JP2014525764A - 光学形状センシングに伴う動的な制約 - Google Patents

Abstract

対象物の動的な運動を測定するシステム、デバイス及び方法が、上記対象物の少なくとも部分にわたり柔軟にかつぴったりフィットするよう構成されるメッシュを含む。このメッシュは、１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーと、センサ又は検出器を持つ測定の第２のフィードバックモダリティとを含み、上記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、対象物における上記センサ又は検出器の運動を監視する。再構成モジュールが、上記形状センシングファイバーに結合され、フィードバック信号を受信し、上記フィードバック信号に基づき上記センサ又は検出器の形状及び位置における動的な変化を解釈する。再構成モジュールは、上記対象物における医療活動を改善するため、上記動的な変化を考慮する。

Description

本願は、２０１１年６月１０日に出願され、本書に参照により組み込まれる米国仮出願番号第61/495,862号による優先権利益を請求する。

本願は、光学形状センシングに関し、より詳細には、医療アプリケーションに関して空間的に配置されたセンサアレイに適用される光学形状センシング制約条件を備えるシステム及び方法に関する。

電気的インピーダンス断層撮影（ＥＩＴ）、拡散光学断層撮影（ＤＯＴ）、体表電位マッピング（ＢＳＰＭ）等の非線形及び不良設定問題に対するソリューションは通常、未知の関心パラメータに対して測定に関する事前知識を利用する数値的方法を用いてアプローチされる。例は、前方計算（forward calculation）に関する有限要素モデリング及びユニークでステーブルな逆解を得る正規化された非線形ソルバーを含む。産業上の及び医療の撮像問題において遭遇する典型的なシナリオは、時間不変の場合基本的に３次元であり、動的な観測に関して４次元である。

意味がある逆解に到達するには、実験的なセットアップの源／検出器ジオメトリだけでなく関心対象物／ボリュームの３次元（３Ｄ）形状を知ることが重要である。ＤＯＴの場合、入力信号は、源からの距離と共に指数的に減衰する。対象物のジオメトリに対して適合可能な測定セットアップは、一般的な使用に関する厳密でサイズの大きいものより好ましい。ＥＩＴの場合、電極は組織と接触する必要があり、例えば、呼吸運動といった患者の運動による力学が、測定ジオメトリにおいて説明される必要がある。画像再構成の精度は、３Ｄ形状が時間においてどのように変化するかに依存する。

現在では、逆問題のソリューションに組み込まれる追加的な事前知識の例は、非侵襲的電気生体構造マッピング／体表電位マッピング（ＢＳＰＭ）、ＥＩＴ及びＤＯＴに関するコンピュータ断層撮影（ＣＴ）又は磁気共鳴（ＭＲ）からの撮像データを含む。しかしながら、これらのデータセットは通常、時間において前もったポイントで取得され、非接触マッピング／ＥＩＴ／ＤＯＴを伴う断層撮影反転に関する測定取得の間、関心構造に存在する力学を反映するものではない。

外部ビーム放射線療法（ＸＲＴ）は、線形アクセラレータ機械を用いて２次元ビームを介して供給される。ＸＲＴは主に、複数の方向から患者に供給される単一のビームの放射線から成る。この方向はしばしば、正面又は背面、及び両側である。治療は、シミュレータとして知られる特別に較正された診断Ｘ線機器上で計画又はシミュレーションされる。なぜなら、シミュレータが、線形アクセラレータ処理を再現し、所望の計画を実現するための放射線ビームの通常確立されている構成とそれらとを比較するからである。シミュレーションの目的は、治療されることになるボリュームを正確に目標とする又は局所化することである。ＸＲＴは、計画及び実行の間、器官変形についての情報から利益を得る。

形状情報は、種々のシステムから得られることができる。これらは、光学形状監視システム（例えば、ファイバー光学ブラッグセンサ、レイリー散乱、ブリュアン散乱、光学強度ベースの減衰）、装置上のポイントの電磁気（ＥＭ）ローカライゼーションのためのマルチコイルアレイ、３次元表面推定に関するレーザースキャンシステム、及び形状のカメラ（タイムオブフライト又は従来の光学測定）又はマイクベースの監視に関する光学／音響マーカー／エミッタアレイを含む。超音波のようなリアルタイム撮像も形状情報に関して用いられることができる。しかし、その手法の臨床生存度は、実行される撮像に対する断層撮影情報の追加的なコスト及び臨床値に依存する。

