JP2002526152A - 身体内にデバイスを位置決めする方法及び装置 - Google Patents

身体内にデバイスを位置決めする方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】 ピボット点の回りで回転するガイド(17)を使用して身体内に介挿具を位置決めする方法であって、ターゲット(12)と上記ピボット点との空間座標を位置決定する段階と、上記ターゲットおよび上記ピボット点を通って延在する線(30)に沿って、またはこの線(30)のすぐ近くに存在する第3の点(34)を上記身体の外側に決定する段階と、撮像システムを使用して上記ガイドの上記軸を上記第3の点(34)とアラインメントする段階と、を備える位置決め方法が開示される。また、処理ユニットと、この処理ユニット上で作用するコンピュータ・ソフトウェアであって、ターゲット点(12)とガイド(17)のピボット点との空間座標を当該医療用撮像システムのオペレータが位置決定することができるようにし、かつ、上記ターゲットおよび上記ピボット点を通って延在する線(30)に沿って、またはこの線(30)のすぐ近くに存在する第3の点(34)を上記身体の外側に決定する、コンピュータ・ソフトウェアと、を含む医療用撮像システムも開示される。上記医療用撮像システムは更に、上記処理ユニット上において動作するコンピュータ・ソフトウェアであって、撮像システムを使用して上記ガイドの上記軸を上記第3の点(34)とアラインメントし得る画像をオペレータが得るのを助力するように作用するコンピュータ・ソフトウェアを更に含み得る。更に、担体内にコード化されたコンピュータ・プログラムを備えた製品であって、上記プログラムは医療用撮像システムの処理ユニット上において、ターゲット点(12)とガイド(17)のピボット点との空間座標を当該医療用撮像システムのオペレータが位置決定することができるようにし、かつ、上記ターゲット(12)および上記ピボット点を通って延在する線(30)に沿って、またはこの線(30)のすぐ近くに存在する第3の点(34)を上記身体の外側に自動的に決定するように動作するコンピュータ・ソフトウェアを備えた製品も開示される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本出願は1998年10月8日に出願された米国特許出願第09/168,792号の一部継続
出願(continuation-in-part)であり、該一部継続出願は本明細書中に援用する。
【0002】 (発明の技術分野) 本発明は医療分野に関し、特に、医療用撮像システムを用いて身体内に介挿具
(interventional device)を位置決めする方法に関する。
【0003】 (発明の背景) コンピュータ断層撮影(CT)ガイド式生体組織検査(computed tomography (
CT)-guided biopsy)は既に、病巣(lesion)内における位置決めを検証するため
に断面内における針を可視化する(visualize)ための断面撮像法が(cross sectio
nal imaging modality)が新規な能力を提供することが明らかになったCTスキ
ャンの初期から実施されて来た。ここ15年にわたり、CTガイド式生体組織検査
に対する方法は主として試行錯誤的であった。すなわち本質的には、適切な身体
部分のスキャンが行われ、コンピュータ制御装置での深度計算(depth calculati
on)に続き軌跡の演算(mental calculation)が行われる。次に上記深度は、マー
クを付けられた介挿具(デバイス)へ移される。それからこの介挿具は、配置が
適切か不適切かということを確認するために妥当な介挿具位置でのスキャンを反
復しながら、挿入、抜き取りおよび再挿入が繰返される。この試行錯誤的な技術
は明らかに、望ましくない遅延、リスク、コストをもたらし、場合によっては望
ましくない放射線の被爆も引き起こす。
【0004】 CTガイド式生体組織検査の問題に加え、最近では生体組織検査(biopsy)およ
び他の最小侵襲処置(minimally-invasive procedure)を含むMRガイド式手術の
分野で多くの研究が行われて来た。現在ではMRによる軌跡位置決定方法(metho
d of trajectory localization under MR)は主として、フレームレス定位概念(f
rameless stereotactic concept)に基づいている。これは多くの場合に実現可能
な方法(methodology)であるが、依然としてコストが問題である。今日まで、M
R設置環境(setting)で使用される簡単で正確かつ安価な方法は提案されていな
い。
【0005】 従って、依然として、身体部分内に介挿具を位置決定するための迅速で更に好
都合な方法に対する要望が存在する。 (発明の概要) 一実施例によれば本発明は、ピボット点(pivot point)の回りで回転する(pivo
ting)ガイドを使用して身体内に介挿具を位置決めする方法であって、ターゲッ
トおよび上記ピボット点の空間座標(またはこの座標に対応する点の画像表示、
コンピュータは表示(display)の数学的関係を真の座標に解釈することができる
ので、この座標は明確に指定されなくてもよい)の位置を決定することと、上記
ターゲットおよび上記ピボット点を通って延在する線に沿って、またはこの線の
すぐ近くに位置する第3の点を上記身体の外側に決定することと、撮像システム
を使用して上記ガイドの軸を上記第3の点にアラインメントさせること(alignin
g)と、を含む、介挿具の位置決め方法を提供する。
【0006】 別の実施例によれば本発明は、処理ユニットと、この処理ユニット上で動作す
るコンピュータ・ソフトウェアであって、ターゲット点と、ガイドのピボット点
との空間座標を医療用撮像システムのオペレータが位置決定することができるよ
うにし、かつ、上記ターゲットおよび上記ピボット点を通って延在する線に沿っ
て、またはこの線のすぐ近くに位置する第3の点を上記身体の外側に決定する、
コンピュータ・ソフトウェアと、を含む医療用撮像システムを提供する。この医
療用撮像システムは更に、上記処理ユニット上において動作するコンピュータ・
ソフトウェアであって、撮像システムを使用して上記ガイドの軸を上記第3の点
とアラインメントさせることができる画像をオペレータが得るのを助けるように
動作するコンピュータ・ソフトウェアを含むことができる。
【0007】 別の実施例によれば本発明は、ピボット点と少なくとも第3の点とにおいて軌
