JP5939601B1 - 超音波プローブの位置姿勢提示システム、画像生成装置及びそのプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】超音波プローブの手振れや組織の移動や変形があった場合に、超音波プローブの最適状態に対する現在のずれ具合を提示できる超音波診断装置を提供する。【解決手段】位置姿勢提示システム１０は、超音波プローブ１３の位置及び姿勢を検出する位置姿勢検出装置２０と、当該位置及び姿勢に基づいてプローブ状態表示画像を生成する画像生成装置２１とを備えている。画像生成装置２１は、組織周辺の複数の超音波画像の各画像情報に、位置姿勢検出装置２０で検出された情報を加えた基礎データを生成する基礎データ生成手段２３と、組織の状態変化に対応して基礎データを補正する基礎データ補正手段２４と、基礎データ補正手段２４を経た基礎データに基づいて、最適画像が得られる超音波プローブ１３の最適状態に対する現在の超音波プローブ１３のずれ具合を所定のマークで表示するようにプローブ状態表示画像を構築する画像構築手段２５とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波ガイド下で血管等の組織に穿刺を行う際に、超音波プローブの操作をガイドするための超音波プローブの位置姿勢提示システム、画像生成装置及びそのプログラムに関する。更に詳しくは、穿刺の最適部位が現れる超音波画像が得られた後、超音波プローブを操作する医師等の操作者の手振れ、患者の動作、拍動や呼吸動による組織の変形等が生じることにより、超音波画像内から最適部位が外れた場合に、当該最適部位が現れる超音波画像をスムーズに再取得するための超音波プローブの位置姿勢提示システム、画像生成装置及びそのプログラムに関する。

患者の体内組織への穿刺は、医療の様々な場面に用いられており、一例として、輸液を行うために中心静脈にカテーテルを体表から経皮的に挿入するための中心静脈カテーテル挿入（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｖｅｎｏｕｓ Ｃａｔｈｅｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ、以下、「ＣＶＣ」と称する）がある。このＣＶＣは、患者の体外から中心静脈内にカテーテルを挿入するまで、医師が超音波画像で観察しながら行われる。ここで、カテーテルが挿入される中心静脈は、体表から約１０ｍｍ程度離れた深い位置にあるため、穿刺針の進入経路が中心静脈から外れ易い。また、中心静脈は、血圧が低いために穿刺中に血管が潰れて針先端が静脈を突き抜け易い。このように、穿刺経路のずれや針の突き抜けが生じると、動脈や肺への誤穿刺による大量出血や気胸などの合併症を発生させる虞がある。

そこで、ＣＶＣ等の手技における精確な穿刺を支援するために、穿刺針の先端を血管内のターゲットに確実に到達させるように穿刺針を自動的に動作させるマニピュレータを備えた穿刺支援システムが研究されている（特許文献１参照）。この穿刺支援システムでは、操作者が超音波プローブを手で把持して患者の皮膚上を走査し、その際に得られる超音波画像を操作者が見ながら穿刺を行う血管の最適部位を探索する。そして、当該最適部位が発見されたら、そのときの超音波プローブの位置及び姿勢を操作者が維持しながら、スイッチを押すことで、マニピュレータの動作により、超音波プローブの撮像面に沿って穿刺針が移動する。ＣＶＣにおいては、血管軸に平行となる向きで超音波プローブを設置して、その際に得られる長軸断面の超音波画像を取得することが必要であり、その中でも、血管軸を含む長軸断面の断層画像は、当該画像中で血管の上壁と下壁間の距離が最大となるため、穿刺を行う際の血管の最適部位が現れる超音波画像となる。従って、ＣＶＣにおける穿刺の際には、血管軸を含む長軸断面の断層画像が得られるように、超音波プローブの位置及び姿勢が調整される。

ここで、操作者は、血管の最適部位が現れる超音波画像が得られてからマニピュレータで穿刺を行うまでの間、そのときの超音波プローブの位置及び姿勢を維持する必要がある。しかしながら、この間に操作者の手振れが生じた場合に、血管の最適部位から外れた超音波画像が得られ、そのままでは精確な穿刺を行えないため、操作者が血管の最適部位を再探索する必要が生じる。また、血管の最適部位が現れる超音波画像が得られた後で、超音波プローブの位置及び姿勢を一定の状態に維持していても、患者の動作、血管の拍動、呼吸動、或いは、患者への超音波プローブによる押圧力の変化に起因する体内組織の変形等が生じた場合、ターゲットとする血管の移動や変形等の状態変化が生じることになり、この場合にも、操作者が血管の最適部位を再探索する必要が生じる。これらの場合、操作者は、血管の最適部位が現れる超音波画像が得られるように、超音波プローブの最適な位置及び姿勢を再度手探りで発見しなければならず、作業が面倒であり、穿刺までの準備時間が掛かることになる。そこで、これらの場合のように、血管の最適部位が超音波画像から外れたとしても、一旦発見した血管の最適部位が現れる超音波画像を再取得する上で、どの程度、超音波プローブを移動、回転させれば良いかを直感的に操作者に提示可能なツールがあると、血管の最適部位の再探索をスムーズに行うことができる。

