JP2014512931A - ユーザ操作されるオンザフライの経路プランニング - Google Patents

Abstract

画像誘導の内視鏡処置におけるユーザ操作されるオンザフライの経路プランニングのための方法、システム及びプログラムを提供する。本方法、システム及びプログラムは、ディスプレイ上に、術前のＣＴスキャンからの関心領域を示す２Ｄの断画像を提示することと、第１のユーザ入力に応答して、２Ｄの断画像上において患者の身体管腔内の制御ポイントを定義することと、制御ポイントに中心が置かれる新たな画像を提示することと、第２のユーザ入力に応答して、身体管腔の長手方向の部分を示すように制御ポイントについて視野角を調整することステップと、第３のユーザ入力に応答して、身体管腔内のプランニング経路上の第２ポイントを特定することと、制御ポイントと第２ポイントとを接続するプランニング経路を拡張することと、第２ポイントを新たな制御ポイントとして再定義することと、上記の提示、調整、特定、拡張、及び再定義を、プランニング経路が患者の身体内の処置開始ポイントに到達するまで繰り返すことを、を含む処理を実行する。

Description

本発明は、画像誘導の医学的介入の分野に関し、より具体的には、介入処置のためのユーザ操作されるオンザフライの経路プランニング（ｕｓｅｒ−ｓｔｅｅｒｅｄ ｏｎ−ｔｈｅ−ｆｌｙ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ）の方法及びシステムに関する。

肺がんは、米国及び世界中において、何年もの間、がんによる死亡の主な原因となっている。肺がんの標準的な診断手法は、胸部全体に対する術前のコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャンを必要とし、その後に、気管支鏡検査法又は経皮的針生検のいずれかを通じて、疑いのある関心領域（ＲＯＩ）をサンプリングする。気管支鏡検査法は、患者の回復期間が早い低侵襲的処置であるので好ましいことが多く、肺がんの診断及び病期分類の安全かつ効果的な手法として認識されている。

ＣＴスキャンの後、気管支鏡検査法を用いるＲＯＩのサンプリング前に、予備ではあるが重要なステップは、患者の気管支樹を通って、生検を行うＲＯＩに十分近い位置に到達するための、気管支鏡検査法の実現可能経路（道すじ）を見つけることである。伝統的には、医師は最初に診断用のＣＴスキャンを検討して、疑いのあるＲＯＩを検出する。各ＲＯＩについて、医師は、ＲＯＩに近い位置から始めて、２Ｄの断画像、通常は軸スライス（ａｘｉａｌ ｓｌｉｃｅ）において患者の気管支樹の可視のキューをトレースする。キューは、２Ｄ画像における気管支の部分であり、これは明るいエリア（軟組織の気管支壁）で囲われた楕円の暗い領域として現れる。

これらの可視のキューを使用して、医師は、実現可能経路を再構成し、気管支鏡検査法により、患者の気管支樹を通って、疑わしいＲＯＩに十分近い位置に到達し、そして適切な生検処置を行うことが可能になる。しかしながら、医師は、この処置の前に、その経路を頭の中で再構成して、個々のＲＯＩに対する各経路を記憶しなければならない。したがって、コンピュータによる支援のない経路プランニングは、医師にとって厄介なことであり、また豊富な技術と経験を必要とする。

ＣＴ及び介入誘導技術の開発では、気管支鏡の処置（例えば、Ｂｒｏｎｃｕｓ ＬｕｎｇＰｏｉｎｔ（登録商標）仮想気管支鏡ナビゲーションシステム、Ｓｕｐｅｒｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｉ−ｌｏｇｉｃシステム（商標））をプランニングし、誘導するための画像ベース又は電磁気ベースのナビゲーションシステムを開発する、相当の取り組みが行われている。これらの手法において、経路プランニングは、外科的な処置のリアルタイムのガイダンスに先立つ重要なステップとしてシステムに統合され、ほぼ自動的に個々のＲＯＩに到達する光学経路又は経路候補を提供するように駆動される。

これらの既存の自動化手法は、気管支鏡の処置に先立って、高解像度のＣＴスキャンを必要とする。強力なセグメンテーション方法により、ＣＴ画像から完全なヒトの気管支樹構造、及びインテリジェントな光学的経路検索プロセスを抽出する。これらの要件は、ささいな問題ではない。ＣＴスキャンからのヒトの気管支樹構造の完全なセグメント化は難しく、時間がかかる。このことは本質的に、周辺のＲＯＩに対処する際に小さな気道の気管支が必要とされるときに、当てはまる。セグメント化は、かなりの処理時間を要し、またヒトの対話も要することがある。さらに、セグメント化の結果は、術前のＣＴ画像の品質に大いに依存する。高い処理時間により、これらの自動化手法は、患者が台上にいるときに実施可能ではない。

良好な気管支樹のセグメント化を用いたとしても、光学経路プランニング手法は、実現可能経路を生成するために各ＲＯＩに到達するのに使用される内視鏡のパラメータも考慮しなければいけない。しかしながら、内視鏡のパラメータは、経路のプランニングが実行される時に取得可能でないことがあり、医師は、処置中に内視鏡を変更することがある。

自動化された経路プランニング手法の結果として、通常は複数の経路候補が得られ、医師は、各候補を検討して、これらの複数の候補の中から実現可能経路を選ぶ。ときどき、これらの候補のいずれもが実現可能な経路でなく、医師は、選択した経路に従う代わりに、自身の経験に頼る必要がある。また、複数の経路候補の生成は、顕著な処理負荷を表す。

