JP2015529529A - 乳房mr画像及び放射性マーカーに基づく乳房外科誘導 - Google Patents
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Abstract
MR画像及び放射性マーカーを用いて手術を誘導するためのシステム及び方法が提供される。この方法は、解剖学的構造の表面及びガンマプローブの1つ以上の位置の各々に対する、前記解剖学的構造にある標的位置に置かれる放射性シードからの放射線読取値を最適にするために配向される前記ガンマプローブを再構成することを含む。このガンマプローブの位置及び方位は、再構成される表面に対する放射性シードの位置を推定するために、各々の再構成される表面において検出される。
Description
本発明は、医療撮像の分野に関する、及び特にMR画像及び放射性マーカーを用いて誘導される手術に関する。
乳房における異常の画像ベースの精密診断に用いられる最も一般的な撮像モダリティは、x線マンモグラフィー、超音波及びダイナミック造影(DCE)磁気共鳴撮像(MRI)である。ダイナミック造影MRIの利用の1つは、腫瘍の切除(乳腺腫瘤摘出手術)の計画である。乳房MRIは、腫瘍の形状及び広がりの推定に関して、超音波及びx線撮像よりも優れていると示されてきた。
ダイナミック造影乳房MRIは一般的に患者を腹臥位にして行われ、乳房は専用の乳房MRIコイル内に位置決められる。その一方、乳房の手術中、患者は仰臥位である。患者を専用のMRIコイル内にある乳房と共に腹臥位から仰臥位に再位置決めすることは、乳房がかなり変形することになる。これらの変形が利用可能なMR情報を用いた外科手術の誘導を難しくする。
通例、腫瘍を切除するための乳房の手術中に誘導を提供するために、ガイドワイヤが手術の前に乳房に置かれ、腫瘍を位置特定する。このガイドワイヤは、一方の端部は腫瘍に及び他方の端部は、皮膚を通り抜け外部へ延在するように置かれる。しかしながら、通例はx線を用いて置かれるガイドワイヤは、仰臥位の患者には置かれず、位置の変化による変形後に、必ずしも最高の経路を提供するとは限らない。さらに、ガイドワイヤは、腫瘍の形状及び広がりに関する情報をリアルタイムで提供しない。
最近では、ガイドワイヤがガンマカメラ又はガンマプローブを用いて位置特定される、腫瘍に置かれる放射性シードに置き換えられた方法が提案されている。これらの方法は、腫瘍の位置をリアルタイムで示す一方、腫瘍の広がりを何ら表示もしない又は腹臥位のMR画像に含まれる他の情報、例えば解剖学的構造の位置及び形状を提供しない。
MR画像及び放射性マーカーを用いて手術を誘導するためのシステム並びに方法が提供される。
本発明のある態様によれば、MR画像及び放射性マーカーを用いて手術を誘導するシステムが提供される。この方法は、解剖学的構造の表面、及びガンマプローブの1つ以上の位置の各々に対するこの解剖学的構造の標的位置に置かれる放射性シードからの放射線読取値を最適にするために配向されるガンマプローブを再構成するステップを有する。再構成される表面に対する放射性シードの位置を推定するために、ガンマプローブの位置及び方位が各々の再構成される表面において検出される。
ある実施例によれば、前記方法はさらに、推定される放射性シードの位置及び再構成される表面を用いて、解剖学的構造のモデル体積を歪ませるステップを有する。
ある実施例によれば、前記方法はさらに、前記解剖学的構造のモデル体積における解剖学的構造の表面を検出するステップ、並びにこの検出した表面及び再構成される表面を用いて、前記モデル体積を前記再構成される表面に非剛体(non-rigid)位置合わせを行うステップを有する。
ある実施例によれば、非剛体位置合わせはさらに、解剖学的構造の既知の方位及び解剖学的構造上の少なくとも1つのランドマークを使用する。
ある実施例によれば、解剖学的構造は位置の変化により変形され、検出される表面は、MR画像を用いて、解剖学的構造が変形する前にモデル体積から取得され、及び再構成される表面は、解剖学的構造が変形した後に3Dカメラを用いて取得される。
ある実施例によれば、解剖学的構造は乳房であり、関心領域は腫瘍である。
ある実施例によれば、基準(fiducial)が解剖学的構造の表面上に置かれ、位置合わせステップに使用される。
ある実施例によれば、3Dカメラの画像においてガンマプローブにより妨害されていない表面の部分が患者の動きを補償するのに使用される。
