JP2017520346A - 介入処置の３ｄ撮像ワークフローにおける器具及び生体構造のインテリジェントかつリアルタイムな可視化 - Google Patents

Abstract

器具を追跡するためのシステムは、器具の長さに沿って配設され、隣接するものから離間された２つ以上のセンサ２２を含む。解釈モジュール４５は、２つ以上のセンサの位置に応じて、３次元画像ボリュームから画像スライスを選択及び更新するように構成される。３次元画像ボリュームは、ボリューム内の標的に対する２つ以上のセンサの位置を含む。画像処理モジュール４８は、画像スライス内に基準位置を示すオーバーレイ８０を生成するように構成される。基準位置は、２つ以上のセンサの位置及びディスプレイ中の画像スライスからの相対オフセットを含み、器具の位置決め及び配向を行うためのフィードバックを与える。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年７月１６日に出願された仮出願第６２／０２５，４８１号の優先権を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本開示は、医療器具に関し、より具体的には、器具及び生体構造の視覚化により超音波誘導下で針を追跡するためのシステム及び方法に関する。

生検は、生体外病理学的分析のために組織標本が取得される低侵襲的処置と説明され得る。一般的には、生検デバイス（又は生検銃）は、いずれも生検銃の取手に取り付け可能な内側スタイレット及び外側中空カニューレを含むことができる。多くの場合、生検銃は、使い捨てデバイスであり得る。通常の生検デバイスは、何らかの形の画像誘導（典型的には超音波（ＵＳ））下で組織内に配置された後に、「発射」され得る。

一般的に、発射する行為は、最初に内側スタイレットを、次に外側カニューレを間断なく展開し、内側スタイレットの溝に組織標本を捕捉する。生検標本の実際の位置は、発射前の生検デバイスの静止位置からずれていることがある。生検銃及び針の適切な位置決めは、正しい位置から組織を回収する際の重要な要因である。

本原理によれば、器具を追跡するためのシステムは、器具の長さに沿って配設され、隣接するセンサから離間された２つ以上のセンサを含む。解釈モジュールは、２つ以上のセンサの位置に従って３次元画像ボリュームから画像スライスを選択及び更新するように構成される。３次元画像ボリュームは、ボリューム内の標的に対する２つ以上のセンサの位置を含む。画像処理モジュールは、画像スライス内に基準位置を示すオーバーレイを生成するように構成される。基準位置は、ディスプレイ内の画像スライスからの相対オフセット及び２つ以上のセンサの位置を含み、器具の位置決め及び配向を行うためのフィードバックを与える。

器具を追跡するための別のシステムは、器具の長さに沿って配設され、隣接するセンサから離間された２つ以上のセンサを含む。撮像システムは、複数の画像スライス内に２つ以上のセンサの位置を撮像するように構成される。解釈モジュールは、３次元画像内の１つの平面に対応する、複数の画像スライスから１つの画像スライスを選択及び更新するように構成される。解釈モジュールは、基準位置の場所に基づいて画像スライスを選択する。基準位置は、１つの標的及び少なくとも２つ以上のセンサの位置を含む。画像処理モジュールは、画像スライス内に基準位置を示すオーバーレイを生成するように構成され、基準位置は、ディスプレイ内の画像スライスからの相対オフセット及び２つ以上のセンサの位置を含み、器具の位置決め及び配向を行うためのフィードバックを与える。

医療器具を追跡するための方法は、器具の長さに沿って配設され、隣接するセンサから離間された２つ以上のセンサの位置を検出することと、３次元ボリュームから画像スライスを選択及び更新することであって、３次元ボリュームは、ボリューム内の標的に対する２つ以上のセンサを含むことと、ディスプレイ内の画像スライスからの相対オフセット及び２つ以上のセンサの位置を含む基準位置を画像スライス内に示すオーバーレイを生成することと、画像スライスからの相対オフセット及び２つ以上のセンサの位置を含むオーバーレイからのフィードバックに従って、器具を位置決め及び配向することとを含む。

本開示のこれら及び他の目的、特徴並びに利点は、添付図面に関連して読まれる例示的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかとなるだろう。

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示する。

一実施形態による、２Ｄスライスを使用して医療デバイスを追跡するためのシステムを示す概略ブロック／フロー図である。 一実施形態による、センサ位置及び相対オフセットを示すオーバーレイを有する画像である。 一実施形態による、オーバーレイに示された面内基準位置を有する画像である。 一実施形態による、センサ位置、推定生検位置、及び生検標的位置を示すオーバーレイを有する画像である。 例示的な実施形態による、医療器具を追跡するための方法を示すフロー図である。 例示的な実施形態による、医療器具を追跡するための視点又はユーティリティ操作を選択するための方法を示すフロー図である。

本原理によれば、現在の画像又は画像スライス（例えば、経直腸超音波（ＴＲＵＳ）、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）等）に対する医療器具（例えば生検器具）の追跡された３次元（３Ｄ）位置及び向きを解釈し、表示される２次元（２Ｄ）画像又は画像スライスを、適切な画像又は画像スライス（例えば斜方磁気共鳴（ＭＲ）スライス）上に追跡されたリアルタイムの器具位置及びオーバーレイ器具表現を含むように選択及び再レンダリングする実施形態が提供される。