したがって、自動化された経路プランニング手法では、（１）十分なデータ（例えば、高解像度のＣＴ及び内視鏡パラメータ）が存在しないときに取得できないことがあり、（２）ほとんどの実際の臨床的適用において好ましい、進行中の診断及びプランニングに実現可能でなく、（３）気管支鏡処置が、しばしば１から３のＲＯＩに対処するのに実行され、医師が、処置用の経路をプランニングする気管支のキューに依拠することを好むことがあるので、上記自動化された経路プランニング方法が必要でないことがあり、（４）複数の又は信頼できない経路を提供することがある。

本発明は、画像誘導の内視鏡介入処置（ｅｎｄｏｓｃｏｐｉｃ ｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎ）を支援する方法、システム及びプログラムを提供する。本発明の諸実施形態は、医師が、ユーザ操作されるオンザフライの経路プランニングを、高解像度のＣＴスキャン又は気道樹（ａｉｒｗａｙ−ｔｒｅｅ）のセグメント化を必要とせずに行うことを可能にする。結果として、患者がスキャナ台にいるときに、経路をプランニングすることができる。

一実施形態によると、画像誘導の内視鏡処置における、ユーザ操作されるオンザフライの経路プランニングのための方法が提供される。この方法は、ディスプレイ上に、術前のＣＴスキャンからの関心領域を示す２Ｄの断画像を提示するステップと、第１のユーザ入力に応答して、２Ｄの断画像上において患者の身体管腔内の制御ポイントを定義するステップと、制御ポイントを中心に置くステップと、第２のユーザ入力に応答して、身体管腔の長手方向の部分を示すように制御ポイントについて視野角を調整するステップと、第３のユーザ入力に応答して、身体管腔内のプランニング経路上の第２ポイントを特定するステップと、制御ポイントと第２ポイントとを接続するプランニング経路を拡張するステップと、第２ポイントを新たな制御ポイントとして再定義するステップと、提示するステップ、調整するステップ、特定するステップ、拡張するステップ及び再定義するステップを、プランニング経路が患者の身体内の処置開始ポイントに到達するまで繰り返すステップとを含む。

一実施形態によると、制御ポイント及び第２ポイントは、表示された画像上のボクセルであり、プランニング経路を作成することは、近隣ボクセルを制御ポイントで開始するプランニング経路上の最後のボクセルにリンクする、コスト分析を繰り返し実行することを含む。一実施形態によると、プランニング経路を拡張するステップは、勾配関連の特徴及び最適な経路検索関数に基づいて、地理的検索アプリケーションを使用することを含む。

一実施形態によると、コスト分析は、各近隣ボクセルについて強度属性を分析し、プランニング経路上のリンクすべきボクセル及び各属性に対する重み付けファクタを選択する。一実施形態において、コスト分析はさらに、各近隣ボクセルについて地理的特性を分析し、プランニング経路上のリンクすべきボクセルを選択する。

一実施形態において、内視鏡は気管支鏡であり、処置は肺組織の生検であり、制御ポイントは、最初に、ＣＴスキャンからの多断面再構成像の断画像内で特定される疑わしい腫瘍の近くの患者の気管支樹の枝に設定される。

オプションとして、プランニング経路は、明暗差のある筋状のもの（ｃｏｎｔｒａｓｔｉｎｇ ｔｈｒｅａｄ）として示されるプランニング経路を有する気管支画像の表現として、ディスプレイ上に提示される。

一実施形態によると、内視鏡は気管支鏡であり、処置は肺組織の生検であり、制御ポイントは、最初に、ＣＴスキャンからの多断面再構成像の断画像内で特定される疑わしい腫瘍の近くの患者の気管支樹の枝に設定され、患者の気管支樹は、指示された経路セグメントを有する３次元画像としてディスプレイ上に提示される。

一実施形態において、作成された経路セグメントは、承認のためにディスプレイ上に提示され、承認を受信しないことに応答して、本方法は、制御ポイントから第２ポイントへの新たな候補経路セグメントを生成するステップをさらに含む。

一実施形態によると、コスト分析は、各近隣ボクセルについて勾配関連の属性を使用してプランニング経路上でリンクすべきボクセルを選択し、新たな候補経路セグメントは、属性又は重み付けファクタのうちの１つに対する少なくとも１つの変更を有するコスト分析を使用して作成される。

一実施形態によると、画像誘導の内視鏡処置におけるユーザ操作されるオンザフライの経路プランニングのためのシステムが提供される。本システムは、プロセッサと、プロセッサに動作可能に接続されるメモリと、プロセッサに動作可能に接続されるディスプレイと、メモリにエンコードされ、プロセッサによって実行可能な命令プログラムとを備える。命令プログラムはプロセッサによって実行されると、術前のＣＴスキャンからの関心領域を示す２Ｄの断画像をディスプレイ上に提示する。命令プログラムはまた、第１のユーザ入力に応答して、２Ｄの断画像上において患者のツリー形状の解剖学的構造の枝内に制御ポイントを定義し、制御ポイントに中心が置かれる新たな画像を提示する。命令プログラムは、第２のユーザ入力に応答して、枝の長手方向の部分を示すように制御ポイントについて視野角を調整する。命令プログラムは、第３のユーザ入力に応答して、枝内のプランニング経路上の第２ポイントを特定する。次いで、命令プログラムは、制御ポイントと第２ポイントとを接続するプランニング経路を拡張し、第２ポイントを新たな制御ポイントとして再定義する。命令プログラムは、上記提示するステップと、上記調整するステップ、上記特定するステップ、上記拡張するステップ及び上記再定義するステップを、プランニング経路が患者の身体内の処置開始ポイントに到達するまで繰り返す。