ある実施例によれば、MR画像及び放射性マーカーを用いて腫瘍の手術を誘導するための方法が提供される。放射性シードは、標的位置に置かれる。この標的位置を含む解剖学的構造の手術前のMR画像及び放射性マーカーを画像が得られる。モデル体積は、MR画像から構成される。放射性シード及び解剖学的構造の表面輪郭がモデル体積において位置特定される。解剖学的構造の表面は、3Dカメラからの画像を用いて再構成される。このモデル体積は、非剛体位置合わせアルゴリズムを用いて、再構成される表面に合わせられる。放射性シードは、解剖学的構造に対し1つ以上の位置におけるガンマプローブを用いて位置特定される。解剖学的構造の表面及びガンマプローブは、このガマプローブの各位置に対し再構成される。各々の再構成される表面におけるガンマプローブの位置及び方位が使用され、放射性シードの位置を推定する。放射性シードの推定した位置を用いて、モデル体積が歪む。
本発明のもう1つの態様によれば、MR画像及び放射性マーカーを用いて手術を誘導するためのシステムが提供される。このシステムは、3Dカメラ、ガンマプローブ、前記3Dカメラと動作可能なように接続される少なくとも1つのプロセッサ、前記少なくとも1つのプロセッサと動作可能なように接続される少なくとも1つのメモリ、並びに前記少なくとも1つのメモリに記憶され、前記少なくとも1つのプロセッサにより実行可能な命令の少なくとも1つのプログラムを有する。この命令のプログラムは、解剖学的構造の表面、並びに3Dカメラからの画像を用いて、ガンマプローブの少なくとも1つの位置の各々に対する放射線読取値を最適にするために配向されるガンマプローブを再構成し、前記再構成される表面に対する放射性シードの位置を推定するために、各々の再構成される表面におけるガンマプローブの位置及び方位を検出し、並びに推定される放射性シードの位置及び再構成される表面を用いて、解剖学的構造のモデル体積を歪ませる。
ある実施例によれば、プロセッサは、放射線ワークステーションに具現化される。
ある実施例によれば、3Dカメラは、手術室にあるシンクライアントコンピュータを介して前記ワークステーションに動作可能なように接続される。
ある実施例によれば、前記システムはさらに、ディスプレイを有し、前記命令のプログラムは前記歪んだモデル体積をこのディスプレイ上に示す。
本発明のもう1つの態様によれば、コンピュータプログラムプロダクトが提供される。このコンピュータプログラムプロダクトは、コンピュータ実行可能な命令のプログラムを符号化したコンピュータ読取可能な記憶装置を有する。この命令のプログラムは、解剖学的構造の表面、及びガンマプローブの1つ以上の位置の各々に対する前記解剖学的構造の標的位置に置かれる放射性シードからの放射線読取値を最適にするために配向されるガンマプローブを再構成するためのプログラム命令、再構成される表面に対する放射性シードの位置を推定するために、各々の再構成される表面におけるガンマプローブの位置及び方位を検出するためのプログラム命令、並びに推定される放射性シードの位置及び再構成される表面を用いて、解剖学的構造のモデル体積を歪ませるためのプログラム命令を有する。
本発明の特徴及び利点は、付随する図面と組み合わせて読まれるとき、好ましい実施例の以下の詳細な説明からさらに明瞭に理解される。
本発明は、MR画像及び放射性マーカーを用いて手術を誘導するための方法、システム及びコンピュータプログラムプロダクトを提供する。
ある実施例に従って、解剖学的構造における標的位置に置かれる放射性シードを、この解剖学的構造に対し1つ以上の位置にあるガンマプローブを用いて、位置特定するステップを有する方法が提供される。このガンマプローブの各位置に対し、解剖学的構造の表面及びガンマプローブが再構成される。このガンマプローブの位置及び方位は、各々の再構成される表面において決定され、この再構成される表面に対する前記放射性シードの位置を推定する。次いで、この解剖学的構造のモデル体積は、推定される前記放射性シードの位置及び再構成される表面を用いて歪む。
