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JPH1170112A - 内蔵の検査及び治療のための方法並びに装置 - Google Patents

内蔵の検査及び治療のための方法並びに装置

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Publication number
JPH1170112A
JPH1170112A JP10183052A JP18305298A JPH1170112A JP H1170112 A JPH1170112 A JP H1170112A JP 10183052 A JP10183052 A JP 10183052A JP 18305298 A JP18305298 A JP 18305298A JP H1170112 A JPH1170112 A JP H1170112A
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JP
Japan
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catheter
display
ultrasonic
image
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP10183052A
Other languages
English (en)
Inventor
Richard I Kitney
イアン キトニー リチャード
Keith Straughan
ストローガン キース
Martin T Rothman
テリー ロスマン マーティン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Circulation Research Ltd
Original Assignee
Circulation Research Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Circulation Research Ltd filed Critical Circulation Research Ltd
Publication of JPH1170112A publication Critical patent/JPH1170112A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 臓器の明瞭な3次元の内部像を与える小型で
空間解像度に優れた装置を提供する。 【解決手段】(a)人体内に挿入するカテーテル、(b)カテ
ーテル上に取り付けられている超音波変換装置集合、
(c)変換装置を励起させて超音波信号を発生する手段、
(d)得られた超音波エコー信号を受信し、それらをデジ
タル信号に変換する手段、(e)デジタル信号が供給され
るデジタルコンピュータ、(f)コンピュータ内で、臓器
が3次元で表示できるようにデジタル信号を処理し、表
示そのものが処理されて、表示が異なる局面から観察で
きるように、又組織の構造的な構成が視覚的に表示でき
るようにする手段、並びに(g)3次元表示を視覚的に表
示する、コンピュータに接続されている手段を備えた、
ヒトの臓器内部の画像を提供する装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は人体の内臓器官の検
査及び治療のための方法並びに装置に関する。
【0002】光学に基づく装置によって、又超音波信号
の伝達及び受信を利用する装置によって、手術に頼らず
にヒトの内臓の内部検査をする方法は既に公知である。
本発明は、上記の内、超音波信号の伝達及び受信を利用
する装置による方法に関し、現在使われている装置の問
題点が克服され、それによってより正確でタイムリーな
診断、従って治療の機会を医師、ひいては患者に提供す
ることが可能となるシステム、並びに装置に関する。
【0003】
【従来の技術】先述のように、ヒトの内臓の内部を視覚
的に表示するために、超音波信号を利用する方法は公知
である。ある公知の方法では、超音波信号を発信及び受
信できる探針を人体の外側に沿って移動させ、臓器で反
射された、あるいは減衰された超音波信号から、臓器の
内部断面を連続的に2次元で視覚表示することができ
る。この様な装置は操作が簡単であるが、臓器内部の視
覚表示は余り正確ではなく、何れにしても2次元の表示
でしかない。
【0004】医師に正確で有効なヒトの臓器内部の視覚
表示を提供するという課題への公知の従来技術の取り組
みは、リアルタイムで連続的な2次元の画像を作成する
ことに集中していた。この様な取り組みには、断面積の
比較的小さい臓器、特にヒトの動脈の内部検査が必要な
場合には特に重大となる本質的な問題点がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、医師が臓器
の明瞭な内部像を得られるようにするためには、連続的
でリアルタイムな画像は必要ではないというこれまでの
予想されなかった観点からこの様な問題に取り組むもの
である。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明はヒトの臓器内部
の画像を提供する装置に関する。本発明の装置は、以下
の構成要素、即ち、(a)人体内に挿入するカテーテル、
(b)このカテーテルに取り付けられている環状の超音波
変換装置集合であって、複数の超音波素子を備える集
合、(c)この変換装置集合を作動させて個々の素子を励
起し超音波信号を発生する手段であって、所定のシーケ
ンスに従って上記素子を指定し得る手段、(d)得られた
超音波エコー信号を受信し、このエコー信号をデジタル
信号に変換する手段、(e)このデジタル信号が供給され
るデジタルコンピュータ、(f)コンピュータ内で臓器が
3次元で表示できるように上記デジタル信号を処理し、
この表示そのものが処理されて、この表示が異なる局面
から観察できるように、又組織の構造的な構成が視覚的
に表示できるようにする手段、並びに(g)3次元表示を
視覚的に行うためにコンピュータに接続されている手段
の組み合わせを備える。
【0007】本発明によれば、ヒトの臓器の内部画像を
提供する方法、あるいは臓器内の血液の流れを可視化す
る方法は、臓器の内部、又は外部のいずれかから超音波
信号を発信し、それらの信号のエコーを検出し、エコー
信号をデジタル化し、デジタル化されたエコー信号をデ
ジタルコンピュータに格納し、臓器内部を3次元で視覚
表示するコンピュータからの出力を提供してその表示を
異なる局面から観察されるように処理し得るように、デ
ジタル化され格納されたエコー信号を処理することを包
