JP2010519635A - 医学的画像形成のためのポインティングデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、マーカ２の空間的位置を位置決定システム１０に示すためのポインティングデバイス４０に関する。ポインティングデバイス４０は、マーカ２との一定の相互作用が行われているかどうかを検出するセンサ４２を有する。センサ４２は、例えば、接触力がマーカ２の不意のずれを導いてしまう閾値を超えるかどうかを検出する圧力センサ４２とすることができる。ポインティングデバイス４０は、マーカ２の空間座標を判定するために用いられ、その後、当該空間座標を、例えばＣＴ画像などの記憶画像においてマーカ２の画像座標と位置合わせすることができる。

Description

本発明は、マーカの空間的位置をトラッキング装置に示すためのポインティングデバイスに関する。さらに、本発明は、このようなポインティングデバイスを有する位置決めシステム及び調査装置に関する。

動物実験のために、げっし類の発生画像及び当該画像において識別される腫瘍の目標領域に針を差し込むためのロボットシステムを用いた構成が文献（cf. J. C. Li, I. Iordachita, E. Balogh, G. Fichtinger and P. Kazanzides: "Validation of an Image-Guided Robot System for Measurement, Biopsy and Injection in Rodents", Bioengineering Conference, 2005, Proceedings of the IEEE 31st Annual Northeast, pp. 131-133）に記述されている。画像座標とロボット座標との位置合わせ（レジストレーション）は、動物の体における基準マーカに手動で当該ロボットを誘導することによって達成される。

この背景技術に基づいて、本発明の目的は、種々の医学的処置において容易に用いることのできるマーカの空間的位置の測定をなす手段を提供し高精度の位置特定をなすことである。

この目的は、請求項１によるポインティングデバイス、請求項２による位置決めシステム及び請求項３による調査装置によって達成される。好適実施例は、従属請求項に開示される。

その第１の態様によれば、本発明は、少なくとも１つのマーカの空間的位置を関連のトラッキング装置に表示するためのポインティングデバイスに関する。このポインティングデバイスは、大抵、比較的に軽く手で保持され鉛筆のような物体とされることになる。これには、トラッキング装置により位置特定するために必要な手段、例えば、磁気トラッキング環境におけるコイル又は磁石、すなわち光又は音のような或る物理量のソース、リフレクタ又はセンサが具備される。このポインティングデバイスは、次の構成部を有する。

ａ）当該トラッキング装置により位置付けられることができ、マーカとの一定の相互作用の中に持ち込まれることができる先端部。この「先端部」なる文言は、丁度、当該ポインティングデバイスの或る専用の領域の名前として広義にこの内容において理解すべきものであるが、この名前は、当該領域が普通は（但し必ずではなく）当該ポインティングデバイスの露出した先細の部分であることを意味する。トラッキング装置によるこの先端部の位置決めは、直接又は間接的に行うことができる。間接的なケースでは、当該トラッキング装置は、当該ポインティングデバイスにおける１つ以上の異なるポイントの位置を実際に判定するものであり、これから、当該先端部の位置を推測することができる（例えば、その理由は、どちらも、同じ硬いボディ上に位置づけられるからである）。

以下により詳しく説明するが、「一定の相互作用」を、例えば、先端部とマーカとの間の物理的接触とすることができる。さらに、測定中に優勢となるべき所望の状態及び／又は測定中に回避されるべき好ましからざる状態を有するようにしてもよい。

ｂ）先端部とマーカとの間の前述した一定の相互作用が行われているかどうかを検出するためのセンサ。この与えられた例の続きにおいて、当該センサは、例えば、当該先端部と当該マーカとが物理的接触状態にあるかどうかを測定するようにしてもよい。

なお、当該センサは、必ずしも、ポインティングデバイスの先端に結合される必要はない。これは、当該先端部を担持するボディから完全に分離したものでもよく、例えば、当該マーカに固定されたものとしてもよい（そして、１つのポインティングデバイスによる複数のマーカの位置特定は、複数のセンサ又はマーカからマーカへのセンサの移送手段を必要とすることも考えられる）。しかし、好ましくは、当該先端部とセンサの双方は、互いに機械的に結合されるのが良い。