図1は、MR画像及び放射性マーカーを用いて手術を誘導するための撮像システム100のブロック図である。この撮像システムは、手術前に例えば腫瘍のような標的位置又は関心位置に置いた放射性シード132を位置特定するためのガンマプローブ130を有する。この放射性シードは、例えばヨウ素125(I125)で満たされたチタンカプセルでもよい。この放射性シードは、関心領域(例えば腫瘍)及び放射性シードの可視化を提供することが可能であるx線マンモグラフィー又は超音波のような画像誘導を用いて前記標的位置に置かれてもよい。
ガンマプローブ130は、放射線の方向表示を提供することができる如何なるプローブ又はカメラでもよい。例えば、Nuclear Fields USA Corp.社から入手可能な様々なガンマプローブの何れかが用いられてもよい。説明される実施例はガンマ放射線を検出するガンマプローブを使用している一方、互換性のある放射線シードにより放射される他の形式の放射線を検出する同等のプローブが用いられてもよい。ガンマプローブ130は、例えばディスプレイのような放射線強度の表示を提供する。
撮像システムはさらに、三次元(3D)カメラ120を有する。この3Dカメラは、測距(ranging)を可能にするために、互いに規定の距離だけ離れている、2つ以上の同時の映像(frame)又は画像を撮ることができる何らかのステレオカメラ又はカメラの対でもよい。その代わりに、3Dカメラは、コード化した光(規定のグリッドパターン)及び/又は飛行時間測定を備える単独のカメラとすることができる。3Dカメラは、例えば1つ以上のI/Oコネクタ115、215及び1つ以上のシステムバス112、212を介してプロセッサ211に動作可能なように接続される。
プロセッサ211は、プログラム命令を実行することが可能である如何なる装置、例えば1つ以上のマイクロプロセッサでもよい。さらに、プロセッサ211は、汎用のコンピュータにおいて具現化されてもよい。説明される実施例において、プロセッサ211は、撮像ワークステーション200において具現化され、手術室にあるシンクライアント(thin client)コンピュータ110は、3Dカメラ120を前記ワークステーション200に動作可能なように接続している。このシンクライアントコンピュータ110は、独自のプロセッサ111、システムバス112、メモリ113及びI/Oコネクタ115を持つ。
メモリ213は、例えばシステムバス212によりプロセッサ211に動作可能なように接続される。このメモリ213は、データ及びプログラム命令を記憶するのに適した如何なる揮発性又は不揮発性メモリ装置、例えば取り外し可能なディスク、ハードドライブ、CD、RAM又はROM等でもよい。さらに、メモリ213は1つ以上のメモリ装置を有してもよい。
I/Oコネクタ115、215は、プロセッサ111を3Dカメラに、プロセッサ同士及び/又はデータソースに、動作可能なように接続する如何なるハードウェアでもよい。I/Oコネクタは、これらに限定しないが、RS232シリアルインタフェース、イーサーネット(登録商標)及びUSBポートを含む。
撮像システム100はさらに、メモリ213に記憶され、プロセッサ211により実行される撮像プログラム275を含み、3Dカメラからの撮像データ及び例えば磁気共鳴撮像(MRI)システムのような体積撮像システム300からの体積モデルのデータを受信並びに処理する。この撮像プログラムは、MR画像及び放射線マーカーを用いた手術の誘導を提供する。位置合わせされ、歪んだ体積モデルが手術の誘導のためにモニタ114に示される。撮像プログラム275は、様々な画像処理機能のためのモジュール又はユニットを含んでもよい。
撮像プログラム275は、ワークステーションをモデリングするプログラム、スタンドアロン型のプログラム又は放射線若しくはモデリングワークステーションにより呼び出すことができるサブルーチンの一部でもよい。その代わりに、撮像プログラム275が手術室にある3Dカメラの画像を処理する撮像ワークステーションにロードされてもよい。
MR画像及び3Dカメラの画像データは共に、放射性シード132の位置を提供する。この放射性シードは、MR画像において可視であり、放射性シードの位置は、3Dカメラの画像におけるガンマプローブ130の位置及び方位から得られる。放射性シードの位置は、手術前のMR画像と、手術中の3Dカメラの画像との間における患者の位置の変化による組織の変形を補償するために体積モデルを歪ませるのに使用される。
