JP2012020133A - 解剖構造データセットの位置合わせ装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空間情報がない場合に、解剖構造の一つのボリュームデータセットを同解剖構造の別のボリュームデータセットに関連させる方法及びシステムを提供する。
【解決手段】画像慣性モーメントなどのボリュームデータセットの一意空間特性が識別され、ボリュームデータセットに任意基準フレームが付加され、一意空間特性と相関される。追加空間情報も任意基準フレームと相関される。そして追加空間情報は、一意空間特性に基づき第一及び第二ボリュームデータセットを位置合わせすることにより解剖構造の第二ボリュームデータセットに相関される。本方法とシステムでは定義済みの目標に基づく局部基準フレームを設定せずに同じ解剖構造の異なったボリュームデータセットの位置合わせが可能となり、追加空間情報の転写が可能となる。
【選択図】図２

Description

本開示は、各解剖構造画像データセットを位置合わせする装置と方法、及び各解剖構造画像データセット間の解剖構造情報を対応付ける装置と方法に関する。

コンピュータ支援の外科処置において、異なるモダリティ（撮画手段）や異なる期間の間で患者に関連するデータを位置合わせする幾種もの手法が存在する。このような患者関連のデータとしては例えば超音波、磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ）、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）、単一光子放射コンピュータ断層撮影法、陽電子放射断層撮影法などの画像撮影法やモダリティを使用して得られた解剖学的情報がある。異なるモダリティ間で患者関連のデータを位置合わせする手法の１つは「点対点（ｐｏｉｎｔ ｔｏ ｐｏｉｎｔ）」又は「対の点（ｐａｉｒ ｏｆ ｐｏｉｎｔ）」マッチング手法であって、これは異なるモダリティ間で同定可能な目標又は基準点を使用して変換マトリックスを決定し、異なるモダリティ間での空間的関連を設定する手法である。一例では、ＭＲＩ又はＣＴ画像スキャンの前に目標又は基準点を患者に配置し、画像スキャン中及び外科処置中に患者上でのその目標又は基準点を同定し、画像スキャンから患者と患者関連のデータ間の位置合わせを設定する。

別の手法では、表面位置合わせ（ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）が使用されるが、表面位置合わせを設定するために、注目する構造又は領域の複数の表面点が使用される。しばしば別個の手法を使用する別個のモダリティでは表面点は別個に特定される。一つの実施例では、患者の顔が位置合わせ表面として使用される耳鼻咽喉手術において表面位置合わせ手法が使用される。例えば、患者の顔のＣＴ又はＭＲＩスキャンを得て、スキャンで皮膚の表面を識別し、手術中に患者の顔のデジタル化された各点と整合される。このようなデジタル化された各点はデジタル化装置で直接収集しても良いし、位置合わせマスクを使用して間接的に取得しても良い。

上記の位置合わせ手法は一般的に患者に関連するデータを一つのモダリティから別のモダリティへ位置合わせする場合のみ利用可能である。最も一般的には、位置合わせ手法は手術で使用される手術器具のローカリゼーションの目的で、手術中に患者の術前の画像データを患者の解剖学的部位に位置合わせするために使用される。

ある種の手法、例えば筋骨格系疾患関連の手法では、関節に関する生体力学と機能的情報は疾患の規模又は原因の決定に重要な役割を果たす。一般的にそのような情報は運動分析で得られる。運動分析の一例では、分析の対象となる部位の皮膚に基準点が置かれる。部位が動くと基準点の移動をナビゲーションシステムが追跡し、部位の生体力学的モデルを確定するために基準点の動きが分析される。この技術の明らかな欠点は、基準点は下部の生体構造とは直接関連せず、運動中に皮膚や柔軟組織のずれが生じることである。そのようなずれは運動分析の結果において顕著な誤差や非精密性を増大させ、生体力学モデルの設定に誤りをもたらす。

柔軟組織のずれを解決する手法のひとつは小さなタンタルビーズなどの基準点を患者の骨に直接移植することであり、この基準点は患者の部位の運動中に立体Ｘ線撮影法で追跡される。この手法の明らかな欠点としては、ビーズ移植には外科手術を要すること、運動分析には電離エネルギーが使用されることなどである。

更に、外科処置中に肢の動きが受動的な場合、運動分析では関節の機能的情報が十分に得られないことがある。例えば患者の腕や足を外科医が動かした場合や患者が麻酔下にあり手術台に横たわっている場合、身体に対する重力の影響に抗する自発的筋肉力の活動はない。

筋骨格系疾患に関する外科処置が純粋な直立静止の考察から関節のより機能的評価へ、そして早期介入治療へ移行するにつれ、関節に関する機能情報を得てそれを外科処置の計画と執行に容易に関連づけることができる技術は益々重要となる。

本発明の一態様では、第一データセットに対応する情報を第二データセットに位置合わせするコンピュータ実施の方法が開示される。本方法は、イメージング装置で解剖構造の第一データセットを収集するステップと、第一データセットの構造に対して識別可能な一意の空間関係を有する追加情報である第一データセットに関する追加情報を生成するステップと、第一データセットに関する第一任意基準フレームを設定するステップと、を含んで構成される。第一基準フレームは、前記構造に関する所定の目標へ対する参照なしに設定され、第一基準フレームは第一データセットに対して一意の空間関係を有する。本方法はさらに、イメージング装置で解剖学的構造の第二データセットを収集するステップと、第二データセットに関する第二任意基準フレームを設定するステップと、第一データセットの一意空間パラメータを第二データセットの同じ一意空間パラメータと照合することにより第一基準フレームを第二基準フレームに変換するステップと、前記追加情報を第二データセットに位置合わせするステップと、を含んで構成される。

本発明の他の態様では、解剖構造の第一ボリュームデータセットに関連する空間情報を前記解剖構造の第二ボリュームデータセットに対応させるコンピュータ実施の方法が開示される。本方法は、コンピュータ外科ナビゲーションシステムで解剖構造の第一ボリュームデータセットを得るステップと、第一ボリュームデータセットへ第一任意基準フレームを付加するステップと、第一ボリュームデータセット中の固有の特徴を計算するステップと、固有特徴を第一任意基準フレームと相関させるステップと、追加空間情報を第一ボリュームデータセットと対応させるステップとを含む。固有特徴は、全ての参照位置から識別可能な、解剖構造に対して一意の位置と方向を有し、前記空間情報は第一任意基準フレームと相関される一意の空間関係を有する。更に本方法は、コンピュータ外科ナビゲーションシステムで解剖構造の第二ボリュームデータセットを得るステップと、第二ボリュームデータセットへ第二任意基準フレームを付加するステップと、第二ボリュームデータセット中の固有の特徴を識別するステップと、固有特徴を第二任意基準フレームと相関させるステップとを含む。本方法はまた、第一ボリュームデータセットを固有特徴に基づき第一ボリュームデータセットと位置合わせするステップと、追加空間情報を第二ボリュームデータセットと位置合わせして相関付けるステップと、第二ボリュームデータセットで位置合わせされた追加空間情報を表示装置に表示するステップをも含む。前記位置合わせステップはコンピュータにより行われる。

更なる態様によると、解剖構造のボリュームデータセットの収集及び処理システムは、患者の解剖構造の第一ボリュームデータセット及び解剖構造の第二ボリュームデータセットを得る取得手段と、第一ボリュームデータセット及び第二ボリュームデータセット中の固有の特徴を計算する計算手段とを含む。前記固有の特徴は、いかなる基準位置からも識別可能な、解剖構造に対して一意の位置と方向を有する。更に本システムは、第一任意基準フレームを第一ボリュームデータセットへ付加し、第二任意基準フレームを第二ボリュームデータセットへ付加する付加手段と、該固有特徴を第一任意基準フレームと相関させる相関手段と、追加空間情報を第一ボリュームデータセットと対応させる対応手段とを含む。前記追加空間情報は第一任意基準フレームに対して一意の空間関係を有する。本システムはまた、固有特徴に基づき第一ボリュームデータセットを第二ボリュームデータセットと位置合わせする位置合わせ手段と、前記追加空間情報を第二ボリュームデータセットと位置合わせして相関させる相関手段とを含む。

