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特開2022-162869超音波プローブの位置登録方法、超音波撮像システム、超音波プローブ用位置登録システム、超音波プローブ位置登録用ファントム、および、超音波プローブ用位置登録プログラム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022162869
(43)【公開日】2022-10-25
(54)【発明の名称】超音波プローブの位置登録方法、超音波撮像システム、超音波プローブ用位置登録システム、超音波プローブ位置登録用ファントム、および、超音波プローブ用位置登録プログラム
(51)【国際特許分類】
A61B 8/00 20060101AFI20221018BHJP
【ＦＩ】
A61B8/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021067915
(22)【出願日】2021-04-13
(71)【出願人】
【識別番号】320011683
【氏名又は名称】富士フイルムヘルスケア株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000888
【氏名又は名称】特許業務法人 山王坂特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】島本 貴文
(72)【発明者】
【氏名】阿部 信隆
【テーマコード（参考）】
4C601
【Ｆターム（参考）】
4C601EE11
4C601GA18
4C601GA21
4C601GA25
4C601LL19
4C601LL33
(57)【要約】
【課題】超音波プローブの走査面の位置と角度を、簡便に精度よく登録する。
【解決手段】位置検出センサが配置された実空間に、非平行に張られた２以上のワイヤが含まれるファントムを配置し、プローブ位置検出用マーカが取り付けられた超音波プローブをその主平面の向きを一定に保ったままファントム上で平行移動させ、プローブ位置検出用マーカの実空間における位置を位置検出センサで検出しながら、ファントムの超音波画像を２以上取得する。２以上の超音波画像にそれぞれ含まれる２以上のワイヤの断面像の位置を求め、求めた断面像の位置の関係に基づいて、プローブ位置検出用マーカの実空間の位置と、撮像される超音波画像の実空間における向きおよび位置との関係を算出し、算出した関係をプローブ座標変換情報として、記憶部に登録する。
【選択図】 図３
【解決手段】位置検出センサが配置された実空間に、非平行に張られた２以上のワイヤが含まれるファントムを配置し、プローブ位置検出用マーカが取り付けられた超音波プローブをその主平面の向きを一定に保ったままファントム上で平行移動させ、プローブ位置検出用マーカの実空間における位置を位置検出センサで検出しながら、ファントムの超音波画像を２以上取得する。２以上の超音波画像にそれぞれ含まれる２以上のワイヤの断面像の位置を求め、求めた断面像の位置の関係に基づいて、プローブ位置検出用マーカの実空間の位置と、撮像される超音波画像の実空間における向きおよび位置との関係を算出し、算出した関係をプローブ座標変換情報として、記憶部に登録する。
【選択図】 図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
位置検出センサが配置された実空間に、非平行に張られた２以上のワイヤが含まれるファントムを配置し、プローブ位置検出用マーカが取り付けられた超音波プローブをその主平面の向きを一定に保ったまま前記ファントム上で平行移動させ、前記プローブ位置検出用マーカの実空間における位置を前記位置検出センサで検出しながら、前記ファントムの超音波画像を２以上取得する第１ステップと、
２以上の前記超音波画像にそれぞれ含まれる前記２以上のワイヤの断面像の位置を求め、求めた前記２以上のワイヤの断面像の位置の関係に基づいて、前記プローブ位置検出用マーカの実空間の位置と、撮像される前記超音波画像の実空間における向きおよび位置との関係を算出し、算出した当該関係をプローブ座標変換情報として、記憶部に登録する第２ステップと、
とを有することを特徴とする超音波プローブの位置登録方法。
２以上の前記超音波画像にそれぞれ含まれる前記２以上のワイヤの断面像の位置を求め、求めた前記２以上のワイヤの断面像の位置の関係に基づいて、前記プローブ位置検出用マーカの実空間の位置と、撮像される前記超音波画像の実空間における向きおよび位置との関係を算出し、算出した当該関係をプローブ座標変換情報として、記憶部に登録する第２ステップと、
とを有することを特徴とする超音波プローブの位置登録方法。
【請求項2】
請求項１に記載の超音波プローブの位置登録方法であって、
前記ファントムには、ファントム位置検出用マーカが取り付けられており、前記２本のワイヤは、前記ファントム位置検出用マーカと予め定めた位置関係で張られており、
前記第１ステップでは、実空間における前記ファントム位置検出用マーカの位置を前記位置検出センサによってさらに検出し、
前記第２ステップでは、前記プローブ位置検出用マーカの実空間の位置と、撮像される前記超音波画像の実空間における向きおよび位置との関係として、前記ファントム位置検出用マーカの座標系を前記超音波プローブによる超音波ビーム走査面の座標系に変換する回転行列Ｒｕｓ←ｐｒと、前記プローブ位置検出用マーカの原点から前記超音波プローブの超音波ビームの打ち出し点までのオフセットベクトルgf(Ｋｐｒ)とを算出する
