JP6489637B2

JP6489637B2 - 生体内運動追跡装置

Info

Publication number: JP6489637B2
Application number: JP2015040453A
Authority: JP
Inventors: 憲裕小泉; 東俊李; 藤井　達也; 達也藤井; 浩之福田; 弘之月原; 東　隆; 隆東; 直彦杉田; 英世宮嵜; 之夫本間; 和司沼田; 洋一郎松本; 光石　衛; 衛光石
Original assignee: University of Tokyo NUC; Yokohama City University
Current assignee: University of Tokyo NUC; Yokohama City University
Priority date: 2015-03-02
Filing date: 2015-03-02
Publication date: 2019-03-27
Anticipated expiration: 2035-03-02
Also published as: JP2016158890A; WO2016139832A1

Description

本発明は生体内を運動する注目部位を追跡する生体内運動追跡装置に関する。

癌や腫瘍などに強力な超音波を集束させてそれらを焼灼して治療する強力集束超音波（High Intensity Focused Ultrasound：ＨＩＦＵ）が知られている（特許文献１参照）。例えば、ＨＩＦＵを採用した結石、前立腺癌、肝臓癌の治療用装置が開発され利用されている。

ＨＩＦＵ治療では、癌や腫瘍などの治療箇所以外の正常な組織等を傷めないように、治療箇所の位置を把握してその位置に強力な超音波を集束させることが望ましい。そのため、従来から、核磁気共鳴画像（Magnetic Resonance Imaging：ＭＲＩ）や診断用の超音波画像を利用して治療箇所の位置を確認しつつその位置に治療用の超音波を集束させるシステムなどが利用されている。

特開平７−４７０７９号公報

しかし、生体内の器官の多くは呼吸や心拍動により移動し得る。特に、肝臓は呼吸に伴い、最大１５〜２０ｍｍ／秒の速度で１０〜２０ｍｍ以上移動することや、深呼吸により１００ｍｍ以上動き得ることが報告されている。また、腎臓は呼吸により平均で５〜９ｍｍ移動すると報告されている。腎臓や肝臓などのＨＩＦＵ治療ではこの生体内での臓器の運動に追従して正確に超音波を照射することが難しく、治療における障壁となっている。具体的には、腎臓や肝臓の運動は当該臓器周りの肋骨、肺、心臓、胆嚢、筋膜との相対位置関係の変化と臓器そのものの変形の原因となり、これによって追跡対象の臓器を捉えた像、例えば超音波画像パターンに大きな変化が生じる。当該像の変化は、例えば、テンプレートマッチングによる追跡に際して追跡対象として設定した臓器のテンプレートと当該像との類似度を減少させ、追跡失敗の原因となる。

また、生体内での器官の運動はＨＩＦＵ以外の治療法においても問題となっている。例えば、心臓の外科手術や肺癌の放射線治療などである。

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、生体内を運動する注目部位を好適に追跡する生体内運動追跡装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る生体内運動追跡装置は、生体内を概周期的に運動する注目部位を、生体構造を撮影した生体像において追跡する装置であって、本追跡処理に先行する前記注目部位の運動周期における前記生体像を用い、前記注目部位に対応する注目領域内の前記生体像の特徴を表す特徴情報について学習し追跡用特徴情報を生成する特徴情報学習部と、時間的に変化する前記生体像にて、前記追跡用特徴情報に基づいて前記注目領域を探索し前記注目部位の位置を求める本追跡処理部と、を有し、前記特徴情報学習部は、前記注目部位の軌道上の基準位置とする位置にて基準注目領域を設定する基準設定手段と、前記基準注目領域内の前記特徴情報である基準特徴情報を抽出し、当該基準特徴情報に基づき前記注目領域を追跡して前記軌道を求めると共に、追跡した前記注目領域から抽出した前記特徴情報を用いて、前記軌道上の位置に対応づけて前記追跡用特徴情報を求める特徴情報生成手段と、を有する。

（２）上記（１）の生体内運動追跡装置において、前記特徴情報生成手段は、前記軌道を複数の区間に区切り、当該各区間にて、当該区間における予め定めた代表点での前記注目領域から代表特徴情報を抽出し、前記基準特徴情報及び前記代表特徴情報のそれぞれと前記注目領域の当該区間における前記特徴情報との類似度を算出し、前記代表特徴情報に関する当該類似度が前記基準特徴情報に関する当該類似度以上である場合は、前記代表特徴情報を当該区間の前記追跡用特徴情報とし、前記代表特徴情報に関する当該類似度が前記基準特徴情報に関する当該類似度未満である場合は、当該区間の前記追跡用特徴情報として当該区間に先行する隣接区間の前記追跡用特徴情報を用いることができる。

（３）上記（１）の生体内運動追跡装置において、前記特徴情報生成手段は、前記軌道を複数の区間に区切り、当該各区間にて、当該区間における予め定めた代表点での前記注目領域から代表特徴情報を抽出し、前記基準特徴情報と前記代表特徴情報とのうち前記注目領域の当該区間における前記特徴情報との類似度が高い方を当該区間の前記追跡用特徴情報とすることができる。

（４）上記（１）から（３）の生体内運動追跡装置において、前記本追跡処理部は、前記注目部位の前記軌道上での推定位置にて、当該推定位置に対応した前記追跡用特徴情報に基づいて前記注目領域を探索し新たな推定位置を求めてもよい。

（５）上記（１）の生体内運動追跡装置において、前記特徴情報生成手段は、前記生体の心拍情報を取得しつつ前記基準特徴情報に基づく前記注目領域の追跡を複数回の前記運動周期について繰り返すことによって、前記軌道上の位置に対応づけて前記注目領域から互いに異なる複数の心拍位相での前記特徴情報を抽出し、当該特徴情報を用いて、前記軌道上の位置に対応づけられる前記追跡用特徴情報を前記複数の心拍位相それぞれについて求め、前記本追跡処理部は、前記生体像の取得時の前記心拍位相に対応した前記追跡用特徴情報に基づいて前記注目領域を探索し前記注目部位の位置を求める構成とすることができる。

（６）上記（５）の生体内運動追跡装置において、前記特徴情報生成手段は、前記複数の心拍位相それぞれにて前記基準特徴情報を抽出し、前記注目領域の追跡に用いる前記基準特徴情報を前記生体像の取得時の前記心拍位相に応じて切り替えてもよい。

（７）上記（１）から（６）の生体内運動追跡装置は、さらに、前記生体像として、互いに交差する複数の断層面での超音波画像を撮影する撮像部と、前記注目領域が前記各超音波画像の所定位置に写るように、前記注目領域の移動に伴って前記撮像部を移動させる駆動部と、を有し、前記特徴情報は、前記各超音波画像における前記注目領域内の画像である構成とすることができる。

（８）上記（７）の生体内運動追跡装置において、前記撮像部は前記生体に対する前記断層面の向きを変えることができ、前記特徴情報学習部は前記断層面の向きを変えたときの前記追跡用特徴情報を生成し、当該生体内運動追跡装置は前記断層面の向きの変化を検知する手段を備え、前記本追跡処理部は、前記断層面の向きの変化に対応して前記追跡用特徴情報を切り替えて前記注目領域を探索する構成とすることができる。

