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技術 治療器具用焦点追跡装置

出願人 リチャードウルフゲーエムベーハー
発明者 エドガーバウアー
出願日 1997年11月25日 (23年1ヶ月経過) 出願番号 1997-323590
公開日 1998年6月23日 (22年6ヶ月経過) 公開番号 1998-165407
状態 特許登録済
技術分野 超音波診断装置 手術用機器 超音波診断装置 手術用機器
主要キーワード スケール倍率 目盛り部分 超音波発信装置 拡大スケール 測定定規 画像資料 比較要素 板状物体
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1998年6月23日)のものです。
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図面 (8)

解決課題

超音波治療器具の焦点を常に患部上に位置させられ、且ついかなる超音波診断装置とも組み合わせて使用可能な超音波診断装置における焦点追跡方法を提供する。

解決手段

本発明は、ターゲットマークを生成し、これを追跡するところにある。前記ターゲットマークは、画像要素の長さ及び/又は明るさに関する様々な値に対応するビデオシグナルの値に基づいて、超音波診断器具モニタに映し出される。このターゲットマークは常に超音波治療器具の超音波発生源の焦点に位置するため、ターゲットマークによりモニタ上に焦点を常に表示することが可能となる。以上のような焦点追跡を行うコントロールユニットは、超音波診断器具と分離して設けることができるので、いかなる超音波診断装置にも応用できる。

概要

背景

概要

超音波治療器具の焦点を常に患部上に位置させられ、且ついかなる超音波診断装置とも組み合わせて使用可能な超音波診断装置における焦点追跡方法を提供する。

本発明は、ターゲットマークを生成し、これを追跡するところにある。前記ターゲットマークは、画像要素の長さ及び/又は明るさに関する様々な値に対応するビデオシグナルの値に基づいて、超音波診断器具モニタに映し出される。このターゲットマークは常に超音波治療器具の超音波発生源の焦点に位置するため、ターゲットマークによりモニタ上に焦点を常に表示することが可能となる。以上のような焦点追跡を行うコントロールユニットは、超音波診断器具と分離して設けることができるので、いかなる超音波診断装置にも応用できる。

目的

効果

実績

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請求項1

超音波治療器具と組み合わせて使用する超音波診断器具焦点位置を追跡する装置であって、圧力衝撃源等を含む超音波治療器具の超音波発生装置に接続した、対象物スキャンするための超音波発信器受信器と、超音波発生装置の中心軸に方向における超音波発信器/受信器の位置を検出し位置信号を発生する位置信号発生器と、前記位置信号発信器が発生した位置信号を入力されそれに基づいてターゲットマークを発生すると共に、ターゲットマークをモニタ上に表示するために超音波診断器具によって得る画像のズーム倍率及びセクター位置を選択するコントロールユニットとを備え、そして、該コントロールユニットにより、位置信号に対応して生成されるターゲットマークの軌跡を現在の焦点位置まで追跡することによって、超音波発信器/受信器のスキャンする平面が超音波発生装置の焦点を通過するように調整するものである治療器具用焦点位置追跡装置

請求項2

コントロールユニットは、超音波診断装置と分離して設けられている請求項1記載の治療器具用焦点位置追跡装置。

請求項3

モニタ上の画像変化に基づいてズーム倍率を検出するズーム倍率検出手段を備える、請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載の治療器具用焦点位置追跡装置。

請求項4

ズーム倍率を検出手段は、モニタ上に表示された画像中の所定の窓部(ROI)における輝度に基づいてズーム倍率を検出する、請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載の治療器具用焦点位置追跡装置。

請求項5

コントロールユニットは、個々の超音波治療器具に対応するズーム倍率の制限及び該ズーム倍率の制限に対応するパラメーターを入力するための入力手段と、該データを記憶するためのメモリとを備える請求項1〜4のいずれか1項に記載の治療器具用焦点位置追跡装置。

請求項6

コントロールユニットが備える入力手段及び記憶手段は、窓部におけるズーム変化を検出し、該検出した値を入力及び記憶するのに利用する所定の映像明度を予め記憶している請求項5記載の治療器具用焦点位置追跡装置。