更なる態様によれば、通常の形状から変形された骨の一部の位置を設定する方法は、変形されていない骨の第一ボリュームデータセットを収集するステップを含み、前記第一ボリュームデータセットは第一骨の第一及び第二部分のボリュームデータを含む。本方法は第一骨の第一部分のボリュームデータの第一一意空間特性を識別するステップと、第一一意空間特性と相関付けられた第一ボリュームデータセットの第一任意基準フレームを確定するステップをも含む。該方法は、中心線の周りにある第一骨を通常反映する第二骨を識別するステップを含み、前記第二骨は第一骨の第一及び第二部分の実質的鏡像構造に対応する第一部分と第二部分をそれぞれ含み、前記第二骨は第二骨の第一部分が第二骨の第二部分に対して変形された位置にあるように通常の形状から変形されている。本方法は更に、第二骨の第一部分の第二ボリュームデータセットを収集するステップと、第二ボリュームデータセットの第二一意空間特性を識別するステップとを含み、第二一意空間特性は第一一意空間特性を実質的に反映し、第一一意空間特性を第二一意空間特性と相関付けることにより第一ボリュームデータセットを第二ボリュームデータセットを鏡像相関において位置合わせするステップと、第二骨の第二位置の通常の位置を第一骨の第二部分の位置と一致するように再確定するステップとを含む。

本発明の他の態様と利点は下記の詳細な説明を考慮すれば明らかになるであろう。

本開示の各方法を実施するために適用されたナビゲーションシステムの実施例の概略図である。 本開示による位置合わせ手順のフローチャートである。 本開示による位置合わせ手順のフローチャートである。 第一データセットで示される解剖構造の追加空間情報の作成及び該情報の第二データセットに対する関係を示す図である。 第一データセットで示される解剖構造の追加空間情報の作成及び該情報の第二データセットに対する関係を示す図である。 第一データセットで示される解剖構造の追加空間情報の作成及び該情報の第二データセットに対する関係を示す図である。 一例のスクリーンショットであり、 データセット収集と位置合わせを示す視覚的表示である。 データセット収集と位置合わせを示す視覚的表示である。 第一解剖構造に関する追加空間情報の作成と、第一解剖構造を反映する第二解剖構造に対するこの情報の関係を示す図である。 外科処置中にアクセス不可であり術前に定義された解剖基準フレームの一例を示す図である。 外科処置中にアクセス不可であり術前に定義された解剖基準フレームの一例を示す図である。 患者の臀部の機能運動パラメータ決定の一例を示す図である。 患者の臀部の機能運動パラメータ決定の一例を示す図である。

本開示の各システムと方法は、患者の１つまたは複数の構造に関する異なったデータセットを位置合わせするために使用でき、このような１つのデータセットから他のデータセットへ追加情報を関連付ける（この追加情報は他のデータセットに関しては存在しないか実際上取得不可能である）ために使用できる。多くの場合、身体の非連続の領域の位置情報は、前もって定義された解剖目標に基づく局部基準フレームを識別したりそれと関連することなしに、連結されている。一つの応用例では、一つのデータセットからの機能情報は、構造の機能的評価を図るために他のデータセットと関連付けられる。例えば、この構造は患者の骨や関節などの解剖構造であっても良いし、ボリュームデータセットは超音波プローブや各モダリティの他の既知のイメージング手法を使用して得られた骨や複数の骨の画像データセットであっても良い。術前画像データセットからの解剖構造に関して作成された機能情報は、外科処置の計画と執行を助けるための術中画像データセットと関連付けられても良いし、ある種の疾患や有害な状態の早期識別や予防のためであっても良い。他の実施例では、例えば一つのデータセットではアクセス可能であるが他のデータセットではアクセス不能であるような解剖基準フレームを再設定するために他の情報を利用できる。本開示の更なる態様は、該構造上で定義済みの目標や基点を必要とすることなく異なったデータセットを位置合わせする機能を提供する。その代わり異なったデータセットに任意基準フレームが設定され、該データセットを位置合わせするために使用される。

図面を参照すると、図１は本明細書で開示される手順のステップを実施するよう構成された外科ナビゲーションシステム２０の概略図である。外科ナビゲーションシステムは、ディスプレイ装置２２、コンピュータシステム２４、及びカメラアレイ２６を含む。本実施例では、コンピュータシステム２０は可動カート２８に収容されている。コンピュータシステム２４は、当業者に明らかなように、メモリ装置、ＣＰＵ、及び記憶装置（全て図示せず）を有する如何なるパーソナルコンピュータであってもよい。ディスプレイ装置２２は、コンピュータシステム２４で使用可能な任意の従来のディスプレイであっても良く、例えば標準的コンピュータモニターやテレビジョン装置である。例示的な外科ナビゲーションシステムはストライカー社製のストライカー・ナビゲーションシステムである。

外科ナビゲーションシステム２０は、患者３０の画像データを受け取るよう構成されている。一つの実施例では、画像データは外科医や看護婦などのユーザ３４が操作する超音波プローブ３２で取得され、コンピュータシステム２４に無線で送信される。あるいは、又は更に、超音波プローブ３２とコンピュータシステム２４間でデータを有線で送信するシステムを使用しても良い。本実施例では、超音波プローブ３２ は患者３０の画像データを取得するために非侵襲性、非電離性、携帯可能イメージング・モダリティを提供するものである。更に、超音波プローブ３２は、下層にある骨の画像データを提供して皮膚のずれに関連する人為的な運動を解消する。しかし他の実施例では画像データは磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ）、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）、単一光子放射コンピュータ断層撮影法、陽電子放射断層撮影法など他の許容可能な画像撮影法やモダリティを使用して収集できる。

カメラアレイ２６は、超音波プローブ３２に連結されたセンサー３６の位置を検出し、超音波プローブ３２の位置と方向を追跡するよう構成されている。これに限定されない例として、センサー３６は一以上の光放射ダイオード（ＬＥＤ）であっても良く、カメラアレイ２６は第一カメラ３８、第二カメラ４０、及び第三カメラ４２であっても良く、それぞれ第一、第二、第三カメラ３８、４０、４２はセンサー３６により生成される赤外線（ＩＲ）信号を検出するために適応された３個のＣＣＤカメラであってもよい。図示されないが、ユーザ３４は超音波プローブ３２と同様にカメラアレイ２６で追跡可能な他の外科道具及び器具を使用しても良い。これらの追加的な外科道具及び器具は、道具又は器具に内蔵、又は既知又は決定可能な位置及び方向で物理的に対応した、器具の位置を十分に追跡可能とするＬＥＤなどを備えるセンサー３６を有していても良い。

カメラアレイ２６は、外科処置が行われる関連する部位に対して十分な視線（視野）を有するように、可動カート２８に装着された回転式アーム４４に取り付けられている。他の実施例ではカメラアレイ２６は手術室の壁（図示せず）や他の便利な表面や場所に取り付けられても良い。

外科ナビゲーションシステム２０は、センサー３６に対してデータを通信するために使用される少なくとも１台の赤外線送受信機を含むアクティブな光学系であっても良い。例えば、本実施例では、カメラアレイは互いに離れて設置された第一送受信機４６と第二送受信機４８を含む。本発明はアクティブ光学外科ナビゲーションシステムを使用して説明されるが、本発明のシステムと方法は受動的光学系、磁気ベースシステム、慣性ナビゲーションベースシステム等の他の外科ナビゲーション技術やシステムと使用しても良い。ＲＦＩＤシステム、ビデオイメージングベースシステム等の他のコンピュータ支援システムも使用できる。

カメラアレイ２６は、ケーブル５０を介してローカライザー（図示せず）に接続されているが、他の例ではコンピュータシステム２４に直接接続されている。ローカライザーは、カメラアレイ２６の視線の範囲内で超音波プローブ３２上のセンサー３６の位置と方向を識別するためにカメラアレイ２６と協働する。一つの実施例では、ローカライザーはＬＥＤの生の位置データをセンサー３６を構成する複数のＬＥＤの個々のＬＥＤの位置に変換し、この情報をコンピュータシステム２４に送信する。他の実施例では、ローカライザーはＬＥＤの生の位置データを超音波プローブ３２の位置と方向に変換し、この情報をコンピュータシステム２４に送信する。更なる実施例では、コンピュータシステム２４によって実行されるソフトウェアプログラムが生データを超音波プローブ３２の方向に変換できる。生の位置データの変換方法は当業者にとって既知のものである。オプションとしてコンピュータシステム２４は超音波プローブ３２上の制御ボタン（図示せず）あるいはユーザ３４に容易にアクセス可能なボタンで遠隔操作できる。

