JP2015154826A - 穿刺支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】穿刺針による焼灼などの治療を迅速かつ簡便に行うための穿刺支援装置を提供する。【解決手段】穿刺支援装置１は、患者の３Ｄ画像に基づいて決定された前記患者の標的部位の座標および穿刺経路に基づいて、穿刺針７を前記標的部位に指向させる穿刺支援ロボット３と、前記患者の皮膚に接触させることで、前記穿刺経路を含む前記患者の超音波断層画像を取得する超音波プローブ４と、前記超音波断層画像を表示する超音波画像表示装置６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、患者の体内の標的部位に対して穿刺を簡便・確実に行うための穿刺支援装置に関する。

腹部の肝腫瘍に対して、従来より、穿刺針によるラジオ波やマイクロ波による焼灼療法が広く用いられている。肝腫瘍は体表から深部に位置するため、超音波画像の粗い画像では肝腫瘍の検知が困難であり、また、肋骨や肺等を避けて腫瘍に穿刺針を刺入する必要がある。また、焼灼を繰り返し行う場合には、焼灼によって発生する微小な気泡が超音波画像の観察を困難にする。そこで、本発明者等は、肝腫瘍の検知および穿刺針の穿刺経路の決定に、従来の超音波画像に代えて縦型オープンＭＲ装置を用いて患者のリアルタイムのＭＲ画像を取得し、さらに、あらかじめ指定した標的を自動的に追尾する穿刺支援ロボットを、縦型オープンＭＲ装置の磁石の間に設置し、上記ＭＲ画像と施術前に取得した３Ｄ画像とを再構成した再構成画像を参照しながら針を腫瘍内に穿刺する技術を開発した（非特許文献１）。

しかし、縦型オープンＭＲ装置は患部に直接アクセスできるという大きな利点があるが、購入および維持する費用が高価であるため一部の医療現場にしか普及していないのが実情である。また、縦型オープンＭＲ装置によるＭＲ画像は、一般的なトンネル型ＭＲ装置によるＭＲ画像よりも画質が劣るという欠点もある。そのため縦型オープンＭＲ装置が設置されていない医療現場では、トンネル型ＭＲ装置と穿刺支援ロボットを用いた、図７に示すような手順での治療が行われている。

まず、トンネル型ＭＲ装置（以下、単にＭＲ装置と称する）内に患者をピットインし、患者の高精細の３Ｄ画像を撮像する（Ｓ１）。続いて、モニタ画面上に３Ｄ画像を表示し、腫瘍などの標的部位の座標（標的座標）を決定する（Ｓ２）。続いて、患者をＭＲ装置からピットアウトして、ＭＲ装置の近傍に設置された穿刺支援ロボットに、決定された標的座標の情報を送信し、穿刺支援ロボットは、標的座標に基づき、穿刺針の先端位置を仮想の標的部位に一致させるとともに、３Ｄ画像からその穿刺経路に沿った直交２面の断層画像を切り出して、モニタに再構成画像を表示して術者に提示する（Ｓ３）。術者は、再構成画像に基づき、肋骨や肺等の障害物のない最適な穿刺経路を決定する（Ｓ４）。続いて、術者が指定された深さまで穿刺針を実際に刺入する（Ｓ５）。

このとき、患者の呼吸によって臓器が移動したり、穿刺角度が小さいときに臓器表面において穿刺針が滑ることにより、穿刺針が曲がって針先が標的部位に到達しない場合がある。しかし、患者はＭＲ装置からピットアウトされた状態にあり、術者は穿刺針の位置をＭＲ画像でリアルタイムに確認できない。そのため、刺入完了後、穿刺針を刺入れたまま患者をＭＲ装置内に再度ピットインし、撮像を行って針先位置を確認する必要がある（Ｓ６）。針先位置が適切でない場合は（Ｓ７においてＮＯ）、患者をＭＲ装置からピットアウトして再度穿刺針を刺入して（Ｓ８）、ステップＳ７を繰り返す。一方、針先位置が適切である場合（Ｓ７においてＮＯ）、患者をＭＲ装置からピットアウトして焼灼などの治療を行う（Ｓ９）。その後、未処理部位がなくなるまで（Ｓ１０においてＮＯ）、Ｓ３〜Ｓ９を繰り返す。

森川茂廣、他９名、「ＭＲイメージガイド下肝腫瘍マイクロ波凝固のための穿刺支援ロボットの開発と臨床応用」、日本コンピュータ外科学会大会、2007年11月、p. 35-36