請求項7

コントロールユニット中に、超音波治療器具の焦点位置及び超音波発生装置に対応する位置と、超音波診断器具における超音波発信器/受信器の両端位置に対応する位置とが予め記憶されている、請求項1〜6のいずれか1項に記載の治療器具用焦点位置追跡装置。

請求項8

コントロールユニットはマイクロプロセッサーを備え、焦点位置の追跡がマイクロプロセッサーによる計算に基づいて行われる請求項1〜7のいずれか1項に記載の治療器具用焦点位置追跡装置。

技術分野

0001

本発明は、人体又は動物体内にある対象物破砕し、治療を行う装置、特には、超音波治療器具としての機能を有する装置、例えば砕石装置等の治療用機具において使用する焦点位置追跡装置に関する。

背景技術

0002

上述のような治療装置は、対象物に向けて超音波発信する超音波発信器及び反射した超音波を受信する受信器を備えた超音波診断器具と、圧力衝撃波発生源等を含む超音波治療器具とを備え、超音波発信器の超音波発生方向に対して対称な方向に超音波発信器/受信器の位置を調整することにより、前記超音波発信器/受信器がスキャンする平面が音源の焦点を通過するようになっている。

0003

前記装置の一例が、ドイツ出願公開番号35 43 867 A1(出願人Richard Wolf GmbH)に開示されている。前記出願に開示されている治療装置は、人体諸器官中にある腎臓結石その他の結石の位置を特定し、破砕する装置であり、簡単な構成で、且つ低価格の装置として提供可能なものである。この装置は、内部に結石を有した人体の内臓のみならず、前記結石を破砕する過程をも超音波発信器/受信器によって捕捉することが可能であり、さらにこの過程をモニタに表示することも可能である。この先行技術について、圧力衝撃波発生源又は超音波診断器具の超音波発信器/受信器と組み合わせたショックウエーブ変換器1を示した図6及び図7を参照して説明する。

0004

ショックウエーブ変換器1は、各々独立した複数の圧電変換素子内面に載置した半球形状をしている。また、前記圧電変換素子については、これ以上説明されていないが、これらが設置された超音波を発信する面は、焦点2の方向を向いている。

0005

図6に記載された装置では、図示せぬ超音波治療器具の超音波発信器/受信器3(Bスキャナ)が、ホルダー4の上端に固定されているため、スキャナの中心軸5とショックウエーブ変換器1の中心軸6とが完全に一致している。ホルダー4は、変換器1の中心部を突き抜けているため、変換器1の中心部1aには圧電素子が備わっていない。従って、スキャナ3又はスキャナホルダー4が半球状の変換器1内側の空間から出っ張った場合でも、前記ホルダー及びスキャナが、超音波往復の妨げとならない円錐7形状の範囲の中に収まることを意味する。

0006

超音波が往復する領域の外郭は、焦点2で交わる円錐8によって表わされている。例えば、この例においては、既に焦点2に重なっている患者10の腎臓内101に存在する結石102は、スキャナ3によって得られる切断平面9内に存在している。

0007

スキャナ3を備えたホルダー4は、矢印Aで示した方向で、例えば、90°の角度範囲において中心軸6の周りで回転するため、少なくとも2つの角変位した断面を得ることができる。更に、ホルダー4が変換器1に対して相対的に前後動可能となっているので、スキャナ3は、矢印B方向で位置調節可能となっており、これによりスキャナ3と患者との位置関係を調整することができる。ホルダー4と切断平面9は図6中の点線で表わされた位置まで調整可能である。

0008

図6の器具において、スキャナ3が変換器1の通常存在する超音波フィールドの比較的内部まで前進し、スキャナ3から結石12までの距離が最初から比較的短い場合、市販されていて手軽に入手できる安価な短焦点スキャナを使用することができる。図7に示したタイプの器具は、このような利点を持つことがない。この場合のスキャナ3は、半球形状の変換器1開口部に境界線を引くことによりできる変換器1の内部空間内側に配置されるか、上記直線状に配置されるかのいずれかであり、また中心軸上での前後動を行わない。この器具では、スキャナ3及びスキャナホルダー4が変換器1の半球内で超音波を遮蔽することがほとんど無いため、圧電変換素子を取付けられない部分が比較的小さくて済む。