コンピュータシステム２４はまたキーボード５２、マウス５４、又は他の入力装置などのコンピュータシステム２４を操作するための１以上の入力装置を含む。

図２及び図２Ａを参照すると、ある解剖構造の第一ボリュームデータセットを該解剖構造の第二ボリュームデータセットに位置合わせする方法が示されている。好適には、本方法は本文書で開示されるようにコンピュータ外科ナビゲーションシステムを使用して実行され、該ナビゲーションシステムはボリュームデータセットを集め、位置データを保存し、そこから情報を抽出し、位置データをボリュームデータセットと相関付ける１つ以上の収集装置の位置を追跡できる。

図２は位置合わせ方法の広角図であり、患者の解剖構造等の構造の第一データセットを収集するブロック８０からコントロール（制御処理）が開始する。ブロック８０の後、処理はブロック８２に移行し、そこでは第一データセットに関する追加位置情報が作成され、ブロック８４では第一データセットの第一基準フレームの決定または設定が行われる。第一基準フレームは好適には任意の基準フレームである。ブロック８６は第二データセットを収集し、ブロック８８はボリュームデータセットの第二基準フレームを決定する。その後、処理はブロック９０に移行し、同ブロックは第一基準フレームを第二基準フレームに転換し、ブロック９２は解剖構造の機能情報などの、第一基準フレームからの追加空間情報を第二基準フレームと関連付ける。

図２Ａは図２の方法を採用した方法の詳細図であり、処理はブロック１００から開始し、同ブロックは患者の解剖構造等の構造の第一データセットを収集する。第一データセットは、該解剖構造の第一ボリュームデータセットを含んでいて良い。本明細書で使用される解剖構造という用語は完全な骨などの全体的解剖構造部分を含むことができ、解剖構造という用語には骨の小さな部分など、全体よりも小さな全体的解剖構造部分も含まれる。好適にはボリュームデータセットには骨や関節などの解剖構造の位置と方向に関する情報が含まれている。第一ボリュームデータセットは図１の追跡された超音波プローブ３２などの皮下イメージング装置を使用して収集されるが、ボリュームデータセットには患者の骨又は他の皮下構造のイメージが含まれている。ＣＴスキャン、ＭＲＩ、Ｘ線などの、第一画像データセットを取得する他の画像取得装置やモダリティも使用できる。例えば第一ボリュームデータセットは術前に取得しても良い。好適には第一ボリュームデータセットは解剖構造に関する画像データを含み、少なくとも２次元（２Ｄ）及び３次元（３Ｄ）の一方の画像データを含んでいても良い。第一画像データセットを取得するための好例の取得装置及びモダリティには２Ｄ又は３Ｄの超音波イメージング装置が含まれ、２Ｄ超音波プローブが使用された場合、該プローブは該解剖構造を包含する領域の複数のスライスを収集することによりボリュームデータを収集するために使用できる。収集装置の位置はボリュームデータセットの収集中に外科ナビゲーションシステムにより追跡される。好適にはボリュームデータセットの収集中に該解剖構造は固定位置にあり、それにより収集中に解剖構造の位置を別途追跡する必要を削減できる。オプションとして、該解剖構造を収集中に追跡できるが、その場合、該解剖構造は収集中に移動でき、取得された該解剖構造に関するボリュームデータセットの位置データに追加的なロバスト性を取り入れても良い。

ブロック１００の後、処理はブロック１０２に移行し、同ブロックは第一データセットの第一基準フレームを付加するか決定する。第一基準フレームはひとつの任意基準フレームであり、解剖構造の基点や特定の解剖目標などの予め定義された目標への参照なしに設定されるものである。例えば、第一基準フレームはカメラアセンブリー、超音波プローブ、または第一ボリュームデータセットの中心などの第一ボリュームデータセットそれ自体などであっても良い。他の基準フレームと区別するための任意基準フレームを設定する他の方法も使用できる。基準フレームは、如何なる既知の、あるいは一般的な画像処理アルゴリズムを使用しても設定できる。設定されると、好適には任意基準フレームは一つの骨などの、対象となる解剖構造のボリューム（体積）に対して一意の空間的関係を有し、該任意基準フレームはそれに対して固定した相対位置を有する。

処理はブロック１０４に移行し、同ブロックはボリュームデータセットの空間的に一意の物理的空間側面（特徴）などの第一データセットの固有特徴を識別する。好適には、該固有特徴は如何なる基準位置からも識別可能な、解剖構造に対して一意の位置と方向を有する。好適な方法では、コンピュータシステム２４はボリュームデータセットの画像慣性モーメントを計算する適切な命令ルーチンで構成されており、同モーメントは該ボリュームがどの視点で取得されたかあるいは観察されるかに関わらず固定である。如何なる特定のボリュームも、特定のボリュームを表すデータセットに対して、ボリュームがどの視点から観察されるかとは関係なしに、一意の固定した空間関係を有する固定の慣性モーメントを有するので、慣性モーメントの使用は有利である。そのため、例えばある骨の特定の部分のボリュームデータセットの慣性モーメントは、該骨のその部分に対して、ボリュームデータセットがどの視点から取得されたか、あるいは観察されるかとは関係なしに、同じ相対的位置にある。ボリュームデータセットの空間的に一意の物理的空間側面を決定する他の方法を使用しても良く、任意基準フレームを定義するために使用可能な表面輪郭情報、点の目標などの解剖構造に関する別の、又は追加的一意定義の空間情報が得られる。

その後、処理はブロック１０６に移行し、同ブロックは第一任意基準フレームをボリュームデータセットの空間的に一意の物理的空間側面に対して相関させる。一例では、ブロック８８では第一任意基準フレーム及び画像慣性モーメントを、第一任意基準フレーム中の画像慣性モーメントのｘｙｚ直角座標などの、それらの間で既知の一意空間的関係で相関させる。一つの好適な例では、慣性モーメントが任意基準フレームの軸を定義するように第一任意基準フレームが付加される。任意基準フレームを空間的に一意の物理的空間側面と相関付ける他の方法又はシステム及び／又は同等の方法又はシステムを使用しても良い。

処理はブロック１０８に移行し、同ブロックでは、第一任意基準フレームに対して一意の空間方向を有する追加位置情報を作成し、それを第一ボリュームデータセットと対応付ける。該追加位置情報は、該解剖構造に作用する重力ベクトルなどの解剖構造及び相互の解剖構造の部分の方向の少なくとも一つの機能情報を有していても良い。一つの実施例では、第一データセットは術前のボリュームデータセットであり、機能情報は患者が一般的に立っているか直立の位置にある時に解剖構造に関して取得される。他の実施例では、機能情報は当業者にとって明らかな他の方法で取得しても良い。

追加空間情報は第一ボリュームデータセットと連続したものであっても良い。例えば、追加空間情報はボリュームデータセットが取得された時点での、第一ボリュームデータセットの重力ベクトルを定義する重力ベクトル情報を含んでいても良い。重力ベクトルは如何なる既知の方法で取得しても良い。そのような方法には、外科ナビゲーションシステムのカメラに組み込まれた加速計などの重力検知装置が含まれ、重力検知装置は第一ボリュームデータセットが収集されている時に局地重力ベクトルを識別する。次に重力ベクトル情報は、重力ベクトルが第一任意基準フレームに対して一意に位置つけられるようにボリュームデータセットと対応付けられる。

別の例では、追加空間情報は第一ボリュームデータセットに対して非連続であっても良い。例えば、追加空間情報は他の基準フレームの位置と方向を識別するベクトルを含んでいても良い。該他の基準フレームは、第一ボリュームデータセットと重ならない非連続のボリュームデータセットの別の任意基準フレームであっても良く、該非連続ボリュームデータセットは別の解剖構造又は同じ解剖構造の別の部分と関連するものであってよい。一つの例では第一ボリュームデータセットは骨の第一の部分であっても良く、非連続ボリュームデータセットは同じ骨の第二の部分であっても良い。他の基準フレームは、外科ナビゲーションシステムのカメラのカメラ基準フレームなど、幾つかのボリュームデータセットに共通なグローバル基準フレームを含んでいても良い。このようにして、各ボリュームデータセットが特に重なっていなくても、またそれらをすぐに表示しなくても、一つ以上の非連続のボリュームデータセットの位置と方向を識別するために全ての一つ以上のボリュームデータセットの位置と方向を使用できるように、一つ以上の非連続ボリュームデータセットの基準フレームの特定の位置及び方向の少なくとも一方を第一ボリュームデータセットと相互に連結することができる。