含している。
【0008】本発明の方法によって得られた信号はいわ
ゆる「組織特性表示」、即ち動脈内部に形成されたプラ
ークのような組織の内部構成物、又は構造に関する情報
を提供するのにも使用され得る。この様な情報は適切な
治療に関する診断及び決定に到達する際に医師の助けと
なる。
【0009】本発明は生きている、又は死んでいる組織
を特徴付ける又は特性化するのに利用されてもよい。即
ち病理学の分野と関連して使用されてもよい。動脈の場
合には、例えば心臓の外側からだが人体そのものの内部
から発信される超音波信号によって心臓の画像を生成す
ることも可能であるが、動脈内部から超音波信号が発信
される。
【0010】本発明によれば、ヒトの臓器内部の画像を
提供する装置は、代表的には、以下の構成要素、即ち、
(a)人体内に挿入するカテーテル、(b)カテーテル上に取
り付けられている超音波変換装置集合、(c)変換装置を
励起させて超音波信号を発生する手段、(d)得られた超
音波エコー信号を受信し、それらをデジタル信号に変換
する手段、(e)デジタル信号が供給されるデジタルコン
ピュータ、(f)コンピュータ内で、臓器が3次元で表示
できるようにデジタル信号を処理し、表示そのものが処
理されて、表示が異なる局面から観察できるように、又
組織の構造的な構成が視覚的に表示できるようにする手
段、並びに(g)3次元表示を視覚的に表示する、コンピ
ュータに接続されている手段の組み合わせたものを備え
ている。
【0011】本発明によれば先述の方法、又は装置と共
に用いられるカテーテルは、(a)カテーテルの一端に備
えられた探針、(b)探針の一端で、又はその近傍で探針
を囲む環状の集合の形をとっている超音波変換装置の構
成、又は複数の変換装置素子、並びに(c)変換装置素子
をカテーテルの他端に電気的に接続する手段であって、
マルチプレクサ/デマルチプレクサ回路をそれとして組
み込んでいるか、又はマルチプレクス若しくはデマルチ
プレクスの効果を有する配線構成を備えているかのどち
らかであり、回路又は配線構成の目的がカテーテルの全
長にわたっている配線の本数を減らすことである手段を
備えている。
【0012】
【発明の実施の形態】次に、本発明がどの様にして実施
されるかを、実施例のみによって、添付の図面を参照し
て説明する。
【0013】
【実施例】図1 図1はヒトの臓器、特に動脈内部の画像を提供する方法
を示すブロック図である。ヒトの動脈3に挿入するため
のカテーテル1は環状の超音波変換装置集合2が据え付
けられている自由端1を有しており、カテーテルの他
端は接続部4によって図1の破線の右側に示されている
装置に電気的に接続されている。
【0014】電気接続部4については図3及び図4に関
連して詳述されるが、実質的にはマルチプレクサ/デマ
ルチプレクサ5として機能する配線構成を備えている。
マルチプレクサ/デマルチプレクサ5は、変換装置集合
2を図1の破線の右側に概略的に示されている装置に接
続するために、カテーテル1を通り抜ける必要がある配
線の本数を減らす機能を有している。
【0015】変換装置集合2は、変換装置集合2に超音
波信号を発信させる駆動回路6によって励起される。変
換装置集合2は、発信信号のエコーに応答し、それによ
ってエコー信号が発生する。エコー信号はマルチプレク
サ/デマルチプレクサ装置5を介して超音波受信回路7
へ再び伝達され、次にアナログ電気エコー信号をデジタ
ル信号に変換するアナログ/デジタルコンバータ8に送
られる。
【0016】これらのデジタルエコー信号は次に高速入
力・高速出力(fast-in-fast-out)データ格納部9に供給
され、ここからデジタルコンピュータ10に供給され
る。デジタルコンピュータ10は、デジタルエコー信号
が、高解像度グラフィック表示端子12に供給されると
動脈3の内部の3次元表示を可能にする信号に変換され
るように、ソフトウェア11によってプログラムされて
いる。ソフトウエア11は、3次元表示が異なる局面か
ら観察されるようにデータが処理されるようにする。3
次元表示のハードコピーがプリンタ13によって得られ
るようにしてもよい。
【0017】マルチプレクサ/デマルチプレクサ装置5
は、マルチプレクサ/デマルチプレクサ回路それ自体で
構成されてもよいし、あるいは論理配線構成を有するよ
うにしてもよい。論理配線構成の2つの実施例が後述の
図3及び図4に示されている。マルチプレクサ/デマル
チプレクサ回路それ自体が使用される場合には、Si1ico
nixのタイプSD5400、SD5401、あるいはSD5402のDMOSFET
Quadのような標準的なアナログスイッチアレイから構成
することができる。
【0018】超音波駆動回路6、及び受信回路7は「Pu
lsed Ultrasound Doppler Blood Flow Sensing」、IEEE
TransactionsonSonicsandUltrasonics、Vo1.SU17、N
o.3 1970という文献でドナルドW. ベイカー(Donald W
Baker)によって開示されている種類のものとすることが
できる。
【0019】アナログ/デジタルコンバータ8は、Datel
Corporation'sApplication Note DTL-18に開示されてい
るタイプのものとすることができる。
【0020】高速入力・高速出力格納部9は、「Fast D
edicated Microprocessor for RealTime Frequency Ana
lysis of Ultrasound Blood Velocity Measurement
s」、Medical and Biological Engineering and Comput
ing Vol.20、681-686頁という文献でJ.E.ペダースン
(J E Pedersen)によって開示されている種類のものとす
ることができる。
【0021】デジタルコンピューター10は、8メガバ
イトのRAM、70メガバイトのハードディスク、及び
90メガバイトのテープストリーマを有しているDEC Mi
croVax-IIのような適当な種類及び容量のものならいず
れでもよい。デジタルコンピューター10と高解像度の
カラーグラフィック端子12との間の接続は、16ビッ
トの並列インターフェースを介して行われる。
【0022】高解像度カラーグラフィック端子12には
8つのプレーンが備えられており、8ビット(256色)の
深さの解像度では、1024(Y)×1448(X)の最大空間解像度
を有する。空間解像度を損なうことになるが、必要であ
れば、深さの解像度は24ビットまで増やしてもよい。
使用されているソフトウエア11で用いられる全てのプ
ログラムは、256色で、1448×1024画素と仮定する。こ