ところで、特許文献２には、超音波プローブの位置、姿勢に応じて、超音波プローブによる超音波ビームの方向を表す映像指示子が画面に提示される超音波システムが開示されている。この超音波システムでは、初期化ボタンの操作により、そのときの超音波プローブの位置、姿勢が、基準位置、基準姿勢として設定された上で、当該基準位置、基準姿勢に対する現在の超音波プローブの位置、姿勢に応じて映像指示子を画面上で移動させるようになっている。従って、この超音波システムにあっては、血管の最適部位が得られる超音波プローブの最適な位置及び姿勢のときに、前記初期化ボタンを操作し、その後、手振れ等によって超音波プローブの位置や姿勢が変わった場合でも、操作者は、最適となる超音波ビームの方向に対する現在のずれ状態を画面上で認識することできる。

特許第５５３１２３９号公報 特開２０１２−１７６２３９号公報

しかしながら、前記特許文献２の超音波システムにあっては、治療中の患者の動き等に起因する血管の体内移動が生じた場合や、血管の拍動、患者の呼吸動、或いは超音波プローブの押圧力の変化等に起因する体内組織の変形が生じた場合に、超音波プローブの位置ずれ、姿勢ずれの状態を画面に正確に表示できないという不都合がある。すなわち、これらの場合では、操作者が超音波プローブの位置や姿勢を維持していても、ターゲットとする血管が体内で移動、変形してしまっているため、得られる超音波画像は、血管の最適部位から外れた画像になってしまう。ところが、前記超音波システムの画面上では、超音波プローブの位置や姿勢が空間内で維持されていることから、前記基準位置及び基準姿勢のときの超音波ビームの方向から映像指示子が動かない。このため、血管の移動や変形が生じた場合には、実際取得した超音波画像の状態と映像指示子の状態とが合致せず、映像指示子を超音波プローブの操作上の目安として利用することができない。

本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、操作者による超音波プローブの手振れや、ターゲットとなる組織の移動や変形があった場合に、所望とする超音波画像が得られる超音波プローブの位置や姿勢に対する現在のずれ具合を正確に提示することのできる超音波プローブの位置姿勢提示システム、画像生成装置及びそのプログラムを提供することにある。

本発明は、主として、操作者が患者の体表部分に超音波プローブを接触させることにより、当該患者の体内組織の超音波画像を取得する超音波診断装置に付設され、前記超音波プローブの位置及び姿勢に基づく配置状態を表示するプローブ状態表示画像を前記操作者に提示する超音波プローブの位置姿勢提示システムにおいて、前記超音波プローブの位置及び姿勢を検出する位置姿勢検出装置と、当該位置姿勢検出装置によって検出された前記超音波プローブの位置及び姿勢に基づいて、前記プローブ状態表示画像を生成する画像生成装置とを備え、前記画像生成装置は、ターゲットとする組織周辺で予め取得された複数の前記超音波画像の各画像情報に前記位置姿勢検出装置で検出された情報を加えた基礎データを生成する基礎データ生成手段と、前記組織の状態変化に対応して前記基礎データを補正する基礎データ補正手段と、当該基礎データ補正手段を経た前記基礎データに基づいて、所望とする前記超音波画像である最適画像が得られる前記超音波プローブの最適状態に対する現在の前記超音波プローブのずれ具合を所定のマークで表示するように、前記プローブ状態表示画像を構築する画像構築手段とを備える、という構成を採っている。

本発明によれば、所望とする超音波画像が得られる超音波プローブの最適状態に対する現在の前記超音波プローブのずれ具合を表すプローブ状態表示画像が生成され、操作者に提示されるため、超音波プローブの手振れが生じた場合でも、操作者は、プローブ状態表示画像を見ながら血管の最適部位の再探索をスムーズに行うことができる。しかも、プローブ状態表示画像は、組織の状態変化に対応して補正された基礎データに基づいて生成されるため、ターゲットとなる組織の移動や変形があった場合でも、超音波プローブの最適状態に対する現在のずれ具合を正確に提示することができる。

本実施形態に係る超音波プローブの位置姿勢提示システムの概略構成図。 基礎データの生成に際する座標系を説明するための概念図。 プローブ状態表示画像のモニタへの表示例を示す図。 プローブ状態表示画像の一例を示す図。 画像生成装置の構成を示すブロック図。 （Ａ）は、基礎データの作成時の処理を説明するための概念図であり、（Ｂ）は、基礎データの変換時の処理を説明するための概念図である。 プローブ状態表示画像のモニタへの他の表示例を示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１には、本実施形態に係る超音波プローブの位置姿勢提示システムの概略構成図が示されている。この図において、前記位置姿勢提示システム１０は、人体の体表から超音波を当てて体内の断層画像を取得する公知の超音波診断装置１１に付設されるシステムである。

ここで、超音波診断装置１１は、患者の体表部分に接触して超音波パルスの送波及びエコーの受波を行う超音波プローブ１３（超音波探触子）と、超音波プローブ１３からの信号によって、超音波プローブ１３が接触する体表部分の下の体内組織の断層画像である超音波画像（Ｂモード画像）を生成する断層画像生成手段１４と、超音波画像等を表示するモニタ１６とを備えている。