ボリュームデータセットで表される解剖構造に対して一意の空間特性を有する他の追加空間情報も、該ボリュームデータセットにより特定されても良い。これに限定されない例として、他の種類の追加空間情報は、骨盤平面、大腿骨物理的軸、大腿骨解剖軸、及び一般的にこの分野で使用される関係ある局部基準点及び／又はフレームなど、患者の局部解剖基準フレームに対するボリュームデータセットの、任意基準フレームの位置及び方向ベクトルを含み得る。しかし、本開示では、ボリュームデータセットで表される解剖構造に対して一意の識別可能な空間特性を有する如何なる種類の空間情報も、様々な異なった適用に必要又は便利であると考えられるボリュームデータセットと対応付けられ得ると予想される。

処理はブロック１１０に移行し、同ブロックは第二データセットを収集する。一例では、第二ボリュームデータセットは第一ボリュームデータセットと同じ解剖構造のものであっても良いし、少なくともそれと多くの一致点を有するものであっても良い。第一データセットと第二データセット間に十分な一致があることで、第一データセットと第二データセットは後述のステップで位置合わせできる。好適な実施例では、第一ボリュームデータセットで得られる解剖構造と第二ボリュームデータセットで得られる解剖構造との間には少なくとも約７０％の一致がある。ある場合には７０％以上の一致が更に好適で、他の場合には７０％未満の一致でも十分である。第二ボリュームデータセットは第一ボリュームデータセットと同じ視点で取得しても良いし、異なった視点で取得しても良い。

他の例では第二ボリュームデータセットは、第一解剖構造に対して既知の、あるいは決定可能な空間関係を有する異なった解剖構造のものであっても良い。一つの態様では、第一ボリュームデータセットは患者の体の片側にある骨かその一部分であり、第二ボリュームデータセットは患者の体の反対側の骨かその一部分であって、第一骨の鏡像に実質的に対応するものであっても良い。これに限定されない例として、第一ボリュームデータセットは左大腿骨骨頭の画像データを含み、第二ボリュームデータセットは右大腿骨骨頭の画像データを含んでいても良い。左大腿骨骨頭は体の中心線に対して右大腿骨骨頭の鏡像と数学的に同等であると仮定される。このように、左大腿骨骨頭と右大腿骨骨頭は体の中心線に対して既知の、あるいは特定可能な空間関係を持つ。例えば、小転子のような大腿骨骨頭の目立つ標準解剖構造は左右の各大腿骨上の同一の位置にあり、体の中心線に対して互いに鏡像関係にある目標として識別できると仮定できる。異なる解剖構造間の他の識別可能な関係も本明細書で説明するように同様に識別でき、使用できる。

ある応用例では、第二ボリュームデータセットは第一ボリュームデータセットとは処置において別の段階（手術中など）で取得される。一例では、第二データセットは患者が麻酔下で手術台に横たわっている時に取得された同じ骨又はその一部の術中ボリュームデータセットである。他の応用例では、第一及び第二ボリュームデータセットは両方とも術中、あるいは両方とも術前に収集するなど、同じ外科処置の同じ段階で収集しても良い。更に、一つ以上のボリュームデータセットを例えば術後診断などに役立てるために術後収集しても良い。

第二データセットは、第一データセットと同じモダリティを使用して収集しても良いし、別のモダリティでも良い。一例では、第一及び第二ボリュームデータセットの両方とも外科ナビゲーションシステムで追跡するための追跡装置を有する３Ｄ超音波イメージングシステムを使用して取得される。本例では、第二データセットも外科ナビゲーションシステム２０で追跡される超音波プローブ３２を使用して収集される。

その後、処理はブロック１１２に移行し、同ブロックでは第二基準フレームを第二ボリューム第二データセットに付加する。第一基準フレームと同様に、第二基準フレームは任意基準フレームであっても良く、本明細書で説明するように同様な方法で付加または決定できる。第二任意基準フレームは好適には第二ボリュームデータセットにより一意に定義される。一例では、第二任意基準フレームは、第一解剖構造に対して上記で説明したものと同様に、解剖構造により定義される。第二基準フレームは第一基準フレームと同一であっても良いし異なったものであっても良い。

処理はブロック１１４にも移行し、同ブロックは第二ボリュームデータセットの、ボリュームデータセットの空間的一意の物理的空間側面などの、固有の特徴を識別する。第一ボリュームデータセット及び第二ボリュームデータセットが実質的に同一の解剖特徴に関するものである場合、両ボリュームデータセットの固有特徴は同一であることが好適である。その理由は、同一の解剖特徴は第一ボリュームデータセットと第二ボリュームデータセットに関して、画像慣性モーメントなど、同一の一意の空間的特徴を有するはずであるからである。例えば、超音波画像の画像慣性モーメントを計算するシステムでは構造の慣性モーメントは一定であり、該構造がどの視点から観察されるかとは関係なしに、特定の構造に対して実質的に一意である。故に、同じ解剖特徴の慣性モーメントは、異なった視点から得られた解剖特徴の異なったボリュームデータセット中で一意に識別可能である。そのような例では、第二任意基準フレームも画像慣性モーメントと一意かつ空間的に対応していても良い。

ブロック１１６は、ブロック１０６と同様に、あるいは任意の十分な方法で、第二基準フレームを第二ボリュームデータセットの固有の特徴と相関される。

処理は次にブロック１１８に移行し、同ブロックは第一基準フレームを第二基準フレームに位置合わせする。一実施例では、ブロック１１８は、各画像の一意慣性モーメントを求め、第一ボリュームデータセットの慣性モーメントを第二ボリュームデータセットの慣性モーメントに照合することに基づいて第一任意基準フレームと第二任意基準フレームを相関付け、それに基づき適切な変換マトリックスを計算するなどの、データセット整合を行う。データセット整合の他の可能な方法としては、第一ボリュームデータセット及び第二ボリュームデータセットの異なるボリュームデータ整合を行い、そうすることにより、適切な又は一般的に知られた方法を使用して第一ボリュームデータセット及び第二ボリュームデータセットが実質的にオーバーレイされ、相互に相関される。位置合わせもまた、例えばボリューム対ボリューム整合、表面対表面整合、及び／又は点対点整合などの他の方法を使用して行うことができる。どのような位置合わせ手法でも、回転、平行移動、スケールを含む数理変換は好適にはコンピュータシステム２４で計算され、同コンピュータシステムは共通の、あるいは共通であると仮定される空間的に一意の特徴を２つのボリュームデータセットに位置合わせする。次にコンピュータシステム２４は任意基準フレームのうち１つ又は両フレームを変換し空間的に一意の特徴、すなわち各ボリュームデータセットを、相互に位置合わせさせる。適切な変換と位置合わせを計算し行う、他の等しく効率的な方法も当業者に知られているように使用できる。

処理は次にブロック１２０に移行し、同ブロックは解剖構造の機能情報など、第一基準フレームからの追加空間情報を第二基準フレームに関係付ける。第一ボリュームデータセットからの追加空間情報は、第一ボリュームデータセットと第二ボリュームデータセットが位置合わせされた後（あるいは同時）には、第二ボリュームデータセットの第二任意基準フレームと関連している。このようにして、第二ボリュームデータセットが取得された時に追加空間情報が直接使用可能でなくても、該追加空間情報は第二任意基準フレームと対応する。例えば、追加空間情報が上記のように重力ベクトルを含んでいると、解剖構造が異なった方向にあったとしても追加空間情報は解剖構造に対して正しい方向で第二ボリュームデータセットと対応し、位置合わせされる。追加空間情報が上記のように他の基準フレームの位置と方向を識別するベクトルを含んでいる場合、第二ボリュームデータセットの部分でない非連続ボリュームデータセットの位置と方向は、追加空間情報を構成するベクトル情報の対応と位置合わせに基づいて識別されても良い。

オプションとして処理はブロック１２２に移行し、同ブロックは第二ボリュームデータセットとの位置合わせをディスプレイ装置に表示する。追加空間情報の追加的操作及び使用が所望のように行われることができる。

