JP2016518156A - 全視野３次元表面測定 - Google Patents

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Abstract

本発明の実施形態は、人体の外側および内側の表面などの表面の測定を全視野で、かつ３Ｄで行うことに用いることができる。電磁放射線源は、電磁放射線を空間信号変調アルゴリズムに対応するパターンで投射するように構成することができる。電磁放射線源はまた、放射線が投射される媒体を通して送信するのに適した周波数で電磁放射線を投射するように構成することもできる。画像センサは、投射されたパターンを表示する画像データを捕捉するように構成することができる。画像処理モジュールは、画像センサから捕捉した画像データを受取り、捕捉した画像データおよび空間信号変調アルゴリズムを用いて表面の全視野３Ｄ表示を計算するように構成することができる。表示デバイスは、表面の全視野３Ｄ表示を表示するように構成することができる。

Description

本発明は、全視野３次元画像化のためのシステムに関する。
多くの医療行為において、人体の外側および内側の表面の正確な３次元マップが必要とされている。例えば、人体の外側の表面は、顔面再建手術または補綴装着のためにスキャンを必要とする場合がある。人体の内側の表面は、仮想生検、ステント留置術、アブレーション、気管支鏡検査、食道・胃内視鏡検査、腹腔鏡検査、結腸内視鏡検査、膀胱鏡検査、または関節鏡検査などの、多様な内視鏡またはカテーテルによる手技のためにマッピングを必要とする場合がある。さらに、体内の施術が、気管支鏡検査などのガス状媒質内で行われる場合や、関節鏡検査または心臓血管可視化などの液状媒質内で行われる場合もある。
人体の外側および内側の表面を３次元スキャンするための現行の技術には多くの欠点がある。レーザ線スキャンなどの、レーザによるスキャンは一般的に患者に対して静止状態を要求し、僅かな動きでもスキャンの正確性に影響を与える。一般的なレーザスキャンは、多数の２次元のスライス断面を収集する間、１０秒間〜１５秒間、じっと座っていることを患者に対して要求する場合がある。２次元のスライス断面は、後から、表面の３次元表示に再コンパイルされる。この時間内の、呼吸、震え、または筋肉反射等の患者の動きは、スキャンの正確性に悪影響を及ぼす場合がある。さらに、レーザスキャン装置自体が、レーザの固有の動きによってシステム内に不要な振動を取り込む場合がある。
コンピュータ断層撮影法（ＣＴ：Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、光コヒーレンス・トモグラフィー（ＯＣＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）、および多様な超音波診断法（ＵＳ：ＵｌｔｒａｓｏｎｏｇｒａｐｈｙおよびＩＶＵＳ：Ｉｎｔｒａｖａｓｃｕｌａｒ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ）など、内臓器官の測定に一般的に用いられる技術には、同様の誘発される誤差が欠点としてある。
したがって、迅速に実行可能で、かつ、患者および装置によって取り込まれる不正確さを排除できる３次元表面測定技術に対する需要が存在する。
本発明の一実施形態を示す図。 本発明の一実施形態による論理の流れを示す図。 本発明の一実施形態による測定パッケージを示す図。 本発明の一実施形態による内視鏡を示す図。 本発明の一実施形態による内視鏡を示す図。 本発明の一実施形態による内視鏡を示す図。 本発明の一実施形態による遠位端部を示す図。 本発明の一実施形態によるカプセルを示す図。 本発明の一実施形態によるカテーテル検査用プローブを示す図。 本発明の一実施形態によるカテーテル検査用プローブを示す図。
本発明は、リアルタイム全視野３次元（「３Ｄ」）表面複製に関するものである。本発明の実施形態は、人体の外側および内側の表面などの、表面の測定を全視野で、かつ３Ｄで実施するために使用することができる。全視野という用語は、例えば、測定対象を含む全体的な光景の３Ｄ情報を捕捉および計算するための、装置のセンサの能力を指すことができる。リアルタイムという用語は、例えば、検出され得るターゲット表面の動きを最小化または除去するために十分高速のセンサ露出またはフレームレートを使用することを指すことができる。
本発明の実施形態は、表面に対して電磁放射線を投射するように構成される電磁放射線源を備えることができる。電磁放射線源は、空間信号変調アルゴリズムに対応するパターンで電磁放射線を投射するように構成することができる。また、電磁放射線源は、放射線が投射される媒体の透過に適した周波数で電磁放射線を投射するように構成することもできる。画像センサは、投射されたパターンを表す画像データを捕捉するように構成することができる。画像処理モジュールは、画像センサから捕捉された画像データを受取り、捕捉された画像データおよび空間信号変調アルゴリズムを用いて表面の全視野３Ｄ表示を計算するように構成することができる。表示デバイスは、表面の全視野３Ｄ表示を表示するように構成することができる。
