JP2012101046A - レーザーガイド医療機器自動位置決めシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 医療機器が自動的に位置決めするフローを簡単にし、自動位置決めの技術問題を解決し、患者の体験を改善することを目的とする。
【解決手段】 医療機器本体と位置決め部材とを備える医療機器位置決めシステムであって、医療機器は目標位置まで移動して診断又は治療が行われる移動部材を有し、位置決め部材はレーザー発射装置、撮影装置及び計算装置を有し、レーザー発射装置から発射するレーザーが患者体表の目標に照射し、撮影装置はレーザー照射点に対して撮影し、計算装置は撮影装置が獲得した画像に対して計算してレーザー照射点位置が得られ、医療機器は計算して得られた照射点位置に基づいて移動部材を自動的に位置決めする。撮影装置の採集頻度はレーザーパルス周波数の二倍で、隣り合った２枚の画像に対して輪郭計算してレーザー照射点位置が得られる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、医療機器の領域に関し、医療映像装置及び治療システムを含み、特にＸ線装置及びシステムに関し、体表の照射目標を介して位置決めすることで、患者の体の位置決めが行われる。

Ｘ線照射は患者の体の表面の特定位置に対して正確な位置決めを行う必要がある。正確且つ速く位置決めすることは成功に照射するポイントで、全体の照射時間を短くして患者の被曝又は苦痛を減らすことができる。

従来、自動位置決めの機能を有するディジタルＸ線システム（例えば、ＧＥ社のDefinium8000システム、図１を参照）は、患者に対する位置決めするに際して以下のステップを含んでいる。（ステップ１）患者を選択する、（ステップ２）Ｘ線管フレームＯＴＳ（overhead tube suspension）の最初位置を選択する（図１．１のプルダウン・メニューＡに示されたように）、（ステップ３）自動位置決めボタンＢ（図１．２のコントロールパネルを参照）を押圧すると、ＯＴＳが目標位置に向かって移動し、ＯＴＳが目標位置まで移動したとき該ボタンを離す、（ステップ４）患者を指示して（胸フレームの前、床の上またはその他の位置）席につく、（ステップ５）マニュアルでＸ線管を移動及び／又は回転して患者の体表の照射目標箇所に位置決めし、再び照射視野ＦＯＶ（field of view）などを確認する。照射視野を確認するとき、中心線を患者の体表の照射目標にアライメントさせる。例えば、図２に示されたように、横になっている位置に対しては、Ｘ線管（８）から発射した中心Ｘ線（５）が患者に垂直しながら体表の照射目標（３）の真上の所定の箇所に位置し、体表の照射目標（３）が照射視野ＦＯＶ（４）の中心に位置することが好ましい。

上記の説明から分かるように、これらのシステムは完全に自動的に患者に対して位置決めすることができない。なお、ＯＴＳは自動的に目標位置に移動するが、Ｘ線管の移動及び／又は回転はマニュアルで行う。この方法で患者の体表の照射目標の正確な位置決めを行うと、かかる時間が長く、フローが複雑である。

米国特許第５，５９０，６５５号公報 米国特許第５，５９８，２６９号公報

上記の問題を解決するため、本発明は患者の体表の照射目標に対して正確に位置決めするレーザーガイド医療機器自動位置決めシステム及び方法を提供することを目的とする。

特許文献１ではレーザーガイドの内傷位置決め装置を開示したが、体表の照射目標に対して位置決めすることではない。特許文献２ではＣＴコンピュータ断層撮影装置を協力して位置決めする移動可能であるレーザーガイド位置決め装置を開示したが、この装置がレーザー光源及びファン光源となる２つの光源を備えるので、構成が複雑で操作が簡便でない。

上記の問題に鑑みて、本発明は医療機器本体と位置決め部材とを備える医療機器位置決めシステムであって、医療機器は目標位置まで移動して診断又は治療が行われる移動部材を有し、位置決め部材はレーザー発射装置、撮影装置及び計算装置を有し、レーザー発射装置から発射するレーザーが患者体表の目標に照射し、撮影装置はレーザー照射点に対して撮影し、計算装置は撮影装置が獲得した画像に対して計算してレーザー照射点位置が得られ、医療機器は計算して得られた照射点位置に基づいて移動部材を自動的に位置決めする。

レーザー発射装置は手持ち型である。
レーザー発射装置は制御器を有し、持続的にレーザーパルスを発射するように制御する。
レーザー発射装置の制御器は一旦持続的にレーザーパルスを発射すると該制御器が撮影装置をトリガーして撮影し、撮影装置の採集頻度はレーザーパルスの発射周波数より高い。