本発明によれば、生体内を概周期的に運動する注目部位を、生体構造を撮影した生体像において好適に追跡することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る超音波診断治療統合システムの概略の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態に係る超音波診断治療統合システムに用いるエンドエフェクタの模式的な斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る超音波診断治療統合システムの模式図である。本発明の第１の実施形態に係る超音波診断治療統合システムにおける学習動作の概略の処理フロー図である。ベッドに横たわる患者における注目部位の軌道の模式図である。複数の区間における超音波画像の模式図である。本発明の第１の実施形態に係る超音波診断治療統合システムにおける本追跡動作の概略の処理フロー図である。

以下、本発明に係る生体内運動追跡装置の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。当該生体内運動追跡装置は、生体内を概周期的に運動する注目部位を、生体構造を撮影した生体像において追跡する装置である。

［第１の実施形態］
図１は第１の実施形態に係る超音波診断治療統合システム１の概略の構成を示すブロック図である。超音波診断治療統合システム１はエンドエフェクタ２、移動機構４及び本体６からなり、また本発明に係る生体内運動追跡装置を含んで構成される。エンドエフェクタ２は超音波プローブ１０とＨＩＦＵトランスデューサ１２とを備え、注目部位に向けて配置される。超音波診断治療統合システム１は超音波プローブ１０により生体像として超音波画像をリアルタイムに撮影することができ、本体６は当該超音波画像を用いて注目部位の位置を追跡する。移動機構４は本体６により制御され、注目部位の位置に追従してエンドエフェクタ２を３次元的に移動させる。超音波診断治療統合システム１は超音波プローブ１０により得られる超音波画像を用いて注目部位の診断を可能とし、また、ＨＩＦＵトランスデューサ１２により患部をＨＩＦＵ法により非侵襲に治療することができる。ここでは注目部位は例えば腎臓や肝臓であるとする。腎臓や肝臓は既に述べたように、患者等、生体の呼吸に応じて概周期的に運動する。

図２はエンドエフェクタ２の模式的な斜視図である。超音波プローブ１０は超音波パルスの送出及びエコーの受波を行う。具体的には超音波プローブ１０は振動子アレイを有し、振動子アレイにより超音波ビームを形成し患者の体内へ送出する。超音波ビームは電子的にアレイ方向に走査される。超音波ビームの送出はパルス状に行われ、振動子アレイは超音波ビームの送出後、体内からのエコーを受波する。注目部位の３次元情報を取得し、また体内での注目部位の３次元的な移動に対応できるように、２つの超音波プローブ１０ａ，１０ｂが互いの走査面１３ａ，１３ｂを基本的に直交させてエンドエフェクタ２に配置される。よって、生体の体内の器官等の構造が現れる生体像として超音波のバイプレーン画像が取得される。

ＨＩＦＵトランスデューサ１２はＨＩＦＵ治療のための集束超音波を発生する。例えば、ＨＩＦＵトランスデューサ１２は超音波プローブ１０ａを円環状に取り囲むように配列された振動子アレイを備え、その振動子アレイは超音波の送出方向から見て凹面を形成する。超音波プローブ１０ａ，１０ｂ及びＨＩＦＵトランスデューサ１２の位置関係は基本的には超音波プローブ１０の２つの走査面１３ａ，１３ｂの交線１４と、ＨＩＦＵトランスデューサ１２の振動子アレイの円環の中心軸１５との交点Ｐに集束超音波の焦点が位置するように設定されている。

図３は超音波診断治療統合システム１の模式図であり、患者の体幹部等の診断・治療を行う装置構成の例を示している。図は模式的な垂直断面図であり、患者１７が横たわるベッド１８の下に水槽１９が配置される。患者１７の診断・治療対象の部位の皮膚はベッド１８に設けられた開口部１８ｗにて水槽１９の水面に接し、一方、エンドエフェクタ２は水槽１９の水中内に配置される。これにより患者１７とエンドエフェクタ２との間が水で音響的にカップリングされる。エンドエフェクタ２は移動機構４により水中内を３次元的に移動可能である。

超音波プローブ１０及びＨＩＦＵトランスデューサ１２は、本体６からの駆動信号に応じて超音波を送出し、また超音波プローブ１０の受信信号は本体６へ送られる。なお、２つの超音波プローブ１０ａ，１０ｂの送受波及びＨＩＦＵトランスデューサ１２の超音波照射は制御部４０により時分割で行われ、これにより互いの超音波の干渉を避けることができる。

本体６は送受波回路２０、フレームメモリ２２、パルス発生回路２４、移動機構制御部２６、演算処理部２８、表示部３０、入力部３２、記憶部３４を含んで構成されている。ちなみに、本体６及びその各部は単一の装置である必要はなく、複数の装置に分かれて構成されていてもよい。

演算処理部２８は例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ及びその周辺回路で構成され、記憶部３４に格納されたプログラム等に基づいて動作し、制御部４０、超音波画像生成部４２、学習部４４、追跡処理部４６として機能する。学習部４４は基準設定部５０及びテンプレート生成部５２としての機能を有する。

送受波回路２０は制御部４０による制御に従って、超音波プローブ１０から体内への超音波の送信、及び超音波プローブ１０が受信したエコー信号の処理を行う。送信時には、送受波回路２０は、振動子アレイの各振動子を励振駆動するための送信パルスを生成し超音波プローブ１０へ出力する。送受波回路２０は、超音波プローブ１０から送信される超音波が所望の方向に送信ビームを形成するように、送信パルスに与える遅延量を振動子ごとに調整して各振動子の励振タイミングを制御する。

一方、受信時には、送受波回路２０は超音波プローブ１０から振動子アレイを構成する複数の振動子ごとの受信信号を入力される。送受波回路２０は各振動子の受信信号を増幅した後、振動子間の受信信号の位相差を調整して互いに加算する整相加算処理を行って受信ビームを形成する。また、送受波回路２０は、受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、受信信号を超音波ビームの方向に沿ったエコーデータ列として出力する。

振動子アレイの電子走査によって超音波ビームが電子的に走査されることによって一つの走査面が形成され、この走査面から１フレームのエコーデータが取得される。フレームメモリ２２は送受波回路２０から出力される超音波ビームに沿ったエコーデータ列を格納する。

超音波画像生成部４２は、エコーデータが定義される空間座標系を、超音波ビームの走査方向とビーム方向の深さとで指定される送受波座標系（円座標系）から、断層画像表示を行う表示部３０の走査方式に適合した２次元直交座標系に変換し、これにより超音波プローブ１０ａ，１０ｂそれぞれの走査面に対応した超音波画像として例えばＢモード画像を生成する。なお、超音波画像生成部４２はＭモード画像など他の表現方式の超音波画像を生成してもよい。

パルス発生回路２４は制御部４０の制御に従い、ＨＩＦＵトランスデューサ１２への駆動信号を生成し出力する。

移動機構制御部２６は外部から入力される制御量に基づいて移動機構４を制御することができ、例えば、３次元の位置制御を行う。例えば、超音波画像から得られる追従対象の位置とＨＩＦＵ焦点との誤差情報が移動機構制御部２６に入力される。移動機構制御部２６は移動機構４のモータのエンコーダの値から現在のエンドエフェクタ２の位置を把握し、受け取った誤差情報と併せてモータへの制御量を決定する。当該制御は例えば、比例制御（Ｐ制御）で行うことができる。

制御部４０は本システム１の各部の動作を制御する。例えば、制御部４０は送受波回路２０やパルス発生回路２４を制御する。また制御部４０は、学習部４４や追跡処理部４６により得られる注目部位の位置を移動機構制御部２６に入力し、例えば、患部の運動に応じてエンドエフェクタ２を移動させることができる。