上記のブロック１００−１２２は、当業者に明らかなように、ステップを減らすために結合したり、分解して追加ステップを含めたり、配置しなおしたり、順序を変えたり、変更することができる。図２Ａに示すように、ある場合のステップ１００−１２２は図２に示すステップ８０−９２と相関があり、これらのサブステップとみなすことができる。更に、図２及び図２Ａのフローチャートで表されるロジックは、図１の外科ナビゲーションシステム２０などのブロック８０−９２及び／又は１００−１２２を実現するよう構成された任意のコンピュータシステムでも実現できる。一実施例では、コンピュータシステム２４には図２及び図２Ａのブロックとプロセスを実行するための適切にプログラムされたソフトウェアとハードウェアが含まれている。

図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃで示す例では、追加空間情報は術前ボリュームデータセットから得られた解剖構造の機能情報であり、術中ボリュームデータセットに関連付けられた機能情報を含んでおり、機能情報は患者に対する外科処置中に使用できるようになっている。例えば臀部関節形成術など、そのような外科処置の一つでは、臀部関節を成す様々な骨に作用する重力ベクトルは、患者のある種の機能的運動特性に基づいた人工臀部移植の構成部分の精密な位置決めの重要な要素となる。他の実施例では、解剖構造に関する機能情報は複数の異なった位置や期間に渡って取得できる。例えば、様々な位置にある膝関節に関する機能情報を取得することができ、外科処置中に使用する伸展／屈曲、内反／外反、その他の情報を収集できる。

膝関節形成術においては、人工構成部品は、大腿機械軸、骨盤前頭面、又は他の標準解剖基準フレームなどの局部生体力学的／解剖学的基準に頼らずに、本明細書で述べる任意基準フレームを使用して、正確に、効果的に配置される。本明細書で使用される「局部」基準フレームとは、特定の骨格目標など、患者の特定の認められた又は定義済みの解剖特徴に基づく基準フレームである。それと対比して「任意基準フレーム」は観察されている特定のボリュームデータセットなどの、観察されている特徴のみに基づき一意に識別された基準フレームを意味する。換言すれば、任意基準フレームは構造の他の部分に対する１つ以上の特定の定義済み解剖目標の位置に依存せず、注目の対象となる構造のみの一意的空間特性に相関付けられ、それから識別可能な基準フレームである。

重力ベクトルＧなどの機能情報を術中処置に関連させることにより、患者の自然な運動と運動パターンに基づき正しい人工部品を最適な位置と並べかたで入れることが容易になる。人工部品の位置と並びは、例えば関節特有の解剖、力学的制約、患者のライフスタイル特有の活動、及び人工部品デザイン特有の幾何学的、力学的制約などの複数のパラメータを使用して最適化できる。更なる最適化は、人工部品を受け入れるために関節を準備した後など、術中に現れるか視覚可能となる他の関連する要素を取り入れることにより実現できる。

図３Ｃは、図３Ａと図３Ｂで示す機能情報を含む外科ナビゲーションシステム２０などであるコンピュータ実施の外科ナビゲーションシステム上の、追加空間情報を利用する一つの方法と特定の例中のステップを示す。ブロック１７０では、患者が立っている時、患者１５４の臀部１５２又は臀部の部分の術前画像ボリュームデータセットが取得される。好適には、画像ボリュームデータセット１５０は超音波プローブ３２で取得され、同プローブはカメラアレイ２６で追跡され、臀部関節の対象となる骨の画像データが収集され、画像データは外科ナビゲーションシステムで利用可能な適切な電子記憶装置に保存される。

ブロック１７２は、カメラアレイの軸などの任意軸を画像ボリュームデータセット１５０で定義し、画像ボリュームデータセットの一意空間パラメータを識別し、任意軸を空間パラメータに相関する。この特定の例では、一意空間パラメータは好適には上述のように計算された臀部骨の画像ボリュームデータセットの画像慣性モーメントを含む。オプションとして、図３に示すように、任意軸は、臀部１５２の前面平面１５６などのような局部解剖パラメータに相関されている。

ブロック１７４は、重力ベクトルＧなどの機能情報を含む追加空間情報を画像ボリュームデータセット１５０に付加する。この例では、重力ベクトルＧは図３Ａの臀部１５２に対して床に向かって下向きになっているが、その理由は画像ボリュームデータセット１５０の取得中に患者は直立しているからである。重力ベクトルは加速計付きの慣性システムで取得されるが、液面測定装置などの本分野で知られているどのような良好なシステムを使用しても良い。重力ベクトルＧは、前面平面１５６に対する特定の傾斜角度βなど、解剖パラメータ及び／又は任意軸に対する重力ベクトルＧの方向を決定することにより空間的に付加される。更なる例では、機能平面１５８、腸骨稜、恥骨結合部などの他の解剖パラメータ、及びそれらで定義される様々な平面、角度なども定義でき、その結果、重力ベクトルＧはそれら解剖パラメータに関連付けられ得る。

ブロック１７６は、ブロック１７０と同様に患者がうつぶせになっている時、同じ領域の術中画像ボリュームデータセット１６０を収集する。

ブロック１７８は、画像慣性整合や前述のボリュームデータセット整合手法などの適切なデータ一致手法を使用して術前画像ボリュームデータセット１５０及び術中画像ボリュームデータセット１６０を位置合わせする。その位置合わせの結果、重力ベクトルＧは処理中に使用するために同時、あるいはその後術中ボリュームデータセット１６０に転写される。

ブロック１８０は、臀部骨と位置合わせされた重力ベクトルＧと共に画像ボリュームデータセット１６０をディスプレイ装置２２に表示する。次に、外科ナビゲーションシステム２０を使用して人工器官を臀部の骨に合わせる。その結果、重力ベクトルＧに対しての骨の位置に基づき予め選択された骨に対して関連付けられる。

図３Ａ−３Ｃに関連して示される方法は、好適には外科ナビゲーションシステム２０で実現され、ブロック１７２，１７４，１７８，１８０は好適には当業者にとって任意の既知の方法で、コンピュータシステム２４に関連付けられ、好適にはこれを制御する適切なコンピュータソフトウェア・ルーチンで行われる。

図４Ａ−４Ｃは、ボリュームデータ整合位置合わせ手順の一例を示し、そこでは３つのデータセット収集スクリーンショットが示されている。第一ステップでは、患者の臀部の術前ボリュームデータセット１９０が超音波プローブで収集されて図４Ａで示されるディスプレイ画面で示され、それに第一任意基準フレーム１９２が付加される。オプションとしては、重力ベクトルＧなどの追加空間情報がボリュームデータセット１９０に対して一意の空間位置で対応する。次に臀部の術中ボリュームデータセット１９４が収集され、それに対して第二任意基準フレームが付加される。本例では、術前ボリュームデータセット中の臀部の解剖パラメータには右腸骨稜１９８、左腸骨稜２００、及び恥骨結合部２０２が含まれる。同じ右腸骨稜、左腸骨稜、及び恥骨結合部術中ボリュームデータセット１９４でも識別され、術前及び術中ボリュームデータセットによりデータセットの一意任意基準フレームが設定される。追加的に、あるいは別途、術前及び術中ボリュームデータセット１９０、１９４の画像慣性モーメントが計算され、術前ボリュームデータセット１９０の画像慣性モーメントは、術中ボリュームデータセット１９４の画像慣性モーメントと同一であるか、それに十分に近いものである。２つのボリュームデータセット１９０、１９４間で約７０％以上の一致があることが好適である。図４Ｂは並べられているものの位置合わせされていない第一及び第二任意基準フレーム１９２、１９６など、位置合わせ前の重ね合わされた臀部の術前ボリュームデータセット１９０及び術中ボリュームデータセット１９４を示す。術前データセット１９０及び術中データセット１９４は次にそれぞれのデータセットを重ね合わせ相関することにより基準フレーム移動により位置合わせされる。この一例が図４Ｃに示され、臀部の術前及び術中ボリュームデータセット１９０、１９４は位置合わせの後重なり合っている。術前及び術中ボリュームデータセットが位置合わせされると、データセット間の変換を使用して、重力ベクトルなどの追加空間情報が術前ボリュームデータセット１９０から術中ボリュームデータセット１９４に関連付けられる。上述のように、重力ベクトルＧは術前ボリュームデータセット中の臀部の解剖パラメータに対して決定され、それと一意の空間関係でそのボリュームデータセットに付加される。

