JP2007519443A - カテーテルをナビゲートする装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、心拍及び／又は呼吸のための自発運動の影響を受ける患者の器官内のインターベンションニードル又は脈管系内のカテーテルをナビゲートする装置及び方法に関する。これに関連して、前記自発運動の基準位相（Ｅ_０）を基準にして前記脈管系内のポイントの変位を記述する運動モデル（１１）が、データ処理装置（１０）のメモリ内に準備しておかれる。位置決め装置（２）によって測定される前記患者（３）の前記脈管系内の前記機器（４）の空間的位置及び向き、並びにそれと並行して記録されるＥＣＧ値（Ｅ）は、前記データ処理装置（１０）によって前記運動モデル（１１）を利用して前記機器の動き補償位置（ｒ＋Δ）に変換され、前記動き補償位置（ｒ＋Δ）は、次いで、静止脈管又は器官マップ（１２）内に表示され得る。前記運動モデル（１１）は、前記脈管系の一連の三次元記録から得られ得る。更に、又は他の例においては、前記機器が前方に移動しない時間中の前記機器（４）の測定位置及び測定向きが用いられ得る。

Description

本発明は、自発運動(spontaneous movement)の影響を受ける身体ボリューム(body volume)（例えば、脈管系又は器官）内の機器、詳細には、カテーテル又はインターベンションニードル(intervention needle)などの機器をナビゲートする装置及び方法に関する。

最小侵襲性の医学的介入においては、例えばカテーテルの先端部にあるプローブなどの機器が、患者の脈管系を通して、検査又は治療されるべきポイントまで押し進められる。これをするために、脈管系に対する機器の現在位置を可能な限り正確に知ることが、機器のナビゲーション及び介入の成功にとって重要である。これに関連して、脈管マップ、即ち、脈管系が容易に認識可能なようにして示されている予め取得された二次元画像又は三次元画像が、しばしば用いられる。その場合、治療のために重要である、脈管系に対する機器の位置を医師が即座に認識することが出来るように、例えば磁気位置決めシステムで決定される機器の空間的位置及び向き(orientation)が、脈管マップ上にマークされ得る。

しかしながら、上記の手法における問題は、脈管系は、多くの場合（とりわけ、胸又は心臓の領域においては）、心拍及び呼吸のための絶え間ない運動及び変形の影響を受けることにある。それ故、脈管系の現在の形状及び位置は、しばしば、脈管マップにおける該脈管系の形状及び位置からずれ、その結果として、現在の機器の位置及び機器の向きを静止脈管マップと相関させる際に問題となるずれが生じる。このような影響を補償するために、米国特許公報第US6473635B1号は、様々なＥＣＧ位相のために別々の脈管マップを準備し、その後の測定の間、現在のＥＣＧ位相に対応する関連脈管マップを用いることを提案している。

こうした背景の下、本発明の目的は、患者の動く身体ボリューム内の機器の簡単である同時に可能な限り正確なナビゲーションのための手段を提供することにある。

この目的は、請求項１の特徴を持つ装置によって達成され、請求項１０の特徴を持つ方法によっても達成される。有利な改善例はサブクレーム内に含まれている。

本発明による装置は、身体ボリューム内の機器、例えば、脈管系内のカテーテルの先端部にある検査若しくは治療装置、又は器官内のインターベンションニードルをナビゲートするのに役立つ。ちなみに、この場合には、「脈管系」という用語は、広く、経路(path)であって、該経路内に前記機器が存在し得る経路のネットワークという意味で理解されたい。それ故、この用語は、血管系に加えて、患者の胃腸管系（この場合には、前記機器は、飲み込まれるプローブ内にあり得る）も含み、又は技術分野においては、機械の内部の導管を含む。一次元又は多次元運動パラメータによって記述され得る自発的な、好ましくは周期的な、運動の影響を受けるというのが、前記身体ボリュームの特徴である。従って、例えば、患者の前記脈管（血管）系は、心拍によってもたらされる自発運動であって、心電図（ＥＣＧ）の各々の位相によって高い精度で特徴づけられ得る自発運動の影響を受ける。前記装置は、以下の構成要素を有する。
ａ）前記機器の現在位置を検出する位置決め装置。ちなみに、「位置」は、以下では、とりわけ、（いずれの場合にも３自由度を備える）空間的位置及び／又は空間的向きとして理解されるべきである。前記位置決め装置は、例えば、磁界又は光学的方法を利用して前記機器の位置及び／又は向きを決定する装置であってもよい。更に、前記位置決め装置は、このようにして例えばカテーテル先端部の向き又はコースも決定するために前記機器の複数のポイントの位置を決定するよう設計されてもよい。
ｂ）前記自発運動の現在の運動パラメータを決定する検出装置。前記検出装置は、例えば、前記心電図（ＥＣＧ）を測定する心電計及び／又は呼吸位相を決定する呼吸センサであってもよい。
ｃ）前記位置決め装置及び前記検出装置に結合されるデータ処理装置であって、前記身体ボリュームの運動を前記運動パラメータの関数として記述する運動モデルを有するデータ処理装置。一般的には、前記運動モデルは、前記データ処理装置のメモリ内にパラメータ（データ）及び／又は関数（ソフトウェア）の形で記憶される。更に、前記データ処理装置は、前記位置決め装置で測定される前記機器の「現在」位置及びそれと並行して前記検出装置を用いて測定される前記運動パラメータの「現在」値に関して、前記機器の「動き補償位置(movement-compensated location)」を決定するよう設計される。ちなみに、「動き補償位置」は、前記運動モデルを用いて推定される位置であって、前記機器が前記自発運動の指定基準位相を持つであろう位置を示す。