学習部４４は本発明に係る生体内運動追跡装置における特徴情報学習部に相当する。すなわち、学習部４４は本追跡処理に先行する注目部位の運動周期における生体像を用い、注目部位に対応する注目領域内の生体像の特徴を表す特徴情報について学習し追跡用特徴情報を生成する。

注目領域は注目部位に対応して生体像内に設定される領域であり、例えば、医師や検査技師等の操作者が観察や追跡の対象として関心を持つ領域、つまりＲＯＩ（region of interest）に当たる。この注目領域は注目部位の追跡を行う際に最初に操作者が例えば表示部３０に表示される生体像を見て入力部３２を操作して指定することができ、この最初に指定される注目領域が基準注目領域であり、また基準注目領域内の特徴情報が基準特徴情報である。

基準設定部５０（又は基準設定部５０、表示部３０及び入力部３２）は注目部位の軌道上の基準位置とする位置にて基準注目領域を設定する基準設定手段として機能する。具体的には、操作者が表示部３０及び入力部３２を用いて生体像上に領域を指定すると、基準設定部５０は当該領域を指定する情報を基準注目領域を表す情報とする。また基準設定部５０はそのときのエンドエフェクタ２の位置及び超音波画像内での指定領域の位置により、当該指定領域（又は当該指定領域を代表する点）の生体内での３次元的な位置を特定する。これが注目部位の概周期的な運動の軌道上の基準位置として設定される。

基準注目領域は腎臓や肝臓などの注目部位の全部を含むように設定することもできるし、その一部のみを含むように設定することもできる。例えば、治療時には患部を追尾する必要があることから基準注目領域は患部とその周辺組織を含むように設定することができる。基準特徴情報は追跡の基準となる情報であるから、基準注目領域はそこに追跡に好適な生体構造が現れるように設定するのがよい。

テンプレート生成部５２は特徴情報生成手段であり、まず基準注目領域内の特徴情報である基準特徴情報を抽出する機能を有する。本実施形態では、生体像は超音波プローブ１０ａ，１０ｂそれぞれにより得られる超音波画像であり、特徴情報は注目領域から切り出される超音波画像の画像パターンである。この特徴情報である画像パターンをテンプレートと称する。例えば、注目部位を腎臓とする場合、基準特徴情報、つまり基準テンプレートとして腎盂と腎臓内血管、腎臓の輪郭が写る画像パターンを設定することができ、また肝臓の場合、肝臓内血管、消化管、横隔膜が写る画像パターンを設定することができる。

また、テンプレート生成部５２は基準特徴情報に基づき注目領域を追跡して注目部位の軌道を求めると共に、追跡した注目領域から抽出した特徴情報を用いて、軌道上の位置に対応づけて追跡用特徴情報、つまり追跡用テンプレートを求める機能を有する。当該機能については後述する。

追跡処理部４６は本発明に係る生体内運動追跡装置における本追跡処理部に相当する。すなわち、追跡処理部４６は時間的に変化する生体像にて、追跡用特徴情報に基づいて注目領域を探索し注目部位の位置を求める。

表示部３０は液晶ディスプレイ等の画像表示装置であり、超音波画像などの生体像を表示したり、当該生体像上にて注目領域を示す枠を表示したりする。

入力部３２はキーボード、ポインティングデバイス等の入力装置であり、例えば、操作者が生体像上にて基準注目領域を指定する際に用いられる。

記憶部３４は各種プログラムや各種データを記憶し、演算処理部２８との間でこれらの情報を入出力する。例えば、注目部位の軌道上の位置と追跡用テンプレートとが対応づけられて記憶部３４に格納され、注目領域の追跡処理にて読み出されて利用される。

さて上述したように臓器等を追跡する従来技術において、臓器の移動に伴う生体像の変化が追跡の精度やロバスト性の低下をもたらすという問題があった。ここで、臓器等の器官の運動の周期性は正確ではなく、近似的なもの、すなわち概周期的である。つまり臓器の運動の繰り返し周期は変動したり周期内に伸縮する期間が生じたりし得るため、一定の周期ごとに臓器が同じ位置に来るとの前提に基づいて、上述の問題の解決を図ることには限界がある。

一方、基本的に臓器と臓器周りの形状は体内での臓器位置のみに影響されると考えることができる。よって、体内での臓器位置が同じであれば、臓器と臓器周りの形状も同じである。言い換えると概周期的に運動する臓器の画像パターンはその運動の軌道上の位置によって定まり、同じ位置では類似度の高い画像パターンが得られることが期待できる。本発明はこの特徴を利用し、注目部位の運動の軌道上の複数の位置にて、本来の診断・治療目的での臓器追跡に先立って当該位置に対応した画像パターンを学習し、本追跡にて当該画像パターンを活用して追跡精度やロバスト性の向上を図るものである。

ちなみに本発明における画像パターンの学習には、追跡用の画像パターンを本追跡に先立って事前準備するという意味と、同じ位置での類似した画像パターンの反復性を利用して追跡用の画像パターンの信頼度を向上させるという意味とが含まれている。

また、臓器位置は体内で連続的に変化するため、基本的に超音波画像パターンも連続的に変化する。よって追跡用の画像パターンを求めるに際し、上述の画像パターンは臓器位置によって定まるという特徴に加え、画像パターンの変化は連続的であるという特徴を考慮する。

以下、超音波診断治療統合システム１の動作について説明する。超音波診断治療統合システム１は診断・治療の開始に際して、まず診断・治療の対象者について操作者が設定した基準注目領域から基準特徴情報を得て、当該基準特徴情報を用いて対象者の注目部位の追跡用特徴情報を生成する学習動作を実行し、その後、当該追跡用特徴情報を用いた注目部位の本追跡動作を開始する。学習動作では基準特徴情報を用いて注目部位の追跡が行われる。操作者は注目部位の特徴が好適に現れ追跡に適した基準特徴情報を選ぶことができるので、基準特徴情報に基づく学習時の追跡でも或る程度の精度、ロバスト性は得られ、誤追跡やロストを生じる可能性は抑えられる。しかし、追跡用特徴情報を用いた本追跡は学習時の追跡より精度やロバスト性の向上を図ることができ、操作者は本追跡にて診断・治療を好適に行うことができる。

図４は学習動作の概略の処理フロー図である。超音波診断治療統合システム１は起動されると、生体像として超音波プローブ１０による超音波画像の生成を開始する。例えば、操作者はリアルタイムで得られる超音波画像をモニタしながら、注目部位の追跡が可能なように対象者の位置、またはエンドエフェクタ２の位置を調整することができる。操作者は超音波画像に注目部位の追跡に好適な画像パターンが現れるタイミングにて、当該画像パターンを含む画像領域を基準注目領域として設定する。この基準注目領域の設定は、リアルタイムで得られる超音波画像にて行ってもよいし、録画した超音波画像にて行ってもよい。なお、基本的に注目部位は３次元的に移動し得るので、当該移動を好適に追跡できるように基準注目領域は超音波プローブ１０ａ，１０ｂそれぞれの超音波画像について設定される。

基準注目領域が設定されると、学習部４４は基準設定部５０により基準注目領域内の画像パターンを基準テンプレートＴ_０として設定し（ステップＳ５）、テンプレート生成部５２が基準テンプレートを用いて注目領域の追跡処理を開始する（ステップＳ１０）。ちなみに、設定された基準テンプレートＴ_０は例えばエンドエフェクタ２の位置と共に記憶部３４に記憶される。