図３Ａ−３Ｃ及び図４Ａ−４Ｃの実施例は、典型的には重力ベクトルＧの近似として機能平面１５８を使用した従来の外科処置と比べて改善されたものである。機能平面１５８は例えば上前腸骨稜を決定して前後身体軸を積分するなど、既知の方法で決定される。機能平面１５８は重力ベクトルに対する良好な近似を与えるものであるが、機能平面１５８の方向と重力ベクトルＧの方向との間には一般的に約５°から１０°の差が存在する。したがって、通常の活動と運動パラメータに関して患者の機能的側面を考慮する場合、重力ベクトルＧの検出と付加はより正確で信頼性の高い方法である。

本明細書で開示する概念は、整形外科、再建術、あるいは外傷外科処置などでも利用でき、そのような処置では対象となる部位の機能と解剖構造を再構成することが重要である。ある場合には、対象となる部位を修理するために空間的関係、角度、及び生体力学的パラメータなどの対称生体力学パラメータを与えて損傷部位を反映するために無傷の部位が使用される。例示のみに図５を参照すれば、左大腿骨骨折の患者の場合、同患者の健康な右大腿骨の画像データと機能情報を得ることができる。右大腿骨の機能情報は図２の処置で骨折した左大腿骨と関連付けられる。本例では、当業者に明らかなように、左右両方の大腿骨に関するデータセットは通常外傷外科の条件下で取得される。

図５の例を参照すれば、左大腿骨２１２及び右大腿骨２１４の概略画像データセット２１０では、左大腿骨２１２には左大腿首部を横断して左大腿頭部２１８を分離するような重大な骨折２１６が発生しているが、右大腿骨２１４には影響がない。画像データセット２１０は、上述のように超音波プローブ３２や外科ナビゲーションシステム２０などの適切なモダリティで一度に取得でき、コンピュータシステム２４に保存できる。次にコンピュータシステム２４は左右大腿骨２１２，２１４に関する情報を画像データセット２１０から作成する。該情報には、左大腿骨頭部２１８を含む第一ボリュームデータセット２２０と、左大腿体２２４の一部分を含む第二ボリュームデータセット２２２が含まれる。各ボリュームデータセット２２０、２２２は好適には互いに連続でないか、骨折２１６の対向側とは数理的に分離されたものであるかの少なくとも一方である。更に、該情報は無影響の右大腿骨２１４を含む第三ボリュームデータセット２２６も含んでいる。第三ボリュームデータセット２２６は、右大腿骨２１４の頭部と右大腿体の一部分の非連続ボリュームデータセット２３０を含んでいる。各ボリュームデータセット２２８と２３０を含めてボリュームデータセット２２６全体が取得されている間、右大腿骨２１４は固定されている。或いは、各ボリュームデータセット２２８及び２３０の位置情報に関して相互に追加ロバスト性を与えること、及びボリュームデータセット２２６の取得中の右大腿骨の動きを補正することの少なくとも一方のために、ボリュームデータセット２２６が取得されている間、追跡装置（図示せず）を大腿骨２１４に取り付けても良い。

各ボリュームデータセット２２０、２２２、２２８、２３０には任意基準フレーム２３２、２３４、２３６、２３８がそれぞれ付加される。各基準フレーム２３２、２３４、２３６、２３８は好適にはここで説明する画像慣性モーメントなどの、ボリュームデータセットの一意に識別可能な特徴に相関される位置と方向を有する。

各ボリュームデータセット２２２、２３０の、位置及び方向を含めて、空間関係を相互に一意に定義するベクトル２４０から成る追加空間情報が設定される。したがって、２つのボリュームデータセットが相互に連続していなくても、各基準フレーム２３６及び２３８は、カメラアレイ２６などのグローバル基準フレーム２４２中で、ベクトル２４０により相互に空間的に相関されている。勿論他のグローバル基準フレームを使用しても構わない。追加的ベクトル２４０の計算は必ずしも必要でないが、ボリュームデータセット２２８がボリュームデータセット２３０と連続している例の場合、冗長測定を与えることにより更なる数理的ロバスト性を与えるためにこのような計算を使用しても良い。

次に、無影響の右大腿骨２１４の対応する部分と一致する左大腿骨頭部２１８及び左大腿骨体部２２４の再構成位置を決定するために、損傷した左大腿骨２１２の第一ボリュームデータセット２２０及び第二ボリュームデータセット２２２を整合させて、無影響の右大腿骨２１４の第三ボリュームデータセット２２６の対応する部分２２８及び２３０それぞれと位置合わせする。一例示的の方法では、位置合わせプロセスには無影響の右大腿骨２１４の基準フレームから損傷の左大腿骨２１２の両ボリューム２２０、２２２の基準フレームへの移し替えを行うことが含まれている。これを行うためには、左大腿骨２１２の形状と位置は右大腿骨の形状と位置と同一で、これらの間の中心線に対して鏡像であることが前提となっている。更に、ボリュームデータセット２２８、２３０に取得された右大腿骨２１４の部分の形状はボリュームデータセット２２０、２２２に取得された左大腿骨２１２の対応する部分の形状と実質的に対応していることが前提となっている。これらの仮定により、右大腿骨２１４の基準フレーム２３６、２３８及び対応するボリュームデータセット２２８、２３０及びベクトル２４０は左大腿骨２１２と一致する位置にあるため、中心線２４４に対して数理的に反映しているものである。次に、左大腿骨２１２のボリュームデータセット２２０、２２２のうち一つが、右大腿骨２１４の対応する反映するボリュームデータセット２２８又は２３０と合わされる。例えば、各ボリュームデータセット２２２、２３８の両方は、反映ボリュームデータセット２３８にボリュームデータセット２２２を位置合わせするために使用される小転子などの容易に識別可能な３次元特徴を含んでいても良い。他の例では、各ボリュームデータセット２２２、２３８の両方の画像慣性モーメントが計算され、右大腿情報を反映（ミラーリング）した後画像慣性モーメントが合わされる。反映（ミラーリング）した対応する各ボリュームデータセットを位置合わせする他の方法を使用しても良い。

ボリュームデータセット２２２を反映ボリュームデータセット２３８に位置合わせした後、無影響右大腿骨２１４の他の部分の方向に関する情報を損傷の左大腿骨２１２に関連付け、損傷の左大腿骨２１２の骨折した部分を正しく配置するために外科医によって使用されることができる。例えば、反映ベクトル２４０’及びボリュームデータセット２２８では、左大腿骨体部２２４に対する左大腿骨頭部２１８の理論的に正しい位置が定義されている。好適には、追跡装置２４６、２４８が左大腿骨体部２２４及び左大腿骨頭部２１８のそれぞれに取り付けられ、処置中に外科ナビゲーションシステム２０により独立して追跡される。外科医は、左大腿骨の各部分２１８、２２４を調整して、右大腿骨２１４の反映ボリュームデー２２８、２３０の位置合わせに基づいて理論的に導出された位置に合わせることができる。

損傷した骨の対応する部分に対する無影響の骨の関連部分のみが注目の対象であるので、局部基準フレームを使用して患者の体の残りの部分に対して各ボリュームデータセット２２０、２２２、２２６、２２８、２３０の絶対位置を計算する必要はない。むしろ、ボリュームデータセット及び付随する基準フレームは任意に選んでも構わない。それゆえに、局部基準フレームを設定する必要がないので時間とコンピュータ資源の節約となる。勿論、本方法はここでの説明のように大腿骨に対する処置に限定されていない。腕、肋骨、足、手、臀部などの体の中心線の両側で実質的に鏡像となるどのような解剖構造に対しても僅かな変更で応用できる。