一実施形態によると、画像誘導の内視鏡の処置における、ユーザ操作されるオンザフライの経路プランニングのためのプログラムコードを備えるコンピュータプログラム。上記プログラムコードは、術前のＣＴスキャンからの関心領域を示す２Ｄの断画像をディスプレイ上に提示するためのプログラムコードと、第１のユーザ入力に応答して、２Ｄの断画像上において患者の身体管腔内の制御ポイントを定義するためのプログラムコードと、制御ポイントに中心が置かれる新たな画像を提示するためのプログラムコードと、第２のユーザ入力に応答して、身体管腔の長手方向の部分を示すように制御ポイントについて視野角を調整するためのプログラムコードと、第３のユーザ入力に応答して身体管腔内のプランニング経路上の第２ポイントを特定するためのプログラムコードと、制御ポイントと第２ポイントとを接続するプランニング経路を拡張するためのプログラムコードと、第２ポイントを新たな制御ポイントとして再定義するためのプログラムコードと、上記提示することと、上記調整することと、上記特定することと、上記拡張することと、上記再定義することとを、プランニング経路が患者の身体内の処置開始ポイントに到達するまで繰り返すためのプログラムコードとを含む。

一実施形態によると、コスト分析のプログラム命令はさらに、各近隣ボクセルについて地理的特性を分析し、プランニング経路上のリンクすべきボクセルを選択するための命令を含む。一実施形態によると、プランニング経路を拡張するためのプログラム命令は、勾配関連の特徴及び最適経路検索関数に基づいて、地理的検索アプリケーションを使用するための命令を含む。

一実施形態によると、内視鏡は気管支鏡であり、処置は肺組織の生検であり、制御ポイントを設定するためのプログラム命令は、最初に、ＣＴスキャンからの多断面再構成像の断画像内で特定される疑わしい腫瘍の近くの患者の気管支樹の枝に制御ポイントを設定するためのプログラム命令を含む。一実施形態によると、プログラム命令は、プランニング経路を、明暗差のある筋状のものとして示されるプランニング経路を有する気管支画像の表現としてディスプレイ上に提示するためのプログラム命令をさらに含む。

一実施形態によると、内視鏡は気管支鏡であり、処置は肺組織の生検であり、制御ポイントは、最初に、ＣＴスキャンからの多断面再構成像の断画像内で特定される疑わしい腫瘍の近くの患者の気管支樹の枝に設定され、プログラム命令は、患者の気管支樹を、指示された経路セグメントを有する３次元画像としてディスプレイ上に提示するためのプログラム命令をさらに含む。

本発明の特徴及び利点は、好適な実施形態の以下の詳細な説明を添付の図面と関連して読むと、より明確に理解されるであろう。図面には下記の図が含まれる。

患者の気管、気管支及びがんを示す断面図とともに、気管支鏡処置を受けている患者の等角図を示す図である。 がん及び経路プランニングに使用可能な気管支キューを示す、ＣＴスキャンからの多断面再構成像（ＭＰＲ：multi-planar reconstruction）を示す図である。 本発明の一実施形態による、画像誘導の気管支鏡処置における、ユーザ操作されるオンザフライの経路プランニングのためのシステムを示すブロック図である。 本発明の一実施形態による、介入処置に関する、ユーザ操作されるオンザフライのプランニングの方法を示すブロック図である。 本発明の一実施形態にしたがって、制御ポイントと第２ポイントとを接続するプランニング経路を拡張する方法を示すフロー図である。 本発明の一実施形態にしたがって、経路セグメントを形成する方法の逐次段階を示す図である。 本発明の一実施形態にしたがって、経路セグメントを形成する方法の逐次段階を示す図である。 本発明の一実施形態にしたがって、経路セグメントを形成する方法の逐次段階を示す図である。 本発明の一実施形態による、患者の気管支樹の３Ｄ画像上の個々の経路セグメントを示す図である。 本発明の一実施形態にしたがって、経路セグメントを形成する方法の逐次段階を示す図である。 本発明の一実施形態にしたがって、経路セグメントを形成する方法の逐次段階を示す図である。 本発明の一実施形態にしたがって、経路セグメントを形成する方法の逐次段階を示す図である。 本発明の一実施形態による、患者の気管支樹の３Ｄ画像上の個々の経路セグメントを示す図である。 本発明の一実施形態にしたがって、経路セグメントを形成する方法の逐次段階を示す図である。 本発明の一実施形態にしたがって、経路セグメントを形成する方法の逐次段階を示す図である。 本発明の一実施形態にしたがって、経路セグメントを形成する方法の逐次段階を示す図である。 本発明の一実施形態による、患者の気管支樹の３Ｄ画像上の個々の経路セグメントを示す図である。

本発明は、画像誘導の内視鏡処置における、ユーザ操作されるオンザフライの経路プランニングのための方法、システム及びプログラムを提供する。一実施形態によると、内視鏡は、生検を行うために使用される気管支鏡である。ＲＯＩに近接し、かつ気管支の内部にある位置において開始して、ユーザは、ＣＴスキャンから生成された画像における適切な経路を定義する。数回のマウスクリックによりユーザは、２Ｄの局所的な断画像を操作することができ、動的に計算される候補経路のセグメントを対話的に選択することができる。処理は、ターゲットのＲＯＩに通じる気管支の構造のキューを探索することによる、気管支鏡検査法の外科的プランニングの標準的なワークフローに従う。ユーザフレンドリなインタフェース設定は、従来的な横軸（すなわち軸）のビュー、冠状のビュー及び矢状のビューの代わりに、柔軟に方向付けられる２Ｄの断面図を提供することによって、選択された３Ｄサブボリューム内の気道樹の最善の提示を可能にする。ユーザは容易に、このケースを検討又はレビューすることができ、同時に適切な経路を定義することができる。