上記の装置は、前記身体ボリュームの前記自発運動の或る指定基準位相を基準にして、前記身体ボリューム内の機器の動きを追跡することを可能にする。これに関連して、ナビゲーションのために重要な、機器と身体ボリュームとの間の相対的な動きしか残されないように、前記身体ボリュームの前記自発運動の前記機器に及ぼす影響は補償される。この目的を達成するために、前記装置は、前記データ処理装置内に記憶される前記運動モデル並びに前記位置決め装置及び前記検出装置しか必要としない。他方で、前記機器の継続的なＸ線透視観察又は様々な心拍位相の脈管マップの準備は不要である。

本発明の好ましい実施例によれば、前記データ処理装置は、前記身体ボリュームの補間ノードの位置の測定値と、各々の関連する運動パラメータの測定値とから運動モデルを再構成するよう設計される。従って、この方法においては、前記運動モデルは、例えば特徴的な脈管分岐部などの補間ノードの観察された運動に基づく。

前記運動モデルの上記の計算は、好ましくは、前記補間ノードの測定された運動の補間によって補われる。即ち、前記補間ノード間に位置するポイントの運動が、例えば前記補間ノードの運動から複数二次補間(multiquadric interpolation)などのアルゴリズムを利用して計算される。ちなみに、前記運動モデルの精度は、補間ノードのネットワークの密度によって、望みどおりに調節され得る。

上記の方法のために用いられる補間ノードの位置の測定値は、前記身体ボリュームの一連の三次元画像から決定され得る。このような画像は、例えば、適当なＸ線又は磁気共鳴装置を用いて取得されることができ、前記関連する運動パラメータは、各々、前記記録に対して決定されなければならない。

それに加えて、又はそれに代わるものとして、前記補間ノードの位置の測定値はまた、前記位置決め装置を用いて決定された前記機器の位置であってもよい。その場合には、前記機器の補間ノードのために測定される位置は、好ましくは、前記機器と前記身体ボリュームとの間で相対的な動きが行なわれなかった状態に対応する。例えば、カテーテル先端部の位置、及び場合によっては向きは、前記カテーテルの前方移動のない心拍位相の期間中に測定されることができ、その場合、前記測定値は、前記運動モデルにおいて関連する補間ノードの運動を記述する。

本発明の別の発展例によれば、前記データ処理装置は、前記身体ボリュームの静止画像を収容するメモリを有する。更に、前記データ処理装置は、前記静止画像における前記機器の前記動き補償位置を決定するよう設計される。ちなみに、前記機器の前記動き補償位置が関連付けられる前記自発運動の前記基準位相は、好ましくは、前記身体ボリュームの前記静止画像に属する運動位相と同一である。前記静止画像は、例えばモニタなどの表示装置上に表示されてもよく、その場合には、前記画像上に、前記機器の関連する現在位置が同時に表示され得る。従って、前記静止画像は、この場合には前記身体の前記自発運動が妨害又は不一致をもたらすことのない、前記機器の動きが追跡され得るマップとして役立ち得る。

更に、本発明は、運動パラメータによって記述可能な自発運動の影響を受ける身体ボリューム内の機器をナビゲートする方法に関する。前記方法は、以下のステップ、即ち、
ａ）前記自発運動の様々な位相における前記身体ボリュームの補間ノードの位置と、関連する運動パラメータとを測定するステップと、
ｂ）前記測定された値から前記身体ボリュームの運動モデルを再構成するステップと、
ｃ）前記機器の（「現在の」）位置と、関連する（「現在の」）運動パラメータとを測定するステップと、
ｄ）前記運動モデルを利用して前記自発運動の基準位相に対する前記機器の推定動き補償位置を計算するステップとを有する。

