JP2009545354A

JP2009545354A - 磁気共鳴検出を用いて医療機器を追跡するためのシステム

Info

Publication number: JP2009545354A
Application number: JP2009522353A
Authority: JP
Inventors: アッシフ，ベニー
Original assignee: インサイテック・リミテッド
Priority date: 2006-08-01
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2009-12-24
Also published as: EP2051630A1; WO2008015520A1; US20080033278A1

Abstract

ＭＲ追跡装置を含む医療機器を追跡するために磁気共鳴を用いるためのシステムは、ＲＦパルスにより活性化された核からの磁気共鳴(ＭＲ)応答信号を受信するように適合された１つ以上のラジオ波(ＲＦ)追跡コイルを含み、該追跡装置は医療機器に取り付けられている。ＲＦ応答信号が受信される前に、ディフェージンググラジエントが読み出しグラジエントに垂直に印加され、これにより遠隔の核から生じる任意の干渉信号をディフェージングして減衰する一方で、ＭＲ応答信号は実質的に影響を受けない。システムは、各コイルからの信号の振幅、及び各コイル間の検出された距離を検査することにより、追跡場所のエラーも検出することができ、低い振幅、又は他のコイルに対して既知の場所から逸脱する場所を有するコイルからのデータを無視することにより、係るエラーを補正する。
【選択図】図１

Description

本発明の分野は概して、体内に取り付けられた又は体内へ入れられた医療機器の位置を医療処置中に監視するためのシステムに関し、より具体的には、磁気共鳴映像法を用いて係る医療機器を追跡することに関する。

発明の背景
人体の内部ヒト組織の磁気共鳴（ＭＲ）映像法および体内に入れられた装置のＭＲ追跡は、当業者により知られており、従って、本明細書で詳細に説明される必要はない。係るＭＲ映像法（イメージング）は、診断、外科手術、非侵襲手術、及び低侵襲手術などを含む多数の医療処置に使用され得る。一般論として、ＭＲを用いるイメージングは、イメージングされるべき対象物を均一の磁界にさらすことからなる。磁界により、水素原子核スピンが磁界の軸方向磁場の周りに整列して歳差運動する。次いで、対象物は、静磁場に垂直な平面内のラジオ波（ＲＦ）磁場のパルスにさらされる。そのＲＦパルスにより、整列したスピンの一部は、一時的に非整列の高エネルギー状態と整列状態とを行きつ戻りつし、それによりＭＲエコーと呼ばれるＲＦ応答信号を放出する。受信器は、ＭＲエコー信号の持続時間、強度、及び発生源の場所を検出し、次いで、係るデータが処理のために格納される。異なる組織が異なるＲＦ応答信号を発生し、この特性を用いて画像のコントラストを生成することは知られている。

関心のある全領域を選択的にイメージングするために、データは傾斜磁場（Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚ）を用いて取得される。次いで、データは、フーリエ変換のような既知の計算法を用いて処理され、様々な組織タイプの空間的場所が計算されて、関心のある対象物の画像が生成される。

また、医療処置中に映像化するためにＭＲ映像法を効果的に用いて、その処置中に使用される医療機器の場所を見つけて、その医療機器を案内することも援助する。例えば、患者は、ＭＲ映像法（ＭＲＩ）装置内に配置されて、生検針、カテーテル、超音波融除装置、又は他の機器のような医療機器を用いて医療処置が実行される。医療機器は、患者の体内への挿入用とすることができ、或いは患者に治療効果がある又は診断を支援する、患者の外部で使用される装置とすることができる。例えば、医療機器は、患者の体外に配置される超音波装置とすることができ、その超音波装置は、組織または他の物質を除去するために使用される超音波エネルギーを患者の体上または体内に集中させる。ＭＲＩ装置は好適には、患者の位置および／または患者の内部組織に対する機器の場所がリアルタイム又はほぼリアルタイムで監視され得るように、高速で画像を生成する。ＭＲＩ装置は、周囲の体内組織を映像化するために、且つ機器の場所を見つけるために使用され、その結果、画像およびその画像上に重なって表示された機器を用いて、その機器の絶対的な場所、及び患者の体内組織に対する場所を追跡することができる。