図１は、気管支鏡処置を受けている患者１０を示す。医師は、気管支鏡２０を、患者の気管１２を通じて、関心領域（ＲＯＩ）１６に近接する気管支１４内へと誘導する。次いで、気管支壁を通じてＲＯＩ１６において生検が行われる。術前のＣＴスキャンは、気管支１４を通じてＲＯＩ１６へと気管支鏡２０を誘導する際に使用するために行われる。図２に示されるように、気管支鏡処置に関して、ＣＴスキャンは、患者の胸部の進行性の軸断面図３０、３２、３４、３６、３８として提示される。図２は、それぞれ拡張図３３、３５、３７及び３９を提供するように拡張される断面図３２、３４、３６及び３８の部分を示す。ＲＯＩ１６の画像は、拡張図３９において特定される。

従来のプランニング手法において、医師は、第１のキュー９１を、拡張された断面図３９上のＲＯＩ１６の近くで特定する。図示される実施形態において、第１のキュー９１は、画像の平面を横切る軸を有する気管支１４である。次いで、医師は、キュー９３、９５、９７を、それぞれ連続する拡張図３７、３５、３３において特定し、気管からＲＯＩ１６に通じる気管支鏡介入のための経路を定義する。医師は、気管支樹に関する自身の知識に依拠してキューを接続し、頭の中で各ＲＯＩへの経路を構築し、記憶する。

本発明の一実施形態において、医師は、第１のキュー９１をディスプレイ上で特定し、ユーザインタフェースを通じて、この第１のキューを第１の制御ポイントとして定義する。システムは、この制御ポイントをディスプレイの中心に置く。医師は、制御ポイントの周りの視野角を調整する。次いで、医師は、プランニングされた経路上の第２ポイントを特定する。システムは、患者の気道内において、制御ポイントと第２ポイントとを接続する経路セグメントを生成する。システムは、第２ポイントを新たな制御ポイントとして定義し、この点をディスプレイの中心に置く。経路セグメントはその後、プランニングされた経路上の第３のポイントを特定することによって、プランニングされた経路に追加される。新たなセグメントは、プランニングされた経路が、患者の気管などの処置の開始ポイントに到達するまで追加される。

図３は、本発明の実施形態にかかる、内視鏡的介入のためのユーザ操作されるオンザフライの経路プランニングのシステムを示すブロック図である。処理部３００は、メモリ３２０に動作可能に接続されるプロセッサ３１０を備える。一実施形態によると、プロセッサとメモリはバス３３０を通じて接続される。プロセッサ３１０は、１つ又は複数のマイクロプロセッサなど、プログラム命令を実行することが可能な任意のデバイスとすることができる。メモリは、取り外し可能ディスク、ハードドライブ、ＣＤ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）などの任意の揮発性又は非揮発性のメモリデバイスとすることができる。

ディスプレイ３４もプロセッサ３１０に動作可能に接続される。ディスプレイは、医用画像を提示することが可能なグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）を提示するのに適切な任意のモニタ、スクリーン、又は同等のものとすることができる。

システムは、ＣＴスキャンをプロセッサ３１０にインポートするための手段も備える。この手段は、ＣＴスキャンをインターネット又はイントラネットを介してインポートするためのネットワーク接続とすることができる。あるいはまた、この手段は、ＣＤドライブなどのストレージドライブ、フラッシュドライブを挿入するのに適切なＵＳＢポートとすることもできる。さらに別の実施形態では、この手段は、ＣＴスキャンを実行するＣアームへの直接有線接続又は無線接続とすることができる。

図示された実施形態において、内視鏡は、気管支鏡システム２００である。気管支鏡システム２００は、カメラ２２０が取り付けられる気管支鏡２１０を備え、介入処置中に気管支気道の内側の可視化を提供する。カメラ２２０は、気管支の画像を医師に提示するディスプレイ２４０に動作可能に接続される。

メモリ３２０は、プロセッサ３１０によって実行可能な命令プログラムをエンコードしている。命令プログラム３２２は、プロセッサ３１０によって実行されると、以下で実施例を説明する、介入内視鏡処置のユーザ操作されるオンザフライのプランニング方法を提供する。

図４は、内視鏡処置のためのユーザ操作されるオンザフライのプランニングの方法のフロー図である。この例において、処置は、気管支鏡を使用する生検である。

命令プログラム３２２は、術前のＣＴスキャンを受信する（ステップ４０２）。ＣＴスキャンは、図２に示される３０及び３２〜３９などの一連の断画像から生成することができる、３Ｄの画像空間の形式にすることができる。

命令プログラム３２２は、ＲＯＩ１６を示しているディスプレイ４３０上の断画像（図６Ａの６００）を提示する（ステップ４１０）。断画像６００を、図２に示される画像３２などの複数の断画像から選択することができる。図示される例では、断画像６００は軸断画像である。

医師は、従来のプランニング方法においてキュー９１を特定するのと同様に、表示された画像６００上で、ＲＯＩ１６の近くの気管１４内にある制御ポイントを選択する。医師は、例えば、マウスを操作することによって十字線を第１のキュー９１に移し、マウスクリックにより第１のキュー９１を第１の制御ポイントとして選択することができる。

医師の制御ポイントの選択動作に応答して、命令プログラム３２２は、断画像６００上の指示された位置で制御ポイント６１０を定義する。制御ポイント６１０は、断画像６００の平面上に配置される３次元空間の点に対応する、断画像内のボクセルである。