本発明の実施形態は、さらに、人体の内側の表面に対する全視野３Ｄ表面複製を可能とするために、プローブ、診断または治療用カテーテル、内視鏡、またはカプセルに組み込んでもよい。かかる装置は、体腔または心臓血管系を通して前進させる、またはナビゲートするために、内部または外部で、案内してもよく、操縦可能であってもよく、または推進させてもよい。
図１は、本発明の一実施形態によるリアルタイム全視野３Ｄ表面複製システム１００を示している。システム１００は、測定パッケージ１０２と、ターゲット表面１０４と、コントローラシステム１０６と、表示システム１０８とを備えてもよい。システム１００は、１９９５年２月２７日に出願され、その全文が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第５，５８１，３５２号明細書に記載された空間信号変調（ＳＳＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）技術を実装して、人体の外側および内側の表面の即時の定量化可能な３Ｄマップを複製してもよい。
測定パッケージ１０２は、カメラデバイス１１０と、放射線源１１２とを備えてもよい。放射線源１１２は、放射線放出デバイスとレンズ（図示せず）との間へのスライドの配置または所望のパターンのグレーチング（図示せず）を行うことによって製作してもよい。カメラデバイス１１０は、ターゲット表面１０４から反射された画像データを捕捉することができるデバイス（例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ）であってもよい。
コントローラシステム１０６（または画像処理モジュール）は、カメラデバイス１１０が捕捉した画像データを受取り、ターゲット表面１０４の全視野３Ｄ表示を計算するためにデータを処理することができるプロセッサまたは状態機械を備えてもよい。かかる機械は、例えば、適切な処理プラットフォーム、コンピュータ・プラットフォーム、計算装置、処理装置、計算システム、処理システム、コンピュータ、プロセッサなどを備えてもよく、ハードウエアおよびソフトウエアまたはハードウエアもしくはソフトウエアの任意の適切な組み合わせを用いて実装してもよい。
表示システム１０８は、コントローラシステム１０６からターゲット表面１０４の全視野３Ｄ表示を受取り、ユーザによって分析される表面１０４のデジタル表示を表示するために、表示デバイス（液晶表示装置、発光ダイオード表示装置など）を備えてもよい。
図２は、本発明の実施形態による図１の複製システム１００の動作の論理の流れ２００である。動作の間、放射線源１１２は、空間信号変調アルゴリズムに従って、ターゲット表面１０４に電磁放射線のパターンを投射してもよい（ステップ２０２）。このパターンは、例えば、電磁放射線の並列帯域の形状であってもよい。本発明の実施形態によれば、投射された空間放射線信号の搬送周波数は、信号が伝播する媒体によって決まるものでよい。例えば、人間の血液は、可視青色領域のより短い波長に比較して、特定の赤外線周波数において約２，５００倍の透明性を有する。また、使用される放射線の波長が対象物よりも長い場合は、対象物を「見る」ために電磁放射線を使用することは不可能である。したがって、エミッタ搬送周波数は、ターゲット表面に隣接する媒体（空気、血液、粘液、尿など）の１つ以上の特性（粒径、色、粒量など）に基づいて選択してもよい。
空間信号は、ターゲット表面１０４からカメラデバイス１１０へ反射することができる。カメラデバイス１１０は、反射した空間信号を捕捉することができ、この信号は表面１０４との相互作用によって変化／変調することができる（ステップ２０４）。歪められた投射の捕捉された反射画像は、空間的に符号化された３Ｄ表面情報を含む。反射した（および歪められた）空間信号を表すデータは、コントローラシステム１０６へ送信され、処理することができる（ステップ２０６）。
コントローラシステム１０６は、画像処理モジュールを備えてもよく、多様な信号パラメータに関する既存の情報を使用して、３Ｄ形状情報を含む反射空間信号の内容を分離してもよい。形状情報は、ターゲット表面１０４の３Ｄ形状を数学的に再構築するために用いられてもよい（ステップ２０８）。コントローラシステム１０６は、表面１０４の計算された表示に対応するデジタルデータを表示システム１０８に送信して、表面１０４の３Ｄ視野を表すデジタル画像を表示してもよい。