本発明によれば、対象物の動的な運動を測定するシステム、デバイス及び方法が、対象物の少なくとも部分にわたり柔軟に及びぴったりフィットするよう構成されるメッシュを含む。このメッシュは、１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーと、センサ又は検出器を持つ測定の第２のモダリティとを含み、上記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、対象物における上記センサ又は検出器の運動を監視する。再構成モジュールは、上記形状センシングファイバーに結合され、フィードバック信号を受信し、上記フィードバック信号に基づき上記センサ又は検出器の形状及び位置における動的な変化を解釈する。再構成モジュールは、上記対象物における医療活動を改善するため、上記動的な変化を考慮する。

対象物の動的な運動を測定するデバイスが、上記対象物の少なくとも部分にフィットするよう構成されるメッシュを含む。１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、上記メッシュに含まれる。第２の測定モダリティが、上記メッシュに組み込まれる複数のセンサを含み、上記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、上記対象物の皮膚表面から直接に測定を実行するために上記第２のモダリティと連動して使用される。調整機構が、上記対象物の部分に対する上記メッシュの柔軟でぴったりした付着を可能にするため、上記メッシュ及び上記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーの調整を可能にするよう構成される。

対象物の動的な運動を測定する方法が、上記対象物の少なくとも部分にわたり柔軟にかつぴったりフィットするよう構成されるメッシュを提供するステップであって、上記メッシュが、１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーと別のセンシング技術のセンサとを含む、ステップと、上記センサの運動及び位置を監視するため、上記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーから受信されるフィードバック信号を使用して、上記フィードバック信号に基づき、上記センサの上記運動及び位置における動的な変化を解釈することにより、上記対象物の上記部分の形状を再構成するステップと、上記対象物における医療活動を改善するため、上記測定された動的な変化を考慮するステップとを含む。

本発明による手順の間、患者における動的な変化を測定する及び考慮する説明的なシステム／方法を示すブロック／フロー図である。 １つの説明的な発明による複数の位置検出技術を用いる画像再構成に関するシステムを示す概略図である。 １つの説明的な実施形態によるメッシュ衣服又は類似する柔軟な追跡されたマニホルド／表面を示す図である。 説明的な実施形態による測定された動的な変化に基づき制御される放射線治療セットアップを示す図である。 本発明の説明的な実施形態による手順の間の患者における動的な変化を測定及び考慮するステップを示すフロー図である。

本開示におけるこれら及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面と共に参照される、その説明的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになる。

本開示は、以下の図面を参照して好ましい実施形態の以下の説明を詳細に提供する。

本発明によれば、測定システム及び方法は、関心対象物／ジオメトリに関して特異的に構成される適合可能で最適化されたセットアップを提供する。特に有益な実施形態において、形状センシング技術は、不良設定再構成問題に関する源検出器セットアップの形状及び位置情報を決定するために使用される。これは、適合的及び動的な測定セットアップに関する不良設定問題をモデル化し、及び解決するのを助ける。

特に有益な実施形態において、１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、電気、熱又は他の測定センサを持つメッシュにおいて使用される。ファイバー及び他のセンサが、優れた結果を提供するために一緒に機能する。例えば、センサからのファイバー位置決めフィードバックは、例えば、例えば電気インピーダンス断層撮影、体表面電位／温度マッピング等の複数の異なる手順又は研究に関するより正確な結果を可能にするため、より正確なセンサ位置を提供する。光学形状センシングファイバーは、不良設定問題を解決するより完全な画像を作成するため、追加的な情報を提供することができる。

本発明が医療器具に関して説明される点を理解されたい。しかしながら、本発明の教示は、より広く、複雑な生物学的又は機械的なシステムを追跡又は解析するのに使用される任意の器具に対して適用可能である。特に、本発明は、生体系の内部追跡手順、例えば肺、消化管、排泄器官、血管等といった体のすべての領域における手順に適用可能である。図面に示される要素は、ハードウェア及びソフトウェアの様々な組合せにおいて実現されることができ、単一の要素又は複数の要素において組み合わせられることができる機能を提供することができる。

図面に示されるさまざまな要素の機能は、専用のハードウェアの使用を介してというだけでなく、適切なソフトウェアに関連してソフトウェアを実行することができるハードウェアの使用を介して与えられることができる。プロセッサにより提供されるとき、この機能は、単一の専用のプロセッサにより、単一の共有プロセッサにより、又は複数の個別のプロセッサにより与えられることができる。個別のプロセッサの幾つかは、共有されることができる。更に、「プロセッサ」又は「コントローラ」という用語の明確な使用は、ソフトウェアを実行することができるハードウェアを排他的に参照するものとして解釈されるべきではなく、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）ハードウェア、ソフトウェアを格納する読出し専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）及び不揮発性ストレージ等を暗に含むが、これらに限定されるものではない。