命令プログラムは、制御ポイント６１０に中心が置かれた新たな画像を提示する（ステップ４３０）。すなわち、図のフィールドが、制御ポイント６１０をディスプレイ３４０上の中心に置くように変換される。

ユーザ入力に応答して、命令プログラム３２２は、制御ポイント６１０について視覚野を調整し、図６Ｂに示されるように、身体の管腔（気管支）の長手方向の断面を示す、新たな画像６０２を提示する（ステップ４４０）。医師は、プロセッサ３１０に動作可能に接続されるキーパッド（図示せず）の矢印キー又はマウスカーソル（図示せず）を使用して、例えば、固定された制御ポイント６１０について図のフィールドを左右及び上下に回転させることができる。この入力に応答して、プロセッサ３１０は、新たな視覚野での３Ｄ画像空間の断面に対応する画像６０２を計算し、ディスプレイ３４０に提示することができる。この角度では、気管支気道は、２つの明るい領域（気管支壁）１４Ｂの間の暗いチャネル１４Ａとして現れる。

医師は、図６Ｃに示されるように、気管支気道１４内で第２ポイントを特定する。医師は、例えば、マウスを操作することによって、ディスプレイ上の図のフィールドの端付近の気道内の或る点に十字線を移動させて、マウスクリックにより、十字線に合わせた点を第２ポイント６２０として選択することができる。

この第３の入力に応答して、命令プログラムは、気管支内のプランニングされた経路上の、十字線が置かれている指示されたボクセル上の第２ポイント６２０を定義することができる（ステップ４５０）。

定義されたプランニング経路上の制御ポイント６１０と第２ポイント６２０とを用いて、命令プログラムは、制御ポイント６１０と第２ポイント６２０とを接続する経路セグメント６３０を作成する（ステップ４６０）。経路セグメント６３０は、以下でさらに詳述されるコスト分析を使用して気道１４Ａ内に作成される。

経路セグメント６３０が作成されると、第２ポイント６２０は、図７Ａに示されるディスプレイの図のフィールド内で中心に置かれ（ステップ４６４）、第２ポイント６２０は、新たな制御ポイント６１０Ａとして再定義される（ステップ４７０）。新たな制御ポイント６１０Ａが、患者の気管などのプランニング経路の開始ポイントにある場合、医師は、経路が完成したことを示す入力を提供することができ、命令プログラムは終了する（ステップ４８０）。

命令のプログラムは、ユーザ入力をモニタリングすることによって完成を検査してもよく（ステップ４７５）、あるいは所定の時間期間の間に入力を受信しない場合にタイムアウトしてもよく、あるいは完成について任意の他の適切な検査を使用してもよい。

経路が完成していない場合、命令プログラム３２２は、経路が完成するまで、図７Ｂに示されるように気道１４Ａを示す十字線７０２を提供するよう視覚野を調整するステップ（ステップ４４０）と、図７Ｃに示されるような新たな第２ポイント６２０Ａを特定するステップ（ステップ４５０）と、図７Ｃに示されるような新たな経路セグメント６４０を作成するステップ（ステップ４６０）と、新たな第２ポイント６２０Ａを中心に置いて、図８Ａに示されるような新たな画像８００を提供するステップと、新たな第２ポイント６２０Ａを第３の制御ポイント６１０Ｂとして再定義するステップ（ステップ４７０）とを繰り返す。

図８Ｃに示されるように、第３の制御ポイント６１０Ｂにおいて経路が完成しない場合、視覚野は再び調整されて、気道１４Ａを示す横断面８０２を提供する。次いで、第３の第２ポイント６２０Ｂが定義され（ステップ４５０）、第３の制御ポイント６１０Ｂを第３の第２ポイント６２０Ｂに接続する第３の経路セグメント６５０が生成される（ステップ４６０）。

オプションとして、命令プログラム３２２は、患者の気管支樹を、図６Ｄ、７Ｄ及び８Ｄに示されるような気管支樹上に指示される経路セグメント６３０、６４０、６５０を用いた３次元表現でディスプレイ３４０上に提示することができる。

図５は、本発明の一実施形態にしたがって、制御ポイントと第２ポイントとを接続するプランニング経路を拡張する方法のフロー図である。命令プログラム３２２は、プランニング経路上の定義された２つのポイントの間の経路候補を動的に検索するためのプログラム命令を備える。このプログラム命令は、勾配関連の特徴（ｇｒａｄｉｅｎｔ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｆｅａｔｕｒｅ）に基づくコスト関数を使用して、グラフィック検索に対する（気道壁の内側の経路がわかる）境界問題を低減する。

２次元の画像６００、６０２、７００、７０２、８００、８０２は、それぞれ単一のボクセル層で構成される（ピクチャ要素は、３次元空間のポイントを表している）。プランニングされた経路上のボクセルは、経路要素Ｐとして定義され、各経路要素Ｐは、制御ポイント６１０を開始ポイントとして使用して、前の経路要素上に構築されて経路セグメント６３０、６４０、６５０を形成する。新たな経路要素Ｐは、局所コスト１を、８つの近隣のボクセルｒの各々と比較することによって決定される。経路要素Ｐ及び８つのその近隣ボクセルｒは、近傍（ｎｅｉｇｈｂｏｒｈｏｏｄ）Ｎを形成する。各近隣ボクセルｒは、１つの候補経路要素である。

