から、当業者は、本開示の発明の原理による、超音波検知誘導方法の多数の様々な実施形態を実践するために本開示の発明の原理をどのように適用すべきかを了解されよう。
【００４８】
概して、実際には、本開示の超音波検知誘導方法は、以下に基づく。
１．  解剖学的領域内の又はそれに隣接する医療ツール３０を示す画像（たとえば、超音波トランスデューサ５０（図１）によって生成された超音波画像）内の医療ツール３０の初期の検出された作動位置に基づく、解剖学的領域内の又はそれに隣接する目標作動位置に向かう、超音波検知誘導コントローラ７０（図１）による医療ツール３０（図１）の初期作動、
２．  超音波モーター４０（図１）によって放出された音響波４１（図１）の超音波トランスデューサ５０による検知、及び
３．  音響波４１（図１）の超音波トランスデューサ５０による検知に基づく、解剖学的領域内の又はそれに隣接する目標作動位置に向かう、超音波検知誘導コントローラ７０（図１）による医療ツール３０の更なる作動。
【００４９】
１つの線形超音波実施形態では、図２Ａ及び図２Ｂは、解剖学的領域１０内の医療ツール３０（図１）を表すシャフト３１を線形的に並進させるための線形超音波モーター４０ａに関与する本開示の超音波検知誘導方法の制御ループを示す。
【００５０】
図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、制御ループは、超音波トランスデューサ５０ａが、解剖学的領域１０内の双方向波によって象徴される超音波の放出及び受信によって超音波画像データ６２ａを生成することを含み、そこで、解剖学的領域１０内のシャフト３１の位置決めを示す超音波画像７８ａは、解剖学的領域１０内のシャフト３１の遠位端の目標作動位置９０を描画し、解剖学的領域１０内のシャフト３１の遠位端の現在の作動位置９１を検出するために利用される。
【００５１】
図２Ｂに示されているように、制御ループは、本開示の超音波検知誘導コントローラの医療ツールアクチュエータ７２ａが、以下の式［１］に従って、目標作動位置９０の中心ｃｖと検出された作動位置９１の中心ｃｄとの間のドット差分として位置距離誤差信号ｅｄを確認することを更に含む。
ｅｄ＝｜｜ｃｐ−ｃｄ｜｜      ［１］
【００５２】
医療ツールアクチュエータ７２ａは、以下の式［２］に従って、角度誤差を示す２つの平面の法線のドット積として整列誤差信号ｅａを更に確認する。
【数１】
2020501726.tif 000003
【００５３】
医療ツールアクチュエータ７２ａは、以下の式［３］に従って、目標作動位置９０の中心ｃｖと、検出された作動位置９１に最も近い解剖学的領域１０内の解剖学的構造のスポットロケーションｃｓとの間のドット差分として安全誤差信号ｅｓ（図示せず）を更に確認する。
ｅｓ＝｜｜ｃｓ−ｃｄ｜｜      ［３］
【００５４】
（適用可能な場合）位置距離誤差信号と整列誤差信号とから、医療ツールアクチュエータ７２ａは、（適用可能な場合）安全誤差信号のコンテキスト内で（１つ又は複数の）誤差信号を０に駆動するための運動作動コマンド７３ａを生成する。医療ツールアクチュエータ７２ａは運動作動コマンド７３ａを通信し、そこで、超音波モーターコントローラ８０ａは、超音波モーター４０ａのための線形駆動信号８１ａを確認するために、（１つ又は複数の）適用可能な誤差信号をシャフト３１の逆キネマティクス算出への入力として処理して、それにより目標位置９０へのシャフト３１の必要な並進を作動させる。
【００５５】
超音波モーター４０ａが目標位置９０にシャフト３１を並進させるとき、超音波トランスデューサ５０ａは、超音波モーター４０ａによって放出された音響波の検知の情報を与える音響検知データ６１ａを生成し、そこで、超音波検知誘導コントローラの運動作動検出器７１ａは、図２Ａに示されているように音響波の波形９２の音響波画像７９ａを生成する。音響波の波形９２のピークを検出することによって、モーター作動検出器７１ａは、シャフト３１の遠位端の検出された作動位置９１を確認し、そこで、医療ツールアクチュエータ７２ａは、シャフト３１の遠位端が目標作動位置９０に達するまで、（１つ又は複数の）誤差信号を継続的に生成する。
【００５６】
実際には、検出された作動位置９１は、超音波画像７８ａと音響波画像７９ａの両方に基づいて検出され、そこで、それらの画像のうちの一方は、検出された作動位置９１の１次ソースとして働き、他方の画像は、検出された作動位置９１を確認するために働く。
【００５７】