医療機器は、その機器の形状、材料、又は他の特性に起因して、ＭＲＩシステムによって正確に又は高解像度で直接的に検出されることができないので、ＭＲ追跡技術とＭＲ追跡装置が開発されている。幾つかの追跡システムは、米国特許第５，６２２，１７０号、米国特許第５，６１７，８５７号、米国特許第５，２７１，４００号、米国特許第５，３１８，０２５号、及び米国特許第６，２８９，２３３号で説明されている。これら米国特許で説明された追跡システムは、カテーテル、針または他の装置のような、追跡されるべき機器に取り付けられた追跡装置を含む。追跡装置は一般に、ＭＲシステムの静磁場、傾斜磁場、及びＲＦパルスに応答して対象物（組織など）により生成されたＭＲ応答信号を受信できる小さい電線コイル（ＲＦコイル）からなる。ＲＦコイルは小さく、そのためコイルの感度はコイルから離れると迅速に低下し、即ち言い換えれば、ＲＦコイルは、コイルに非常に近くにある活性化した核からのＭＲ応答信号のみを検出する。

使用中、患者および追跡装置を備える医療機器は、ＭＲＩシステムのボア内に配置される。次いで、非選択的（ボア内の場所に関して特異性でないという意味）ＲＦ励起パルスが印加される。ＲＦパルスにより、追跡コイルの近傍の対象物を含む、対象物から、上述したようにＭＲ応答信号が生じる。追跡コイルは対象物からのＭＲ応答信号を受け取り、この受け取った信号は、増幅されて処理され、デジタル的にサンプリングされ、その後、サンプリングされたデータの解析のために追跡処理システムに伝達される。ＭＲＩシステムの既知の磁場勾配、及び原子核スピンのラーモア周波数特性を利用することにより、このデータは、追跡装置の場所、それ故に追跡装置が取り付けられている医療機器の場所を計算するために当該技術分野で知られている計算法を用いて処理され得る。同時に、ＭＲＩシステムを用いて、患者における関心のある場所を空間的に見つけて映像化する。次いで、位置情報（医療機器の画像、表示またはイラストを含む）が、関心のある場所の画像（又はＭＲＩシステムにより生成された関心のある任意の他の画像）上に重ねられ得る。画像は、コンピュータモニタ、プリントアウト、又は他の表示形式のような、任意の適切な表示で表示され得る。

理想的には、追跡装置のＲＦコイルの特別な感度領域は、非常に小さいので、それはコイルの正確な場所のみからＭＲ応答信号を受け取る。この状況において、ＲＦ追跡コイルは、周囲の物質から又はＭＲボア内に存在する他の装置および機器から任意の干渉信号を受信しない。しかしながら、実際には、ＲＦコイルにより受信される顕著な干渉（interference：混信）が存在する可能性がある。例えば、ＲＦコイルから相対的に離れて配置されたＭＲ感応物質は、ＲＦコイルに少なくとも弱く結合されたＭＲ応答信号を放出する。この信号は、ＲＦ追跡コイルのすぐ近くにない物質により放出されるので、追跡装置の精度を低くする干渉を意味する。また、ＭＲボア内に存在する他のコイルも、ＲＦ追跡コイルから相対的に遠く離れて配置されたＭＲ感応物質から信号を受信している。これらコイルは、ＲＦ追跡コイルに磁気的に結合され、遠隔にある物質からの干渉信号をＲＦ追跡コイル内に誘導する。更に、該結合は比較的弱い可能性があるが、ＲＦ追跡コイルのすぐ近くの感応容積により放出された原信号よりも何桁も大きい干渉信号が多量の物質から生じるので、信号は主信号との顕著な干渉を生じる可能性がある。

発明の概要
本発明によれば、医療機器を追跡するためにＭＲを用いるシステムが提供され、そのシステムは、従来のシステムが欠点として持つ干渉信号を低減する。システムは、ＭＲ装置により活性化された物質により放出されるＭＲ応答信号を受信することができるＲＦ追跡コイル又は他の適切な受信構成要素を含むことができるＭＲ追跡装置（単数または複数）を含む。ＲＦ追跡コイルは、ヘリカルコイルに形成された導線からなることができる。水またはオイルのようなＭＲ感応物質で充填された小さい管が、ＲＦ追跡コイルの巻線に挿入され得る。ＭＲ追跡装置（単数または複数）は、超音波または放射線融除装置、カテーテル、又は他の機器のような任意の医療機器に取り付けられ得る。

本発明の一実施形態において、傾斜磁場に対して改善されたパルスシーケンスを使用して、従来システムが欠点として持つ干渉信号を減衰する。干渉信号は、ＲＦ追跡コイルのすぐ近くの外部にあるＭＲ感応物質の広く大きな塊により主として生成される。従って、干渉信号は、非常に広い帯域幅、及び短いエコー持続時間を有する。これに対して、ＭＲ応答信号は、ＲＦ追跡コイルの近くにある小さい塊から生じ、非常に低い帯域幅、及び長いエコー持続時間を有する。