制御ポイント６１０、６１０Ａ、６１０Ｂは、第１の経路要素として定義される（ステップ４６１）。命令プログラム３２２は、近隣ボクセルｒのコスト属性を決定する（ステップ４６２）。コスト属性は、画像内のボクセルの勾配関連の特徴である。本発明の様々な実施形態に応じて、コスト属性は、次のうちの１つ又は複数の関数を含む。すなわち、近隣ボクセルに対する光強度ｆ_Ｉ（ｒ）、近隣ボクセルの近傍に対する光強度の平均値ｆμ（ｒ）、近隣ボクセルの近傍に対する光強度の標準偏差ｆδ（ｒ）、近隣ボクセルに中心を置き、及び気管支壁を横切る最小円の半径ｆ_Ｒ（ｒ）、のうちの１つ又は複数の関数を含む。

さらに、コスト属性は、経路要素Ｐと、近隣の提案される経路要素ｒとの間の類似性の関数を含む。例えば、コスト要素は、強度の類似性の関数ｆ_ＩＩ（ｐ，ｒ）と、経路要素Ｐに中心を置く最小円の半径と、提案される経路要素ｒに中心を置く最小円の半径との類似性の関数ｆ_ＲＲ（ｐ，ｒ）とを含んでもよい。ここで、
f_II(p,r) = |Ip-Ir| （１）
f_RR(p,r) = |Rp-Rr| （２）
である。

コスト属性はさらに、経路において折り返すことからプランニング経路の尤度を低減する特徴の関数ｆ_Ｄ（ｒ）を含んでもよい。この関数ｆ_Ｄ（ｒ）において、前の経路要素のボクセルは、他の近隣ボクセルよりも高い値を有するであろう。

コスト属性は、前の経路要素Ｐの近隣の各ボクセルについて、特定の属性に応じて測定及び／又は計算することができる。

命令プログラムは、それぞれのコスト属性毎に、ユーザ供給される重み付けのファクタｗ_Ｉ、ｗ_μ、ｗ_δ、ｗ_Ｒ、Ｗ_ＩＩ、Ｗ_ＲＲ、Ｗ_Ｄ受信する（ステップ４６３）。医師は、経路プランニングのときに重み付けファクタを選択してもよく、或いは重み付けファクタを、特定のアプリケーション用の最適化に基づく設定に格納し、意図されたアプリケーションにより特定される設定として選択することができる。アプリケーションは、ＲＯＩが配置される気管支樹の特定の部分、気管支鏡のスタイル、他の関連するアプリケーションの詳細又はこれらの組み合わせとすることができる。さらに、重み付けファクタのセットは、特定のアプリケーションについて導出された、最適化された値とすることができる。

命令プログラム３２２は、最も最近の経路要素Ｐの各近隣ボクセルｒについてコスト分析を実行して、ｒとＰをリンクするための局所コストＬ（ｐ，ｒ）を計算する（ステップ４６４）。ここで、
L(P,r)= w_If_I(r) + w_μf_μ(r) + w_δf_δ(r) + w_Rf_R(r) + W_IIf_II(P,r) + W_RRf_RR(P,r) + W_DfD(P,r) （３）
である。

最低コスト値を有する近隣のボクセルｒは、次の経路要素Ｐ_ｎｅｘｔとして定義され、前の経路要素Ｐにリンクされて経路セグメント６３０、６４０、６５０を拡張する（ステップ４６５）。

次の経路要素Ｐ_ｎｅｘｔを、第２ポイント６２０、６２０Ａ、６２０Ｂと比較して、経路セグメント６３０、６４０、６５０が第２ポイント６２０、６２０Ａ、６２０Ｂに到達しているか否かを決定する（ステップ４６６）。

次の経路要素Ｐ_ｎｅｘｔが、第２ポイント６２０、６２０Ａ、６２０Ｂでない場合（ステップ４６６でＮに分岐する場合）、次いで、命令プログラム３２２は、次の経路要素Ｐ_ｎｅｘｔの近隣ボクセルｒのコスト属性を決定し（ステップ４６２）、重み付けファクタを受信し（ステップ４６３）、次の経路要素Ｐ_ｎｅｘｔの近隣ボクセルｒについて新たなコスト分析を実行し（ステップ４６４）、最低コストの近隣要素ｒを次の経路要素Ｐ_{ｎｅｘｔ２}として定義し、この次の経路要素Ｐ_{ｎｅｘｔ２}を第２ポイント６２０、６２０Ａ、６２０Ｂと比較して、経路セグメント６３０、６４０、６５０が第２ポイント６２０、６２０Ａ、６２０Ｂに到達しているか否かを決定する（ステップ４６６）。このループ（ステップ４６２〜４６６）は、次の経路セグメントが第２ポイントとなるまで（ステップ４６６においてＹに分岐するまで）繰り返される。

経路セグメント６３０、６４０、６５０が第２ポイント６２０、６２０Ａ、６２０Ｂに到達している場合（ステップ４６６でＹに分岐する場合）、次いで命令プログラム３２２は、制御ポイント６１０、６１０Ａ、６１０Ｂと第２ポイント６２０、６２０Ａ、６２０Ｂとを接続する新たに生成された経路セグメントを、２Ｄ画像６Ｃ、７Ｃ、８Ｃ上の候補経路セグメントとしてディスプレイ３４０に提示する（ステップ４６７）。

医師は、候補経路セグメントを承認しても、承認しなくてもよい。医師は、自身の承認／非承認を、マウスクリックによって、又は任意の他の適切な入力手段によって入力することができる。命令プログラム３２２は、承認を受信したか否かを判断する（ステップ４６８）。命令プログラム３２２が承認を受信した場合（ステップ４６８でＹに分岐する場合）、次いで命令プログラム３２２は、経路セグメントを生成し（ステップ４６９）、第２ポイントをディスプレイ４３０の図のフィールドの中心に置く（図４のステップ４６４）。

