JP2002541949A - ヒト又は動物の器官の表面における３ｄ座標の経皮的獲得用の装置 - Google Patents

ヒト又は動物の器官の表面における３ｄ座標の経皮的獲得用の装置

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Abstract

(57)【要約】 Ａ）長さ方向の軸１１及びマーカー１２として使用される少なくとも三つのエネルギー放出又は受容手段７を備えた超音波装置３；Ｂ）空間の三次元基準座標系２を基準としてエネルギー放出又は受容手段７の位置を測定するための位置測定装置４；及びＣ）超音波装置３及び位置測定装置４に接続された少なくとも一つのコンピュータ５を含む、ヒト又は動物の器官の表面上かつ三次元座標系２内の位置の座標の経皮的獲得用の装置、それによりＤ）超音波装置３が超音波ビームを集中するための集中手段２５を更に含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は請求の範囲第１項の前文に特定されたヒト又は動物の器官の表面上か
つ三次元座標系内の位置の座標の経皮的獲得用の装置及び請求の範囲第２１項の
前文に特定されたヒト又は動物の器官の表面上かつ三次元座標系内の位置の座標
の経皮的獲得方法に関する。
【０００２】 （背景技術） 医療イメージングは修正、修復又は交換を必要とする筋骨格構造の状態を見る
ために整形法で広範に使用されている。面Ｘ線、Ｘ線計算機断層撮影（ＣＴ）及
び磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）は外科的介入を診断し、計画するのに手術前
に使用される画像方法である。外科手術室へのこのデータの移送が依然として主
として直観的である。コンピュータ補助手術（ＣＡＳ）、像案内手術及び医療ロ
ボットが手術前又は手術間に獲得された像を使用する医療イメージングと外科医
に患者に対する外科装置の配向を実時間で見ることを可能にする外科的行動の間
の定量的リンクを与える。これは外科医に通常隠れた解剖学的構造に関する道具
移動を正確に操り、計画する手段を与える。
【０００３】 コンピュータ補助手術（ＣＡＳ）における主要な問題は患者の手術間の位置と
医療画像のデータの間の関係を確立することである。オンサイト座標系内の座標
から画像座標への変換を計算するプロセスが“記録”又は“マッチング”と称さ
れる。
【０００４】 コンピュータ補助手術（ＣＡＳ）の新分野では、軽量“動的基準ベース”が外
科医に有益な画像発生データを失わないで複雑な操作に応じて患者を自由に操作
することを可能にする。記録又はマッチングは医療画像基準フレーム中及び位置
測定装置からのスペース中のオンサイト三次元座標系中の位置の座標を得ること
を意味する。しかしながら、現在、この記録プロセスは観血的であり、外科医が
骨中に移植された基準マーカー又は位置決め装置でデジタル化されている骨表面
上の特定の前もって決められた目標〔Ｎｏｌｔｅ〕に直接接近することを必要と
する。最近の開発は外科医が位置決め装置で骨の幾つかの位置を得ることを可能
にし、この“位置の集団”が最適化アルゴリズム〔Ｇｏｎｇ〕〔Ｂａｃｈｌｅｒ
〕により骨表面の医療画像（例えば、計算機断層撮影ＣＴ）に数学的にフィット
し得る。このプロセスが“表面マッチング”と称される。
【０００５】 “表面マッチング”はＣＡＳシステムの融通性を大いに改良したが、それは大
切開又は皮膚に孔をあけ、骨の表面に触れる経皮ニードルを必要とする。整形手
術は軟組織の下に深く隠れた骨への相互作用をしばしば伴うので、開放操作は重
大な感染のリスク及び長い回復時間の両方を意味し得る。最小の観血的記録に実
用的な方法が開発されたならば、ＣＡＳ技術の有用性を大いに拡大するのに明ら
かな潜在性がある。
【０００６】 ＣＩＮＱＵＩＮの米国特許第５，４４７，１５４号明細書により、器官の位置
を測定する方法が知られている。この既知の発明は外科の分野に関するものであ
り、更に特別には治療又は診断の道具を三次元画像の関数として位置決めするた
めの方法及び装置に関するものであり、これらの画像は患者の器官のＸ線計算機
断層撮影（ＣＴ）スキャナー又は磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）で記録された
手術前の画像であってもよい。この目的のために、この既知の発明は手術中に関
係する器官の三次元表面位置のまばらなセットを与える装置の使用を提供する。
次いで、これらの表面位置が器官の表面形態に関する更に詳しい情報を含む三次
元関数画像で記録（マッチング）される。器官の三次元表面位置のまばらなセッ
トを手術の間に得るために、その発明はエコー検査プローブの使用を提供する。