読み出しグラジエントを印加する前に、読み出しグラジエントに垂直に、好適には干渉信号を生じる物質の最も長い軸に沿ってディフェージンググラジエントを印加することにより、干渉信号はディフェージングされ、この結果、強く減衰される。同時に、追跡ＲＦコイルの近傍からのＭＲ応答信号は、その小さい物理的サイズによって、ディフェージンググラジエントによる影響を殆ど受けない。

従って、本発明のこの実施形態の目的は、応答信号の干渉を低減するシステムをＭＲ追跡装置に提供することである。

本発明によるＭＲＩシステム及び医療機器の一部切開された斜視図である。図１に示された医療機器の上面斜視図である。図２に示された医療機器に使用される例示的な追跡装置の拡大斜視図である。図３に示された追跡装置に使用される例示的なＲＦ追跡コイルと管の拡大斜視図である。ＭＲ追跡装置の場所データを取得するために使用される基本パルスシーケンス図形のグラフ図である。本発明によるパルスシーケンス図形のグラフ図である。本発明によるＭＲを用いて医療機器を追跡するシステムを実施するために使用される例示的なアルゴリズムの流れ図である。

本発明の詳細な説明
図１に示されるように、本発明によるＭＲＩシステム１００は、ＭＲＩ装置１０２、及びＭＲＩ装置１０２のボア内に配置された医療機器１０３を含む。ＭＲＩ装置の構成要素および動作は当該技術で知られており、そのため、システム１００の理解に役立つ幾つかの基本的構成要素およびその動作だけが本明細書で説明される。

ＭＲＩ装置１０２は一般に、電磁石１０４のボア１０５内に静磁場を生成する円筒形電磁石１０４を含む。電磁石１０４は、磁石ボア１０５の内側のイメージング領域１１６内に実質的に一様な磁界を生成する。電磁石１０４は磁石ハウジング１０６内に収容され得る。患者１１０が載せられる支持テーブル１０８が、磁石のボア１０５内に配置される。患者は、患者１１０内の関心のある塊１１８がＭＲＩ装置１０２のイメージング領域１１６内に配置された状態で配置される。

また、一組の円筒形傾斜磁場コイル１１２も、磁石１０４のボア内に設けられる。また、傾斜磁場（グラジエント）コイル１１２も患者１１０を包囲する。傾斜磁場コイル１１２は所定の大きさの傾斜磁場を、所定の時間に、及び磁石ボア１０５内で３つの相互に直交する方向に生成する。ＲＦ送信器コイル１１４は、イメージング領域１１６を画定するボア１０５内の関心のある領域を包囲する。ＲＦ送信器コイル１１４は、患者１１０内の関心のある塊１１８内に含む、イメージング領域１１６内へ磁界の形態でＲＦエネルギーを放出する。

また、ＲＦ送信器コイル１１４は、ＲＦ送信器コイル１１４により生成されたＲＦパルスの結果として共鳴しているスピンにより放出されたＭＲ応答信号も受信することができる。ＲＦコイル１１４により受信されるＭＲ応答信号は、当業者に知られているように、画像処理システム２００を用いて増幅されて調整され、データへとデジタル化される。画像処理システム２００は更に、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を含む既知の計算法を用いて、デジタル化データを画像データのアレイへ処理する。次いで、画像データは、コンピュータＣＲＴ、ＬＣＤディスプレイ又は他の適切なディスプレイのようなモニタ２０２に表示される。

また、医療機器１０３も、ＭＲＩ装置１０２のイメージング領域１１６内に配置される。図１に示された例において、医療機器１０３は、子宮筋腫、癌組織または癌でない組織のような組織を除去するために、血管内の閉塞を分解するために、又は患者１１０の体上または体内の組織に関する他の治療を行うために使用される超音波融除装置である。図２を参照すると、医療機器１０３は、１つ又は複数の追跡装置１２２を有し、この場合、４つの追跡装置１２２が使用される。追跡装置１２２は、医療機器１０３の既知の位置にある。

理解されるべきは、医療機器１０３は、以下に制限されないが、針、カテーテル、ガイドワイヤー、放射線送信器、内視鏡、腹腔鏡または他の機器を含む、任意のタイプの医療機器とすることができる。更に、医療機器１０３は、患者１１０の体外に配置するように、又はカテーテル等と共に患者の体内に挿入するように構成され得る。患者１１０の体内に挿入することを意図された医療機器の場合、追跡装置（単数または複数）１２２は、患者１１０の体内に挿入されるように、医療機器、即ちカテーテル又は針などの先端部に位置することができる。