跡アラインメント用ステム(trajectory alignment stem)上に置かれた一個以上
の無線周波数のマイクロコイルからのMR信号を使用し、これらの2個のコイル
の空間的位置を決定し、従って上記アラインメント用ステムの方向づけ(orienta
tion)を含め、このアラインメント用ステムの位置を決定する方法を提供する。
更に、この決定され、従ってそれによりMRスキャナ・コンピュータに対して既
知となる情報を用いて上記軌跡アラインメント用ステムを所望の軌跡と合うよう
に再アラインメントする(realigned)ことができ、この再アラインメントは、手
動で、遠隔制御もしくはロボット制御により、または、MRスキャナ・コンピュ
ータ自体の制御により、上記軌跡アラインメント用ステムに直接的にもしくは間
接的に取付けられもしくは関連付けられたサーボ機構との連動によって行うこと
ができる。
【0008】 別の実施例によれば本発明は、担体(carrier)内にコード化されたコンピュー
タ・プログラムを備えた製品(article of manufacture)であって、上記プログラ
ムは医療用撮像システムの処理ユニット上において、ターゲット点とガイドのピ
ボット点の空間座標をその医療用撮像システムのオペレータが位置決定すること
ができるようにし、かつ、上記ターゲットおよび上記ピボット点を通って延在す
る線に沿って、またはその線のすぐ近くに位置する第3の点を身体の外側に決定
することができるように動作する、製品を提供する。
【0009】 更なる別の実施例によれば、本発明によって上記ガイドの軸はソフトウェアの
制御下で自動的にアラインメントされる。 (発明の詳細な説明) 以下の好適実施例の詳細な説明においては本明細書の一部を構成する添付図面
を参照し、この図面中に本発明が実施される特定実施例を例示する。尚、本発明
の範囲から逸脱せずに他の実施例が利用され得ると共に構造的変更がなされ得る
ことは理解されよう。
【0010】 以下に述べる本発明は、線状(もしくは実質的に線状)で細長(elongate)であり
かつ点回転される(point pivoted)介挿具を人体内もしくは動物体内において所
定方向にアラインメントする方法および装置を提供する。本明細書中で使用され
るように“介挿具(interventional device)”という用語は、生検針(biopsy nee
dle)、プローブもしくは他の型式の針(など)のような任意の医療器具を指してい
る。以下において本発明は実施例に関して記述されるが、この実施例においては
本発明は介挿具を人の脳内に位置決めするために適用される。但し、本発明は脳
内への介挿具の位置決めの使用に限定されるのではなく、人体もしくは動物の体
の任意の部位内に介挿具を位置決めするために広範囲に適用され得ることは理解
されよう。 (磁気共鳴撮像法(Magnetic Resonance Imaging)を使用する方法の実施例) 以下に示す実施例は、高部前頭葉病巣(high frontal lobe lesion)の生体組織
検査に使用することができる、患者の長軸(long axis)に幾分か平行に方向づけ
された軌跡に沿う頭蓋内病巣(intractional lesion)に関連するMRIガイド式
生体組織検査方法を提供する。患者の長軸とは、患者の身体の丈とほぼ同軸な軸
である。この方法を、MRI画像2A、2Bおよび2Cを夫々示す図1A、図1
Bおよび図1Cを参照して述べる。患者に対する静脈内造影剤(intravenous con
trast agent)の投与に先立ち、または実施例においてはそれに引き続き、特に企
図されたターゲット12の領域を含む頭部5を通る限定されたMRIスキャン画
像(limited MRI scan)が得られる。静脈内造影剤を最初に投与する利点は2つあ
る。第1にターゲットにされた病巣自体のコントラストが強調されて病巣の識別
が容易になることがかなり多く、第2に、企図された軌跡の領域と重なる皮質静
脈(cortical vein)のコントラストが強調されることも多いことである。このよ
うな静脈は出血の可能性を最小にするように可能な限り回避されるべき組織であ
るので、軌跡を決定する前にこのような静脈を識別することは有用である。
【0011】 ターゲット12が識別されたなら、スキャナを使用して軌跡が決定される。進
入点(entry point)に対する頭皮上の点が選択されることにより、外科的進入路(
surgical approach)が作り出される。この進入路(approach)は、既に得られてい
る画像データの多平面再合成(multiplanar reconstruction)を実施することによ
り、または、単に所望の軌跡に沿った新たな単一スライス画像を作ることにより
検証することができる。もし後者の方法が使用されるなら、スキャン平面は、必
要であれば外科的進入路が現在のスキャン図面(current scan plan)の軸に沿う
ことが決定されるまで容易に調節することができる。代替的には、上記進入点は
他の手段により決定される。
【0012】 進入点が決定されたなら、頭蓋冠(calvarium)の表面上、または、この進入点
に穿孔されたバー孔(burr hole)内、のいずれかに軌跡ガイド(trajectory guide
)10が外科的に差込まれる(implanted)。この軌跡ガイド10のデザインは、図
5の実施例のガイド10において示されたようにピボット点の回りで回転するガ
イド部材17を含むこと以外は本発明にとり重要でない。図5に示されたように
ガイド部材17は、基部16に回転可能に接がれた下側部分17Aと、アライン
メントのプロセス中に使用される介挿具もしくはガイド・ステム18を受容し得
る上側部分17Bとを含む。図5に示された実施例の軌跡ガイド10の更なる情
報、および、本発明と共に使用され得る他の可能なガイドに関する情報は、1998
年5月14日に出願されて“軌跡ガイドの遠隔作動(Remote Actuation of Trajecto
ry Guide)”と称された米国特許出願第09/078913号で見ることができる。尚、実
施例のガイド10のピボット点は身体の表面のすぐ近くに位置決めされるが、こ
のピボット点は、例えばガイド10が関節結合アーム(articulated arm)により
身体の上方もしくは外部に吊り下げられる場合には身体の表面の上方とすること
ができることに注意すべきである。
【0013】 軌跡ガイド10およびアラインメント用ステム18が所定位置に置かれかつ軌
跡がスキャン平面(図1Aにおいてはターゲット12と少なくとも軌跡ガイド1
