JP2021510107A - 超音波画像データの三次元撮像およびモデリング - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、「Three−dimensional Imaging and Modeling of Ultrasound Image Data(超音波画像データの三次元撮像およびモデリング)」と題する、2018年1月8日付で提出された米国特許仮出願第62/614,559号に対して優先権を主張するものであり、当該出願はこの参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、アメリカ国立衛生研究所の医学生物工学研究所に賞が与えられたR44 EB024384の下に政府支援によりなされたものである。政府は本発明に特定の権利を有している。
この例において、目標は、長期麻酔を提供するカテーテル留置のため、患者の腰椎の硬膜外腔にチューヒー針を誘導することである。現在の標準的な治療は、脊椎の解剖学的構造を触診して脊椎間空間を特定し、針を挿入した後、「抵抗消失」技術(針が標的硬膜外腔に達した場合に、注射器を用いて減少した圧力を感知する技術)を行うものである。この手順の正確性の改善を達成するため、ユーザーは装着画面108を有する超音波プローブ104を用いて患者を走査するが、それと同時に、プローブは物体追跡システム112によって追跡される。ユーザーが走査すると、骨強調(工程214)3D複合画像が編集され(工程218)、中間3Dモデルフィッティング(工程230)およびスキャニング密度の十分さの指標が計算され(工程242)、これら全てが、リアルタイムで、表示装置140(例えば、ラップトップ表示装置、外付け表示装置、仮想現実ヘッドセットなど)および/または任意選択のプローブ表示装置108上の3Dに示される(工程254)。ある領域のスキャニングが十分な密度であることを示すのに、スキャニング密度指標は、カラーコードを用いて、青(または他の色)の度合いにより標的解剖学的構造を強調する。
この例では、目標は、電離放射線(例えば、X線、CTスキャンなど)や高価な手順(例えば、MRI)を必要とせずに可視化を達成するため、患者を走査し、その患者の脊椎の解剖学的構造の3Dモデルを構築することである。3D脊椎モデルは、アナリティクスを抽出し、疾病状態の存在または範囲を評価するのに使用できる。斯かる技術の使用例の1つは、少年少女の側弯症の進行を診断または追跡することである。斯かる種類の診断に現在使用される主な道具はX線撮像である。しかし、子供達をX線に反復曝露するのは望ましいことではないし、一次医療提供者はX線機械に簡単にはアクセスできず、代わりに正確度に制限のある他の方法(例えば、外部脊椎角度測定)を使用している。したがって、この例で記載されるような低価格で正確な脊椎分析システムは、現在の治療基準を改善するものとなるであろう。
この例では、目標は、患者を走査して骨および他の解剖学的構造の3Dモデルを構築し、異なる人および異なる部位での後の評価のため、この走査情報を記憶させることである。斯かる方法は、技術者が患者を走査することにより解剖学的モデルを取得し、後に一人以上の有能な医療専門家が任意の部位で双方向的に斯かるモデルデータを解釈できると言う特長を有している。解剖学的モデルデータが、標準の体積形式、表面形式、あるいは例えばDigital Imaging and Communications in Medicine(DICOM)標準(http://www.dicomstandard.org/で入手可能)が提供する他の形式に記憶させるならば、そのデータに関する任意の消費者が、既存のツールまたは新しいツールを用いて、例えばPACSシステム(画像保管および電送システム)を用いて、データを検索したり、電送したり、記憶したりするのが可能となる。
例1.超音波撮像および治療誘導システムは、超音波ビーム生成して位置調整することにより、被験者の解剖学的骨構造の三次元画像データを取得する超音波プローブと、前記超音波プローブの現在の位置および現在の向きを検出するように構成された物体追跡装置と、前記被験者に治療を行うための治療用器具と、前記超音波プローブおよび前記治療用器具に連結され、前記超音波プローブに対する前記治療用器具の所定の相対位置を設定する機械装置と、プロセッサと、前記プロセッサに動作可能に接続された非一時的なコンピュータメモリとを有する。前記非一時的なコンピュータメモリは、コンピュータ可読命令を有し、このコンピュータ可読命令は、前記プロセッサに、前記三次元画像データおよび前記超音波プローブの前記現在の位置および前記現在の向きに少なくとも部分的に基づいて、三次元骨表面部位の位置および向きを検出する工程と、前記三次元骨表面部位に対する標的治療部位を自動検出する工程と、前記標的治療部位に対する治療に要求される、前記治療用器具の適切な位置および向きを決定する工程と、表示データを生成する工程とを実行させる。前記システムは、さらに、前記プロセッサと電気通信し、前記表示データに基づいて画像を生成する表示装置を含み、前記画像は、前記三次元骨表面部位の表示と、即時に取得された二次元超音波画像フレームであって、現在の位置および現在の向きにおける前記治療用器具の潜在的治療領域と相互に位置合わせされているものである、前記二次元超音波画像フレームと、前記三次元骨表面部位に対する前記標的治療部位の表示と、前記標的治療部位および潜在的治療領域が整合しているどうかを示す画像インジケーターとを有する。