かかるセンサを備えた既述のポインティングデバイスの機器は、当該ポインティングデバイスが、当該マーカの空間的位置を関連のトラッキング装置に正しく表示するために当該マーカに対してその規定された位置にある場合に、ユーザが目標制御を有する、という利点を有する。このようなセンサが存在しない場合、例えば、目視検査により、又は触覚的に、当該ポインティングデバイスが注目のマーカに対して正しく位置づけられているかどうかを判定することをユーザにさせておくことが考えられる。過度の圧力による接触は、こうした状況下においては、マーカをずらす可能性があり、これにより、繰り返されなければならず又は処理全体の正確さに影響を与えかねない誤った位置測定を導いてしまう可能性がある。これとは対照的に、提案のポインティングデバイスのセンサは、当該測定のための「良好」及び／又は「不良」の位置決めを客観的に示すことができる。さらに、「良好」な位置決めの検出は、位置決め装置及び／又はマーカの対応の位置を自動的に測定し記憶するために用いることができる。

第２の態様によれば、本発明は、少なくとも１つのマーカの空間座標を測定するための位置決めシステムに関し、次の構成部を有する。

ａ）トラッキング装置、すなわち空間において或る種の目標ユニットを位置づけることのできる装置。

ｂ）当該マーカの空間的位置を当該トラッキング装置に示すための上述した種類のポインティングデバイス。したがって、このポインティングデバイスは、当該トラッキング装置により位置づけられることができ、当該マーカとの一定の相互作用に持ち込めることの可能な先端部と、当該一定の相互作用が行われているかどうかを検出するためのセンサとを有する。通常は、当該トラッキング装置により実際に位置づけられる目標ユニットは、先端部自体又は当該先端部と同じ硬いボディ上の少なくとも１つの位置である。

その第３の態様によれば、本発明は、調査装置、特に次の構成部を有する医学的調査装置に関する。

ａ）少なくとも１つのマーカを有する関心領域の（通常は２次元又は３次元）画像を発生するための画像形成システム。この関心領域は、例えば、皮膚につけられた複数のマーカを有する患者の身体とすることができる。

ｂ）当該少なくとも１つのマーカの空間座標を判定するための上述した種類の位置決めシステム。したがって、この位置決めシステムは、トラッキング装置と、当該トラッキング装置により位置特定されることができ、かつ当該マーカとの一定の相互作用に持ち込まれることができる先端部と当該一定の相互作用が行われているかどうかを検出するためのセンサとを備えたポインティングデバイスと、を有する。

ｃ）画像形成システムにより発生される画像におけるマーカの画像座標を判定し、これら画像座標を位置決めシステムにより判定される空間座標と位置合わせするためのデータ処理システム（例えばマイクロコンピュータ）。これまでのように、「位置合わせ」なる文言は、この内容において、画像座標を空間座標に及び／又は空間座標を画像座標にマップ化する幾何学的変換の決定を指すものである。このような位置合わせは、例えば医療的介入において、手術前に生成された画像において当該位置決めシステムにより実際に測定されるような器具（例えばカテーテル先端）の位置に対応するそうした位置を見つけるために必要である。

本発明の第２及び第３の態様による位置決めシステム及び調査装置は、どちらも、本発明の第１の態様によるポインティングデバイスを重要な要素として有する。したがって、位置決めシステム及び調査装置に関するさらなる詳細についてこのポインティングデバイスの説明を引用するものである。

調査装置の一部である画像形成システムは、Ｘ線投射装置のようなＸ線装置又はＣＴ（コンピュータ断層撮影）スキャナを有するのが好ましい。さらに、画像形成システムは、ＰＥＴ（ポジトロン放射断層撮影法）又はＳＰＥＣＴ（単光子放出コンピュータ断層撮影）装置、磁気共鳴画像形成（ＭＲＩ）装置又は超音波（ＵＳ）装置を有することができる。