図2は、乳房にある腫瘍に置かれる放射性シード132を位置特定するのに使用される本願発明を示す。3Dカメラの画像に対し、放射性シード132の位置を決定するために、図2に示されるように、最大の放射線読取値が得られるまで、ガンマプローブ130を操作してこのプローブの方位を調整する。最大の読取値を持つ方向において、ガンマプローブは放射性シードに向けられている。3Dカメラ120は、表面輪郭と、ガンマプローブ130の位置及び方位との両方を取り込む。ガンマプローブの軸は、その線上に放射線シード132がある指示ライン又は視線を定めるために延在されることができる。
図3に示されるように、ガンマプローブ130は、幾つかの位置から放射性シード132と一直線に並べられ、結果生じる視線が互いに重畳され、放射性シード132の位置をこれら視線の交点に定めるのに使用される。さらに正確に放射性シード132を位置特定するために、ガンマプローブ130は複数回再配置される。その代わりに、2つ以上のガンマプローブ130が同時に使用され、視線の交点を提供してもよい。
図4は、本発明の実施例によるMR画像及び放射性マーカーを用いて手術を誘導するための方法の流れ図である。以下の説明において、放射性シード132は、乳房にある腫瘍に置かれる。しかしながら、この放射性シード132は、他の関心領域に又は他の関心領域内に置かれることもできる。さらに、本発明は、別の解剖学的構造に使用されることもできる。
ある実施例に従って、撮像プログラム275は、MRI装置からMR撮像データを受信する(ステップ410)。このMRI装置300は、バス312を介してメモリ313と動作可能なように接続されるプロセッサ311を有する。MRI撮像プログラム316は、メモリ311に記憶されると共に、プロセッサ311により実行され、乳房にある腫瘍に置かれる放射性シード132と共に、この乳房の三次元の体積モデルを構成する。その代わりに、生のMR撮像データがワークステーション200に送られ、このワークステーションにより処理されて、体積モデルを構成してもよい(ステップ420)。当業者により理解されるように、MR撮像及び体積モデルの構成は一般に、介入前に、他の場所で行われる。
介入治療の間、3Dカメラ120は、乳房の表面画像を提供するのに用いられる(ステップ430)。任意で、3D画像は、ガンマプローブを挿入する前に撮られ、表面を再構成するために全表面を可視化することを可能にする。その代わりに、3D画像は、(複数の)ガンマプローブ130が所定の位置に置かれた後に得られてもよい。
撮像プログラム275は、体積モデルから乳房の表面輪郭を抽出する(ステップ440)。この表面輪郭は、エッジ検出プログラム又は体積モデルの表面を定めるのに適切な如何なる他の方法を用いて抽出されてもよい。
撮像プログラム275は3D画像から表面も構成する(ステップ450)。この表面の再構成は例えばICP(Iterative Close Point)方法を用いて行われてもよい。
撮像プログラム275は、MR画像からの表面輪郭を3Dカメラの画像からの表面に位置合わせを行う。ある実施例によれば、この位置合わせは、患者の既知の方位(例えば頭部、脚部の方向)及び少なくとも1つのランドマーク(例えば乳頭)に基づいている。この位置合わせは、何らかの非剛体位置合わせ方法を用いて行われる。この位置合わせのステップは、病変又は腫瘍を含む内部の乳房の構造の位置の粗い推定を与える。なくとも1つの地点(ランドマーク)が両方のモダリティの画像において特定される場合、3つの互いに直交する座標(x,y,z)における移動が決定される。患者の既知の方位(頭部の方向、テーブル/患者に対する撮像装置の角度)を用いて、これらの軸の回転が決定されてもよい。
任意で、基準マーカー134は、2つの撮像モダリティの位置合わせを支援する追加のランドマークを与え、より正確な位置合わせを提供するために、乳房の表面上に置かれ、MR及び3Dカメラの両方により撮像される。
撮像プログラム275は、MR画像の体積モデルにおける放射性シード132の位置を決定する。このMR画像において、放射性シードの位置は、ユーザにより手動でマーキングされる、コンピュータ化された検出プログラム(例えばエッジ検出プログラム)により自動的にマーキングされる、又はユーザにより手動でマーキングされ、コンピュータ化された方法により自動補正される、の何れかである。