れらの必要条件を満たす端子の例としては、Sigmexの62
00シリーズ、及びあるタイプのTektronix及びRamtechの
端子がある。
【0023】図1に示されている方法がどの様にして動
作するかを全体的に理解するためにここで簡単な説明が
されるが、本方法の局面は次に残りの図面に関してより
詳細に説明される。
【0024】環状の変換装置集合2を有する探針の外形
及び構造は、動脈3内の流体の性質及び流れ、並びに動
脈の内径に適合するように選択され、設計される。変換
装置集合の各圧電素子は100μS以下の1スキャンに1
回、マルチプレクサ/デマルチプレクサ装置5を介して
超音波駆動回路6及び受信回路7にそれぞれ接続され
る。駆動回路6からの1μSバーストの高周波信号が、
選択された圧電性結晶をパルスする。結晶によって発生
した超音波圧力波が、動脈3の内壁をインソネイト(ins
onate)するために半径方向に発せられる。この界面から
のエコー、及び他の音波のインピーダンスの音の進路に
おける不連続がその圧電性結晶素子に受信される。パル
スエコー信号は受信回路7で増幅された後、「走査開
始」パルス、及びスイッチング回路パルスと結合され
る。この様な複合ラジオ周波数信号は次に「フラッシ
ュ」アナログ/デジタルコンバータ8、即ち高周波数信
号を取り扱えるコンバータによってデジタル化される。
こうして得られたこれらの8ビットのサンプルが次に高
速ランダムアクセスメモリに同時に格納される。
【0025】変換装置集合の全ての素子による完全な走
査が格納されたとき、データは並列データリングを介し
てデジタルコンピュータ10にダウンロードされる。デ
ジタルコンピュータ10は、再構成ソフトウエア11に
動脈の断面の高解像度画像を、あるいは他の面では、高
解像度カラーグラフィック表示端子に高解像度画像を作
成するために、複雑な信号処理を実行し、再構成ソフト
ウエア11を作動する。
【0026】変換装置素子の励起周波数は、1−20MHz
の範囲内であることが好ましく、各変換装置素子の軸方
向の長さは2mmから8mmの間であることが好ましい。最
良の結果は長さ8mmで得られた。図2 図2は変換装置素子によって発信された超音波信号、及
びそれらと関連するエコー信号を示している。具体的に
は、超音波信号は14から14、関連するエコー信
号は15から15、同期パルスは16から16
で示されている。図3及び図4 図1に関して説明したように、変換装置集合2は、各々
が鉛ジルコニウムチタン酸塩(PZT)で作られるのが好ま
しい圧電性結晶から成る多数の変換装置素子を備えてい
る。図1では4つのこの様な素子が示されているが、図
2は10の変換装置素子があるとの仮定に基づいてい
る。素子の数は変えることができるが、数が多いほど作
成される画像の解像度、あるいは明瞭さが増す。
【0027】図3及び図4は変換装置素子の2つの具体
的な構成、並びに筒状のカテーテル4内を通過しなけれ
ばならない配線の本数を減らすために、即ち図示されて
いる配線構成が実質的にはマルチプレクサ/デマルチプ
レクサとして機能するように変換装置素子が電気的に接
続される仕方をより詳細に示している。
【0028】図3において、変換装置構成は、時計回り
の方向に、A1、B1、C1、A2、B2、C2、A
3、B3、C3、A4、B4、C4と符号付けした12
の変換装置素子から成る。素子A1、A2、A3、A4
は、同時に励起されるように並列に電気接続されている
(図1も参照のこと)。4つの素子B1、B2、B3、B
4も共に励起されるように同様に接続され、素子C1、
C2、C3、C4も図示されるように同様に接続されて
いる。
【0029】動作時にはA1、A2、A3、A4が一緒
に、次にB1、B2、B3、B4が一緒に、次にC1、
C2、C3、C4が一緒に、といった順番で4つの素子
が一度に励起される。図3の(B)に示されている配線構
成を用いれば、変換装置素子は12あるが、変換装置素
子を励起するたに筒状のカテーテルを通る配線は4本で
済む。この様な配線構成は、従って、マルチプレクサ/
デマルチプレクサ回路に相当するものとして機能する。
【0030】図4では、図3の構成が12の素子から成
る単一の環のみを有するのに比べて、変換装置構成は各
々が12の変換装置素子から成る2つの並んだ環で構成
されている。2つの環の各々の配線構成は図3のものと
同様であるが、2つの環の素子は、各発信(firing)パル
スで各環の4つの素子が共に励起されるように、即ち8
つの素子が同時に励起されるように相互連結されてい
る。
【0031】変換装置素子の励起シーケンスは次の通り
である。第1リングのA1素子群は第2リングのB2素
子群と共に駆動される。第1リングのB1素子群は第2
リングのC2素子群と共に駆動される。第1リングのC
1素子群は第2リングのA2素子群と共に駆動される。
【0032】2つのリングの隣接する素子同士、例えば
A1とA2が一緒に駆動されることはないということに
注目されたい。これは2つのリング間のクロストークの
可能性を減らすためである。
【0033】2つより多いリングを用いてもよいが、そ
の場合は中間のリングによりこれら2つのリングが空間
的に離されることによってクロストークの危険性が既に
減らされているため、隣接しないリングが一緒に駆動さ
れる同等の変換装置素子を有するようにしてもよい。図5 図5の(A)は、一端にハンドル18、他端には先端部材
19を有しているプラスティックチューブ17で構成さ
れる典型的な公知のタイプのカテーテルを示している。
誘導ワイヤ20がチューブ17を通り抜けるようにして
もよい。ハンドル18には誘導ワイヤ20が通り抜け
る、軸方向に設置された開口部21が設けられている。
ハンドルには又、径方向に設置されている開口部22及
び23が更に備えられている。
【0034】図5の(B)、(C)、及び(D)はカテーテルチ
ューブ17の公知の断面を示しており、これら断面はカ
テーテルの医療上の異なる適用に対して設計されいる。
【0035】図5の(B)の断面図では、チューブ17は
誘導ワイヤ20を収容するための内腔、即ち通路24、
及び微小な同軸配線を収容するための第2内腔、即ち通
路25備えている。
【0036】図5の(C)の断面図では、チューブ17は
図5の(B)と同様に内腔24及び25を有しているが、
先端口19で、あるいはその近傍でカテーテルチューブ
17の端部内に作られている気球(balloon)を膨張させ
るために、圧縮空気又は他の適当な気体が通過する第3
の内腔26を備えている。カテーテルのこのような構成
は周知である。
【0037】図5の(D)の断面図では、前述のように内
腔24及び25があるが、他の2つの内腔27及び28
もある。内腔27は公知の方法でレーザ血管形成術を行
