JP2009072317A - 医療用チューブ操作支援システム - Google Patents

Abstract

【課題】カテーテルの形状に関わらず、カテーテルを勧めたい方向及び現在のカテーテルの状態を視認することができる医療用チューブ操作支援システム等を提供すること。
【解決手段】カテーテルの形状データ、カテーテル進行予定経路、磁気検出部６２を参照用三次元画像と同じ座標空間で表現し、参照用三次元画像の血管内であってカテーテルに設けられた磁気検出部のやや後方に設定された視点と、現在のカテーテル位置に基づいて視線方向とを用いて、医療用チューブ操作支援情報としての投影画像を生成する。生成された投影画像は、カテーテル先端部、カテーテルを進めようとする方向に眺めた血管内の状況を含むものとなる。術中において、当該投影画像を含むカテーテル操作支援情報をリアルタイムで提供することで、カテーテル操作を支援する。
【選択図】図１４

Description

本発明は、カテーテルに代表される医療用チューブを用いた治療等を行う場合に用いられる医療用チューブ操作支援システムに関する。

従来、血管造影や経皮的血管形成術においては、カテーテルというチューブが用いられている。カテーテルは、毛利型、コブラ、ヘッドハンターなどのように曲がった形状のものが多い。また、近年では、先端付近を曲がった形状に変形可能なものも開発されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。この様に変形可能なカテーテルを使用するのは、血管は分岐しており、血管の分岐部で目的とする血管分枝にカテーテルを進めるためである。血管の分岐部でカテーテル本体を目的の方向に進行させるための誘導指標として、カテーテル内部に通したガイドワイヤーを先行させることも多いが、同様の理由で、ガイドワイヤーにも曲がった形状のものが少なくない。

一般に、カテーテルあるいはガイドワイヤーは、その先端等を手元の操作で回転させることが可能である。カテーテルは、血管分岐部では、先端の向きを変化させて目的とする血管分枝の方向にその先端を向けてから進められる。この手技は、カテーテルによる血管内壁の損傷を防止せねばならないため、術者にとっては細心の注意と熟練した技術を必要とする作業であり、ストレスがかかるものである。

このような熟練を要する手技を支援するためのシステムが提案されている。例えば、近年利用可能になったマイクロ位置センサを用いて、カテーテル先端を視点として、カテーテル先端が向いている方向に眺めた参照用三次元画像を提供するシステムがある。このシステムでは、マイクロ位置センサをカテーテル先端内部に設置してその位置及び方向のデータを取得し、予め撮影された参照用三次元ＣＴ画像データをカテーテル先端から先端が向いている方向に眺めた三次元画像を表示する。術者は、表示された三次元画像を参考にしながらカテーテルを操作することにより、術者のカテーテル操作をより容易に行うことができる。
「形状記憶合金コイルを用いた細径能動カテーテル」電気学会論文誌E, 120巻11号(2000), p509-514 "Development of Hydraulic Suction Type Active Catheter Using Super Elastic Alloy Tube", PROCEEDINGS OF THE 20TH SENSOR SYMPOSIUM on Sensors, Micromachines, and Applied Systems, (2003), 57〜60

しかしながら、従来のカテーテル操作を支援するためのシステムには、例えば次の様な問題がある。

まず、従来のシステムでは、カテーテル先端を視点として、カテーテル先端が向いている方向に眺めた参照用三次元画像を表示する。このため、先端部が曲がっている形状のカテーテルを用いた場合には、カテーテルが進む方向、或いはカテーテルを進めたい方向を眺めた三次元画像を結果的に表示できない場合がある。

また、表示される参照用三次元画像は、予め撮影された実際の三次元画像データのみであり、カテーテル自体は表示されない。従って、カテーテル先端部付近が血管内でどのような状態で存在しているのかを参照用三次元画像からは知ることができない。このため、術者は、カテーテルの向きをどのように変化させれば目的とする血管分枝に進めることができるのかを容易に判定できない場合がある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、カテーテルの形状に関わらず、カテーテルを勧めたい方向及び現在のカテーテルの状態を容易に判定することができる医療用チューブ操作支援システムを提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するため、次のような手段を講じている。

本発明の視点は、医療用チューブの所定基準位置に対する空間的位置及び方向に関するデータである位置方向データを検出するための位置方向検出手段と、ボリューム座標系において定義され、前記医療用チューブが挿入される被検体の器官に関するボリュームデータと、前記器官における前記医療用チューブの進行予定経路に関するデータと、前記医療用チューブに関する形状データと、を記憶する記憶手段と、前記位置方向データ及び前記形状データを、前記ボリューム座標系に変換する変換手段と、変換後の前記位置方向データ及び変換後の前記形状データに基づいて、前記ボリューム座標系において前記医療用チューブの進行方向先端部を含む画像を生成するための視点を決定すると共に、変換後の前記位置方向データ及び変換後の前記形状データと前記進行予定経路に関するデータとに基づいて、前記決定された視点から眺めた前記前記医療用チューブの進行予定経路を含む画像を生成するための視線方向を決定する決定手段と、前記ボリュームデータ、前記進行予定経路に関するデータ、変換後の前記形状データを用いて、前記決定された視点から前記決定された視線方向に沿って投影処理を実行し、第１の投影画像を生成する画像生成手段と、生成された前記第１の投影画像を、前記医療用チューブ操作支援情報として表示する表示手段と、を具備することを特徴とする医療用チューブ操作支援システムである。