器官表面は超音波プローブにより与えられた再構築された二次元“画像スライス
”を分析することにより得られる。超音波プローブ及び器官の両方が患者に関し
て３Ｄ空間における同定された表面位置の計算を可能にする三次元位置トラッキ
ング装置を取り付けられる。
【０００７】 ＥＭＭＥＮＥＧＧＥＲらのＷＯ９８／０８１１２により、超音波画像の記録装
置が知られている。これらの超音波画像の位置は超音波ヘッドの位置及び配向を
測定することによりスペース中の任意の空間三次元座標系に関して特異に特定さ
れる。この既知の装置は手により自由に移動し得る超音波ヘッド、超音波記録装
置及び超音波ヘッドの位置を測定するための三次元位置測定システムを含む。超
音波ヘッドの位置のこの測定は超音波ヘッドに固定されたマーカーにより与えら
れた少なくとも三つの位置の長さの測定により行なわれる。長さの測定は超音波
ヘッドに取り付けられたマーカーと位置測定システムの一部であるセンサーの間
の電磁エネルギーの互換により、また電磁波の干渉現象の利用により、かつ／又
は運転期間の測定により実現される。この既知の装置の一つの好ましい実施態様
において、超音波ヘッドの位置の測定は外注の位置測定システムＯＰＴＯＴＲＡ
Ｋ(Northern Digital, Waterloo, On.)により行なわれる。
【０００８】 これらの既知の方法及び既知の装置の欠点は器官の表面の位置を手術の間に同
定するための再構築された超音波画像の使用である。ノイズのある超音波発生画
像からの器官の表面の同定は困難である。正確な解剖学的構造輪郭に関する多く
の情報が画像再構築及びビデオシグナルへの変換並びにこのシグナルのデジタル
化中に失われる。超音波システムは一般に軟組織を画像形成してそれらを音響イ
ンピーダンスの小さい変化に感受性にするように設計される。これはかなりの量
の“ノイズ”を構築された画像中に生じ、骨の表面を不明瞭にする。これらのシ
ステムのビデオアウトプットを使用すると、シグナルを更に劣化する。次いで画
像が手動でセグメント化される（即ち、骨の表面を見つける）必要があり、これ
がオペレーターインプットを必要とする。画像が一旦セグメント化されると、表
面位置が手術前に獲得されたＣＴ画像の座標系に自動的にフィットし得る。
【０００９】 （発明の開示） 本発明の目的は集中された一次元超音波ビームにより行なわれた反射超音波シ
グナルの直接のシグナル分析によりオンサイト座標系内のヒト又は動物の器官の
表面の位置の同定を可能にする装置を提供することである。
【００１０】 本発明は請求の範囲第１項の特徴を与えるヒト又は動物の器官の表面上かつ三
次元座標系内の位置の座標の経皮的獲得用の装置及び請求の範囲第２１項の特徴
を与えるヒト又は動物の器官の表面上かつ三次元座標系内の位置の座標の経皮的
獲得方法により上記問題を解決する。
【００１１】 その装置は“対位置”マッチング〔Ｎｏｌｔｅ〕又は医療画像を物体に表面マ
ッチングするのに使用される器官表面の“位置の集団”〔Ｇｏｎｇ〕〔Ｂａｃｈ
ｌｅｒ〕に使用される特定の解剖学的目標（例えば、きょく突起、左右の上関節
突起）を得るための簡単な位置決め装置と同様の様式で使用される。
【００１２】 本発明の装置は下記の利点を与える。 ａ）集中された一次元超音波ビームにより行なわれた反射超音波シグナルの生の
シグナル分析が解剖学的表面位置に関する更に正確な情報を与え； ｂ）生のシグナル分析が実時間で行なわれ； ｃ）所望の深さにおける、狭いビーム幅が“分散された”シグナルの検出を最小
にし；かつ ｄ）シグナル分析が０．５ｍｍの軸方向の正確さで解剖学的骨輪郭位置を与え、
かつ１ｍｍ以下の正確さで３Ｄ座標系中の表面位置の配置を与える。
【００１３】 骨の表面上かつ三次元座標系内の位置の座標の経皮的獲得用の装置は、 Ａ）超音波ビームを軸に沿って送る超音波装置及び少なくとも三つの非共線形
に配置されたマーカー； Ｂ）三次元基準座標系（これはオンサイト座標系であってもよい）を基準とし
てマーカーの位置を測定するための位置測定装置；及び Ｃ）超音波装置及び位置測定装置に接続されたコンピュータ（超音波装置及び
位置測定装置から受けたデータから座標を評価するためのソフトウェアを備えて
いる） を含み；それにより Ｄ）超音波装置が超音波ビームを集中するための集中手段を含む。
【００１４】 （発明を実施するための最良の形態） 前記マーカーは使用される位置測定装置に応じてエネルギー放出、受容又は反
射手段である。例えば、エネルギー放出手段として、 −光源； −光放出ダイオード（ＬＥＤ）； −赤外線放出ダイオード（ＩＲＥＤ）； −音響トランスミッター；もしくは −磁界を確立するためのコイル；又は エネルギー受容手段として、 −フォトダイオード； −マイクロフォン；もしくは −ホール効果コンポーネント が設置されてもよい。