撮影装置の採集頻度はレーザーパルス周波数の二倍である。
計算装置は撮影装置が獲得した隣り合う画像に対して輪郭計算を行い、レーザー照射点位置が得られる。
レーザー照射点位置が所定の時間帯で安定を保持することを計算装置が得られると、レーザー発射装置がレーザーパルスの発射を停止する。

所定の時間帯で安定を保持することは、計算装置が予め確定した所定の時間帯で複数回得られたレーザー照射点位置の差が予め確定した閾値より小さいことを示す。
少なくとも３つの撮影装置を備え、医療機器が位置している環境の周囲に配置される。
医療機器はＸ線診断装置で、撮影装置はディジタルカメラである。

本発明の医療機器の位置決め方法は、
ステップ１）レーザーを発射して患者体表の目標に照射し、
ステップ２）レーザー照射点に対して撮影し、
ステップ３）撮影して得られた画像に対して計算し、レーザー照射点位置が得られ、
ステップ４）医療機器が計算して得られた照射点位置に基づいて移動部材を自動的に位置決めする、ステップを備える。

ステップ１）では手持ち型のレーザー発射装置でレーザーの発射が行われる。
ステップ１）は
１．３）持続的にレーザーパルスを発射し始め、
１．４）一旦持続的にレーザーパルスを発射し始めると、制御器が撮影装置をトリガーして撮影し始めるステップを有する。

ステップ２）ではレーザー照射点に対する撮影の採集頻度がレーザーパルスの発射周波数より高い。
ステップ３）ではレーザー照射点に対する撮影の採集頻度がレーザーパルスの発射周波数の二倍である。

ステップ３）では獲得された隣り合う画像に対して輪郭計算を行い、レーザー照射点位置が得られる。
ステップ３）でレーザー照射点位置が所定の時間帯で安定を保持することを計算して得られると、ステップ１）を停止し、すなわちレーザーパルスの発射を停止する。

ステップ３）で所定の時間帯で安定を保持することは、計算装置が予め確定した所定の時間帯で複数回得られたレーザー照射点位置の差が予め確定した閾値より小さいことを示す。
ステップ３）では少なくとも３つの撮影装置レーザー照射点に対して撮影する。
医療機器はＸ線診断装置で、撮影装置はディジタルカメラである。

本発明は医療機器が自動的に位置決めするフローを簡単にし、自動位置決めの技術問題を解決し、患者の体験を改善することができる。

従来の自動位置決め機能を有するディジタルＸ線システム、ＧＥ社のDefinium8000システムのユーザ操作インターフェース及び関連するボタンを示している。 医療機器が横になっている患者に対する位置決めを示した図である。 本発明に係る医療機器の位置決めシステムの組織構成図である。 撮影により得られた隣り合う画像に対して計算してレーザー照射点位置を獲得する原理図である。 本発明に係る医療機器の位置決め方法の制御時系列図である。

以下、本発明の実施形態について詳しく説明するが、本発明はこの実施形態に限られない。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明し、これらの実施形態は本発明を制限するものではない。なお、異なる図面における同じ部材は同じ符号を付して説明する。

１つの実施形態は図３に示された医療機器の位置決めシステムで、特にＸ線診断装置である。なお、医療機器（すなわち、Ｘ線診断装置）の自身は示されていない。位置決め部材においてレーザー発生装置は手持ち型のレーザーパルス発射ペン（１）で、その上にはレーザーパルスの発射を制御するボタンがある。操作者がレーザーパルス発射ペンを手で持って、ボタンを押圧すると連続的なレーザーパルスが発射され、そのレーザーパルスを患者の体表の照射目標に向かう。位置決め部材は複数のディジタルカメラをさらに含み、図面には照射室の天頂の４つの隅に配置された４つのディジタルカメラ（７）が示され、照射室の中心又は患者の所在位置に向かっている。レーザーペンがレーザーパルスを発射すると、すべてのディジタルカメラがすぐトリガーされて撮影し始め、撮影の頻度がレーザーパルスの発射周波数より高い。前記撮影装置の採集頻度をレーザーパルス周波数の二倍にすることが好ましい。これはレーザーパルスの山、谷の２つの位相で画像を１枚ずつ採集するからである。４つの方向にディジタルカメラが配置されているので、レーザー照射点は必ず１つ又は複数のディジタルカメラに撮影される。なお、ディジタルカメラが獲得したレーザー照射点の画像を医療機器の計算装置（図示しない）に伝送する。図４に示されたように、計算装置は絶えずカメラが獲得した２枚の隣り合う画像に対して輪郭計算を行って絶えずレーザー照射点位置（カメラが獲得した照射点位置の画像を照射点位置の座標に変換する具体的な方法は以下で説明する）が得られる。レーザー照射点位置を獲得し始めたときから、同時に計算装置が絶えず照射点位置の変化を計算する。照射点位置が所定の時間帯で安定を保持していることを発見したとき、例えば１秒内に得られた任意の二回のレーザー照射点位置の差が予め確定した閾値より小さければ、システムがブザーを鳴らし、操作者にレーザー発射ボタンを離してレーザーの発射及び位置決め操作を停止するようにメッセージする。