更に、本発明の原理、側面、実施形態及び特定の例を述べる本書におけるすべての記載は、その構造的及び機能的均等の範囲の両方を含むものとして意図される。更に、斯かる均等物が、現在既知の均等物だけでなく将来開発される均等物（即ち、構造に関係なく、同じ機能を実行すべく開発される任意の要素）の両方を含むものとして意図される。従って、例えば、本書に与えられるブロック図は、本開示の原理を実現する説明的なシステム要素及び／又は回路の概念表示を表すという点を当業者は理解されたい。同様に、任意のフローチャート、流れ図等は、コンピュータ可読媒体において実質的に表されるさまざまな処理を示し、従って、コンピュータ又はプロセッサが明示的に示されるかどうかに関係なく、斯かるコンピュータ又はプロセッサにより実行される点を理解されたい。

更に、本発明の実施形態は、コンピュータ若しくは任意の命令実行システムによる使用又はこれに関連した使用のためのプログラムコードを提供する、計算機が使用可能な又はコンピュータ可読のストレージ媒体から、アクセス可能なコンピュータプログラムの形をとることができる。この説明のため、計算機が使用可能な又はコンピュータ可読ストレージ媒体は、命令実行システム、装置又はデバイスによる使用又はこれに関連した使用のためのプログラムを、包含、格納、通信、伝搬、又は輸送することができる任意の装置とすることができる。媒体は、電気、磁気、光学、電磁気、赤外線若しくは半導体システム（又は、装置若しくはデバイス）、又は伝搬媒体とすることができる。コンピュータ可読媒体の例は、半導体又はソリッドステートメモリ、磁気テープ、リムーバブルコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、リジッド磁気ディスク及び光学ディスクを含む。光学ディスクの現在の例は、読出し専用コンパクトディスク（ＣＤ―ＲＯＭ）、読出し／書込みコンパクトディスク（ＣＤ―Ｒ／Ｗ）及びＤＶＤを含む。

以下、同様な符号が同じ又は類似する要素を表す図面を参照する。最初に図１を参照すると、医療手順を実行するシステム１００が図式的に示される。システム１００は、手順を監督及び管理するのに使用されるワークステーション又は端末１１２を含むことができる。手順は、例えば生検、切除、薬物の注射等を含む任意の手順を含むことができるが、これらに限定されるものではない。ワークステーション１１２は好ましくは、１つ又は複数のプロセッサ１１４とプログラム及びアプリケーションを格納するメモリ１１６とを含む。システム１００の機能及び要素が１つ又は複数のワークステーション又はシステムに一体化されることができる点を理解されたい。

メモリ１１６は、柔軟なメッシュ１０６からの電磁気、光学、音響等のフィードバック信号を解釈するよう構成される再構成モジュール１１５を格納することができる。メッシュ１０６は、既知のジオメトリ又は使用の前に初期化されるジオメトリで埋め込まれる、ファイバーセンサ、光学、音響、電気若しくは電磁気マーカー又はセンサを含むことができる。形状監視端末１２２は、関心表面にわたりマーカー／センサ分布を測定し、較正／参照断面及び測定断面に関するフィードバックを再構成モジュール１１５に供給する。形状監視モジュール１２２は、光学ファイバーセンサ１０４への／からの光を送信及び受信する。光学ファイバーセンサ１０４は、繊維における全体のファイバーセンサ長が、最小にのみ変化することができるという事実を説明しつつ、基礎になる繊維基板の伸縮を可能にするパターン（例えば、柔軟なメンブレン内に埋め込まれる２Ｄ螺旋状パターン又は２Ｄシヌソイドパターン）で、メッシュ１０６に編まれる又は他の態様で一体化される。ファイバー１０４は、対象物１４８の屈曲の間、ファイバーにおける圧力を提供するため、制御ポイントで局所的に固定される。複数の制御ポイントが、例えば、ファイバー先端で、メッシュに対する全ての自由度でファイバーを制約することができる。一方、他の制御ポイントは、メッシュが変形するときパターン化された構造における任意の全体の経路長変化を収容するため、ファイバーがメッシュパターンに対して自由にスライドすることができるよう、スライドに関する自由度を構成可能にすることができる。

再構成モジュール１１５は、医療手順、診断テスト等の間、イベント又は動的な発生を解釈するため、複数のデバイス又はシステムから複数の入力を受信する能力を含むことができる。医療撮像デバイス１１０及び／又は追跡モジュール１１７も、含まれることができ、再構成モジュール１１５に対する追加的なフィードバックを提供することができる。再構成モジュール１１５は、信号フィードバック（及び他の任意のフィードバック）を用いて、患者の体の動的な変化に関連付けられるエラー又は収差を考慮するよう構成される。