うためのファイバオプティックチャネルを収容するため
のものである。内腔28は公知の態様で圧力センサ(図
示しない)を収容するためのものである。図6−図8 図5の(A)、(B)、(C)及び(D)で全体的に示されているカ
テーテルは公知の構成のものである。本発明に従ったカ
テーテルは、先端部19、あるいは探針の構成に特徴が
ある。図6から図8は、本発明に従った先端部19ある
いは探針の例を示している。
【0038】図6及び図7に於て、本発明の先端部19
はポリビニル塩化物(PVC)のようなプラスティック材料
で作られ、内腔24及び25が通っている中心部2
9を有している。中心部29はその周縁に形成されてい
る12の溝30を備えており、各溝は単一の圧電性結晶
変換装置素子31を収容するようにされている。
【0039】各溝30は通路32によって内腔25
接続されている。微小な同軸ケーブルがハンドル18の
開口部22からカテーテルチューブ17を通って伸びて
おり、その構成要素であるストランドが変換装置素子3
1のところで終わっている。
【0040】先端部19は、カテーテルチューブ17に
通じるカップ形の端部34に摩擦適合するような形状及
び大きさの差込み部33を備えている。先端部19は従
って、公知のタイプのカテーテルチューブ17に適合す
る適当な数、及び設置位置の内腔を備えて構成されるこ
とができる。実際には各カテーテルチューブは一度しか
使用されないので、又医療上安全な構成にする必要があ
るので、差込み部33とカップ形の端部34の内側面と
の接合部分はエポキシ系樹脂で密封される。更に、通路
32もエポキシ系樹脂で埋められる。
【0041】図6及び図7(並びに図3及び図4)に於
て、所望の程度の解像度を得ようとする取り組みは、例
えば各々12の変換装置素子を有する1つ又はそれ以上
のリングを備えることによって変換装置素子の数を増や
すということである。臓器の走査は、各リングに対して
4極の変換装置素子を実質的には電気的に回転させるこ
とによって行われる。
【0042】他の取り組みは、同様の目的を達成するた
めに変換装置素子を物理的に回転させるということであ
る。この様な取り組みでは、それ自身が探針の中心部2
9上に回転可能に取り付けられている部材に変換装置素
子が取り付けられる。何らかの適切な駆動手段がその部
材を回転させるために備えられてもよい。駆動手段は、
例えば適切な電気モータによって回転されて、カテーテ
ルチューブ17を通ってそれ自身に戻って来る配線を備
えるようにしてもよい。配線と部材との間の接続部は様
々な形をとり得る。
【0043】回転可能な変換装置の構成を備えることの
利点は、図3、図4、図6及び図7のものよりも少数の
変換装置素子でも同様の画像解像度が得られる、あるい
はより高い解像度が所定の数の変換装置素子に対して得
られるということである。解像度の程度は回転可能部材
に搬送される変換装置素子の数、及びその部材の回転速
度によって決まるが、一般的には高速であるほど解像度
が高い。
【0044】図8は図6と同様の図であるが、変換装置
の構成の他の形態を示している。この様な形態では変換
装置の構成は溝36を有する圧電性結晶の単一のリン
グ、即ち環35で構成されている。溝36は先端部19
の軸と平行に伸びており、それら隣接する各対が変換装
置素子A、B、C等(図3及び図4)を規定している。超
音波に対して透過性の材料でできた滑らかな筒状の外装
37が、カテーテルの動脈への挿入及び移動を簡単にす
るために変換装集合を覆っている。図9 図9は図7と同様の図であるが、本実施例ではカテーテ
ル端部の探針、あるいは先端部には他の圧電性の変換装
置の構成が備えられている。これは、動脈の内部に形成
されたプラークを崩壊、あるいは分解すること目的とし
ている。
【0045】この様な付加的な変換装置の構成は、プラ
ークを共鳴させる、従って分解させる効果を有する比較
的低周波の超音波信号を発信するように設計されてい
る。
【0046】この様な変換装置の構成の付加は、幾つも
の形を取り得るが、それらの内2つの例が図9に示され
ている。
【0047】第1の例は、中心部29の端面に据え付け
られている単一の変換装置素子39から構成され、変換
装置素子39は、中心部29に対して実質的に軸点(axi
al point)に超音波発信信号が集中するように凹面39
を有している。
【0048】他の例としての変換装置の構成は、中心部
材29の外表面の回りに取り付けられている多数の変換
装置素子40から成り、動脈の軸に対して実質的には半
径方向に外側へ超音波信号を発信するようにしている。図10 図10は図1の11で概略的に示されてるソフトウエア
の論理を示している。
【0049】先述のように、変換装置集合から受信され
たデータは、4つの変換装置素子の各組が駆動され、関
連するエコー信号が受信されるときに「スナップショッ
ト」の形をとる。これらの信号及び関連するエコーは実
質的には、動脈内部の点と、駆動された変換装置素子か
ら動脈壁の厚さを通った点との瞬間的な半径方向距離を
与える。このステップが図10の41に「断面発生」と
示されており、各駆動及び関連するエコーが動脈の「断
面」を表示する。しかしこの様な「断面」は限られた数
の変換装置素子によって作成されるので、動脈の断面の
完全な像は与えられず、その断面の近似したものを示す
のみである。従って各々の変換装置素子から発信され受
信された信号によって突き止められた断面上の点の間を
補間し、隣接する「断面」の間を補間する必要がある。
このような補間のステップが図10の42に「断面の補
間」と示されている。
【0050】隣接する「断面」の間の補間は、例えば公
知のいわゆる空間相関技術によって行うことができる。
これは、時系列分折で用いられる断面相関関数に使用さ
れるのと同様の数学的計算を用いる、各々の「断面」の
空間的な特徴を比較することを含んでいる。
【0051】本発明のソフトウエアは各「断面」をデジ
タル化し、各「断面」の画像情報を基本の画像素子、即
ち画素に置き換えて格納する。いうまでもなく正確なシ
ーケンスであるデジタル化された「断面」から3次元の
モデルが次に構成される。3次元のモデルはいわゆる
「ボクセル(voxel)」(3次元の「画素」)で構成されて
おり、従って異常な解剖学的障害の詳細を正確にモデル
化することができる。これは、実質的に所定の形のライ
ブラリから取り出される「基関数(primitives)」と呼ば
れる簡単で幾何学的な形を用いて対象物をモデル化する
という概念に基づく、3次元の立体モデル化のための公
知の市販のソフトウエアとは対照的である。この様な公
知の取り組みに関する更に他の情報は、フォーレイ及び
ヴァンダム(Foley and Van Dam)の「Princip1es of Int