【００１５】 更に、前記超音波装置は 超音波によりエネルギーを交互に放出し、受容するトランスジューサー； コンピュータにより制御され、かつこのトランスジューサーを電気的に刺激す
るとともにトランスジューサーから受けた超音波シグナルのエコーを受け取り、
増幅する機能を有する組み合わせパルサー／レシーバユニット；及び この組み合わせパルサー／レシーバユニットから受けた増幅されたアナログシ
グナルをデジタルシグナルに変換するコンバーター手段 を含む。
【００１６】 前記超音波装置は軸に沿って超音波によりエネルギーを放出し、受容する。一
次元超音波の受容はシグナル処理を殆ど必要とせず、それ故、装置の速度を大い
に増大する。超音波装置の二三の必要とされるコンポーネントが既存のコンピュ
ータ補助手術システム（ＣＡＳ）へのその装置の組み込みを促進する。
【００１７】 器官、特に骨の表面の位置（その位置は三次元座標系内の座標にあることが所
望される）は骨の表面との超音波装置の超音波ビーム軸の交点の位置により特定
される。超音波プローブの座標系内の位置の配置が超音波プローブ及びコンピュ
ータによる受けたシグナルの評価並びに位置測定装置により測定されるマーカー
の位置により測定される。オンサイト座標系内の座標への超音波プローブの座標
系内の位置の座標の変換は、コンピュータによる座標変換により行なわれる。
【００１８】 本発明の装置の更に別の実施態様において、コンピュータが実時間のデータ処
理を得るために、高速アナログ−デジタルコンバーターボード（ＡＤＣ）、高速
プロセッサー及び注文のシグナル分析ソフトウェアを備えている。
【００１９】 前記トランスジューサーは放出された超音波の侵入の所望の深さで超音波ビー
ムの所望の軸方向の解像度を可能にする特定の周波数ｆを備えていることが好ま
しい。軸方向の解像度は、二つの異なるエコーが軸方向で互いに区別し得る最小
距離である。それは超音波ビームの波長ｌに依存し、それにより波長ｌは ｌ＝ｃ／ｆ （式中、ｃは音波の平均速度である） により周波数ｆに依存する。
【００２０】 １ＭＨｚ〜１５ＭＨｚの範囲内、好ましくは４ＭＨｚ〜６ＭＨｚの範囲内のト
ランスジューサーの周波数ｆを使用することにより、骨表面上の位置を得るのに
好適な結果が得られる。
【００２１】 高周波数ｆは良好な解像度を与えるが、組織中で低周波数ｆよりも速く減衰さ
れる。結果として、組織に侵入する平均周波数は、それが組織中に更に深く移動
するにつれて更に低くなる。こうして、所定の深さまで侵入する最高周波数が最
良の軸方向の解像度を得るために選ばれる。 横解像度はシグナルの深さにつれて変化するが、−９ｄＢポイントで１ｍｍ未
満である。
【００２２】 超音波ビームは Ｎ＝Ｄ2＊ｆ／４ｃ （式中、Ｄはトランスジューサーの直径であり、かつＮは近視野の長さである）
により示される近視野領域内に集中し得る。 高周波数かつ大直径トランスジューサーでは、ビームが更にタイトに集中され
、良好な横解像度を生じ得る。
【００２３】 本発明の装置の更に好ましい実施態様において、トランスジューサーは１２．
７ｍｍの直径を有する。この直径は用途に依存する。より小さい直径は浅い深さ
に適している。
【００２４】 更に、本超音波装置は超音波ビームがシグナル品質及び正確さを増大するため
に更に集中し得るようなレンズを備えていてもよい。レンズ又はレンズの組は１
〜８０ｍｍの範囲にわたって１ｍｍ未満の横解像度まで集中することを可能にす
る。好ましい実施態様において、これらのレンズは−９ｄＢで１ｍｍの横解像度
で超音波ビーム５−３０ｍｍ及び２５−７５ｍｍを集中する、二つの脱着可能な
平らな表面アキシコン（ａｘｉｃｏｎ）レンズからなる。これらのレンズはスク
リューキャップで超音波装置に一度に取り付けられ、皮膚との最適の界面を有す
るように、即ち、最大エネルギーを組織に移すことを可能にするように設計され
る。 本発明の装置の別の実施態様において、１０ＭＨｚ超音波装置が１ｍｍ〜１０
ｍｍの集中を可能にする“遅延線”を備えている。
【００２５】 前記トランスジューサーは電気的に駆動され、エコーにより生じた電気シグナ
ルがパルサー／レシーバ（これはコンピュータにより制御され、注文のＤＰＲ３
５−Ｓ（ソニックス社、スプリングフィールド、Ｖａであってもよい）により受
け取られる。このパルサー／レシーバユニットは８０μＪ〜１２０μＪ、好まし
くは９５μＪ〜１０５μＪのエネルギー放出でパルスを開始することができ、約
５０ｄＢの最大ゲインを有する。このパルサー／レシーバはトランスジューサー
を励起するために２００Ｖ−４００Ｖの電圧で高電圧パルスを送る。これはトラ
ンスジューサーの共鳴周波数より小さい幅を有するシャープなパルスである。レ
シーバはトランスジューサーから受けたシグナルを増幅し、フィルターする。