0009

更に、図7に示された器具では、変換器1の中央に設置されたスキャナ3を備えたホルダー4は、中心軸6の周りを回転できるように設けられている(矢印A)。これにより、図6の場合と同様に、複数の切断面9を得ることが可能になる。図7には360°に渡って7種の切断面9が配置されているが、実際的には、例えば90°で変位された2つの切断面を得ることができれば充分であり、この切断面を利用して結石の確実な位置を特定できる。更に、この器具を用いれば、比較的焦点調整の長いBスキャナ3が必要になる一方、超音波を発信し続けている間もまた、スキャナ3を通した超音波の調整は可能になる。なぜならば、スキャナ3は、位置決めの手順を完了した後であって、変換器1を操作している間にも、指定された位置に止まり、継続してB—ピクチャーを撮り続けるからである。

0010

図6及び図7に示す器具は、体内の結石の位置を確認し、破砕するために適した要件を備えている。即ち、変換器1及びBスキャナ3が同一軸6上に位置することにより、同一の組織層発信波のみならず反射波もが通り抜ける。従って、両方の超音波に対して、思い付く限りの障害物を想定しても、超音波によるスキャンについての妨害物が発生するのは通常不可能である。

0011

超音波診断装置及び超音波治療器具は、様々な目的に使用される器具であり、各々の器具は別個に操作可能でなければならない。従って、このような異なる器具の発明によって考えられる組み合わせを利用すれば、市販されている超音波診断器具等の様々な超音波診断器具を、超音波治療器具と組み合わせることができるため、簡易に且つ安価にこれらの器具を導入することができる。

課題を解決するための手段

0012

本発明の基本概念は、ターゲットマークを生成し、これを追跡するところにある。このターゲットマークは、画像要素の長さ及び/又は明るさに関する様々な値に対応するビデオシグナルの値に基づいて、超音波診断器具のモニタに映し出され、且つ常に超音波治療器具の超音波発生源の焦点に位置するため、超音波診断器具とは異なり、ターゲットマークによりモニタ上に焦点を常に表示することが可能である。そして、超音波診断器具の拡大スケールが変化した場合や、表示する切断面が切り替えられた場合でも、ターゲットマークは、常に正確に焦点上に位置している。

0013

モニタ上に表示されたターゲットマークを自動で追跡する技術は、ドイツ出願DE 43 00 740 C1で既に開示されている。この技術は、基本的に、X線源発信器及びX線受信器からなるX線診断器具砕石器と組み合わせて用いられている点で、超音波診断器具を用いる本願発明と異なっている。一方、本願超音波診断器具の超音波発生源又はショックウエーブ変換器には、変換器の回転位置に基づいて信号を発生するディスタンスレコーダが備えられている。発生した信号をメモリから受け取った調整器は、変換器と接続したモニタに表示されたターゲットマークの座標データにアクセスする。超音波変換器を回転させる場合は、X線に対して陽性(X線をを透過しない)加鉛体(例えば、鉛玉)によってX線映像の中に取り入れられた焦点位置も一定の軌道で回転することになる。コントロールユニットは、メモリが記憶した実際の焦点位置の座標によって、変換器の回転に伴って動く焦点の軌道を計算する。結果的に生じる誤差修正し、ターゲットマークジェネレーターが発生した電子ターゲットマークに基づいて追跡を行い、モニタ上の計算した位置に投影される可能性がある。

0014

上記の目的を達成するため、本願による発明は、基本的に、以下の特徴を有する。即ち、この発明では、超音波発生源の中心軸に対する超音波発信器/受信器の相対位置を示す位置信号を発生させる位置信号発信器と、位置信号発信器によって発生された位置信号を受信するコントロールユニットとを備え、コントロールユニットは、位置信号発生器から位置信号を入力され、診断器具のビデオ信号に重ねあわるターゲットマークを発生させ、超音波発生源に対する超音波発信器/受信器の相対位置を示す位置信号に対応するターゲットマークを追跡する。また、このコントロールユニットは、ズーム倍率を切り替えるズーム倍率切り替え手段と、モニタ表示するための超音波診断器具により得た切断面の映像を切り替える断面切り替え手段とを備え、ズーム倍率や切断面の切り替えに対応してターゲットマークを現在の焦点位置まで追跡する。