本開示では、解剖基準フレームなど、一つの時期での解剖構造に関する一つのデータセットから、他の時期での同じ解剖構造の他のデータセットに対する空間情報も考慮の対象となる。図６Ａ及び図６Ｂで示す例の場合は、手術台での患者の位置と覆いのために外科処置中はアクセス不可能な解剖基準フレームを術前に定義する機能である。この例では、前腕へのアクセスが可能である段階で、下部の骨の画像データも含む、前腕２５０の術前ボリュームデータセットが追跡超音波プローブ３２及び外科ナビゲーションシステム２０を使用して収集される。例えば、図６Ａに示すように、前腕２５０の一つの位置での第一ボリュームデータセット２５２と、前腕２５０の別の位置での第二ボリュームデータセット２５４とが、両位置がアクセス可能である時に取得される。術前データセットは、注目対象である領域が準備され覆われてアクセス不能となった後の前腕２５０の領域を含むものであることが好ましい。解剖構造がアクセス可能である時、カメラアセンブリ２６のグローバル基準フレーム２５６など、解剖基準フレームや他の空間情報が定義され、各ボリュームデータセット２５２、２５４に関して任意基準フレーム２５８、２６０がそれぞれ定義される。各基準フレーム２５８、２６０は、上述のように、それぞれのボリュームデータセット２５２、２５４の画像慣性モーメントに対して既知の関係を有するなど、対応するボリュームデータセットに基づき一意に識別可能である。一旦定義されると、解剖基準フレームや他のグローバル基準フレーム２５６は術前データセットの任意基準フレーム２５８、２６０と幾何学的に対応し、任意基準フレーム２５８、２６０及びそれぞれのボリュームデータセット２５２、２５４を相互に一意の空間関係で対応付けるベクトル２６２が決定される。その後の手術中、図６Ｂで示す覆いのため、あるいは他の理由で、ボリュームデータセット２５４に対応する前腕２５０の部分は超音波プローブ３２によりアクセス不能である。そのような場合、ボリュームデータセット２５２とかなりの部分で一致する後続のボリュームデータセット２５２’が超音波プローブ３２及び外科ナビゲーションシステム２０を使用して収集され、解剖構造又はグローバル基準フレーム２５６を後続のボリュームデータセット２５２’に関係付けるために任意基準フレーム２５８が再設定される。任意基準フレーム２５８は、ボリュームデータセット２５２、２５２’の画像慣性モーメントを一致させるなど、前述の方法と実質的に同様な方法で、あるいはボリューム整合や表面整合方法などで、再設定できる。コンピュータシステム２４は、前腕２５０のその領域はアクセス不能であっても適切なプログラムルーチンを使用してベクトル２６２に基づき第二ボリュームデータセット２５４の位置を再設定する。これにより、外科ナビゲーションシステム２０は、前腕２５０の骨の部分の位置を再設定できる。それは、以前識別された他のボリューム部分を表示することもなく、上述のように局部解剖目標を定義することもなく以前識別された骨の一ボリューム部分を表示することができることに基づいている。例えば、本明細書に提供される例は、骨などの長時間安定した構造的位置関係を保つ如何なる解剖特徴にも応用でき、空間的に相互接続可能な幾多のボリュームデータセットにも拡張できる。

他の応用例では、機能情報は、局部解剖目標を定義する必要もなく、対応する異なった時期に複数の異なった位置で同じ解剖構造の複数のボリュームデータセットを収集することにより生成される。この応用の一例を図７Ａと図７Ｂに示し、ここでは患者２７０の臀部の機能運動パラメータが決定される。この例では、患者の大腿の部分２７４の第一ボリュームデータセット２７２が収集され、骨盤の部分２７８の第一ボリュームデータセット２７６が収集されるが、これらは両方とも患者の足が伸びた位置にある時に行われる。患者の大腿２７４の実質的に同じ部分の第二ボリュームデータセット２７２’が収集され、骨盤の実質的に同じ部分２７８の第一ボリュームデータセット２７６’が収集されるが、これらは両方とも患者の足が屈曲位置にある時に行われる。各ボリュームデータセット２７２、２７６、２７２’、２７６’には、それぞれのボリュームデータセットの、一意に識別可能な特徴に対する既知の部分と相関されている任意基準フレーム２８０、２８２、２８４、２８６がそれぞれ付加される。各任意基準フレーム２８０、２８２、２８４、２８６は各ボリュームデータセット２７２、２７６、２７２’、２７６’の画像慣性モーメントと相関されていることが好ましいが、本文書で論ずるように特定のボリュームデータセットの他の識別可能一意属性も使用しても構わない。各ボリュームデータセット２７２、２７６間のベクトル２８８及び各ボリュームデータセット２７２’、２７６’間のベクトル２８８’を含む追加位置情報は、該各ボリュームデータセットの、カメラアレイ２６の基準フレームなどのグローバル基準フレーム２９０に対する関係に基づき計算される。ある応用例では、前述のように、重力ベクトルＧは任意基準フレーム２８０、２８２、２８４、２８６のうちの一つ以上のフレームに相関されている。同じボリュームの異なったボリュームデータセット（例えば２７２と２７２’）は、ボリュームの一意に識別可能な特徴に基づき相互に位置合わせされる。それは、前述のどのような適切な方法で行っても良い。大腿骨の同じ部分と骨盤の同じ部分の各ボリュームデータセットを取得するプロセスは、幾つもの更なる異なった位置に関して繰り返すことができる。例えば、通常の使用条件下での臀部の運動錐面を定義する場合などである。各ボリュームデータセット２７２、２７６、２７２’、２７６’は、外科ナビゲーションシステム２０のカメラアレイ２６で追跡される一つ以上の超音波プローブ３２で上述のように取得されることが好適である。一つの方法及びシステムでは、各ボリュームデータセット２７２、２７６、２７２’、２７６’は追跡された単一の超音波プローブ３２のみを使用して取得される。そのようなシステムでは、各位置でそれらのボリュームデータセットが取得されている間、大腿骨と骨盤に動きがないことが好適である。別の方法及びシステムでは、複数の超音波プローブ３２が、例えば患者の足などが異なった位置に動かされるたびに、各解剖構造の同時のボリュームデータセットを得るために同時に使用される。ある一定の範囲の運動錐面や重力ベクトルＧなどの様々なボリュームデータセットに空間的に関連する臀部関節の機能パラメータは、定義済みの解剖特徴に基づく局部解剖構造基準フレームを定義及び／又は決定することなしに、様々なボリュームデータセットに基づいて計算できる。外科ナビゲーションシステム２０に付随する一つ以上のコンピュータシステム２４が必要な計算を行い、当業者に既知の方法で、すべての付随するデータをシステムに付随するメモリに保存することが好適である。同様に、体の他の部分に関して同じか同様な機能運動分析を行うことができる。

上記の実施例の個々の特徴の様々な組み合わせから成る他の実施例は特に本明細書に含まれているものとする。

本明細書で説明した各方法及び各システムは、他のデータセットで該情報が利用不能であるか容易に取得できない場合でも一つのデータセットから別のデータセットの情報の関係を容易化する。本文書開示の各方法と各システムは、様々な側面で異なったデータセット中の任意に定義された一意基準フレームを有利に利用し、二つ以上のデータセット間で比較及び照合の少なくとも衣っぽいができる特定の目標の識別と使用を必要とせずにデータセットを簡単に位置合わせでき、情報を関連付けることができる。本明細書で開示された教示により利益を得る具体的な処置としては、関節形成術など、手術中機能評価を行う外科処置、無影響の解剖構造からの情報を損傷の解剖構造へ反映せしめる外傷手術などが含まれる。

上記の説明により、本発明の幾多の変更は当業者にとって明らかになるであろう。したがって、この説明は例示的な説明のみとして理解されるべきであり、当業者が本発明を利用し、それを実行するための最善の形態を教えるために開示されているのである。添付の特許請求の範囲中にある全ての変更の権利は保有されている。本明細書で参照される全ての特許公報と特許出願公報は、その全体において本明細書に組み込まれてある。

Claims (38)