ことを特徴とする超音波プローブの位置登録方法。
前記ファントムには、ファントム位置検出用マーカが取り付けられており、前記２本のワイヤは、前記ファントム位置検出用マーカと予め定めた位置関係で張られており、
前記第１ステップでは、実空間における前記ファントム位置検出用マーカの位置を前記位置検出センサによってさらに検出し、
前記第２ステップでは、前記プローブ位置検出用マーカの実空間の位置と、撮像される前記超音波画像の実空間における向きおよび位置との関係として、前記ファントム位置検出用マーカの座標系を前記超音波プローブによる超音波ビーム走査面の座標系に変換する回転行列Ｒｕｓ←ｐｒと、前記プローブ位置検出用マーカの原点から前記超音波プローブの超音波ビームの打ち出し点までのオフセットベクトルgf(Ｋｐｒ)とを算出する
ことを特徴とする超音波プローブの位置登録方法。
【請求項3】
位置検出センサと、非平行に張られた２以上のワイヤが含まれるファントムと、プローブ位置検出用マーカが取り付けられた超音波プローブと、前記超音波プローブから超音波を送信および受信させて超音波画像を撮像する超音波撮像装置と、記憶部と、制御部とを有し、
前記制御部は、
実空間に配置された前記ファントム上で、前記超音波プローブをその主平面の向きを一定に保ったまま平行移動させ、前記プローブ位置検出用マーカの実空間における位置を前記位置検出センサで検出しながら前記超音波撮像装置によって撮影された、前記ファントムの２以上の超音波画像を受け取り、
２以上の前記超音波画像にそれぞれ含まれる前記２以上のワイヤの断面像の位置を算出し、
前記２以上のワイヤの断面像の位置の関係に基づいて、前記プローブ位置検出用マーカの実空間の位置と、撮像される前記超音波画像の実空間における向きおよび位置との関係を算出し、
算出した当該関係をプローブ座標変換情報として、前記記憶部に登録する
ことを特徴とする超音波撮像システム。
前記制御部は、
実空間に配置された前記ファントム上で、前記超音波プローブをその主平面の向きを一定に保ったまま平行移動させ、前記プローブ位置検出用マーカの実空間における位置を前記位置検出センサで検出しながら前記超音波撮像装置によって撮影された、前記ファントムの２以上の超音波画像を受け取り、
２以上の前記超音波画像にそれぞれ含まれる前記２以上のワイヤの断面像の位置を算出し、
前記２以上のワイヤの断面像の位置の関係に基づいて、前記プローブ位置検出用マーカの実空間の位置と、撮像される前記超音波画像の実空間における向きおよび位置との関係を算出し、
算出した当該関係をプローブ座標変換情報として、前記記憶部に登録する
ことを特徴とする超音波撮像システム。
【請求項4】
請求項３に記載の超音波撮像システムであって、
前記制御部は、
前記超音波撮像装置が被検体について撮像した超音波画像、および、撮像時に前記位置検出センサが検出した前記プローブ位置検出用マーカの位置を受け取り、
前記記憶部に登録されている前記プローブ座標変換情報と、前記プローブ位置検出用マーカの位置とを用いて、前記被検体の前記超音波画像の向きと位置を算出し、
前記被検体について予め撮像された３次元医用画像データから、前記被検体の前記超音波画像の向きと位置に対応する２次元医用画像を生成し、前記超音波画像と共に、接続されている表示装置に表示させる
ことを特徴とする超音波撮像システム。
前記制御部は、
前記超音波撮像装置が被検体について撮像した超音波画像、および、撮像時に前記位置検出センサが検出した前記プローブ位置検出用マーカの位置を受け取り、
前記記憶部に登録されている前記プローブ座標変換情報と、前記プローブ位置検出用マーカの位置とを用いて、前記被検体の前記超音波画像の向きと位置を算出し、
前記被検体について予め撮像された３次元医用画像データから、前記被検体の前記超音波画像の向きと位置に対応する２次元医用画像を生成し、前記超音波画像と共に、接続されている表示装置に表示させる
ことを特徴とする超音波撮像システム。
【請求項5】
請求項３に記載の超音波撮像システムであって、
前記ファントムには、ファントム位置検出用マーカが取り付けられており、前記２本のワイヤは、前記ファントム位置検出用マーカと予め定めた位置関係で張られており、
前記制御部は、実空間における前記ファントム位置検出用マーカの位置を前記位置検出センサによってさらに検出し、
前記プローブ位置検出用マーカの実空間の位置と、撮像される前記超音波画像の実空間における向きおよび位置との関係として、前記ファントム位置検出用マーカの座標系を前記超音波プローブによる超音波ビーム走査面の座標系に変換する回転行列Ｒｕｓ←ｐｒと、前記プローブ位置検出用マーカの原点から前記超音波プローブの超音波ビームの打ち出し点までのオフセットベクトルgf(Ｋｐｒ)とを算出する
ことを特徴とする超音波撮像システム。
前記ファントムには、ファントム位置検出用マーカが取り付けられており、前記２本のワイヤは、前記ファントム位置検出用マーカと予め定めた位置関係で張られており、
前記制御部は、実空間における前記ファントム位置検出用マーカの位置を前記位置検出センサによってさらに検出し、
前記プローブ位置検出用マーカの実空間の位置と、撮像される前記超音波画像の実空間における向きおよび位置との関係として、前記ファントム位置検出用マーカの座標系を前記超音波プローブによる超音波ビーム走査面の座標系に変換する回転行列Ｒｕｓ←ｐｒと、前記プローブ位置検出用マーカの原点から前記超音波プローブの超音波ビームの打ち出し点までのオフセットベクトルgf(Ｋｐｒ)とを算出する