図３は、本発明の実施形態による測定パッケージ３００を示す。測定パッケージ３００は、放射線源３０２と、カメラ／レンズデバイス３０４と、器具ポート３０６と、潅注モジュール３０８とを備えてもよい。（それぞれ図１の放射線源１１２およびカメラデバイス１１０と同様の）放射線源３０２およびカメラ／レンズデバイス３０４は、上述のＳＳＭ技術の実装に使用される。
器具ポート３０６は、現在の医師のニーズに合うように、手術中に交換され得る多様な手術装置の挿入を許容する中空管であってもよい。潅注モジュール３０８は、手術中にカメラ／レンズ３０４の外側から組織片を取り除くように加圧化で不活性液体（例えば、生理食塩水）を導入する導管を備えてもよい。器具ポート３０６および潅注モジュール３０８は、測定パッケージ３００のオプション機能である。
測定パッケージ３００は、特定の周波数を有する放射線パターンを表面に投射し、放射線パターンの歪められた反射を捕捉し、歪められた反射を処理して、表面の３Ｄ形状を再構築するための多様な数学的処理による分析を容易にする（図１のシステム１００と同様の）システムに実装されてもよい。本発明の実施形態は、多様な表面の３Ｄ表示を生成するために、測定パッケージ３００の変更例を医療装置に組み込むことができる。例えば、本発明の実施形態は、人体の外側の表面（例えば、顔、手、足など）の３Ｄ表示を生成するために使用することができる。本発明の実施形態は、人体の内側の表面（例えば、心内腔、肺、腸など）の３Ｄ表示を生成するためにも使用することができる。
図４Ａ〜図４Ｃは、本発明の実施形態による内視鏡の変更例を示す。図４Ａを参照すると、内視鏡４００は、人体内の臓器／体腔の内部を検査するために、および臓器／体腔の全視野３Ｄ表示を生成するために用いることができる。内視鏡４００は、カテーテル部４０１と、遠位端部４０２と、（図１のカメラ１１０と同様の）カメラ４０４と、（図１の放射線源１１２と同様の）放射線源４０３とを備えてもよい。カメラ４０４および放射線源４０３はカテーテル部４０１の一端部側でカテーテル部４０１に接続され、遠位端部４０２はカテーテル部４０１の他端部側でカテーテル部４０１に接続されてもよい。他の実施形態では、カメラ４０４および放射線源４０３は共に、遠位端部４０２とは反対側のカテーテル部４０１の端部に配置されてもよく、カメラ４０４および放射線源４０３は共に、遠位端部４０２側のカテーテル部４０１の端部に配置されてもよく、あるいはカメラ４０４および放射線源４０３はそれぞれ、カテーテル部４０１の対向する端部に配置されてもよい。
カテーテル部４０１は、可撓性シャフトであってよく、患者の体の検査を容易にできる幾つかの導管（図示せず）を備えてもよい。カテーテル部４０１の導管は、カテーテル部４０１の一端部側から他端部側に延在し、カメラ４０４／放射線源４０３と遠位端部４０２との間のデータ送信を可能にしてもよい（以下により詳細に説明する）。導管は、遠位端部４０２によって捕捉された画像の送信、放射線源４０３で生成された放射線の遠位端部４０２への供給、遠位端部４０２の洗浄および組織片の除去のための（空気／水パスウェイ４０７および吸引パスウェイ４０８を用いた）潅注、および患者内への医療器具の（器具パスウェイ４０９を介した）導入などの遠隔操作を医師が行うことを可能にすることができる。
本発明の一実施形態による内視鏡の動作を、図４Ａおよび図４Ｂに関して説明する。図４Ｂは、本発明の一実施形態による内視鏡４００のカテーテル部４０１の詳細を示す図である。カテーテル部４０１は、遠位端部４０２と、光ファイバ束４１１とを備えてもよい。遠位端部４０２は、投射光学部４１２とイメージング光学部４１３とを備えた先端部４１０を備えていてもよい。投射光学部４１２およびイメージング光学部４１３はそれぞれ、内視鏡４００によって用いられる放射線の焦点を合わせるためのレンズを備えてもよい。レンズは、放射線の焦点を合わせるために用いられ、例えば、光学レンズ、放物面反射鏡、またはアンテナなどであってもよい。光ファイバ束４１１は、放射線源４０３から投射光学部４１２への電磁放射線の送信を容易にするために、放射線源４０３と投射光学部４１２を接続してもよい。光ファイバ束４１１は、イメージング光学部４１３によって捕捉されたイメージングデータのカメラ４０４への送信を容易にするために、カメラ４０４とイメージング光学部４１３を接続してもよい。
