JP2004097811A - 医療ナビゲーションシステムにおける画像表示方法、プログラム及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】医療ナビゲーションシステム用の高精細なＸ線画像を提供すること。
【解決手段】較正済みのＸ線装置の位置を決定し、該Ｘ線装置を用いて複数の異なる位置から患者のＸ線画像を複数生成する。そして、生成されたＸ線画像から得られる患者データを評価し、且つ上記較正に基づいて、その患者データを空間的なデータに変換する。次に、Ｘ線画像に対応する元の２次元Ｘ線画像と生成情報を、上記患者データにとともに、医療ナビゲーションシステムに転送し、ナビゲーションを支援するために、上記２次元Ｘ線画像を、その医療ナビゲーションシステムの画像出力器上に表示する。
【選択図】　　　　図１

Description

　本発明は、Ｘ線画像によって支援される医療用ナビゲーションシステムでの画像表示方法に関する。

　現在、医療用ナビゲーションシステムの助けとともにコンピュータによって支援される外科手術（以下、コンピュータ支援外科手術と称する。）が可能となっている。コンピュータ支援外科手術では、手術中に、患者の解剖画像データに関連付けられた外科器具やインプラントをモニタに映し出すことができる。解剖画像データは、手術前または手術中に、種々の形式（ＣＴ画像、ＭＲＩ画像、ＰＥＴ画像、ＳＰＥＣＴ画像、これらを組合せたＸ線画像）で得ることができる。

　コンピュータ支援外科手術では、Ｘ線デバイス（通常、Ｃアーク構造）を用いて得られた画像データを、ナビゲーションシステムを介して利用する方法が主流となっている。このようなコンピュータシステムは、得られた画像データを処理し、それらを“記録する”。より正確に言うと、このシステムは、（例えば、患者の空間的な）定義済みの基準に対し、画像データの正確な位置を決定する。これにより、得られた画像（ナビゲート用として）上に、器具の位置を表示することが可能となる。

　Ｘ線ベースのナビゲーション（以下、Ｘ線ナビゲーションと称する。）では、外科医は、非常に単純な記録方法で、容易、単純、且つ迅速にナビゲーションの助けを得ることができる。また、Ｘ線ナビゲーションは、単独で、外科医に対して視覚的な支援を提供することができる。しかしながら、Ｘ線ナビゲーションの現在の使用方法では、全ての画像を個々に記録し、続いて、それらを器具や装置に正確に関連付けて表示させる必要がある。

　また、ボリュームデータ群（例えば、ＣＴ、ＭＲＩ）に加え、Ｘ線画像および／または再構成されたＸ線画像に基づいてナビゲーションを使用するシステムが存在する。Ｘ線画像および／または再構成されたＸ線画像は個々に記録されるべきものであるが、そのシステムでは、Ｘ線画像を上記ボリュームデータ群または処理済みＸ線画像群から再構成する。これらＸ線画像は、元の状態において高コントラスト且つ高精細な情報を有するが、３次元のデータ群に変換される時または再構成Ｘ線画像に再計算される時に、上記情報の一部を失ってしまう。すなわち、外科医は、当初に得られたＸ線画像ほど良くない内容の画像データを使用してナビゲートしなければならない。

　例えば、特許文献１において、基準位置検出フレームを備える外科手術ナビゲーションシステムが提案されている。また、特許文献２には、解剖トラッキング方法用の装置が開示されており、その装置では、ヘッドクランプのスイングアーム上に位置した基準物の位置信号を処理している。また、特許文献３には、拡張マッピングボリュームを有するＸ線ガイド外科手術位置検出システムが開示されており、そのシステムでは、Ｘ線透視装置（Ｃアーク型）から得られたＸ線画像が、基準物を介し、外科器具に関連付けて記録される。また、特許文献４には、Ｘ線検出とナビゲーションシステムを統合した画像支援処置方法およびその装置が開示されている。さらに、特許文献５には、Ｃ型アーム上の少なくともある位置でアイソセンタ放射を実行するＣアーク型のＸ線検査装置が開示されている。