候補経路が承認されない場合（ステップ４６８でＮに分岐する場合）、次いで、命令プログラム３２２は、再び制御ポイント６１０、６１０Ａ、６１０Ｂにおいて開始し（ステップ４６１）、コスト分析を使用して新たな候補経路セグメントを生成する（ステップ４６２〜４６９）。新たなコスト分析において、重み付けファクタが、医師又は命令プログラムにいずれかによって変更されることがあり、コスト属性は、コスト属性の追加及び／又は削除によって変更されることがある。

本発明は、有形媒体上にエンコードされるプログラム命令の形式をとることができる。したがって、本発明は、全体としてハードウェアの実施形態とすることができ、全体としてソフトウェアの実施形態とすることができ、あるいはハードウェアとソフトウェアの要素の双方を含む実施形態とすることもできる。例示的な実施形態において、本発明は、限定ではないがファームウェア、常住ソフトウェア、マイクロコードなどを含む、ソフトウェアにおいて実装される。

さらに、本発明は、コンピュータ又は任意の命令実行システム若しくはデバイスによって、又はこれらに関連してプログラムコードを提供する、コンピュータ使用可能媒体又はコンピュータ読取可能媒体からアクセス可能な非揮発性のコンピュータプログラム製品の形式をとることができる。この説明の目的で、コンピュータ使用可能媒体又はコンピュータ読取可能媒体は、命令実行システム、装置又はデバイスによって、又はこれらとの関連で使用するためにプログラムを含むか、格納することができる任意の装置とすることができる。

前述の方法を、コンピュータなどのマシンによって実行されると方法のステップを実行するマシン実行可能な命令プログラムを有する、命令マシン読取可能媒体を備えるコンピュータ製品によって実現することができる。このプログラム製品を、限定ではないがコンパクトディスク、フロッピー（登録商標）ディスク、ＵＳＢメモリデバイスなどの様々な公知のマシン読取可能媒体のいずれかに格納することができる。

媒体は、電子、磁気、光、電磁気、赤外線、又は半導体システム（又は装置若しくはデバイス）とすることができる。コンピュータ読取可能媒体の例には、半導体若しくはソリッドステートメモリ、磁気テープ、取り外し可能コンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、硬性の磁気ディスク、光ディスクが含まれる。現在の光ディスクの例には、コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、ＣＤ−Ｒ／Ｗ及びＤＶＤなどが含まれる。

以上の説明及び添付の図面は、例示であり、本発明を限定するものではないことが意図されている。本発明の範囲は、特許請求の範囲の全範囲に対する均等な変形及び構成を包含することが意図されている。

Claims (21)