内視鏡４００は、図１〜図３に関して上述したＳＳＭ技術を用いて人体内の臓器および体腔の全視野３Ｄ表示を生成することができる。動作中に、遠位端部４０２およびカテーテルシャフト４０１は患者に挿入され、検査中の患者の体内の表面に案内されることができる。遠位端部４０２が適切に方向づけられると、放射線源４０３は光ファイバ束４１１を介して投射光学部４１２に電磁放射線の空間パターンを送信することができる。図１〜図３に関して上述したように、電磁放射線の周波数は、放射線が伝播する媒体（先端部４１０とターゲット表面との間の領域）に合わせて変更することができる。電磁放射線のパターンは、放射線源４０３とカテーテル部４０１内の光ファイバ束４１１との間にスライドを配置または所望のパターンのグレーチング（図示せず）を行うことによって、検査中の表面に投射することができる。電磁放射線のパターンは、光ファイバ束４１１を通して伝播し、先端部４１０で投射光学部４１２から出て、ターゲット表面上に投射されてもよい。
空間放射線信号はターゲット表面から先端部４１０へ反射してもよく、イメージング光学部４１３が反射された信号（これらは表面との相互作用により変調される）を捕捉してもよい。捕捉された反射画像は、光ファイバ束４１１を介してイメージング光学部４１３からカメラ４０４へ送信され、続いて（図示しないが、図１のコントローラシステム１０６と同様の）コントローラシステムへ送信されてもよい。コントローラシステムは、多様な信号パラメータに関する既存の情報を使用して、３Ｄ形状情報を含む反射空間信号の内容を分離してもよい。形状情報は、ターゲット表面の３Ｄ形状を数学的に再構築するために用いられてもよい。
さらに、内視鏡４００は、内視鏡４００を所定の通路を通して移動させることにより、患者の体内の長い通路（例えば、消化管）の全視野表面マップを構築するために用いることができる。内視鏡４００が所定の通路を通して案内される間、カメラ４０４によって各映像フレームが捕捉される間に収集された３Ｄデータを綴じ合わせることによって、連続した全視野の表面マップを生成することができる。３Ｄデータは、ソフトウエア、ハードウエア、またはソフトウエアとハードウエアの組み合わせに実装される技術分野において公知のアルゴリズムを用いて綴じ合わせることができる。このように、デバイスが移動する体腔の正確な３Ｄモデルを絶えずデジタル処理で作り、記録することができる。したがって、本発明の実施形態は患者の消化管の内部の連続的なリアルタイムの３Ｄ表示を提供することができる。かかる方法はまた、固定内視鏡によって捕捉できない他の内臓に対しても用いることができる。
図４Ｃは、本発明による遠位端部４２１と、電気およびデータリード４２５を備えたカテーテル部４２０の他の実施形態を示す。遠位端部４２１は、（図４Ｂのイメージング光学部４１３と同様の）イメージング光学部４２４と、電磁放射線エミッタ４２３とを備えた先端部４２２を備えていてもよい。電磁放射線エミッタ４２３は、先端部４２２上に形成され、（図１〜図４Ｂに関して上述した信号と同様の）空間放射線信号を投射することができる。エミッタ４２３は、ランプと、パターンスライドと、レンズを備え（図示しないが、以下の図５で説明される）、電気およびデータリード４２５を介してこれに電力が供給されたときにターゲット表面に空間パターンを投射することができる。したがって、エミッタ４２３は局所的に放射線パターンを生成し、それをターゲット表面に投射することができるため、（図４の放射線源４０３と同様の）外部の電磁放射線源を必要としない。
カテーテル部４２０は、単独で、または（図４Ａの内視鏡４００と同様であるが、放射線源４０３を備えていない可能性もある）内視鏡デバイスの動作中のルーメンに組み込まれて、またはそれに通して利用され、上述のＳＳＭ技術を利用してもよい。動作中に、エミッタ４２３は、電気およびデータリード４２５を介して電力を受取り、続いて空間信号変調アルゴリズムに従ってターゲット表面に空間電磁放射線パターンを投射することができる。空間パターンの投射に用いられる電磁放射線の周波数は、（前述のように）放射線が伝播する媒体に合わせて変更してもよい。
空間放射線信号はターゲット表面から先端部４２２へ反射してもよく、イメージング光学部４２４が反射された信号（これらは表面との相互作用により変調される）を捕捉してもよい。捕捉された反射画像は、電気およびデータリード４２５を介してイメージング光学部４２４から（図示しないが、図４Ａのカメラ４０４と同様の）カメラへ送信され、続いて（図示しないが、図１のコントローラシステム１０６と同様の）コントローラシステムへ送信されてもよい。コントローラシステムは、多様な信号パラメータに関する既存の情報を使用して、３Ｄ形状情報を含む反射空間信号の内容を分離してもよい。形状情報は、ターゲット表面の３Ｄ形状を数学的に再構築するために用いられてもよい。
遠位端部４２１を備えたカテーテル部４２０を内視鏡デバイスに組み込む本発明の実施形態は、内視鏡を所定の通路を通して移動させることにより、患者の体内の長い通路（例えば、消化管）の全視野表面マップを構築するためにも用いることができる（図４Ａ〜図４Ｂに関して説明した実施形態と同様である）。内視鏡が所定の通路を通して案内される間、カメラによって捕捉された各映像フレームに含まれる情報から計算された３Ｄ情報を綴じ合わせることによって、連続した全視野の表面マップを生成することができる。