以上本発明によれば、カテーテルの形状に関わらず、カテーテルを勧めたい方向及び現在のカテーテルの状態を容易に判定することができる医療用チューブ操作支援システムを実現することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本実施形態に係る支援システム１の構成を説明するための図を示している。同図に示すように、本支援システム１は、医用画像診断装置２、画像処理装置４、位置方向データ取得装置６を具備している。なお、本実施形態においては、説明を具体的にするため、医用画像診断装置２はＸ線診断装置であるとする。しかしながら、これに拘泥されず、カテーテル操作のモニタリングに用いられる医用画像診断装置（例えば超音波診断装置等）であれば、どのようなものであってもよい。また、本実施形態においては、画像処理装置４は医用画像診断装置２とは別体であるとし、ケーブル又はネットワーク等により医用画像診断装置２に接続されている。しかしながら、これに拘泥されず、画像処理装置４は医用画像診断装置２に内蔵される構成であってもよい。

Ｘ線診断装置２は、血管に挿入されるカテーテル５のモニタリングに用いられる。被検体は、当該Ｘ線診断装置２のX線発生器とX線検出器の間に設けられたベッド上に配置される。Ｘ線診断装置２は、カテーテル挿入領域（例えば下肢部分等）に関するＸ線透視像をリアルタイムで取得すると共にモニタに表示する。術者は、表示された画像を観察することで、カテーテル５の現在の位置をモニタリングすることができる。

位置方向データ取得装置６は、カテーテル５の位置を検出する装置であり、磁気発生部６１、磁気検出部６２、位置計算部６３を有している。磁気発生部６１は、位置検出用の磁気を発生する。磁気検出部６２は、カテーテルの先端付近に装着、固定されており、検出した磁気の強さに応じて電流を発生する。位置計算部６３は、磁気検出部６２からの電流を検知し、三次元空間内での磁気発生部６１に対する磁気検出部６２の位置データ及び方向データ（検出位置方向データ）を出力する。なお、磁気検出部６２と位置方向データ取得装置本体６０とを接続するケーブルは、磁気検出部６２からの所定距離は、カテーテル内部を走行している。

画像処理装置４は、位置方向データ取得装置６によって取得される検出位置方向データを用いて、後述する医療用チューブ操作支援情報を生成する。

図２は、画像処理装置４の構成を示したブロック図である。同図に示すように、画像処理装置４は、位置合わせ部４０、視点視線方向決定部４１、方向ずれ量決定部４２、三次元投影部４３、データ記憶部４４、制御部４５、ネットワークインターフェイス部４６、入力部４７、表示部４８を有している。

位置合わせ部４０は、取得時刻と対応付づけられた検出位置方向データ及び術者が参照用三次元画像データ内に指定した座標を用いて、参照用三次元画像データと磁気検出部６２との位置合わせ（位置対応付け）を実行する。

視点視線方向決定部４１は、三次元投影部４３での投影に用いられる三次元データに対する、視線方向及び視点を決定する。

方向ずれ量決定部４２は、現在のカテーテルの方向（向き）とカテーテル進行予定経路との間の方向ずれデータを算出する。

三次元投影部４３は、入力した三次元データを２次元スクリーンに投影して投影画像を作成する。

制御部４５は、各構成要素を静的又は動的に制御する。

ネットワークインターフェイス部４６は、ネットワークを介して行う他のコンピュータ、装置などとの通信のインターフェイスを司る。

入力部４７は、術者からの指示を入力するキーボード、マウスなどの入力装置である。

表示部４８は、後述する医療用チューブ操作支援情報を所定の形態で表示する。

データ記憶部４４は、参照用三次元画像データ、参照用三次元画像データ中のカテーテル進行予定経路を示すデータ、カテーテルの形状データ、カテーテルに装着されている磁気検出部６２の位置を表すデータ等を記憶している。データ記憶部４４は、各データはネットワークインターフェイス部４６を介して受信し記憶する。

ここで、データ記憶部４４で記憶する各データについて説明する。

参照用三次元画像データは、患部（すなわち、医療用チューブが挿入される器官）について術前に取得されるボリュームデータであり、図３の一部に格子として示したように、ボクセルから構成されている。参照用三次元画像データは、被検体の三次元ＣＴ画像データから血管壁のみを検出した結果得られた画像データであり、各ボクセルは０または１の値を持っている。ボクセル値が１である部分は血管壁である。すなわち、ボクセル値が１である部分は、分岐を持った管状構造をなしている。本実施形態では、ボリュームデータの座標系（ボリューム座標系）は直交座標系であるものとし、その各軸を、^VX, ^VY, ^VZで表すこととする。なお、データ記憶部４４には、各ボクセルのX軸、Y軸、Z軸方向のサイズをmm単位で表したボクセルサイズも記憶される。