eractive Computer Graphics」、published by Prentic
e-Hall、1982、で得られる。
【0052】本発明で取り上げた取り組み(即ち「ボク
セル」を使用すること)の利点は、各「ボクセル」は全
体表示に対しては非常に小さいので全体表示、又はモデ
ルを構成している各々の「ボクセル」の方向は重要では
ないため、表示を迅速に処理すること、並びにそれらを
通して断面を取り出すことなどが可能であることであ
る。これは、全体表示に対する「ボクセル」のサイズが
大きく、その結果「ボクセル」の方向が正確な表示、又
はモデルを得るためには重要であり、従って「基関数」
が表示、又はモデルの各々の処理中にそれぞれ新しい方
向に向けられなければならないような「基関数」を用い
る公知の方法とは対照的である。
【0053】次のステップは動脈の表示を3次元で行う
ために動脈の多数の補間された断面を実質的に積分又は
統合するものであり、このステップは図10の43に
「空間(VOLUME)の生成」として示されている。
【0054】このステップが行われた後、動脈の3次元
画像を表示するデータがその3次元画像の異なる局面を
提供するために多数の仕方で取り扱われ、処理され得
る。このステップは図10の44に「取扱い」として示
されている。
【0055】図10に於て、破線より下に示されている
ステップはすべて、点線より上のステップによって既に
作成されている3次元表示に行われる異なる処理に関連
している。より詳細には、「回転」、「切断」、「交
差」、「統合」、「消去」及び「切開」と記されたステ
ップがすべて、特定の方法で3次元表示の処理に関連し
ている。具体的には「回転」とは、3次元表示を異なる
角度から観察できるように回転させることを意味する。
「切断」という処理は、特定の点で内部が観察できるよ
うに3次元表示の一部分を実質的に除去することを指
す。「交差」の処理とは、例えばY字型の動脈を視覚表
示するために2つの3次元表示を取り上げ、それらを組
み合わせることである。「消去」という処理は、3次元
表示の一部を除去することに関し、「切開」という処理
は、実質的には概念的に動脈を縦方向に切断し、動脈の
内を輪郭の点から観察できるように平坦に切開すること
に関する。
【0056】本発明の重要な利点はソリッドの3次元表
示、又は(3次元の「ボクセル」空間に含有されてい
る)モデルをどの様な方向にでも切ることができる能
力、並びに柔軟性にある。従って多数の2次元の断面の
どれもを再生することができ、更に各断面の画像処理
が、例えば組織のある特徴を強調させるために行われ得
る。
【0057】ここで説明された様々な処理が実行され得
る例に過ぎないということが強調されるべきである。
【0058】図10の他の部分は、3次元表示が実際に
表示され得る異なる仕方を示している。例えば表示は、
模擬的なエックス線写真という形で、即ち前景より暗い
背景を用いて提示されてもよい。これは図10の52で
示されている。図10の53、56、及び57は画像が
色付される異なる仕方を示している。「透明」と称され
たボックス55は、一様な色調を有する画像の表示がで
きることを指している。
【0059】ソフトウエアは、例えばVMS4.4.の元で作
動するFORTRAN77の様な高レベル言語で作成され、既に
いくつかが図10に関連して説明された広範囲の特徴を
有する。
【0060】ソフトウエアは全体的にメニュー方式で書
き込みが行われ、本システムの制御はアナログ制御によ
って制御されている画像の回転を伴って「マウス」を介
して行われるのが好ましい。
【0061】更にコンピュータ10には、デー夕処理の
速度を速め、先述したように画像自身は非リアルタイム
で生成されているが、ユーザがリアルタイムで3次元モ
デル画像を回転することができるようにするために、ア
レイプロセッサが備えられてもよい。
【0062】FORTRANプログラムと端子12との間のソ
フトウエアのインターフェースは、端子を制御するため
の一連のルーチンで構成される。Sigmex端子を使用する
場合には、これらのルーチンはGKS(Graphical Kernel S
ystem)として公知のシステムと同様のWKS77と呼ばれる
ライブラリを形成する。図11 図10に於て、点線より下に概略的に示されている処理
は、点線より上に示されているステップによって作成さ
れたどの様な画像をも処理し、表示するのに使用され得
る。図10では、点線より上のステップは動脈のような
項目を3次元表示するデータを生成することに関する
が、点線より下のソフトウエアは他のものを表示するデ
ータを処理するのに用いられる。
【0063】より詳細には、既に説明した探針は、動脈
内の血液の流れを示す信号を生成するのに使用され、こ
の様なデータがその血液の流れを視覚表示するために処
理され、取り扱われ得るといえる。この様な考え得る処
理が図10の58に「流れの可視化」と記されたボック
スで概略的に示されている。
【0064】動脈内の血液の流速を計算することによっ
て動脈の疾病を評定するために超音波信号を使用するこ
とは既に公知である。この様な公知のシステムはドップ
ラーの法則を利用している。
【0065】従来技術の取り組みでは、超音波信号のパ
ルスは動脈を流れている赤血球からの多数の反射を引き
起こす。この様なシステムでは、流れの小さな空間部分
しか分析されず、これが「サンプル空間」と称され、反
射された超音波信号の距離ゲーテイング(range gating)
によって得られる。この様な従来の取り組みに関する他
の情報は、ドナルド W. ベイカー(Donald W Baker)
による「Pulsed Ultrasound Doppler Blood Flow Sensi
ng」、the IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonic
s、 Vol.SU17、No.3、1970という文献で得られる。本
発明では、径方向の通路全体に沿った流れの情報が格納
され、従って2次元の流れの範囲全体を測定するために
必要な基本データが変換装置の完全なアレイから得られ
るように、多重のソフトエアの距離ゲーティングがあ
る。どの様な平プレーンでの流れの輪郭も、既に、説明
された本システムのソフトウエアを用いて計算され得
る。
【0066】図11は図10の58で示されている「流
れの可視化」に含まれているステップを概略的に示して
いる。
【0067】上記のデータ処理方法、並びに「流れ可視
化」方法に関する他の背景的情報は以下の通りである。
【0068】キトニー R.I.(KITNEY、R I)、タルハミ
H.(TALHAMI、H)、及びギデンズ D.P.(GIDDENS、D P)(198