【００２６】 コンバーター装置として、注文の高速アナログ−デジタル変換ボード（ＡＤＣ
）、例えば、ＳＴＲ＊８６４（ソニックス社、スプリングフィールド、Ｖａ）が
組み合わせパルサー／レシーバユニットから受けた増幅アナログシグナルをデジ
タルシグナルに変換するために使用されてもよい。
【００２７】 このパルサー／レシーバ及びＡＤＣボードを制御するために、外注ＬａｂＶＩ
ＥＷプログラムが使用される。このＬａｂＶｉｅｗプログラムは更に受けた超音
波シグナル並びにゲインとしての装置パラメーター、パルス出力及び器官検出及
び距離評価を改良するためのダンピングの変化の表示を可能にする。
【００２８】 コンピュータとして、ＭＭＸを含むペンチアム１６６を使用するＰＣが使用さ
れてもよい。超音波装置及び位置測定装置から受けたシグナルを含むこのような
必要とされるシグナル処理が実時間で行なわれてもよい。
【００２９】 注文の位置測定システム、例えば、ＯＰＴＯＴＲＡＫ ３０２０システム（ノ
ーザン・デジタル、ウォーターロー、Ｏｎ）が使用されてもよい。このＯＰＴＯ
ＴＲＡＫ ３０２０システムは以下のものを含むことが好ましい。 −三つのレンズセルと対にされ、安定化バーに取り付けられた三つの一次元電荷
結合素子（ＣＣＤ）からなるＯＰＴＯＴＲＡＫ ３０２０位置センサー。三つの
レンズセルの夫々中で、赤外マーカーからの光がＣＣＤに誘導され、測定される
。全ての三つの測定が一緒になってマーカーの３Ｄ位置を実時間で測定する。 −システム制御ユニット； −ＰＣインターフェースカード及びケーブル； −データ収集及びディスプレイソフトウェア；及び −ストローバー及びマーカーキット。
【００３０】 ワークステーション上で実行するＣＡＳアプリケーションを使用する場合、ク
ライアント−サーバー構成が使用されてもよい。ＰＣが超音波サーバーとして作
用し、リクエストがなされる時はいつでも骨までの距離に関するデータが位置測
定ソフトウェアを実行するワークステーションへのＵＤＰソケット接続によりク
ライアントアプリケーションに伝達される。
【００３１】 本発明の好ましい実施態様において、本装置は更に較正ユニットを含む。この
較正ユニットは超音波装置の直径を有する孔を有するプレキシガラスから構成さ
れることが好ましい。この較正ユニットは中央で孔あけされた孔を有する成形さ
れた立方体であってもよく、その結果、孔の下部から較正ユニットの下部までの
距離が２０ｍｍ〜３０ｍｍの範囲である。この超音波装置を較正するために、そ
れが較正ユニット中に挿入され、エコーが較正ユニットの下部と空気の界面から
受けられる。これらのエコーは非常に大きく、検出しやすい。プレキシガラス中
の音の速度及び移動距離が知られているので、エコーが超音波装置ヘッドから較
正ユニットとの界面までのオフセットを計算するのに使用し得る。このオフセッ
トが全てのその後の距離計算に使用される。
【００３２】 本発明の装置を使用するヒト又は動物の器官の表面上かつ三次元座標系内の位
置の座標の経皮的獲得方法は、 Ａ）超音波装置ヘッド及びエコー距離を計算するために超音波装置で固定され
た座標系に関する超音波装置の軸と一致するその超音波ビーム軸の較正及び超音
波シグナルがエコーされる器官の表面上の位置の三次元位置を計算するためのオ
ンサイト座標系に関する超音波装置で固定された座標系の較正を含む超音波装置
の前較正工程；及び Ｂ）生のシグナル分析により実時間で行なわれる三次元座標系に関するヒト又
は動物の器官の表面上の位置の座標の測定工程を含む。
【００３３】 実時間測定を可能にするために、この較正は超音波装置がシグナルテンプレー
トを確立するために較正ユニットに挿入される場合の受けた超音波シグナルの使
用を更に含む。このテンプレートを使用して、生のシグナル分析がテンプレート
との受けた測定シグナルの比較により行なわれ、そのために相互相関アルゴリズ
ム（ＸＣＯＲＲ）が使用される。
【００３４】 相互相関は組織骨界面からのエコーを評価するのに速く、しかも正確な方法で
あることを示した。生体内では、重要なエコーは軟組織と骨の界面からのエコー
のみである。これは最小相互相関のみに関して検索することを可能にし、それに
よりアルゴリズムを簡素化する。 シグナル比較を行なうためのその他のアルゴリズムは、標準偏差（ＳＴＤＤＥ
Ｖ）又は短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）であろう。
【００３５】 オンサイト座標系に関する超音波装置で固定された座標系の較正は超音波装置
を較正ユニットにしっかりと挿入することにより行なわれ、その結果、両方が位
置測定装置から見られる。
【００３６】 本発明の装置の好ましい実施態様が線図形態で部分的に示される例示の実施態
様に関して以下に説明される。