ある実施形態では、対象物１４８又は対象物１４８上の関心領域１４０は、柔軟なメッシュ１０６により覆われる又は制約される。柔軟なメッシュ１０６は、対象物１４８又は関心領域１４０の運動又は屈曲に対応して伸縮するよう構成されるファブリック又はネットを含むことができる。メッシュ１０６は、光学ファイバーセンシング以外の技術（例えば、電極、トラッカ等）を含むことができるメッシュ１０６内に及びこれにわたり分散される、１つ又は複数のセンサ１０８及び／又は検出器１０９を含むことができる。形状センシングファイバー１０４、センサ１０８及び／又は検出器１０９は、再構成モジュール１１５に対して位置、温度、電場情報、形状情報等をリレーして戻すよう構成される。例えば、メッシュ１０６は、患者１４８の中間部にわたり配置されることができる。その結果、呼吸サイクルの間、センサ１０８／検出器１０９が、腹部又は胸部の動的な形状変化を検出する。この情報は、ノード間の距離又はメッシュ１０６における位置における距離又は変化を計算する再構成モジュール１１５を用いて解釈されることができる。メッシュ屈折は、撮像デバイス１１０により撮られる画像における呼吸を考慮するため、又は医療手順の間の動作（呼気の際のデバイスの挿入等）のタイミング若しくは動的な変化に関して補償を必要とする他の任意のイベント若しくは動作のタイミングを支援するために採用されることができる。

メッシュ１０６が、動的な形状／位置データを集めるために対象物の生体構造の任意の部分に対して適用されることができる点を理解されたい。例えば、メッシュ１０６は、腕、脚、腹部、胸部、首、頭又はこれらの組み合わせにわたり配置されることができる。更に、メッシュ１０６は、異なる大きさの対象物、異なる大きさの付属物等に関して構成されるよう調整可能にされることができる。

メッシュ１０６は、手順を実行する臨床医を支援するため、医療手順の間に使用されることができる。例えば、医療デバイス１０２は、針、カテーテル、ガイドワイヤ、内視鏡、プローブ、ロボット、電極、フィルタデバイス、バルーンデバイス又は他の医療要素等を含むことができる。ワークステーション１１２は、撮像又は他の臨床データに対する形状センシング情報のレジストレーション及びフュージョンを自動的に実行する処理及び計算要素に加えて、撮像システム１１０を用いて対象物１４８の内部画像を表示するディスプレイ１１８を含むことができる。撮像システム１１０は、撮像モダリティを含むことができる。これは、例えば、超音波、フォト音響効果、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム、蛍光透視システム、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）、単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）又は他のシステムを含む。撮像システム１１０は、リアルタイムに手術中の撮像データを集めるよう構成されることができる。撮像データは、ディスプレイ１１８に表示されることができる。ディスプレイ１１８は、ユーザがワークステーション１１２及びその要素及び機能と相互作用することを可能にする。これは、ユーザがワークステーション１１２と相互作用するのを可能にする、キーボード、マウス、ジョイスティック又は他の任意の周辺機器又はコントロールを含むことができるインタフェース１２０により、更に容易にされる。

手順の間、撮像デバイス１１０により収集される画像は、３次元（３Ｄ）の動的な患者の動き、呼吸等が原因で、補償される必要がある場合がある。斯かる運動は、関心対象物又は領域のより安定したリアルタイムディスプレイ画像を提供するため、表示された画像において説明されることができる。１つ又は複数の追跡デバイス又はカメラ１０７が、デバイス１０２に組み込まれることができる。その結果、追跡／撮像情報が検出されることができる。追跡デバイス１０７は、電磁気（ＥＭ）トラッカ、ファイバーオプティック追跡、ロボティック位置決めシステム、カメラ等を含むことができる。

再構成モジュール１１５は、動的な変化による不一致を計算するため、又は画像間の動的な変化を説明するため、補償モデル又は位置決めアルゴリズムを使用することができる。（フィードバック信号を用いる）関心領域１４０及び／又はデバイス１０２のデジタルレンダリングは、動的な変化によって説明される収差及びエラーを伴い表示されることができる。デジタルレンダリングは、画像修正モジュールにより生成されることができる。