図５は、本発明の一実施形態による図４Ｃに関して上述した内視鏡と一体化される遠位端部５００の詳細な断面図である。遠位端部５００は、ランプ５０１と、パターンスライド５０２と、照明レンズ５０３と、イメージセンサ５０４と、イメージングレンズ５０５とを備えていてもよい。
ランプ５０１、パターンスライド５０２、および照明レンズ５０３は、空間信号変調アルゴリズムに従ってターゲット表面に放射線のパターンを投射できる（明確に表示しないが、図４Ｃのエミッタ４２３と同様の）電磁放射線エミッタを構成することができる。空間パターンの投射に用いられる電磁放射線の周波数は、（前述のように）放射線が伝播する媒体に合わせて変更してもよい。動作中に、ランプ５０１は、電気リード５０６を介して電源（図示せず）から電力を受取り、パターンスライド５０２および照明レンズ５０３を介してターゲット表面に電磁放射線を投射することができる。
空間放射線信号は、イメージングレンズ５０５を介してターゲット表面から遠位端部５００へ反射してもよく、イメージセンサ５０４が反射された信号（これらは表面との相互作用により変調される）を捕捉してもよい。捕捉された反射画像は、データリード５０７を介してイメージセンサ５０４から（図示しないが、図１のコントローラシステム１０６と同様の）コントローラシステムへ送信されてもよい。コントローラシステムは、多様な信号パラメータに関する既存の情報を使用して、３Ｄ形状情報を含む反射空間信号の内容を分離してもよい。形状情報は、ターゲット表面の３Ｄ形状を数学的に再構築するために用いられてもよい。
図６は、本発明の一実施形態による内視鏡カプセル６００を示す。図６は、カプセル６００の断面図（左側）と俯瞰図（右側）を含む。カプセル６００は、患者が口から体内に取り込むことができる、小さなビタミン剤サイズのカプセルであってもよい。カプセル６００は、従来の内視鏡検査では到達が困難な人間の消化管の表面の全視野３Ｄ表示を生成するために、上述のＳＳＭ技術を実装してもよい。
カプセル６００は、イメージングパッケージ６１０と、電磁放射線パッケージ６２０と、電源および電子装置６３０と、無線送信機６４０と、透明の保護カバー６５０とを備えてもよい。カバー６５０は、患者の消化管内を流れる間、カプセル６００内のデバイスを保護することができる外殻であってもよい。イメージングパッケージ６１０は、イメージング光学部６１２（例えば、レンズ）と、イメージセンサ６１４とを備えてもよい。
カプセル６００は、上述の実施形態と同様の方法で動作できるが、カプセル６００は、例えば電池などの、電源および電子装置６３０によって局所的に駆動することができる。さらに、カプセル６００は、捕捉された画像データを、無線送信機６４０を用いて人体の外側に配置された（図示しないが、図１のコントローラシステム１０６と同様の）画像処理モジュールへ送信することができる。カプセルから画像処理モジュールへのデータ送信を容易にするために、アンテナモジュール（図示せず）を患者の皮膚上に配置してもよい。
動作中、患者はカプセル６００を口から体内に取り込み、カプセル６００は測定のために患者の消化管内を移動する。カプセル６００が患者の消化管内を移動する間、（図４Ｃの電磁放射線エミッタ４２３と同様のエミッタを備えてもよい）電磁放射線パッケージ６２０は電源および電子装置６３０によって駆動されて、その経路内の表面に空間電磁放射線パターンを投射し続けることができる。空間パターンの投射に用いられる電磁放射線の周波数は、（前述のように）放射線が伝播する媒体（例えば、可視周波数透明ガスおよび透明液）に合わせて変更してもよい。
空間放射線信号は、ターゲット表面からイメージング光学部へ反射してもよい（信号は表面との相互作用により変調されてもよい）。画像センサ６１４は、反射された画像を捕捉して、それらを無線インターフェース６４０を介してカプセル６００から（図示しないが、図１のコントローラシステム１０６と同様の）画像処理モジュールへ送信してもよい。画像処理モジュールは、多様な信号パラメータに関する既存の情報を使用して、３Ｄ形状情報を含む反射空間信号の内容を分離してもよい。形状情報は、ターゲット表面の３Ｄ形状を数学的に再構築するために用いられてもよい。
カプセル６００によって捕捉された反射画像は、画像センサ６１４によって各映像フレームが捕捉される間に収集された３Ｄデータを綴じ合わせることによって、カプセル６００が患者の消化管内を移動する間の消化管の全視野表面マップを構築するために用いることができる。このように、デバイスが移動する体腔の正確な３Ｄモデルを絶えずデジタル処理で作り、記録することができる。カプセル６００は、通常は蠕動によって非自発的に動かされてもよく、あるいは選択的に電磁的に推進／案内されてもよい。