ことを特徴とする超音波撮像システム。
【請求項6】
請求項３に記載の超音波撮像システムであって、
前記ファントムは、前記超音波プローブをその主平面の向きを一定に保ったまま前記ファントム上で平行移動させるガイドレールを備えることを特徴とする超音波撮像システム。
前記ファントムは、前記超音波プローブをその主平面の向きを一定に保ったまま前記ファントム上で平行移動させるガイドレールを備えることを特徴とする超音波撮像システム。
【請求項7】
位置検出センサと、前記位置検出センサが配置された実空間に配置された、非平行に張られた２以上のワイヤが含まれるファントムと、超音波撮像装置の超音波プローブに取り付けられたプローブ位置検出用マーカと、記憶部と、制御部とを有し、
前記制御部は、
実空間に配置された前記ファントム上で、前記超音波プローブをその主平面の向きを一定に保ったまま平行移動させ、前記プローブ位置検出用マーカの実空間における位置を前記位置検出センサで検出しながら前記超音波撮像装置によって撮影された、前記ファントムの２以上の超音波画像を受け取り、
２以上の前記超音波画像にそれぞれ含まれる前記２以上のワイヤの断面像の位置を算出し、
前記２以上のワイヤの断面像の位置の関係に基づいて、前記プローブ位置検出用マーカの実空間の位置と、撮像される前記超音波画像の実空間における向きおよび位置との関係を算出し、
算出した当該関係をプローブ座標変換情報として、前記記憶部に登録する
ことを特徴とする超音波プローブ用位置登録システム。
前記制御部は、
実空間に配置された前記ファントム上で、前記超音波プローブをその主平面の向きを一定に保ったまま平行移動させ、前記プローブ位置検出用マーカの実空間における位置を前記位置検出センサで検出しながら前記超音波撮像装置によって撮影された、前記ファントムの２以上の超音波画像を受け取り、
２以上の前記超音波画像にそれぞれ含まれる前記２以上のワイヤの断面像の位置を算出し、
前記２以上のワイヤの断面像の位置の関係に基づいて、前記プローブ位置検出用マーカの実空間の位置と、撮像される前記超音波画像の実空間における向きおよび位置との関係を算出し、
算出した当該関係をプローブ座標変換情報として、前記記憶部に登録する
ことを特徴とする超音波プローブ用位置登録システム。
【請求項8】
非平行に張られた２以上のワイヤと、超音波プローブをその主平面の向きを一定に保ったままスライドさせる際のガイドになるガイドレールとを含むことを特徴とする超音波プローブ位置登録用ファントム。
【請求項9】
コンピュータに、
位置検出センサが配置された実空間に配置され、非平行に張られた２以上のワイヤが含まれるファントムの上で、プローブ位置検出用マーカが取り付けられた超音波プローブをその主平面の向きを一定に保ったまま平行移動させ、前記プローブ位置検出用マーカの実空間における位置を前記位置検出センサで検出しながら前記超音波撮像装置によって撮影された、前記ファントムの２以上の超音波画像を受け取るステップと、
２以上の前記超音波画像にそれぞれ含まれる前記２以上のワイヤの断面像の位置を算出するステップと、
前記２以上のワイヤの断面像の位置の関係に基づいて、前記プローブ位置検出用マーカの実空間の位置と、撮像される前記超音波画像の実空間における向きおよび位置との関係を算出するステップと、
算出した当該関係をプローブ座標変換情報として、記憶部に登録するステップとを
実行させる超音波プローブ用位置登録プログラム。
位置検出センサが配置された実空間に配置され、非平行に張られた２以上のワイヤが含まれるファントムの上で、プローブ位置検出用マーカが取り付けられた超音波プローブをその主平面の向きを一定に保ったまま平行移動させ、前記プローブ位置検出用マーカの実空間における位置を前記位置検出センサで検出しながら前記超音波撮像装置によって撮影された、前記ファントムの２以上の超音波画像を受け取るステップと、
２以上の前記超音波画像にそれぞれ含まれる前記２以上のワイヤの断面像の位置を算出するステップと、
前記２以上のワイヤの断面像の位置の関係に基づいて、前記プローブ位置検出用マーカの実空間の位置と、撮像される前記超音波画像の実空間における向きおよび位置との関係を算出するステップと、
算出した当該関係をプローブ座標変換情報として、記憶部に登録するステップとを
実行させる超音波プローブ用位置登録プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、超音波画像を実空間座標へ同期するための座標変換技術に関する。
【背景技術】
【0002】
手術ナビゲーションシステムは、CT（Computed Tomography）画像やMRI（Magnetic Resonance Imaging）画像などの医用画像上に手術中の術具の位置をリアルタイムに表示し、手術中の患者と術具の位置関係の情報を提供することで、手術を支援することを目的としたシステムである。手術ナビゲーションにおいて、CT画像やMRI画像は空間分解能やコントラストの面で優れている一方でリアルタイム性に乏しく、臓器の移動や変形の影響によってナビゲーションの精度が低下する。
【0003】
この課題を解決するため、CT画像やMRI画像と超音波画像を同期表示することでリアルタイム性を補いながらナビゲーションを行う方法がある。前記の方法を実施するためには、ナビゲーションに使用する医用画像と実空間上の患者の位置を合わせるレジストレーション操作と、超音波ビームの走査面の位置と角度を登録する超音波プローブ登録操作が必要である。一般的に、これらの操作は、手術開始前に執刀医の手によって実施される。なお、レジストレーション操作と超音波プローブ登録操作の実施順序に制限はなく、どちらを先に実施しても構わない。