ここで、超音波診断装置１１は、公知の構造のものが採用されており、本発明の本質部分ではないため、ここでは、構成等の詳細な説明を省略する。

前記超音波プローブ１３には、超音波診断装置１１で取得した超音波画像に基づき、穿刺針Ｎを動作させて組織としての血管Ｂ内のターゲットに穿刺を行う穿刺支援マニピュレータ１７を支持可能なアタッチメント１８が取り付けられている。穿刺支援マニピュレータ１７は、医師等の操作者によるスイッチ操作により、所望の位置で穿刺針Ｎを体内のターゲットに向かって移動させる公知の構造となっている。この穿刺支援マニピュレータ１７の動作に際して、操作者は、モニタ１６の超音波画像を見ながら、アタッチメント１８の部分を手で持って超音波プローブ１３を患者の皮膚表面に沿って動かし、穿刺に最適となる血管Ｂの最適部位を探索する。そして、当該最適部位が発見されたら、このときの超音波画像に基づいて穿刺支援マニピュレータ１７の動作時の穿刺針Ｎの進路が決定され、操作者のスイッチ操作により、前記進路に沿って穿刺針Ｎが移動してターゲットへの穿刺がなされる。従って、穿刺支援マニピュレータ１７を用いて血管Ｂのターゲットに穿刺を行う際には、当該血管Ｂの最適部位の超音波画像が得られる超音波プローブ１３の位置及び姿勢となる最適状態を操作者の手で保持する必要がある。

なお、特に限定されるものではないが、本実施形態においては、穿刺支援マニピュレータ１７が中心静脈カテーテル挿入（ＣＶＣ）による穿刺に適用されるようになっており、この場合の血管Ｂにおける最適部位は、血管軸に平行となる血管Ｂの長軸方向における長軸断面の断層画像のうち、血管Ｂの上壁及び下壁の間の距離が最大となる断層画像、すなわち、図２に示されるように、血管軸Ａを通る長軸断面の断層画像に表れる血管部位となる。換言すると、ＣＶＣにおいて、穿刺時に所望とする超音波画像である最適画像Ｖｂは、血管軸Ａを通る長軸断面の断層画像となる。ここで、最適画像Ｖｂは、血管軸Ａに沿う長軸方向（図２中Ｘ軸方向）に垂直となる短軸方向（同図中Ｚ軸方向）に、操作者の手で超音波プローブ１３を走査することで発見される。

前記位置姿勢提示システム１０は、最適画像Ｖｂが得られるときの超音波プローブ１３の位置及び姿勢のときの最適状態に対する現在の超音波プローブ１３の変化状態を画像で表したプローブ状態表示画像を生成し、当該プローブ状態表示画像をモニタ１６に表示するシステムである。ここで、特に限定されるものではないが、図３に示されるように、モニタ１６には、超音波プローブ１３で取得された超音波画像の表示領域１６Ａと、プローブ状態表示画像Ｐの表示領域１６Ｂとが設けられている。ここで、図４に示されるように、プローブ状態表示画像Ｐには、最適画像Ｖｂが得られるときの超音波プローブ１３の位置及び姿勢に対応して擬似的に設けられた目標マークＭ１と、現在の超音波プローブ１３の位置及び姿勢に対応して擬似的に設けられた現状マークＭ２とが配置される。このプローブ状態表示画像Ｐにおいては、超音波プローブ１３の動きに合わせて現状マークＭ２が、目標マークＭ１に対して画面内を動くことで、最適画像Ｖｂが得られる超音波プローブ１３の最適状態に対する現在の超音波プローブ１３の位置及び姿勢のずれ具合を表示可能となっている。

この位置姿勢提示システム１０は、図１に示されるように、超音波プローブ１３の位置及び姿勢を検出する位置姿勢検出装置２０と、位置姿勢検出装置２０によって検出された超音波プローブ１３の位置及び姿勢に基づいて、プローブ状態表示画像Ｐを生成する画像生成装置２１とを備えている。

前記位置姿勢検出装置２０は、超音波プローブ１３に取り付けられて、実空間内の所定位置を原点とする直交３軸のグローバル座標系（図２参照）における超音波プローブ１３の３次元の位置及び姿勢を検出可能な公知のセンサからなる。このセンサとしては、当該３次元の位置及び姿勢を検出できる限りにおいて、磁気式や光学式等の種々の非接触タイプのものを用いることができる。また、位置姿勢検出装置２０では、検出した超音波プローブ１３の位置及び姿勢により、このときの超音波プローブ１３の撮像面における画像面領域（図２中破線領域）のグローバル座標系における位置及び姿勢が求められる。

前記画像生成装置２１は、ＣＰＵ等の演算処理装置及びメモリやハードディスク等の記憶装置等からなるコンピュータによって構成され、当該コンピュータを以下の各手段として機能させるようになっている。

この画像生成装置２１は、ターゲットとする血管Ｂの周辺の各位置で予め取得された複数の超音波画像の各画像情報に位置姿勢検出装置２０で検出された情報を加えた基礎データを生成する基礎データ生成手段２３と、体内の血管Ｂの状態変化に対応して基礎データを補正する基礎データ補正手段２４と、基礎データ補正手段２４を経た基礎データに基づいてプローブ状態表示画像Ｐを構築する画像構築手段２５とを備えて構成されている。

前記基礎データ生成手段２３は、図５に示されるように、超音波診断装置１１の断層画像生成手段１４で生成された超音波画像の画像情報を取得する画像情報取得部２７と、位置姿勢検出装置２０で検出された超音波プローブ１３の位置姿勢情報を取得する位置姿勢情報取得部２８と、画像情報取得部２７で取得した画像情報と位置姿勢情報取得部２８で取得した位置姿勢情報とにより基礎データを構築する基礎データ構築部２９と、基礎データを記憶する記憶部３０とを備えて構成されている。