標的前立腺生検処置は、処置の間に取得された３次元ＴＲＵＳ画像セットが処置前の３次元ＭＲ画像セットにレジストレーションされた後に、リアルタイム２次元ＴＲＵＳ撮像下で行われる。ライブ３次元ＴＲＵＳ撮像は、ＴＲＵＳプローブを移動させることなく（又は最小限の移動で）前立腺を撮像できる可能性があり、より正確なＴＲＵＳ−ＭＲレジストレーションにつながるという理由で魅力的である。しかし、かかる３Ｄワークフローでは、ユーザが使いやすい直観的な方法で生検器具を特定及び表示することが課題である。

本原理は、３Ｄ超音波環境で動作するように構成された（例えば、「ＩｎＳｉｔｕ（現場、原位置）」）超音波（ＵＳ）追跡技術を採用する。センサの３Ｄ位置は知られているため、所与の２Ｄ像面に対するセンサの位置を推定することができる。これは非常に便利な特徴である。なぜなら、３Ｄワークフローにおいても、誘導は２Ｄ画像レンダリングを用いて行われることが多いためである。医療器具（例えば、生検針）及び周囲の生体構造をインテリジェントかつリアルタイムに視覚化するための方法が提供される。これは、ユーザが使いやすい直観的なやり方で生検器具を特定及び表示できることにより、介入処置に３Ｄワークフローを採用することに役立つ。

一実施形態では、追跡センサのリアルタイム３Ｄ追跡位置は、現在の２Ｄ撮像面に対するセンサの位置を定量的に推定するために使用される。各センサは、現在の像面からの距離と共に、大小様々の円又は他の形により表される（サイズが大きいほど現在の像面からより離れている（逆もまた同様））。別の実施形態では、表示された２次元ＴＲＵＳ画像は、生検器具の現在の姿勢を含むように、（３Ｄライブ画像から）リアルタイムで再レンダリングされる。これにより、生検器具付近における生体構造のリアルタイム表示が提供され、器具の挿入時に特に有用である。別の実施形態では、生検器具を示す２次元ＭＲスライスを連続的に更新及び表示するために、既知のＴＲＵＳ−ＭＲレジストレーションが用いられる。これにより、軟部組織についてのより豊富な情報をもたらす付加価値がもたらされる。なぜなら、ＭＲ画像において生検器具をナビゲートすることは、より直観的であるためである。生検器具も示される。

本発明を医療器具に関して述べるが、本発明の教示ははるかに広範であり、任意の追跡可能な器具に適用可能であることを理解されたい。幾つかの実施形態では、本原理は、複雑な生物学的又は機械的システムを追跡又は分析する際に採用される。特に、本原理は、生物学的システムの処置、例えば、肺、胃腸管、排泄器官、血管等、身体の全ての領域における処置の内部追跡に適用可能である。図面に示される要素は、ハードウェアとソフトウェアとの様々な組合せで実装され、単一の要素又は複数の要素において複合される機能を提供する。

図面に示される様々な要素の機能は、専用ハードウェアの使用によって、及び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可能なハードウェアの使用によって提供され得る。プロセッサによって提供されるとき、機能は、単一の専用プロセッサによって、単一の共有プロセッサによって、又は幾つかが共有され得る複数の別々のプロセッサによって提供され得る。更に、用語「プロセッサ（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）」又は「コントローラ（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）」の明示的な使用は、ソフトウェアを実行することが可能なハードウェアに排他的に言及するものと解釈されるべきではなく、限定はしないが、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）ハードウェア、ソフトウェアを記憶するための読み出し専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、不揮発性記憶装置等を暗黙的に含むことができる。

更に、本発明の原理、態様、及び実施形態、並びにそれらの特定の例を述べる本明細書における全ての言明は、それらの構造的均等物と機能的均等物をどちらも包含することが意図されている。また、そのような均等物は、現在知られている均等物と将来開発される均等物（即ち、構造に関係なく、同じ機能を実施する開発される任意の要素）との両方を含むことが意図される。したがって、例えば、本明細書で提示されるブロック図が、本発明の原理を具現化する例示的なシステム構成要素及び／又は回路の概念図を表すことが、当業者によって理解されよう。同様に、任意のフローチャートやフロー図等が様々なプロセスを表し、それらのプロセスは、コンピュータ可読記憶媒体で実質的に表現され、したがってコンピュータ又はプロセッサによって実行され、そのようなコンピュータ又はプロセッサが明示的に示されているか否かには関わらないことを理解されたい。

更に、本発明の実施形態は、コンピュータ又は任意の命令実行システムによって使用するための又はそれらに関連する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可読記憶媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品の形態を取ることができる。この説明の目的で、コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読記憶媒体は、命令実行システム、装置、又はデバイスによって使用するための又はそれらに関連するプログラムを収納、記憶、通信、伝播、又は輸送することができる任意の装置でよい。そのような媒体は、電子、磁気、光、電磁気、赤外線、若しくは半導体システム（若しくは装置若しくはデバイス）、又は伝播媒体でよい。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）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、リジッド磁気ディスク、及び光ディスクを含む。光ディスクの現在の例は、コンパクトディスク−読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクトディスク−読み出し／書き込み（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）、Ｂｌｕｅ−Ｒａｙ（登録商標）、及びＤＶＤを含む。