【００３７】 図１は線図形態の本発明の装置の好ましい実施態様を示す。 図１中、本発明の一実施態様の装置が示される。それはコンピュータ５に接続
されている三次元位置測定装置４及び同様にコンピュータ５に接続された手動で
自由に移動可能な超音波装置３を含む。
【００３８】 超音波装置３の機能は超音波の形態のエネルギーをトランスジューサー９によ
り超音波ビーム軸の方向に放出し、骨１の表面でトランスジューサー９により超
音波ビーム軸の方向に反射された超音波を受け取ることにより特定される。線図
は超音波装置３の長さ方向の軸１１が超音波ビーム軸と一致する場合を示す。ト
ランスジューサー９はそれにより伝達中に電圧を音に変換し、受容中に音を電圧
に変換する。コンピュータ５により制御されるパルサー／レシーバ６（例えば、
ＤＰＲ３５−Ｓ、ソニックス社、スプリングフィールド、Ｖａ）は同軸ケーブル
１８によりトランスジューサー９に接続され、トランスジューサー９を電気的に
刺激し、トランスジューサー９から戻った電圧シグナルを受け取り、増幅する機
能を有する。このパルサー／レシーバ６は１００μＪパルスを開始することがで
き、５０ｄＢの最大ゲインを有する。受けたシグナルはコンピュータ５に接続さ
れた高速アナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）ボード１６（例えば、ＳＴＲ＊８６
４、ソニックス社、スプリングフィールド、Ｖａ）で周波数ｆ＞２・ｆNyquist
でサンプリングされる。パルサー／レシーバ６及びＡＤＣボード１６を制御する
ために、コンピュータ５は注文のプログラムを備えている。コンピュータ５で、
受けた超音波シグナルがディスプレイ２４で表示され、装置パラメーターが骨１
検出及び距離計算を改良するために変化し得る。放出された超音波ビーム５−３
０ｍｍ及び２５−７５ｍｍを集中するために、超音波装置３は脱着可能な平らな
表面アキシコンレンズからなるレンズ１０を備えている。これらのレンズ１０と
トランスジューサー９の間の流体が異なる流体を使用することにより集中深さの
更なる変化を可能にする。本発明について、水が流体として使用される。レンズ
１０は一度にねじ込まれてもよい。
【００３９】 上記の振幅モード超音波（Ａ−モード）又は一次元パルス−エコー超音波で運
転する超音波装置３により、超音波装置ヘッド１７から骨１の表面上の位置１４
（これは超音波ビーム軸と超音波ビーム軸の方向の骨１の表面の交点により特定
される）までの距離が結果として得られる。
【００４０】 オンサイト座標系２に関する超音波装置３に取り付けられたマーカー１２の位
置は位置測定装置４（例えば、ＯＰＴＯＴＲＡＫ ３０２０、ノーザン・デジタ
ル、ウォーターロー、Ｏｎｔ．）により測定される。この位置測定装置４は三つ
のオプトエレクトロニクスカメラ１５を備えた位置センサー２０、システム制御
ユニット２１、コンピュータインターフェースカード２２及びケーブル２３、２
６並びにコンピュータ５のディスプレイ２４で収集中に数字形態又はグラフ形態
の収集データを見るための実時間の３Ｄデータビューイングソフトウェアを含む
。
【００４１】 超音波装置ヘッド１７と骨１の表面上の位置１４の間の上記距離をオンサイト
三次元座標系２内の座標に変換するために、超音波装置ヘッド１７の位置及び長
さ方向の軸１１の方向がオンサイト三次元座標系２内で測定される必要がある。
それ故、超音波装置３は非共線形で配置され、マーカー１２として利用できる四
つの赤外線放出ダイオード（ＬＥＤ）を備えている。これらの四つのマーカー１
２により、超音波装置３で固定された三次元座標系１３が確立されてもよい。超
音波装置３の座標系１３に関する超音波装置ヘッド１７の位置及び超音波ビーム
軸の配向を測定するために、較正が行なわれるべきである。受けた較正データは
座標系１３に関する超音波ビーム軸と一致する長さ方向の軸１１及び超音波装置
ヘッド１７の座標に関する情報を含み、これが超音波装置３に取り付けられた電
気的に消去可能なプログラム可能な読み取り専用メモリ１９（ＥＥＰＲＯＭ）中
に記憶される。
【００４２】 マーカー１２の位置がオンサイト座標系２に関して一旦測定されると、超音波
装置ヘッド１７と超音波装置３の座標系１３内の座標で表される骨１の表面上の
位置１４の間の距離がコンピュータ５により行ない得る座標変換によりオンサイ
ト座標系２内の座標に変換し得る。
【００４３】 超音波装置３を制御するコンピュータ５及び位置測定ソフトウェアそしておそ
らく同様にＣＡＳアプリケーションを実行するワークステーションを含むクライ
アント−サーバー構成を使用するかわりに、必要なハードウェア及びソフトウェ
アを含む単一コンピュータが超音波装置、位置測定装置そしておそらくＣＡＳア
プリケーションを操作するのに使用されてもよい。