国際公開第９６／１１６２４号 米国特許第５，９８０，５３５号 米国特許第６，３１４，３１０号 独国特許出願公開第１９９１７８６７号 米国特許第６，０４８，０９７号

　本発明の目的は、従来の技術における前述した問題点を克服し、Ｘ線画像支援ナビゲーションのための方法を提供することである。特に、本発明は、精細なナビゲーション用Ｘ線画像を外科医に確実に提供することを目的としている。さらに、本目的は、手術中に生成されるＸ線画像を個々に記録するという煩雑な作業を出来る限り回避することである。

　この目的は、Ｘ線画像支援医療ナビゲーションシステムにおける画像表示方法であって、較正済みのＸ線装置の位置を決定する較正ステップと、前記Ｘ線装置を用いて複数の異なる位置から患者のＸ線画像を複数生成する画像生成ステップと、生成されたＸ線画像から得られる患者データを評価し、且つ前記較正に基づいて、前記患者データを空間的なデータに変換する画像変換ステップと、前記Ｘ線画像に対応する元の２次元Ｘ線画像と生成情報を、前記患者データにとともに、前記医療ナビゲーションシステムに転送する画像転送ステップと、ナビゲーションを支援するために、前記２次元Ｘ線画像を、前記医療ナビゲーションシステムの画像出力器上に表示する画像表示ステップと、を含むことを特徴としている。

　Ｘ線装置の位置は、該Ｘ線装置の較正のために、ナビゲーションシステムによって検出可能な較正ファントムに対して決定される。本発明の好適な実施の形態によって、Ｘ線装置を較正しながら、記録されたＸ線画像の空間位置に関する変換行列が生成される。このように、個々のＸ線画像に割当てられた変換行列は、元の２次元Ｘ線画像が転送される時に、ナビゲーションシステムに転送されることが好ましい。

　好適な実施の形態において、Ｃアーク型Ｘ線装置が使用され、このＣアーク型Ｘ線装置は、種々の回転位置で、Ｘ線画像、特に一連のアイソセンタ方式のＸ線画像を生成する。

　更に、本発明は、コンピュータで実行している時にまたはコンピュータにロードされた時に、そのコンピュータに前述の方法の１つを実行させるプログラムに関する。また、本発明は、上記で定義されたようなプログラムを格納したコンピュータプログラム記憶媒体に関する。本発明は、添付の図面および例示の実施の形態によってより詳細に説明される。

　本発明にかかる医療ナビゲーションシステムにおける画像表示方法、その方法を実行させるコンピュータプログラム、およびそのプログラムを格納した記録媒体の利点は、特に、元の２次元Ｘ線画像を提供できることである。これらＸ線画像は、ボリュームデータ群から再構成された従来から使用されているＸ線画像と比較して、高精細かつ高コントラストである。さらに、現在、２次元画像を解釈することに慣れた外科医にとって、ナビゲーション中に通常の形態でこれら元のＸ線画像を解釈することは容易である。生成された患者のＸ線画像は、それらの生成時においてナビゲーションシステムに記録され、且つ記録情報と共に画像データが全ての画像に対して提供されるため、ナビゲーションを可能とするために生成されたＸ線画像の各々を個々に且つ別々に記録することが必要なくなる。外科医は、得られた画像データから生成された３次元表示（ボリュームデータ群）によってナビゲートされるか、または事前に既に記録されている通常の２次元Ｘ線画像によってナビゲートされるかを選択出来る。言うまでも無く、ナビゲーションは、全ての画像表示において同時に実行可能である。特に、元の２次元Ｘ線画像データが可視化され、例えば、外科医がナビゲーション用に希望し且つ最も有益な画像を検出するまで、外科医がこれらの画像をぱらぱらめくるように見ることが可能である。特に、追加の記録なしで２次元Ｘ線画像の助けを借りるナビゲーションが可能であることが有利である。

　図１において、Ｃアーク型Ｘ線装置１は、軸２の回りに回転可能なＸ線画像を記録するためのアークを有しており、このアークによって、アイソセンタ方式の一連のＸ線画像を記録することかできる。Ｃアーク型Ｘ線装置１は、同図において、上側に放射源３を備え、その反対側に、マーカ幾何学的配列５よりなる較正アタッチメントを支持する画像レコーダ４を備えている。