また、実際には、アプリケーションモジュール７４〜７７（図１）又はそれらの均等物は、制御ループのサポートとして組み込まれる。
【００５８】
１つの回転超音波実施形態では、図３Ａ及び図３Ｂは、解剖学的領域１０内の医療ツール３０（図１）を表すディスク３２の回転作動のための回転超音波モーター４０ｂ及び４０ｃのペアに関与する本開示の超音波検知誘導方法の制御ループを示す。
【００５９】
図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、制御ループは、超音波トランスデューサ５０ａが、解剖学的領域１０内の双方向波によって象徴される超音波の放出及び受信によって超音波画像データ６３Ｂを生成することを含み、そこで、解剖学的領域１０内のディスク３２の位置決めを示す超音波画像７８ｂは、解剖学的領域１０内のディスク３２の基準点の目標作動位置９４を描画し、解剖学的領域１０内のディスク３２の基準点の現在の作動位置９３を検出するために利用される。
【００６０】
図３Ｂに示されているように、制御ループは、本開示の超音波検知誘導コントローラの医療ツールアクチュエータ７２ｂが、以下の式［４］に従って、基準作動位置に対する目標作動位置９４の角度方位ａｓと基準作動位置に対する検出された作動位置９３の角度方位ａｄとの間のドット差分として角度方位誤差信号ｅａｏを確認することを更に含む。
ｅａｏ＝｜｜ａｓ−ａｄ｜｜      ［４］
【００６１】
角度方位誤差信号から、医療ツールアクチュエータ７２ｂは、誤差信号を０に駆動するための運動作動コマンド７２ｂを生成する。医療ツールアクチュエータ７２ｂは運動作動コマンド７２ｂを通信し、そこで、超音波モーターコントローラ８０ｂは、超音波モーター４０ｂ及び超音波モーター４０ｃのためのそれぞれの回転駆動信号８１ｂ及び８１ｃを確認するために、適用可能な誤差信号をディスク３２の逆キネマティクス算出への入力として処理して、それにより目標位置９３へのディスク３２の必要な回転を作動させる。
【００６２】
超音波モーター４０ｂと超音波モーター４０ｃとが目標位置９３にディスク３２を回転させるとき、超音波トランスデューサ５０ａは、超音波モーター４０ｂによって放出された音響波の検知の情報を与える音響検知データ６１ａと音響検知データ６１ｂとを生成し、そこで、本開示の超音波検知誘導コントローラの運動作動検出器７１ａは、図３Ａに示されているように超音波モーター４０ｂによって放出された音響波の波形９５と超音波モーター４０ｃによって放出された音響波の波形９ｂとの音響波画像７９ｂａを生成する。音響波の波形９５と波形９６とのピークを検出することによって、モーター作動検出器７１ｂは、ディスク３２の基準点の検出された作動位置９ｅを確認し、そこで、医療ツールアクチュエータ７２ｂは、ディスク３２の基準点が目標作動位置９４に達するまで、（１つ又は複数の）誤差信号を継続的に生成する。
【００６３】
実際には、検出された作動位置９３は、超音波画像７８ｂと音響波画像７９ａの両方に基づいて検出され、そこで、それらの画像のうちの一方は、検出された作動位置９３の１次ソースとして働き、他方の画像は、検出された作動位置９３を確認するために働く。
【００６４】
また、実際には、アプリケーションモジュール７４〜７７（図１）又はそれらの均等物は、制御ループのサポートとして組み込まれる。
【００６５】
本開示の様々な発明の更なる理解を容易にするために、図５の以下の説明は、図４に示されている操縦可能導入器１４０のコンテキストにおける本開示の発明の原理を教示する。この説明から、当業者は、本開示の超音波検知誘導システムの追加の実施形態を製作及び使用するために本開示の発明の原理をどのように適用すべきかを了解されよう。
【００６６】
図４を参照すると、操縦可能導入器１４０は、シャフト１４１とエンドエフェクタ１４８とを利用する。
【００６７】
線形超音波モーター１４３ａ及びモーターコントローラ１４４ａがシャフト１４１内に格納され、モーター１４３ａは、回転継手１４６ａを介してシャフト１４１に堅く結合される。ロッド１４５ａが、シャフト１４１から延在し、回転継手１４７ａを介してエンドエフェクタ１４８に回転可能に結合される。
【００６８】
同様に、線形超音波モーター１４３ｂ及びモーターコントローラ１４４ｂがシャフト１４１内に格納され、モーター１４３ｂは、回転継手１４６ｂを介してシャフト１４１に堅く結合される。ロッド１４５ｂが、シャフト１４１から延在し、回転継手１４７ｂを介してエンドエフェクタ１４８に回転可能に結合される。
【００６９】
