JP2008188427A - 高精度な超音波カテーテルの較正 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】このフレームワークに固定された1または複数の磁界発生器は、既知の空間的特徴の磁界を発生させる。音響ターゲットアセンブリは、運動機構に結合されたファントムを含み、この運動機構は、フレームワークに対して既知の軌道内でファントムを動かすように構成されている。フレームワークに固定されたジグは、画像処理デバイスがファントムを画像化するのに好適な向きで、1または複数の磁界発生器の磁界内にプローブを保持する。プロセッサは、位置センサに対する画像処理デバイスの座標を較正するために、プローブからの位置信号および画像信号を処理する。
【選択図】図1
Description
本願は、参照して本明細書に組み入れる、2007年1月31日に出願された米国仮特許出願第60/887,457号明細書の利益を主張する。
本発明は、全般的には、超音波画像処理システムに関し、特に、超音波プローブの較正のための装置および方法に関する。
開示内容が参照して本明細書に組み入れられる、米国特許出願公開第2004/0254458号明細書には、位置センサおよび超音波トランスデューサを有するプローブを較正するための装置および方法が記載されている。この装置は、内部の既知の位置に置かれた超音波ターゲットを含む試験固定具(test fixture)を含む。トランスデューサが超音波ターゲットに整合している時に、コンピュータは、位置センサによって生成される位置信号を受け取る。そうして、コンピュータは、試験固定具の基準座標系(a frame of reference)におけるプローブの向きを決定し、プローブの向きに応じて、プローブの較正データを決定する。
以下に開示されている本発明の実施形態は、位置センサを有する超音波画像処理プローブを較正するための、改善されたシステムおよび方法を記載する。これらの実施形態は、超音波カテーテルを較正する際に特に有用であり、この超音波カテーテルは、トランスデューサアレイおよび位置センサを含み、例えば、心室(chambers of the heart)などの体腔内で画像処理するのに適している。しかしながら、本発明の原理は、体内および体外の両方の使用のために、様々な異なる種類のプローブに適用することもできる。
図1は、本発明の実施形態に従った、患者の体内に挿入するためのカテーテル22などの細長いプローブを含む超音波画像処理システム20を例示する概略的な絵画図である。システム20は、好適な信号処理回路およびユーザーインターフェイス回路を備えたコンピュータプロセッサを典型的に含む、コンソール24を含む。このコンソールは、後述するように、カテーテル22から信号を受信して、処理する。典型的に、このコンソールは、使用者がカテーテル22の機能を観察して調節することができるようにするとともに、カテーテルを用いて形成される画像を表示する。カテーテル22は典型的に、使用者がカテーテルの動作を制御するためのハンドル26を含む。このハンドル、すなわちコンソール24にカテーテルを結合するコネクタは、例えば、上記した米国特許第6,266,551号明細書に記載されているように、較正データを保存するための超小型回路も含むことができる。
は、(所定の順序に配置された)各線の交差点の{col,row}測定値であり、
は、面の原点(x0,y0,z0)および向きの座標(az,el,rl)の関数としての超音波面との線の交差の解析関数(analytical function)である。最小化問題(minimization problem)は、当技術分野において既知の任意の適切な数値法または解析法を用いることによって解決することができる。
・ファントムの形状、大きさ、および向きは変更されてもよい。
・調和曲線(harmonic curves)などの曲線が、ファントムの線の代わりに使用されてよい。(例として、正弦曲線、円形形状、および他の種類の曲線を含む。)
・超音波画像から形状を得るために、異なるアルゴリズムが使用されてよい。
・各画像から交差点を得る代わりに、ファントムの応答のモデルに対する画像を、超音波パルスと調和させることによって、超音波画像を分析することができる。
・ファントムが動く機械的軌道は、円形である必要はなく、むしろ、計算を正確に行うために十分な情報が得られる任意の形状を有していてよい。
・カテーテルを保持するジグが動いている間、ファントムは静止した状態で保持されていてよい。その結果、較正手順の観点から、ファントムは依然としてプローブに対して既知の軌道を描いているように見えることが可能である。
1.(例えば、上記した米国特許出願公開第2004/0254458号明細書に記載されているように、)専用のジグの中の位置センサ30に対するカテーテル22の先端のずれを較正する。