手術室において最初に3Dの表面画像を取得した後、ガンマプローブ130は、乳房にある放射性シードを位置特定するのに使用される(ステップ460)。図2に示されるように、ガンマプローブ130は、最大の信号を達成するために、乳房の近くに位置決められ、配向される。ガンマプローブ130の方位を調節し、測定される放射線に注意することにより、最大の読取値が繰り返し決定される。この最大の放射線は、放射性シード132に直接向くように配向されるガンマプローブに対応している。それに応じて、ガンマプローブの位置及び方位は、その上に放射線シード132がある指示ライン又は視線を定める。
乳房の表面に対する放射性シードの3D位置を計算するのに使用するために、放射線シードはガンマプローブを用いて複数の位置から位置特定される。各位置において、最適な位置(すなわち、放射線読取値を最大にするガンマプローブの方位)が決定される。
ガンマプローブ130により特定された前記放射性シードの位置を、3Dの再構成される乳房の表面の座標系に結び付けることを容易にするために、撮像プログラム275は、乳房の表面の3Dカメラの画像及びガンマプローブの各々最適な位置のガンマプローブを取得する(ステップ470)。次いで、撮像プログラム275は、解剖学的構造の表面及びガンマプローブの各々最適な位置のガンマプローブを再構成する。ガンマプローブと共にこれら再構成される表面は、再構成される表面に対するガンマプローブの位置及び方位を示す。以前の表面の再構成のように、例えばICPアルゴリズムが用いられてもよい。その代わりに、表面を再構成する他の如何なる方法も用いられる。
撮像プログラム275は、放射線シードの位置を推定するために、各々の再構成される表面におけるガンマプローブの位置及び方位を検出する(ステップ480)。ガンマプローブの位置及び方位は、例えばモデルベースの検出アルゴリズムを用いて決定されてもよい。三角測量(triangulation)により、乳房の再構成される表面に対する放射性シード132の位置が決定されてもよい。
撮像プログラム275は、推定した放射性シードの位置を用いてモデル体積を歪ませる(ステップ490)。MRの体積モデルは、この体積モデルが位置合わせされる上記の表面の再構成に対し歪む。MRのモデル体積にある放射性シードの位置が再構成される表面からの放射性シードの位置と一致する、及びMRの体積モデルにある乳房の輪郭が再構成される表面からの表面輪郭と一致するように乳房を変形することにより、MRの体積モデルは歪む。この変形は、例えば有限要素解析により行われてもよい。その代わりに、非線形変形に近づけるための他の如何なる方法が用いられてもよい。
ある実施例に従って、ガンマプローブの1つの位置だけが取得され、放射性シード132の位置が分かる代わりに、表面の再構成の座標系において、その上に放射性シードがあるラインだけが分かっている。このラインは、MRの体積モデルにおける解剖学的構造を歪ませる際の情報として用いられる。
ある実施例に従って、放射性シード132が腫瘍に置かれ、例えば乳房のような解剖学的構造の表面の3Dカメラの画像及びガンマプローブ130を用いて、手術中に追跡される。撮像プログラムは、ガンマプローブの位置及び方位により与えられる表面の再構成に対する放射性シードの位置情報を使用して、推定される位置の並進に限られる、局所的な位置合わせによる腫瘍の現在の位置及び広がりの推定を更新する。
ある実施例に従って、3Dの表面の再構成における乳房の表面の妨害されていない部分は、例えば呼吸のような潜在的な患者の動きを補償するのに用いられる。
本発明は、全てがハードウェアの実施例又はハードウェア及びソフトウェアの要素を含む実施例の形式をとることができる。例示的な実施例において、本発明はソフトウェアにおいて実施され、このソフトウェアは、それらに限定されないが、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード等を含む。
その上、本発明は、コンピュータ又は如何なる命令実施システム若しくは装置により、又はそれらと接続して使用するためのプログラムコードを提供するコンピュータ使用可能又はコンピュータ読取可能な記憶装置から入手可能なコンピュータプログラムプロダクトの形式をとってもよい。これを説明するために、コンピュータ使用可能又はコンピュータ読取可能な記憶装置は、命令実施システム、機器若しくは装置により又はこれらと接続して使用するためのプログラムを含む又は記憶することができる如何なる機器でもよい。