また、今後、開発される任意の新しいコンピュータ可読媒体も、本発明及び本開示の例示的な実施形態に従って使用される又は参照されるコンピュータ可読媒体と見なされるべきであることを理解すべきである。

本明細書における本原理の「一実施形態」又は「実施形態」及びその他のバリエーションへの言及は、係る実施形態との関連で説明される特定の特徴、構造、特性等が本原理の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。そのため、本明細書の全体にわたり様々な部分に現れる「一実施形態では」又は「実施形態では」という表現及びそのバリエーションの全ては必ずしも同じ実施形態に言及しているわけではない。

なお、例えば「Ａ／Ｂ」、「Ａ及び／又はＢ」及び「Ａ及びＢのうちの少なくとも一方」における「／」、「及び／又は」及び「少なくとも一方」のうちのいずれかの使用は、１番目に記載の選択肢（Ａ）のみの選択、２番目に記載の選択肢（Ｂ）のみの選択、又は双方の選択肢（Ａ及びＢ）の選択を包含することを意図している。さらなる例として、「Ａ、Ｂ及び／又はＣ」及び「Ａ、Ｂ及びＣのうちの少なくとも１つ」の場合、そのような表現は、１番目に記載の選択肢（Ａ）のみの選択、２番目に記載の選択肢（Ｂ）のみの選択、３番目に記載の選択肢（Ｃ）のみの選択、１番目及び２番目に記載の選択肢（Ａ及びＢ）のみの選択、１番目及び３番目に記載の選択肢（Ａ及びＣ）のみの選択、２番目及び３番目に記載の選択肢（Ｂ及びＣ）のみの選択、又は３つの選択肢の全て（Ａ、Ｂ及びＣ）の選択を包含することを意図している。当業者であれば容易に分かるように、列挙されるものの数だけ拡大される。

例えば、層、領域又は材料等の要素が、他の要素「の上に（ｏｎ）」又は「の上方に（ｏｖｅｒ）」あるというとき、その要素は、直接他の要素の上にあり得る、或いは介在要素が存在する、と理解される。これに対して、要素が他の要素「の上に直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ）」又は「の上方に直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｖｅｒ）」あるというとき、介在要素は存在しない。また、要素が他の要素に「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」又は「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」というとき、その要素は、直接他の要素に接続又は結合され得る、或いは介在要素が存在する、と理解される。これに対して、要素が他の要素に「直接接続される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」又は「直接結合される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ）」というとき、介在要素は存在しない。

次に図面を参照する。図面中、同様の参照番号は、同じ又は同様の要素を表す。まず図１を参照すると、一実施形態による例示的な追跡又は生検システム１０が示されている。システム１０は、追跡を行うように構成された生検銃又は他の器具１２を含む。器具１２は、外側カニューレ１８内に配置される内側スタイレット１６を有する生検針１４を含む。針１４は、関連する１つ以上の追跡センサ２２を含む。追跡センサ２２は、超音波センサを含むが、他のタイプのセンサが針１４の追跡に使用されてもよい。

一実施形態では、アダプタ電子機器２６は、ノイズキャンセルモジュール２８（ソフトウェア及び／又はハードウェア）、増幅器３０、及びセンサ２２から受信した信号を処理するのに必要な任意の他の信号処理モジュール３４を含む。

センサ２２は、１つ以上の超音波追跡器を含む。センサ２２は、使い捨て式又は非使い捨て式である。一実施形態では、センサ２２の超音波追跡器は、ＰＺＴ、ＰＶＤＦ、又は導電板又は導電層間に配設された他の圧電素子を含む。ワークステーション又は他のデバイスへの出力としてセンサケーブル３６を設けることができるが、無線インターフェースも想定される。

１つ以上の超音波追跡器又はセンサ２２は、ＩｎＳｉｔｕ技術を用いて追跡され得る。少なくとも２つのセンサ２２が使用される場合、針１４の向きを推定することができる。したがって、針１４を発射する前に生検の位置座標を計算することができる。

ＩｎＳｉｔｕ技術は、撮像プローブのビームが診断Ｂモード画像の視野（ＦＯＶ）をスイープするとき、センサにより受信される信号を解析することにより、ＦＯＶ内の受動超音波センサ（例えば、ＰＺＴ、ＰＶＤＦ、共重合体又は他の圧電材料）の位置を推定する。タイムオブフライト測定は、撮像アレイからのＰＺＴセンサの軸方向／半径方向距離を与え、一方、振幅測定及びビーム発射シーケンスを知っていることは、センサの横方向／角度位置を与える。センサは、撮像プローブのビームが視野をスイープするときに、衝突する超音波を受動的に聴く。これらの信号の解析によって、超音波画像の基準枠に器具上のセンサの位置が与えられる。それから、器具の視覚化を促進するためにこの位置を超音波画像に重ね合わせることができ、位置及びその履歴を追跡、セグメンテーション、及び他の用途のために記録することができる。