ポインティングデバイスとの組み合わせで用いられる位置決めシステムは、この目的のための適切な原理に基づいて、例えば磁気的、電磁気的、光学的又は音響学的測定に基づいて動作することができる。それは「受動的」又は「能動的」目標ユニットを用いてもよく、後者の場合は、それらの空間的位置及び／又は方向を決定することを可能にするデータ又は信号を積極的に発生する。当該位置決めシステムは、例えば、外部の（空間的又は時間的に均等でない）磁界を発生することができ、対応の（能動型）目標ユニットは、この磁界の大きさ及び方向を測定することができる磁界センサであり、当該測定は、当該磁界の発生器に対して当該目標ユニットの空間位置を推定することを可能にする。他の実施例において、当該目標ユニットは、電磁気的及び／又は音響学的放射線、例えば近赤外（ＮＩＲ）又は超音波のソースとすることができ、このソースの位置は、少なくとも２つの独立した視線の交差から立体視方法により位置決めシステムにより測定可能である。

ポインティングデバイスの先端とマーカとの間の一定の相互作用は、センサにより検出され、当該マーカと当該先端との間の所定の相対的位置決めの採用を有しうる。この所定の位置決めは、特に、マーカと先端との間（すなわち、より正確には、マーカと先端部との専用ポイントの一方と他方との間）の一定の距離に対応しうる。ゼロの距離は、この場合、マーカと先端部との間の接触に対応することになるとともに、ゼロより大きい距離は、非接触測定に対応することになる。

上述したケースに特に適したポインティングデバイスの実施例において、ポインティングデバイスは、近接センサ及び／又は接触センサを有する。これらセンサは、マーカと先端部との間の或る相対的位置決めが優勢であるかどうかを測定することができる。

本発明の他の変形例において、「一定の相互作用」は、ポインティングデバイスの先端部によるマーカについての所定の力又は圧力の作用を有する（ここでの「力」及び「圧力」の量は、ここでは、互いに等価なものであり、その理由は、力及び圧力は、力の印加の関連領域により互いに関係し合っているからである）。この場合、マーカの意図的でないずれを回避するために所定の閾値を超えない先端部とマーカとの間の十分な接触があることを保証することができる。

上述したアプローチに特に従った実施例において、当該ポインティングデバイスは、力センサ、例えば圧電力センサ（前述同様、用語「力センサ」は、「圧力センサ」に同義としてここでは用いられている）。

本発明の他の発展形態では、当該ポインティングデバイスは、先端部とマーカとの間の一定の相互作用が行われていることを示すためのインジケータを有する。このインジケータは、特に、例えばＬＥＤのような光学的インジケータ、又はブザーのような音響インジケータとすることができる。したがって、直結フィードバックを、ポインティングデバイスの正しい位置決め及び／又は不正な位置決めを示すためにユーザに提供することができる。

本発明の他の変形例は、ポインティングデバイスがその先端部とマーカとの一定の相互作用の発生を検出したときにポインティングデバイスの空間座標の自動的判定（及び普通はこれに加えて記憶）を起動するための読出ユニットにより特徴づけられる。この読出ユニットは、ポインティングデバイス、トラッキングデバイス、データ処理システムに位置づけられてもよいし、或いは幾つかの構成部にわたり分散させられるようにしてもよい。例えば、先端部とマーカとの間の必要な相互作用が優勢となった場合、（例えば電気的に）信号伝達するポインティングデバイスに前述した種類の或るインジケータを有してもよい。さらに、「ポインティングデバイスの空間座標」は、最終的に、実際に関心のあるマーカの空間座標を判定することを可能にする（例えば、先端部の）座標を表すものである。

本発明のこれらの態様及びその他の態様は、以下に説明する実施例に基づいて明らかになる。これら実施例は、添付図面を用いて例示により説明される。
本発明による調査装置を概略的に示す図。 マーカへの最初の接触の後に本発明によるポインティングデバイスを概略的に示す図。 図２のポインティングデバイスを示すものであって、当該ポインティングデバイスが当該マーカに所定の圧力以上のものをかけるときの図。 図における同様の参照番号は、同一又は同様の構成部を指すものである。