本開示の当業者は、ロッド１４５ａ及び１４５ｂが、順方向又は逆方向においてそれぞれのモーター１４３ａ及び４３ｂによって一緒に線形的に作動させられて、それによりシャフト１４１に対してエンドエフェクタ１４８を並進させることを了解されよう。
【００７０】
本開示の当業者は、順方向又は逆方向におけるロッド１４５ａの排他的線形作動は、シャフト１４１に対してエンドエフェクタ１４８を枢動させることを更に了解されよう。同様に、順方向又は逆方向におけるロッド１４５ｂの排他的線形作動は、シャフト１４１に対してエンドエフェクタ１４８を逆枢動させる。更に、異なる速度における、順方向又は逆方向におけるロッド１４５ａ及びロッド１４５ｂの線形作動は、シャフト１４１に対してエンドエフェクタ１４８を枢動させることになる。
【００７１】
本開示の当業者は、逆方向におけるロッド１４５ａの線形作動と、順方向におけるロッド１４５ｂの線形作動とは、シャフト１４１に対して反時計方向においてエンドエフェクタ１４８を回転させることを更に了解されよう。逆に、順方向におけるロッド１４５ａの線形作動と、逆方向におけるロッド１４５ｂの線形作動とは、シャフト１４１に対して時計回りにエンドエフェクタ１４８を回転させる。
【００７２】
図５を参照すると、本開示の超音波検知誘導システムは、任意のタイプの低侵襲処置中に手術台ＯＴ上にうつ伏せに横たわっている患者Ｐの解剖学的対象物内に介入ツールを配備するための、操縦可能導入器１４０と、超音波モーターコントローラ１８０と、透視撮像器１００（たとえば、図示のようなモバイルｃアーム）及び／又は超音波トランスデューサ１５０と、超音波検知誘導ワークステーション１１０と、制御ネットワーク１１０とを利用する。
【００７３】
当技術分野で知られているように、透視撮像器１００は、概して、Ｘ線生成器１０１と、画像増強器１０２と、透視撮像器１００を回転させるためのカラー１０３とを備える。当技術分野で知られているような動作中に、Ｘ線コントローラ１０４は、患者Ｐの解剖学的対象物（たとえば、低侵襲大動脈弁置換術中の患者Ｐの心臓）の透視画像を示す撮像データ１０５の、透視撮像器１００による生成を制御する。
【００７４】
実際には、Ｘ線コントローラ１０４は、Ｘ線撮像ワークステーション（図示せず）内に設置されるか、又は代替的に超音波検知誘導ワークステーション１１０内に設置される。
【００７５】
超音波トランスデューサ１５０は、特定の低侵襲処置に好適な任意のタイプのトランスデューサ（たとえば、図示のような低侵襲大動脈弁置換術のための経食道心エコー検査（ＴＥＥ）トランスデューサ）である。当技術分野で知られているような動作中に、超音波コントローラ１５１は、患者Ｐの解剖学的対象物（たとえば、低侵襲大動脈弁置換術中の患者Ｐの心臓）の超音波画像を示す撮像データ１５２の、超音波トランスデューサ１５０による生成を制御する。
【００７６】
実際には、超音波コントローラ１５１は、超音波撮像ワークステーション（図示せず）内に設置されるか、又は代替的に超音波検知誘導ワークステーション１１０内に設置される。
【００７７】
ワークステーション１１０は、モニタ１１１と、キーボード１１２と、コンピュータ１  １２とを利用するスタンドアロンコンピューティングシステムの知られている構成においてアセンブルされる。
【００７８】
制御ネットワーク１１０は、コンピュータ１１２上に設置され、画像プランニングモジュール１２２と画像操縦モジュール１２３とを備えるアプリケーションモジュール１２１を利用する。制御ネットワーク１１０は超音波検知誘導コントローラ１２４を更に備える。
【００７９】
超音波検知誘導コントローラ１２４は、概して、モニタ１１１上での画像の図示のために、当技術分野で知られているように画像データを処理する。たとえば、超音波検知誘導コントローラ１２４は、モニタ１１１上でのＸ線画像の図示のためにＸ線画像データ１０５を処理し、及び／又はモニタ１１１上での超音波画像の図示のために超音波画像データ１５２を処理する。
【００８０】