【００４４】 文献： Nolte, L.P.ら スピン手術の正確な増進のためのシステムの臨床評価 Clinical Biomechanics, 10巻, 6号, 293-303頁, 1995年 Gong, J., Bachler, R., Sati, M., Nolte, L.P. 制限された表面マッチング：コンピュータ補助手術における記録の新しいアプロ
ーチ Proc. 3rdInt.Symp.Med.Robot Comput.Assist.Surg. (MRCAS) 597-605, 1997 Bachler, R., Bunke, H., Nolte, L.P. 制限された表面マッチング−数的最適化及び技術評価 Comput.Aided Surg. 1999
【図面の簡単な説明】
【図１】 線図形態の本発明の装置の好ましい実施態様を示す。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年８月３日（２００１．８．３）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１７】 較正ユニットが超音波装置３の直径を有する孔を有するプ
レキシガラスから構成されることを特徴とする請求の範囲範囲第１項〜第１６項
のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】 較正ユニットが中央で孔あけされた孔を成形された立方体
であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第１７項のいずれか１項に記載の装
置。
【請求項１９】 孔の下部から構成ユニットの下部までの距離が２０ｍｍ〜
３０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求の範囲第１７項または第１８項に記
載の装置。
【請求項２０】 請求の範囲第１項〜第１９項のいずれか１項に記載の装置
を使用するヒト又は動物の器官の表面上かつ三次元座標系２内の位置の座標の経
皮的獲得方法であって、その方法が Ａ）超音波装置ヘッド１７と該超音波装置３で固定された第２の座標系１３に 関してその長さ方向の軸１１の較正し、かつ基準座標系２に関して前記第２の座 標系１３を較正することによる 超音波装置３の前較正工程； Ｂ）三次元基準座標系２に関するヒト又は動物の器官の表面上の位置の座標点
の測定工程 を含むことを特徴とする前記方法。
【請求項２１】 前較正がエコー距離を計算するために超音波装置３で固定
された座標系１３に関する超音波装置ヘッド１７及びその長さ方向の軸１１の較
正を含むことを特徴とする請求の範囲第２０項に記載の方法。
【請求項２２】 前較正が超音波シグナルがエコーされる器官の表面の位置
１４の三次元位置を計算するために座標系２に関する座標系１３の較正を更に含
むことを特徴とする請求の範囲第２１項に記載の方法。
【請求項２３】 前較正が反射されたシグナルテンプレートを確立するため
に較正ユニットに挿入された超音波装置３の受けた超音波シグナルの使用を更に
含むことを特徴とする請求の範囲第２０項〜第２２項のいずれか１項に記載の方
法。
【請求項２４】 座標の測定を生のシグナル分析により実時間で行なうこと
を特徴とする請求の範囲第２０項〜第２３項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】 生のシグナル分析がテンプレートとの受けた測定シグナル
の比較を含むことを特徴とする請求の範囲第２４項に記載の方法。
【請求項２６】 比較を相互相関アルゴリズム（ＸＣＯＲＲ）により行なう
ことを特徴とする請求の範囲第２５項に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】 ＥＭＭＥＮＥＧＧＥＲらのＷＯ９８／０８１１２により、超音波画像の記録装
置が知られている。これらの超音波画像の位置は超音波ヘッドの位置及び配向を
測定することによりスペース中の任意の空間三次元座標系に関して特異に特定さ
れる。この既知の装置は手により自由に移動し得る超音波ヘッド、超音波記録装
置及び超音波ヘッドの位置を測定するための三次元位置測定システムを含む。超
音波ヘッドの位置のこの測定は超音波ヘッドに固定されたマーカーにより与えら
れた少なくとも三つの位置の長さの測定により行なわれる。長さの測定は超音波
ヘッドに取り付けられたマーカーと位置測定システムの一部であるセンサーの間
の電磁エネルギーの互換により、また電磁波の干渉現象の利用により、かつ／又
は運転期間の測定により実現される。この既知の装置の一つの好ましい実施態様
において、超音波ヘッドの位置の測定は外注の位置測定システムＯＰＴＯＴＲＡ