図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の一実施形態によるカテーテルプローブ７００を示す２つの図である。プローブ７００は、正常機能中の構造を定量的に検査する、あるいは、例えば、冠動脈内のプラークおよび閉塞を検出および測定するためのカテーテル処置中に採用することができる。カテーテルプローブ７００は、カテーテル部７０１と、（図４Ａの放射線源４０３と同様の）放射線源７０２と、放射線センサ７０３と、遠位端部７０４とを備えてもよい。放射線源７０２および放射線センサ７０３は、カテーテル部７０１の一端部側でカテーテル部７０１に接続され、遠位端部７０４はカテーテル部７０１の他端部側でカテーテル部７０１に接続されてもよい。他の実施形態では、放射線源７０２および放射線センサ７０３は共に、遠位端部７０４とは反対側のカテーテル部７０１の端部に配置されてもよく、放射線源７０２および放射線センサ７０３は共に、遠位端部７０４側のカテーテル部７０１の端部に配置されてもよく、あるいは放射線源７０２および放射線センサ７０３はそれぞれ、カテーテル部７０１の対向する端部に配置されてもよい。
カテーテル部７０１は可撓性シャフトであってよく、光ファイバ束７１１と、遠位端部７０４とを備えてもよい。遠位端部７０４は、投射光学部７１２とイメージング光学部７１３とを備えた先端部７１０を備えてもよい。投射光学部７１２およびイメージング光学部７１３はそれぞれ、プローブ７００によって用いられる放射線の焦点を合わせるためのレンズを備えてもよい。光ファイバ束７１１は、放射線源７０２から投射光学部７１２への電磁放射線の送信を容易にするために、放射線源７０２と投射光学部７１２を接続してもよい。光ファイバ束７１１は、イメージング光学部７１３によって捕捉されたイメージデータの放射線センサ７０３への送信を容易にするために、放射線センサ７０３とイメージング光学部７１３を接続してもよい。
カテーテルプローブ７００は、図１〜図６に関して上述したＳＳＭ技術を用いて、心臓弁、冠動脈、または末梢血管系などの血管構造の全視野３Ｄ表示を生成することができる。施術中、カテーテル部７０１の長く、薄く、かつ可撓性を有するシャフトは、血管内に導入され、心臓の目標の血管に挿入されることができる。プローブ７００は、心臓血管の環境内で前進する際の回動操縦を容易にするために遠位端部７０４に十分なねじり剛性および偏向可能な部分を備えてもよい（図７Ａに図示）。
遠位端部７０４が適切に方向づけされると、放射線源７０２は光ファイバ束７１１を介して投射光学部７１２へ電磁放射線の空間パターンを送信してもよい。図１〜図６に関して上述したように、電磁放射線の周波数は、放射線が伝播する媒体（先端部７１０とターゲット表面との間の領域）に合わせて変更してもよい。電磁放射線のパターンは、放射線源７０２とカテーテル部７０１内の光ファイバ束７１１との間にスライドを配置または所望のパターンのグレーチング（図示せず）を行うことによって、検査中の表面に投射することができる。電磁放射線のパターンは、光ファイバ束７１１を通して伝播し、先端部７１０で投射光学部７１２から出て、ターゲット表面上に投射されてもよい。
空間放射線信号は、ターゲット表面から先端部７１０へ反射してもよく、イメージング光学部７１３が反射された信号（これらは表面との相互作用により変調される）を捕捉してもよい。捕捉された反射画像は、光ファイバ束７１１を介してイメージング光学部７１３から放射線センサ７０３へ送信され、続いて、（図示しないが、図１のコントローラシステム１０６と同様の）コントローラシステムへ送信されてもよい。コントローラシステムは、多様な信号パラメータに関する既存の情報を使用して、３Ｄ形状情報を含む反射空間信号の内容を分離してもよい。形状情報は、ターゲット表面の３Ｄ形状を数学的に再構築するために用いられてもよい。
このように、プローブ７００の先端部７１０に配置された測定パッケージ（投射光学部７１２とイメージング光学部７１３）によって、心臓の腔の全視野デジタル３Ｄ表面マップを連続的に生成することができる。コンピュータによって生成されるこれらのマップが結合して検査中の腔の内側表面の仮想環境を形成する。この情報は、現場では手術室のスタッフに対して、あるいは遠隔地への送信によって患者から離れた場所にいる専門家による診断のためのテレプレゼンスを行うために表示デバイスに表示してもよい。リアルタイム３Ｄモデルの情報は、経過および表面構造を追跡および記録するための、血管内のナビゲーション援助として用いることができる。血管または心臓構造内に入ると、先端部７１０は、関心のある領域へナビゲートされて、機能している生体構造の、正確で、直接的で、かつ定量的な３Ｄ観察を提供することができる。