カメラが得られた透視画像を画像平面に投影して三次元座標点を得る計算方法はピンホールカメラモデル（pinhole camera model）であり、これは従来技術（インターネット百科全書 Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Pinhole camera model）である。なお、仮にレーザー照射点位置座標が（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）で行列あれば、Ｚ０は計算する必要がない。これはＸ線光源から検出器までの距離source to image-receptor distance(SID)はシステム（照射部位に基づいて）が予め設定されているからである。そのため、システムは中心Ｘ線が照射平面での平面座標（Ｘ０，Ｙ０）のみを計算すればよい。

計算に応用される数式は以下のとおりである。
… （１）
又は、
… （２）

なお、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は照射室座標空間内の１つの点の三次元座標で、（ｕ、ｖ）は投影点の画素座標である。Ａはカメラ行列又は内部パラメータ行列と称され、（ｃｘ、ｃｙ）は画像中心である主点（一般的に光学的な中心である）の座標で、ｆｘ、ｆｙは画素で示された焦点距離である。数式（１）又は数式（２）によれば、画像があるパラメータに基づいて拡大又は縮小されると、すべてのこれらのパラメータも対応して拡大又は縮小される（該パラメータを乗算又は除算する）。内部パラメータ行列はカメラ視野の変化により変化せず、焦点距離が変わらなければ一度確定すると繰り返して使用することができる。連合回転平行移動行列[Ｒ／ｔ]は外部パラメータ行列と称され、カメラがある静止点を回して回転することを説明し、又はカメラを固定して照射目標がカメラの前で回転することを説明する。これにより、[Ｒ／ｔ]がカメラに基づいて画像の上のある点の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）をある座標システムに投影することができる。該変換数式（Ｚ≠０のとき）は以下のとおりである。
… （３）

これにより、レーザー照射点の目標点の位置（Ｘ０，Ｙ０）は、異なるカメラが同一の時刻に獲得した画像に対して上述の計算を行って獲得される。

本発明の別の実施形態は、図５の制御時系列図に示された医療機器の位置決め方法で、特に例えばＸ線診断装置の位置決め方法で、以下のステップを含んでいる。

１）操作者がレーザーパルス発射ペンを手で持って、ボタンを押圧すると持続的にレーザーパルスが発射され、そのレーザーパルスを患者の体表の照射目標に向かう。

２）Ｘ線照射室環境の周囲に、分散的に複数（少なくとも３つ）のディジタルカメラが配置されて患者に対して撮影し、一旦レーザー発射ペンのレーザー発射ボタンが押圧されると、持続的にレーザーパルスが発射され、該レーザーパルスがレーザー照射点に対して撮影するように各カメラをトリガーし、撮影の頻度がレーザーパルスの発射周波数より高い。前記撮影装置の採集頻度をレーザーパルス周波数の二倍にすることが好ましい。これはレーザーパルスの山、谷の２つの位相で１枚の画像を採集するからである。

３）絶えず撮影して獲得した２枚の隣り合う画像に対して輪郭計算計算を行って絶えず前記レーザー照射点位置が得られる。

４）カメラがレーザー照射点の原始画像のベクトルを獲得したときから、現有の計算方法（上述を参照）を応用してカメラが得られた照射点位置の画像を照射点位置の座標（ベクトル）に変換する。

５）同時に、得られた照射点位置との間の距離を絶えず計算する。

６）照射点位置が所定の時間帯で安定を保持していることを発見したとき、例えば１秒内に得られた任意の二回のレーザー照射点位置の距離が予め確定した閾値より小さい又は同じで行列ば、システムがブザーを鳴らし、患者の体表目標の位置が獲得され、操作者にレーザー発射ボタンを離してレーザーの発射及び位置決め操作を停止するようにメッセージする。

７）Ｘ線診断装置は得られた患者の体表目標位置に基づいてＯＴＳ及び／又はＸ線管を案内して自動的に位置決めが行われ、すなわち、患者の体表目標に対して照射する適当な位置に自動的に移動する。

本発明は医療機器の位置決めシステム及び方法に関し、正確に位置決めする必要がある診断装置又は治療装置に応用され、Ｘ線システム以外にもコンピュータＸ線断層撮影装置（ＣＴ、X-ray computed tomography）、ＭＲ磁気共鳴装置、陽電子放出断層撮影装置（PET,positron
emission tomography）などに応用される。