Ｋ(Northern Digital, Waterloo, On.)により行なわれる。 液体チャンバーに結合したディスク形プレーナーオシレーターを含む集束した
超音波を送信及び受信するための装置は、ＷＯ ８２／０４１５７ＬＩＥＲＫＥ
から公知である。この公知の装置は、さらに液体チャンバー内に液体レンズを含
んでおり、それによりこの液体レンズはこの液体が含む体積に対する作用により
この液体レンズ焦点距離を変化させる第２の液体を含んでいる。さらに、この焦
点は、例えば、この液体レンズの光学軸に関してプレーナーオシレーターの角度
を調整することにより焦点面中で転置できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ザティ マルヴァン スイス国、ツェーハー−4600 エールテ ン、ハウスマトライン 44 (72)発明者 モールダー クリストファー ジェイ． アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91403、シャーマン オークス、15009 ム ーアパーク ストリート ＃315 (72)発明者 ヴェントコウスキ ミヒャエル スイス国、ツェーハー−8556 ヴィゴルチ ンゲン、ベルンラインシュトラーセ ５ (72)発明者 シェレル ジョセ エル． スイス国、ツェーハー−4702 オンシンゲ ン、ビエンケンシュトラーセ ３ Ｆターム(参考） 4C301 AA01 BB13 DD30 EE11 GD01 GD02 GD14 GD16 JB28 JB29 KK24

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Ａ）超音波ビーム軸と一致する軸１１及びマーカー１２として使用される少な
    くとも三つのエネルギー放出、受容又は反射手段７を備えた超音波装置３； Ｂ）空間の三次元基準座標系２を基準としてマーカー１２の位置を測定するた
    めの位置測定装置４；及び Ｃ）超音波装置３及び位置測定装置４に接続された少なくとも一つのコンピュ
    ータ５ を含む、ヒト又は動物の器官の表面上かつ三次元座標系２内の位置の座標の経皮
    的獲得用の装置であって、 Ｄ）超音波装置３が超音波ビームを集中するための集中手段２５を更に含むこ
    とを特徴とする前記装置。
  2. 【請求項２】 集中手段２５が少なくとも一つのレンズ１０を含み、その結
    果、超音波ビームがシグナルの品質及び正確さを増大するために高度に集中可能
    であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。
  3. 【請求項３】 レンズ１０が脱着可能な流体入りのレンズ１０からなること
    を特徴とする請求の範囲第２項に記載の装置。
  4. 【請求項４】 レンズ１０が脱着可能な水入りのレンズ１０からなることを
    特徴とする請求の範囲第３項に記載の装置。
  5. 【請求項５】 レンズ１０が脱着可能なフラットレンズであることを特徴と
    する請求の範囲第２項〜第４項のいずれか１項に記載の装置。
  6. 【請求項６】 超音波ビームが１ｍｍから８０ｍｍまでの深さの範囲にわた
    って１ｍｍの横解像度まで集中可能であることを特徴とする請求の範囲第２項〜
    第５項のいずれか１項に記載の装置。
  7. 【請求項７】 超音波装置３が超音波によりエネルギーを交互に放出し、受
    容するトランスジューサー９を更に含むことを特徴とする請求の範囲第１項〜第
    ６項のいずれか１項に記載の装置。
  8. 【請求項８】 超音波装置３がコンピュータ５により制御され、かつトラン
    スジューサー９を電気的に刺激するとともにトランスジューサー９から受けた超
    音波のエコーを受け取り、増幅する機能を有する組み合わせパルサー／レシーバ
    ユニット６を更に含むことを特徴とする請求の範囲第１項〜第７項のいずれか１
    項に記載の装置。
  9. 【請求項９】 超音波装置３が組み合わせパルサー／レシーバユニット６か
    ら受けた増幅されたアナログシグナルをデジタルシグナルに変換するコンバータ
    ー装置８を更に含むことを特徴とする請求の範囲第１項〜第８項のいずれか１項
    に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 超音波装置３が軸１１の方向に沿って出たり戻ったりする
    超音波によりエネルギーを放出し、受け取ることを特徴とする請求の範囲第１項
    〜第９項のいずれか１項に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 コンピュータ５が超音波装置３及び位置測定装置４から受