低侵襲処置のサポートとして、超音波検知誘導コントローラ１２４は、たとえば、図６に示されているように、患者Ｐの心臓の大動脈弁ＡＶなど、患者Ｐの解剖学的対象物の構造に対する介入ツールの同軸整列及び／又は同一平面内整列のユーザ描画を容易にするために、画像プランニングモジュール１２２を実行するか、又はそれにアクセスする。この目的で、超音波検知誘導コントローラ１２４は、モニタ１１１上での解剖学的対象物の構造のＸ線画像及び／又は超音波画像の図示を制御するか、或いは、同時に又は代替的に、モニタ１１１上での対象物の構造のレジストレーションされた術前画像（たとえば、コンピュータ断層撮影画像又は磁気共鳴画像）の図示を制御する。ワークステーション１１０のオペレータは、（１つ又は複数の）画像内に、表示された（１つ又は複数の）画像内の患者Ｐの解剖学的対象物の構造に対する介入ツールの同軸整列及び／又は同一平面内整列を達成するために、操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの目標作動位置を描画する。
【００８１】
たとえば、ワークステーション１１０のオペレータは、（１つ又は複数の）画像内に、図６に示されているように、疾患のある大動脈弁ＡＶの弁輪軸と弁輪平面との交点に基づいて操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの目標作動位置を描画する。
【００８２】
低侵襲処置中に、超音波検知誘導コントローラ１２４は、（１つ又は複数の）表示された画像内の操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタを識別するために、画像操縦モジュール１２３を実行するか又はそれにアクセスし、そこで、超音波検知誘導コントローラ１２４は、患者Ｐの解剖学的対象物の構造に対する介入ツールの同軸整列及び／又は同一平面内整列を達成するために、目標作動位置に達するのに必要な操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの任意の必要な並進、枢動及び／又は回転を確認する。
【００８３】
たとえば、超音波検知誘導コントローラ１２４は、（１つ又は複数の）画像内で、図６に示されているように、疾患のある大動脈弁ＡＶの描画された弁輪軸と弁輪平面とに対する操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタを識別し、そこで、超音波検知誘導コントローラ１２４は、疾患のある大動脈弁ＡＶの弁輪軸との同軸整列と弁輪平面の同一平面内整列とを達成するために、目標作動位置に達するのに必要な操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの任意の必要な並進、枢動及び／又は回転を確認する。
【００８４】
実際には、画像操縦モジュール１２３は、操縦可能導入器１４０のキネマティクスを実施するように構築される。操縦可能導入器１４０の当技術分野で知られているキネマティックモデルを実施することによって、超音波検知誘導コントローラ１２４による画像操縦モジュール１２３の実行は、本明細書で更に説明されるように、超音波検知誘導コントローラ１２４が、目標作動位置に達するために操縦可能導入器１４０の（１つ又は複数の）線形アクチュエータについての（１つ又は複数の）直線運動パラメータを確認することを可能にする。超音波検知誘導コントローラ１２４は、（１つ又は複数の）線形アクチュエータについての所望の（１つ又は複数の）直線運動パラメータの情報を与える運動作動コマンド１３６を生成し、患者Ｐの解剖学的対象物の構造に対する介入ツールの同軸整列及び／又は同一平面内整列を達成するために、目標作動位置に達するために操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの（１つ又は複数の）線形アクチュエータによる並進、枢動及び／又は回転を作動させるための運動作動コマンド１３６を超音波モーターコントローラ１８０に通信する。運動作動コマンド１３６の生成は、本明細書で前に説明されたように、操縦可能導入器１４０によって放出された音響波の超音波検知誘導コントローラ１２４による検知に関与する。音響波の検知は、目標作動位置に対する操縦可能導入器１４０の正確な位置決めを容易にする。
【００８５】
たとえば、超音波検知誘導コントローラ１２４は、図６に示されているように、疾患のある大動脈弁ＡＶの弁輪軸との同軸整列と弁輪平面の同一平面内整列とを達成するために、目標作動位置に達するのに必要な操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの（１つ又は複数の）線形アクチュエータによる並進、枢動及び／又は回転を作動させるための運動作動コマンド１３６を生成する。運動作動コマンド１３６の生成は、操縦可能導入器１４０によって放出された音響波の超音波検知誘導コントローラ１２４による検知に関与し、その検知は、図６に示されているように、疾患のある大動脈弁ＡＶの弁輪軸との同軸整列と弁輪平面の同一平面内整列とを達成するために、目標作動位置に対する操縦可能導入器１４０の正確な位置決めを容易にする。