上記の治療手順では、術者が患者に穿刺針を刺入する際に（Ｓ５）、針先位置をリアルタイムに確認することができないため、患者をＭＲ装置内にピットインし、撮像を行って針先位置を確認する必要がある（Ｓ６）。その結果、針先位置が適切でない場合は（Ｓ７においてＮＯ）、穿刺針を再度刺入して（Ｓ８）、患者をＭＲ装置内に再度ピットインする必要がある（Ｓ６）。このように、針先位置を確認するたびにＭＲ画像を撮像する必要があるため、術者および患者の負担が大きいという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、穿刺による焼灼などの治療を迅速かつ簡便・確実に行うための穿刺支援装置の提供を目的とする。

本発明に係る穿刺支援装置は、上記課題を解決するためになされたものであり、患者の３Ｄ画像に基づいて決定された前記患者の標的部位の座標および穿刺経路に基づいて、穿刺針を前記標的部位に指向させる穿刺針保持手段と、前記患者の皮膚に接触させることで、前記穿刺経路を含む前記患者の超音波断層画像を取得する超音波プローブと、前記超音波断層画像を表示する超音波画像表示装置と、を備える。

上記穿刺支援装置において、前記穿刺針保持手段は、前記超音波プローブを前記穿刺針の周囲を回転可能に保持することが好ましい。

上記穿刺支援装置において、前記穿刺針保持手段は、前記超音波プローブの指向軸を前記穿刺針に対して所定範囲の角度だけ傾けた状態で前記超音波プローブを保持することが好ましい。

上記穿刺支援装置において、前記所定範囲の角度は０〜１０°であることが好ましい。

上記穿刺支援装置において、前記３Ｄ画像は、ＭＲ装置またはＣＴ装置によって撮影されることが好ましい。

上記穿刺支援装置において、前記ＭＲ装置は、トンネル型のＭＲ装置であってもよい。

上記穿刺支援装置において、前記穿刺針保持手段はＲＣＭ制御可能な穿刺支援ロボットであることが好ましい。

本発明によれば、針先位置を確認するたびに必要とされていたＭＲ装置内への患者の再度のピットインを不要とし、穿刺針による焼灼などの治療を迅速かつ簡便に行うことができる。

本発明の一実施形態に係る穿刺支援装置の構成を示すブロック図である。 穿刺支援ロボットの保持部の拡大図であり、（ａ）は上から見た平面図、（ｂ）は側面図である。 上記保持部の拡大側面図である。 本発明の一実施形態における、焼灼治療の手順を示すフローチャートである。 超音波画像の一例を表す模式図である。 超音波画像の一例を表す模式図である。 従来の焼灼治療の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る穿刺支援装置１の構成を示すブロック図である。穿刺支援装置１は、トンネル型のＭＲ装置２の近傍に設けられており、穿刺支援ロボット３と、超音波プローブ４と、演算処理装置５と、超音波画像表示装置６とを備えている。

ＭＲ装置２は、ピットインされた患者の体内の水素や燐等の原子核からの磁気共鳴信号を測定することにより、患者の高精細な３Ｄ画像（ＭＲ画像）を撮像することができる。

穿刺支援ロボット３は、非磁性体の材料で構成されており、２自由度で回転できるアーム３１を備えている。アーム３１の端部には、超音波プローブ４と穿刺針７とを取り付けるための保持部３２が接続されている。また、穿刺支援ロボット３には、台座に３軸の超音波モータ（図示省略）が取り付けられており、保持部３２の向きを、水平方向の直交する２軸と垂直方向の１軸との合計３軸の方向に調節することが可能となっている。これらの構成によって、穿刺支援ロボット３は、穿刺前の長さを指定した仮想の穿刺針７の先端位置を、指定した所定位置に一致させつつ穿刺角度を自在に変更することができるようにＲＣＭ（Remote-Center-of-Motion）制御することが可能である。

超音波プローブ４は、患者の皮膚に接触して超音波パルスの送波およびエコーの受波を行う。これにより、超音波プローブ４は、穿刺針７の穿刺経路を含む患者の超音波断層画像を取得することができる。後述するように、超音波プローブ４は、穿刺針７の周囲を１８０°回転できるように保持部３２に取り付けられる。取得された超音波断層画像は、超音波画像表示装置６に表示される。