6)、「The Analysis of Bloody Velocity Measurement
by Auto Regressive Modelling」、Journal Theoretica
l Biology 120、419-442頁。
【0069】キトニー R.I.、ギデンズ D.P.(1986)、
「Linear Estimation of Bloody Flow Wave Forms Meas
ured by Doppler Ultrasound」、In Med Info 86. Ed R
Salamon、B、Blum and M Jorgensen、Published by North
Holland Vol.2、672-678頁。
【0070】ク D.N.(KU、D N)及びギデンズ D.P.(19
83)、「Pulsative Flow in a ModelCarotid Bifucation
Anterio Sclerosis」、Vol.3、31-39頁。図12及び図13 動脈より内部の大きさがかなり大きい臓器の内部を可視
化するのに本発明が使用される場合には、探針の外径を
もっと大きく構成することが可能である。例えば本発明
は、食道、膣、尿道、及び直腸の横断画像を作成するの
に使用されてもよい。その結果、変換装置集合の変換装
置素子の環の数を、例えば5つに増やすことも可能であ
る。又、このような各環はもっと多数の変換装置素子を
収容するようにしてもよい。これによって解像度が増加
する。更に、いわゆる組織特性表示データを得ることが
できるようにする図12及び図13に示されている変換
装置素子の構成が用いられてもよい。
【0071】この様な変換装置素子の構成に於いては、
一対の結晶59及び59がお互い他方の結晶の方向
に傾いており、それらから発出する超音波信号が結晶の
位置から径方向に外側に向けて共通点60で集中するよ
うにしている。一対の内の各結晶はそれぞれ他方の結晶
とは異なる超音波周波数で動作する。これは結晶の厚さ
を変化させることこよって行うことができる。探針の壁
は62で示されている。
【0072】臨床上の目的から、一対を成している隣接
する結晶間の間隔61は、結晶間に形成されている窪み
と共に、例えばエポキシ系樹脂62のような超音波周
波に対して透過性の材料で埋められるのが好ましい。こ
れは変換装置集合が患者の体内を簡単に通過できるよう
に滑らかな表面を作成することが目的である。
【0073】結晶は励起され、図7及び図9に関して述
べたような種類の微小な同軸ケーブルによってエコー信
号が送り返される。
【0074】図12及び図13の構成の目的及び利点
は、2種類の周波数を用いることによって起こる差動的
な超音波の後方散乱の結果として、組織特性表示デーー
タが得られるということである。図12及び図13に示
されている一対の結晶59及び59の替わりに、単
一の二重周波数(dual-frequency)結晶を用いることによ
っても同様の効果が得られるといえる。図14 上述のように本発明のシステムは、内臓の像をそこにカ
テーテルを通すことによって医師に提供するものであ
る。しかし、この様な像は非常に制限されたものであ
り、カテーテルの端部の探針が患者の身体の動脈系内の
正確にどの位置あるかを医師が全体的に観察できるよう
にするものではない。
【0075】図14は先述した本発明のシステムが公知
のエックス線システムと組み合わされて、本発明によっ
て与えられた画像を、公知のシステムによって与えられ
た全体的なエックス線画像に実質的に重ね合わせるよう
にした装置を概略的に示している。これによって医師に
は正確な全体画像を得るための非常に便利な手段が提供
される。
【0076】2つのシステムを連結することによって、
組織特性表示を得ることも可能となり得る。図14は2
つのシステムが統合される一方法を概略的に示してい
る。図1の破線の右側に示されている本発明のシステム
は図14の63及び64で全体的に示されており、カテ
ーテル及び探針は、患者の動脈69内に1及び2で各々
示されている。
【0077】公知のエックス線源は65で、並びにエッ
クス線変換装置は66で示されている。コンピュータ6
3は、本発明のシステムを公知のエックス線システム6
7に接続しており、エックス線システム67からの出力
が、エックス線画像691及び患者の動脈系内の探針2
の画像21を含む組み合わされたエックス線システム6
7画像70であるようにしている。
【0078】公和のエックス線システム67としては従
来のX-RAYデジタル控除血管造影、あるいはDSA IMAGING
SYSTEMが挙げられる。
【0079】図14に関して説明したシステムは画像表
示システムの標準的な、国際的に受け入れられているAC
R NEMA(American College of Radiology、National Equi
pment Manufacturers Association)に従って動作し、AC
RNEMAプロトコルの元でフォーマットされる他のどの様
なシステムからも簡単に画像を入手することができる。
従って本発明のシステムコンピュータとDSAシステム
のシステムコンピュータ(典型的にはVAX)との間の簡単
なインターフェース(並列であるのが好ましいが必ずし
もそうでなくてもよい)によって、DSA画像が入手さ
れ、DSAシステムによって生成される超音波画像と共
に本発明のシステムに表示されることが可能となる。
【0080】変換装置集合の素子の駆動制御は、コンピ
ュータデータバス71を介して行われる。結果として得
られるエコー信号はデータバス72を介して供給され
る。探針をエックス線システムに対して簡単に見えるよ
うにするために、エックス線に対して不透明な点(例え
ば金でできた点)の特徴のあるパターンがカテーテルの
先端部に設けられて、その正確な位置がDSA画像内で
自動的に示されるようにする。この様な自動的な位置表
示を実行するために、公知のテンプレートマッチング、
あるいは他のパターン認識処理が使用されてもよい。い
わゆる「復平面(bi-plane)」DSAシステム、即ち2つ
のDSA画像が直交して提示されるシステムが使用され
ると、カテーテルの正確な位置が3次元で決定される。
この様な情報は本システムの複合走査からの完全な3次
元画像の作成のため、並びに可視化のための、及び/又
は組織特性表示のための超音波画像データとDSA画像
データとの自動的な相互関係のために使用されてもよ
い。
【0081】この様な構成の他の利点は、使用中にカテ
ーテルの本体からカテーテルの先端部が外れた場合に
も、カテーテルの先端部がエックス線によって簡単に検
出できるということである。図15及び図16 図15及び図16は患者の体内でのカテーテル1の位置