2.カテーテルをチューブに挿入し、カテーテル軸からの位置センサのずれを推定するために、位置座標を取得しながらカテーテルを回転させる。
3.カテーテルを較正容器に挿入し、カテーテルをプロセッサ24に接続し、それによりプロセッサが、位置座標および超音波画像信号の両方を受信するようにする。
4.上記に説明されたように、異なるターゲットの画像を取り込むことによって、データ点を取得する。画像が取り込まれた際に位置センサを用いて測定されたように、各データ点は、画像のひとつに対応しており、かつ、各データ点は、(操作員によってしるしを付けられた、あるいはプロセッサによって自動的に決定された)画像中のターゲットの位置と、ターゲットの実際の既知の空間的座標と、カテーテルの位置座標と、を含む。
5.一組のデータ点を用いて、較正変換マトリックスを計算する。較正が有効であることを確認するために、マトリックスの推定誤差を計算することができる。
(1)磁気位置センサおよび音響画像処理デバイスを含むプローブを較正するための装置において、
不動の機械的フレームワークと、
前記フレームワークに固定された1または複数の磁界発生器であって、既知の空間的特徴の磁界を発生させるために作動する、磁界発生器と、
音響ターゲットアセンブリであって、前記フレームワークに対して既知の空間的関係にあり、運動機構に結合されているファントムを含んでおり、前記運動機構は、前記ファントムを前記フレームワークに対して既知の軌道内で動かすように構成されている、超音波ターゲットアセンブリと、
前記フレームワークに固定されたジグであって、前記画像処理デバイスが前記ファントムを画像化するのに好適な向きで、前記1または複数の磁界発生器の前記磁界内に前記プローブを保持するための、ジグと、
プロセッサであって、前記プローブが前記ジグの中にある間、前記磁界に応答して(responsively)前記位置センサから位置信号を受信し、前記ファントムからの音波の反射に応答して前記画像処理デバイスからの画像信号を受信するように結合されており、かつ、前記位置センサに対する前記画像処理デバイスの座標を較正するために、前記位置信号および前記画像信号を処理するように結合されている、プロセッサと、
を具備する、装置。
(2)実施態様1に記載の装置において、
前記画像処理デバイスは、画像面を有する2次元の画像を取り込む(capture)ように構成されており、
前記ファントムは、前記プローブが前記好適な向きで前記ジグの中に保持されている時に、前記画像面と交差する線で交わる二つの空間面を画定するような形状および位置付けになっている、装置。
(3)実施態様2に記載の装置において、
前記ファントムは、二つの平面を含み、
前記二つの平面は、前記二つの空間面をそれぞれ画定し、かつ、前記平面からの前記音波の前記反射が、前記画像処理デバイスによって取り込まれた前記画像中に、所与の長さを有する矢じり形を形成するように配列されており、
前記ファントムは、前記二つの空間面に対して垂直である整合面を画定する前記平面の線形延長部をさらに含み、それにより、前記画像面が前記整合面と整合している時に、前記線形延長部からの前記音波の前記反射によって、前記矢じり形の前記長さが増す、装置。
(4)実施態様1に記載の装置において、
前記画像処理デバイスは、画像面を有する2次元の画像を取り込むように構成されており、
前記ファントムは、前記プローブが前記好適な向きで前記ジグの中に保持されている時に、前記画像面と交差する少なくとも二つの平行でない線を含む、装置。
(5)実施態様4に記載の装置において、
前記ファントムは、前記線上に1または複数の点源を含む、装置。
(6)実施態様1に記載の装置において、
前記音響ターゲットアセンブリは、前記フレームワークに固定されている、装置。
(7)実施態様1に記載の装置において、
前記ターゲットアセンブリに固定された追加の位置センサ、
をさらに含み、
前記追加の位置センサは、前記磁界に応答して追加の位置信号を発生させ、
前記プロセッサは、前記音響ターゲットアセンブリと前記フレームワークとの間の前記空間的関係を決定するために、前記追加の位置信号を処理するために作動する、装置。
(8)実施態様1に記載の装置において、
前記1または複数の磁界発生器は、3対のヘルムホルツコイルを具備し、
各対は、他の対と直交し、
前記コイルは、勾配が較正された電磁場を発生させるために駆動させられる、装置。
超音波ファントムであって、
前記超音波ファントムは、壁面を含み、
前記壁面は、内部空間が、前記プローブをこの内部空間の中に挿入させて複数の位置および向きでこの内部空間内を移動させることができる程度に十分な形状および大きさに定められるような形状になっており、
これら壁面は、異なるそれぞれの位置で複数の較正ターゲットを含む、
超音波ファントムと、