図２は、図１に示す保持部３２の拡大図であり、（ａ）は上から見た平面図、（ｂ）は側面図である。保持部３２は、アーム３１の端部に接続されており、超音波プローブ４を把持するプローブ把持部３２１と、穿刺針７を挿通させるための挿通部３２２とを備えている。プローブ把持部３２１は、アーム３１に取り外し可能に接続されており、矩形枠状に形成されている。矩形枠の大きさは超音波プローブ４の外形にほぼ等しく、枠内に超音波プローブ４を挿入し、ネジ３２３を締めることにより、超音波プローブ４を把持することができる。挿通部３２２は、プローブ把持部３２１を構成する矩形枠の一辺に形成された貫通孔である。穿刺針７の直径が貫通孔の直径よりも小さい場合は、外径が貫通孔の直径と等しく内径が穿刺針７の直径と等しいコレットを、貫通孔に挿入する。

挿通部３２２を構成する貫通孔の長手方向、すなわち、挿通部３２２に挿通される穿刺針７の長手方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な平面をＸＹ平面とすると、図２（ａ）に示す破線のように、プローブ把持部３２１は、挿通部３２２を中心にＸＹ平面に沿って１８０°回転することができる。これにより、プローブ把持部３２１に把持された超音波プローブ４は、穿刺針７の周囲を１８０°回転することができる。

図２（ｂ）に示すように、プローブ把持部３２１は、ＸＹ平面に平行にアーム３１に接続されている。そのため、プローブ把持部３２１に把持された超音波プローブ４は、超音波の指向軸が穿刺針７の長手方向と平行になる。

図３は、保持部３２の変形例を示す側面図であり、プローブ把持部３２１の形状が、図２（ｂ）に示すプローブ把持部３２１と異なっている。図３に示すプローブ把持部３２１は、ＸＹ平面に対して角度θ１だけ傾いており、０＜θ１≦１０°であることが望ましい。さらに、角度θ１が異なるプローブ把持部３２１を複数用意し、患者の体表とアーム３１との相対位置に応じて、最適な形状のプローブ把持部３２１を選択することが望ましい。これにより、常に超音波プローブ４を患者の体表に密着させることができる。

演算処理装置５は、ＭＲ装置２からの３Ｄ画像の処理や、穿刺支援ロボット３の動作制御などを行うものであり、標的座標決定部５１、動作制御部５２および再構成画像生成部５３を備えている。ＭＲ装置２の近傍は高磁場環境であるため、演算処理装置５は、ＭＲ装置２から離れた位置に設けられることが望ましい。

標的座標決定部５１は、患者の標的部位の座標を決定する機能を有している。具体的には、ＭＲ装置２から受信された３Ｄ画像が図示しないモニタに表示され、術者が３Ｄ画像における標的部位を指定すると、標的座標決定部５１は、３Ｄ画像における指定された位置に基づき、穿刺支援ロボット３が設けられた患者ベッドにおける仮想の標的部位の座標（標的座標）を演算して決定する。

動作制御部５２は、穿刺支援ロボット３を制御するための制御信号を出力するものである。穿刺支援ロボット３には、ＭＲ装置２からピットアウトされた患者と穿刺針７との相対位置を計測する光学式の位置センサ（図示省略）が取り付けられている。動作制御部５２は、位置センサから送信された患者および穿刺針７の相対位置情報と、標的座標決定部５１において決定された標的座標とを照合する。これにより、動作制御部５２は、ピットアウトされた患者の標的部位に穿刺針７が常に指向するように、穿刺支援ロボット３をＲＣＭ制御する。

再構成画像生成部５３は、体表に貼り付けたマーカーを用いたレジストレーションのプロセスを必要とせず、磁石に取り付けた位置マーカー、患者ベッドに取り付けた位置マーカー、穿刺支援ロボット３の位置マーカーの座標系を統合して、穿刺支援ロボット３の穿刺針７の先端位置を仮想の標的部位に一致させるとともに、３Ｄ画像からその穿刺経路に沿った直交２面の断層画像を切り出して、図示しないモニタに再構成画像を表示して術者に提示する。術者は、再構成画像に基づいて、体表と標的部位との間に障害物や血管や胆管などの重要構造がない最短の経路を穿刺経路として決定する。また、穿刺支援ロボット３は、穿刺経路決定時の穿刺針７の向きを保持する。

超音波画像表示装置６は、患者ベッドの近傍に設置されており、超音波プローブ４によって取得された超音波断層画像を表示する。これにより、術者は、超音波断層画像を参照して、標的部位の位置および穿刺針７のリアルタイムの位置を確認しながら、穿刺針７を刺入することができる。