カテーテル進行予定経路データは、図４に示すような、参照用三次元画像の内部においてカテーテルを進める予定である経路を表す情報（多数の三次元座標）である。図４においては、（^Vx₁, ^Vy₁, ^Vz₁）から（^Vx_L, ^Vy_L, ^Vz_L）までのＬ個の座標として破線で例示してある。

血管分岐部データは、図４に示すような、血管分岐部の位置座標である。図４においては、この血管分岐部は、Ｂは分岐部を示す添字とし、ｊはｊ番目の分岐部であることを示す添字として、（^Vx_Bj, ^Vy_Bj, ^Vz_Bj）で例示してある。この血管分岐部の位置座標（^Vx_Bj, ^Vy_Bj, ^Vz_Bj）は、血管内部の座標であればよく、カテーテル進行予定経路上になくても構わない。

なお、カテーテル進行予定経路データ及び血管分岐部データは、参照用三次元画像と同じボリューム座標系で記述された座標であり、また参照用三次元画像データの範囲内にある座標である。このため、特別な処理を必要としないで参照用三次元画像データと位置的な重ね合わせが可能である。カテーテル進行予定経路データ及び血管分岐部データの座標は、予め参照用三次元画像上で指定され、あるいは処理されて作成されるのが典型的である。

カテーテル形状データは、直交座標系である磁気検出部座標系で表される三次元データであり、図５に示すようにカテーテルの中心線上にある多数の点の各座標から成る。図５においては、（^Rx₁, ^Ry₁, ^Rz₁）から（^Rx_K, ^Ry_K, ^Rz_K）までのＫ個の座標として例示してある。なお、磁気検出部６の取付位置はカテーテル内に取り付けられている磁気検出部の中心点であり、カテーテル形状データとして（^Rx_R, ^Ry_R, ^Rz_R）で表される。この中心点（^Rx_R, ^Ry_R, ^Rz_R）は、磁気検出部座標系の原点であり、^RX, ^RY, ^RZは、磁気検出部座標系の各軸である。また、カテーテル先端部付近の屈曲部（すなわち、カテーテルの曲がった部分）の位置を表すデータも、このカテーテル形状データに含まれる。なお、カテーテル形状データの長さについては特に限定はなく、カテーテル先端部付近さえ含んでいれば、（^Rx₁, ^Ry₁, ^Rz₁）から（^Rx_K, ^Ry_K, ^Rz_K）までのＫ個の座標より多くても少なくてもよい。

検出位置方向データは、図６に示す磁気検出部座標系から磁気発生部座標系への座標変換行列M_RTとして表現されるデータであり、後述する式１の右辺の形式を持っている。なお、磁気検出部座標系と磁気発生部座標系の座標の単位は同じであるとする。

進行方向ずれデータは、図７に示すように、カテーテル先端部付近と、カテーテル進行予定経路とのなす角度であり、単位は度である。

（座標変換行列）
各部での処理についての説明を理解しやすくするために、ここで座標変換行列について説明する。座標系Aで表された三次元座標を座標系Bで表された三次元座標に変換する座標変換行列をM_ABと書くとすると、M_ABは、次の式１の右辺形式の行列である。

M(1,1)からM(3,3)までは座標軸の回転に関する量であり、P(1)からP(3)は座標軸の平行移動量を表す。

座標系Aで表した座標を（^Ax, ^Ay, ^Az）とし、その座標を座標系Bで表した座標を（^Bx, ^By, ^Bz）とすれば、（^Bx, ^By, ^Bz）は、次の式２によって計算される。

座標系Aの座標の単位と座標系Bの座標の単位が異なる場合には、拡大あるいは縮小のためのスケーリング行列S_ABが必要となり、S_ABは、次の式３の形式の行列である。

S(1,1)、S(2,2)、S(3,3)はそれぞれX座標、Y座標、Z座標の拡大率である。スケーリングが必要な場合に（^Ax, ^Ay, ^Az）から（^Bx, ^By, ^Bz）を求める式は、次の式４である。

S_ABM_ABはS_ABとM_ABの行列の積である。以降は、このような計算式を簡単に記載するために、以下の形式で記載することにする。

（^Bx, ^By, ^Bz） ＝ M_AB（^Ax, ^Ay, ^Az）
（^Bx, ^By, ^Bz） ＝ S_ABM_AB（^Ax, ^Ay, ^Az）
（医療用チューブ操作支援情報生成等機能）
次に、医療用チューブ操作支援情報生成等機能について説明する。この機能は、医療用チューブ先端部、医療用チューブを進めようとする方向に眺めた器官内（例えば、血管内）の状況を映像化した画像を生成し、少なくともこれを含む情報を医療用チューブ操作の支援のために術中においてリアルタイムで提供するものである。