前記画像情報取得部２７では、操作者が超音波プローブ１３のアタッチメント１８に設けられたスキャンスイッチＳ１（図１参照）を押したときに、予め設定されたスキャン時間において、予め設定された一定の時間間隔で断層画像生成手段１７によりそれぞれ生成された超音波画像の画像情報が取得される。

前記位置姿勢情報取得部２８では、各超音波画像が得られたときの超音波プローブ１３の位置姿勢情報が取得される。

操作者は、患者に穿刺を行う前の初期設定として、スキャンスイッチＳ１を押した後、前記スキャン時間内において、モニタ１６に表示される超音波画像を見ながら、ターゲットとなる血管の周囲の皮膚面に沿って超音波プローブ１３を移動させることにより、一定時間間隔で、超音波プローブ１３の位置及び姿勢が相違した状態で撮像した超音波画像がそれぞれ取得されることになる。そこで、画像情報取得部２７では、当該初期設定時に撮像された各超音波画像の画像情報が取り込まれ、位置姿勢情報取得部２８では、当該各超音波画像が得られたときの超音波プローブ１３の位置姿勢情報が取り込まれる。また、初期設定時において、操作者が、穿刺に最適となる超音波画像である最適画像Ｖｂを発見したときに、アタッチメント１８に設けられた最適状態登録スイッチＳ２を押すと、そのときの画像情報が最適画像Ｖｂの画像情報として画像情報取得部２７に登録される。併せて、位置姿勢情報取得部２８では、最適画像Ｖｂが得られたときの超音波プローブ１３の位置姿勢情報が登録される。

前記基礎データ構築部２９では、画像情報取得部２７で取り込まれた初期設定時の各超音波画像の画像情報に、当該超音波画像が得られたときの超音波プローブ１３の位置姿勢情報を対応させた上で、次の座標変換により、前記基礎データが構築される。

すなわち、先ず、最適画像Ｖｂが得られたときの超音波プローブ１３の所定位置を原点Ｏとする直交３軸の局所座標系（図２参照）が設定される。この局所座標系は、最適画像Ｖｂが得られるときの超音波プローブ１３の下面中央部分、すなわち、位置姿勢検出装置２０の設置部分を原点として、超音波画像の撮像面である画像面領域における横方向（幅方向）をＸ軸、当該画像面領域における縦方向（深さ方向）をＹ軸、当該画像面領域における法線方向をＺ軸とするように設定される。そして、位置姿勢情報取得部２８で取得したグローバル座標系における各超音波画像の各ピクセル位置が、局所座標系に変換され、当該座標変換後の各ピクセル位置に、当該各ピクセルの画像情報（輝度情報）が対応して記憶された連側断層画像群からなるボクセルデータが基礎データ（図６（Ａ）参照）として生成される。その後、当該基礎データが記憶部３０に記憶される。なお、本実施形態では、超音波画像としてＢモードを対象としているが、本発明はこれに限定されず、例えば、カラードプラ等の他のモードの超音波画像を対象とすることもでき、この場合、ＲＧＢ情報が前記画像情報とされる。

前記基礎データ補正手段２４は、図５に示されるように、位置姿勢検出装置２０で検出された現在の超音波プローブ１３の位置及び姿勢に基づき、このときの超音波プローブ１３で得られた超音波画像に前記位置姿勢情報を付加した現データを取得する現データ取得部３２と、当該現データを基礎データと対比するデータ対比部３３と、当該対比の結果から、穿刺対象となる血管Ｂの状態変化の有無を判定し、当該状態変化の種類に応じて基礎データを補正する補正部３４とを備えて構成されている。

前記現データ取得部３２では、現在撮像されている超音波画像である現在画像の画像情報とともに、このときに位置姿勢検出装置２０で検出した位置姿勢情報が取り込まれ、現在画像の各ピクセルの画像情報に、当該現在画像の各ピクセル位置を付加することで、現データを取得するようになっている。ここでの各ピクセルの位置は、位置姿勢検出装置２０で検出された現在画像の画像面領域のグローバル座標系における位置及び姿勢に基づき、グローバル座標系での位置として求められる。

前記データ対比部３３は、記憶部３０に記憶された基礎データについて、現在画像の画像面領域に平行に所定間隔で切り出すことにより、２次元輝度分布データである比較画像を多数生成する比較画像生成部３６と、これら各比較画像それぞれを現在画像と対比して、現在画像に画像情報が最も近似する比較画像を近似画像として抽出する近似画像抽出部３７と、抽出された近似画像の画像面領域の位置及び姿勢を特定する近似画像状態特定部３８とからなる。

前記比較画像生成部３６では、図６（Ｂ）に示されるように、現在画像Ｖｎにおける画像面領域の位置を中心として予め設定された一定間隔毎に、当該画像面領域の法線方向（同図中１点鎖線の延出方向）に沿って、現在画像Ｖｎの画像面領域から平行移動しながら、基礎データが多数の画像面領域として切り出され、当該画像面領域が同図中破線で表される比較画像Ｖｃとされる。

前記近似画像抽出部３７では、テンプレートマッチング等の公知の画像処理手法により、各比較画像Ｖｃと現在画像Ｖｎとが比較されて、各比較画像Ｖｃについて、現在画像Ｖｎとの相関係数が算出される。そして、算出された相関係数のうち、所定の閾値以上で、且つ、相関係数が最大となる比較画像Ｖｃが近似画像Ｖｅとして特定される。