0の基部16とを包含する平面に沿って取られた画像スライス断面を提供する)
と一致(in line)したなら、MRIスキャンの3D空間内には幾つかの空間的位
置決定点(spatial location point)が定められる、即ち、ひとつは頭部内、ひと
つは頭部の近傍もしくはその上方、ひとつは外部である。先ず最初に、頭部の初
期MRIスキャンで得られた画像からターゲット12のx,y,z座標がオペレー
タにより決定される。次に、ガイド部材17の上記ピボット点のx,y,z座標も
また、単一の(または複数の)MRIスキャン画像からオペレータにより決定され
る。
【0014】 これらの2個の点が既知となれば、ターゲット12からガイド部材17の上記
ピボット点を通り頭部5の外側の空間32へと延在する線30が数学的に決定さ
れる。この線は、現在の、もしくは再合成された画像のスキャン平面(上記外科
的進入路とアラインメントされた平面)上に表示され得ると共に、介挿具を有す
る所望のターゲットに到達するために必要な軌跡を表している。本発明の1つの
実施例によれば線30は、基部16からステム18の自由端までの距離の約2/
3だけ基部16から離れて延在するように引かれる。次に線30に沿って点34
が選択される。点34は上記軌跡ガイドのアラインメント用ステム18により描
かれる3D円周の円弧上に来るべきであり、そのステム18は、1つの実施例に
よれば、現在の、もしくは再合成された画像の平面に沿った新たな画像内で明瞭
に視認可能にするために、基部16からの点34の距離とほぼ同じ基部16から
の距離に位置決めされたMRI可視マーカ(MRI-visible marker)19を含む。ス
テム18は全体的にMRI可視マーカ材料で作成するか、または、マーカ19は
ステム18の一部に限定されるようにすることができる。点34は線30がスキ
ャナ・ディスプレイ上に描かれたときにこの線30上にオペレータにより選択さ
れるか、または、それはオペレータの介在なしで数学的に決定されるようにする
ことができる。
【0015】 尚、本明細書中の記述は数学的法則(mathematical precept)に基づくが、実際
には、上記のようにオペレータが座標内に手でタイプ入力することは最近の殆ど
のCTおよびMRスキャナならびに他の撮像機器においてはもはや不要なことは
注目に値する。殆どのスキャナ制御装置は家庭用コンピュータと同様にマウスに
より動作し、線を決定するために使用される各点の真の座標をオペレータが知ら
なくても、1つの点を表すためにカーソルを画面上にドロップすると、1つの点
から他の点へとオペレータ用制御装置上で線を描くことができる。但し実際には
コンピュータは画面の裏側で、表示された各点そのものを空間座標ならびにそれ
に従う数学モデルに変換している。故に実際問題として本明細書中に示された方
法を行う殆どのオペレータは、提案されたステップを実際に行う必要は無く、コ
ンピュータのマウスもしくは類似の装置を以て単にポインティングしてクリック
することにより本明細書中に記述された軌跡の幾何的図面(plan)を作り出すこと
が必要とされるだけである。
【0016】 上述及び以下で更に記述される簡素な方法に加え、上記の軌跡アラインメント
用ステムのアラインメントは、上記の点34の位置であるとしてオペレータによ
り決定された空間内の1点に対して焦点を合わされるレーザ、赤外線、他の周波
数の光、または他のエネルギ源のような、他の可視化方法により実行され得るこ
とが想定できる。更に、線30に対して上記軌跡アラインメント用ステムの更に
忠実なアラインメントをオペレータが認識する方法は可視的とする必要さえ無く
、例えば、上記ステムをアラインメントするためにいろいろと移動させてその移
動の成否に依存して反復的発信音(repeating-beep)の反復速度が変り得る(すな
わち、線30からステムが更に離れるように移動させているなら発信音を低速で
鳴らし、線30に接近しているなら発信音を高速で鳴らし、そして、アラインメ
ントが成功したと見做されたときには連続音とする)ように可聴にすることがで
きることは容易に想定される。
【0017】 線30上において、自動的に計算されるか、または、オペレータにより選択さ
れた点から得られた点34のx,y,z座標を使用し、点34を含むようにスキャ
ン平面36が選択されるが、しかし、上記ターゲット自体はその平面内では可視
化されない。次に点34は上記軌跡ガイドアラインメント平面上にマーク(38)
される。次に、アラインメント用ステム18上のMRI可視マーカ19が視認さ
れ、かつ所望のx,y,z座標に位置決めされるような時間になるまで、軌跡ガイ
ドアラインメント用ステム18との相互作用的な位置決め(interactive positio
ning)で平面36(図1B)に沿って順次的な2次元(2D)のスキャン画像が得ら
れる。図1Bに示されたようにステム18は、空間内のある単一点に関してマー
ク38とアラインメントされた位置へ容易に移動させることができるように、マ
ーク38のすぐ近くに在り、図1Bの透視図(perspective)から、上記軌跡ガイ
ドアラインメント平面内にある“x”および“y”座標に関してのみアラインメン
トが必要とされる。ステム18が点“x”および“y”とアラインメントされたな
ら、ステム18は線30と同軸にアラインメントされるべきであると判断される
。故に軌跡ガイド10のアラインメント用ステム18は適切にアラインメントさ
れ(図1C参照)、ガイド部材17はその位置に固定されることにより介挿具もし
くは他の器具の挿入を可能とする。
【0018】 更に、上記線が上記軌跡ガイドアラインメント平面と交差する(bisect)と想定
するのが最も簡単ではあるが、実際に必要とされることは、上記軌跡ガイドアラ
インメント平面の画像上で交差箇所の真の点が決定可能であり、かつ軌跡ガイド
アラインメント用ステムの縦方向の軸に対する断面で見た軌跡ガイドアラインメ
ント用ステムの方向づけ(orientation)を、上記2個の点をアラインメントさせ
るように調節することができるように、交差箇所の点が予言可能なことだけであ
る。
【0019】 この点において、必須ではないが検証のために、意図したターゲットを通り、
また上記軌跡ガイドの長さ方向を通る1回以上の反復スキャン画像が得られる。
選択的に、MR撮像の場合には、適切なアラインメントを確かなものとするため
に直交する(もしくはほぼ直交する)平面のスキャンが実施されねばならない。代
替的に、直交する(もしくはほぼ直交する)多平面再合成(multiplanar reconstru