なお、医療用チューブとは、被検体の体内に挿入されるチューブ状の器具である。本実施形態では、説明を具体的にするため、医療用チューブとして血管挿入用カテーテルを用いる場合を例とする。しかしながら、本医療用チューブ操作支援システムは、これに拘泥されず、医療用チューブとして例えば超音波内視鏡等を用いる場合であっても適用可能である。

図８は、医療用チューブ操作支援情報生成等機能に従う処理（医療用チューブ操作支援情報生成処理）の流れを示した図である。以下、同図に従ってカテーテル操作支援情報生成処理を説明する。

［参照用画像／カテーテル進行予定経路の選択・表示：ステップＳ１］
入力部４７から参照用三次元画像とカテーテル進行予定経路の選択・表示指示が入力されると、制御部４５は、データ記憶部４４から参照用三次元画像とカテーテル進行予定経路データを読み出し、三次元投影部４３に送り出す。三次元投影部４３は、受け取った参照用三次元画像とカテーテル進行予定経路データを用いて投影処理を実行し、投影画像を生成する。表示部４８は、双方の位置対応付けを取りながら、図９に示すように参照用三次元画像にカテーテル進行予定経路を重畳させて表示する。

［視線方向の調整：ステップＳ２］
術者は、入力部４６からの操作により、三次元投影部４３が実施する投影処理での投影方向（すなわち視線方向）を自由に変更することができる。例えば、下肢からカテーテル挿入を行う場合であれば、典型的には、被検体を正面から見た画像となるように視線を変更するであろう。

［カテーテルの挿入及び操作／Ｘ線透視：ステップＳ３］
次に、カテーテルが例えば大腿部血管に挿入されると、医用画像診断装置２は、カテーテルの進行予定経路とされる血管に関するＸ線透視画像を取得する（ステップＳ３）。このとき、必要に応じて、任意のタイミングで血管造影剤が注入される。このX線透視によって得られた画像は、医用画像診断装置２のモニタにリアルタイムに表示される。術者は、表示されたＸ線透視画像を観察することで、現在の状況を確認しながらカテーテル操作を行うことができる。

［検出位置方向データの取得指示受：ステップＳ４］
次に、検出位置方向データの取得指示を受け付ける（ステップＳ４）。すなわち、表示されたＸ線透視画像及び参照用三次元画像を比較し、カテーテルが参照用三次元画像に含まれている最初の血管分岐部に到達したことを確認したら、術者は、入力部４７を操作して、磁気検出部６２から検出位置方向データの取得指示を入力する。制御部４５は、入力された取得指示に応答して、位置方向データ取得装置６の磁気発生部６１に磁気の発生を、磁気検出部６２に磁気の検出を指示する。磁気検出部６２は、磁気発生部６１から発生される磁気を逐次（例えば一定時間間隔で）検出して電流に変換し、位置計算部６３に送り出す。位置計算部６３は、受け取った電流に基づいて検出位置方向データを生成する。生成された検出位置方向データは、データ記憶部４４に逐次記憶されていく。

［位置合わせ処理：ステップＳ５］
入力部４７を介して、表示されている参照用三次元画像上でカテーテル先端部が存在する位置の指定を術者から受け付けると、制御部４５は位置合わせ処理を実行するように位置合わせ部４０を制御する（ステップＳ５）。この位置合わせ処理は、図１０に示すように、磁気検出部６２の位置と方向を参照用三次元画像内に仮想的に設定するものである。この処理により、カテーテル形状データを参照用三次元画像データ内に正しく位置づけることが可能となる。

まず、位置合わせ部４０は、行列算出処理を実行する（ステップＳ５１）。この行列算出処理において最終的に算出される行列は、以下のものである。

・M_TC：磁気発生部座標系から参照用三次元画像のボリューム座標系への座標変換行列
・S_TC：磁気発生部座標系と参照用三次元画像のボリューム座標系の単位の違いを調節するためのスケーリング行列
・T_R：磁気検出部座標系とボリューム座標系との位置のずれを表す（位置ずれを調整する）座標変換行列
（M_TCの算出）
本システムにおいては、参照用三次元画像データのボリューム座標系と磁気発生部座標系とは、以下の条件が満たされるように磁気発生部が固定されているものとする。

・磁気発生部座標系の^TX軸はボリューム座標系の^VXに平行で同じ向き
・磁気発生部座標系の^TY軸はボリューム座標系の^VYに平行で同じ向き
・磁気発生部座標系の^TZ軸はボリューム座標系の^VZに平行で同じ向き
参照用三次元画像を被検体に重ねたと想定したときに、^VXは被検体の左手方向、^VYは被検体の背中方向、^VZは被検体の頭部方向となるように撮影されているものとすれば、被検体を図１１に示す方向にベッドに仰向けに配置することになる。このとき、磁気発生部６１を図１１に示す方向に固定する。

この様に磁気発生部座標系とボリューム座標系とを対応付けの後、例えば磁気発生部座標系の原点をボリューム座標系の原点に変換する変換行列を算出することにより、M_TCを決定することができる。なお、M_TCにおいて、座標系の平行移動量は予め定めた任意の値に設定されているものとする。