上述のように本発明の具体的な実施例について図面を参照しながら説明したが、当業者は本発明の主旨及び範囲を逸脱しない範囲で、本発明に対して様々な変形、修正及び改良を加えて実施することができる。これらの変形、修正及び改良は本発明の請求の範囲が限定する主旨及び範囲内である。

Claims (20)

1. 医療機器本体と位置決め部材とを備える医療機器位置決めシステムであって、
   医療機器は目標位置まで移動して診断又は治療が行われる移動部材を有し、
   位置決め部材はレーザー発射装置、撮影装置及び計算装置を有し、前記レーザー発射装置から発射するレーザーが患者体表の目標に照射し、前記撮影装置はレーザー照射点に対して撮影し、前記計算装置は撮影装置が獲得した画像に対して計算してレーザー照射点位置が得られ、
   前記医療機器は計算して得られた前記レーザー照射点位置に基づいて前記移動部材を自動的に位置決めする医療機器位置決めシステム。
2. 前記レーザー発射装置は手持ち型である請求項１に記載の医療機器位置決めシステム。
3. 前記レーザー発射装置は制御器を有し、持続的にレーザーパルスを発射するように制御する請求項１又は２に記載の医療機器位置決めシステム。
4. 前記レーザー発射装置の制御器は一旦持続的にレーザーパルスを発射すると該制御器が撮影装置をトリガーして撮影し、撮影装置の採集頻度はレーザーパルスの発射周波数より高い請求項３に記載の医療機器位置決めシステム。
5. 前記撮影装置の採集頻度はレーザーパルス周波数の二倍である請求項４に記載の医療機器位置決めシステム。
6. 前記計算装置は前記撮影装置が獲得した隣り合う画像に対して輪郭計算を行い、前記レーザー照射点位置が得られる請求項４又は５に記載の医療機器位置決めシステム。
7. 前記レーザー照射点位置が所定の時間帯で安定を保持することを計算装置が得られると、レーザー発射装置がレーザーパルスの発射を停止する請求項６に記載の医療機器位置決めシステム。
8. 前記所定の時間帯で安定を保持することは、計算装置が予め確定した所定の時間帯で複数回得られた前記レーザー照射点位置の差が予め確定した閾値より小さいことを示す請求項７に記載の医療機器位置決めシステム。
9. 少なくとも３つの撮影装置を備え、医療機器が位置している環境の周囲に配置される請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の医療機器位置決めシステム。
10. 前記医療機器はＸ線診断装置で、前記撮影装置はディジタルカメラである請求項９に記載の医療機器位置決めシステム。
11. ステップ１）レーザーを発射して患者体表の目標に照射し、
    ステップ２）レーザー照射点に対して撮影し、
    ステップ３）撮影して得られた画像に対して計算し、レーザー照射点位置が得られ、
    ステップ４）医療機器が計算して得られた照射点位置に基づいて移動部材を自動的に位置決めする、
    ステップを備える医療機器の位置決め方法。
12. 前記ステップ１）では手持ち型のレーザー発射装置でレーザーの発射が行われる請求項１１に記載の医療機器の位置決め方法。
13. 前記ステップ１）は
    １．３）持続的にレーザーパルスを発射し始め、
    １．４）一旦持続的にレーザーパルスを発射し始めると、制御器が撮影装置をトリガーして撮影し始める
    ステップを有する請求項１２に記載の医療機器の位置決め方法。
14. 前記ステップ２）ではレーザー照射点に対する撮影の採集頻度がレーザーパルスの発射周波数より高い請求項１３に記載の医療機器の位置決め方法。
15. 前記ステップ３）ではレーザー照射点に対する撮影の採集頻度がレーザーパルスの発射周波数の二倍である請求項１４に記載の医療機器の位置決め方法。
16. 前記ステップ３）では獲得された隣り合う画像に対して輪郭計算を行い、前記レーザー照射点位置が得られる請求項１４又は１５に記載の医療機器の位置決め方法。
17. 前記ステップ３）で前記レーザー照射点位置が所定の時間帯で安定を保持することを計算して得られると、前記ステップ１）を停止し、すなわちレーザーパルスの発射を停止する請求項１６に記載の医療機器の位置決め方法。
18. 前記ステップ３）で前記所定の時間帯で安定を保持することは、計算装置が予め確定した所定の時間帯で複数回得られた前記レーザー照射点位置の差が予め確定した閾値より小さいことを示す請求項１７に記載の医療機器の位置決め方法。
19. 前記ステップ３）では少なくとも３つの撮影装置が前記レーザー照射点に対して撮影する請求項１２から請求項１８のいずれか一項に記載の医療機器の位置決め方法。
20. 前記医療機器はＸ線診断装置で、前記撮影装置はディジタルカメラである請求項１９に記載の医療機器の位置決め方法。