以下、本発明を医学的用途に関して説明するが、本発明は、この分野に限定されるものではなく、多くの異なる環境において有利に適用可能なものである。

図１は、最小限侵襲の外科のような医療介入の構成を概略的に示している。１組のマーカ２は、関心領域、例えば患者の胸の近くの患者１の皮膚に付けられる。マーカ２は、例えば、数ミリメートルの平均的直径を有するＸ線を通さないボディを有しうる。

本発明による調査装置１００の第１の構成部は、この場合、Ｘ線源２１及びガントリに回転自在に実装されたＸ線検出器２２を備えたＣＴスキャナ２０により実現される画像形成システムである。ＣＴスキャナ２０は、当該スキャナを制御し発生した画像を受信し処理するデータ処理装置３０、例えばモニタ３２付きのワークステーション３１に結合される。ＣＴスキャナ２０は、大抵、異なる方向からの２次元Ｘ線投影を発生し、当該投影は、そのものを用いることができ、或いは患者のスライス画像又は３次元画像を復元するようさらに処理されることができる。関心領域の少なくとも１つのこのような２次元又は３次元画像Ｉは、手術前に発生され、医学的介入の間の後の使用のためにワークステーション３１に記憶される。マーカ２の位置は、画像座標ｘ_Ｉ，ｙ_Ｉ，ｚ_Ｉにおいて自動的又は半自動的にこの画像Ｉにおいて判定可能である。

検査装置１００は、さらに、関連の目標ユニットの空間座標ｘ，ｙ，ｚを判定するためのトラッキング装置１０を有する。トラッキング装置１０は、立体知覚の原理により、すなわち、２つの異なる視線の交差を計算することによって、空間内のオブジェクトの位置を測定するために用いることができる少なくとも２つのカメラ１１，１２を有する光学システムにより図に示されている。トラッキング装置１０の測定（生データ又は処理後のデータ）は、ワークステーション３１に通信される。

他の適切なトラッキング装置は、例えば、空間内の目標ユニットの位置を判定するために磁界を用いることもある。これらデバイスは、領域内に不均等な磁界を発生する磁界コイルと、特定の関心ポイントにおけるこの磁界の強度及び／又は方向を検知するための（小）プローブコイルとを有することができ、当該強度及び／又は方向から、そのポイントの座標が推定可能となる。

最終的に、調査装置１００は、マーカ２の位置をトラッキング装置１０に手で示すために用いられるポインティングデバイス４０を有する。特に、ポインティングデバイス４０は、トラッキング装置１０により位置特定可能な或る種の目標ユニット、例えば、記録したビデオ画像において検出可能な１組のＬＥＤ（図示せず）を担持する。したがって、この目標ユニットをマーカ２０に持ち込むことは、マーカの空間座標ｘ，ｙ，ｚを判定することを可能にする。

全てのマーカ２の空間座標ｘ，ｙ，ｚが既知であるとき、ワークステーション３１は、それらを対応の画像座標ｘ_Ｉ，ｙ_Ｉ，ｚ_Ｉと位置合わせすることができる。この位置合わせが完了すると、ｘ，ｙ，ｚ座標においてトラッキング装置１０により位置特定されるオブジェクトのｘ_Ｉ，ｙ_Ｉ，ｚ_Ｉ画像座標を判定するために用いることができる。代表的なオブジェクトは、例えば、カテーテル、針又は同様の器具の先端部のような介入デバイスである。