　図１において、ナビゲーションシステム９は、概略的に示されており、カメラ等を用いてＣアークの位置および放射範囲内に存在する検査対象物の位置を検出するとともにトラックする。例えば、マーカ配列５を介して、図１のマーカ配列６を有する較正ファントム（人体模型）１０、または図２のマーカ配列７を有する患者を検出するとともにトラックする。Ｃアーク型Ｘ線装置によって検出され且つ処理済みと思われるデータは、データ接続部（図示せず）を介してナビゲーションシステム９へ転送される。

　図１には、較正処理中の示されるＣアーク型Ｘ線装置１が示されている。ここで、マーカ配列６を備える較正ファントム１０は、ビームパス中に配置され、そのマーカ配列６は、ナビゲーションシステム９によって順に識別される。

　図２は、患者のＸ線画像を捕獲している最中のＣアーク型Ｘ線装置を示している。換言すれば、図１に示した較正処理から移行した状態が示されている。ここで、患者８は、ナビゲーションシステム９によって検出可能なマーカ配列７を順にコンピュータ支援するビームパス中に置かれている。

　以下に、ある実施の形態にしたがって、本発明にかかる方法の処理ステップを説明する。なお、その実施の形態では、２次元および３次元データから同時にナビゲーションができるように、あらかじめ較正されたデータが使用されるものとする。

　まず、ナビゲーション用として使用されるＣアーク型Ｘ線装置１が、較正ファントム１０を基準として較正される（第１のステップ）。この目的のために、ファントム１０の位置に対するＣアーク型Ｘ線装置１の位置が、ナビゲーションシステム９のカメラシステムによって記録される。この較正によって、患者に関する２次元データを得ることができる。この２次元データは、画像データを記録しつつ変換行列を用いて変換され、相互参照され、且つ３次元ナビゲーションのために使用される。

　較正後、患者８に関するデータを取得する（図２）。この目的のために、患者８に対するＣアーク型Ｘ線装置１の位置は、ナビゲーションシステム９のカメラシステムによって記録される。位置が一旦決定されると、較正の助けを借りつつ、互いに且つＣアーク型Ｘ線装置１に対する２次元Ｘ線画像、すなわち患者８に関して配置された特定数の２次元Ｘ線画像が記録される。

　２次元データの取得が完了すると、これらデータは、較正によって突き止められた変換行列を用いて３次元データに変換される。この３次元データは、ナビゲーションシステム９に転送され、その後、コンピュータ支援外科手術用として使用可能である。なぜなら、これらデータは、Ｃアーク型Ｘ線装置１の位置決定により、患者８に関連付けられてすでに記録されているからである。

　ここで、２次元Ｘ線画像データは、例えば、Ｃアーク型Ｘ線装置１のメモリ内に、それらの元の状態を保ったまま（すなわち、それらが得られた状態のまま）で保持される。本発明によると、３次元データの位置情報（変換行列）だけでなく、２次元データとＸ線画像毎のそれぞれに対応した変換行列もナビゲーションシステム９に転送される。従って、いずれにしても、必要な空間位置情報と共に入手される元のデータは、それらの下の画像内容を頼りにナビゲーションのために利用され、例えば、図３に示されているように表示される。

　図３は、ナビゲーションシステムの四つの画像を含む画像出力の例を示す図である。四つの画像のうち、画像Ａは、３次元変換ボリュームデータ群から得られた従来通りの３次元画像を示し、残りの３つの画像Ｂ〜Ｄは、いずれも２次元表示を示している。特に、画像Ｂは、軸方向の２次元画像、画像Ｃは、側面の２次元画像、画像Ｄは、前面の２次元画像を示している。ここで、これら２次元画像Ｂ〜Ｄは、画像Ａを示す３次元データを再構成することによって得た２次元画像、すなわち従来方法による２次元画像ではなく、Ｃアーク型Ｘ線装置１を使用して得られた元のＸ線画像（Ｃアーク型Ｘ線装置１において記録された画像）である。これら２次元画像は、個々に転送されるため、ナビゲーションシステムにおいて個々の変換行列毎に利用可能である。従って、外科医は、手術中において、元の２次元Ｘ線画像と３次元画像との両方を見つつ、且つナビゲーションのオプションの組合せを利用した環境において、執刀することが出来る。