前記近似画像状態特定部３８では、局所座標系における近似画像Ｖｅの各ピクセルの位置から、当該近似画像Ｖｅの画像面領域のグローバル座標系における位置及び姿勢が求められる。

前記補正部３４は、図５に示されるように、現在画像Ｖｎ及び近似画像Ｖｅそれぞれについて、各画像面領域の位置及び姿勢の差である位置姿勢差を求める画像位置姿勢差算出部４２と、現在画像Ｖｎ及び近似画像Ｖｅのそれぞれに現れる血管Ｂの領域を特定する組織特定部４３と、組織特定部４３で特定された血管Ｂの領域の所定部分の距離を求める組織内距離検出部４４と、現在画像Ｖｎ及び近似画像Ｖｅにおける当該距離の差である距離差を求める画像間距離差算出部４５と、前記位置姿勢差及び前記距離差に基づき、基礎データを生成したときの初期設定時に対する血管Ｂの状態変化について判定し、当該状態変化に応じて基礎データを加工する判定処理部４６とからなる。

前記組織特定部４３では、超音波診断装置１１で得られた超音波画像の画像情報に基づく画像処理によって、当該画像内に現れる血管壁部分を特定する公知の処理手法が用いられており、当該処理手法については、発明の本質部分ではないため、ここでは詳細な説明を省略する。

前記組織内距離検出部４４では、現在画像Ｖｎ及び近似画像Ｖｅのそれぞれについて、組織特定部４３で特定された血管Ｂの上壁と下壁の間の距離が求められる。ここで、当該距離は、血管Ｂの脈動によって周期的に変動するため、超音波プローブ１３の状態を維持する際に数秒間の測定によって得られたそれぞれの値の平均値が採用される。

なお、組織特定部４３、組織内距離検出部４４及び画像間距離差算出部４５は、本実施形態において位置姿勢提示システム１０側に設けられているが、この態様に限定されず、それら一部若しくは全部の機能を超音波診断装置１１側に設け、前記距離の決定値若しくは前記距離差が位置姿勢提示システム１０側に送られる態様とすることもできる。

前記判定処理部４６では、画像位置姿勢差算出部４２で求めた現在画像Ｖｎ及び近似画像Ｖｅの画像面領域の位置姿勢差について、予め設定された許容誤差を閾値として、当該閾値以上か否かが判定されるとともに、画像間距離差算出部４５で求めた現在画像Ｖｎ及び近似画像Ｖｅにおける血管Ｂの上壁及び下壁の距離差について、予め設定された許容誤差を閾値として、当該閾値以上か否かが判定され、これらの判定結果に応じ、次のようにして基礎データが補正される。

第１の場合として、前記位置姿勢差が前記許容誤差以上で、前記距離差が前記許容誤差未満のときには、基礎データを取得した初期設定時と穿刺を行おうとする現時点との間で、患者自身が動いた等、超音波プローブ１３に対して血管Ｂが移動したと判定され、次の処理が行われる。すなわち、この場合には、基礎データが、グローバル座標系に変換された上で、図６（Ｂ）中矢印により概念的に示したように、現在画像Ｖｎ及び近似画像Ｖｅのそれぞれ画像面領域の位置及び姿勢が合致するように、基礎データ全体について移動変換及び／又は回転変換がなされ、基礎データの各位置がシフトされることになる。

第２の場合として、前記第１の場合の逆に、前記位置姿勢差が前記許容誤差未満で、前記距離差が前記許容誤差以上のときには、基礎データを取得した初期設定時と穿刺を行おうとする現時点との間で、血管Ｂの拍動、患者の呼吸動、超音波プローブ１３の押圧力の変化等によって、体内組織に変形が生じたと判定され、次の処理が行われる。すなわち、この場合には、予め記憶された有限要素モデル等に基づく変位計算式を用い、求めた前記距離差から、血管Ｂを含めたその周囲の組織の変形状態（変位分布）が推定され、当該推定に基づく基礎データの各位置における変位量が、当該各位置の座標に加算され、その結果、基礎データ全体が歪み変形されることになる。

第３の場合として、前記位置姿勢差と前記距離差が何れも前記許容誤差以上のときには、前記第１及び第２の場合の双方の事象が発生していると判定され、これら各場合における前述の各処理の双方が行われる。

第４の場合として、前記位置姿勢差と前記距離差が何れも前記許容誤差未満のときには、基礎データを取得した初期設定時と穿刺を行おうとする現時点との間で、血管Ｂの移動や変形が殆ど生じていないと判定され、初期設定時に生成された基礎データの加工処理は行われない。

前記第１、第２及び第３の場合において、前述の補正後の基礎データは、基礎データ生成手段２３で生成された当初の基礎データに対し、グローバル座標系において、初期設定時に設定した最適画像Ｖｂにおける画像面領域の位置及び姿勢がシフトしているため、当該位置及び姿勢が改めて特定されて、次のプローブ状態表示画像Ｐの生成に用いられる。一方、前記第４の場合においては、初期設定時の最適画像Ｖｂにおける画像面領域のグローバル座標系での位置及び姿勢がプローブ状態表示画像Ｐの生成に用いられる。