1. 画像誘導の内視鏡の処置における、ユーザ操作されるオンザフライの経路プランニングのための方法であって、
   術前のＣＴスキャンからの関心領域を示す２Ｄの断画像をディスプレイ上に提示するステップと、
   第１のユーザ入力に応答して、前記２Ｄの断画像上において患者の身体管腔内の制御ポイントを定義するステップと、
   前記制御ポイントに中心が置かれる新たな画像を提示するステップと、
   第２のユーザ入力に応答して、前記身体管腔の長手方向の部分を示すように前記制御ポイントについて視野角を調整するステップと、
   第３のユーザ入力に応答して、前記身体管腔内のプランニング経路上の第２ポイントを特定するステップと、
   前記制御ポイントと前記第２ポイントとを接続するプランニング経路を拡張するステップと、
   前記第２ポイントを新たな制御ポイントとして再定義するステップと、
   前記提示するステップ、前記調整するステップ、前記特定するステップ、前記拡張するステップ及び前記再定義するステップを、前記プランニング経路が前記患者の身体内の処置開始ポイントに到達するまで繰り返すステップと
   を含む、方法。
2. 前記制御ポイント及び前記第２ポイントは、表示された画像上のボクセルであり、プランニング経路を作成することは、近隣ボクセルを前記制御ポイントで開始する前記プランニング経路上の最後のボクセルにリンクする、コスト分析を繰り返し実行することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記コスト分析は、各近隣ボクセルについて強度属性を分析し、前記プランニング経路上のリンクすべきボクセル及び各属性に対する重み付けファクタを選択する、請求項２に記載の方法。
4. 前記コスト分析はさらに、各近隣ボクセルについて地理的特性を分析し、前記プランニング経路上のリンクすべきボクセルを選択する、請求項３に記載の方法。
5. プランニング経路を拡張するステップは、勾配関連の特徴及び最適な経路検索関数に基づいて、地理的検索アプリケーションを使用することを含む、請求項１の記載の方法。
6. 介入処置は、ツリー形状の解剖学的構造内において実行され、前記経路は、前記ツリー形状の解剖学的構造を通じてプランニングされる、請求項１に記載の方法。
7. 前記内視鏡は気管支鏡であり、前記処置は肺組織の生検であり、前記ツリー形状の解剖学的構造は患者の気管支樹であり、前記制御ポイントは、最初に、ＣＴスキャンからの多断面再構成像の断画像内で特定される疑わしい腫瘍の近くの前記患者の気管支樹の枝に設定される、請求項６に記載の方法。
8. 前記ツリー形状の解剖学的構造は、患者の血管を備える、請求項６に記載の方法。
9. 前記プランニング経路は、明暗差のある筋状のものとして示される前記プランニング経路を有する前記気管支画像の表現として前記ディスプレイ上に提示される、請求項５に記載の方法。
10. 前記内視鏡は気管支鏡であり、前記処置は肺組織の生検であり、前記制御ポイントは、最初に、ＣＴスキャンからの多断面再構成像の断画像内で特定される疑わしい腫瘍の近くの前記患者の気管支樹の枝に設定され、前記患者の気管支樹は、指示された経路セグメントを有する３次元画像として前記ディスプレイ上に提示される、請求項５に記載の方法。
11. 作成された経路セグメントは、承認のために前記ディスプレイ上に提示され、承認を受信しないことに応答して、前記方法は、前記制御ポイントから前記第２ポイントへの新たな候補経路セグメントを生成するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
12. 前記コスト分析は、各近隣ボクセルについて勾配関連の属性を使用して前記プランニング経路上でリンクすべきボクセルを選択し、前記新たな候補経路セグメントは、前記属性又は重み付けファクタのうちの１つに対する少なくとも１つの変更を有する前記コスト分析を使用して作成される、請求項１１に記載の方法。
13. 画像誘導の内視鏡処置におけるユーザ操作されるオンザフライの経路プランニングのためのシステムであって、
    プロセッサと、
    前記プロセッサに動作可能に接続されるメモリと、
    前記プロセッサに動作可能に接続されるディスプレイと、
    前記メモリにエンコードされ、前記プロセッサによって実行可能な命令プログラムであって、前記プロセッサによって実行されると、
    術前のＣＴスキャンからの関心領域を示す２Ｄの断画像をディスプレイ上に提示するステップと、
    第１のユーザ入力に応答して、前記２Ｄの断画像上において患者のツリー形状の解剖学的構造の枝内に制御ポイントを定義するステップと、
    前記制御ポイントに中心が置かれる新たな画像を提示するステップと、
    第２のユーザ入力に応答して、前記枝の長手方向の部分を示すように前記制御ポイントについて視野角を調整するステップと、
    第３のユーザ入力に応答して、前記枝内のプランニング経路上の第２ポイントを特定するステップと、
    前記制御ポイントと前記第２ポイントとを接続するプランニング経路を拡張するステップと、
    前記第２ポイントを新たな制御ポイントとして再定義するステップと、
    前記提示するステップ、前記調整するステップ、前記特定するステップ、前記拡張するステップ及び前記再定義するステップを、前記プランニング経路が前記患者の身体内の処置開始ポイントに到達するまで繰り返すステップと
    を実行させる命令プログラムと
    を備えた、システム。
14. 画像誘導の内視鏡の処置における、ユーザ操作されるオンザフライの経路プランニングのためのプログラムコードがエンコードされるコンピュータ読取可能な記憶媒体を備えるコンピュータプログラム製品であって、
    術前のＣＴスキャンからの関心領域を示す２Ｄの断画像をディスプレイ上に提示するためのプログラムコードと、
    第１のユーザ入力に応答して、前記２Ｄの断画像上において患者の身体管腔内の制御ポイントを定義するためのプログラムコードと、
    前記制御ポイントに中心が置かれる新たな画像を提示するためのプログラムコードと、
    第２のユーザ入力に応答して、前記身体管腔の長手方向の部分を示すように前記制御ポイントについて視野角を調整するためのプログラムコードと、
    第３のユーザ入力に応答して、前記身体管腔内のプランニング経路上の第２ポイントを特定するためのプログラムコードと、
    前記制御ポイントと前記第２ポイントとを接続するプランニング経路を拡張するためのプログラムコードと、
    前記第２ポイントを新たな制御ポイントとして再定義するためのプログラムコードと、
    前記の提示することと、前記の調整することと、前記の特定することと、前記の拡張することと、前記の再定義することとを、前記プランニング経路が前記患者の身体内の処置開始ポイントに到達するまで繰り返すためのプログラムコードと
    を含む、コンピュータプログラム製品。
15. 前記制御ポイント及び前記第２ポイントは、表示された画像上のボクセルであり、プランニング経路を作成するためのプログラム命令は、近隣ボクセルを前記制御ポイントで開始する前記プランニング経路上の最後のボクセルにリンクする、コスト分析を繰り返し実行することを含む、請求項１４に記載のコンピュータプログラム製品。
16. 前記コスト分析のプログラム命令は、各近隣ボクセルについて強度属性を分析し、前記プランニング経路上のリンクすべきボクセルを選択するための命令を含む、請求項１４に記載のコンピュータプログラム製品。
17. 前記コスト分析のプログラム命令はさらに、各近隣ボクセルについて地理的特性を分析し、前記プランニング経路上のリンクすべきボクセルを選択するための命令を含む、請求項１６に記載のコンピュータプログラム製品。
18. プランニング経路を拡張するためのプログラム命令は、勾配関連の特徴及び最適経路検索関数に基づいて、地理的検索アプリケーションを使用するための命令を含む、請求項１４に記載のコンピュータプログラム製品。
19. 前記内視鏡は気管支鏡であり、前記処置は肺組織の生検であり、前記制御ポイントを設定するためのプログラム命令は、最初に、ＣＴスキャンからの多断面再構成像の断画像内で特定される疑わしい腫瘍の近くの患者の気管支樹の枝に前記制御ポイントを設定するためのプログラム命令を含む、請求項１４に記載のコンピュータプログラム製品。
20. 前記プランニング経路を、明暗差のある筋状のものとして示される前記プランニング経路を有する前記気管支画像の表現として前記ディスプレイ上に提示するためのプログラム命令をさらに含む、請求項１４に記載のコンピュータプログラム製品。
21. 前記内視鏡は気管支鏡であり、前記処置は肺組織の生検であり、前記制御ポイントは、最初に、ＣＴスキャンからの多断面再構成像の断画像内で特定される疑わしい腫瘍の近くの前記患者の気管支樹の枝に設定され、前記患者の気管支樹を、指示された経路セグメントを有する３次元画像として前記ディスプレイ上に提示するためのプログラム命令をさらに含む、請求項１８に記載のコンピュータプログラム製品。

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