３Ｄトランスデューサ（例えば２Ｄマトリクスアレイ）と共に使用される場合、センサ２２の高さ位置も同様に取得することができる。したがって、センサ２２の３Ｄ位置は、撮像トランスデューサのＦＯＶ内にあるならば、リアルタイムで推定され得る。センサ２２の３Ｄ位置を確認できるため、所与の２Ｄ像面に対するセンサ２２の位置を推定することもできる。

現在、標的前立腺生検処置は、処置の間に取得された３次元ＴＲＵＳ画像セットが処置前の３次元ＭＲ画像セットにレジストレーションされた後、リアルタイム２Ｄ経直腸ＵＳ（ＴＲＵＳ）下で行われる。ライブ３次元ＴＲＵＳ撮像は、撮像プローブを移動させることなく（又は最小限の移動で）器官を撮像できる可能性があり、より正確なレジストレーション（例えばＵＳからＭＲ）につながるために魅力的である。しかし、かかる３Ｄワークフローでは、ユーザが使いやすい直観的なやり方で生検器具を特定及び表示することが課題である。

ＩｎＳｉｔｕ超音波追跡技術は、３Ｄ超音波環境で動作するように適合され得る。センサ２２の３Ｄ位置は知られているため、所与の２Ｄ像面に対するセンサ２２の位置を推定することができる。これは非常に便利な機能である。なぜなら、３Ｄワークフローにおいても、誘導は２Ｄ画像レンダリングを使用して行われることが多いためである。本原理に従えば、器具１２及びその周囲の生体構造をインテリジェントかつリアルタイムに視覚化することができ、３Ｄワークフローに関連するデータ解釈問題に解決策を与えることにより、臨床医が３Ｄワークフローの利点を利用することが可能になる。

システム１０は、処置を監督及び／又は管理するワークステーション又はコンソール４２と連動して動作する、又はこれに統合されている。ワークステーション４２は、好ましくは、１つ以上のプロセッサ４４、及びプログラム及びアプリケーションを格納するメモリ４６を含む。メモリ４６は、センサ２２からのフィードバック信号を解釈するように構成された解釈モジュール４５を格納する。解釈モジュール４５は、信号フィードバック（及び、例えば電磁（ＥＭ）追跡等の任意の他のフィードバック）を使用して、針１４又は他の医療デバイスや器具の位置及び向きを再構成するように構成される。他の医療デバイスには、カテーテル、ガイドワイヤ、プローブ、内視鏡、ロボット、電極、フィルタデバイス、バルーンデバイス、又は他の医療コンポーネント等が含まれる。

一実施形態では、ワークステーション４２は、センサ２２からフィードバックを受け、更に情報を処理してボリューム（被検体）５４内部におけるセンサ２２の位置及び向きを決定するように構成された画像処理モジュール４８を含む。空間又はボリューム５４の画像５０が生成され、針１４（及び他のコンポーネント）の表現５３の位置及び向きをライブ画像で示す表示デバイス５２に表示され得る。

解釈モジュール４５はまた、生検標本が採取される被検体５４内の場所の推定位置／目標５５を決定するように構成され得る。解釈モジュール４５は、この情報を推定位置の場所を示す、ユーザを支援する画像を生成する画像処理モジュール４８に伝達する。画像は、可視的インジケータ（５３）を提供する線又は他の形を含む。

ワークステーション４２は、被検体（患者）又はボリューム５４の内部画像を表示するためのディスプレイ５２を含み、センサ２２の表現２３、針１４の表現５３、標的５５の表現、解剖学的特徴等を有するオーバーレイ又は他のレンダリングとしての画像を含む。また、ユーザは、ディスプレイ５２によって、ワークステーション４２並びにそのコンポーネント及び機能、又はシステム内の任意の他の要素とインタラクトすることができる。これは、キーボード、マウス、ジョイスティック、触覚デバイスを含むインターフェース６０、又はワークステーション４２とのインタラクション及びユーザフィードバックを可能にする任意の他の周辺機器又は制御装置により更に促進される。

誘導及び位置調整のために針１４又は他の器具を撮像する、（例えば、リアルタイム）撮像システム７０が設けられる。一実施形態では、撮像システム７０は、撮像プローブ７２を採用する超音波撮像システムを含む。撮像プローブ７２は、センサ２２により受け取られる超音波エネルギーを供給する。センサ２２は、信号処理及び増幅のためにアダプタ電子機器２６に（無線で、又は図示されないがケーブルの使用により）電気的に接続される。次に、アダプタ電子機器２６は、ワークステーション４２に接続され、そこで、解釈モジュール４５が信号を更に処理し、針１４又は他の器具（及び他のコンポーネント）を撮像システム７０により収集された画像にレジストレーションする。撮像システム７０は超音波撮像システム７０として説明されるが、他の撮像技術が採用されてもよい。