上述した本発明の実施形態は、正確な高速３Ｄ表面表示を生成するデバイスおよび方法を提供する。ターゲット表面への放射線投射の周波数を注意深く変更することにより、医師は、以前は不透明であると考えられていた媒体を透視することが可能となる。放射線が通過する媒体に合わせて、エミッタ−センサパッケージを特定の周波数に調整することによって、人体の内側および外側の両方の３Ｄ表面の複製が可能となる。
また、上述のＳＳＭ技術をプローブ、内視鏡、カテーテル、またはカプセルなどの医療装置と統合することにより、医師は、以前は作成が大変困難であった表面の正確な全視野３Ｄ表示を生成することが可能となる。生体内のトポメトリーデータの医学的用途は数えきれない。胃腸管、心臓血管、または気管の内視鏡またはカテーテルを用いた検査を通じて適用される内部リアルタイム３Ｄセンシングは、変則的構造、狭窄、または腫瘍の発見を支援することができる。上述の本発明の実施形態による装置および方法は、多くの癌が内部構造の表面に発生するため、仮想生検および腫瘍の早期発見に非常に貴重となり得る。カテーテルを用いた、定量化できる、冠動脈内のプラーク狭窄の３Ｄマッピングは、心臓病のより良い診断およびステントまたはその他の器具の配置を可能とすることができる。上述の技術および装置には他に多くの医学的用途がある。
当業者であれば、上記説明から、本発明は多様な形態で実装可能であり、多様な実施形態が単独または組み合わせて実装可能であることを理解することができる。したがって、本発明の実施形態は、それらの特定の実施例と関連して説明したが、図面、明細書および以下の特許請求の範囲を精査すれば他の変更例は当業者にとって明らかとなるため、本発明の実施形態および方法の真の範囲または本発明の実施形態もしくは方法の真の範囲は、そのように限定されるものではない。

Claims (27)

  1. 全視野３次元画像化のためのシステムであって、
    電磁放射線を表面に投射するように構成された電磁放射線源であって、空間信号変調アルゴリズムに対応するパターンで、かつ前記表面に隣接する媒体のために構成された周波数で、前記電磁放射線を投射するように構成された電磁放射線源と、
    前記投射されたパターンを表示する画像データを捕捉するように構成された画像センサと、
    前記捕捉された画像データを前記画像センサから受取り、前記捕捉した画像データと前記空間信号変調アルゴリズムを用いて前記表面の全視野３次元表示を計算するように構成された画像処理モジュールと、
    前記表面の前記全視野３次元表示を表示するように構成された表示デバイスと、を備えたシステム。
  2. 前記電磁放射線源と前記画像センサとが内視鏡内に組み込まれ、前記内視鏡はさらに、
    可撓性シャフト部と、
    器具ポートと、
    潅注モジュールと、のうちの１つ以上を備える、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記可撓性シャフト部が、前記電磁放射線源に結合されかつ前記電磁放射線源から電磁放射線を搬送するように構成された光ファイバ束を備える、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記可撓性シャフト部が、前記電磁放射線源に電力を送るように構成された１つ以上の電気リードを備える、請求項２に記載のシステム。
  5. 前記潅注モジュールが、
    液体または空気を供給する導管と、
    液体または空気を除去する吸引管と、を備える、請求項２に記載のシステム。
  6. 前記電磁放射線源と前記画像センサとが内視鏡カプセル内に組み込まれ、
    前記内視鏡カプセルはさらに、
    アンテナモジュールと、
    前記アンテナモジュールを用いて、前記捕捉された画像データを、前記画像処理モジュールへ送信するように構成された無線モジュールと、
    電力を供給するように構成されたバッテリモジュールと、を備える、請求項１に記載のシステム。
  7. 前記電磁放射線源と前記画像センサとが、可撓性シャフト部を備えたカテーテル内に組み込まれた、請求項１に記載のシステム。
  8. 前記電磁放射線源が、前記画像センサによる液状媒質内の画像データの捕捉を可能にする周波数を用いて電磁放射線を投射するように構成された、請求項１に記載のシステム。
  9. 前記電磁放射線源が、前記画像センサによるガス状媒質内の画像データの捕捉を可能にする周波数を用いて電磁放射線を投射するように構成された、請求項１に記載のシステム。
  10. 全視野３次元画像化のための装置であって、
    電磁放射線を表面に投射するように構成された電磁放射線源であって、空間信号変調アルゴリズムに対応するパターンで、かつ前記表面に隣接する媒体のために構成された周波数で、前記電磁放射線を投射するように構成された電磁放射線源と、