基準テンプレートＴ_０を用いた追跡処理は、順次得られる超音波画像Ｆ(ｔ)とのテンプレートマッチング処理により行われる。ここで、ｔは時刻でありＦ(ｔ)は時刻ｔでの超音波画像である。例えば、Ｆ(ｔ)は５０Ｈｚ程度で更新される。ｉ番目の更新時刻ｔをｔ_ｉと記す。テンプレートマッチング処理ではテンプレートを検索対象の画像に重ね合わせて比較照合し両者の類似度を調べる。具体的には学習部４４はテンプレートＴ_０を検索対象の超音波画像Ｆ(ｔ)上にて移動させて、最も類似度が高くなるテンプレートの位置を検出し、当該位置を注目領域と定める。なお、類似度の評価尺度としては、輝度値の差の絶対値の和（Sum of Absolute Difference:ＳＡＤ）や輝度値の差の２乗和（Sum of Squared Difference :ＳＳＤ）、正規化相関係数などが用いられる。本実施形態では、画像の輝度値の線形変換に対してロバストな正規化相関係数を採用する。正規化相関係数は画像の相関度が最も高いときに１、最も低いときに−１となる。

テンプレート生成部５２は、画像Ｆ(ｔ_ｉ)にて定められた注目領域の位置と前時刻ｔ_ｉ−１で定められた注目領域の位置との差に応じて移動機構４を制御し、エンドエフェクタ２を注目領域に追従させて移動させる。例えば、テンプレート生成部５２は図２に示した集束超音波の焦点Ｐに対する注目領域の中心Ｑのずれを算出し、制御部４０は当該ずれを誤差とするフィードバック制御により移動機構４を駆動させエンドエフェクタ２を移動させる。

このようにテンプレート生成部５２はエンドエフェクタ２を移動させつつ、基準テンプレートに基づき注目領域を追跡する。テンプレート生成部５２は、追跡した注目領域の軌跡から注目部位の軌道を求める。なお、焦点Ｐを注目領域の中心Ｑに追従させる上述の構成では、焦点Ｐやエンドエフェクタ２の位置の軌跡に基づいて軌道を定義することもできる。

テンプレート生成部５２は本システム１により観察される注目部位の軌道を複数の区間に区切り、各区間にて、当該区間における予め定めた代表点での注目領域から代表特徴情報として区間代表テンプレートを抽出する。例えば、軌道はｍ個の区間に分割され、ｊ番目の区間をＳ_ｊと表す。区間は例えば等間隔、不等間隔のいずれにも設定することができる。

なお、注目部位の移動範囲が移動機構４の可動範囲を超えるような場合には、本システム１で捉えられる範囲内の軌道に区間が設定される。また、注目部位は概周期的に運動するため、例えば或る位置から遠ざかって、また元の位置に戻るような運動をする。その際、行きと帰りで軌道が共通と見なせるような場合には、往復での区間を共通に設定してもよい。

ここで、体軸方向をｘ軸、体の左右方向をｙ軸、体の前後方向をｚ軸と定義する。腎臓及び肝臓のｘ軸方向の移動量はｙ，ｚ軸方向の移動量に比べ著しく大きいとの知見がある。このような場合には、注目部位の画像パターンはｘ軸方向の移動量だけで決まると考えることができる。本実施形態では、この腎臓、肝臓の軌道についての区間をｘ軸方向に関して等間隔となるように設定する。また往復での区間を共通とし、例えば、軌道のｘ座標の小さい側から大きい側に向けてＳ_１〜Ｓ_ｍの区間を設定する。図５はベッド１８上の患者１７における注目部位の軌道６０の模式図である。図に示す軌道６０に沿った移動はもっぱらｘ軸方向であるので、軌道６０をｘ軸に沿って等間隔のｍ個の区間Ｓ_１〜Ｓ_ｍに区切る例を示している。

テンプレート生成部５２は追跡している注目領域の位置が区間の境界に達するか否かを監視し（ステップＳ１５）、区間境界に達すると区間のインデックスｊをこれから進入する区間の値に切り替える（ステップＳ２０）。そして、新たに入った区間Ｓ_ｊで撮影された超音波画像にて検出された注目領域の画像パターンを区間代表テンプレートＴ^＊ _ｊとして抽出する（ステップＳ２５）。例えば、Ｔ^＊ _ｊは区間Ｓ_ｊにて最初に撮影される超音波画像から取り出すことができる。

テンプレート生成部５２は区間代表テンプレートを取得する処理を、全ての区間について、つまり全てのインデックスｊについて行う（ステップＳ３０）。

図６は複数の区間における超音波画像の模式図である。図６（ａ）の超音波画像７０ａは区間Ｓ_αにて基準注目領域７２を設定された時刻での臓器７４の画像を示しており、図６（ｂ）の超音波画像７０ｂは超音波画像７０ａとは別の区間Ｓ_βでの臓器７４の画像である。テンプレート生成部５２は、基準注目領域７２内の画像パターンを基準テンプレートＴ_０として超音波画像７０ｂにてテンプレートマッチング処理を行う。これにより超音波画像７０ｂには注目領域７６が設定され、当該領域内の画像パターンが区間代表テンプレートＴ^＊ _βとして抽出される。

さて、基準テンプレートＴ_０を用いたテンプレートマッチングにより得られる臓器の推定位置が正しい場合は、その区間で得られる画像パターンによる区間代表テンプレートの信頼度は高いことが期待できる。しかし、例えば、呼吸による超音波画像パターンの変化により、観測された超音波画像パターンと基準テンプレートＴ_０との類似度が安定なテンプレートマッチングができないほど低くなり、基準テンプレートＴ_０に基づく臓器の推定位置に大きな誤差が生じる場合がある。この場合、その区間で得られる画像パターンによる区間代表テンプレートは信頼度が低いものとなる。

このような信頼度の低いテンプレートを本追跡に用いると注目部位の追従に失敗する可能性が高くなる。そこで、テンプレート生成部５２は基準テンプレートを用いた注目領域の追跡を継続し、各区間にて複数回得られる超音波画像パターンを用いて区間代表テンプレートの信頼度を評価する。具体的には、テンプレート生成部５２は超音波画像が撮影された位置がどの区間Ｓ_ｊに属するかを判定し（ステップＳ３５）、当該超音波画像にて追跡された注目領域における画像パターンを基準テンプレート及び当該区間Ｓ_ｊの区間代表テンプレートのそれぞれと比較し、ｍ個の区間Ｓ_ｊそれぞれについて状態価値関数Ｖold_ｊ及びＶnew_ｊを算出する（ステップＳ４０）。

ここで状態価値関数Ｖold_ｊは区間Ｓ_ｊにて得られる注目領域の画像パターンとＴ_０との類似度を示す値であり、状態価値関数Ｖnew_ｊは区間Ｓ_ｊにて得られる注目領域の画像パターンとＴ^＊ _jとの類似度を示す値であり、それぞれ次式で定義する。

ここで、θold_ｊ ^ｋは区間Ｓ_ｊにて得られる注目領域の画像パターンとＴ_０との相関係数であり、θnew_ｊ ^ｋは区間Ｓ_ｊにて得られる注目領域の画像パターンとＴ^＊ _jとの相関係数である。それぞれの添字ｋは区間Ｓ_ｊにて得られる複数の注目領域を識別するインデックスである。