解釈モジュール４５は、追跡３Ｄ画像ボリューム７６を解釈し、現在の画像スライス又は画像７８に対する生検器具又は針１４の位置及び向きを決定するために使用される。解釈モジュール４５は、リアルタイムで追跡された器具の位置を含むように、表示する画像スライス７８、例えば２次元ＴＲＵＳ／ＭＲ画像スライスを選択する。解釈モジュール４５は、追跡可能な特徴（例えば、センサ位置、器具位置、生検／標的位置等）の全部又は一部を含む視野を使用する。解釈モジュール４５は、位置（例えば深さ）を使用して、針１４上のセンサ２２と生検位置との間の関係を最も的確に定義する画像スライス（５０）を選択する。解釈モジュール４５は、全ての追跡可能な位置が存在する平面を選択する、又は関係を最もよく示す解釈モジュール４５に格納された基準に基づいて別の平面を選択する。基準には、内部器官、標的、針又は他の器具等を最もよく表示するための角度が含まれる。生検器具又は針１４は、ディスプレイ５２に表示される適切なスライス（例えば、ＴＲＵＳ／ＭＲスライス、斜方ＭＲスライス）上に重ねられる。オーバーレイ８０は、針１４の表現、針の画像等として生成される。

図２を参照すると、現在の２次元ＴＲＵＳ画像１０２に関する生検器具の例示的な視覚化が示されている。現在取り上げられている３Ｄ使用事例では、この２Ｄ画像１０２は、３Ｄプローブの要素の一部により形成される平面であることに留意されたい。この例は、経会陰生検処置である。ＴＲＵＳ画像１０２は、前立腺の矢状図である。生検器具又は針１１８は、画像の右側の会陰から入る。器具１１８は、（例えばＩｎＳｉｔｕ追跡のための）２つのセンサ１２０及び１２２を備える。円１２６及び１２８のサイズは、それぞれ、表示された２Ｄ像面からセンサ１２０、１２２までの距離を示す。この図では、センサ１２２は、１．２ｃｍだけ面外にあり、センサ１２０は、０．７ｃｍだけ面外にあることに留意されたい。また、生検位置１１６は、現在の像面内（面内）にあると推定されることに留意されたい。したがって、本原理によれば、器具自体が所与の像面内になくともその像面内に生検位置１１６を特定することができる。点線は、推定された生検器具のシャフト１１８（現在の像面における投影）を示す。

リアルタイムで追跡されたセンサ１２０、１２２の３Ｄ位置は、画像１０２の現在の２Ｄ像面（例えばページの平面）に対する位置を定量的に推定するために使用される。各センサ１２０、１２２は、現在の像面からの距離と共に、大小様々の円により表され得る（例えば、サイズが大きいほど現在の像面からより離れている）。他の形又は情報が表示されてもよい。センサ位置が３次元で計算されるため、現在の平面からの絶対距離を計算することができる。

経会陰生検処置では、２次元ＴＲＵＳ画像１０２（前立腺の矢状図）は、３Ｄプローブの要素の一部により形成される平面を提供する。生検器具１１８及び（これに接続された）２つのセンサ１２０、１２２は、右側の会陰から入る。３つ以上のセンサが使用されてもよいことを理解すべきである。センサ１２０、１２２は、超音波フィードバックを使用して位置を特定される；つまり、画像空間においてセンサ１２０、１２２の位置を特定するために信号が使用される。センサ１２０、１２２の位置は、解釈モジュール４５（図１）により解釈され、円１２６、１２８等の形は、撮像面に対するセンサ１２０、１２２の位置を示すために生成される。例えば、円１２６、１２８のサイズは、表示された２Ｄ像面からセンサまでの距離を示し、例えば、センサ１２２は、（Ｌ−Ｒ方向に）１．２ｃｍだけ面外にあり、センサ１２０は、０．７ｃｍだけ面外にある。投影された生検標本位置は、現在の像面内にあると推定される；したがって、本方法によれば、器具自体が所与の像面内になくともその像面内に生検位置を特定することができる。ここで、この実施形態は、経会陰生検について説明されているが、本原理は、他の処置、例えば、経直腸生検、経会陰又は経直腸療法（及び３Ｄ超音波画像誘導下で行われる他の介入処置）にも適用可能である。２つのセンサが示されているが、３つ以上のセンサも想定される。他のデータを使用すれば、センサが１つの場合も考えられる。センサが１つの場合、１つのセンサのみで器具の向きを決定することはできないため、位置推定のみがセンサデータのみを使用するときに達成される。テンプレート／グリッドが使用され（３Ｄ画像にレジストレーションされ）る場合、グリッドエントリーポイントが、器具の向きを推定するために推定されたセンサ位置と組み合わせられる。

図３を参照すると、２Ｄ超音波画像２０２は、いずれも像面（用紙の平面）内にある、２つのセンサ２２０、２２２を備える生検器具シャフト２０４及び推定された生検位置２２６を含む。表示された２次元ＴＲＵＳ画像２０２は、生検器具シャフト２０４の現在の位置及び姿勢と一致するように、（３Ｄライブ画像から）リアルタイムで再レンダリングされる。器具２０４が前進されると、画面上の２Ｄ画像２０２は、３Ｄプローブアレイの要素の一部の選択を変更することにより更新される。理論上は、（基本的には線である）生検器具２０４を含むことができる平面は無限にあることに留意されたい。しかし、３Ｄプローブアレイの要素を使用すれば、かかる平面は１つしか存在しない。すなわち、２つ又は３つの基準点の面内位置が、観察面を選択するために使用される。この特徴により、生検器具付近における生体構造のリアルタイム表示が提供され、器具２０４の挿入時に特に有用である。