発明を実施するための最良の形態

0015

この発明の有利な特徴は、以下に示された実施形態に関する詳細な説明によって、より明確になるであろう。圧力衝撃源1及び超音波治療器具の発信器/受信器3の構造についての詳しい説明は図1にはないが、その主な配置は、ドイツ公報DE 35 43 867A1で既に開示されており、図6及び7によって説明されている。発信器/受信器3は中心軸に沿って前後に動くことができる。位置信号発信器11は、中心軸5の動きに従って発信器/受信器3の実際の位置を検出し、それに従い所定の位置信号を出力する。図7の実施形態の場合も、発信器/受信器3は、対称軸5の周りを位置調節しながら回転可能とされており、また、この場合の位置信号発信器11は回転角度を検出しそれに応じた信号を出力するものとなっている。図6の実施形態に用いる直線上の位置を検出するための位置信号発信器11は、回転角度を検出するための位置信号発信器11同様一般的に知られている。

0016

図2は、本発明による装置の基礎的部分を機能的に説明するためのブロック図である。位置信号発信器11は超音波治療器具12に設置されている。スキャナ位置等の位置信号発信器11によって出力される発信器/受信器3の位置は、位置信号16としてコントロールユニット(ターゲットマークコントロール)とも呼ばれるコントロールユニット13へ供給される。また、コントロールユニット13には、超音波診断器具からビデオ信号17が入力され、このビデオ信号17をターゲットマークの位置に合わせることにより、超音波発信装置1又は超音波治療器具12の焦点位置を補足し、モニタ15の画像20上にターゲットクロス19として表示する。発信器/受信器3およびズーム位置に対応するターゲットマーク19の位置調整については、以下に詳細に説明されている。

0017

図2に記載されたコントロールユニット13は、超音波診断器具と離れて設置されているので、市販されている超音波診断器具と適宜組み合わせて使用することができる。また、コントロールユニット13は、以下に詳細を述べるメモリに加えて、各々のケースにおいて適用される超音波診断器具の特徴を考慮して、補助手段を追加しても良い。

0018

図3及び図4は、ズーム倍率又は切断位置、即ち、モニタに表示される画像の拡大倍率又は超音波診断器具のビデオ信号を検出するための方法を説明している。このようにして、超音波診断器具14によって生成され、コントロールユニット13に継続的に入力されるビデオシグナル17を継続して調節することにより、スケール倍率が影響を受ける。

0019

超音波診断器具による、ズーム倍率が変更された場合には、図4A、4B又は4Cに示したように、モニタに表示される幾何学映像が、選択したズーム倍率に基づいて変化する。モニタ15に表示された画像中に、画像資料のない領域A(ブラックモニタ領域)があり、この領域は画像資料が表示される領域S(3つのズーム倍率の場合によりそれぞれSA、SB、SCと呼ぶ)とは明確に境界を画している。領域SA、SB、SCによって形成される超音波診断装置14のイメージ領域の拡大または縮小のが行われることにより、ターゲットクロスの位置が、ズーム倍率に対応して修正される。

0020

各々のケースにおけるズーム倍率の選択を実現するための好ましい方法が、図3に示されている。領域Aから領域Sへの切換えを確実にするため、セクターSの始まりの部分で少なくとも2つの要素を調整する必要がある。即ち、各々のズーム倍率には、2つの映像要素が固定されており、ズーム倍率が領域を超えていないか超えているかの目安となる。図3中の映像要素IVは映像輝度設定の為の参考映像要素の役割をしている。画像要素IVと複数の画像要素I及びII、IIIとの輝度値を比較することによって、正常な拡大スケールであるか否かを決定し、ズーム領域1または2が設定(activate)される。