注目部位の区間Ｓ_ｊにおける滞在期間は、注目部位の概周期的な運動により複数回生じ得る。Ｖold_ｊ及びＶnew_ｊの計算に用いる、区間Ｓ_ｊにて得られる複数（ｎ_ｊ個）の注目領域は、複数回の区間Ｓ_ｊの滞在期間に得られる全ての超音波画像における注目領域とすることができる。これによりＶold_ｊ及びＶnew_ｊの精度向上が期待できる。また、計算負荷の軽減などのために、複数回の区間Ｓ_ｊの滞在期間のそれぞれにて所定個数ずつ、例えば１つずつ、注目領域の画像パターンを選択してＶold_ｊ及びＶnew_ｊを算出してもよい。

学習部４４による学習用の追跡動作は例えば、予め定めた時間の経過に伴い終了される（ステップＳ４５）。当該時間は一例として３０秒とすることができる。このように時間で制限する場合、学習用追跡動作の終了タイミングは注目部位の運動周期の途中となり、区間の反復回数や個数ｎ_ｊが区間間で異なり得る。これに対して、学習用追跡動作の期間を注目部位の運動周期を単位として設定し、各区間の反復回数が同じになるようにしてもよい。

学習用追跡動作が終了すると、テンプレート生成部５２はＶold_ｊ及びＶnew_ｊを参照して、各区間Ｓ_ｊについて追跡用テンプレートＴ_ｊを定義する（Ｓ５０）。

その際、上述した画像パターンの変化の連続性の要件から、隣接する区間同士にて追跡用テンプレートの画像パターンにずれがないように定義される。ちなみにもし、隣接区間の追跡用テンプレートの画像パターンにずれが存在すると、システムは区間の切り替わり箇所で臓器が動いてない場合でも臓器が動いたと判断し、画像パターン同士のずれ分、追跡位置がずれ、また移動機構４が駆動されエンドエフェクタ２が動いてしまう。この点、各区間代表テンプレートは、基準テンプレートによるテンプレートマッチングで得られるので、各区間代表テンプレートは基準テンプレートとずれなく選択することができると期待される。これにより上述した画像パターンの変化の連続性が担保され得る。

テンプレート生成部５２は、区間Ｓ_ｊにおける注目領域の画像パターンと区間代表テンプレートＴ^＊ _jとの類似度を示す値であるＶnew_ｊが、区間Ｓ_ｊにおける注目領域の画像パターンと基準テンプレートＴ_０との類似度を示す値であるＶold_ｊ以上である場合は、区間代表テンプレートＴ^＊ _ｊを区間Ｓ_ｊの追跡用テンプレートＴ_ｊとし、Ｖnew_ｊがＶold_ｊ未満である場合は、追跡用テンプレートＴ_ｊとして区間Ｓ_ｊに先行する隣接区間の追跡用テンプレートを用いる。具体的には、現在の区間のインデックスをnow、先行区間のインデックスをprevとし、また基準テンプレートＴ_０を設定した区間のインデックスをstartとし区間Ｓ_{ｓｔａｒｔ}から学習動作の追跡処理を開始したとすると、追跡用テンプレートは次の式（３）で定義することができる。

この構成ではＶnew_ｊ＜Ｖold_ｊの場合に追跡用テンプレートＴ_ｊは先行する隣接区間と同じとする。これにより、誤った追跡を起こしにくくなる、つまり追従ロバスト性が高くなることが期待できる。

また、追跡用テンプレートの定義の別の例として、区間Ｓ_ｊにてテンプレート生成部５２は、Ｖold_ｊがＶnew_ｊより大きければ、基準テンプレートＴ_０を追跡用テンプレートＴ_ｊとし、Ｖnew_ｊがＶold_ｊより大きければ、区間代表テンプレートＴ^＊ _ｊを追跡用テンプレートＴ_ｊとする。基準テンプレートＴ_０は人が注目部位の特徴が現れていることを確認して選択した画像パターンであり、人による直接のチェックを受けている。よって、Ｖnew_ｊが高くなる区間以外では基準テンプレートに戻して追跡を行う当該構成も好適な追跡が期待できる。なお、Ｖnew_ｊとＶold_ｊとが等しい場合には、Ｔ_０又はＴ^＊ _ｊのうち所定の一方を追跡用テンプレートＴ_ｊとする。

図７は本追跡動作の概略の処理フロー図である。テンプレート生成部５２による追跡用テンプレートの学習動作が完了すると、追跡処理部４６は本追跡動作を開始する。追跡処理部４６は、注目部位の軌道上での推定位置にて、当該推定位置に対応した追跡用テンプレートに基づいて注目領域を探索し新たな推定位置を求める。例えば、追跡処理部４６は時刻ｔ_ｉ−１で定められた注目領域の推定位置に集束超音波の焦点Ｐを合わせるように移動機構４を駆動させエンドエフェクタ２を移動させ、当該位置で時刻ｔ_ｉにおける超音波画像を撮影する。そして、追跡処理部４６は時刻ｔ_ｉ−１で定められた注目領域の軌道上の位置Ｗ(ｔ_ｉ−１)に対応する追跡用テンプレートを用い、当該新たな超音波画像にてテンプレートマッチング処理を行い、時刻ｔ_ｉでの注目領域を探索しその新たな推定位置を求める。つまり、位置Ｗ(ｔ_ｉ−１)が軌道におけるどの区間にあるかを判定し（ステップＳ１００）、それが区間Ｓ_ｊ内であれば、区間Ｓ_ｊの追跡用テンプレートＴ_ｊに基づいて時刻ｔ_ｉでの注目領域の軌道上での位置Ｗ(ｔ_ｉ)を求める（ステップＳ１０５）。ちなみに位置Ｗ(ｔ_ｉ)に基づく位置Ｗ(ｔ_ｉ＋１)の推定に際しては、位置Ｗ(ｔ_ｉ)が区間Ｓ_ｊ内であれば追跡用テンプレートＴ_ｊを用い、一方、例えば位置Ｗ(ｔ_ｉ)が隣の区間Ｓ_ｊ＋１に入った場合は追跡用テンプレートＴ_ｊ＋１を用いる。このように追跡処理部４６は注目部位の軌道上での位置に応じた追跡用テンプレートを用いて注目領域の位置の推定を繰り返すことにより（Ｓ１１０）、生体内を運動する注目部位を追跡する。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る超音波診断治療統合システム１について、上記第１の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して基本的に説明を省略し、以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

本発明における特徴情報生成手段は、生体の心拍情報を取得しつつ基準特徴情報に基づく注目領域の追跡を複数回の運動周期について繰り返すことによって、軌道上の位置に対応づけて注目領域から互いに異なる複数の心拍位相での特徴情報を抽出し、当該特徴情報を用いて、軌道上の位置に対応づけられる追跡用特徴情報を複数の心拍位相それぞれについて求める。そして、本追跡処理部は、生体像の取得時の心拍位相に対応した追跡用特徴情報に基づいて注目領域を探索し注目部位の位置を求める。

具体的には、テンプレート生成部５２は生体から得られる心拍情報を取得し、心拍情報を上述した追跡用テンプレートの学習動作に用いる。心拍情報は例えば、心電計の出力信号などであり、時間ｔに伴い変化する心拍位相φの情報を含む。この心拍情報は超音波診断治療統合システム１の外部から入力してもよいし、超音波診断治療統合システム１の一部として心電計などの心拍情報取得装置を備えてもよい。

テンプレート生成部５２は、或る心拍位相φ_０で取得した基準テンプレートＴ_０を用いたテンプレートマッチング処理により、第１の実施形態と基本的には同様にして学習用追跡動作を行い、軌道の各区間Ｓ_ｊにて区間代表テンプレートを抽出する。但し、テンプレート生成部５２は各区間Ｓ_ｊにて心拍位相の複数点（ｎ_φ個とする）での区間代表テンプレートを抽出する。例えば、ｎ_φ個の心拍位相φ_λ（λ＝１，２，３，…ｎ_φ）それぞれにて区間Ｓ_ｊの区間代表テンプレートＴ^＊ _ｊ，λを抽出する。これは第１の実施形態における図４のステップＳ３０までの処理に相当する。