図４を参照すると、２次元ＭＲ画像３０２は、生検器具シャフト３１４を含むようにレンダリングされる。２つのセンサ３２０、３２２及び推定された生検位置３２６は、いずれも像面内にあることに留意されたい。また、ＭＲ画像３０２では軟部組織のコントストがより大きいため、ナビゲーションがより容易であることに留意されたい。生検器具３１４を含む２次元ＭＲスライスを連続的に更新及び表示するために、既知のＴＲＵＳ−ＭＲレジストレーションが用いられる。器具３１４が前進されると、画面上の２次元ＭＲ画像３０２が更新される。これにより、軟部組織についてのより豊富な情報をもたらす付加価値がもたらされる。なぜなら、ＭＲ画像３０２内で生検器具３１４をナビゲートすることは、より直観的であるためである。局所的な生検標的がＭＲ画像３０２に描写されている場合、本方法により、より正確でユーザが使いやすい方法で器具をＭＲ生検標的３３０（意図された位置）に誘導することが可能になる。生検針が現在の位置から発射される場合、生検が採取されるであろう推定位置３２６を示すために点線円が使用される。

本実施形態によれば、ライブ３次元ＴＲＵＳ撮像が提供される。この場合、ＴＲＵＳプローブを移動させることなく（又は最小限の移動で）前立腺を撮像できる可能性があり、より正確なＴＲＵＳ−ＭＲレジストレーションにつながる。これは、ユーザが使いやすい直観的な方法で生検器具を特定及び表示できることにより、介入処置に３Ｄワークフローを採用することに役立つ。

（ＩｎＳｉｔｕ）超音波追跡技術の使用は、生検標本の真の位置をより正確に推定するために使用され得る。例えば、ＩｎＳｉｔｕ技術は、撮像プローブのビームが診断Ｂモード画像の視野（ＦＯＶ）をスイープするときに、センサにより受信された信号を解析することにより、ＦＯＶ内で１つ又は複数の受動的超音波センサ（例えば、ＰＺＴ、ＰＶＤＦ、共重合体又は他の圧電材料）の位置を推定するために使用され得る。タイムオブフライト測定は、撮像アレイからのセンサ（図１）の軸方向／半径方向距離を与えるために用いられ、一方、振幅測定及びビーム発射シーケンスを知っていることは、センサの横方向／角度位置を与える（又は決定する）ために用いられ得る。３Ｄトランスデューサ（例えば２Ｄマトリクスアレイ）（超音波撮像プローブ）と共に使用される場合、センサの高さ位置も同様に取得することができる。したがって、センサの３Ｄ位置は、撮像トランスデューサのＦＯＶ内にあるならば、リアルタイムで推定され得る。

センサは、撮像プローブのビームが視野をスイープするときに、衝突する超音波を受動的に聴く。これらの信号の解析によって、超音波画像の基準枠にセンサの位置が与えられる。それから、視覚化を促進するためにこの位置を超音波画像に重ね合わせることができ、位置及びその履歴を追跡、セグメンテーション、及び他の用途のために記録することができる。使用を更に改善する視覚化のために、２つ以上の点又は基準が存在する画像スライスが選択される。３Ｄトランスデューサ（例えば２Ｄマトリクスアレイ）と共に使用される場合、センサの高さ位置も同様に取得することができる。したがって、センサの３Ｄ位置は、撮像トランスデューサのＦＯＶ内にあるならば、リアルタイムで推定され得る。センサの３Ｄ位置を確認できるため、例えば、所与の２Ｄ像面に対するセンサの位置を推定することもできる。

図５を参照すると、医療器具を追跡するための方法が例示的に示されている。ブロック４０２では、器具の長さに沿って配設された２つ以上のセンサの位置が検出される。センサは、好ましくは、向き情報及び器具の位置を提供するように、隣接するセンサから離間されている。ブロック４０４では、複数の画像スライスから１つの画像スライスが選択及び更新される。選択された画像スライスは、基準位置に従って選択される。相対位置は、有用な画像スライスを画定するように解釈される３次元ボリューム内で追跡される。例えば、有用な画像スライスは、３次元ボリューム内の標的に対する２つ以上のセンサを含む。画像スライスは、３次元ボリュームにレジストレーションされる。画像スライスは、センサの動きに従って更新される。このように、撮像プローブを移動することなく画像を更新することができる。

ブロック４０６では、画像スライスは、少なくとも１つの面内基準位置（例えば、センサ位置、器具位置、標的位置等）を含むように選択される。ブロック４０８では、画像スライスは、３次元ボリュームを使用して選択される。器具の３次元（３Ｄ）位置及び向きは、リアルタイム撮像システムを使用して追跡され、例えば、標的に対して２つ以上のセンサを含むスライスを決定するように解釈される。３次元ボリュームからの画像スライスはまた、レジストレーションされ、器具の追跡された３次元（３Ｄ）位置及び向きからの画像を使用して解釈され、リアルタイム撮像システムを使用して収集された現在の画像スライスに対する２つ以上のセンサの表現を含む。また、画像内の２つ以上のセンサの位置は、第２の補完的な撮像モダリティからレジストレーションされた画像と共に表示される。