Claims (60)
- 超音波撮像および治療誘導システムであって、
超音波ビーム生成して位置調整することにより、被験者の解剖学的骨構造の三次元画像データを取得する超音波プローブと、
前記超音波プローブの現在の位置および現在の向きを検出するように構成された物体追跡装置と、
前記被験者に治療を行うための治療用器具と、
前記超音波プローブおよび前記治療用器具に連結され、前記超音波プローブに対する前記治療用器具の所定の相対位置を設定する機械装置と、
プロセッサと、
前記プロセッサに動作可能に接続された非一時的なコンピュータメモリであって、コンピュータ可読命令を有し、このコンピュータ可読命令は、前記プロセッサに、
前記三次元画像データおよび前記超音波プローブの前記現在の位置および前記現在の向きに少なくとも部分的に基づいて、三次元骨表面部位の位置および向きを検出する工程と、
前記三次元骨表面部位に対する標的治療部位を自動検出する工程と、
前記標的治療部位に対する治療に要求される、前記治療用器具の適切な位置および向きを決定する工程と、
表示データを生成する工程と、
を実行させるものである、前記コンピュータメモリと
前記プロセッサと電気通信し、前記表示データに基づいて画像を生成する表示装置であって、前記画像は、
前記三次元骨表面部位の表示と、
即時に取得された二次元超音波画像フレームであって、現在の位置および現在の向きにおける前記治療用器具の潜在的治療領域と相互に位置合わせされているものである、前記二次元超音波画像フレームと、
前記三次元骨表面部位に対する前記標的治療部位の表示と、
前記標的治療部位および潜在的治療領域が整合しているどうかを示す画像インジケーターと
を有するものである、前記表示装置と
を有する、システム。 - 請求項1記載のシステムにおいて、前記コンピュータ可読命令は、さらに、前記プロセッサに、ニューラルネットワークを利用して、前記三次元骨表面部位に対する前記標的治療部位を自動検出する工程を実行させるものである、システム。
- 請求項1記載のシステムにおいて、前記コンピュータ可読命令は、さらに、前記プロセッサに、前記三次元画像データを三次元骨モデルにフィッティングさせることにより、前記三次元骨表面部位の位置および向きを検出する工程を実行させるものである、システム。
- 請求項3記載のシステムにおいて、前記表示装置によって生成された画像は、さらに、目印となる骨部位を含むものである、システム。
- 請求項3記載のシステムにおいて、前記コンピュータ可読命令は、さらに、前記プロセッサに、三次元骨モデルを利用して、前記標的治療部位を自動検出する工程を実行させるものである、システム。
- 請求項1記載のシステムにおいて、前記三次元骨表面部位の前記表示は、符号化された第三次元を有する二次元骨表面画像として表示されることで、前記第三次元に沿った骨表面部位が示されるものである、システム。
- 請求項6記載のシステムにおいて、前記第三次元は画像として符号化されることで、前記第三次元に沿った骨表面部位が示されるものである、システム。
- 請求項7記載のシステムにおいて、前記第三次元は色符号化されることで、前記第三次元に沿った骨表面部位が示されるものである、システム。
- 請求項1記載のシステムにおいて、前記治療用器具の前記適切な位置および向きは、前記超音波プローブに対する前記治療用器具の所定の相対位置に少なくとも部分的に基づいて決定されるもである、システム。
- 請求項1または9記載のシステムにおいて、
前記物体追跡装置は、前記治療用器具の現在の位置および現在の向きを検出するように構成されているものであり、
前記治療用器具の前記適切な位置および向きは、前記治療用器具の前記現在の位置および現在の向きに少なくとも部分的に基づいて決定されるもである、システム。 - 請求項1記載のシステムにおいて、前記表示装置によって生成された前記画像は、さらに、前記潜在的な治療領域の現在の位置および現在の向きを含むものである、システム。
- 請求項1記載のシステムにおいて、前記表示装置によって生成された前記画像は、さらに、前記治療用器具の現在の位置および現在の向きを含むものである、システム。