【0004】
レジストレーション方法は、鼻根部や目尻などの解剖学的特徴点や、患者に貼り付けた撮像マーカの位置のうちの3点以上指し示すことにより、実空間上のマーカ等の位置と、医用画像上のマーカ等の位置とを対応付ける方法や、レーザなどを用いて取得した患者の表面情報と、医用画像から再構築した三次元画像の表面情報を対応づける方法が確立されている（非特許文献1）。
【0005】
一方、超音波プローブ登録方法は、様々な方法が提案されている。例えば、特許文献１には、超音波画像をCT画像やMRI画像に超音波ビームの走査面を同期するために、超音波ビームの走査面の位置と角度を登録する方法が報告されている。
【0006】
また、非特許文献２には、位置検出用マーカを取り付けた超音波プローブ登録ツールに、超音波プローブを固定し、超音波プローブの種別に基づいて超音波ビームの走査面の位置と角度を登録する方法が開示されている（非特許文献2）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開平１０－１５１１３１号公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】古賀敦郎 著「手術用ナビゲーションシステムStealthStationについて」日本放射線技術学会近畿部会雑誌 第10巻１号
【非特許文献2】https://www.youtube.com/watch?v=RAHgsUVm4d4
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
特許文献１の方法は、超音波ビームの走査面の位置と角度を登録するために、複雑な操作が必要であり操作者への負担増や操作時間増大などの課題がある。
【0010】
一方、非特許文献２の方法は、位置検出用マーカを取り付けた超音波プローブ登録ツールに、超音波プローブを固定して、超音波プローブの種別に基づいて超音波ビームの走査面の位置等を登録する方法であるが、異なる種別の超音波プローブを登録する場合には、超音波プローブ登録ツールの校正が必要である。また、同じ種別の超音波プローブであっても、走査面の角度には、超音波プローブごとにわずかな差がある。非特許文献２の登録ツールは、超音波プローブごとの走査面の角度の差を考慮していないため、精度よく走査面の位置と角度を登録するためには、超音波プローブ登録ツールの校正が必要となる。また、同一の超音波プローブであっても、超音波プローブ登録ツールへ超音波プローブを固定する際には、毎回同じ位置に、再現性良く固定しなければ登録精度が低下するという問題もある。
【0011】
このように、超音波プローブの走査面の位置と角度の登録方法は、様々な方法が提案されているものの、登録精度や操作性の面で課題が残っている。
【0012】
本発明の目的は、超音波プローブの走査面の位置と角度を、簡便に精度よく登録することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記目的を達成するために、本発明の超音波プローブの位置登録方法は、位置検出センサが配置された実空間に、非平行に張られた２以上のワイヤが含まれるファントムを配置し、プローブ位置検出用マーカが取り付けられた超音波プローブをその主平面の向きを一定に保ったままファントム上で平行移動させ、プローブ位置検出用マーカの実空間における位置を位置検出センサで検出しながら、ファントムの超音波画像を２以上取得する。２以上の超音波画像にそれぞれ含まれる２以上のワイヤの断面像の位置を求め、求めた断面像の位置の関係に基づいて、プローブ位置検出用マーカの実空間の位置と、撮像される超音波画像の実空間における向きおよび位置との関係を算出し、算出した関係をプローブ座標変換情報として、記憶部に登録する。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、簡便な操作で、超音波ビームの走査面（超音波画像）の位置と向きを算出することが可能となり、操作者の負担低減および操作性を向上することが可能である。さらに、ファントムの超音波画像を用いることにより、超音波プローブの種別や個体差によらず、精度良く超音波プローブの位置登録が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の一実施形態の超音波撮像システムのハードウェア構成を示す図
【図2】一実施形態の超音波プローブ１２と、プローブ用マーカ（プローブ位置検出用マーカ）１７の斜視図
【図3】一実施形態の超音波プローブ位置登録用ファントムと、超音波ビームの走査面の位置と角度の関係を説明する図
【図4】一実施形態の超音波撮像システムを用いて超音波プローブの位置登録と、手術ナビゲーションを行う手順を示すフローチャート図
【図5】一実施形態の超音波プローブの位置登録用のGUIの一例を示す図
【図6】一実施形態の超音波撮像システムにおいて、CT画像やMRI画像と、超音波画像とを同期表示した手術ナビゲーション画面例を示す図
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、添付図面に従って本発明に係る超音波撮像システムの一実施形態について説明する。なお、以下の説明及び添付図面において、同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略することにする。