上記の方法は、上記のタイプの装置で実行され得るステップを一般的な形で実施する。それ故、前記方法の詳細、利点及び発展例に関しては、上記の記載の参照がなされる。

本発明のこれら及び他の側面を、下記の実施例を参照して説明し、明らかにする。

図の左側部分は、例えば、患者３の冠状血管のカテーテル検査において生じるような状況を示している。これに関しては、診断又は治療機器４は、カテーテルの先端部において脈管系内を前方に押し進められる。多くの場合、この工程は、脈管系内のカテーテルをナビゲートするためにＸ線ユニット１を用いて絶え間なく観察される。しかしながら、これは、患者及び検査スタッフのそれに対応するＸ線被曝という不利な点を有する。

このような被曝を避けるために、静止脈管マップ、例えば造影剤を投与しながら取得された（Ｘ線）血管造影図が用いられてもよく、位置決め装置２を用いて機器４の現在位置が決定される。位置決め装置２は、例えば、カテーテルの先端部に（少なくとも）磁界プローブを有してもよく、前記磁界プローブを利用して、磁界発生装置によって空間に印加される磁界の強度及び方向が測定され、これが、カテーテルの空間的位置（位置及び向き）の判定を可能にする。次いで、このようにして決定されたカテーテル４の空間的位置が静止脈管マップ上に表示され得る。しかしながら、これに関連する問題は、心拍及び呼吸によってもたらされる冠状血管の激しい、基本的に周期的な自発運動があることにある。用いられる脈管マップは、前記運動の周期の特定の（基準）位相に対応するのに対して、実際の機器の位置は、基本的には、別の運動位相に由来することから、静止脈管マップと機器位置の相関において誤りが生じる。

このような誤りの発生を防止するために、以下に説明するシステムを提案する。これは、基本的に、中央処理装置、メモリ、インタフェースなどといった関連装置を備えるデータ処理装置１０（マイクロコンピュータ、ワークステーション）から成る。データ処理装置１０は、メモリ内に患者３の検査されるべき脈管系の運動モデル１１を有する。運動モデル１１は、心拍の様々な位相Ｅにおいて脈管系のポイントが影響を受けるベクトル変位Δ又は運動野(movement field)を、心拍の基準位相Ｅ_０を基準にして、記述する。ちなみに、心拍の位相は、心電計５によって記録される電気的な冠状動脈の活動（ＥＣＧ）に対応する運動パラメータＥによって特徴付けられる。

運動モデル１１を利用して、各々、機器４の現在の測定位置ｒ及び測定向きｏ並びに関連する心拍位相Ｅに対して、測定位置ｒを基準位相Ｅ_０の間の機器の推定位置（ｒ＋Δ）に変換する又は測定向きを基準位相の間の機器の推定向きＭ・ｏに変換する変位ベクトルΔ又は変換テンソル(transformation tensor)Ｍを決定することが可能である。次いで、この「動き補償」位置（ｒ＋Δ）及び向きは、基準心拍位相Ｅ_０の間に取得された静止脈管マップ１２上に表示され得る。これに関連して、機器の動き補償位置及び向きは、心拍の結果として、示される機器の位置と、脈管の配置図との間の混乱させるようなずれが生じないように、脈管マップ１２において、基本的には、脈管系内に位置する。医師がカテーテルをナビゲートすることを可能にするために、脈管マップ１２は、機器の動き補償位置と共に、モニタ１３上に表示され得る。

運動モデル１１を導き出すために、好ましくは、Ｘ線ユニット１、ＣＴ装置又はＭＲＩ装置を利用して予め取得された脈管系の三次元の連続的な記録が用いられる。前記記録においては、分岐部などの脈管系の特徴的なポイントの位置が突き止められる。これは、例えば、適当なセグメンテーションアルゴリズムを用いて完全に自動的に又は半自動的に行なわれ得る。更に、個々のＸ線記録のために心臓周期の各々の関連する位相Ｅが測定されたと仮定する。それによって、補間ノードの位置は、様々な心拍位相と相関されることができ、これから、必要とされる、基準位相Ｅ_０に関連する変位ベクトルΔ及び変換テンソルが算出され得る。脈管系における、補間ノードの近傍に位置しているポイントについては、それらの変位ベクトル及び／又は変換テンソルを決定するのに好ましくは適当な補間法が用いられる。これは、例えば、二次多項式(multiquadric equations)("Multiquadric Equations of Topography and Other Irregular Surfaces", Journal of Geophysical Research, vol. 76:8, pages 1905-1915 (1971)参照)又はスプラインをベースにした方法の使用を含み得る。