ある実施形態では、システム１００は、人間の体の断層撮影画像を生成するため、データを取得し、患者の運動に適合的な放射線療法を実行する。再構成及び最適化アルゴリズムは、メッシュ１０６の形状追跡から得られる可変測定ジオメトリを考慮するため、再構成モジュール１１５により使用されることができる。この情報は、動的な変化に適合するよう信号を調整するため、コントローラモジュール１２６又は他のデバイスに適用されることができる。１つの例において、コントローラモジュール１２６は、手順又は検査の間に行われる活動のデータ収集、フィードバック又は実行を改善するため、動的な変化に基づき、様々なコントローラ、センサ、放射線源／ビーム等を制御するための制御信号を生成することができる。再構成モジュール１１５により計算される形状再構成の間のフィードバックループは、臨床システムにより、薬物、化学療法、放射線を管理し、筋肉活動を測定する等の際に使用されることができる柔軟なメッシュ１０６の３Ｄ形状に関する情報を動的に提供する。

こうして、光学ファイバーセンシング１０４は、メッシュ１０６に配置される第２のモダリティノード、電極、追跡デバイス、源等に関する追加的な情報を提供する。ノード（例えば、センサ１０８、検出器１０９等）の相対的な距離は、時間に対して既知であり、このデータは、より正確な予測を行い、将来の線量／治療を推定し、測定の精度を決定する等のために使用されることができる。

図２を参照すると、ベスト２０２が、メッシュ１０６の特徴を含むメッシュ２０６から形成される。ベスト２０２は、好ましくは柔軟であり、対象物１４８にわたりぴったり適合する。センシングファイバー２１０は、ベスト２０２に一体化され、対象物１４８の胸部の形状を決定するために使用される。形状センシングモジュール２２０は、ファイバー２１０に問い合わせ、この情報は、例えば、逆問題に関する最適解に達するため対象物１４８の現実のジオメトリをモデル化するソルバーモジュール２１２において用いられる。センシングファイバー２１０は、対象物の体の周りで螺旋形になり、及び従って、ジオメトリの充分な画像を供給する、ベスト２０２に一体化される単一の光学ファイバーを含むことができる。センシングファイバー２１０は、ベスト２０２に一体化される複数のファイバーを含むこともできる。

センシングファイバー２１０は、１つ又は複数のファイバー光学ブラッグ格子（ＦＢＧ）を含むことができる。これは、光の特定の波長を反射し、他のすべてを透過させる光学ファイバーのセグメントである。これは、ファイバーコアにおいて屈折率の周期変化を加えることにより実現される。このコアは、波長特有の誘電体ミラーを生成する。ＦＢＧは、従って、特定の波長をブロックするインライン光学フィルタとして、又は波長特有の反射器として用いられることができる。

ＦＢＧの動作の後の基本的な原理は、屈折率が変化する各インタフェースでのフレネル反射である。いくつかの波長に対して、様々な期間の反射光が同調している。その結果、建設的干渉が、反射に関して存在し、結果的に、透過に関して、弱め合い干渉となる。ブラッグ波長は、温度だけでなく圧力に対して敏感である。これは、ＦＢＧ格子が、ファイバー光学センサにおけるセンシング要素として用いられることができることを意味する。ＦＢＧセンサにおいて、ブラッグ波長におけるシフトΔλＢがもたらされ、印加圧力（ε）及び温度における変化（ΔＴ）が原因によるブラッグ波長における相対的なシフト（ΔλＢ／λＢ）は、およそ

により与えられる。

係数Ｃｓは、圧力の係数と呼ばれ、その大きさは、通常約０．８ｘ１０^−６／μεであり、又は絶対的な量において約１ｐｍ／μεである。係数Ｃ_Ｔは、センサの温度感度を表し、熱拡張係数及び熱光学効果から成り立つ。その値は、約７ｘ１０^−６／Ｋ（又は、絶対的な量で１３ｐｍ／Ｋ）である。

この技術の主な利点の１つは、様々なセンサ要素が、ファイバーの長さにわたり分散されることができる点にある。ある構造に埋め込まれるファイバーの長さに沿って様々なセンサ（ゲージ）に３又はこれ以上のコアを組み込むことは、長手方向位置の関数としての構造の湾曲の上昇を可能にし、及び従って、斯かる構造の３次元形式が正確に決定されることを可能にする。即ち、不良設定問題を制約するボリュームが決定される。

ＦＢＧに代わるものとして、従来の光学ファイバーにおける固有の後方散乱が利用されることができる。そのような手法は、標準的な単一モードの通信ファイバーにおけるレイリー散乱を用いることである。レイリー散乱は、ファイバーコアにおける屈折率のランダムな変動の結果として発生する。これらのランダム変動は、格子長に沿った振幅及び位相のランダム変動を持つブラッグ格子としてモデル化されることができる。単一の長さのマルチコアファイバーにおいて延在する３又はこれ以上のコアにおいてこの効果を用いることにより、関心表面の３Ｄ形状及び力学が追跡可能である。