ここで、各区間の滞在期間は心拍周期より短く設定され得るので、１回の区間Ｓ_ｊでは全ての心拍位相φ_λの区間代表テンプレートＴ^＊ _ｊ，λが得られない場合がある。しかしその場合でも、複数回の運動周期に亘って区間代表テンプレート取得処理を継続することで、複数回の区間Ｓ_ｊから全てのφ_λに対応してＴ^＊ _ｊ，λを得ることができる。

次にテンプレート生成部５２は第１の実施形態における図４のステップＳ３５〜Ｓ４５に相当する処理を行う。具体的には、複数回の運動周期に亘る学習動作により、第１の実施形態のθnew_ｊ ^ｋに代えて、Ｔ^＊ _j，λと区間Ｓ_ｊにて得られる注目領域の心拍位相φ_λでの画像パターンとの相関係数θnew_ｊ，λ ^ｋを計算する。添字ｋは第１の実施形態と同じく区間Ｓ_ｊにて得られる複数の注目領域を識別するインデックスである。式（２）と同様に、θnew_ｊ，λ ^ｋのｋについての総和を計算して、これを区間Ｓ_ｊにおける心拍位相φ_λでの状態価値関数Ｖnew_ｊ，λとする。

また、第１の実施形態のθold_ｊ ^ｋに代えて、基準テンプレートＴ_０と区間Ｓ_ｊにて得られる注目領域の心拍位相φ_λでの画像パターンとの相関係数θold_ｊ，λ ^ｋを計算する。そして式（１）と同様に、θold_ｊ，λ ^ｋのｋについての総和を計算して、これを区間Ｓ_ｊにおける心拍位相φ_λでの状態価値関数Ｖold_ｊ，λとする。

学習用追跡動作が終了すると、テンプレート生成部５２は第１の実施形態における図４のステップＳ５０について説明した方法と基本的に同じ方法により、Ｖold_ｊ，λ及びＶnew_ｊ，λを参照して、各区間Ｓ_ｊについて心拍位相φ_λごとに追跡用テンプレートＴ_ｊ，λを定義する。

得られた追跡用テンプレートＴ_ｊ，λはそれが得られた区間及び心拍位相と対応付けて例えば、記憶部３４に記憶される。

一方、追跡処理部４６は第１の実施形態にて図７を用いて説明した処理と基本的に同様にして本追跡動作を行う。但し、その際、追跡用テンプレートＴ_ｊ，λが用いられる。具体的には、追跡処理部４６は、注目部位の軌道上での推定位置にて、当該推定位置と心拍位相に対応した追跡用テンプレートを記憶部３４から読み出し、当該追跡用テンプレートに基づいて注目領域を探索し新たな推定位置を求める。例えば、追跡処理部４６は時刻ｔ_ｉ−１で定められた注目領域の推定位置に追従させてエンドエフェクタ２を移動させ、当該位置で時刻ｔ_ｉにおける超音波画像を撮影する。そして、追跡処理部４６は当該超音波画像にて、時刻ｔ_ｉ−１で定められた注目領域の軌道上の位置Ｗ(ｔ_ｉ−１)と時刻ｔ_ｉでの心拍位相φ_λに対応する追跡用テンプレートを用い、時刻ｔ_ｉでの注目領域を探索しその新たな推定位置を求める。つまり、位置Ｗ(ｔ_ｉ−１)が軌道におけるどの区間にあるかを判定し、それが区間Ｓ_ｊ内であれば、区間Ｓ_ｊと心拍位相φ_λに対応する追跡用テンプレートＴ_ｊ，λに基づいて時刻ｔ_ｉでの注目領域の軌道上での位置Ｗ(ｔ_ｉ)を求める。このように追跡処理部４６は注目部位の軌道上での位置と超音波画像の撮影時の心拍位相とに応じた追跡用テンプレートを用いて注目領域の位置の推定を繰り返すことにより、生体内を運動する注目部位を追跡する。なお、ｔ_ｉ−１とｔ_ｉとの差は基本的には小さいので、時刻ｔ_ｉにおける超音波画像に対して用いる追跡用テンプレートは時刻ｔ_ｉでの心拍位相に対応するものに代えて時刻ｔ_ｉ−１での心拍位相に対応するもの、つまり、時刻ｔ_ｉ−１にて得られる注目領域の位置及び心拍位相に対応するものを用いることもできる。

本実施形態によれば、例えば、呼吸に伴う注目部位の運動による画像パターンの変化だけでなく、心拍による画像パターンの変化に対してもロバストな追跡を行うことが可能となる。例えば、腎臓と肝臓は既に述べたように呼吸に応じて運動するが、さらに肝臓内の血管は心拍に応じて変形する。つまり、肝臓の画像は呼吸及び心拍動の影響を受けて変化し得る。このような器官を注目部位とする際に本実施形態は有効である。

上述した第２の実施形態の構成では、基準テンプレートＴ_０は或る心拍位相にて求められたものであった。操作者は基準テンプレートを設定する際に、心拍周期内における代表的な画像パターンが現れる心拍位相を選択するとよい。

また、本実施形態において、特徴情報生成手段は、複数の心拍位相それぞれにて基準特徴情報を抽出し、注目領域の追跡に用いる基準特徴情報を生体像の取得時の心拍位相に応じて切り替えてもよい。

すなわちこの構成では、基準テンプレートをｎ_φ個の心拍位相φ_λそれぞれにて設定する。例えば、操作者は或る心拍位相で基準注目領域を設定し、テンプレート生成部５２は当該心拍位相の超音波画像の基準注目領域から基準テンプレートを抽出すると共に、心拍情報から心拍位相を把握し、心拍位相が異なる超音波画像からも同じ基準注目領域にて基準テンプレートを抽出しｎ_φ個の基準テンプレートＴ_０，λを取得する。ここで複数の心拍位相にて基準テンプレートを抽出する間に呼吸に伴って画像パターンが大きく変化するような場合は、例えば、対象者に一時的に呼吸を止めてもらいその間にｎ_φ個の基準テンプレートＴ_０，λを採取することで呼吸による変動を受けなくすることができる。ちなみに、診断や治療の間、対象者に呼吸を止めてもらうことは負担が大きいが、基準テンプレートを抽出する期間は比較的短時間であるので、その間の呼吸止めはそれほど負担とはならない。

テンプレート生成部５２はｎ_φ個の基準テンプレートＴ_０，λを用いて学習用追跡動作を行う。つまり、テンプレート生成部５２は基準テンプレートを超音波画像の取得時の心拍位相に応じて切り替えてテンプレートマッチング処理を行い注目部位を追跡し、軌道の各区間Ｓ_ｊにてｎ_φ個の心拍位相φ_λそれぞれについての区間代表テンプレートＴ^＊ _ｊ，λを抽出する。また、テンプレート生成部５２は基準テンプレートと区間Ｓ_ｊにて得られる注目領域の心拍位相φ_λでの画像パターンとの相関係数θold_ｊ，λ ^ｋを計算する際に、基準テンプレートとしてＴ_０，λを用いる。なお、θnew_ｊ，λ ^ｋ、Ｖold_ｊ，λ及びＶnew_ｊ，λの算出の仕方、並びに追跡用テンプレートＴ_ｊ，λの定義の仕方は上述した通りであり、追跡処理部４６の動作も同様である。