- 請求項1記載のシステムにおいて、前記表示装置によって生成された前記画像は、さらに、前記三次元骨表面部位に基づいて計算された、解剖学的骨構造の寸法および向きに関する情報を含むものである、システム。
- 請求項1記載のシステムにおいて、前記治療用器具は、針ガイド部、注射針、焼灼器具および/または高密度焦点式超音波トランスデューサを有するものである、システム。
- 請求項1記載のシステムにおいて、前記標的治療部位は、硬膜外腔、髄腔、または内側神経枝を含むものである、システム。
- 請求項1記載のシステムにおいて、前記超音波プローブは、ユーザーによって手動で位置調整されるように構成されているものである、システム。
- 請求項1記載のシステムにおいて、前記超音波プローブは、機械的電動機構により自動的に位置調整されるように構成されているものである、システム。
- 請求項1記載のシステムにおいて、前記物体追跡装置は、誘導型近接センサを含むものである、システム。
- 請求項1記載のシステムにおいて、前記物体追跡装置は、超音波画像処理回路を含むものである、システム。
- 請求項19記載のシステムにおいて、前記超音波画像処理回路は、前記三次元画像データにおける連続的に取得された超音波画像を比較することにより、前記超音波プローブの現在の位置の相対的変化を決定するように構成されているものである、システム。
- 請求項1記載のシステムにおいて、前記物体追跡装置は光学センサを含むものである、システム。
- 請求項21記載のシステムにおいて、前記光学センサは、固定光送信機と、前記光学センサによって検出される掃引レーザとを含み、前記超音波プローブ上に配置されるものである、システム。
- 請求項1記載のシステムにおいて、前記物体追跡装置は一体化された位置センサを含むものである、システム。
- 請求項23記載のシステムにおいて、前記一体化された位置センサは、電気機械式ポテンショメーター、線形可変差動変圧器、誘導型近接センサ、ロータリーエンコーダ、インクリメンタルエンコーダ、加速度計および/またはジャイロスコープを含むものである、システム。
- 請求項1記載のシステムにおいて、前記三次元骨表面部位は、三次元脊椎骨を含むものである、システム。
- 請求項1記載のシステムにおいて、前記位置調整された超音波ビームは、前記超音波プローブを機械的に移動させることにより、および/または前記超音波ビームを電気的に操作することによって位置調整されるものである、システム。
- 治療用器具を誘導する方法であって、
被験者の解剖学的骨構造の三次元画像データを取得するために超音波プローブによって生成された超音波ビームを被験者の身体上で位置調整する工程と、
前記超音波ビームが位置調整される間に、物体追跡装置により前記超音波プローブの現在の位置および現在の向きを検出する工程と、
前記三次元画像データおよび前記超音波プローブの前記現在の位置および前記現在の向きに少なくとも部分的に基づいて、三次元骨表面部位の位置および向きを検出する工程と、
前記三次元骨表面部位に対する標的治療部位を自動検出する工程と、
前記標的治療部位に対する治療に要求される、前記治療用器具の適切な位置および向きを決定する工程と、
コンピュータと電気通信する表示装置上に画像を表示する工程であって、前記画像は、
前記三次元骨表面部位の表示と、
即時に取得された二次元超音波画像フレームであって、現在の位置および現在の向きにおける治療用器具の潜在的治療領域と相互に位置合わせされているものである、前記二次元超音波画像フレームと、
前記三次元骨表面部位に対する前記標的治療部位の表示と、
前記標的治療部位および潜在的治療領域が整合しているどうかを示す画像インジケーターと
を有するものである、前記画像を表示する工程と、
を有する、方法。 - 請求項27記載の方法において、さらに、
コンピュータ内のニューラルネットワークを利用して、前記三次元骨表面部位に対する前記標的治療部位を自動検出する工程を有する、方法。 - 請求項27記載の方法において、さらに、前記三次元画像データを三次元骨モデルにフィッティングさせる工程を有する、方法。
- 請求項29記載の方法において、さらに、
前記三次元骨モデルを利用して、前記三次元骨表面部位の位置および向きを検出する工程を有する、方法。 - 請求項30記載の方法において、さらに、
前記三次元骨モデルを利用して、目印となる骨部位を特定する工程を有する、方法。 - 請求項31記載の方法において、前記画像は前記目印となる骨部位を含むものである、方法。
- 請求項30記載の方法において、さらに、
前記三次元骨モデルを利用して、前記標的治療部位を自動検出する工程を有する、方法。 - 請求項27記載の方法において、前記三次元骨表面部位の前記表示は、符号化された第三次元を有する二次元骨表面画像として表示されることで、前記第三次元に沿った骨表面部位が示されるものである、方法。