ある実施形態では、ベスト２０２は、体電位表面マップ（ＢＰＳＭ）に関する電極ベストを含むことができる。ＢＰＳＭベスト２０２は、そこに含まれる複数の電極センサ／検出器２０８を含む。この実施形態において、体表面の位置情報を集めるため、センサ／検出器２０８が、データ取得システム２２２に接続される。このセットアップにおいて、電極２０８から集められるサンプリングされたデータは、対象物の力学のより正確な描写を提供するため、形状センシングモジュールから得られる幾何学的な制約条件と相関されることができる。こうして、例えば呼吸等の間の形状の動的な変化が、ソルバーモジュール２１２において考慮されることができ、再構成画像表現２２４を提供するため画像に相関されることができる。これは、対象物における任意の検出された運動を説明する。同じセットアップが、温度センシング、電場センシング、振動の研究等に関して使用されることができる。こうして、体又は対象物の動的な（移動する）又は静的なデジタルレンダリングが、解析又は検査に関する情報の完全なセットを提供するため、他のリアルタイム測定とともに提供される。

図３を参照すると、別の実施形態では、メッシュ１０６、２０６は、例えば、トランクス、ブラ、頭蓋帽、靴下、手袋等の衣類の形式で製造されることができる。衣類は、弾性的なSpandex^TM又は弾性衣類の他の形式を含むことができる。説明のため、衣服３０２は、胸部の拡散光学断層撮影（ＤＯＴ）に関して構成されることができる。衣服３０２は、患者にぴったりフィットするよう適応的な大きさにされる調整機構３０４を含む。調整機構３０４は、サイズを調整するフック及びループコネクタ、バックル、弾性バンド、ジッパー、スナップ又は他の任意のデバイスを含むことができる。光学センシングファイバー３０６は、衣服３０２の組織に配置され、光学信号は、生体構造組織と直接接触する衣服３０２における位置に対して送信及び受信される。センシング及び光学断層撮影に関して、同じ又は異なるファイバーが使用されることができる（例えば、光学形状センシングに使用される単一モードファイバーの代わりに、アプリケーションに基づき、マルチモードファイバが、信号強度を上昇させるために必要とされる場合がある）。

１つの場合において、生体構造組織は胸部であり、ファイバーは、測定ジオメトリの形状センシング／追跡に関して用いられることができ（レイリー散乱）、又はマルチコアファイバーセットアップにおいて、ブラッグ格子を含むことができる追加的なコアファイバーが、形状推定に関する手段として用いられることができる。解剖学的に適応される衣服３０２の形状を決定する他のジオメトリを追跡技術が考慮されることができる。光学ファイバー３０６は、接続３０８を用いて衣服３０２に対して好ましくは局所的に結合又は接続される。これは、クロスステッチにより、角度の付いた光学ファイバーを用いることにより、衣服における蛇行構成において編まれる若しくはこの構成を備えることにより、又は粘着剤を使用することにより、実現されることができる。

光学ファイバー３０６及び他のシステムを用いて集められるジオメトリデータの間の相乗効果を生み出すため、他のデバイス又は薬物が、衣服において使用されることができる点に留意されたい。１つの例において、衣服３０２は、胸部周りに配置され、そこに一体化される放射線源を含むことができる。胸部の運動は、胸部の領域において実際に受信される放射線量を評価するために使用されることができる。他の用途も、本書において想定される。

図４を参照すると、システム４０２は、放射線療法に関して示される。対象物１４８は、放射線療法で治療される必要のある病巣又は腫瘍４０６を持つ。健康な組織を破壊するリスクを減らすため、患者動力学を考慮することが、重要である。光学センシングファイバー４０４を持つメッシュ１０６を使用することにより、患者動力学が説明されることができる。源４１２からの放射線ビーム４１０は、センシングファイバー４０４を用いて測定される動力学に基づき、パルス化又は他の態様で計時されることができる。別の実施形態では、コントローラ４１５は、例えばサーボモータ、アクチュエータ、デジタル信号プロセッサ、シャッタ等のデバイス４２０を制御する。これは、患者動力学データに基づき源４１２を動かし又はビーム４１０を方向付ける／制御するために使用されることができる。これは、放射線パルスのタイミングを制御し、及び／又はターゲット組織（例えば、腫瘍４０６）により正確に当たるよう、パルスの狙いを定めることを生じさせることができる。患者動力学データは、より高度なシステム制御のため患者モデルを駆動するのに用いられることができる。