1または複数の磁界発生器であって、前記ファントムの近くに既知の空間的特徴のエネルギー場を発生させるために作動する、1または複数の磁界発生器と、
プロセッサであって、前記プローブが前記内部空間にある間、前記エネルギー場に応答して前記位置センサから位置信号を受信し、前記ファントムからの音波の反射に応答して前記画像処理デバイスから画像信号を受信するように、かつ、前記位置センサに対する前記画像処理デバイスの座標を較正するために、前記位置信号および前記画像信号を処理するように、結合されている、プロセッサと、
を含む、装置。
(10)実施態様9に記載の装置において、
前記較正ターゲットは、2またはそれ以上の異なる面内で向きが定められている、装置。
(11)実施態様9に記載の装置において、
前記エネルギー場は、電磁場を含む、装置。
既知の空間的特徴の磁界を発生させるために、不動の機械的フレームワークに固定されている、1または複数の磁界発生器を作動させることと、
前記フレームワークに対して既知の空間的関係にある音響ターゲットアセンブリの中のファントムを提供することと、
前記画像処理デバイスが前記ファントムを画像化するのに好適な向きで、前記1または複数の磁界発生器の前記磁界内にあるジグの中に前記プローブを保持することと、
前記ファントムが前記プローブに対して既知の軌道を描くように、前記ファントムおよび前記ジグの少なくともひとつを動かすことと、
前記プローブが前記ジグの中にある間、前記磁界に応答して前記位置センサから位置信号を受信し、前記ファントムからの音波の反射に応答して前記画像処理デバイスから画像信号を受信することと、
前記位置センサに対する前記画像処理デバイスの座標を較正するために、前記位置信号および前記画像信号を処理することと、
を含む、方法。
(13)実施態様12に記載の方法において、
前記画像処理デバイスは、画像面を有する2次元の画像を取り込むように構成されており、
前記ファントムは、前記プローブが前記好適な向きで前記ジグの中に保持されている時に、前記画像面を交差する線で交わる二つの空間面を画定するような形状および位置付けになっている、方法。
(14)実施態様13に記載の方法において、
前記ファントムは、二つの平面を有し、
前記二つの平面は、前記二つの空間面をそれぞれ画定し、かつ、前記平面からの前記音波の前記反射が、前記画像処理デバイスによって取り込まれた前記画像中に、所与の長さを有する矢じり形を形成するように構成されており、
前記ファントムは、前記二つの空間面に対して垂直である整合面を画定する前記平面の線形延長部をさらに含み、それにより、前記画像面が前記整合面と整合している時に、前記線形延長部からの前記音波の前記反射によって、前記矢じり形の前記長さが増す、方法。
(15)実施態様12に記載の方法において、
前記画像処理デバイスは、画像面を有する2次元の画像を取り込むように構成されており、
前記ファントムは、前記プローブが前記好適な向きで前記ジグの中に保持されている時に、前記画像面を交差する少なくとも二つの平行でない線を含む、方法。
(16)実施態様15に記載の方法において、
前記ファントムは、前記線上に1または複数の点源を含む、方法。
(17)実施態様12に記載の方法において、
前記音響ターゲットアセンブリは、前記フレームワークに固定されている、方法。
(18)実施態様12に記載の方法において、
追加の位置センサが、前記ターゲットアセンブリに固定されており、かつ、前記磁界に応答して追加の位置信号を発生させ、
前記位置信号および前記画像信号を処理することは、前記音響ターゲットアセンブリと前記フレームワークとの間の前記空間的関係を決定するために、前記追加の位置信号を処理することを含む、方法。
(19)実施態様12に記載の方法において、
前記1または複数の磁界発生器は、3対のヘルムホルツコイルを具備し、
各対は、他の対と直交し、
前記1または複数の磁界発生器を作動させることは、勾配が較正された電磁場を発生させるために前記コイルを駆動させることを含む、方法。
前記プローブを超音波ファントムの内部空間に挿入することであって、
前記超音波ファントムは、前記内部空間を画定するような形状になっている壁面を含み、
これら壁面は、異なるそれぞれの位置で複数の較正ターゲットを含む、
挿入することと、
前記プローブを、複数の位置および向きで前記内部空間内を移動させることと、
前記ファントムの近くに既知の空間的特徴のエネルギー場を発生させることと、
前記プローブが内部空間内の前記複数の位置および向きにある間、前記エネルギー場に応答して前記位置センサから位置信号を受信し、前記ファントムからの音波の反射に応答して前記画像処理デバイスから画像信号を受信することと、
前記位置センサに対する前記画像処理デバイスの座標を較正するために、前記位置信号および前記画像信号を処理することと、
を含む、方法。