【００８６】
実際には、超音波モーターコントローラ１８０は、スタンドアロンコントローラであるか、又は超音波検知誘導ワークステーション１１０内に設置される。
【００８７】
本開示の様々な発明の更なる理解を容易にするために、図７の以下の説明は、低侵襲大動脈弁置換術のコンテキストにおける本開示の超音波検知誘導方法に関連する基本的な発明の原理を教示する。この説明から、当業者は、本開示の操縦可能導入器に好適な任意のタイプの低侵襲処置のための本開示の超音波検知誘導方法の追加の実施形態を製作及び使用するために本開示の発明の原理をどのように適用すべきかを了解されよう。
【００８８】
図７を参照すると、フローチャート２００の段階Ｓ２０２は、患者の胸腔を囲む透視撮像器１００（図５）を介した、又は患者の食道中に配置されたＴＥＥプローブ１５０（図５）を介した、外科画像に示されているような患者の心臓中への操縦可能導入器１４０（図５）のユーザ配置を包含する。
【００８９】
段階Ｓ２０２の経心尖アプローチは、胸部の下側部分における小切開と、鼓動している心臓の左心室における小穿刺とに関与する。心臓中への操縦可能導入器１４０の配置は、透視撮像器１００又はＴＥＥプローブ１５０を介した外科画像に示されているような左心室内の任意の場所に操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタを位置決めする。
【００９０】
たとえば、シナリオ２１０ａは、心臓の大動脈弁ＡＶとの、操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの例示的な同軸整列及び同一平面内整列不良である。
【００９１】
更なる例によって、シナリオ２１１ａは、心臓の大動脈弁ＡＶとの、操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの例示的な同軸整列不良及び同一平面内整列不良である。
【００９２】
段階Ｓ２０２の経大動脈アプローチは、患者の胸部の上側部分における小切開と、患者の鼓動している心臓の大動脈における小穿刺とに関与する。心臓中への操縦可能導入器１４０の配置は、ＴＥＥプローブ１５０又は代替的に透視撮像器１００を介した外科画像に示されているような大動脈内の任意の場所に操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタを位置（すなわち、ロケーション及び配向）決めする。
【００９３】
当業者は、シナリオ２１０ａ及び２１１ａに類似する経大動脈アプローチの例示的な経心尖シナリオを了解されよう。
【００９４】
フローチャート２００の段階Ｓ２０４は、超音波検知誘導コントローラ１２４（図５）が、適用可能な撮像モダリティ、透視撮像器１００又はＴＥＥプローブ１５０に対する操縦可能導入器１４０のレジストレーションを容易にすることを包含する。
【００９５】
実際には、レジストレーションは、操縦可能導入器１４０の作動座標系と適用可能な撮像モダリティの画像座標系との間の変換行列を生成するための当技術分野における知られている技法によって実行される。
【００９６】
操縦可能導入器１４０の作動座標系は、詳細には、エンドエフェクタの規定点のロケーション（たとえば、中心点）と、エンドエフェクタの規定点のロケーションの周りのエンドエフェクタの配向とに関して、作動座標系内の操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの位置を追跡するための基準点を定義する。
【００９７】
適用可能な撮像モダリティの画像座標系は、解剖学的構造の位置と、解剖学的対象物のライブ画像内の操縦可能導入器１４０の位置とを識別するための基準点を定義する。
【００９８】
また、実際には、操縦可能導入器１４０の作動座標系は、操縦可能導入器１４０のシャフトが心筋中に固定されることに鑑みて静的であると仮定される。それと比較して、画像座標系は、適用可能な撮像モダリティの固定された位置決めに鑑みて静的であり、そこで、初期レジストレーションは、フローチャート２００の実行にわたって維持される。逆に、画像座標系は、適用可能な撮像モダリティの変化する位置決めに鑑みて動的であり、そこで、初期レジストレーションは、フローチャート２００の実行にわたって必要に応じて更新される。