本発明が説明的で非限定的な例（例えば、撮像技術、放射線療法等）に基づき説明されたが、他の用途が、本書において説明される本発明の概念から利益を得ることができる。例えば、本発明は、不良設定問題を解決するのに使用されることができる。不良設定問題は、最終的なデータから推測されるソリューションを持つ問題として説明されることができる（即ち、このソリューションは、最終的なデータにおける変化に対して非常に敏感である）。本発明は、逆問題を解決するのに使用されることができる。これは、関心物理対象物又は関心システムに関する情報へと観測された測定を変換するのに使用される一般的な枠組みを含む。例えば、このソリューションは、データとマッチングするために得られる。本発明は、温度マッピング、ニューロン撮像（例えば、脳磁気図検査／脳波記録法（ＭＥＧ／ＥＥＧ））、筋肉屈曲の測定等において使用されることができる。

図５を参照すると、対象物の動的な運動を測定する方法が、説明的な実施形態による実例として示される。ブロック５０２において、メッシュが提供される。これは例えば、腕、脚、胸部等の対象物の少なくとも部分にわたり柔軟かつぴったりフィットするよう構成される。メッシュは、そこに配置される１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーを含む。光学ファイバーは、メッシュの組織に織り込まれ、好ましくは、メッシュを撓曲させることがファイバーにおける圧力を与えるよう、メッシュファブリックに取り付けられる。光学ファイバーは、屈曲を可能にするが、対象物の部分の運動を制約するよう、メッシュに結ばれる、接着される又は、メッシュに対して他の態様で結合されることができる。ブロック５０４において、メッシュは、衣料品、そこに配置される検出器で位置検出を実行するよう構成される医療衣服を含むことができる。この場合、１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーは、センサ、検出器等の位置検出を改善する、又は対象物における動的な変化を他の態様で測定するために使用される。

ブロック５０６において、好ましい実施形態において、メッシュは、ファイバー光学センシングと連動して使用される別のセンシングモダリティを含む。例えば、ファイバー光学センサにより囲まれる又はこれに一体化されるセンサ又は電極が使用されることができる。こうして、患者及び／又はセンサ若しくは電極の動き又は変位に関するフィードバックが、ファイバー光学センシングデータにより強化される。

ブロック５１２において、対象物の部分の形状が、１つ又は複数の形状センシングファイバーから受信されるフィードバック信号を使用することにより再構成され、メッシュの形状及び位置における動的な変化が、フィードバック信号に基づき解釈される。

ブロック５２２において、測定される動的な変化は、例えば治療、診断、解析といった例えば、メッシュにおいて組み込まれる第２のモダリティの対象物における医療活動を改善するために考慮される。例は、以下の通りである。ブロック５２４において、対象物を治療する放射線ビームのパルス及び／又は照準が、動的な変化に基づき制御される。ビームは、時間において変調され、又は健康な組織を破壊することなしに病巣又は腫瘍を破壊するためにその焦点をターゲット上に保つために移動される。ブロック５２６において、対象物の運動が原因による望ましくないアーチファクトなしに画像のより正確な測定又はレンダリングを提供するため、動的な変化に基づき画像が再構成される。ブロック５２８において、対象物の光学断層撮影データ又は他のデータが、同じ（又は、異なる）形状センシング光学ファイバーを用いて集められることができる。ブロック５３０において、電場データ、熱データ又は他のデータが集められる。収集されたデータは、形状センシング光学ファイバー情報に関して整合又は考慮される。例えば、１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、電気インピーダンス断層撮影又は体表面電位／温度マッピングを実行するため、電気又は熱測定と共に用いられる。

添付の特許請求の範囲を解釈するにあたり、以下の点を理解されたい。

ａ）「有する」という語は、所与の請求項に記載される要素又は行為以外の他の要素又は行為の存在を除外するものではない。

ｂ）ある要素に先行する「ａ」又は「ａｎ」という語は、斯かる要素が複数存在することを除外するものではない。

ｃ）請求項における任意の参照符号は、それらの範囲を制限するものではない。

ｄ）複数の「手段」が、同じアイテム、又はハードウェア、又はソフトウェア実現による構造、又は機能により表されることができる。

ｅ）特に指定がない限り、行為の特定のシーケンスが必要とされること意図するものではない。

光学形状センシングを用いる動的な制約（これは、説明的で非限定的なものとして意図される）のためのシステム及び方法に関する好ましい実施形態が上述されたが、修正及び変更が、上記の教示を考慮して当業者によりなされることができる点に留意されたい。従って、添付の特許請求の範囲により概説される開示された実施形態の範囲に含まれるものとして、本開示の特定の実施形態において変更がなされることができる点を理解されたい。こうして、本開示の内容が特許法により必要とされる範囲で詳細に記載されてきたが、特許証により保護されることを望む保護の請求は、添付の特許請求の範囲に記載される。