（S_TCの算出）
位置合わせ部４０は、ボリューム座標系でのボクセルの^VX、^VY、^VZ方向のサイズをそれぞれS_x mm、S_y mm、S_z mmを算出し、スケーリング行列S_TCを次の式５のように決定する。

（T_Rの算出）
位置合わせ部４０は、磁気検出部取付位置の座標（^Rx_R, ^Ry_R, ^Rz_R）を磁気検出部座標系から参照用三次元画像のボリューム座標系に変換する。

（^Vx_R, ^Vy_R, ^Vz_R）= S_TCM_TCM_RT（^Rx_R, ^Ry_R, ^Rz_R） （式５−１）
上記式（５−１）の計算は、磁気検出部６２の取付位置の座標を磁気発生部座標系に変換し、さらにボリューム座標系に変換したことを示している。しかしながら、この計算の結果得られる（^Vx_R, ^Vy_R, ^Vz_R）は、実際に参照用三次元画像内において磁気検出部６２が実際にあるべき位置を示すものではない。なぜならば、磁気検出部座標系とボリューム座標系との位置のずれについては任意の値となっているからである。

座標変換行列T_Rは、この位置ずれを調節するためのものであり、参照用三次元画像内における磁気検出部の位置を示す座標（^Vx_R, ^Vy_R, ^Vz_R）とボリューム座標系で表した磁気検出部６２の取付位置の座標（^Vx_r, ^Vy_r, ^Vz_r）の差分を利用して、次の式６の様に決定することができる。

なお、座標（^Vx_r, ^Vy_r, ^Vz_r）は、術者によって参照用三次元画像上で指定されたカテーテル先端部が存在する位置に基づいて、取得することができる。

この座標変換行列T_Rを用いて、T_R（^Vx_R, ^Vy_R, ^Vz_R）を計算することにより、参照用三次元画像内における磁気検出部６２の位置を示す座標を取得する位置合わせ処理を実現することができる。また、本位置合わせ処理において得られたT_R、S_TC、M_TCは、位置合わせ部４０から出力され、データ記憶部４４に自動的に記憶される。

［視点・視線方向決定処理：ステップＳ６］
次に、視点視線方向決定部４１は、カテーテル形状データを参照用三次元画像のボリューム座標系に変換し、参照用三次元画像を表示する際の視点と視線方向を決定する（ステップＳ６）。すなわち、視点視線方向決定部４１は、まず、データ記憶部４４からカテーテル形状データ、検出位置方向データM_RT、磁気発生部座標系から参照用三次元画像のボリューム座標系への座標変換行列M_TC、磁気発生部座標系と参照用三次元画像のボリューム座標系の単位の違いを調節するためのスケーリング行列S_TC、磁気検出部座標系とボリューム座標系との位置ずれを表す座標変換行列T_R、カテーテル進行予定経路データを読み出す。

磁気検出部座標系で表されたカテーテル形状データのi番目の座標（^Rx_i, ^Ry_i, ^Rz_i）に対応する参照用三次元画像内での座標を（^Vx_i, ^Vy_i, ^Vz_i）とすると、（^Vx_i, ^Vy_i, ^Vz_i）は、次の式７を計算することで得られる。

（^Vx_i, ^Vy_i, ^Vz_i）= T_RS_TCM_TCM_RT（^Rx_i, ^Ry_i, ^Rz_i） （式７）
次に、視点視線方向決定部４１は、読み出した各データを用いて、式７に従う計算をカテーテル形状データのＫ個の座標すべてについて実行する。なお、当然ながら、式７に従う計算をカテーテル形状データのＫ個の座標についての計算には、磁気検出部６２の代表点（磁気検出部６２の位置を示す点）（^Rx_R, ^Ry_R, ^Rz_R）についての変換（^Vx_R, ^Vy_R, ^Vz_R）= T_RS_TCM_TCM_RT（^Rx_R, ^Ry_R, ^Rz_R）も含まれる。

続いて、視点視線方向決定部４１は、参照用三次元画像を表示する際の視点と視線方向を決定する。視点は、磁気検出部６２の取付位置に対して、検出位置方向データ取得装置６側（例えば、磁気検出部６２の取付位置よりも２cm検出位置方向データ取得装置６側）にあり、かつ参照用三次元画像の血管内部にある座標を選択する。なお、視点は、カテーテル形状データのうちの１つである必要はなく、またカテーテル進行予定経路上にある必要もない。また、視点視線方向決定部４１は、決定された視点に最も近いカテーテル進行予定経路データの座標を選択し、この座標におけるカテーテル進行予定経路の接線を求め、この接線に平行でカテーテル基部方向と反対の方向を視線方向として決定する。求めた視点及び視線方向は三次元画像空間内（すなわち、ボリューム座標系）での座標と方向である。