- 請求項34記載の方法において、さらに、
前記第三次元に沿った骨表面部位を示すために前記第三次元を画像として符号化する工程を有する、方法。 - 請求項34記載の方法において、さらに、
前記第三次元に沿った骨表面部位を示すために前記第三次元を色符号化する工程を有する、方法。 - 請求項27記載の方法において、さらに、
前記超音波プローブおよび前記治療用器具に機械装置を機械的に連結する工程を有し、
前記機械装置は、前記超音波プローブに対する前記治療用器具の所定の相対位置を設定するものである、方法。 - 請求項37記載の方法において、さらに、
前記超音波プローブに対する前記治療用器具の前記所定の相対位置に少なくとも部分的に基づいて、前記治療用器具の適切な位置および向きを決定する工程を有する、方法。 - 請求項27または38記載の方法において、さらに、
前記物体追跡装置により、前記治療用器具の現在の位置および現在の向きを検出する工程と、
前記治療用器具の前記現在の位置および現在の向きに少なくとも部分的に基づいて、前記治療用器具の前記適切な位置および向きを決定する工程と、
を有する、方法。 - 請求項27記載の方法において、前記画像は、さらに、前記潜在的な治療領域の現在の位置および現在の向きを含むものである、方法。
- 請求項27記載の方法において、前記画像は、さらに、前記治療用器具の現在の位置および現在の向きを含むものである、方法。
- 請求項27記載の方法において、前記画像は、さらに、前記三次元骨表面部位に基づいて計算された、解剖学的骨構造の寸法および向きに関する情報を含むものである、方法。
- 請求項27記載の方法において、前記治療用器具は、針ガイド部、注射針、焼灼器具および/または高密度焦点式超音波トランスデューサを有するものである、方法。
- 請求項27記載の方法において、前記標的治療部位は、硬膜外腔、髄腔、または内側神経枝を含むものである、方法。
- 請求項27記載の方法において、前記超音波ビームを位置調整する工程は、前記超音波プローブを機械的に移動させる工程を有する、方法。
- 請求項27記載の方法において、さらに、
前記超音波プローブを機械的電動機構により位置調整する工程を有する、方法。 - 請求項27記載の方法において、前記超音波ビームを位置調整する工程は、前記超音波ビームを電子走査する工程を有する、方法。
- 請求項27記載の方法において、前記物体追跡装置は、誘導型近接センサを含むものである、方法。
- 請求項27記載の方法において、前記物体追跡装置は、超音波画像処理回路を含むものである、方法。
- 請求項49記載の方法において、さらに、
前記超音波画像処理回路により、前記三次元画像データにおける連続的に取得された超音波画像を比較して、前記超音波プローブの現在の位置の相対的変化を決定する工程を有する、方法。 - 請求項27記載の方法において、前記物体追跡装置は光学センサを含むものである、方法。
- 請求項51記載の方法において、前記光学センサは、固定光送信機と、前記光学センサによって検出される掃引レーザとを含み、前記超音波プローブ上に配置されるものである、方法。
- 請求項27記載の方法において、前記物体追跡装置は一体化された位置センサを含むものである、方法。
- 請求項53記載の方法において、前記一体化された位置センサは、電気機械式ポテンショメーター、線形可変差動変圧器、誘導型近接センサ、ロータリーエンコーダ、インクリメンタルエンコーダ、加速度計および/またはジャイロスコープを含むものである、方法。
- 請求項27記載の方法において、前記三次元骨表面部位は、三次元脊椎骨を含むものである、方法。
- 請求項27記載の方法において、前記超音波プローブの現在の位置および現在の向きは、前記物体追跡装置を利用して検出されるものである、方法。
- 請求項27記載の方法において、さらに、
前記解剖学的骨構造の二次元超音波画像を複数の超音波プローブ位置において取得する工程と、
前記二次元超音波画像および前記複数の超音波プローブ位置を結合して前記三次元画像データを形成する工程と、
を有する、方法。 - 請求項27記載の方法において、前記二次元超音波画像はピクセルを含み、
この方法は、さらに、
前記複数の超音波プローブ位置に基づいて、各ピクセルの三次元位置を決定する工程を有する、方法。 - 請求項27記載の方法において、さらに、
前記超音波画像における任意の骨および/または骨の特徴を強調するために骨強調処理を実行する工程を有する、方法。 - 請求項27記載の方法において、さらに、
ユーザーインターフェースイベントを受信する工程と、
前記ユーザーインターフェースイベントが受信された時点に基づいて前記超音波プローブの基準点を記録する工程と、
を有する、方法。
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