ction)がオペレータ用制御装置上で再び行うことができるが、これはアラインメ
ント用ステム18が意図された軌跡に沿って上記ターゲットへ適切にアラインメ
ントされたことを明示するはずである。このようなスキャン画像の例は図2Aお
よび図2Bに示されている。
【0020】 上記軌跡ガイドが所定位置に固定されたならアラインメント用ステム18は上
記軌跡ガイドから抜き取られ、そして、確認のスキャン画像又は多平面再合成を
区画(measure off)することにより、処置の状況に依存して捩れドリル(twist dr
ill)を、または頭蓋冠を貫通して既に孔があけられていれば介挿具自体もしくは
他のプローブあるいは器具を、所定の深度まで通すことができる。同様に、上記
軌跡ガイドが上記平面内となる程度まで患者の頭部が傾斜されたなら上記軌跡を
含むターゲット自体を通る、または、順次的なスキャン画像のひとつにて上記タ
ーゲットに尖端が到達したことを単に示すために、上記ターゲット自体を通る、
反復的なスキャン画像を得ることができる。
【0021】 上記の例で記述された方法は、患者の長軸(long axis)に沿ってアプローチさ
れた病巣に関していた。実際には、スキャナの、上記長軸への方向づけとは別の
方向づけにおいても同一の方法が等しく良好に機能する。換言すると、時間の経
過順の頭葉生体組織検査(temporal lobe biopsy)は患者の長軸に直交する向き(o
rientotion)に沿ってアプローチされることもある。前者の場合、以下で“軌跡
ガイドアラインメント用平面(trajectory guide alignment plane)”と称される
平面は、患者の長軸に対して概略的に直交して方向づけされる。後者の場合、こ
の平面は患者の長軸に対して概略的にアラインメントされるが、これは一般的に
は軸方向(axial)もしくは横方向(transverse)、または、傾斜軸方向(oblique ax
ial)もしくは傾斜横方向(oblique transverse)とも称され、典型的には患者に関
して矢状縫合方向(sagittal)もしくは冠状縫合方向(coronal)と称され、あるい
は、これらの2つの方向づけの間のどこかである。
【0022】 更に、上記線が上記軌跡ガイドアラインメント平面と交差すると想定するのが
最も簡単ではあるが、実際に必要とされることは、上記軌跡ガイドアラインメン
ト平面の画像上で交差箇所の真の点が決定可能であり、かつ軌跡ガイドアライン
メント用ステムのその縦軸に対する断面で見たその軌跡ガイドアラインメント用
ステムの方向づけを上記2個の点をアラインメントさせるように調節することが
できるように、交差箇所の点が予言可能なことだけである。 (コンピュータ断層撮影を使用する方法の実施例) 上記実施例において記述された方法はMR撮像ガイダンス(MR imaging guidan
ce)の下で行われる外科処置に関しているが、この方法はCTスキャンガイダン
ス(CT scanning guidance)に対しても同様に適用することができる。このような
場合、必須ではないが、時間および効率の観点からはスパイラルCTスキャナ(s
piral CT scanner)を利用するのが好適である。多少なりとも患者の長軸に沿っ
てアプローチされるべき脳病巣の例においては、必須ではないが典型的には静脈
内沃化造影(intravenous iodinated contrast)媒体の注入に続いてベースライン
・スパイラルCTスキャン画像(baseline spiral CT scan)が得られる。スキャ
ナ制御装置上に表示された軸方向画像(axial image)からターゲットが選択され
、頭皮/頭蓋骨上で表面進入点が選択される。これが達成されたなら、スパイラ
ル(もしくは非スパイラル)データ・セットの多平面再合成が実施され、MRに対
して上述された方法が続いて行なわれる。このシナリオにおいて“軌跡ガイド位
置決め平面(trajectory guide localizing plane)”と以下で称される平面は、
患者の長軸に対して概略的に直交して方向づけされ、実際には、患者を全く通ら
ずに患者の頭部を越えた空中を通りながらも依然として軌跡ガイド・ステム18
を通ってスキャンするべきであることもある。一旦アラインメントされたなら、
必須ではないが、患者および軌跡ガイド・ステム18を通して反復的なスパイラ
ル(もしくは非スパイラル)データ・セットを得ることができ、確認のために実際
の軌跡の長さ方向に沿った(概略)直交する多平面再合成された画像を視認するこ
とができる。
【0023】 これに加えて上記方法は、患者に対して縦方向以外に方向づけされた軌跡に沿
ってアクセスされる病巣に対するCTに関しても等しく良好に機能し得る。しか
しながら、CTはMRIとは異なる方法であり、本明細書中で提案される方法は
(患者の長軸に対して直交する)真の軸方向平面内で使用されたときには最適でな
い。但し、典型的なスキャン方法を僅かに改変することにより、軸平面内で病巣
にアクセスするために使用されたときでもこの軌跡方法が成功するようにするこ
とができる。これを達成するための、3つの異なる方法を以下において述べる。
【0024】 第1に、軌跡アラインメント用ステム18は撮像の平面内で容易に操作する(m
aneuvered)ことができる。上記ターゲットおよびデバイスは両者ともにこの平面
内で確かに可視化することができ、針の全長が可視化されれば比較的正確なアプ
ローチが見込まれることを確認できる。 第2に、ターゲット12は、典型的には生体組織(tissue)のある体積にわたっ
てのスパイラル捕捉(spiral acquisition)として上記軸平面内でのスキャンによ
り選択することができ、従って、多平面再フォーマット(multiplanar reformatt
ing)が実施され得る。次に、元の真の軸平面から離れて幾分か傾斜して進入点が
選択可能であり、この時点において上記スキャン平面は角度付けすることができ
るが、このことは、全てのCTスキャナに共通するものであり、従って、画像平
面が計画の軌跡から離れたある適度な角度(例えばあくまで例として、真の軸平
面から約5〜15°)となるであろう。これに加えて上記スキャナはまた、軌跡
ガイドアラインメント平面を得るために、角度付けられたスキャン平面の逆方向
においても角度付けすることができる。更に、上記軌跡ガイドが所定位置に固定
されたなら、ターゲットを視認するように軌跡ガイドアラインメント平面が位置
決めされるように患者はガントリ(gantry)上で前後に移動させることができる。