さらに、視点視線方向決定部４１は、参照用三次元画像のボリューム座標系で表したカテーテル形状データ及び磁気検出部取付位置の各座標のうち、参照用三次元画像内にある座標を選択する。この様な選択を行うのは、参照三次元画像内にないカテーテル形状データは三次元画像に重ねて表示する意味がないからである。

［投影画像生成処理：ステップＳ７］
三次元投影部４３は、カテーテル形状データ、磁気検出部取付位置のうち参照用三次元画像内にあるデータ、及び参照用三次元画像データを二次元スクリーンに投影することで、投影画像を生成する（ステップＳ８）。このとき、磁気検出部６２の位置（座標）を表すマーク情報（例えば小さな球）が三次元投影部４３に送られ、参照用三次元画像とカテーテル進行予定経路データと一緒に投影される。

また、三次元投影部４３は、カテーテル形状データ、磁気検出部取付位置のうち参照用三次元画像内にあるデータ、及び参照用三次元画像データを、ステップＳ６において決定された視点から同じくステップＳ６において決定された視線方向に沿って二次元スクリーンに投影することで、投影画像を生成する（ステップＳ８）。

なお、本実施形態では、視点視線方向決定部４１において取得された視点から視線方向に沿って眺めた投影画像を生成する場合には、図１２に示すように、三次元データ空間に視点を１つ設定し、視点から眺めた画像を生成するための投影方法である透視投影（遠近投影）を採用する。また、それ以外の投影画像の生成には、図１３に示すように、スクリーン上の各ピクセルに対する視線を全て平行とする投影方法である平行投影を用いる。ただし、平行投影の場合は、視点よりも観察者側にある三次元画像データは投影しない（すなわち、クリッピングを行う）のが望ましい。

［医療用チューブ操作支援情報の表示：ステップＳ８］
表示部４８は、図１４に示すように、三次元投影部４３において生成された投影画像（すなわち、参照用三次元画像にカテーテル進行予定経路及び磁気検出部６２の位置を示すマークが重畳された画像Ｐ１、及び参照用三次元画像の血管内であって磁気検出部６２よりもやや後方に視点が置かれ、カテーテル先端部近傍及び視点から眺めたカテーテル進行予定経路が映像化された画像Ｐ２）、を、医療用チューブ操作支援情報として、所定の形態で（例えばオーバーレイ描画、画像オーバーレイ合成等）で表示する。ここで、オーバーレイ描画とは、文字、グラフィックスをオーバーレイとして描画する表示形態である。また、画像オーバーレイ合成とは、入力された表示用画像を画像に重ねて表示する表示形態である。

また、検出位置方向データの取得、及びステップＳ６〜Ｓ８の各処理は、リアルタイムで逐次実行される。従って、術者がカテーテルを動かすと、医療用チューブ操作支援情報に含まれる投影画像等は、刻々と変化することになる。術者は、表示された画像を見ながら、これからカテーテルを進める方向や、その時点でカテーテル先端部の位置や方向を、表示された医療用チューブ操作支援情報によりリアルタイムで確認することができる。

［方向ずれ量］
任意のタイミングで方向ずれ量の計算指示がなされると、方向ずれ量決定部４２は、カテーテル先端部付近の屈曲点のデータ番号、参照用三次元画像のボリューム座標系で表したカテーテル形状データ、カテーテル進行予定経路データを用いて、カテーテルとカテーテル進行予定経路の方向ずれデータを算出する。ここで、カテーテル先端部付近の屈曲点のデータ番号は、カテーテルの種類ごとに予め決定され、データ記憶部４４に記憶される。

すなわち、方向ずれ量決定部４２は、参照用三次元画像のボリューム座標系で表したカテーテル形状データから、カテーテル先端部付近の屈曲点のデータ番号に対応する座標（屈曲点座標）を選択し、カテーテル進行予定経路データの中で、この屈曲点座標に最も近い座標を算出する。なお、この計算は、例えば屈曲点座標とカテーテル進行予定経路データの各座標との間の距離を計算し、距離が最小となる座標を求めることで、実現することができる。

次に、方向ずれ量決定部４２は、図１５に示すように、カテーテル進行予定経路データの中で、この屈曲点座標に最も近い座標からカテーテル進行予定方向にある座標のうち、予め定めた距離（例えば１cm）に含まれるものを利用して、最小自乗法等によってカテーテル進行予定経路の近似直線を求める。また、同様に、屈曲点より先端側にあるカテーテル形状データを利用して、最小自乗法等によってカテーテルの近似直線を求める。

方向ずれ量決定部４２は、求められたカテーテル進行予定経路の近似直線及びカテーテルの近似直線のなす角度を算出し、カテーテル先端部付近とカテーテル進行予定経路との方向ずれ量を決定する。

決定された方向ずれ量は、表示部４８に送られ、医療用チューブ操作支援情報として、例えば文字情報としてオーバーレイが作成され投影画像に重ねて表示される。術者はこの角度値を見て、現在のカテーテルの方向と進めるべき方向との差を定量的に把握することができる。