    前記投射されたパターンを表示する画像データを捕捉するように構成された画像センサと、
    前記捕捉された画像データを前記画像センサから受取り、前記捕捉した画像データと前記空間信号変調アルゴリズムを用いて前記表面の全視野３次元表示を計算するように構成された画像処理モジュールへの１つ以上の接続と、を備えた装置。
  11. 前記電磁放射線源と前記画像センサとが内視鏡内に組み込まれ、前記内視鏡はさらに、
    可撓性シャフト部と、
    器具ポートと、
    潅注モジュールと、のうちの１つ以上を備える、請求項１０に記載の装置。
  12. 前記可撓性シャフト部が、前記電磁放射線源に結合されかつ前記電磁放射線源から電磁放射線を搬送するように構成された光ファイバ束を備える、請求項１１に記載の装置。
  13. 前記可撓性シャフト部が、前記電磁放射線源に電力を送るように構成された１つ以上の電気リードを備える、請求項１１に記載の装置。
  14. 前記潅注モジュールが、
    液体または空気を供給する導管と、
    液体または空気を除去する吸引管と、を備える、請求項１１に記載の装置。
  15. 前記電磁放射線源と前記画像センサとが内視鏡カプセル内に組み込まれ、前記内視鏡カプセルはさらに、
    アンテナモジュールと、
    前記アンテナモジュールを用いて、前記捕捉された画像データを、前記画像処理モジュールへ送信するように構成された無線モジュールと、
    電力を供給するように構成されたバッテリモジュールと、を備える、請求項１０に記載の装置。
  16. 前記電磁放射線源と前記画像センサとが、可撓性シャフト部を備えたカテーテル内に組み込まれた、請求項１０に記載の装置。
  17. 前記電磁放射線源が、前記画像センサによる液状媒質内の画像データの捕捉を可能にする周波数を用いて電磁放射線を投射するように構成された、請求項１０に記載の装置。
  18. 前記電磁放射線源が、前記画像センサによるガス状媒質内の画像データの捕捉を可能にする周波数を用いて電磁放射線を投射するように構成された、請求項１０に記載の装置。
  19. 全視野３次元画像化のための方法であって、
    空間信号変調アルゴリズムに対応するパターンで、かつ表面に隣接する媒体のために構成された周波数で電磁放射線を投射するように構成されている電磁放射線エミッタモジュールからの電磁放射線源を前記表面に投射する工程と、
    前記投射されたパターンを表示する画像データを画像センサによって捕捉する工程と、
    前記捕捉された画像データを画像処理モジュールに供給する工程と、
    前記画像処理モジュールのプロセッサによって、前記捕捉した画像データと前記空間信号変調アルゴリズムを用いて前記表面の全視野３次元表示を計算する工程と、
    前記表面の前記全視野３次元表示を表示デバイスに表示する工程と、を備えた方法。
  20. 前記電磁放射線源と前記画像センサとが内視鏡内に組み込まれ、前記内視鏡はさらに、
    可撓性シャフト部と、
    器具ポートと、
    潅注モジュールと、のうちの１つ以上を備える、請求項１９に記載の方法。
  21. 前記可撓性シャフト部が、前記電磁放射線源に結合されかつ前記電磁放射線源から電磁放射線を搬送するように構成された光ファイバ束を備える、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記可撓性シャフト部が、前記電磁放射線源に電力を送るように構成された１つ以上の電気リードを備える、請求項２０に記載の方法。
  23. 前記潅注モジュールが、
    液体または空気を供給する導管と、
    液体または空気を除去する吸引管と、を備える、請求項２０に記載の方法。
  24. 前記電磁放射線源と前記画像センサとが内視鏡カプセル内に組み込まれ、前記内視鏡カプセルはさらに、
    アンテナモジュールと、
    前記アンテナモジュールを用いて、前記捕捉された画像データを、前記画像処理モジュールへ送信するように構成された無線モジュールと、
    電力を供給するように構成されたバッテリモジュールと、を備える、請求項１９に記載の方法。
  25. 前記電磁放射線源と前記画像センサとが、可撓性シャフト部を備えたカテーテル内に組み込まれた、請求項１９に記載の方法。
  26. 前記電磁放射線源が、前記画像センサによる液状媒質内の画像データの捕捉を可能にする周波数を用いて電磁放射線を投射するように構成された、請求項１９に記載の方法。
  27. 前記電磁放射線源が、前記画像センサによるガス状媒質内の画像データの捕捉を可能にする周波数を用いて電磁放射線を投射するように構成された、請求項１９に記載の方法。
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