Claims (20)

1. 対象物の動的な運動を測定するシステムであって、
   前記対象物の少なくとも部分にわたり柔軟にかつぴったりフィットするよう構成されるメッシュであって、１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーと、センサ又は検出器を持つ測定の第２のフィードバックモダリティとを含み、前記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、前記対象物における前記センサ又は検出器の運動を監視する、メッシュと、
   フィードバック信号を受信し、前記フィードバック信号に基づき前記センサ又は検出器の形状及び位置における動的な変化を解釈する、前記形状センシングファイバーに結合される再構成モジュールであって、前記対象物における医療活動を改善するため、前記動的な変化を考慮する、再構成モジュールとを有する、システム。
2. 前記再構成モジュールが、パルスを制御し、前記対象物を治療するための放射線の狙いを定めるよう構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記再構成モジュールが、前記動的な変化に基づき画像を再構成するよう構成される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記センサ又は検出器が、前記対象物に直接接触する電極を含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、前記メッシュに包まれる単一の光学ファイバーを含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記メッシュが、医療衣服を含み、前記医療衣服は、この上に配置される前記センサ又は検出器を用いて、位置検出を実行するよう構成され、前記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、前記位置検出を検証及び改善するために使用される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、前記対象物の光学断層撮影データを集めるために使用される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、電気インピーダンス断層撮影を実行するため、電気測定と連動して使用される、請求項１に記載のシステム。
9. 前記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、体表面電位／温度マッピングを実行するため、熱測定と連動して使用される、請求項１に記載のシステム。
10. 対象物の動的な運動を測定するデバイスであって、
    前記対象物の少なくとも部分にフィットするよう構成されるメッシュと、
    前記メッシュに含まれる１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーと、
    前記メッシュに組み込まれる複数のセンサを含む第２の測定モダリティであって、前記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、前記対象物の皮膚表面から直接に測定を実行するために前記第２のモダリティと連動して使用される、第２の測定モダリティと、
    前記対象物の部分に対する前記メッシュの柔軟でぴったりした付着を可能にするため、前記メッシュ及び前記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーの調整を可能にするよう構成される調整機構とを有する、デバイス。
11. 前記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーからのフィードバックが、パルスを制御し、前記対象物を治療するための放射線の狙いを定めるために使用される、請求項１０に記載のデバイス。
12. 前記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーからのフィードバックが、前記動的な変化に基づき画像を再構成するために使用される、請求項１０に記載のデバイス。
13. 前記センサが、前記対象物の皮膚と直接接触する電極を含む、請求項１０に記載のデバイス。
14. 前記メッシュが、医療衣服を含み、前記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、前記医療衣服上に配置される前記センサの位置検出を実行するよう構成される、請求項１０に記載のデバイス。
15. 前記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、前記対象物の光学断層撮影データを集めるために使用される、請求項１０に記載のデバイス。
16. 前記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、電気インピーダンス断層撮影を実行するため、電気測定を行う電極と共に前記メッシュに組み込まれる、請求項１０に記載のデバイス。
17. 前記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーが、前記対象物の表面の温度マッピングを実行するため、熱測定を行う体表面電位センサと共に前記メッシュに組み込まれる、請求項１０に記載のデバイス。
18. 対象物の動的な運動を測定する方法において、
    前記対象物の少なくとも部分にわたり柔軟にかつぴったりフィットするよう構成されるメッシュを提供するステップであって、前記メッシュが、１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーと別のセンシング技術のセンサとを含む、ステップと、
    前記センサの運動及び位置を監視するため、前記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーから受信されるフィードバック信号を使用して、前記フィードバック信号に基づき、前記センサの前記運動及び位置における動的な変化を解釈することにより、前記対象物の前記部分の形状を再構成するステップと、
    前記対象物における医療活動を改善するため、前記測定された動的な変化を考慮するステップとを有する、方法。
19. 前記医療活動を改善するため、前記測定された動的な変化を考慮するステップが、
    パルスを制御し、前記対象物を治療するための放射線ビームの狙いを定めるステップ、
    前記動的な変化に基づき、画像を再構成するステップ、又は
    電気インピーダンス断層撮影又は体表面電位／温度マッピングを実行するため、電気又は熱測定を実行するステップの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記動的な変化を考慮するステップが、前記１つ又は複数の形状センシング光学ファイバーを用いて前記対象物の光学断層撮影データを集めるステップを含む、請求項１８に記載の方法。

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