を確認するための、図14で示された方法の他の方法を
示している。この方法ではカテーテル1にはスパーク発
生装置73が備えられており、励起されたときに起こる
スパークが4枚のプレート74、74、74、及
び74から成る電極アレイ74によって検出されるよ
うにしている。スパークに応答してプレートによって発
生する信号の強度は、スパークの特定のプレートからの
距離の数である。このように、4枚のプレートの信号を
総合することによって探針の位置が決定される。患者の
身体は75で概略的に示されている。図17 図17は、本発明の他の3つの局面を示している。即ち
以下のようなものである。
【0082】(i)患者体内の探針の位置を概略的に示す
他の方法、(ii)本発明のカテーテルとエコー信号処理シ
ステムとの間のインターフェース、並びに(iii)カテー
テルの自動確認。
【0083】患者の動脈系内の探針の位置を可視化する
システムは、図14に関して既に説明された。図17は
患者体内の探針の位置の概略的でそれほど正確でない評
定が、専ら探針の患者の体内に挿入された距離の測定に
基づいて可能となるシステムを概略的に示している。
【0084】本質的にこの様な構成は、カテーテル患者
の体内に移動させ、カテーテルが挿入された距離を示す
電気信号を発生する電子マイクロメータとステップモー
タの集合76を使用することを含んでいる。電子マイク
ロメータは、カテーテルをモータの替わりに手で挿入す
ることもできるため、モータ無しでも使用し得る。
【0085】電子マイクロメータ76からの信号は、イ
ンターフェース77を介してシステムコンピュータ(図
14の63)に供給される。
【0086】インターフェース77と同様、本発明のこ
のような更なる特徴のために、図17は、カテーテル
と、図1の破線の右側に示されている電子信号処理シス
テムとの間の他のインターフェースを示している。
【0087】カテーテル内の微小な同軸ケーブルとシス
テムとの間の主要な本質的なインターフェースが78で
示されている。
【0088】図5の(B)、(C)および(D)に関して説明さ
れた任意の構成要素としての他のインターフェースは7
9から82に示されている。
【0089】具体的には、インターフェース79は、レ
ーザ血管形成術を適用するための図5(D)の内腔27内
のファイバオプティックチャネルに関係しており、ファ
イバプティックケーブルが79で示されている。イン
ターフェース80は内腔28(図5の(D))内の圧力セン
サに関係しており、接続用の微小な同軸ケーブルが80
で示されている。インターフェース81は図5の(B)
の内腔24内の誘導ワイヤ20に関係しており、ワイヤ
のためのチャネルが81で示されている。インターフ
ェース82は図5の(C)の血管形成術の空気注入(balloo
n)内腔26に関係しており、空気注入のためのチャネル
が82で示されている。
【0090】インターフェース83は食塩水のような流
体、及び/又はエックス線写真で対比するための染料を
カテーテル内に挿入することに関係しており、関連する
チャネルが83で示されている。
【0091】インターフェース84は図10の58に関
して既に説明したドップラーの法則を利用して血液の流
れを測定することに関係しており、接続用の同軸ケーブ
ルは84で示されている。
【0092】図17に示されている本発明の第3局面
は、使用されているカテーテルのタイプを自動的に確認
し、それによって正確な信号がカテーテルの探針に送ら
れて、結果のエコーが適当な方法で処理されるように、
本システムに適当なパラメータを自動的に設定する手段
に関するもである。
【0093】このために、システムに接続されるように
調整されているカテーテルの端部(当該分野では「近
位」端、又はインターフェースとして公知である)は、
そのカテーテルの特性を示しており、システムによって
「質問され」得る何らかの手段を備えている。即ち、カ
テーテルにはカテーテルを「判断力を有する(intellige
nt)」ようにする特性がある。これはいく通りもの仕方
で実現できるが、カテーテルの近位端にROM(read-on
1y-memory)集積回路86を組み込むことによって実現す
るのが好ましい。このようなROMは特定のカテーテル
に必要な特性を全て内部に組み込んでおり、システムに
接続されたときにシステムによって質問されるようにし
ている。
【0094】ROM内に組み込まれ得る特性としては次
のようなものがあるといえる。
【0095】(i)システムがどのカテーテルをシステム
に使用可能であるかを確認できるようにするための製造
者コード、(ii)カテーテルが再利用されるのを防ぐため
にシステムによって記録される通し番号、(iii)システ
ムが適当な信号を発生し、適当な方法でエコー信号を扱
うように設定するために、カテーテルの使用が意図され
る臨床位置を明確にすることを目的とする適用コード、
(iv)画像の大きさを測定するための探針の大きさを示す
コード、(v)特定の探針の動作に対して重大である場合
に、超音波パルスの出力を制御するのに使用される、パ
ルスの振幅を示すコード、(vi)特定の探針が図12及び
図13に関して既に説明された種類のものか、あるいは
真の整相列構造として見なしてもよい他の構造(図示し
ない)のもかを示すコード。
【0096】実際に、ROMは特定のカテーテル/探針
の特性を示しているどんな情報も組み込むことができ、
システムはカテーテルをシステムに単に接続することに
よって自動的に事前にセットされ得る。
【0097】ROMの他の使用例としては、近位のイン
ターフェースに於て、即ちカテーテルの遠位端、つまり
探針2が備えられている端部とは異なるカテーテルがシ
ステムに接続されている点に於て、機械的な施錠(lock-
and-key)タイプのセンサを利用する方法がある。図18 図18は、本システムによって作成された全ての情報が
医師を援助するために表示を行うように処理される態様
を示す概略図である。
【0098】本質的に、図1に示されているような本発
明のシステムは情報を医師に1次元、2次元、及び3次
元の形で提示するのに用いることができる。
【0099】上述のことを説明するために、患者が動脈
内部にプラークを有している状況を考える。
【0100】カテーテルの「遠位」端の探針がプラーク
の近傍を通過するとき、動脈の良好な壁の場合と比べて
射が減衰、又は変調されているのでそこにプラークがあ
るいうことのみを示すためにエコー信号が利用されると
いえる。これは図18に「1D」と称されている1次元
形式である。
【0101】プラークの長さに関する他の情報も、図1
8に「2D」と称されている2次元形式を提供すること
もできる。
【0102】最後に、プラークの長さに沿った深さに関