1. コンピュータで実行される、第一データセットに対応付けられた情報を第二データセットに位置合わせする方法であって、
   イメージング装置で解剖構造の第一データセットを収集するステップと、
   一意に識別可能な空間関係を第一データセットの構造に対して有する、第一データセットの追加情報を作成するステップと、
   前記解剖構造上の如何なる目標をも参照しないと共に、一意の空間関係を第一データセットに対して有する、第一データセットの第一任意基準フレームを設定するステップと、
   イメージング装置で解剖構造の第二データセットを収集するステップと、
   第二データセットの第二任意基準フレームを設定するステップと、
   第一データセットの一意空間パラメータを第二データセットの同じ一意空間パラメータと整合させることにより第一基準フレームを第二基準フレームに変換するステップと、
   前記追加情報を第二データセットに位置合わせするステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記第一基準フレームを設定するステップは、
   如何なる基準位置からも識別できる、解剖構造に対して一意の位置と方向を有する、第一データセット中の固有特徴を計算するステップと、
   前記固有特徴を第一任意基準フレームに相関付けるステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第二任意基準フレームを設定するステップは、
   第二ボリュームデータセット中の固有特徴を識別するステップと、
   前記固有特徴を第二任意基準フレームに相関付けるステップと、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記変換するステップは、
   コンピュータ外科ナビゲーションシステムで行われ、前記固有特徴に基づき第一データセットを第二ボリュームデータセットに位置合わせするステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記収集ステップは、前記コンピュータ外科ナビゲーションシステムでデータセットを収集するステップを含み、
   前記方法が、第二データセットに位置合わせされた追加空間情報をディスプレイ装置で表示するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 解剖構造の第一ボリュームデータセットに関する空間情報を前記解剖構造の第二ボリュームデータセットに対応付ける、コンピュータで実行される方法であって、
   コンピュータ外科ナビゲーションシステムで前記解剖構造の第一ボリュームデータセットを取得するステップと、
   第一ボリュームデータセットへ第一任意基準フレームを付加するステップと、
   如何なる基準位置からも識別できる、解剖構造に対して一意の位置と方向を有する、第一ボリュームデータセットの固有特徴を計算するステップと、
   前記固有特徴を第一任意基準フレームへ相関させるステップと、
   第一任意基準フレームと相関される一意の空間関係を有する追加空間情を、第一ボリュームデータセットと対応付けるステップと、
   コンピュータ外科ナビゲーションシステムで前記解剖構造の第二ボリュームデータセットを取得するステップと、
   第二ボリュームデータセットへ第二任意フレームを付加するステップと、
   第二ボリュームデータセットの固有特徴を識別するステップと、
   前記固有特徴を第二任意基準フレームへ相関させるステップと、
   コンピュータで行われ、前記固有特徴に基づき第一ボリュームデータセットを第二ボリュームデータセットへ位置合わせするステップと、
   前記追加空間情報を、第二ボリュームデータセットに位置合わせして相関させるステップと、
   第二ボリュームデータセットの位置合わせ中の追加空間情報をディスプレイ装置で表示するステップと、
   を含む、方法。
7. 前記固有特徴を計算するステップは、第一ボリュームデータセット及び第二ボリュームデータセットの各々の画像慣性モーメントを計算するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
8. 前記第一ボリュームデータセット及び第二ボリュームデータセットは同一のモダリティで取得されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記モダリティは前記コンピュータ外科ナビゲーションシステムで追跡される超音波装置で構成されていることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 前記追加空間情報を対応付けるステップは、
    重力ベクトルを識別するステップと、
    前記重力ベクトルを第一任意基準フレームと相関付けるステップと
    を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
11. 前記第二ボリュームデータセットに位置合わせされた前記重力ベクトルをディスプレイ上に表示するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記追加空間情報を対応付けるステップは、
    他の解剖構造の第三ボリュームデータセットを取得するステップと、
    第三任意基準フレームを前記第三ボリュームデータセットに付加するステップと、
    如何なる基準位置からも識別できる、解剖構造に対して一意の位置と方向を有する、第三データセットの固有特徴を計算するステップと、
    前記第三ボリュームデータセットの固有特徴を第三任意基準フレームへ相関させるステップと、
    前記第一任意基準フレームに対する前記第三任意基準フレームの一意の位置と方向を計算するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
13. 前記第三ボリュームデータセットは前記第一ボリュームデータセットと連続していないことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記他の解剖構造は前記解剖構造に対して一定の位置を有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記解剖構造及び前記他の解剖構造は単一の骨の一部分であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記解剖構造は第一の骨の一部分であり、前記他の解剖構造は第二の骨の一部分であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 前記第一の骨は大腿骨であり、前記第二の骨は骨盤であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記追加空間情報に基づき、前記第一の骨と第二の骨との間の関節に関する機能情報を計算するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
19. 前記第一ボリュームデータセットは第一回目に取得され、前記第二ボリュームデータセットは第二回目に取得されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
20. 前記解剖構造及び前記他の解剖構造が第一の固定グローバル位置にある間に、前記第一ボリュームデータセット及び第三ボリュームデータセットが取得されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記第二ボリュームデータセットは前記解剖構造が第二のグローバル位置にある時に取得されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 前記第一ボリュームデータセット及び第三ボリュームデータセットは術前に取得され、前記第二ボリュームデータセットは術中に取得されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 患者の解剖構造の第一ボリュームデータセット及び前記解剖構造の第二ボリュームデータセットを取得する取得手段と、
    如何なる基準位置からも識別できる、解剖構造に対して一意の位置と方向を有する、第一ボリュームデータセット及び第二ボリュームデータセットの固有特徴を計算する計算手段と、
    第一任意基準フレームを前記第一ボリュームデータセットへ付加し、第二任意基準フレームを前記第二ボリュームデータセットへ付加する付加手段と、
    前記固有特徴を前記第一任意基準フレームへ相関させる固有特徴相関手段と、
    前記第一任意基準フレームと相関される一意の空間関係を有する追加空間情を、前記第一ボリュームデータセットと対応付ける対応手段と、
    前記固有特徴に基づき前記第一ボリュームデータセットを前記第二ボリュームデータセットに位置合わせする位置合わせ手段と、
    前記追加空間情報を、前記第二ボリュームデータセットに位置合わせして相関させる追加空間情報相関手段と、
    を備えることを特徴とする、解剖構造のボリュームデータセットを収集し操作するシステム。
24. 前記第一ボリュームデータセットの重力ベクトルに対して前記解剖構造又はその一部分の方向を決定する決定手段をさらに備えることを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
25. 前記取得手段はコンピュータ外科ナビゲーションシステム及び超音波プローブで成ることを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
26. 前記計算手段は、前記第一ボリュームデータセット及び第二ボリュームデータセットの画像慣性モーメントを計算するコンピュータ実施のルーチンを含むことを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
27. 前記対応手段は、前記第一ボリュームデータセットに対する機能情報を識別する識別手段を含むことを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
28. 前記機能情報の識別手段は、重力ベクトルを識別する手段を含むことを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
29. 前記機能情報の識別手段は、関節の運動パラメータを識別する手段を含むことを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
30. 前記対応手段は、前記第一任意基準フレームに対して第三任意基準フレームの一意の位置と方向を計算する手段を含むことを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
31. 前記付加手段は、前記解剖構造上の予め定義された目標に対する参照なしに第一基準フレーム及び第二基準フレームを付加する手段を含むことを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
32. 正常な形状から変更された骨の部分の位置を設定する方法であって、
    変更されていない第一の骨の第一及び第二部分のボリュームデータを含む第一ボリュームデータセットを収集するステップと、
    前記第一の骨の第一部分のボリュームデータセットの第一一意空間特性を識別するステップと、
    前記第一一意空間特性と相関される、第一ボリュームデータセットの第一任意基準フレームを設定するステップと、
    前記第一任意基準フレームと、前記第一の骨の第二部分との間の一意空間関係を識別するステップと、
    中心線に対して通常第一の骨の鏡像である第二の骨を識別するステップであって、前記第二の骨は第一の骨の第一及び第二部分の実質的に鏡像構造として対応する第一及び第二部分を含み、第二の骨の第一部分が第二の骨の第二部分に対して変更された位置にあるように第二の骨が正常な形状から変更されている、ステップと、
    前記第二の骨の第一部分の第二ボリュームデータセットを収集するステップと、
    第一一意空間特性を実質的にミラーリングする、第二ボリュームデータセットの第二一意空間特性を識別するステップと、
    第一一意空間特性を第二一意空間特性に相関させることにより、第一ボリュームデータセットを第二ボリュームデータに鏡像相関で位置合わせするステップと、
    前記第二の骨の第二部分の正常位置を、前記第一の骨の第二部分の位置と、前記第一の骨の第一部分の位置合わせされた位置と関連するように一致させて、前記第二の骨の第二部分の正常な位置を再設定するステップと、
    を含むことを特徴とする、方法。
33. 前記一意空間関係は、前記第一の骨の第一部分のボリュームデータと、前記第一の骨の第二の部分のボリュームデータ間の位置ベクトルから成ることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
34. 前記第二の骨の第一部分は外傷により前記第二の骨の第二部分から分離されていることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
35. 前記第一ボリュームデータセット及び第二ボリュームデータセットは、コンピュータ外科ナビゲーションシステムにより追跡される超音波プローブで収集されることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
36. 前記コンピュータ外科ナビゲーションシステムで追跡される追跡装置で、前記第二の骨の第一部分及び第二部分の位置を追跡することをさらに含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
37. 前記第一任意基準フレームは、解剖構造上の事前定義への参照なしに設定されることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
38. 前記第一一意空間特性及び第二一意空間特性を識別するステップは、各ボリュームデータセットの画像慣性モーメントを計算するステップを含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。

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