前記画像構築手段２５では、基礎データ補正手段２４での処理を経た最適画像Ｖｂの画像面領域における位置及び姿勢と、位置姿勢検出装置２０で検出された超音波プローブ１３の現在位置での画像面領域における位置及び姿勢とから、プローブ状態表示画像Ｐが生成される。なお、これら位置及び姿勢は、グローバル座標系における値が用いられる。

プローブ状態表示画像Ｐとしては、例えば、図４に示されるように、最適画像Ｖｂが得られる超音波プローブ１３の位置及び姿勢の状態を表す前記目標マークＭ１と、現在の超音波プローブ１３の位置及び姿勢の状態を表す前記現状マークＭ２とが、立体的に表現されたものが挙げられる。ここでは、血管軸Ａに沿う方向をＸ軸、体表からの深さ方向をＹ軸、血管軸Ａに垂直となる方向をＺ軸とした直交３軸の表示画像用座標系が設定される。

前記目標マークＭ１は、超音波プローブ１３を立方体形状として表現したものであり、その中心部が表示画像用座標系の原点Ｏに一致し、且つ、所定の姿勢となるように、プローブ状態表示画像Ｐ内に配置される。

前記現状マークＭ２は、目標マークＭ１と同一サイズの立方体形状とされ、特に限定されるものではないが、目標マークＭ１に対して異なる色彩等が付されて視覚的に区別可能なデザインに設けられている。

プローブ状態表示画像Ｐは、次のようにして生成される。すなわち、先ず、基礎データ補正手段２４での処理を経た最適画像Ｖｂの画像面領域における位置及び姿勢と、現在の超音波プローブ１３により取得される現在画像Ｖｎの画像面領域における位置及び姿勢とから、目標に対する現在の超音波プローブ１３の位置及び姿勢の差が求められる。そして、これらの差が、表示画像用座標系における目標マークＭ１に対する現状マークＭ２の位置及び姿勢の差として変換され、これらマークＭ１，Ｍ２が、当該変換後の差に対応した位置及び姿勢となるように、プローブ状態表示画像Ｐ内に配置される。

なお、本実施形態では、これらマークＭ１，Ｍ２を立方体形状としたが、超音波プローブ１３の形状に模した立体形状にする等、マークＭ１，Ｍ２の形状、色彩、模様等の形態を変更することも可能である。

また、前記プローブ状態表示画像Ｐとしては、基礎データ補正手段２４での処理を経た基礎データを血管軸Ａに垂直となる短軸方向に切り出し、図７に示されるように、前記目標マークＭ１として、最適画像Ｖｂの画像面領域の位置及び姿勢を示す直線をし、現状マークＭ２として、現在画像Ｖｎの画像面領域の位置及び姿勢を示す直線とすることも可能である。要するに、プローブ状態表示画像Ｐとしては、最適画像Ｖｂが得られる超音波プローブ１３の状態に対し、現在の超音波プローブ１３の状態を視覚的に比較して提示可能な限りにおいて、様々の表現態様を採用することができる。

次に、前記画像生成装置２１におけるプローブ状態表示画像Ｐの生成手順につき説明する。

先ず、穿刺支援マニピュレータ１７による穿刺を行う前に、対象となる血管Ｂの部位を探索するために、操作者は、自身の手で患者の皮膚に沿って超音波プローブ１３を動かしながら、各位置での超音波画像を視認する作業を行う。そして、この作業が行われているときに、プローブ状態表示画像Ｐを生成するための初期設定が行われる。すなわち、操作者がスキャンスイッチＳ１を押した後、予め設定されたスキャン時間内において、ターゲットとなる血管Ｂの周囲の皮膚上を超音波プローブ１３で走査する。この際、操作者が、血管軸Ａを通る長軸断面の断層画像を発見したときに、穿刺の最適位置として、最適状態登録スイッチＳ２が押され、そのときの超音波画像が最適画像Ｖｂとして登録される。

そして、基礎データ生成手段２３では、前記スキャン時間において所定時間毎に取得した各超音波画像の断層画像群の各ピクセルにおける画像情報に、各超音波画像が得られるときの超音波プローブ１３の位置及び姿勢に基づく各ピクセルの位置を対応させた最適画像Ｖｂの領域を含む基礎データが生成される。

次に、基礎データ補正手段２４において、現在の超音波プローブ１３の位置及び姿勢で得られた現在画像Ｖｎに位置姿勢情報を付加した現データが取得される。そして、現在画像Ｖｎと、現在画像Ｖｎと平行に切り出された基礎データにおける各比較画像Ｖｃとの対比により、最も近似する比較画像Ｖｃが近似画像Ｖｅとして決定され、現在画像Ｖｎと近似画像Ｖｅの差異に応じて、穿刺対象となる血管Ｂの状態変化が推定され、当該状態変化に応じて基礎データ全体の移動及び変形等の補正がなされる。

その後、画像構築手段２５では、基礎データ補正手段２４での処理を経た最適画像Ｖｂの画像面領域における位置及び姿勢と、現在の超音波プローブ１３の位置及び姿勢により得られる現在画像Ｖｎの画像面領域における位置及び姿勢とに基づいて、目標マークＭ１及び現状マークＭ２とが表されたプローブ状態表示画像Ｐが生成され、モニタ１６に表示される。