図３及び図４でより詳細に示されるように、追跡装置１２２は、管１２６の周りに巻き付けられたＲＦ追跡コイル１２４を含む。ＲＦコイル１２４は、銅のような導線から形成される。管１２６は、ガラス、ポリマープラスチック等を含む、任意の適切な材料から形成され得る。管１２６は、オイル、水、又は任意の他のＭＲ感応物質で充填され得る。管１２６及びＲＦコイル１２４は、プラスチック又は他の適切な非導電性材料から形成された追跡装置ハウジング１２８に取り付けられる。

医療機器１０３からの超音波エネルギーの伝達を改善するために、医療機器は、脱気水、ゲル又は他の適切な媒体のような超音波透過媒体１３２で充填されたトランスデューサハウジング１３０内に配置され得る。

ＲＦ追跡コイル１２４は画像処理システム２００に電気接続される。追跡装置１２２により受信されたＭＲ応答信号は、画像処理システム２００を用いて、増幅されて調整され、データへとデジタル化される。画像処理システム２００は、上述したように、ＲＦコイル１１４により受信された信号の処理と同様に、信号を処理する。代案として、ＲＦ追跡コイルは、画像処理システム２００から分離した第２の画像処理システム（図示せず）に電気接続されてもよい。第２の画像処理システムは、画像処理システム２００と同様に、追跡装置１２２により受信されたＭＲ応答信号を処理する。第２の画像処理システムは、結果としての追跡データを第１の画像処理システムに伝達することができ、この場合、それは、ＭＲＩシステムからの画像（即ち、ＲＦ送信コイル１１４により受信された信号から生成された画像）を有するディスプレイ２０２上へ重ね合わせられ得るか、又はディスプレイ２０２とは別個のディスプレイに表示され得る。

関心のある患者の塊に対するイメージング領域１１６内の医療機器１０３の位置と向きは、関心のある塊を映像化するためのＭＲＩ装置１０２、及び医療機器１０３の位置と向きを求めるための追跡装置１２２を用いて求められ得る。動作中、ＭＲＩ装置１０２は、図６に示されるようなパルスシーケンス図形（pulse sequence diagram：ＰＳＤ）を用いて、傾斜磁場コイル１１２、ＲＦ送信コイル１１４、及びＲＦ追跡コイルを活性化する。図６に示された提示されたパルスシーケンス図形は、概念のみである。そのシーケンスは、各軸における追跡装置の投影を求めるために、異なる読み出しグラジエントの方向、即ちＸ、Ｙ、及びＺのそれぞれにおいて、少なくとも３回繰り返されるべきである。各読み出しグラジエントの方向について、ディフェージング（dephasing：位相の散逸）グラジエント（gradient：勾配、傾斜磁場）の方向が、その読み出しグラジエントの方向に垂直であるように、好適には干渉を生じるＭＲ感応物質の最も長い軸に沿うように選択される。図６のＰＳＤは、図５に示された一般的なＰＳＤと比較され得る。図６の修正されたＰＳＤにおいて、ディフェージンググラジエントは、ＭＲ応答信号がＲＦ追跡コイルにより受信される前に、読み出しグラジエントに垂直に印加される。ディフェージンググラジエントは好適には、干渉信号を生じる物質の最も長い軸に沿って印加される。提示された例において、医療機器１０３を包囲する水の塊または他の媒体１３２は、干渉の主な源である。従って、干渉を生じる可能性がある物質の最も長い軸は、媒体１３２の塊の長軸である。ディフェージンググラジエントは、媒体により、及び追跡装置１２２のすぐ近くの外部から発する干渉信号の任意の他の供給源により生成される干渉信号を強力に減衰させる。上述されたように、各ＲＦ追跡コイル１２４のすぐ近くにある物質により生成された主要なＭＲ応答信号への影響は、各ＲＦ追跡コイル１２４により受信された干渉信号への減衰の効果に比べて極めて小さい。言い換えれば、ＲＦ追跡コイル１２４により受信された主要なＭＲ応答信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）は、修正されたＰＳＤを用いることにより、大幅に増大する。