ブロック４１０では、画像スライス内の基準位置を示すオーバーレイが生成される。基準位置は、２つ以上のセンサと、ディスプレイ中の画像スライスからの相対オフセットとを含む。ブロック４１２では、オーバーレイは、推定生検位置及び器具位置の１つ以上を表すために生成される。ブロック４１４では、オーバーレイは、各基準位置についての形及び／又はオフセット距離のうちの少なくとも１つを表すために生成され、形は、オフセット距離の大きさに対して比例的にサイズ設定される。ブロック４１６では、器具は、２つ以上のセンサの位置及び画像スライスからの相対オフセットを含むオーバーレイからのフィードバックに従って位置決め及び配向される。

図６を参照すると、介入処置のワークフローを撮像する際に器具及び生体構造の可視化の視点を選択する方法が例示的に示されている。ブロック５０２では、本原理に従うシステムが提供される。ボリュームの２Ｄ画像を取得するために第１の撮像モダリティ（例えばリアルタイム撮像システム、例えば、超音波、ｘ線等）が使用され、また、２Ｄ画像を第１のモダリティにレジストレーションして画像表示に改善をもたらすために第２の補完的モダリティ（例えば、ＭＲＩ、ＣＴ、ＰＥＴ等）が使用される。医療器具、例えば針は、器具に配設された２つ以上のセンサを使用して追跡される。ブロック５０４では、器具は、ボリューム内に配置される。以下のブロック５０６、５０８及び／又は５１０の１つ以上が、処置中のいつでも行われ、視点が改善され、より使いやすい視覚的インタラクションが提供される。

ブロック５０６では、ユーザ（臨床医）は、器具を必ずしも含まない、生検標的及び生体構造の特定の領域を含む２Ｄ平面を選択する。この場合（センサ追跡）の意図は、選択された２Ｄ像面から各センサ（すなわち、器具）がどれくらい離れているかについての情報を提供することである。これにより、ユーザは、器具が標的に至る経路における任意の敏感な領域（例えば尿道等の「飛行禁止区域」）から十分に離れていることを確認することができる。この実施形態で選択される２Ｄ像面の一例は、現在使用可能な２次元ＴＲＵＳプローブにより撮像される従来の矢状像面であり得る。

ブロック５０８では、ユーザは、器具の姿勢を含む２Ｄ平面を見ること、及び現在器具を取り囲んでいる生体構造を見ること（器具追跡）を希望する。かかる２Ｄ像面の一例は、器具の姿勢を含む斜面であり得る（これは、得られた姿勢に依存して、真の矢状面と異なり得る）。

ブロック５１０では、ユーザは、選択された平面内の器具を見ることを希望するが、第２の撮像源からの情報を用いる。器具面は、可視化された２Ｄ像面がレジストレーションされた第２の補完的撮像モダリティ（例えば、ＭＲＩ、ＰＥＴ、ＰＥＴ−ＣＴ等）からのものであることを除いては、ブロック５１０で説明されたものと同様に選択される。これにより、ＵＳベースのデバイス追跡の利点を第２の撮像モダリティから入手できる優位な解剖学的情報と組み合わせることができる。

ブロック５１２では、処置が継続する。ユーザは、処置の実施を支援するために、いつでもブロック５０６、５０８及び／又は５１０のいずれか１つの使用を選択する。ブロック５０６、５０８、及び／又は５１０の機能は、図５に示された方法の任意の時点で呼び出され、実行されることに留意されたい。ブロック５０６、５０８及び／又は５１０のそれぞれは、臨床的必要性に応じて介入処置中のいつでも実行され得る。

添付の請求項を解釈する際に、以下のことが理解されるべきである。
ａ）「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（有する）」との用語は、所与の請求項に列挙されるもの以外の要素又は行為の存在を排除するものではない。
ｂ）要素に先行する「ａ」又は「ａｎ」との用語は、当該要素が複数存在することを排除するものではない。
ｃ）請求項における任意の参照符号は、その範囲を制限するものではない。
ｄ）幾つかの「手段（ｍｅａｎｓ）」が、同一のアイテム、ハードウェア又はソフトウェアが実装された構造体又は機能によって表される。
ｅ）特に明記されない限り、行為の特定の順序を必要とすることを意図していない。

介入処置のための３Ｄ撮像ワークフローにおける、器具及び生体構造のインテリジェントかつリアルタイムな視覚化の好適な実施形態（これらは例示的であって限定を意図していない）を説明したが、当業者であれば、上記の教示内容に鑑みて、修正態様及び変更態様を作成可能であることを指摘する。したがって、開示された開示内容の特定の実施形態について、添付の請求項に概説されるように本明細書に開示される実施形態の範囲内の変更が行われることを理解すべきである。こうして、特許法で定められるように詳細かつ具体的に説明したが、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 (21)