脈管系における補間ノードの運動データを取得する別の方法においては、位置決め装置２を利用して、カテーテルの前方移動が行なわれない位相の間の機器４の動きが取得される。従って、前記位相においては、機器４の観察される動きは、もっぱら、脈管系の自発運動に起因する。次いで、機器４の動きは、同時に心電図を測定することによって対応する心拍位相と相関されることができ、運動モデル１１の算出のための補間ノードとして用いられることが出来る。

好ましくは、三次元（Ｘ線）記録から運動モデルのためのデータを取得する上記の方法と、機器４の位置データから運動モデルのためのデータを取得する上記の方法とが、運動モデルの最大限の精度を達成するよう互いに組み合わされる。これに関して、詳細には、運動モデル１１はまた、現在の医学的介入の間、位置決め装置２及びＥＣＧ装置５を用いて取得され、局所的に拡大される他の測定ポイントによって絶えず補完されることができ、それによって、補間における誤差を最小限にする。

既に言及したように、前記方法はまた、呼吸周期が考慮に入れられるようにして実施されてもよく、この場合には、呼吸位相を決定するために適当な呼吸センサが設けられる。心拍及び呼吸の運動の補償もまた、前記方法で可能である。この場合には、補間ノードは、（例えばＥＣＧの）一次元運動パラメータの状態空間だけでなく、例えばＥＣＧ及び呼吸センサから成る二次元状態空間においても決定される。前記状態空間は、有限時間内にのろのろとしか満たされ得ない、又は測定時間の許容し難い延長をもたらし得ることから、測定されていない状態については、補間ノードは、補間（例えば、二次多項式、スプライン補間など）によって決定される。

更に、脈管系内のカテーテルのナビゲーションのための上記の方法はまた、例えば心臓内のインターベンションニードルの移動といった他の事例にも用いられ得る。

患者の脈管系内のカテーテルをナビゲートするための本発明によるシステムの構成要素を概略的に示す。

Claims (10)

1. 運動パラメータによって記述され得る自発運動の影響を受ける身体ボリューム内の機器をナビゲートするための装置であって、
   ａ）前記機器の位置を決定する位置決め装置と、
   ｂ）前記運動パラメータを決定する検出装置と、
   ｃ）前記位置決め装置及び前記検出装置に結合されるデータ処理装置であって、前記運動パラメータの関数として前記身体ボリュームの運動を記述する運動モデルを有するデータ処理装置とを有し、前記データ処理装置が、前記運動モデルを利用して、前記機器の位置及び関連する運動パラメータの測定値と、前記自発運動の基準位相における前記機器の推定位置を相関させるよう設計される装置。
2. 前記データ処理装置が、補間ノードの位置及び関連する運動パラメータの測定値から前記運動モデルを再構成するよう設計されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記データ処理装置が、前記運動モデルにおいて補間によって前記補間ノードの測定された運動を補うよう設計されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記データ処理装置が、とりわけ、Ｘ線、ＣＴ又はＭＲＩの記録からの、前記身体ボリュームの一連の三次元画像から、補間ノードの位置の測定値を決定するよう設計されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. 前記身体ボリュームの前記補間ノードの位置の測定値が、前記位置決め装置で測定される前記機器の位置に対応することを特徴とする請求項２に記載の装置。
6. 前記機器の測定位置が、前記身体ボリュームに対して前記機器を動かさないで取得されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記データ処理装置が、前記身体ボリュームの静止画像を収容するメモリを有し、前記基準位相に対して推定される、前記静止画像における前記機器の位置を決定するよう設計されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記検出装置が、ＥＣＧ装置及び／又は呼吸位相を決定する装置を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記位置決め装置が、磁界及び／又は光学的方法を利用して前記機器の位置を決定するよう設計されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 運動パラメータによって記述され得る自発運動の影響を受ける身体ボリューム内の機器をナビゲートする方法であって、
    ａ）前記自発運動の様々な位相において、前記身体ボリュームの補間ノードの位置及び関連する運動パラメータを測定するステップと、
    ｂ）前記測定された値から前記身体ボリュームの運動モデルを再構成するステップと、
    ｃ）前記機器の位置及び関連する運動パラメータを測定するステップと、
    ｄ）前記運動モデルを利用して前記自発運動の基準位相における前記機器の推定位置を算出するステップとを有する方法。

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