図４を参照して、本実施形態に係る穿刺支援装置１を用いたマイクロ波凝固療法の手順を説明する。

まず、ＭＲ装置２内に患者をピットインし、患者の高精細の３Ｄ画像を撮像する（Ｓ１１）。３Ｄ画像は、演算処理装置５に送信され、標的座標決定部５１が、標的部位の座標（標的座標）を決定する（Ｓ１２）。続いて、患者をＭＲ装置２からピットアウトして、動作制御部５２が、決定された標的座標に基づき、穿刺支援ロボット３を制御する。これにより、穿刺支援ロボット３は、穿刺針７の先端位置を仮想の標的部位に一致させる。穿刺針７の向きに連動して、再構成画像生成部５３は、３Ｄ画像からその穿刺経路に沿った直交２面の断層画像を切り出して、モニタに再構成画像を表示して術者に提示する（Ｓ１３）。術者は、再構成画像に基づき、肋骨や肺等の障害物のない最適な穿刺経路を決定する（Ｓ１４）。また、穿刺支援ロボット３は、穿刺経路決定時の穿刺針７の向きを保持する。

続いて、穿刺支援ロボット３はその方向を保持したままで任意の距離だけ患者に近づき、保持部３２に保持された超音波プローブ４を患者の体表に押し当てて、術者近傍の超音波画像表示装置６に超音波断層画像を表示させる（Ｓ１５）。穿刺の距離は初期に設定した針の長さから体表に近づいた距離を差し引いて決定する。これにより、術者は、超音波断層画像を参照して、標的部位の位置および穿刺針７のリアルタイムの位置を確認しながら、穿刺針７を刺入することができる（Ｓ１６）。刺入の途中に穿刺針７が撓み、指向方向が標的部位からずれた場合であっても、術者は、穿刺針７を軸方向に回転させることにより、指向方向を制御することができる。よって、確実に穿刺針７の先端を標的部位に到達させることができる。そのため、直ちに焼灼などの治療を行うことができる（Ｓ１７）。その後、未処理部位がなくなるまで（Ｓ１８においてＮＯ）、Ｓ１３〜Ｓ１７を繰り返す。

以上のように、本実施形態では、穿刺針７がリアルタイムに表示された超音波断層画像を参照して、穿刺針７の刺入を行うことができるので、確実に穿刺針７の先端を標的部位に到達させることができる。従来のように針先位置を確認するたびにＭＲ装置２内に患者を繰り返しピットインさせる必要がない。よって、穿刺針による焼灼治療を迅速かつ簡便に行うことができ、患者および術者の負担軽減にも寄与する。

また、本実施形態では、図２（ａ）に示すように、穿刺支援ロボット３の保持部３２が、超音波プローブ４を穿刺針７の周囲を１８０°回転可能に保持することができる。よって、穿刺支援ロボット３のアーム３１の患者の体表に対する角度に関わらず、超音波プローブ４を皮膚に密着させることができる。

さらに、図３に示すように、保持部３２は、超音波プローブ４を穿刺針７に対して所定範囲の角度θ１（例えば、０〜１０°）だけ傾けて保持することができるように構成されている。これにより、超音波断層画像において、体表のより浅い位置から穿刺針７の位置を確認することができる。以下、その理由を図５および図６を参照して説明する。

図５は、超音波プローブ４および穿刺針７を体表に対して垂直に押し当てた場合（すなわち、保持部３２が、図２（ｂ）に示すようにプローブ把持部３２１のＸＹ平面に対する角度が０°となる状態で、超音波プローブ４および穿刺針７を保持した場合）の超音波断層画像を示している。図中、Ｐ１は超音波プローブ４と体表との接触位置であり、Ｐ２は穿刺針７の刺入位置であり、Ｔは標的部位であり、Ａ１は超音波プローブ４の指向軸である。指向軸Ａ１は、穿刺針７の長手方向と平行であり、接触位置Ｐ１と刺入位置Ｐ２との距離をｄ１とする。超音波プローブ４の撮像範囲は、接触位置Ｐ１から扇形に広がる領域であり、撮像範囲の一方の縁と体表との成す角度をθ２とすると、穿刺針７の超音波断層画像に表示される部分は、体表から
Ｄ１＝ｄ１・ｔａｎθ２
より深い部分となる。