上述した方法は、符号化される機械実施可能な命令のプログラムを持つ機械読取可能な記憶装置を有するプログラムプロダクトにより実現され、このプログラムプロダクトは、例えばコンピュータのような機械により実行されるとき、この方法のステップを実行する。このプログラムプロダクトは、これらに限定されないが、コンパクトディスク、フロッピーディスク(登録商標)及びUSBメモリ装置等を含む様々な既知の機械読取可能な記憶装置の何れかに記憶される。
前記記憶装置は、電子、磁気、光、電磁気、赤外線又は半導体のシステム(又は機器若しくは装置)とすることができる。コンピュータ読取可能な記憶装置の例は、半導体若しくはソリッドステートメモリ、磁気テープ、取り外し可能なコンピュータディスケット、RAM、ROM、硬質磁気ディスク、光ディスクを含む。光ディスクの現在の例は、CD−ROM、CD−R/W及びDVDを含む。
上述する説明及び付随する図面は、本発明を説明することを意図し、限定することは意図しない。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲に十分同等である変形例及び構成を含むことを意図している。
開示した実施例に対する他の変形例は、図面、明細書及び特許請求の範囲を学ぶことにより、本発明を実施する当業者により理解及びもたらされることができる。請求項において、"有する"という言葉は、それ以外の要素又はステップを排除するものではない。複数あることを述べていなくても、それらが複数あることを排除しない。単独のプロセッサ又は他のユニットが請求項に挙げられる幾つかのアイテムの機能を果たしてもよい。ある特徴が互いに異なる請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの特徴の組み合わせが有利に用いられないことを示しているのではない。請求項における如何なる参照符号も本発明の範囲を限定していると考えるべきではない。
Claims (5)
- MR画像及び放射性マーカーを用いて手術を誘導するためのシステムにおいて、前記システムは、
3Dカメラ、
ガンマプローブ
前記3Dカメラと動作可能なように接続される少なくとも1つのプロセッサ、
前記少なくとも1つのプロセッサと動作可能なように接続される少なくとも1つのメモリ、並びに
前記少なくとも1つのメモリに記憶され、前記少なくとも1つのプロセッサにより実行可能である少なくとも1つの命令のプログラム
を有し、
前記少なくとも1つの命令のプログラムは、
前記3Dカメラからの画像を用いて、解剖学的構造の表面及び前記ガンマプローブの少なくとも1つの位置の各々に対する放射線読取値を最適にするために配向される前記ガンマプローブを再構成する、
前記再構成される表面に対する放射性シードの位置を推定するために、各々の再構成される表面における前記ガンマプローブの位置及び方位を検出する、並びに
推定される前記放射性シードの位置及び前記再構成される表面を用いて、前記解剖学的構造のモデル体積を歪ませる
のに実行可能である、システム。 - 前記プロセッサは、放射線ワークステーション内に組み込まれている、請求項1に記載のシステム。
- 前記3Dカメラは、手術室にあるシンクライアントコンピュータを介してワークステーションに動作可能なように接続される、請求項1に記載のシステム。
- ディスプレイをさらに有する請求項1に記載のシステムにおいて、前記命令のプログラムは、前記歪んだモデル体積を前記ディスプレイ上に示す、システム。
- コンピュータ実行可能な命令のプログラムを符号化しているコンピュータ読取可能な記憶装置を有するコンピュータプログラムプロダクトにおいて、前記命令のプログラムは、
解剖学的構造の表面及びガンマプローブの1つ以上の位置の各々に対する、前記解剖学的構造にある標的位置に置かれる放射性シードからの放射線読取値を最適にするために配向される前記ガンマプローブを再構成するためのプログラム命令、
前記再構成される表面に対する前記放射性シードの位置を推定するために、各々の再構成される表面における前記ガンマプローブの位置及び方位を検出するためのプログラム命令、並びに
推定される前記放射性シードの位置及び前記再構成される表面を用いて、前記解剖学的構造のモデル体積を歪ませるためのプログラム命令、
を有する、コンピュータプログラムプロダクト。
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