事前介入の取り込んだ画像における介入デバイスの位置の継続的視覚化は、強力な技術であり、当該処置の間に価値ある情報により医師をサポートし、例えば電離放射線の暴露を用いて連続的画像形成の必要性を回避する。その代わりに、介入デバイスの位置及び方向は、例えば、光学的又は電磁気的トラッキング装置１０により測定され、関心領域の位置合わせされた医療画像Ｉに連続的に重ね合わされる。この位置合わせは、患者空間から画像空間への変換が知られたものとなった場合に達成することができる。上述したように、この変換を、患者１の皮膚に基準マーカ２を置き、任意の画像形成モダリティ（ＭＲ，Ｘ線，ＣＴ，…）を用いて診断画像Ｉを取り込み、画像Ｉにおけるマーカ２の位置ｘ_Ｉ，ｙ_Ｉ，ｚ_Ｉを判定し、トラッキング装置１０との組み合わせで適切なプローブ４０を用いて患者空間におけるマーカの対応位置ｘ，ｙ，ｚを測定し、当該変換（例えばアフィン変換）をなすことによって、定めることができる。

画像Ｉにおける介入デバイスの予定される視覚化の精度は、当該定められた変換の精度に強く依存する。但し、基準マーカ２を担持する皮膚は弾性であるので、マーカ位置の測定は、プローブ４０がマーカに向かって押されるときの力に依存する。大抵は不細工なプローブは、部分的に隠され又は近づくのが難しいマーカにおいて特に、かけられる力の強さをユーザが推定することを難しくする。結果としてなされる皮膚の変形は、数ミリメートルのオーダのものとなる可能性があり、定められる変換の精度を大幅に限定しかねない。

上述した問題に対処するため、ポインティングデバイス４０は、ここでは、マーカとポインティングデバイスとの一定の所定の相互作用が行われているかどうかを示す何らかのセンサを有するものが提案される。この一定の相互作用は、「良好な」望ましいものとしてもよいし、回避すべき「劣悪な」ものとしてもよい。オプションとしては、当該センサは、「良好」及び「劣悪」な相互作用のどちらも検出するようにしてもよい。

図２及び図３は、このようなポインティングデバイス４０の特定の実施例を示している。概して鉛筆状のポインティングデバイス４０は、ユーザよって保持されることの可能なところにあるハンドル４３とマーカ２と接触させられる必要のある先端部４１とを有する。先端部４１の位置及びオプションとしての方向は、直接か又は間接的に（ポインティングデバイス４０における何らかの他のポイントで目標ユニットを位置づけることによって）トラッキング装置１０によって判定可能である。

ポインティングデバイス４０はさらに、力センサ例えば圧電抵抗４２に特徴があるものであり、かかるセンサは、当該器具の先端４１にかかるもので当該器具のハンドル４３に対して作用する力を検出するように配置される。当該デバイスの主軸に沿った力が特定の値を超えた場合、光学的又は音響学的インジケータ、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）４４は、オンに切り換わる。この状況は、図３に示され、印加される力により患者の皮膚の最初の変形を（誇張して）示すものでもある。ＬＥＤ４４の活性化を起動する所定の閾値が十分に低い場合、力センサ４２は、その先端がマーカに触れるや否や通知をなす接触センサとして実際に振る舞うことができる。オプションとして、かかるセンサは、許容可能範囲（例えばＦ_ｍｉｎ≦Ｆ≦Ｆ_ｍａｘ）における「良い」力Ｆと禁止範囲（例えばＦ＞Ｆ_ｍａｘ）における「悪い」力とを区別することができ、これを（例えば緑又は赤色ＬＥＤの活性化又は連続的又は断続的な信号によるなどして）ユーザに示すことができる。オプションとして、「良い」力の表示は、測定の自動的読出しを開始し位置合わせのためのその測定した位置を記憶することのために用いることができる。図における点線は、この目的のため、ポインティングデバイス４０とワークステーション３１における読出ユニットとの間の有線結合を示している（無線結合ももちろん可能である）。

ポインティングデバイス４０は、それを患者１の皮膚に固定された基準マーカ２に位置づけることによって患者空間から画像空間への変換の決定中に用いられる。オペレータが過剰な圧力をかけるや否や、すなわち、当該皮膚が変形し始めると、光学的又は音響学的信号は、当該位置合わせが誤っており測定が繰り返さなければならないことを示す。このことによって、座標変換の決定を大幅に速くし、非常に正確なものとすることができる。したがって、患者の画像における介入デバイスの位置及び方向の後続して行われるオーバレイの精度は非常に高くなる。さらに、変換決定の時間のかかる繰り返しは、マーカ位置を含む皮膚を変形させることなく全てのマーカが近づくことを保証することによって回避することができる。