［応用例１］
上記実施形態では、参照用画像データは、被検体の三次元CT画像データから血管壁のみを検出した結果得られた画像データであるものとした。しかし、CT画像データに拘泥することなく、ＭＲＩ画像などの他のモダリティによって取得された画像であってもよい。また、血管壁を検出した結果得られた２値画像であるとしたが、撮像の結果得られた三次元画像をそのまま利用してもよい。さらに、血管内で医療用チューブを移動させる場合の操作支援情報の提供を例としたが、対象とするのは血管に拘泥されず、他の器官であってもよい。

［応用例２］
上記実施形態では、参照用画像データはボリュームデータであり、図３の一部に格子として示したように、等間隔で配列された複数のボクセルから構成されているものとした。しかしながら、ボクセルは等間隔に配列されている必要なない。すなわち、参照用画像データは、三次元表示可能であり、かつ座標が計算できるものであれば、どの様なデータ形式であってもよい。

［応用例３］
上記実施形態では、カテーテル進行予定経路データを扱ったが、これを扱わないことも可能である。この場合、カテーテル進行予定経路を表示することはできず、また、カテーテル先端部付近とカテーテル進行予定経路のなす角度は表示されない（すなわち、医療用チューブ操作支援情報として、図１４の右側の画像のみが表示される）。しかしながら、これら情報が表示されなくても、カテーテルを進めたい方向の三次元画像をカテーテル先端部付近とともに表示することは可能であり、医療用チューブ操作の支援情報としての目的は達成される。

［応用例４］
上記実施形態では、磁気検出部６２はカテーテルの先端付近に設けられており、その固定位置や方向に制限を与えていた。しかしながら、磁気検出部６２はカテーテルの先端付近に必ずしも設置する必要はない。すなわち、磁気検出部座標系で表現された位置が、正しく参照用三次元画像内の座標に変換できるようになっていればよく、事前に位置関係の対応を取ることができれば、その固定位置や方向に制限はない。

［応用例５］
上記実施形態では、カテーテルとカテーテル進行予定経路の方向ずれ量を計算し、これをカテーテル操作支援情報に含めて表示する構成とした。これに加えて、現在のカテーテル先端部の位置と、最終的にカテーテル先端部を配置したい位置との間の距離（現在のカテーテル先端部の位置が目的部位からどのくらい離れているかを知るための情報）を生成し、カテーテル操作支援情報に含めるようにしてもよい。この距離は、例えば、現在のカテーテル先端部付近の屈曲点からカテーテル先端までの距離と、屈曲点から最も近いカテーテル進行予定経路上の位置とを求め、屈曲点から最も近いカテーテル進行予定経路上の位置からカテーテル先端部付近の屈曲点からカテーテル先端までの距離と同じ距離にあるカテーテル進行予定経路上の位置を求めて、その位置とカテーテル先端との距離を算出することで、取得することができる。

［応用例６］
上記実施形態では、視点視線方向決定部において求める視点と視線方向は１組であったが、さらに異なる視点と視線方向を求め、それぞれに対応する複数の医療用チューブ操作支援情報を同時又は交互に表示してもよい。これにより、術者は、表示された異なる視点と視線方向とによる複数の医療用チューブ操作支援情報（特に、カテーテルの先端を含む投影画像）を観察することができ、現在のカテーテルの位置、形状、方向の把握をさらに容易に把握することができる。

（効果）
以上述べた構成によれば、以下の効果を得ることができる。

本医療用チューブ操作支援システムによれば、カテーテルの形状データ、カテーテル進行予定経路、磁気検出部６２を参照用三次元画像と同じ座標空間で表現し、参照用三次元画像の血管内であってカテーテルに設けられた磁気検出部のやや後方に設定された視点と、現在のカテーテル位置に基づいて視線方向とを用いて、医療用チューブ操作支援情報としての投影画像を生成する。従って、生成された投影画像は、カテーテル先端部、カテーテルを進めようとする方向に眺めた血管内の状況を含むものとなる。術者は、この投影画像を観察することで、現在のカテーテルの向き、カテーテルを進めるべき方向等のカテーテル操作に有用情報を取得することができ、もって、術者のカテーテル操作を容易にすることができる。

また、本医療用チューブ操作支援システムによれば、必要に応じて方向ずれ量（角度）を計算し、医療用チューブ操作支援情報として提供することができる。従って、術者は、提供された方向ずれ量を観察することで、現在のカテーテルの方向と進めるべき方向との差を定量的に把握することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。具体的な変形例としては、例えば次のようなものがある。

本実施形態に係る各機能は、当該処理を実行するプログラムをワークステーション等のコンピュータにインストールし、これらをメモリ上で展開することによっても実現することができる。このとき、コンピュータに当該手法を実行させることのできるプログラムは、磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）、半導体メモリなどの記録媒体に格納して頒布することも可能である。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

以上本発明によれば、カテーテルの形状に関わらず、カテーテルを勧めたい方向及び現在のカテーテルの状態を視認することができる医療用チューブ操作支援システム及び画像処理装置を実現することができる。