　この利点は、特に、元の２次元Ｘ線画像は、計算によって得られた３次元データと比較して、高コントラストおよび高精細であることである。加えて、外科医は、これら精細なＸ線画像を確認しつつ、容易にナビゲートされることが可能となる。その理由は、外科医は、通常のトレーニングにおいて、このような画像の解釈に既に慣れているからである。２次元と３次元のデータは、自動的に記録されるのが好ましく、特定のタイプの可視化が可能である。例えば、Ｘ線画像Ｂ、ＣおよびＤは、さながら、一連のＸ線画像をぱらぱらめくるような表示形態が可能である。これにより、外科医は、順次画像表示を切り替えて、ナビゲーションに最適な画像を見つけ出すことができる。

　以上のように、本発明にかかる医療ナビゲーションシステムにおける画像表示方法、その方法を実行させるコンピュータプログラム、およびそのプログラムを格納した記録媒体は、コンピュータによって支援された外科手術を行う際のナビゲーションシステムに有用であり、特に、手術中において、患者に関する３次元画像とともに２次元画像を確認するためのシステムに適している。

較正中のＣアーク型Ｘ線装置を示す概略図である。 画像記録中のＣアーク型Ｘ線装置を示す概略図である。 本発明による方法によって提供される画像表示の例を示す図である。

符号の説明

　１　Ｃアーク型Ｘ線装置
　２　軸
　３　放射源
　４　画像レコーダ
　５，６，７　マーカ幾何学的配列
　８　患者
　９　ナビゲーションシステム
　１０　較正ファントム

Claims (7)

1. 　医療ナビゲーションシステムにおける画像表示方法であって、
   　較正済みのＸ線装置の位置を決定する較正ステップと、
   　前記Ｘ線装置を用いて複数の異なる位置から患者のＸ線画像を複数生成する画像生成ステップと、
   　生成されたＸ線画像から得られる患者データを評価し、且つ前記較正に基づいて、前記患者データを空間的なデータに変換する画像変換ステップと、
   　前記Ｘ線画像に対応する元の２次元Ｘ線画像と生成情報を、前記患者データにとともに、前記医療ナビゲーションシステムに転送する画像転送ステップと、
   　ナビゲーションを支援するために、前記２次元Ｘ線画像を、前記医療ナビゲーションシステムの画像出力器上に表示する画像表示ステップと、
   を含むことを特徴とする医療ナビゲーションシステムにおける画像表示方法。
2. 　前記較正ステップにおいて、前記Ｘ線装置の位置は、前記Ｘ線装置を較正するために、前記Ｘ線画像支援医療ナビゲーションシステムによって検出可能な較正ファントムに対して決定されることを特徴とする請求項１に記載の医療ナビゲーションシステムにおける画像表示方法。
3. 　前記較正ステップは、前記Ｘ線装置を較正するとともに、記録される前記Ｘ線画像の空間位置に関する変換行列を生成することを特徴とする請求項１または２に記載の医療ナビゲーションシステムにおける画像表示方法。
4. 　前記画像転送ステップは、前記元の２次元Ｘ線画像とともに、個々のＸ線画像に割当てられる変換行列を、前記医療ナビゲーションシステムに転送することを特徴とする請求項３に記載の医療ナビゲーションシステムにおける画像表示方法。
5. 　前記Ｘ線装置は、Ｃアーク型Ｘ線装置であり、
   　当該Ｃアーク型Ｘ線装置は、種々の回転位置で　一連のアイソセンタ方式のＸ線画像を生成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の医療ナビゲーションシステムにおける画像表示方法。
6. 　コンピュータで実行している時またはコンピュータにロードされた時、請求項１〜５のいずれか一つに記載の医療ナビゲーションシステムにおける画像表示方法を前記コンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
7. 　請求項６に記載のプログラムを格納したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。

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