(21)実施態様20に記載の方法において、
前記較正ターゲットは、2またはそれ以上の異なる面内で向きが定められている、方法。
(22)実施態様20に記載の方法において、
前記エネルギー場は、電磁場を含む、方法。
Claims (22)
- 磁気位置センサおよび音響画像処理デバイスを含むプローブを較正するための装置において、
不動の機械的フレームワークと、
前記フレームワークに固定された1または複数の磁界発生器であって、既知の空間的特徴の磁界を発生させるために作動する、磁界発生器と、
音響ターゲットアセンブリであって、前記フレームワークに対して既知の空間的関係にあり、運動機構に結合されているファントムを含んでおり、前記運動機構は、前記ファントムを前記フレームワークに対して既知の軌道内で動かすように構成されている、超音波ターゲットアセンブリと、
前記フレームワークに固定されたジグであって、前記画像処理デバイスが前記ファントムを画像化するのに好適な向きで、前記1または複数の磁界発生器の前記磁界内に前記プローブを保持するための、ジグと、
プロセッサであって、前記プローブが前記ジグの中にある間、前記磁界に応答して前記位置センサから位置信号を受信し、前記ファントムからの音波の反射に応答して前記画像処理デバイスからの画像信号を受信するように結合されており、かつ、前記位置センサに対する前記画像処理デバイスの座標を較正するために、前記位置信号および前記画像信号を処理するように結合されている、プロセッサと、
を具備する、装置。 - 請求項1に記載の装置において、
前記画像処理デバイスは、画像面を有する2次元の画像を取り込むように構成されており、
前記ファントムは、前記プローブが前記好適な向きで前記ジグの中に保持されている時に、前記画像面と交差する線で交わる二つの空間面を画定するような形状および位置付けになっている、装置。 - 請求項2に記載の装置において、
前記ファントムは、二つの平面を含み、
前記二つの平面は、前記二つの空間面をそれぞれ画定し、かつ、前記平面からの前記音波の前記反射が、前記画像処理デバイスによって取り込まれた前記画像中に、所与の長さを有する矢じり形を形成するように配列されており、
前記ファントムは、前記二つの空間面に対して垂直である整合面を画定する前記平面の線形延長部をさらに含み、それにより、前記画像面が前記整合面と整合している時に、前記線形延長部からの前記音波の前記反射によって、前記矢じり形の前記長さが増す、装置。 - 請求項1に記載の装置において、
前記画像処理デバイスは、画像面を有する2次元の画像を取り込むように構成されており、
前記ファントムは、前記プローブが前記好適な向きで前記ジグの中に保持されている時に、前記画像面と交差する少なくとも二つの平行でない線を含む、装置。 - 請求項4に記載の装置において、
前記ファントムは、前記線上に1または複数の点源を含む、装置。 - 請求項1に記載の装置において、
前記音響ターゲットアセンブリは、前記フレームワークに固定されている、装置。 - 請求項1に記載の装置において、
前記ターゲットアセンブリに固定された追加の位置センサ、
をさらに含み、
前記追加の位置センサは、前記磁界に応答して追加の位置信号を発生させ、
前記プロセッサは、前記音響ターゲットアセンブリと前記フレームワークとの間の前記空間的関係を決定するために、前記追加の位置信号を処理するために作動する、装置。 - 請求項1に記載の装置において、
前記1または複数の磁界発生器は、3対のヘルムホルツコイルを具備し、
各対は、他の対と直交し、
前記コイルは、勾配が較正された電磁場を発生させるために駆動させられる、装置。 - 位置センサおよび音響画像処理デバイスを含むプローブを較正するための装置において、
超音波ファントムであって、
前記超音波ファントムは、壁面を含み、
前記壁面は、内部空間が、前記プローブをこの内部空間の中に挿入させて複数の位置および向きでこの内部空間内を移動させることができる程度に十分な形状および大きさに定められるような形状になっており、
これら壁面は、異なるそれぞれの位置で複数の較正ターゲットを含む、
超音波ファントムと、
1または複数の磁界発生器であって、前記ファントムの近くに既知の空間的特徴のエネルギー場を発生させるために作動する、1または複数の磁界発生器と、
プロセッサであって、前記プローブが前記内部空間にある間、前記エネルギー場に応答して前記位置センサから位置信号を受信し、前記ファントムからの音波の反射に応答して前記画像処理デバイスから画像信号を受信するように、かつ、前記位置センサに対する前記画像処理デバイスの座標を較正するために、前記位置信号および前記画像信号を処理するように、結合されている、プロセッサと、
を含む、装置。 - 請求項9に記載の装置において、
前記較正ターゲットは、2またはそれ以上の異なる面内で向きが定められている、装置。 - 請求項9に記載の装置において、