【００９９】
フローチャート２００の段階Ｓ２０４は、超音波検知誘導コントローラ１２４が、解剖学的対象物のライブ画像内の操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの目標位置の外科医描画又は画像描画を容易にすることを更に包含する。
【０１００】
一実施形態では、外科医は、解剖学的物体のライブ画像内に操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの所望の目標位置の輪郭を描く。
【０１０１】
第２の実施形態では、超音波検知誘導コントローラ１２４は、当技術分野で知られているように解剖学的対象物のライブ画像内で目標にされる構造の自動セグメント化を実施し、セグメント化された構造に対する操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの所望の目標位置を決定する。
【０１０２】
実際には、描画される目標位置は、中心と、平面に対して垂直な単位ベクトルとによって定義される平面として説明される。
【０１０３】
フローチャート２００の段階Ｓ２０６は、心臓のライブ画像（たとえば、Ｘ線又は超音波）に示されている心臓の大動脈弁ＡＶとの、操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの同軸整列及び／又は同一平面内整列を達成するために、それのエンドエフェクタを描画された目標位置に操縦するための、超音波検知誘導コントローラ１２４による操縦可能導入器１４０の作動を包含する。
【０１０４】
たとえば、シナリオ２１０ｂは、エンドエフェクタの例示的な並進運動であり、それにより、心臓の大動脈弁ＡＶとの操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの同軸整列及び同一平面内整列を達成する。
【０１０５】
更なる例によって、シナリオ２１１ｂは、エンドエフェクタの例示的な並進運動及び縦揺れ運動であり、それにより、心臓の大動脈弁ＡＶとの操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの同軸整列及び同一平面内整列を達成する。
【０１０６】
当業者は、経心尖シナリオ２１０ｂ〜１５２ｂに類似する経大動脈アプローチの例示的なシナリオを了解されよう。
【０１０７】
フローチャート２００の段階Ｓ２０８は、人工弁を支持するバルーンカテーテルを、操縦可能導入器１４０及びそれのエンドエフェクタに通し、人工弁を支持するバルーンカテーテルの位置決めを誘導することによる、人工弁の配備を包含する。代替的に、バルーンカテーテルは、段階Ｓ２０２及びＳ２０４中に操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタに固定的に又は分離可能に接合し、そこで、ライブ画像を介して、超音波検知誘導コントローラ１２４は、段階Ｓ２０２の操縦可能導入器１４０の配置中に、及び段階Ｓ２０６中のエンドエフェクタの位置決め中にバルーンカテーテルを識別し、対処する。
【０１０８】
フローチャート２００は、人工弁を配備すると終了する。
【０１０９】
図８は、段階Ｓ２０６（図７）中に実行される制御ループを示す。図８を参照すると、制御ループは、ＴＥＥプローブ１５０が、解剖学的領域１０内の双方向波によって象徴される超音波の放出及び受信によって超音波画像データ６２ｃを生成することを含み、そこで、解剖学的領域１０内の操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの位置決めを示す超音波画像は、鼓動している心臓の左心室ＬＶ内の操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの目標作動位置９０ａを描画し、鼓動している心臓の左心室ＬＶ内の操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの現在の作動位置９１ａを検出するために利用される。
【０１１０】
図８に示されているように、制御ループは、本開示の超音波検知誘導コントローラの医療ツールアクチュエータ７２ｃが、前に説明された式［１］に従って、目標作動位置９０ａの中心ｃｖと検出された作動位置９１ａの中心ｃｄとの間のドット差分として位置距離誤差信号ｅｄを確認することを更に含む。
【０１１１】