0021

例えば、映像要素Iペアの輝度値と比較対象となる映像要素IVの輝度値とが同値の場合は、一般的な拡大領域が設定(activate)される。一方、映像要素IIペアの輝度値が比較対照となる要素IVの輝度値と同値であり場合(このとき画像要素Iの輝度値は比較対象となる要素IVの輝度値とは同値にならない)、ズーム領域Iが設定(activate)される。また、例えばI′、II′及びIII′の映像要素ペア、又はセクターの始まり又は終わりの部分における映像要素ペアーI、II,又はIIIを対応して配置し、これを追加情報とすることにより、セクターがモニタ映像の範囲から外れているか否か推測することができる可能性がある。

0022

コントロールユニット13において行われる上記過程は、図5のブロック図によって示すとうりである。

0023

図5は本発明に基づくコントロールユニット13のブロック図である。設置された超音波診断装置14に適用する個々のズームの限界又はセクター映像の位置は、入力仲介装置を通じて入力され、CPU30を通して記憶装置32に記憶される。選択された映像要素ペアI、II、IIIにおいてコントロールユニット13のビデオ入力を可能にする超音波診断装置のビデオシグナル17は、記憶装置32に記憶された値と輝度を比較するか、又は比較要素IVの輝度と比較し、この比較によってズームサイズを計算し、ターゲットマーク19の位置、例えば、ターゲットマークジェネレーター35によって計算されたターゲットクロス、を対応追跡する。

0024

同様に、CPU30は、超音波スキャナ又は超音波診断器具14における超音波発信器/受信器3の前後位置を調整するための現在値を位置信号発信器11から入力されると共に、前記現在値をコンパレータ33からも入力され、この2つの値によりターゲットマークの位置を計算する。ターゲットマークジェネレーター35によってレチクル十字線)状に投影されたターゲットマークは、ミキサ34を介してビデオ信号17上に重ねあわせ、モニタ上に表示する。

0025

このようにしてCPU30は、位置信号発信器11及びコンパレータ33の出力値に基いて計算を行った後、出力信号をデオシグナル17と混合することによりターゲット位置を計算、調整し、ターゲットマーク位置が常に圧力衝撃源1の現在の焦点位置を表すようにする。

0026

以下に図4A、B及びCの要領で、ズーム倍率を決定するための他の方法を開示する。

0027

超音波診断器具のズーム倍率乃至ズーム位置は、通常のズーム倍率に設定された窓部(ROI=対象領域)が完全にセクターSAの外側に位置し、ズームサイズ1に設定された窓部がセクターSBの外側に位置する部分と内側に位置する部分に別れ、ズームサイズ2に設定された窓部が完全にセクターSCの内側に位置する(図4A、B、C)ようにして、窓部を設けるという手段を用いることにより選択される。

0028

つまり、ズーム倍率乃至ズーム位置を選択するには、コントロールユニット13のメモリ32に、目盛り22A〜Cの間隔を記憶させておけば足りる。図4A〜Cが示すように、目盛り22A〜C(測定定規)の目盛りの大きさは、ズームを拡大するにつれて変化するため、記憶した間隔と現在の映像の目盛り部分の間隔とを定期的に比較することによって、ズーム倍率乃至ズーム領域を決定することができる。

0029

超音波診断器具14には様々な機種があるため、画像情報のない暗い領域Aと超音波診断器具の画像情報のある領域Sとの間に存在する境界線は、機種毎に異なって表示され、また、モニタスクリーンの端に存在する目盛り22の間隔又は目盛り部分の輝度及び位置が異なる可能性がある。従って、CPU13は、入力仲介装置31を通して予めデータを入力して、これを記憶装置32に記憶させたデータを利用して各々のズーム領域を検出し、最終的にターゲットマークの追跡を行う。つまり、コントロールユニットが超音波診断装置とは離れて機能するため、市販の超音波診断器具14をそのまま使用可能である。