操作者は、穿刺に最適となる超音波プローブ１３の位置及び姿勢である最適状態を維持し、超音波画像を見ながら穿刺支援マニピュレータ１７を動作して穿刺を行うが、この際、操作者の手振れ、穿刺対象の血管Ｂの移動や変形等によって、超音波プローブ１３が最適状態に対する位置ずれや姿勢ずれが生じる場合がある。ここで、操作者の手振れが生じた場合には、血管Ｂの移動及び変形が生じていないため、基礎データが補正されず、初期設定された状態の最適画像Ｖｂが用いられる。一方、血管Ｂの移動や変形が生じた場合には、前述のように補正された基礎データを用い、初期設定された状態から位置及び姿勢を変更した最適画像Ｖｂが用いられる。そして、操作者は、最適画像Ｖｂが得られる超音波プローブ１３の位置及び姿勢に対応する目標マークＭ１と、現在画像Ｖｎが得られる超音波プローブ１３の位置及び姿勢に対応する現状マークＭ２とが表示されたプローブ状態表示画像Ｐを見ながら、最適状態に対する超音波プローブ１３の現在の位置及び姿勢のずれ状態を直感的に把握することができる。

従って、このような実施形態によれば、超音波プローブ１３の操作用のガイドツールとして有用であり、一旦発見した最適画像Ｖｂを得るための超音波プローブ１３の位置及び姿勢に素早く戻すことが可能になるという効果を得る。

なお、前記実施形態での位置姿勢提示システム１０は、穿刺時における血管Ｂの最適位置の探索用として、操作者に超音波プローブ１３のずれ具合を提示するシステムとなっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、同様の処理により、他の臓器等の体内組織における目標位置の探索用として、操作者に超音波プローブ１３のずれ具合を提示可能なシステムとすることもできる。

また、本発明における処理アルゴリズムは、超音波プローブ１３を操作者の手によって移動させる手持ち型の穿刺支援マニピュレータ１７への適用のための画像表示目的に限定されるものではなく、超音波プローブ１３を自動的に動作させるロボットにおける超音波プローブ１３の位置合わせのアルゴリズムとしても、利用可能である。

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。

１０ 位置情報提示システム
１１ 超音波診断装置
１３ 超音波プローブ
２０ 位置姿勢検出装置
２１ 画像生成装置
３２ 現データ取得部
３３ データ対比部
３４ 補正部
３６ 比較画像生成部
３７ 近似画像抽出部
３８ 近似画像状態特定部
４２ 画像位置姿勢差算出部
４３ 組織特定部
４４ 組織内距離検出部
４５ 画像間距離差算出部
４６ 判定処理部
Ｂ 血管（組織）
Ｍ１ 目標マーク
Ｍ２ 現状マーク
Ｐ プローブ状態表示画像
Ｖｂ 最適画像
Ｖｃ 比較画像
Ｖｅ 近似画像
Ｖｎ 現在画像

Claims (10)