する他の情報は、図18に「3D」で示される3次元形
式を提供することもできる。
【0103】詳細には、探針2によって搬送される変換
装置集合からのエコー信号は、87で分類され、88で
事前処理される。その後エコー信号は1次元信号発生装
置89に供給され、先述した1次元の情報を提供する信
号が発生される。これらの信号が90で処理され、92
で表示、処理されて、91で組織特性表示を行うのに使
用される。
【0104】同様にして2次元及び3次元の可視化の特
性を示すエコー信号は、93及び97でそれぞれ発生さ
れ、94及び98で処理され、96及び100で表示、
処理されて、95及び99でそれぞれ組織特性表示を行
うのに使用される。
【0105】91、95、及び99での組織特性表示情
報は、101で示されているインターフェースを介して
専門のシステム、あるいは人工知能システムに供給さ
れ、それによって自動的な病状の診断が下されるように
してもよい。
【0106】又、図18に102で示されているは図1
4に102で示されているDSAシステムであり、それ
によって探針2の位置が、探針位置確認ステップ103
を介して3次元画像作成97に供給され得る。又、探針
の位置を示すための、104で示されているもっと簡単
で情報の少ない電子マイクロメータ手段が97に供給さ
れるようにしてもよい。
【0107】
【発明の効果】臓器の明瞭な3次元の内部像を得るため
の装置およびシステムが提供される。特に、断面積の比
較的小さい臓器、例えば、ヒトの動脈の内部検査に適し
た小型で空間解像度に優れた装置およびシステムが提供
される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従ったシステムの概略をブロック図で
示す概略図である。
【図2】図1に示されるシステムで用いられる「バース
ト」信号、及び「エコー」信号のタイミングを示す図で
ある。
【図3】環状の変換装置構成及びそれに接続される電気
的配線の概略図である。(A)及び(B)は、それぞれ、単一
の環状の変換装置構成及びそれに接続される電気的配線
の概略図である。
【図4】2つの環を有する変換装置構成に接続される配
線を示す図である。
【図5】図1のシステムで用いられるカテーテルの構造
を示す図である。(A)はカテーテルの全体図、そして
(B)、(C)、及び(D)は、異なる目的のための、異なるタ
イプのカテーテルの断面図である。
【図6】カテーテルの端部に据え付けるための超音波変
換装置集合の一形態を示す斜視図である。
【図7】図6に示す超音波変換装置集合の縦断面図であ
る。
【図8】超音波変換装置集合の他の構造を示す改変例の
斜視図である。
【図9】診断と同様に治療を提供するように構成された
変換装置集合の変形例を示す斜視図である。
【図10】図1のシステムで使用されるソフトウエア/
プログラミングの論理を示したフローチャートを示す図
である。
【図11】図10の58で示される流れの可視化で行わ
れる工程をより詳細に表したフローチャートを示す図で
ある。
【図12】超音波変換装置集合の他の構造を示す概略断
面図である。
【図13】図12の変換装置集合の一部を拡大した部分
拡大図である。
【図14】患者の体内に於ける超音変換装置集合の位置
を示すために、本発明のシステムを公知のエックス線シ
ステムに連結する仕方を示す概略図である。
【図15】図14の変形例であり、スパーク放電を利用
して患者の体内での超音波変換装置集合の位置を表示す
る仕方の概略図である。
【図16】図15に示されている探針の端部の拡大断面
図である。
【図17】図1の破線の右側に示されている、カテーテ
ルとエコー信号処理システムとの間のインターフェース
と、マイクロメータを利用して患者の体内での探針の位
置を表示する手段との両方を示す概略図である。
【図18】図1の10、11、及び12で示されている
システムの一部をより詳細にブロックにより示した図で
ある。
【符号の説明】
1 カテーテル 2 超音波変換装置集合 3 動脈 4 接続部 5 マルチプレクサ/デマルチプレクサ 6 駆動回路 7 超音波受信回路 8 アナログ/デジタルコンバータ 9 データ格納部 10 デジタルコンピュータ 11 ソフトウェア 12 高解像度グラフィック表示端子 17 プラスティックチューブ 18 ハンドル 19 先端部材 20 誘導ワイヤ 21、22、23 開口部 24、25、26、27、28 内腔 29 中心部 30、36 溝 31 圧電性結晶変換装置素子 32 通路 34 端部 33 差込み部 35 環 37 外装 39、40 変換装置素子 59 結晶 62 探針の壁 67 エックス線システム 70 画像 71、72 データバス 74 電極アレイ 76 電子マイクロメータ−ステップモータ 77、78、79、80、81、82、83、84 イ
ンターフェース 86 集積回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 598085939 6A Shenley Road,Bor eham Wood,Hertfords hire,ENGLAND (72)発明者 キース ストローガン イギリス国 エイチピー4 1イーユー ハートフォードシャー,バークハムステッ ド,チルターン パーク,チルターン パ ーク アベニュー 26 (72)発明者 マーティン テリー ロスマン イギリス国 エスイー22 ロンドン,イー スト ダルウィッチ グローブ 207

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ヒトの臓器内部の画像を提供する装置で
    あって、下記の構成要素、即ち、 (a)人体内に挿入するカテーテル、 (b)該カテーテルに取り付けられている環状の超音波変
    換装置集合であって、複数の超音波素子を備える集合、 (c)該変換装置集合を作動させて個々の素子を励起し超
    音波信号を発生する手段であって、所定のシーケンスに
    従って該素子を指定し得る手段、 (d)得られた超音波エコー信号を受信し、該エコー信号
    をデジタル信号に変換する手段、 (e)該デジタル信号が供給されるデジタルコンピュー
    タ、 (f)コンピュータ内で臓器が3次元で表示できるように
    該デジタル信号を処理し、該表示そのものが処理され
    て、該表示が異なる局面から観察できるように、又組織
    の構造的な構成が視覚的に表示できるようにする手段、
    並びに (g)3次元表示を視覚的に行うためにコンピュータに接
    続されている手段、の組み合わせを備える、装置。
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