故に、ターゲットへの前記の介挿具の到達は、上記ガイドを位置決めするために
使用されたのと同一の画像平面を使用して決定することができる。但しこのシチ
ュエーションにおいては、以下に記述される数学的計算は依然として効果があり
、かつ、上記軌跡と軌跡ガイドのアラインメント平面の交差箇所が予測可能であ
ることは明白であろう。
【0025】 最後に第3の方法によれば、(軸平面内において)ターゲットおよび進入点が一
旦選択されたなら、新たなスキャン平面の角度は軌跡線と軌跡アラインメント平
面が交差するようなものとなるように、ガントリは(ここでも、例えば単に例と
して、約5〜15°で)角度を付けることができる。 上記第1および第3の方法において、軌跡は患者に対して真に軸方向であり得
る。第2の方法においては、軌跡自体が傾斜軸方向のアプローチへと修正される
。これは実際、肝臓生体組織検査に対する典型的なシナリオであり、その場合に
肋骨は軸方向の軌跡に対する進入路の線内に在ることが多い。
【0026】 故に上述の如く本発明は実施例において、図3に示されたような下記の方法を
提供する(この方法において各ステップは必ずしも下記の順序である必要はない)
。 1. 身体内における関心領域が撮像され、ターゲットおよび進入路(approach)
の位置が決定される(40)。
【0027】 2. 身体上、身体内もしくは身体の近傍の所定位置に軌跡ガイドが置かれる。
軌跡ガイドは固定点の回りで回転するが、この固定点は身体の表面のすぐ近くで
も良く近くでなくても良いが、典型的には身体の表面もしくは外側にある(41)。 3. ターゲット点およびピボット点の各座標、ならびに、撮像平面(imaging p
lane)の方向づけ(orientation)が決定される(42)。
【0028】 4. 軌跡ガイドアラインメント用ステムは、このガイドの方向にほぼ垂直な方
向づけを有する平面内において、または、アラインメント用ステムが所望の進入
路の線とアラインメントされたときにその平面が少なくともそのアラインメント
用ステムと交差するように、撮像される。これは以下において“軌跡ガイドアラ
インメント平面”と称される(43)。
【0029】 5. 上記2つの点によって定義された線と上記軌跡ガイドアラインメント平面
との交点が決定される(44)。 6. 上記交点は、軌跡ガイド画像上における面内ターゲット点として表示され
る(45)。 7. 実質的に上記ガイド・ステムの軸を見“下ろす”(looking “down”)視
界から視認される上記ガイド・ステムの画像が、必須では無いが好適に“リアル
タイム”で上記軌跡ガイド画像上の上記面内ターゲット点と(本質的にはアライ
ンメントされるまで上記ステムを“x”および“y”方向で移動させることにより
)アラインメントされる(46)。
【0030】 尚、上記軌跡ガイドアラインメント平面は上記ターゲットとピボット点とに交
差する線に対して厳密に直交することは不要であることに注意すべきである。む
しろ、上記ガイドのステムが上記平面と交差するように、上記線が上記軌跡ガイ
ドアラインメント平面内に完全には包含されないことのみが必要である。 (撮像ソフトウェア/装置の実施例) 本発明の一実施例に依れば、撮像装置上で作動して上記方法を可能とする撮像
ソフトウェアが提供される。図4のブロック図に示されるように、撮像システム
50は、撮像装置52と、ソフトウェア56を含むコンピュータ処理ユニット5
4と、ディスプレイ58とを含む。撮像装置52は、X線撮像、磁気共鳴撮像(
MRI)ユニット、または、超音波撮像ユニットであってもよい。装置52は画
像データをコンピュータ処理ユニット54に供給し、このユニット54はソフト
ウェア56の制御の下でその画像データを処理し、ディスプレイ58に表示され
る画像、または、(図示なし)画像印刷システムに対する出力を生成する。
【0031】 本発明のこの実施例によれば、ソフトウェア56は、本発明の方法の適用によ
ってオペレータをガイドするためのユーザ・インタフェースおよび支援コンピュ
ータ処理命令(supporting computer processing instruction)を提供する一個以
上のソフトウェア・コンポーネント(software component)60を含む。このユー
ザ・インタフェースおよび支援処理命令は好適には最小限でもオペレータ用ツー
ルを含むが、このオペレータ用ツールは、ターゲットとガイドのピボット点との
座標を特定する(identify)と共に、これらの点を通過する線と、この線と上記軌
跡ガイドアラインメント平面との交点とを決定して、上記画像平面上における上
記アラインメント点(atignment point)をディスプレイ上で確定してマークする
ためのものである。一実施例においてこれらのツールは、線30を計算するため
の座標を確立するために、マウスなどのポインティング装置を使用してターゲッ
トおよびピボット点にカーソル・マークを貼り付けまたは“ドロップ”する機能
を含み、これは一旦カーソル・マークが確立されたならば自動的に行われ得るも
のである。所望であれば、これらのカーソル・マークは“ドラッグおよびドロッ
プ”されることによりディスプレイの種々の箇所に移動させることができる。コ
ンポーネント60はまた好適には、オペレータが上記軌跡ガイドアラインメント
平面の位置を指定するのを助力するためのツールも含み、かつ、一旦アラインメ
ント点が特定されたならば、マークされたアラインメント点を用いて上記ガイド
・ステムのアラインメントを行なうことができるようにする画像平面のビュー(v
iew)を直ちに選択できるようにする。更にオペレータは、上記ターゲットおよび
ピボット点をマークしたなら、ステム18が軌跡ガイドアラインメント平面の画
像に関してアラインメントされ得るように図1B、図2Aおよび図2Bの画像に
示されたような画像と同時に、ステム18が抜き取られ、かつ介挿具が所望位置
に挿入されることを更に可能にする、(交互に更新され得る)図2Aおよび図2B
の確認画像を、スキャナ・ディスプレイ上の幾つかの同時ウィンドウ(simultane
ous windows)上に自動的に表示するためのコンポーネント60を呼び出す(invok
e)ことができることが企図されている。
【0032】 本発明の他の態様に依れば、図4の点線の形で示されたように、上記ガイド・
ステムの位置決めが処理ユニット54および電気/機械リンク制御器(electrica
l to mechanical linkage control)62の制御の下で自動的に達成されるという
実施例が提供される。この実施例においては、ソフトウェア・コンポーネント6