図６は、超音波プローブ４を穿刺針７に対して角度θ１だけ傾けた状態で、超音波プローブ４および穿刺針７を体表に押し当てた場合の超音波断層画像を示している。図中、Ｐ３は、傾けられた超音波プローブ４と体表との接触位置であり、Ａ２は傾けられた超音波プローブ４の指向軸である。なお、図６では、便宜上、超音波断層画像全体を傾けて示している。

撮像範囲の一方の縁と体表との成す角度をθ３とすると、穿刺針７の超音波断層画像に表示される部分は、体表から
Ｄ２＝ｄ２・ｔａｎθ３
より深い部分となる。上記のように、超音波プローブ４は穿刺針７に対して角度θ１だけ傾いているので、接触位置Ｐ３と刺入位置Ｐ２との距離をｄ２とすると、ｄ２＜ｄ１となる。また、指向軸Ａ１と指向軸Ａ２との成す角度はθ１となるので、θ３＝θ２−θ１＜θ２となる。よって、Ｄ２＜Ｄ１となる。すなわち、超音波プローブ４を穿刺針７に対して傾けない場合に比べ、超音波断層画像においてより浅い領域における穿刺針７の位置を確認することができる。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

上記の実施形態では、ＭＲ装置２がトンネル型のＭＲ装置であったが、これに限定されず、例えば、縦型オープンＭＲ装置を用いてもよい。ＭＲ装置がトンネル型またはオープン型のいずれの態様であっても、ＭＲ画像の撮像はＳ１１に示す最初の一回だけで良い。

また、上記の実施形態では、高精細の３Ｄ画像の撮像にＭＲ装置を使用したが、３Ｄ画像を撮像できる装置であれば特に限定されない。例えば、ＭＲ装置に代えてＣＴ装置を使用して３Ｄ画像を撮像してもよい。これにより、ＣＴ装置が設置されている医療現場においても、穿刺による肝腫瘍の焼灼治療を行うことが可能となる。またこの態様においても、ＣＴ画像の撮像はＳ１１に示す最初の一回だけで良く、特にＣＴ画像の撮像には放射線の被曝を伴うため、ＣＴ画像の取得回数が必要最低限に低減されることにより、患者および術者の被爆を必要最小限に抑えることができる。

また、上記の実施形態では、穿刺針７を保持するために穿刺支援ロボットを用いたが、穿刺針７の先端を常に標的部位に指向させることが可能であれば、穿刺支援ロボット以外の穿刺針保持手段を用いてもよい。

さらに、再構成画像から標的部位のみを切り出し、超音波断層画像の対応する位置に標的部位を合成してもよい。これにより、超音波断層画像における標的部位が明瞭に表示されるので、手術がさらに容易になる。

本発明は、肝腫瘍の治療だけでなく、穿刺による治療が可能であれば、体内のあらゆる患部の治療に適用可能である。また穿刺による精度のよい生検にも適応可能である。

１ 穿刺支援装置
２ ＭＲ装置
３ 穿刺支援ロボット（穿刺針保持手段）
３２１ プローブ把持部
３２２ 挿通部
３２３ ネジ
４ 超音波プローブ
５ 演算処理装置
５１ 標的座標決定部
５２ 動作制御部
５３ 再構成画像生成部
６ 超音波画像表示装置
７ 穿刺針

Claims (7)

1. 患者の３Ｄ画像に基づいて決定された前記患者の標的部位の座標および穿刺経路に基づいて、穿刺針を前記標的部位に指向させる穿刺針保持手段と、
   前記患者の皮膚に接触させることで、前記穿刺経路を含む前記患者の超音波断層画像を取得する超音波プローブと、
   前記超音波断層画像を表示する超音波画像表示装置と、
   を備える穿刺支援装置。
2. 前記穿刺針保持手段は、前記超音波プローブを前記穿刺針の周囲を回転可能に保持する、請求項１に記載の穿刺支援装置。
3. 前記穿刺針保持手段は、前記超音波プローブの指向軸を前記穿刺針に対して所定範囲の角度だけ傾けた状態で前記超音波プローブを保持する、請求項１または２に記載の穿刺支援装置。
4. 前記所定範囲の角度は０〜１０°である、請求項３に記載の穿刺支援装置。
5. 前記３Ｄ画像は、ＭＲ装置またはＣＴ装置によって撮影される、請求項１から４のいずれかに記載の穿刺支援装置。
6. 前記ＭＲ装置は、トンネル型のＭＲ装置である、請求項５に記載の穿刺支援装置。
7. 前記穿刺針保持手段はＲＣＭ制御可能な穿刺支援ロボットである、請求項１から６のいずれかに記載の穿刺支援装置。