図１は、本実施形態に係る医療用チューブ操作支援システム１の構成を説明するための図を示している。 図２は、本実施形態に係る画像処理装置４の構成を示したブロック図である。 図３は、患部（すなわち、医療用チューブが挿入される器官）について術前に取得される参照用三次元画像データを説明するための図である。 図４は、参照用三次元画像の内部においてカテーテルを進める予定である経路を表す情報であるカテーテル進行予定経路データを説明するための図である。 図５は、直交座標系である磁気検出部座標系で表されるカテーテル形状データを説明するための図である。 図６は、磁気検出部座標系から磁気発生部座標系への座標変換を説明するための図である。 図７は、カテーテル先端部付近と、カテーテル進行予定経路とのなす角度（方向ずれ量）を説明するための図である。 図８は、医療用チューブ操作支援情報生成等機能に従う処理（医療用チューブ操作支援情報生成処理）の流れを示した図である。 図９は、参照用三次元画像にカテーテル進行予定経路を重畳させた表示例を示した図である。 図１０は、磁気検出部６２の位置及び方向の参照用三次元画像内への仮想的設定を説明するための図である。 図１１は、磁気発生部座標系から参照用三次元画像のボリューム座標系への座標変換行列M_TCを説明するための図である。 図１２は、透視投影を説明するための図である。 図１３は、平行投影を説明するための図である。 図１４は、参照用三次元画像にカテーテル進行予定経路及び磁気検出部６２の位置を示すマークが重畳された画像Ｐ１、参照用三次元画像の血管内であって磁気検出部６２よりもやや後方に視点が置かれ、カテーテル先端部近傍及び視点から眺めたカテーテル進行予定経路が映像化された画像Ｐ２を含む医療用チューブ操作支援情報を説明するための図である。 図１５は、カテーテル先端部付近とカテーテル進行予定経路との方向ずれ量の計算方法を説明するための図である。

符号の説明

１…支援システム、２…医用画像診断装置、４…画像処理装置、６…位置方向データ取得装置、４０…位置合わせ部、４１…視点視線方向決定部、４２…方向ずれ量決定部、４３…三次元投影部、４４…データ記憶部、４５…制御部、４６…ネットワークインターフェイス部、４７…入力部、４８…表示部

Claims (5)

1. 医療用チューブの所定基準位置に対する空間的位置及び方向に関するデータである位置方向データを検出するための位置方向検出手段と、
   ボリューム座標系において定義され、前記医療用チューブが挿入される被検体の器官に関するボリュームデータと、前記器官における前記医療用チューブの進行予定経路に関するデータと、前記医療用チューブに関する形状データと、を記憶する記憶手段と、
   前記位置方向データ及び前記形状データを、前記ボリューム座標系に変換する変換手段と、
   変換後の前記位置方向データ及び変換後の前記形状データに基づいて、前記ボリューム座標系において前記医療用チューブの進行方向先端部を含む画像を生成するための視点を決定すると共に、変換後の前記位置方向データ及び変換後の前記形状データと前記進行予定経路に関するデータとに基づいて、前記決定された視点から眺めた前記前記医療用チューブの進行予定経路を含む画像を生成するための視線方向を決定する決定手段と、
   前記ボリュームデータ、前記進行予定経路に関するデータ、変換後の前記形状データを用いて、前記決定された視点から前記決定された視線方向に沿って投影処理を実行し、第１の投影画像を生成する画像生成手段と、
   生成された前記第１の投影画像を、前記医療用チューブ操作支援情報として表示する表示手段と、
   を具備することを特徴とする医療用チューブ操作支援システム。
2. 前記画像生成手段は、前記ボリュームデータ、前記進行予定経路に関するデータ、前記形状データを用いて、前記被検体の器官、前記進行予定経路、前記医療用チューブの先端近傍位置を含む第２の投影画像を生成し、
   前記表示手段は、前記第２の投影画像を含む前記医療用チューブ操作支援情報を表示すること、
   を特徴とする請求項１記載の医療用チューブ操作支援システム。
3. 前記進行予定経路に関するデータ、変換後の前記形状データ、予め設定される前記医療用チューブの屈曲点の位置データを用いて、前記医療用チューブの現在の方向と前記進行予定経路との方向ずれ量を計算する計算手段をさらに具備し、
   前記表示手段は、前記方向ずれ量を含む前記医療用チューブ操作支援情報を表示すること、
   を特徴とする請求項１又は２記載の医療用チューブ操作支援システム。
4. 前記位置方向検出手段は、
   前記所定基準位置に設けられる磁気発生手段と、
   前記医療用チューブの所定位置に設けられ、前記磁気発生手段が発生する磁気を検出し、検出した磁気に基づいて前記空間的位置及び方向に関するデータを発生する磁気検出手段と、
   を具備することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の医療用チューブ操作支援システム。
5. 前記器官は血管であり、
   前記医療用チューブは、血管用カテーテルであること、
   を特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の医療用チューブ操作支援システム。

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