医療ツールアクチュエータ７２ｃは、前に説明された式［２］に従って、角度誤差を示す２つの平面の法線のドット積として整列誤差信号ｅａを更に確認する。
【０１１２】
医療ツールアクチュエータ７２ｃは、前に説明された式［３］に従って、目標作動位置９０ａの中心ｃｖと、検出された作動位置９１ａに最も近い解剖学的領域１０内の解剖学的構造のスポットロケーションｃｓとの間のドット差分として安全誤差信号ｅｓ（図示せず）を更に確認する。
【０１１３】
（適用可能な場合）位置距離誤差信号と整列誤差信号とから、医療ツールアクチュエータ７２ｃは、誤差信号を最小限に抑える（たとえば、（適用可能な場合）安全誤差信号のコンテキスト内で（１つ又は複数の）誤差信号を０に駆動する）ための運動作動コマンド７３ｃを生成する。医療ツールアクチュエータ７２ｃは運動作動コマンド７３ｃを通信し、そこで、超音波モーターコントローラ８０ｃは、操縦可能導入器１４０の超音波モーターのための線形駆動信号８１ｄを確認するために、（１つ又は複数の）適用可能な誤差信号を操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの逆キネマティクス算出への入力として処理して、それにより、目標位置９０ａへの操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの必要な並進を作動させる。
【０１１４】
操縦可能導入器１４０の超音波モーターが目標位置９０ａに操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタを並進させるとき、超音波トランスデューサ５０ａは、操縦可能導入器１４０の超音波モーターによって放出された音響波の検知の情報を与える音響検知データ６１ａを生成し、そこで、超音波検知誘導コントローラの運動作動検出器７１ｃは、音響波の波形の音響波画像を生成する。音響波の波形のピークを検出することによって、モーター作動検出器７１ｃは、操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタの検出された作動位置９１ｂを確認し、そこで、医療ツールアクチュエータ７２ｃは、操縦可能導入器１４０のエンドエフェクタが目標作動位置９０ａに達するまで、（１つ又は複数の）誤差信号を継続的に生成する。
【０１１５】
実際には、検出された作動位置９１ｂは、鼓動している心臓の左心室ＬＶの超音波画像と音響波画像の両方に基づいて検出され、そこで、画像のうちの一方は、検出された作動位置９１ｂの１次ソースとして働き、他方の画像は、検出された作動位置を確認するために働く。
【０１１６】
また、実際には、アプリケーションモジュール７４〜７７（図１）又はそれらの均等物は、制御ループのサポートとして組み込まれる。
【０１１７】
図１〜図８を参照すると、当業者は、限定はしないが、医療ツールの正確な位置決めのための検出可能な音響波を生成するために超音波モーターの新規及び独自の利用による医療ツールの正確な位置決めのための、組み合わせられた超音波撮像及び検知を使用する医療ツールの制御を与えることにおける、本開示の発明による超音波誘導システム及び方法の改善を含む、本開示の多数の利益を了解されよう。
【０１１８】
更に、本明細書で提供される教示に鑑みて当業者が了解するように、本開示／明細書で説明される、及び／又は図に描写される特徴、要素、構成要素などは、電子的構成要素／回路、ハードウェア、実行可能ソフトウェア及び実行可能ファームウェアの様々な組合せで実施され、単一の要素又は複数の要素において組み合わせられる機能を与える。たとえば、図に示され／例示され／描写される様々な特徴、要素、構成要素などの機能は、専用ハードウェア、並びに適切なソフトウェアに関連してソフトウェアを実行することが可能なハードウェアの使用によって与えられ得る。プロセッサによって与えられるときに、機能は、単一の専用プロセッサによって、単一の共有プロセッサによって、又はそのうちのいくつかが共有及び／又は多重化され得る複数の個々のプロセッサによって与えられ得る。その上、「プロセッサ」という用語の明示的使用は、ソフトウェアを実行することが可能なハードウェアを排他的に指すものと解釈されるべきでなく、限定はしないが、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）ハードウェア、メモリ（たとえば、ソフトウェアを記憶するための読取り専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、不揮発性記憶装置など）、並びにプロセスを実行及び／又は制御することが可能（及び／又はそのように構成可能）である（ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、回路、それらの組合せなどを含む）ほぼすべての手段及び／又は機械を暗黙的に含むことができる。