1. 操作者が患者の体表部分に超音波プローブを接触させることにより、当該患者の体内組織の超音波画像を取得する超音波診断装置に付設され、前記超音波プローブの位置及び姿勢に基づく配置状態を表示するプローブ状態表示画像を前記操作者に提示する超音波プローブの位置姿勢提示システムにおいて、
   前記超音波プローブの位置及び姿勢を検出する位置姿勢検出装置と、当該位置姿勢検出装置によって検出された前記超音波プローブの位置及び姿勢に基づいて、前記プローブ状態表示画像を生成する画像生成装置とを備え、
   前記画像生成装置は、ターゲットとする体内組織周辺で予め取得された複数の前記超音波画像の各画像情報に前記位置姿勢検出装置で検出された情報を加えた基礎データを生成する基礎データ生成手段と、前記体内組織の状態変化に対応して前記基礎データを補正する基礎データ補正手段と、当該基礎データ補正手段を経た前記基礎データに基づいて、所望とする前記超音波画像である最適画像が得られる前記超音波プローブの最適状態に対する現在の前記超音波プローブのずれ具合を所定のマークで表示するように、前記プローブ状態表示画像を構築する画像構築手段とを備え、
   前記基礎データ補正手段は、現在の前記超音波画像である現在画像の画像情報と、そのときの前記位置姿勢検出装置で検出された情報とを現データとして取得する現データ取得部と、当該現データを前記基礎データと対比するデータ対比部と、当該対比の結果から前記体内組織の状態変化の有無を判定し、当該状態変化の種類に応じて前記基礎データを補正する補正部とを備えたことを特徴とする超音波プローブの位置姿勢提示システム。
2. 前記基礎データ補正手段での処理を経た前記基礎データでは、前記最適画像の画像面領域と、前記現在画像の画像情報との対比により前記現在画像に近似する近似画像の画像面領域とが特定され、
   前記画像構築手段では、前記最適画像と前記近似画像との各画像面領域における位置及び姿勢の差に対応させて、前記超音波プローブのずれ具合を表示することを特徴とする請求項１記載の超音波プローブの位置姿勢提示システム。
3. 前記画像構築手段では、前記マークとして、前記現在画像が得られる前記超音波プローブの位置及び姿勢に対応して表示される現状マークと、前記最適画像が得られる前記超音波プローブの位置及び姿勢に対応して表示される目標マークとが生成されることを特徴とする請求項２記載の超音波プローブの位置姿勢提示システム。
4. 前記データ対比部では、前記現在画像の画像面領域に平行に前記基礎データを所定間隔で切り出すことによって得られた各比較画像のうち、前記現在画像の画像情報に最も近似する画像を前記近似画像とし、
   前記補正部では、前記近似画像の画像面領域が、前記現在画像の画像面領域の位置及び姿勢に一致するように、前記基礎データ全体を移動変換及び／又は回転変換することを特徴とする請求項２記載の超音波プローブの位置姿勢提示システム。
5. 前記データ対比部では、前記現在画像の画像面領域に平行に前記基礎データを所定間隔で切り出すことによって得られた各比較画像のうち、前記現在画像の画像情報に最も近似する画像情報を有する近似画像が特定され、
   前記補正部では、前記近似画像の画像情報が、前記現在画像の画像情報に一致するように、前記基礎データを補正することを特徴とする請求項２記載の超音波プローブの位置姿勢提示システム。
6. 前記データ対比部は、前記現在画像の画像面領域に平行に前記基礎データを所定間隔で切り出すことによって比較画像を生成する比較画像生成部と、当該各比較画像それぞれを前記現在画像と対比して、当該現在画像に画像情報が最も近似する比較画像を前記近似画像として抽出する近似画像抽出部と、抽出された前記近似画像の画像面領域の位置及び姿勢を特定する近似画像状態特定部とを備えたことを特徴とする請求項２記載の超音波プローブの位置姿勢提示システム。
7. 前記補正部は、前記現在画像及び前記近似画像それぞれについて、前記各画像面領域の位置及び姿勢の差である位置姿勢差を求める画像位置姿勢差算出部と、前記現在画像及び前記近似画像のそれぞれに現れる前記体内組織の領域を特定する組織特定部と、当該組織特定部で特定された前記体内組織内の所定部位の距離を求める組織内距離検出部と、前記現在画像及び前記近似画像における前記距離の差である距離差を求める画像間距離差算出部と、前記位置姿勢差及び前記距離差に基づき、前記基礎データを生成したときの初期設定時に対する前記体内組織の状態変化について判定し、当該状態変化に応じて前記基礎データを加工する判定処理部とを備えたことを特徴とする請求項６記載の超音波プローブの位置姿勢提示システム。
8. 前記判定処理部では、前記位置姿勢差が予め設定された許容誤差以上で、前記距離差が予め設定された許容誤差未満となる第１の場合に、前記体内組織が移動したと判定され、前記現在画像及び前記近似画像のそれぞれの画像面領域の位置及び姿勢が合致するように、前記基礎データ全体について移動変換及び／又は回転変換する処理がなされ、
   前記位置姿勢差が前記許容誤差未満で、前記距離差が前記許容誤差以上となる第２の場合に、前記体内組織が変形したと判定され、前記現在画像及び前記近似画像のそれぞれの画像情報が合致するように、前記基礎データ全体を変形する処理がなされ、
   前記位置姿勢差が前記許容誤差以上で、前記距離差が前記許容誤差以上となる第３の場合に、前記体内組織の移動及び変形の双方が生じたと判定され、前記第１及び第２の場合の双方の処理を行うことを特徴とする請求項７記載の超音波プローブの位置姿勢提示システム。
9. 超音波画像を取得する超音波診断装置の超音波プローブの位置及び姿勢に基づく配置状態を表示するプローブ状態表示画像を生成する画像生成装置において、
   ターゲットとする体内組織周辺で予め取得された複数の前記超音波画像の各画像情報に、前記超音波プローブの位置及び姿勢に対応する情報を加えた基礎データを生成する基礎データ生成手段と、前記体内組織の状態変化に対応して前記基礎データを補正する基礎データ補正手段と、当該基礎データ補正手段を経た前記基礎データに基づいて、所望とする前記超音波画像である最適画像が得られる前記超音波プローブの最適状態に対する現在の前記超音波プローブのずれ具合を所定のマークで表示するように、前記プローブ状態表示画像を構築する画像構築手段とを備え、
   前記基礎データ補正手段は、現在の前記超音波画像である現在画像の画像情報に、そのときの前記超音波プローブの位置姿勢情報を付加した現データを取得する現データ取得部と、当該現データを前記基礎データと対比するデータ対比部と、当該対比の結果から前記体内組織の状態変化の有無を判定し、当該状態変化の種類に応じて前記基礎データを補正する補正部とを備えたことを特徴とする画像生成装置。
10. 超音波画像を取得する超音波診断装置の超音波プローブの位置及び姿勢に基づく配置状態を表示するプローブ状態表示画像を生成する画像生成装置のコンピュータを機能させるためのプログラムにおいて、
    ターゲットとする体内組織周辺で予め取得された複数の前記超音波画像の各画像情報に、前記超音波プローブの位置及び姿勢に対応する情報を加えた基礎データを生成する基礎データ生成手段と、前記体内組織の状態変化に対応して前記基礎データを補正する基礎データ補正手段と、当該基礎データ補正手段を経た前記基礎データに基づいて、所望とする前記超音波画像である最適画像が得られる前記超音波プローブの最適状態に対する現在の前記超音波プローブのずれ具合を所定のマークで表示するように、前記プローブ状態表示画像を構築する画像構築手段として、前記コンピュータを機能させ、
    前記基礎データ補正手段は、現在の前記超音波画像である現在画像の画像情報に、そのときの前記超音波プローブの位置姿勢情報を付加した現データを取得する現データ取得部と、当該現データを前記基礎データと対比するデータ対比部と、当該対比の結果から前記体内組織の状態変化の有無を判定し、当該状態変化の種類に応じて前記基礎データを補正する補正部とを備えることを特徴とする画像生成装置のプログラム。
    

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