0030

本発明は、上記の実施形態により説明したように、砕石器又は体温異常降下装置、音波を利用して骨又は柔らかい組織を治療する治療具等の治療器具に利用するためのターゲットマークを調整乃至調節可能な装置に関し、例えば圧力衝撃源を音源とする市販の超音波治療器具を超音波診断器具と接続し、超音波治療器具の音源を対象物をスキャンするための発信器/受信器(B−スキャナ)とも連結し、そして前記診断器具が備える超音波発信器の中心軸に対応する発信器/受信器の位置を調節可能とすることにより、スキャンする平面が常に音源の焦点を通過するようにしたものに関する。この装置の特徴は、超音波発信器の中心軸と関連する発信器/受信器の位置を示す電気信号を生製する位置信号発信器を備えることである。超音波診断器具とコントロールユニットとは離れて設置されており、このコントロールユニットは、入力された位置信号に基いて診断器具のビデオシグナルとミキシングされるターゲットマークを生成し、音源に関連する発信器/のその瞬間における位置に対応するターゲットマーク位置を追跡する。またコントロールユニットは、超音波診断器具によって投影された映像のズーム変化を捕捉し、設定されたズーム倍率の変化及びセクター位置(セクター変位)に対応するターゲットマークの現在の焦点位置を追跡する。

発明の効果

0031

本発明は、以上で説明したようなものなので以下のような効果を有する。即ち市販されているどのような超音波診断器具についても、ハードウエア及びソフトウエアについて複雑かつコストのかかる変更を加える必要なしに応用しうる。また、コントロールユニットは超音波診断器具と離れて設置され、各々の超音波診断器具がズーム倍率及びセクター位置を検出でき、超音波診断器具の発信器/受信器の位置を検出できるという特徴を考慮して、パラメーターに入力、記憶させるようにしているため、機種の異なる超音波診断器具を使用しても、ターゲットマークは常に治療器具の焦点位置を正確に示す。要するに、コントロールユニットが超音波診断器具と離れて設置されると共に、超音波診断器具がズーム倍率及びセクター位置を検出でき、且つ超音波診断器具の発信器/受信器の位置を検出できるようになっており、これに応じたパラメーターを入力、記憶させるようにしているため、機種の異なる超音波診断器具を使用しても、ターゲットマークが常に治療器具の焦点位置を正確に示す。

0032

器具に関しては、超音波治療器具のハードウエア及びソフトウエアと同様、超音波治療器具のハードウエア乃至ソフトウエアの適用を廃止する事もできる。基本的に、市販されているマイクロプロセッサーのハードウエア乃至ソフトウエアの構成要素を採用することによって、コントロールユニットの始動簡潔且つ柔軟性を有すようにでき、結果的に使用者に対し安価に提供できるようになる。

0033

X線を利用する事により、ズームサイズを多様化して選択する事が可能になる。しかしながら、X線を利用した場合には、実際の映像の表示は変化せず、映像の内容のみが、拡大されたり、縮小されたりして変更になる。ズーム倍率の数値測定を可能にするために、測定対象が実際の映像の中へ取り込まれていなければならない。つまり、例えば、この測定方法はX線陽性の状態のものを利用して行われ、従って金属の板状物体等の特定形状を有するX線不透過素材映像増幅器X線照射機との間の光路中侵入する事になる。金属の板状物体は、暗色の長方形の部分としてX線画像上に表示され、拡大画像を拡大し、縮小映像を縮小する。従って、測定対象がサイズと形状を特定されており、X線装置光路中の固定位置に前もって配置することにより、モニタ上に目で見える対象物の変化を測定する要領で、現在のズーム設定の値を求める事ができる。

図面の簡単な説明

0034

図1軸方向に移動可能な超音波発信器/受信器を組み合わせた超音波治療器具を示す断面図。
図2本発明による治療器具用焦点位置追跡装置を示すブロック図。
図3ズーム倍率ないしズーム位置の制御方法を説明するための観念図。
図4ズーム倍率ないしズーム位置の他の制御方法を説明するための観念図。
図5コントロールユニットのブロック図。
図6超音波発信器/受信器の構造を示す斜視図。
図7超音波発信器/受信器の構造を示す斜視図。

--

0035

1圧力衝撃源
2焦点
3超音波発信器/受信器
5中心軸
9 切断面
11位置信号発生装置
12超音波治療器具
13コントロールユニット
14超音波診断装置
15 モニタ

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