この構成によれば基準テンプレートの精度が上がることにより、区間代表テンプレートの精度が上がり、ひいては追跡用テンプレートの精度が上がる。よって、呼吸及び心拍動により画像パターンが変化する場合にて追跡の精度及びロバスト性が一層向上する。

［変形例］
上記各実施形態では生体像が超音波エコーによる２次元の画像である場合を説明したが、生体像はこれに限定されない。例えば、生体像は立体像、つまり３次元像であってもよい。また生体構造を探査し像を形成する手法も各種のものを用いることができ、例えば、Ｘ線透視撮影法、コンピュータ断層撮影法（Computed Tomography：ＣＴ）、ＭＲＩ及び陽電子放出断層撮影法（Positron Emission Tomography：ＰＥＴ）により形成される画像・立体像を生体像として本発明を適用することもできる。

超音波画像内の画質は概して均一ではなく、フォーカスポジションが至適（もしくは最適）、又は音線密度が高いため分解能が高い、又はノイズやアーチファクトの影響が少ないといった画質が高い領域と、そうでない領域とが存在する。とりわけＨＩＦＵ治療を想定した際のアーチファクトとしては肋骨による音響陰影（acoustic shadow）や肺による遮蔽等が挙げられる。診断や治療には高画質の領域に注目部位を捕捉することが好適である。この点、上述した実施形態の移動機構４のような駆動部を備え、エンドエフェクタ２に設けられる超音波プローブ１０のような撮像部を注目領域の移動に伴って移動させ、注目領域が超音波画像の画質が比較的高い所定位置に写るような構成が有効である。

上記の移動機構４のような駆動部を備え、エンドエフェクタ２に設けられる超音波プローブ１０のような撮像部を注目領域の移動に伴って移動させ、注目領域が超音波画像の画質が比較的高い所定位置に写るような構成の効果として例えば、超音波検査において用いられるパルスドプラ法と併用することにより、変形をともなって運動する臓器（たとえば血管や腎臓）におけるさまざまな流れ（たとえば血流）をあたかも静止する臓器内の流れのように観察することができる。上記において変形をともなって運動する臓器自身が追跡のためのテンプレートになりうる。

上記の移動機構４のような駆動部を備え、エンドエフェクタ２に設けられる超音波プローブ１０のような撮像部を注目領域の移動に伴って移動させ、注目領域が超音波画像の画質が比較的高い所定位置に写るような構成の効果として例えば、超音波検査において用いられるエラストグラフィ法と併用することにより、変形をともなって運動する臓器のさまざまな粘弾性をあたかも静止する臓器の粘弾性のように観察することができる。これにより粘弾性計測の際の体動によるノイズを大きく軽減することができる。上記において変形をともなって運動する臓器自身が追跡のためのテンプレートになりうる。

一方、例えば、生体像が比較的均一で時間的に変化する立体像である場合には、移動機構４のような機械的な追従手段を設けずに、生体像データの画像処理など電子的な処理で追従を行うことができる。

注目領域の生体像の特徴を表す特徴情報は、上述した実施形態のように生体像であってもよいし、生体像から抽出される特徴量などであってもよく、また、追跡処理における注目領域の特定はテンプレートマッチング法に限られず、オプティカルフロー法、ニューラルネットワーク法など他の手法でもよい。

本発明は生体内を概周期的に運動する組織・器官の追跡に特徴があり、この技術をいかなる診断装置、治療装置に用いるかは限定されない。

例えば、ＲＦＡやＨＩＦＵ治療におけるアブレーション治療効果判定の際には、超音波プローブのスキャン面外の患部の情報を得るために医師がマニュアルで超音波プローブの姿勢（あるいは位置）を概周期的に変化させながら患部の状態を観察することを行なう。このとき、プローブの姿勢変化により、患部の画像は変化してしまうため、テンプレートが適切でなくなり、追跡に失敗する可能性が高まる。

この問題を解決する手段として本発明を用いても良い。具体的には、学習部４４により、プローブの姿勢が変化して断層面の向きが変わった場合についての追跡用テンプレートを生成する。そして、上記のプローブの概周期的な姿勢（あるいは位置）変化において、姿勢（あるいは位置）軌道中の姿勢（あるいは位置）を姿勢（あるいは位置）センサによって検出し、この情報にもとづいて、臓器運動軌道中の位置の場合と同様に追跡用テンプレートを切り替えることで追跡のロバスト性を高めることが期待できる。

上記のプローブ姿勢（あるいは位置）を検出する手段はロボットのエンコーダであってもよいし、ジャイロセンサ、光学式あるいは磁気式姿勢（あるいは位置）センサなど他の姿勢（あるいは位置）計測手段であってもよい。また、上記のプローブの概周期的な姿勢（あるいは位置）変化は医師がマニュアルで行っても良いし、ロボットが行っても良い。また、臓器の運動軌道中の位置および上記の姿勢（あるいは位置）軌道中の姿勢（あるいは位置）を併用して追跡用テンプレートを切替えれば追跡のロバスト性がさらに向上する効果が期待できる。

例えば、上述したＨＩＦＵ治療以外の他の非侵襲性治療法の１つである放射線の外部治療に本発明を適用した場合、患部の運動に追従して放射線を照射する治療システムを構築することができ、患部への限局照射が可能となることで少ない副作用で治療効果を高めることができる。陽子線、重粒子線、並びに中性子線といった、最先端のがん治療においても上記と同様のシステムを構築することができる。

また、例えば経皮的アブレーション治療に本発明を適用した場合、治療中（あるいは治療後）の超音波画像と治療前の超音波画像を比較、対照するシステムを構築することができ、凝固マージンのより精確な判定が可能となることで、治療の終端条件をより効率よく判定することができ、治療効率および低侵襲性を高めることができる。上記の治療効果判定には他の画像診断モダリティ（Ｘ線、ＣＴ、ＭＲ、ＰＥＴ等）を用いても良い。また、治療前あるいは治療後の診断画像における経時的な患部の変化（例えば、腫瘍領域の成長あるいは縮小）を、観察する手段として用いても良い。

また、マスター・スレーブ型マニピュレータ・システムを構成し、スレーブ側の駆動制御に本発明による注目部位の運動補償を組み込むことで、経皮的エタノール注入治療、経皮的アブレーション治療、穿刺生検などを安定して高精度に行うことができる装置が実現される。また、治療におけるスレーブ・マニピュレータを患者側に、マスタ・マニピュレータを医療専門家側にそれぞれ配置した場合、上記の運動補償はマスタ・マニピュレータに対するスレーブ・マニピュレータの自律性を高める効果が期待できるため、遠隔地の患者に対しても上記の治療を安定して高精度に行なうことが可能になる。とりわけ、マスタ−スレーブ間で通信時間遅れや信号波形の変化が大きい環境下において、上記のスレーブ・マニピュレータの自律性を高める効果は相対的に高まることが期待できる。

また、マスター・スレーブ型マニピュレータ・システムを構成し、スレーブ側の駆動制御に本発明による注目部位の自律的な運動補償を組み込むことで、一般の超音波診断においても上記と同様の効果を得ることが期待できる。

さらに、ＰＥＴなどにおいて生体から検知される信号が微弱である場合、長時間撮像が行われる。このような場合に、本発明による注目部位の追跡技術を用いて、検出器を注目部位に追従して移動させたり、得られた時間的に変化する生体像データの電子的な移動補償を行ったりすることで、ぶれの抑制された生体像を取得することができる。