1. 器具を追跡するためのシステムであって、当該システムは、
   器具の長さに沿って配設され、隣接するものから離間された２つ以上のセンサと、
   前記２つ以上のセンサの位置に応じて、３次元画像ボリュームから画像スライスを選択及び更新する解釈モジュールであって、前記３次元画像ボリュームは、前記３次元画像ボリューム内の標的に対する前記２つ以上のセンサの位置を含む解釈モジュールと、
   前記画像スライス内に基準位置を示すオーバーレイを生成する画像処理モジュールであって、前記基準位置は、前記器具の位置決め及び配向を行うためのフィードバックを与えるためにディスプレイ内の前記画像スライスからの相対オフセット及び前記２つ以上のセンサの位置を含む、画像処理モジュールとを含む、システム。
2. 前記器具は、生検針を含み、前記画像処理モジュールは、推定生検位置を示すオーバーレイを生成する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記器具は、生検針を含み、前記画像処理モジュールは、前記生検針を示すオーバーレイを生成する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記解釈モジュールは、少なくとも１つの面内基準位置を含むように前記画像スライスを選択する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記解釈モジュールは、全ての面内基準位置を含むように前記画像スライスを選択する、請求項１に記載のシステム。
6. 前記オーバーレイは、各基準位置についての形及び／又はオフセット距離のうちの少なくとも１つを示す、請求項１に記載のシステム。
7. 前記形は、前記オフセット距離の大きさに対して比例的にサイズ設定される、請求項６に記載のシステム。
8. 前記基準位置は、医療デバイスの表現、推定位置又は標的のうちの１つ以上を追加的に含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記ボリュームの３次元（３Ｄ）画像を生成し、前記３Ｄ画像を前記２つ以上のセンサを含む視野において第２の撮像システムによりリアルタイムで撮像された２次元画像とレジストレーションする第１の撮像システムを更に含む、請求項１に記載のシステム。
10. 器具を追跡するためのシステムであって、
    器具の長さに沿って配設され、隣接するセンサから離間された２つ以上のセンサと、
    複数の画像スライスに前記２つ以上のセンサの位置を撮像する撮像システムと、
    ３次元画像内の１つの平面に対応する１つの画像スライスを前記複数の画像スライスから選択及び更新する解釈モジュールであって、標的及び少なくとも前記２つ以上のセンサの位置を含む基準位置の場所に基づいて前記画像スライスを選択する解釈モジュールと、
    前記画像スライス内に前記基準位置を示すオーバーレイを生成する画像処理モジュールであって、前記基準位置は、前記器具の位置決め及び配向を行うためのフィードバックを与えるため、ディスプレイ内の前記画像スライスからの相対オフセット及び前記２つ以上のセンサの位置を含む、画像処理モジュールとを含む、システム。
11. 前記撮像システムは経直腸超音波プローブを含み、前記器具は生検針を含み、前記画像処理モジュールは推定生検位置を示すオーバーレイを生成する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記画像処理モジュールは、前記器具を示すオーバーレイを生成する、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記解釈モジュールは、少なくとも１つの面内基準位置を含むように前記画像スライスを選択する、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記オーバーレイは、各基準位置についての形及び／又はオフセット距離のうちの少なくとも１つを示し、前記形は、前記オフセット距離の大きさに対して比例的にサイズ設定される、請求項１０に記載のシステム。
15. 前記基準位置は、前記器具の表現を追加的に含む、請求項１０に記載のシステム。
16. 医療器具を追跡するための方法であって、
    器具の長さに沿って配設され、隣接するセンサから離間された２つ以上のセンサの位置を検出することと、
    ３次元ボリュームから画像スライスを選択及び更新することであって、前記３次元ボリュームは、前記３次元ボリューム内の標的に対する前記２つ以上のセンサを含むことと、
    ディスプレイ内の前記画像スライスからの相対オフセット及び２つ以上のセンサの位置を含む基準位置を前記画像スライス内に示すオーバーレイを生成することと、
    前記画像スライスからの前記相対オフセット及び前記２つ以上のセンサの位置を含む前記オーバーレイからのフィードバックに従って、前記器具を位置決め及び配向することとを含む、方法。
17. オーバーレイを生成することは、推定生検位置及び前記器具位置のうちの１つ以上を表す前記オーバーレイを生成することを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 選択及び更新することは、少なくとも１つの面内基準位置を含むように前記画像スライスを選択することを含む、請求項１６に記載の方法。
19. オーバーレイを生成することは、各基準位置についての形及び／又はオフセット距離のうちの少なくとも１つを表す前記オーバーレイを生成することを含み、前記形は、前記オフセット距離の大きさに対して比例的にサイズ設定される、請求項１６に記載の方法。
20. ３次元ボリュームから画像スライスを選択及び更新することは、リアルタイム撮像システムを使用して収集された現在の画像スライスに対する前記２つ以上のセンサを含む、前記器具の追跡３次元（３Ｄ）位置及び向きを解釈することを含む、請求項１６に記載の方法。
21. ３次元ボリュームから画像スライスを選択及び更新することは、第２の補完的撮像モダリティ画像を含む画像内に前記２つ以上のセンサの位置を表示することを含む、請求項１６に記載の方法。