【０１１９】
その上、本発明の原理、態様及び実施形態、並びにその特定の例を具陳する本明細書でのすべての記述は、その構造的均等物と機能的均等物の両方を包含するものとする。更に、そのような均等物は、現在知られている均等物、並びに将来において開発される均等物（たとえば、構造にかかわらず、同じ又は実質的に同様の機能を実行することができる、開発される任意の要素）の両方を含むものとする。したがって、たとえば、本明細書で提供される教示に鑑みて、本明細書で提示されるブロック図が、本発明の原理を具現する例示的なシステム構成要素及び／又は回路の概念ビューを表すことができることは、当業者によって了解されよう。同様に、当業者は、本明細書で提供される教示に鑑みて、フローチャート、流れ図などが、コンピュータ可読記憶媒体で実質的に表され、コンピュータ、プロセッサ又は処理能力をもつ他のデバイスによって、そのようなコンピュータ又はプロセッサが明示的に示されているか否かにかかわらず、そのように実行され得る様々なプロセスを表すことができることを了解されたい。
【０１２０】
更に、本開示の例示的な実施形態は、たとえば、コンピュータ又は任意の命令実行システムによって、又はそれとともに使用するためのプログラムコード及び／又は命令を与える、コンピュータ使用可能及び／又はコンピュータ可読記憶媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品又はアプリケーションモジュールの形態をとることができる。本開示によれば、コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読記憶媒体は、たとえば、命令実行システム、装置又はデバイスによって、又はそれとともに使用するためのプログラムを含むか、記憶するか、通信するか、伝搬するか又はトランスポートすることができる任意の装置であり得る。そのような例示的な媒体は、たとえば、電子、磁気、光、電磁、赤外又は半導体システム（又は装置又はデバイス）或いは伝搬媒体であり得る。コンピュータ可読媒体の例としては、たとえば、半導体又はソリッドステートメモリ、磁気テープ、リムーバブルコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュ（ドライブ）、剛性磁気ディスク、及び光ディスクがある。光ディスクの現在の例としては、コンパクトディスク読取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクトディスク読取り／書込み（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）及びＤＶＤがある。更に、今後開発される任意の新しいコンピュータ可読媒体も、本開示の例示的な実施形態及び開示に従って使用又は言及されるようなコンピュータ可読媒体と見なされることを理解されたい。
【０１２１】
新規で発明的な超音波検知誘導システム及び方法の好ましく、例示的な（例示的なものであり、限定するものでない）実施形態について説明したが、修正及び変形が、図を含む、本明細書で提供される教示に照らして当業者によって行われ得ることに留意されたい。したがって、本明細書で開示される実施形態の範囲内にある、本開示の好ましく、例示的な実施形態において／それらに対して変更が行われ得ることを理解されたい。
【０１２２】
その上、デバイスを組み込む及び／又は実装する、或いは本開示によるデバイス中で使用／実装されるなどの、対応する及び／又は関係するシステムも、本開示の範囲内に入ると企図され、見なされる。更に、本開示によるデバイス及び／又はシステムを製造及び／又は使用するための対応する及び／又は関係する方法も、本開示の範囲内に入ると企図され、見なされる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【図８】
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【国際調査報告】
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