さて、例えば、患部に追従してＨＩＦＵを照射する場合、患部臓器が肋骨の裏側を通過する際にＨＩＦＵが肋骨に当たると患者に疼痛が生じるという問題がある。本発明では患部の追従精度が向上するので、患部が肋骨に隠れるタイミングではＨＩＦＵを弱めたり、肋骨を避けるように照射したりする治療制御を好適に行うことが容易となる。また、誤差１ｍｍの照***度が要求されるような主要血管、横隔膜、消化管に近い場所ではそれら器官の損傷を避けるために、ＨＩＦＵの強度を弱め焦点領域を狭める治療制御が好適である。本発明による高精度の追跡はこれを可能とする。例えば、学習動作により記憶部３４には、軌道上の位置に対応づけて追跡用テンプレートが記憶されるが、軌道上の位置に対応づけてさらに治療制御の情報を記憶させ、本追跡動作では制御部４０は治療部位の追従に連動させてＨＩＦＵの強度を変えるといった治療制御を行うことができる。ちなみに、位置に対応づけられる治療制御情報は、学習動作で得られる生体像を操作者が見て設定することができる。

なお、制御部４０の処理負荷や移動機構４やエンドエフェクタ２の制御が或る時間間隔で行われることを考えると、現実的には軌道を何らかの区間に区切って、区間ごとに追跡用特徴情報を定義することになると思われるが、本発明は本質的には軌道を区間に区切る形態に限定されず、例えば、軌道の連続的な位置に対応して追跡用特徴情報を定義してもよい。

１超音波診断治療統合システム、２エンドエフェクタ、４移動機構、６本体、１０超音波プローブ、１２ＨＩＦＵトランスデューサ、２０送受波回路、２２フレームメモリ、２４パルス発生回路、２６移動機構制御部、２８演算処理部、３０表示部、３２入力部、３４記憶部、４０制御部、４２超音波画像生成部、４４学習部、４６追跡処理部、５０基準設定部、５２テンプレート生成部。

Claims

生体内を概周期的に運動する注目部位を、生体構造を撮影した生体像において追跡する装置であって、
本追跡処理に先行する前記注目部位の運動周期における前記生体像を用い、前記注目部位に対応する注目領域内の前記生体像の特徴を表す特徴情報について学習し追跡用特徴情報を生成する特徴情報学習部と、
時間的に変化する前記生体像にて、前記追跡用特徴情報に基づいて前記注目領域を探索し前記注目部位の位置を求める本追跡処理部と、を有し、
前記特徴情報学習部は、
前記注目部位の軌道上の基準位置とする位置にて基準注目領域を設定する基準設定手段と、
前記基準注目領域内の前記特徴情報である基準特徴情報を抽出し、当該基準特徴情報に基づき前記注目領域を追跡して前記軌道を求めると共に、追跡した前記注目領域から抽出した前記特徴情報を用いて、前記軌道上の位置に対応づけて前記追跡用特徴情報を求める特徴情報生成手段と、
を有し、
前記特徴情報生成手段は、前記軌道を複数の区間に区切り、当該各区間にて、当該区間における予め定めた代表点での前記注目領域から代表特徴情報を抽出し、前記基準特徴情報及び前記代表特徴情報のそれぞれと前記注目領域の当該区間における前記特徴情報との類似度を算出し、前記代表特徴情報に関する当該類似度が前記基準特徴情報に関する当該類似度以上である場合は、前記代表特徴情報を当該区間の前記追跡用特徴情報とし、前記代表特徴情報に関する当該類似度が前記基準特徴情報に関する当該類似度未満である場合は、当該区間の前記追跡用特徴情報として当該区間に先行する隣接区間の前記追跡用特徴情報を用いること、を特徴とする生体内運動追跡装置。
生体内を概周期的に運動する注目部位を、生体構造を撮影した生体像において追跡する装置であって、
本追跡処理に先行する前記注目部位の運動周期における前記生体像を用い、前記注目部位に対応する注目領域内の前記生体像の特徴を表す特徴情報について学習し追跡用特徴情報を生成する特徴情報学習部と、
時間的に変化する前記生体像にて、前記追跡用特徴情報に基づいて前記注目領域を探索し前記注目部位の位置を求める本追跡処理部と、を有し、
前記特徴情報学習部は、
前記注目部位の軌道上の基準位置とする位置にて基準注目領域を設定する基準設定手段と、
前記基準注目領域内の前記特徴情報である基準特徴情報を抽出し、当該基準特徴情報に基づき前記注目領域を追跡して前記軌道を求めると共に、追跡した前記注目領域から抽出した前記特徴情報を用いて、前記軌道上の位置に対応づけて前記追跡用特徴情報を求める特徴情報生成手段と、
を有し、
前記特徴情報生成手段は、前記軌道を複数の区間に区切り、当該各区間にて、当該区間における予め定めた代表点での前記注目領域から代表特徴情報を抽出し、前記基準特徴情報と前記代表特徴情報とのうち前記注目領域の当該区間における前記特徴情報との類似度が高い方を当該区間の前記追跡用特徴情報とすること、を特徴とする生体内運動追跡装置。
請求項１又は請求項２に記載の生体内運動追跡装置において、
前記本追跡処理部は、前記注目部位の前記軌道上での推定位置にて、当該推定位置に対応した前記追跡用特徴情報に基づいて前記注目領域を探索し新たな推定位置を求めること、を特徴とする生体内運動追跡装置。
請求項１又は請求項２に記載の生体内運動追跡装置において、
前記特徴情報生成手段は、前記生体の心拍情報を取得しつつ前記基準特徴情報に基づく前記注目領域の追跡を複数回の前記運動周期について繰り返すことによって、前記軌道上の位置に対応づけて前記注目領域から互いに異なる複数の心拍位相での前記特徴情報を抽出し、当該特徴情報を用いて、前記軌道上の位置に対応づけられる前記追跡用特徴情報を前記複数の心拍位相それぞれについて求め、
前記本追跡処理部は、前記生体像の取得時の前記心拍位相に対応した前記追跡用特徴情報に基づいて前記注目領域を探索し前記注目部位の位置を求めること、
を特徴とする生体内運動追跡装置。
請求項４に記載の生体内運動追跡装置において、
前記特徴情報生成手段は、前記複数の心拍位相それぞれにて前記基準特徴情報を抽出し、前記注目領域の追跡に用いる前記基準特徴情報を前記生体像の取得時の前記心拍位相に応じて切り替えること、を特徴とする生体内運動追跡装置。
請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の生体内運動追跡装置において、
前記生体像として、互いに交差する複数の断層面での超音波画像を撮影する撮像部と、
前記注目領域が前記各超音波画像の所定位置に写るように、前記注目領域の移動に伴って前記撮像部を移動させる駆動部と、を有し、
前記特徴情報は、前記各超音波画像における前記注目領域内の画像であること、
を特徴とする生体内運動追跡装置。
請求項６に記載の生体内運動追跡装置において、
前記撮像部は、前記生体に対する前記断層面の向きを変えることができ、
前記特徴情報学習部は、前記断層面の向きを変えたときの前記追跡用特徴情報を生成し、
当該生体内運動追跡装置は、前記断層面の向きの変化を検知する手段を備え、
前記本追跡処理部は、前記断層面の向きの変化に対応して前記追跡用特徴情報を切り替えて前記注目領域を探索すること、
を特徴とする生体内運動追跡装置。