0は、マーカ19の位置を所望のアラインメント点と比較することにより、ステ
ム18がそのアラインメント点の(x、y、z)座標とアラインメントするまでこの
ステム18を移動することを、ユニット54との適切なインタフェースを介して
上記の電気から機械へのリンクに指示するコンピュータ命令を含む。機械的リン
ク(mechanical linkage)64は、上記で更に十分に特定された米国特許出願第09
/078,913号で開示されたような撮像環境と互換性のある任意の設計のもので良い
【0033】 今、図6および図7を参照すると、ガイド・ステムのアラインメントを容易に
する本発明の付加的な代替実施例が示されている。一実施例によれば、処理ユニ
ット54はオーディオ信号を出力し、このオーディオ信号は上記ステムがアライ
ンメントに近づきつつあるか遠ざかっているかを表し、または少なくとも上記ス
テムが適切にアラインメントされたときの表示を出力する。この表示は例えば可
変周波数の発信音(beep)で、この周波数範囲の一端は最も離れた位置を示し、そ
の他端はアラインメント状態を示しても良い。上記ステムのアラインメントの決
定は、ユニット54を使用した画像分析により達成され得る。代替的に図7に示
されるように上記ステムはマイクロコイル72を含むことができ、このマイクロ
コイル72は信号源74から信号を受信し、または、受動型で既知周波数で共振
するように構成され得る。処理ユニット54は今度は、コイル72により発生さ
れた信号を検出し、上記ステムの空間座標を決定するように構成することができ
る。図6はまた、空間内でステム18がアラインメントされるべき点を示すユニ
ット54からの出力を受信するレーザ光制御ユニット80も示している。ユニッ
ト80は一対のレーザ82、84を制御し、これらのレーザ82、84はステム
18をアラインメントすることが望まれる空間内の点(例えば34)でビーム83
および85が交差するようにするために機械的リンクまたは別の方法によって行
なうことができる。そのときにステム18は、画像表示を参照すること無くビー
ムの交点に容易にアラインメントされ得る。その場合、このアラインメントは撮
像装置により生成された画像に関して検証され得るのは勿論である。別実施例に
おいてはレーザ光の代わりに、空間内の1点に焦点を合わされる赤外線、他の周
波数の光、または他のエネルギ源などの他の光源を使用することもできよう。
【0034】 本発明によれば更に、コンポーネント60は撮像システム50内に組み込むか
、あるいは、磁気媒体などの搬送媒体内にまたは電気的もしくは光学的媒体上を
搬送されるデジタル・データに分散してコード化されてもよい。 (計算の理論的根拠) 以下に示されるのは、空間内の2個の点を通る線あるいは軌跡を図式的に求め
るための本発明で使用され得る技術の一実施例である。この例では、ターゲット
点およびピボット点が夫々、
【0035】
【数1】
【0036】 と表されるものと仮定する。本発明の目的の為に、これらの2点の座標は上記撮
像システムを使用して測定される。所望の軌跡はこれらの2点(TおよびP)を結
ぶ線により定義され、そして、数学的には
【0037】
【数2】
【0038】 として定義され、式中、rは上記線に沿った任意の点のベクトルであり、また、
【0039】
【数3】
【0040】 であり、ここで、rTPはターゲット点Tからピボット点Pへのベクトルを表し、
かつ、kは上記線に沿ったターゲット点“T”からの距離を表す(measure)パラ
メータである。 デカルト座標(Cartesian coordinates)のフレームにおいて、平面は一般に
【0041】
【数4】
【0042】 として定義され、式中、α、β、γは上記平面の法線(normal)に対する3個のパ
ラメータであり、次の関係を満足する。
【0043】
【数5】
【0044】 代替的に、点(r0)を通る平面は
【0045】
【数6】
【0046】 として定義することができ、式中、rは上記平面上の任意の点のベクトルを示し
、また、
【0047】
【数7】
【0048】 は(I=1,2)、上記平面に平行な2つの単位ベクトル(unitary vector)であり、m 1 およびm2は2個の実数である。上記2個の単位ベクトルは、便宜的に相互に直
交するように選択され得る。もしそれらが直交すれば、上記2個の単位ベクトル
の内積は以下に示される如くゼロである。
【0049】
【数8】
【0050】 また、上記平面の法線ベクトル(normal vector)は以下に示される外積(cross pr
oduct)により与えられる。
【0051】
【数9】
【0052】 一般的に、上記平面上の点は以下の如く表すことができる。
【0053】
【数10】
【0054】 上記の式は、上記平面上の各点が一対の数(m1およびm2)に対して一義的に(u
niquely)対応するということを意味する。 上記の線と上記平面との間の切片点(intercept point)は次のベクトル方程式
の解で与えられる:
【0055】
【数11】
【0056】 このベクトル方程式を数値的に解くと、上記切片(interception)の点に対して
対応するm1およびm2ならびにパラメータkが常に求められる。この絶対的切片
点(absolute interception point)は、限られた視野(limited field of view; F
OV)および解像度を有するスキャンされた画像上の点へと変換され得ると共に、
図式的に表示され得る。上記の基準ガイドの画像が上記画像上の平面内ターゲッ
ト点(in-plane target point)と一致するように調節されたとき、上記基準ガイ
ドは、上記2個の点(ターゲット点およびピボット点)により定義された方向と確
実に同一方向となる。
【0057】 このようにして、上記においては、断面撮像システム(cross sectional imagi
ng system)を使用して身体内に介挿具の位置決めをする方法および装置が記述さ
れた。また、本発明は一実施例において人の脳内の生体組織検査を行う方法とし
て記述されたが、本発明は生体組織検査を行なうことでの使用または人体に関す
る使用に限定されない。また、本発明は上記においてMRIスキャナに関して記
述されたが、本発明はCTスキャナ、PETスキャナまたは超音波スキャナなど
の任意の断面撮像/スキャン・システムに対して適用可能である。本発明は、上
記ガイドを適切にアラインメントするための迅速で正確な手法を提供するもので
、それにより、スキャン機器の使用効率を改善すると共に処置を迅速化しかつ患