    けたシグナルを含むシグナル処理を実時間で行なうことを特徴とする請求の範囲
    第１項〜第１０項のいずれか１項に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 コンピュータ５が実時間のデータ処理を得るために高速ア
    ナログ−デジタル（ＡＤＣ）ボード１６を備えていることを特徴とする請求の範
    囲第１１項に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 コンピュータ５が実時間のデータ処理を得るために充分に
    速い中央演算処理装置（ＣＰＵ）を備えていることを特徴とする請求の範囲第１
    １項又は第１２項に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 トランスジューサー９が放出された超音波の侵入の所望の
    深さで超音波ビームの所望の軸方向の解像度を可能にする特定の周波数を与える
    ことを特徴とする請求の範囲第７項〜第１３項のいずれか１項に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 トランスジューサー９が１ＭＨｚ〜１５ＭＨｚの範囲内の
    周波数を与えることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 パルサー／レシーバユニット６が８０〜１２０μＪの量の
    エネルギー放出でパルスを開始することを特徴とする請求の範囲第８項〜第１５
    項のいずれか１項に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 装置が較正ユニットを更に含むことを特徴とする請求の範
    囲第１項〜第１６項のいずれか１項に記載の装置。
  18. 【請求項１８】 較正ユニットが超音波装置３の直径を有する孔を有するプ
    レキシガラスから構成されることを特徴とする請求の範囲第１７項に記載の装置
    。
  19. 【請求項１９】 較正ユニットが中央で孔あけされた孔を成形された立方体
    であることを特徴とする請求の範囲第１７項又は第１８項に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 孔の下部から構成ユニットの下部までの距離が２０ｍｍ〜
    ３０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求の範囲第１７項〜第１９項のいずれ
    か１項に記載の装置。
  21. 【請求項２１】 請求の範囲第１項〜第２０項のいずれか１項に記載の装置
    を使用するヒト又は動物の器官の表面上かつ三次元座標系２内の位置の座標の経
    皮的獲得方法であって、その方法が Ａ）超音波装置３の前較正工程； Ｂ）三次元座標系２に関するヒト又は動物の器官の表面上の位置の座標の測定
    工程 を含むことを特徴とする前記方法。
  22. 【請求項２２】 前較正がエコー距離を計算するために超音波装置３で固定
    された座標系１３に関する超音波装置ヘッド１７及びその長さ方向の軸１１の較
    正を含むことを特徴とする請求の範囲第２１項に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前較正が超音波シグナルがエコーされる器官の表面の位置
    １４の三次元位置を計算するために座標系２に関する座標系１３の較正を更に含
    むことを特徴とする請求の範囲第２２項に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 前較正が反射されたシグナルテンプレートを確立するため
    に較正ユニットに挿入された超音波装置３の受けた超音波シグナルの使用を更に
    含むことを特徴とする請求の範囲第２１項〜第２３項のいずれか１項に記載の方
    法。
  25. 【請求項２５】 座標の測定を生のシグナル分析により実時間で行なうこと
    を特徴とする請求の範囲第２１項〜第２４項のいずれか１項に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 生のシグナル分析がテンプレートとの受けた測定シグナル
    の比較を含むことを特徴とする請求の範囲第２５項に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 比較を相互相関アルゴリズム（ＸＣＯＲＲ）により行なう
    ことを特徴とする請求の範囲第２６項に記載の方法。
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