前記エネルギー場は、電磁場を含む、装置。 - 磁気位置センサおよび音響画像処理デバイスを含むプローブを較正するための方法において、
既知の空間的特徴の磁界を発生させるために、不動の機械的フレームワークに固定されている、1または複数の磁界発生器を作動させることと、
前記フレームワークに対して既知の空間的関係にある音響ターゲットアセンブリの中のファントムを提供することと、
前記画像処理デバイスが前記ファントムを画像化するのに好適な向きで、前記1または複数の磁界発生器の前記磁界内にあるジグの中に前記プローブを保持することと、
前記ファントムが前記プローブに対して既知の軌道を描くように、前記ファントムおよび前記ジグの少なくともひとつを動かすことと、
前記プローブが前記ジグの中にある間、前記磁界に応答して前記位置センサから位置信号を受信し、前記ファントムからの音波の反射に応答して前記画像処理デバイスから画像信号を受信することと、
前記位置センサに対する前記画像処理デバイスの座標を較正するために、前記位置信号および前記画像信号を処理することと、
を含む、方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記画像処理デバイスは、画像面を有する2次元の画像を取り込むように構成されており、
前記ファントムは、前記プローブが前記好適な向きで前記ジグの中に保持されている時に、前記画像面を交差する線で交わる二つの空間面を画定するような形状および位置付けになっている、方法。 - 請求項13に記載の方法において、
前記ファントムは、二つの平面を有し、
前記二つの平面は、前記二つの空間面をそれぞれ画定し、かつ、前記平面からの前記音波の前記反射が、前記画像処理デバイスによって取り込まれた前記画像中に、所与の長さを有する矢じり形を形成するように構成されており、
前記ファントムは、前記二つの空間面に対して垂直である整合面を画定する前記平面の線形延長部をさらに含み、それにより、前記画像面が前記整合面と整合している時に、前記線形延長部からの前記音波の前記反射によって、前記矢じり形の前記長さが増す、方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記画像処理デバイスは、画像面を有する2次元の画像を取り込むように構成されており、
前記ファントムは、前記プローブが前記好適な向きで前記ジグの中に保持されている時に、前記画像面を交差する少なくとも二つの平行でない線を含む、方法。 - 請求項15に記載の方法において、
前記ファントムは、前記線上に1または複数の点源を含む、方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記音響ターゲットアセンブリは、前記フレームワークに固定されている、方法。 - 請求項12に記載の方法において、
追加の位置センサが、前記ターゲットアセンブリに固定されており、かつ、前記磁界に応答して追加の位置信号を発生させ、
前記位置信号および前記画像信号を処理することは、前記音響ターゲットアセンブリと前記フレームワークとの間の前記空間的関係を決定するために、前記追加の位置信号を処理することを含む、方法。 - 請求項12に記載の方法において、
前記1または複数の磁界発生器は、3対のヘルムホルツコイルを具備し、
各対は、他の対と直交し、
前記1または複数の磁界発生器を作動させることは、勾配が較正された電磁場を発生させるために前記コイルを駆動させることを含む、方法。 - 位置センサおよび音響画像処理デバイスを含むプローブを較正するための方法において、
前記プローブを超音波ファントムの内部空間に挿入することであって、
前記超音波ファントムは、前記内部空間を画定するような形状になっている壁面を含み、
これら壁面は、異なるそれぞれの位置で複数の較正ターゲットを含む、
挿入することと、
前記プローブを、複数の位置および向きで前記内部空間内を移動させることと、
前記ファントムの近くに既知の空間的特徴のエネルギー場を発生させることと、
前記プローブが内部空間内の前記複数の位置および向きにある間、前記エネルギー場に応答して前記位置センサから位置信号を受信し、前記ファントムからの音波の反射に応答して前記画像処理デバイスから画像信号を受信することと、
前記位置センサに対する前記画像処理デバイスの座標を較正するために、前記位置信号および前記画像信号を処理することと、
を含む、方法。 - 請求項20に記載の方法において、
前記較正ターゲットは、2またはそれ以上の異なる面内で向きが定められている、方法。 - 請求項20に記載の方法において、
前記エネルギー場は、電磁場を含む、方法。
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