【0017】
図１は超音波撮像システム１のハードウェア構成を示す図である。超音波撮像システム１は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)２、位置検出センサ９、超音波撮像装置１１、ネットワークアダプタ１０、主メモリ３、記憶装置４、表示メモリ５、コントローラ７および表示装置６を備えて構成され、これらはシステムバス１３によって信号送受可能に接続されている。ここで、「信号送受可能に」とは、電気的、光学的に有線、無線を問わずに、相互にあるいは一方から他方へ信号送受可能な状態を示す。
【0018】
超音波撮像装置には、超音波プローブ１２が接続されている。超音波プローブ１２は、例えば、セクタ型、リニア型又はコンベックス型など、種々のプローブ１２を用いることができる。超音波プローブ１２には、プローブ用マーカ（プローブ位置検出用マーカ）１７が取り付けられている。
【0019】
図２に示したように、プローブ用マーカ１７は、複数（ここでは３つ）の球１８と、フレーム１７ａと、取り付け機構１７ｂとを備えている。フレーム１７は、複数の球１８を所定の位置関係に支持する。固定具１７ｂは、フレーム１７aを超音波プローブ１２の所定の位置に所定の向きで固定することができるように構成されている。球１８は、可視光や赤外線等の光を反射する反射体、または、光を出射する光源である。
【0020】
位置検出センサ９は、複数の球１８の反射または出射する光を検出する一対の光学センサを含み、複数の反射球１８の空間座標を認識する。これにより、位置検出センサ９は、超音波プローブ１２の位置と向きを認識する。なお、位置検出センサ９として、磁界発生装置を用い、プローブ用マーカ１７の代わりに磁気検出センサを用いてもよい。
【0021】
ネットワークアダプタ１０は、ＬＡＮ（Local Area Network）、電話回線、インターネット等のネットワーク１４を介して、CT装置やMRI装置などの３次元撮像装置１５と、医用画像データベース１６に信号送受可能に接続されている。
【0022】
記憶装置４には、３次元撮像装置１５で撮像された３次元画像や、医用画像データベース１６から読み出された３次元医用画像が格納される。また、記憶装置４には、ＣＰＵ２が実行するプログラムやプログラム実行に必要なデータが予め格納されている。記憶装置４は、具体的にはハードディスク等であるが、フレシキブルディスク、光(磁気)ディスク、ZIPメモリ、USBメモリ等の可搬性記録媒体に対してデータの受け渡しをする装置であっても良い。
【0023】
ＣＰＵ２は、記憶装置４に予め格納されているプログラムやプログラム実行に必要なデータを主メモリ３にロードして実行することにより、各構成要素の動作を制御する制御部として機能をソフトウエアにより実現する（以下、ＣＰＵ２を制御部２とも呼ぶ）。なお、制御部２の機能は、ハードウェアにより実現することもできる。例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）のようなカスタムＩＣや、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）のようなプログラマブルＩＣをＣＰＵ２の代わりに用いて、各部の機能を実現するように回路設計を行えばよい。
【0024】
主メモリ３は、ＣＰＵ２が実行するプログラムや演算処理の途中経過を記憶する。
【0025】
表示メモリ５は、表示装置６に表示するための表示データを一時格納するものである。表示装置６は、液晶ディスプレイやＣＲＴ(Cathode Ray Tube)等である。
【0026】
コントローラ７には、マウス８が接続されている。マウス８はトラックパッドやトラックボールなどの他のポインティングデバイスであっても良い。コントローラ７は、マウス８の状態を検出して、表示装置６上のマウスポインタの位置を取得し、取得した位置情報等をＣＰＵ２へ出力する。
【0027】
ファントム１９の構造を図３に示す。ファントム１９には、非平行に２本のワイヤ３０１とワイヤ３０２が張られている。ファントム１９には位置検出センサ９で検出可能なファントム用マーカ３０７が固定されており、ワイヤ３０１の固定端である点３０３および点３０４、並びにワイヤ３０２の固定端である点３０５および点３０６は、ファントム用マーカ３０７に設定された３軸直交座標系の決められた位置に配置されているものとする。
【0028】
さらに、ファントム１９には、超音波プローブをその主平面の向き（角度）を一定に保ったまま一方向にスライド（平行移動）することができるガイドレール３０８を備えている。ガイドレール３０８の位置およびスライド方向はファントム用マーカ３０７に対して固定されているものとする。
【0029】
本実施形態の超音波撮像システムでは、図４に示したステップを順に実行する。
操作者が超音波プローブにプローブ位置検出用マーカを取り付けるステップ、
操作者が超音波プローブ登録用ファントム（以下、ファントムと呼称する）１９の超音波画像を取得するステップ、
ファントム１９の超音波画像が２か所以上で取得されていることを制御部２が判定するステップ、
ファントム１９の超音波画像上のワイヤ３０１，３０２の断面像を検出しワイヤ位置を登録するステップ、
超音波画像に基づいてファントム座標系から超音波ビームの走査面（超音波画像が撮像された断面）の座標系への回転行列を制御部２が算出するステップと、
回転行列に基づいてプローブ位置検出用マーカ１７から超音波ビーム打ち出し点までのオフセットベクトルを制御部２が算出するステップ、