次いで、ＲＦ追跡コイル１２４のそれぞれにより受信されたＲＦ応答信号は、当該技術において一般に知られている計算技術を用いて画像処理システム２００により処理される。例えば、図７を参照すると、本発明による例示的なアルゴリズムの流れ図が示される。最初に、ステップ３００において、未加工データファイルが読み出されて、各追跡装置１２２に毎に構成される。未加工データは、各ＲＦ追跡コイル１２４により受信されたＭＲ応答信号からの調整されてデジタル化されたデータを含む。未加工データは、ＭＲ座標における各追跡装置１２２の場所を計算するために、ＦＦＴを含む計算法を用いて処理される。次いで、場所情報は、ステップ３２０及び３３０のそれぞれにおいて、静磁場オフセット状態（Ｂ０）、テーブルの位置、及びグラジエントの非線形性を考慮するために補正される。ステップ３４０において、アルゴリズムは、個々の追跡装置１２２の場所、及び追跡装置１２２の場所の組における故障およびエラーを検出する。エラー検出は、２つの異なる方法、即ち各追跡装置１２２のＳＮＲ及び追跡装置間の距離に基づく。個々の追跡装置１２２のＳＮＲが事前設定された値未満であると判明した場合には、特定の追跡装置のデータは無視され、他の装置に対する追跡装置の距離が追跡装置１２２の既知の場所から逸脱する場合、その追跡装置のデータも無視される。ステップ３５０において、医療機器の最終の場所が、有効な追跡装置からのデータのみを考慮して計算される。医療機器の場所を求めるための追跡装置のデータが十分に有効でない場合、新たな追跡スキャンが実行される。この結果を用いて、医療機器１０３の新しい場所を求める。次いで、ディスプレイ２０２上の画像は、新しい追跡装置の場所データに基づいて更新される。このプロセスは、医療機器１０３の追跡が必要とされる限り繰り返される。

Claims

ＭＲＩ装置内で医療機器の場所を追跡するためのシステムであって、
ＭＲＩ装置と、
患者を治療または診断するための医療機器と、
前記医療機器に取り付けられた追跡装置であって、前記追跡装置は、前記追跡装置のすぐ近くにある物質が前記ＭＲＩ装置により活性化された際に、前記物質により生成される、読み出しグラジエントを有するＭＲ応答信号を受信するように適合された、追跡装置とを含み、
前記ＭＲＩ装置は、前記ＭＲＩ応答信号が前記追跡装置により受信される前に、前記読み出しグラジエントに実質的に垂直な、ディフェージンググラジエントを印加するように適合されている、システム。
前記ＭＲＩ装置が、選択された数の次元で振幅を変化させる磁界を生成するための傾斜磁場生成器を含み、前記傾斜磁場生成器が前記ディフェージンググラジエントを印加する、請求項１に記載のシステム。
前記追跡装置が少なくとも１つのＲＦ追跡コイルを含む、請求項１又は２に記載のシステム。
前記追跡装置が、３つ又はそれ以上のＲＦコイルを含む、請求項１又は２に記載のシステム。
前記ＭＲＩ装置および前記追跡装置の少なくとも１つに動作可能に結合された画像処理システムを更に含む、請求項１〜４の何れかに記載のシステム。
前記画像処理システムが、ディスプレイに動作可能に結合され、前記画像処理システムが、患者の関心のある領域の画像を表示し、且つ前記表示された関心のある領域上に前記医療機器のイラストを重ね合わせるように適合されている、請求項５に記載のシステム。
前記追跡装置のすぐ近くの外部の干渉物質が、前記ディフェージンググラジエントにより減衰される干渉ＭＲ応答信号を生成し、前記干渉物質が前記ディフェージンググラジエントの軸に実質的に沿った最も大きい寸法を有する、請求項１〜６に記載のシステム。
ＭＲＩ装置内で医療機器の場所を追跡するためのシステムであって、
ＭＲＩ装置が、
前記ＭＲＩ装置内のイメージング領域の全体にわたって実質的に均一な磁界を印加するための磁石と、
前記イメージング領域内の選択された数の次元において振幅を変化させる磁界を生成するための傾斜磁場生成器と、
前記イメージング領域内で、選択されたパルスシーケンスのＲＦエネルギーを伝達するためのＲＦ送信器と、
共鳴する核から放出された磁気共鳴応答信号を受信するためのＲＦ受信器と、
前記ＲＦ受信器に動作可能に結合され、前記磁気共鳴応答信号を空間的場所と画像データへ処理するように適合された画像処理システムと、
前記画像データにより表される画像を表示するために、前記画像処理システムに動作可能に結合されたディスプレイと、
患者を治療または診断するための医療機器と、
前記医療機器に取り付けられた追跡装置であって、前記追跡装置は、前記ＭＲＩ装置により活性化される前記追跡装置のすぐ近くにある物質により生成される、読み出しグラジエントを有するＭＲ応答信号を受信するように適合され、前記処理するように適合された前記画像処理システムに動作可能に結合された、追跡装置とを含み、
前記ＭＲＩ装置は、前記ＲＦ応答信号が前記追跡装置により受信される前に、前記読み出しグラジエントに実質的に垂直なディフェージンググラジエントを印加するように適合されている、システム。