者にとって苦痛な時間を短縮する。本発明は好適な形において記述されたが、添
付の特許請求の範囲で規定された発明の範囲から逸脱することなしに多くの修正
および変更がなされ得ることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図1A】 本発明の一実施例の方法を示すMRI画像を示す図(その1)である。
【図1B】 図1Aの線1B−1Bに沿った画像を示す図である。
【図1C】 本発明の一実施例の方法を示すMRI画像を示す図(その2)である。
【図2A】 アラインメント後の画像の概観(その1)を示す図である。
【図2B】 アラインメント後の画像の概観(その2)を示す図である。
【図3】 本発明の一実施例の方法のフローチャートを示す図である。
【図4】 本発明の実施例に係る医療用撮像システムおよびソフトウェア構成要素を示す
図である。
【図5】 一実施例の軌跡ガイドを示す図である。
【図6】 本発明の代替実施例(その1)を示す図である。
【図7】 本発明の代替実施例(その2)を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZW ),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU, TJ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ, BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,C R,CU,CZ,DE,DK,DM,EE,ES,FI ,GB,GD,GE,GH,GM,HR,HU,ID, IL,IN,IS,JP,KE,KG,KP,KR,K Z,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MA ,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ, PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,S K,SL,TJ,TM,TR,TT,TZ,UA,UG ,US,UZ,VN,YU,ZA,ZW (72)発明者 リウ,ハイイン アメリカ合衆国,ミネソタ 55414,ミネ アポリス,トゥウェンティナインス アベ ニュ サウスイースト 1021,スイート エー Fターム(参考) 4C093 AA21 FB05 4C096 AA18 AB41 AB50 AD03 AD15 AD23 DA03 DB09 DC18 DC23 DC27 DC35 FC17 FC20 4C301 CC02 EE11 EE12 FF17 FF21 KK27 【要約の続き】 撮像システムを使用して上記ガイドの上記軸を上記第3 の点(34)とアラインメントし得る画像をオペレータが得 るのを助力するように作用するコンピュータ・ソフトウ ェアを更に含み得る。更に、担体内にコード化されたコ ンピュータ・プログラムを備えた製品であって、上記プ ログラムは医療用撮像システムの処理ユニット上におい て、ターゲット点(12)とガイド(17)のピボット点との空 間座標を当該医療用撮像システムのオペレータが位置決 定することができるようにし、かつ、上記ターゲット(1 2)および上記ピボット点を通って延在する線(30)に沿っ て、またはこの線(30)のすぐ近くに存在する第3の点(3 4)を上記身体の外側に自動的に決定するように動作する コンピュータ・ソフトウェアを備えた製品も開示され る。

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 身体内での介挿具のための、ピボット点の回りで回転するガ
    イドを位置決めする方法であって、ターゲットおよび前記ピボット点の空間座標
    の位置を決定することと、該ターゲットおよび該ピボット点を通って延在する線
    に沿って、または該線のすぐ近くに存在する第3の点を前記身体の外側に決定す
    ることと、該第3の点を含むかもしくは実質的に含むアラインメント平面内で撮
    られた画像内において、前記ガイドの軸を前記第3の点にアラインメントさせる
    こと、とを含み、ここで、前記線は前記アラインメント平面内には存在しない、
    ガイドの位置決め方法。
  2. 【請求項2】 前記アラインメント平面は前記ガイドの前記軸に対して直交
    もしくは実質的に直交する、請求項1に記載のガイドの位置決め方法。
  3. 【請求項3】 前記アラインメント平面と前記線との間の角度は少なくとも
    、前記ガイドの前記軸のすぐ近くに配置されたMR可視要素を該アラインメント
    平面内で撮られた画像内で視認することができ、かつ、該アラインメント平面の
    該画像内で前記軸を前記第3の点とアラインメントさせるために前記MR可視要
    素が使用されるようにするに十分なほど大きい、請求項1に記載のガイドの位置
    決め方法。
  4. 【請求項4】 前記第3の点は前記画像上でマークされ、かつ、前記ガイド
    の前記軸は該ガイドのアラインメント用ステムの少なくとも一部を撮像すること
    により位置決定される、請求項3に記載のガイドの位置決め方法。
  5. 【請求項5】 処理ユニットと、 該処理ユニット内で動作するコンピュータ・ソフトウェアであって、ターゲッ
    ト点と、身体内に位置決定されるべき介挿具のためのガイドのピボット点との空
    間座標を医療用撮像システムのオペレータが位置決定することができるようにし
    、かつ、前記ターゲットおよび前記ピボット点を通って延在する線に沿って存在
    するかまたは該線のすぐ近くに存在する第3の点を前記身体の外側に自動的に決
    定するコンピュータ・ソフトウェアと、を含み、ここで、前記第3の点は前記身
    体からのある距離に位置決定されることにより、該身体の外側の空間内で画像平
    面を得ることができるようにし、かつ、ここで、該画像平面は前記第3の点を含
    むかまたは実質的に含む、医療用撮像システム。
  6. 【請求項6】 前記コンピュータ・ソフトウェアは更に、前記処理ユニット
    上にて、前記第3の点が存在するかまたは実質的に存在するガイドアラインメン
    ト平面であって該ガイドのアラインメント軸と交差するガイドアラインメント平
    面上で撮られた画像を表示するように動作し、かつ、更に、前記第3の点の位置
    を示す前記画像上にマークを表示するように動作することにより、該画像の前記