操作者が被検体と医用画像とのレジストレーションのための操作を実施するステップ、および、
操作者が超音波プローブ１２を被検体上で移動させて超音波画像を取得した場合、制御部２は、プローブ位置検出用マーカ１７の位置から超音波画像の位置と向きに対応する医用画像の生成し、表示装置６に表示するステップ
である。
操作者が超音波プローブにプローブ位置検出用マーカを取り付けるステップ、
操作者が超音波プローブ登録用ファントム（以下、ファントムと呼称する）１９の超音波画像を取得するステップ、
ファントム１９の超音波画像が２か所以上で取得されていることを制御部２が判定するステップ、
ファントム１９の超音波画像上のワイヤ３０１，３０２の断面像を検出しワイヤ位置を登録するステップ、
超音波画像に基づいてファントム座標系から超音波ビームの走査面（超音波画像が撮像された断面）の座標系への回転行列を制御部２が算出するステップと、
回転行列に基づいてプローブ位置検出用マーカ１７から超音波ビーム打ち出し点までのオフセットベクトルを制御部２が算出するステップ、
操作者が被検体と医用画像とのレジストレーションのための操作を実施するステップ、および、
操作者が超音波プローブ１２を被検体上で移動させて超音波画像を取得した場合、制御部２は、プローブ位置検出用マーカ１７の位置から超音波画像の位置と向きに対応する医用画像の生成し、表示装置６に表示するステップ
である。
【0030】
このように、ファントムの超音波画像を用いて超音波ビームの走査面の位置と角度を算出することで、CT画像やMRI画像と超音波画像を同期表示した手術ナビゲーション機能を提供することができる
図４は、本発明の基本フローを示す図である。以下、図４の各ステップについて詳細に説明する。
図４は、本発明の基本フローを示す図である。以下、図４の各ステップについて詳細に説明する。
【0031】
(ステップS401)
本ステップでは、操作者は、超音波プローブ１２にプローブ用マーカ１７を取り付ける。取り付け機構１７ｂは、例えば、図２の示したような構造であり、操作者は、ネジ締めにより超音波プローブ１２を挟み込むことによりプローブ用マーカ１７を超音波プローブ１２に固定する。
本ステップでは、操作者は、超音波プローブ１２にプローブ用マーカ１７を取り付ける。取り付け機構１７ｂは、例えば、図２の示したような構造であり、操作者は、ネジ締めにより超音波プローブ１２を挟み込むことによりプローブ用マーカ１７を超音波プローブ１２に固定する。
【0032】
(ステップS402)
本ステップではファントム１９の超音波画像を取得する。位置検出センサ９が配置された実空間に、非平行に張られた２以上のワイヤが含まれるファントムを配置する。
本ステップではファントム１９の超音波画像を取得する。位置検出センサ９が配置された実空間に、非平行に張られた２以上のワイヤが含まれるファントムを配置する。
【0033】
制御部２は、ファントム１９の超音波画像を取得する際に、図５のようなGUIを表示装置６に表示する。操作者は、超音波プローブ１２をガイドレール３０８に取り付け、超音波プローブ１２の主平面のガイドレール３０８（ファントム１９）に対する角度が変わらないように固定する。操作者が、GUI状の開始ボタン５１２を押下すると、制御部２は、超音波撮像装置１１に制御信号を出力し、超音波撮像装置１１は、プローブ用マーカ１７とそれに対応する超音波画像の取得を開始する。あるいは、制御部２が、ファントム用マーカ３０７の一定範囲内でプローブ用マーカ１７が静止したことを検出して、プローブ用マーカ１７とそれに対応する超音波画像の取得開始を指示してもよい。
【0034】
操作者は、図５のGUI内の操作ガイドアニメーション５１１に従って超音波プローブ１２をガイドレール３０８に沿ってスライドさせる。位置検出センサ９は、プローブ用マーカ１７の三次元位置を検出する。超音波撮像装置１１は、それに対応するファントム１９の超音波画像を撮像する。これにより、ガイドレール３０８に沿った少なくとも２か所において、超音波撮像装置１１は、超音波画像を取得する。
【0035】
操作者は、超音波プローブ１２をガイドレール３０８の端までスライドさせた後、終了ボタン５１３を押下することでファントム１９の超音波画像取得操作を終了する。あるいは、超音波プローブ１２がガイドレール３０８の長さに相当する距離を移動したことを、制御部２が検出して、ファントム１９の超音波画像の取得を終了してもよい。
【0036】
取得した超音波画像は、取得時のプローブ用マーカ１７の三次元位置とセットで主メモリ３に記録される。
【0037】
上記には、操作者が手動で超音波プローブ１２をガイドレール３０８に沿ってスライドさせる方法について記述したが、モータ等によって駆動して超音波プローブ１２をガイドレール３０８に沿ってスライドさせてもよい。その場合、超音波画像取得の開始・終了タイミングはモータの駆動開始・終了タイミングと同期することで制御可能であり、開始ボタン５１２および終了ボタン５１３による操作は不要となる。
【0038】
(ステップS403)
制御部２は主メモリ３に記録された超音波画像を参照し、少なくとも２か所における超音波画像が取得されているかどうかを確認する。取得した超音波画像が２か所未満の場合は超音波画像を再度取得する必要がある旨のメッセージを表示装置６に表示する。操作者が前記メッセージを確認した場合、S402の操作を再度実施する。２か所以上の超音波画像を取得した場合は、S404を実施する。