提案したポインティングデバイスは、特に、患者から画像座標空間への正確な位置合わせを必要としかつ光学的又は電磁気的トラッキングシステムと基準マーカとを用いた全ての臨床診断法に適用可能である。

最後に、本願において、「有する」なる文言は他の要素又はステップを排除せず、また、単数表現は複数を排除するものではなく、単一のプロセッサ又は他のユニットは幾つかの手段の機能を満たしうるものであることを注記するものである。本発明は、あらゆる新規な特徴的事項及び特徴的事項のあらゆる新規な組み合わせに存するものである。さらに、請求項における参照符号は、それらの範囲を限定するものとして解釈してはならない。

Claims (11)

1. トラッキング装置にマーカの空間位置を示すためのポインティングデバイスであって、
   ａ）前記トラッキング装置により位置特定されることの可能な先端部と、
   ｂ）前記先端部と前記マーカとの一定の相互作用の発生を検出するセンサと、
   を有するデバイス。
2. マーカの空間座標を判定するための位置決めシステムであって、
   ａ）トラッキング装置と、
   ｂ）前記マーカの空間位置を前記トラッキング装置に示すための請求項１に記載のポインティングデバイスと、
   を有するシステム。
3. 調査装置であって、
   ａ）少なくとも１つのマーカを有する関心領域の画像を発生するための画像形成システムと、
   ｂ）前記マーカの空間座標を判定するための請求項２に記載の位置決めシステムと、
   ｃ）前記画像における前記マーカの画像座標を判定し、これらを前記位置決めシステムにより判定された空間座標と位置合わせするためのデータ処理システムと、
   を有する装置。
4. 請求項３に記載の調査装置であって、前記画像形成システムは、Ｘ線装置、ＣＴスキャナ、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴ、ＭＲＩ又は超音波装置を有する、装置。
5. 請求項２に記載の位置決めシステム又は請求項３に記載の調査システムであって、前記トラッキング装置は、磁気的、電磁気的、光学的、音響学的測定に基づいて動作する、システム。
6. 請求項１に記載のポインティングデバイス、請求項２に記載の位置決めシステム又は請求項３に記載の調査装置であって、前記一定の相互作用は、前記ポインティングデバイスのマーカと先端部との所定の相対的位置付けの採用を有する、デバイス、システム又は装置。
7. 請求項１に記載のポインティングデバイス、請求項２に記載の位置決めシステム又は請求項３に記載の調査装置であって、前記ポインティングデバイスは、近接センサ及び／又は接触センサを有する、デバイス、システム又は装置。
8. 請求項１に記載のポインティングデバイス、請求項２に記載の位置決めシステム又は請求項３に記載の調査装置であって、前記一定の相互作用は、前記マーカに対する所定の力又は圧力の作用を有する、デバイス、システム又は装置。
9. 請求項１に記載のポインティングデバイス、請求項２に記載の位置決めシステム又は請求項３に記載の調査装置であって、前記ポインティングデバイスは、力センサ又は圧電力センサを有する、デバイス、システム又は装置。
10. 請求項１に記載のポインティングデバイス、請求項２に記載の位置決めシステム又は請求項３に記載の調査装置であって、前記ポインティングデバイスは、前記一定の相互作用が行われていることを示すためのインジケータを有し、これには光学的又は音響学的インジケータが含まれる、デバイス、システム又は装置。
11. 請求項１に記載のポインティングデバイス、請求項２に記載の位置決めシステム又は請求項３に記載の調査装置であって、前記ポインティングデバイスが前記一定の相互作用の発生を検出したときに前記ポインティング装置の空間座標の判定を起動するための読出ユニットを有するデバイス、システム又は装置。

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