    平面内において前記ガイドの前記アラインメント軸が前記第3の点とアラインメ
    ントされ得るようにする、請求項5に記載の医療用撮像システム。
  7. 【請求項7】 前記コンピュータ・ソフトウェアは更に、前記処理ユニット
    上において、前記ガイドの前記軸が前記第3の点とアラインメントされ得る画像
    をオペレータが得るのを助力するように動作する、請求項6に記載の医療用撮像
    システム。
  8. 【請求項8】 前記コンピュータ・ソフトウェアは更に、前記処理ユニット
    上において、ポインティング装置を使用して前記ターゲットおよび前記ピボット
    点がマークされ得るようにし、かつ、該ターゲット点および該ピボット点を通っ
    て延在する前記線を自動的に計算し、かつ、更に、前記ガイドアラインメント平
    面に沿って撮られた前記画像を決定して表示するように動作する請求項7に記載
    の医療用撮像システム。
  9. 【請求項9】 担体内にコード化されたコンピュータ・プログラムを含む製
    品であって、該プログラムは医療用撮像システムの処理ユニット上において、タ
    ーゲット点と、身体内に位置決定されるべき介挿具のピボット点との空間座標を
    該医療用撮像システムのオペレータが位置決定できるようにし、かつ、前記ター
    ゲットおよび前記ピボット点を通って延在する線に沿って存在するかまたは該線
    のすぐ近くに存在する第3の点を前記身体の外側に自動的に決定するように動作
    し、ここで、該第3の点は該身体からある距離に位置決定されて、該身体の外側
    の空間内で画像平面が得られ得るようにし、かつ、該画像平面は前記第3の点を
    含むかまたは実質的に含む、製品。
  10. 【請求項10】 前記処理ユニット上において動作するコンピュータ・プロ
    グラムであって、撮像システムを使用して前記ガイドの前記軸が前記第3の点と
    アラインメントされ得る画像をオペレータが得るのを助力するように動作するコ
    ンピュータ・プログラムを更に含む、請求項9に記載の製品。
  11. 【請求項11】 身体内での介挿具のための、ピボット点の回りで回転する
    ガイドを位置決めする方法であって、ターゲットおよび前記ピボット点の空間座
    標を位置決定することと、該ターゲットおよび該ピボット点を通って延在する線
    に沿って存在するかまたは該線のすぐ近くに存在する第3の点を前記身体の外側
    に決定することと、 アラインメント平面内における画像を得ることによって、前記ガイドの軸を前
    記第3の点とアラインメントすること、とを含み、該第3の点は該平面内に在り
    かつ該軸は該平面と交差することにより該軸の交点と該第3の点とが前記画像内
    で互にアラインメントされ得るようにする、ガイドの位置決め方法。
  12. 【請求項12】 前記介挿具は生検針もしくは薬剤投与プローブである、請
    求項11に記載のガイドの位置決め方法。
  13. 【請求項13】 前記ターゲットおよび前記ピボット点を通って延在する前
    記線は患者の長軸に対して実質的に平行である、請求項11に記載のガイドの位
    置決め方法。
  14. 【請求項14】 前記ターゲットおよび前記ピボット点を通って延在する前
    記線は患者の長軸に対して実質的に直交する、請求項11に記載のガイドの位置
    決め方法。
  15. 【請求項15】 前記画像は、コンピュータ断層撮影(CT)スキャナ、磁
    気共鳴撮像(MRI)装置または超音波撮像装置を使用して決定される、請求項
    11に記載のガイドの位置決め方法。
  16. 【請求項16】 身体内での介挿具のための、ピボット点の回りで回転する
    ガイドを位置決めする方法であって、 ターゲットおよび該ピボット点の空間座標を位置決定することと、 該ターゲットおよび該ピボット点を通って延在する線に沿って存在するかまた
    は該線のすぐ近くに存在する少なくとも第3の点および第4の点を前記身体の外
    側に決定することと、少なくとも該第3の点を含むかもしくは実質的に含むアラ
    インメント平面内で撮られた画像内において前記ガイドの軸を、前記少なくとも
    第3の点に対して先ずアラインメントさせ、ここで、前記線は前記アラインメン
    ト平面内にはないものであり、次に、前記ターゲットおよびピボット点を通って
    延在する線に沿って存在するかまたは該線のすぐ近くに存在する前記身体の外側
    の前記第4の点に対してアラインメントさせることと、前記ターゲット点、前記
    ピボット点および前記少なくとも第3の点および第4の点を結ぶ前記線に沿って
    更に正確な軌跡が達成され得るように前記ピボット点における僅かな不正確さを
    補正し得るような仕方にて、前記ガイドの軸を前記第3の点および第4の点なら
    びに前記ターゲット点とアラインメントさせることと、を含む、ガイドの位置決
    め方法。
  17. 【請求項17】 身体内での介挿具に対するガイドを位置決めする方法であ
    って、撮像装置を使用することにより該身体の外側の位置を決定することと、該
    位置を使用して前記介挿具をアラインメントすることと、を含む、ガイドの位置
    決め方法。
  18. 【請求項18】 前記介挿具はオーディオ信号もしくは可視信号の助けによ
    り前記位置とアラインメントされる、請求項17に記載のガイドの位置決め方法
  19. 【請求項19】 前記オーディオ信号の可聴特性は前記介挿具の位置決めを
    助力するように変化する、請求項18に記載のガイドの位置決め方法。
  20. 【請求項20】 前記可視信号はレーザ光により提供される、請求項18に
    記載のガイドの位置決め方法。
  21. 【請求項21】 身体内での介挿具のためのガイドを位置決めする装置であ
    って、該介挿具のアラインメントを提供する位置を該身体の外側に決定するよう
    に適合された撮像装置を含む、位置決め装置。
  22. 【請求項22】 前記介挿具はオーディオ信号もしくは可視信号の助けによ
    り前記位置とアラインメントされる、請求項21に記載の方法。
  23. 【請求項23】 前記オーディオ信号の可聴特性は前記介挿具の位置決めを
    助力するように変化する、請求項22に記載の方法。
  24. 【請求項24】 前記可視信号はレーザ光により提供される、請求項23に
    記載の方法。
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