制御部２は主メモリ３に記録された超音波画像を参照し、少なくとも２か所における超音波画像が取得されているかどうかを確認する。取得した超音波画像が２か所未満の場合は超音波画像を再度取得する必要がある旨のメッセージを表示装置６に表示する。操作者が前記メッセージを確認した場合、S402の操作を再度実施する。２か所以上の超音波画像を取得した場合は、S404を実施する。
【0039】
(ステップS404)
制御部２は、S402で取得したファントム１９の２か所以上の超音波画像のうち、２つの超音波画像を主メモリ３から読み出し、超音波画像表示領域５１４および５１６に表示する。
制御部２は、S402で取得したファントム１９の２か所以上の超音波画像のうち、２つの超音波画像を主メモリ３から読み出し、超音波画像表示領域５１４および５１６に表示する。
【0040】
画面に表示されたスライダ５１５および５１７を操作者がマウスにより操作することで、超音波画像取得時のプローブ用マーカ１７の位置を選択することが可能である。制御部２は、操作者によって選択されたプローブ用マーカ１７の位置とセットとなった超音波画像を主メモリから読み出し、超音波画像表示領域５１４および５１６に表示する。
【0041】
操作者が自動検出ボタン５１８を押下した場合には、制御部２は超音波画像表示領域５１４および５１６に表示された超音波画像上のワイヤ３０１，３０２の断面像をHough変換等によって検出し、ワイヤ位置ｐ１，ｐ２，ｑ１，ｑ２を登録する。あるいは、操作者が超音波画像上のワイヤを視認して、超音波画像表示領域５１４および５１６上でワイヤ位置を選択することで、ワイヤ位置を登録することも可能である。
【0042】
(ステップS405)
操作者が実行ボタン５１９を押下すると、制御部２は超音波ビームの走査面（超音波画像）の位置と角度の算出処理を実行する。
操作者が実行ボタン５１９を押下すると、制御部２は超音波ビームの走査面（超音波画像）の位置と角度の算出処理を実行する。
【0043】
以下、超音波ビームの走査面の位置と角度の算出処理のアルゴリズムについて図４に基づいて説明する。なお、超音波画像３０９aおよび３０９ｂはそれぞれ、超音波画像表示領域５１４および５１６に表示された超音波画像と同等であるとする。
【0044】
超音波画像３０９aおよび３０９ｂに写ったワイヤ３０１の位置をそれぞれｐ１およびｐ２、ワイヤ３０２の位置をそれぞれｑ１およびｑ２とし、ファントム用マーカ３０７に設定した座標系をＫｐｈ、原点をｏ、点３０３をａ、点３０５をｂ、ワイヤ３０１に沿った単位ベクトルｃ、ワイヤ３０２に沿った単位ベクトルｄとすると、座標系Ｋｐｈにおける原点ｏからｐｉおよびｑｉ（ｉ＝１，２）に向かうベクトルopｉ、oqｉは、係数ｓ，ｔを用いて以下のように表される。なお、以降の説明において、式中の矢印はベクトルを表している。
【数1】
【数2】
【0045】
超音波プローブ１２の１２aから１２ｂへの移動ベクトルをベクトルΔ１と置くと、係数α，βを用いて以下の式が成り立つ。
【数3】
【数4】
【0046】
ここで、ｐ１からベクトルΔ１移動した先の点を点３１０、ｑ１からベクトルΔ１移動した先の点を点３１１とすると、点３１０および点３１１は３０９ｂの面上の点である。点３１０からｐ２へ向かうベクトルｕは以下のように表される。
【数5】
【0047】
同様に、点３１１からｑ２へ向かうベクトルｖは以下のように表される。
【数6】
【0048】
超音波プローブ１２をガイドレール３０８のスライド方向の単位ベクトルΔだけ移動した場合のベクトルｕに相当するベクトルΔｕは以下のように表される。
【数7】
【0049】
同様に、ベクトルΔｖは以下のように表される。
【数8】
【0050】
ここで、｜Δｕ｜２を計算することで、以下のようにαの値が算出できる。
【数9】
【0051】
同様に、｜Δｖ｜２を計算することで、以下のようにβの値が算出できる。
【数10】
【0052】
ここで、ベクトルΔｕおよびべクトルΔｖは超音波ビームの走査面上に存在するため、超音波ビームの走査面に対する単位法線ベクトルｎ３は以下のように算出できる。
【数11】
【0053】
ファントム用マーカ３０７に設定した座標系Ｋｐｈから超音波ビームの走査面の座標系Ｋｕｓへの回転行列をＲｕｓ←ｐｈは以下のように算出できる。ただし、式１２において、ΔｕxおよびΔｕyは座標系ＫｕｓにおけるΔｕのｘ成分およびｙ成分、ΔｖxおよびΔｖyは座標系ＫｕｓにおけるΔｖのｘ成分およびｙ成分である。
超音波プローブに取り付けたプローブ用マーカ１７に設定した座標系をＫｐｒ、原点をｇと置き、位置検出センサ９における座標系をＫｈ、原点をｈと置くと、プローブ用マーカ１７に設定した座標系Ｋｐｒから超音波ビームの走査面の座標系Ｋｕｓへの変換行列Ｒｕｓ←ｐｒは以下のように表される。
【数12】
【数13】
【0054】
式１３において、Ｒｈ←ｐｈ、Ｒｈ←ｐｒは、位置検出センサでファントム用マーカ３０７およびプローブ用マーカ１７を検出することで得られる座標変換行列である。位置検出センサは各位置検出用マーカに取り付けられた３つ以上の反射球の三次元位置を検出し、さらに反射球の配置を基準に設定された各位置検出用マーカの座標系を認識し、各位置検出用マーカの座標系からセンサ座標系への座標変換行列を算出する。
【0055】
(ステップS406)
超音波ビームの打ち出し点をｆと置くと、ベクトルop１(Ｋｐｈ)は以下のように表される。
超音波ビームの打ち出し点をｆと置くと、ベクトルop１(Ｋｐｈ)は以下のように表される。
【数14】
【0056】
式14より、超音波プローブ１２に取り付けたプローブ用マーカ１７から超音波ビーム打ち出し点までのオフセットベクトルgf(Ｋｐｒ)を算出できる。
【0057】
ステップS405で算出した超音波プローブに取り付けたプローブ用マーカ１７に設定した座標系をＫｐｒから超音波ビームの走査面の座標系Ｋｕｓへの回転行列Ｒｕｓ←ｐｒ、および、ステップS406で算出したプローブ用マーカ１７の原点ｇから超音波ビーム打ち出し点ｆまでのオフセットベクトルgf(Ｋｐｒ)を超音波プローブ１２の座標変換情報として登録する。
【0058】
超音波プローブ１２の登録が完了した旨を表示装置６に表示する。さらに別の超音波プローブを登録したい場合は、ステップS401～S406の操作を繰り返すことで複数の超音波プローブを登録することが可能である。
【0059】
(ステップS407)
操作者は、ナビゲーションに使用する医用画像と実空間上の被検体（以下、患者とも呼ぶ）の位置を合わせるレジストレーション操作を実施する。レジストレーションは、患者の鼻根部や目尻などの解剖学的特徴点や患者に貼り付けた撮像マーカの位置を3点以上ポイントすることで実空間上のマーカ位置と医用画像上のマーカ位置を対応付ける方法（ポイントレジストレーション）や、レーザなどを用いて取得した患者の表面情報と医用画像から再構築した三次元画像の表面情報を対応づける方法（サーフェイスレジストレーション）で実施される（非特許文献1）。なお、レジストレーション操作は超音波プローブ登録操作よりも前（ステップS401よりも前）に実施してもよい。
操作者は、ナビゲーションに使用する医用画像と実空間上の被検体（以下、患者とも呼ぶ）の位置を合わせるレジストレーション操作を実施する。レジストレーションは、患者の鼻根部や目尻などの解剖学的特徴点や患者に貼り付けた撮像マーカの位置を3点以上ポイントすることで実空間上のマーカ位置と医用画像上のマーカ位置を対応付ける方法（ポイントレジストレーション）や、レーザなどを用いて取得した患者の表面情報と医用画像から再構築した三次元画像の表面情報を対応づける方法（サーフェイスレジストレーション）で実施される（非特許文献1）。なお、レジストレーション操作は超音波プローブ登録操作よりも前（ステップS401よりも前）に実施してもよい。
【0060】
(ステップS408)
図６はCT画像やMRI画像と超音波画像を同期表示した手術ナビゲーション実施時のGUIの基本的な実施形態を示す図である。ステップS406で登録した超音波プローブを患部に当てると、超音波画像表示領域６１２に超音波画像が表示される。
図６はCT画像やMRI画像と超音波画像を同期表示した手術ナビゲーション実施時のGUIの基本的な実施形態を示す図である。ステップS406で登録した超音波プローブを患部に当てると、超音波画像表示領域６１２に超音波画像が表示される。
【0061】
ステップS407で実施したレジストレーション操作によってCT画像やMRI画像と実空間上の患者位置が対応付けられ、さらに、位置検出センサ９で検出した超音波プローブ１２に取り付けたプローブ用マーカ１７の位置情報に対して回転行列Ｒｕｓ←ｐｈと、オフセットベクトルgfを用いることで、超音波画像と実空間の位置関係が対応付けられる。これにより、超音波画像が描出した位置に対応するCT画像やMRI画像などの医用画像がナビゲーション画像表示領域６１１に同期表示される。
【0062】
本実施形態により、ファントムの超音波画像を取得するだけの簡便な操作で、システムが自動的に超音波ビームの走査面の位置と角度を算出することが可能となり、操作者の負担低減および操作性を向上することが可能である。さらに、ファントムの超音波画像に基づいて超音波ビームの走査面の位置と角度を算出することで、超音波プローブ１２の種別や個体差によらず、精度良く超音波プローブ１２の登録が可能である。
【0063】
なお、上述のステップS401～S406による超音波プローブ１２の座標変換情報の登録は、手術ナビゲーションが実施される患者（被検体）が配置されている部屋に、位置検出センサ９と、ファントム１９と、超音波撮像装置１１を含む超音波撮像システム１を配置して、マーカ１７つきの超音波プローブ１２によりファントム１９の超音波画像を撮像することによって行い、同じ位置検出センサ９を用いて手術ナビゲーションを行うことが望ましいが、本実施形態はこれに限定されるものではない。手術ナビゲーションが実施される部屋とは別の部屋に、位置検出センサ９と、ファントム１９と、超音波撮像装置１１を含む超音波撮像システム１を配置して、ステップS401～S406による超音波プローブ１２の座標変換情報の登録を行い、その後、別の位置検出センサが配置された、患者（被検体）の配置されている部屋にマーカ１７つきの超音波プローブ１２だけ移動させて、別の位置検出センサを用いて手術ナビゲーションを行ってもよい。この場合、位置検出センサが異なることによる誤差は、生じ得るが、位置検出センサ同士を較正等することにより、誤差を低減することができる。
【符号の説明】
【0064】
1：超音波撮像システム、2：ＣＰＵ、3：主メモリ、4：記憶装置、5：表示メモリ、6：表示装置、7：コントローラ、8：マウス、9：位置検出センサ、10：ネットワークアダプタ、11：超音波撮像装置。12：超音波プローブ、13：システムバス、14：ネットワーク、15：３次元撮像装置、16：医用画像データベース、17：位置検出用マーカ、18：反射球、19：超音波プローブ登録用ファントム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
