JP2017537698A - 先端固定なしで光学形状検出を使う超音波プローブの自動トラッキング及びレジストレーション - Google Patents

Abstract

レジストレーション装置は、イメージングプローブに適合すると共に結合されるように構成されるアタッチメントピース106を含む。アタッチメントピース内又は上に形成される経路105は、光学形状検出装置が、経路内において縦方向のねじれを可能にするために自由にフロートすることができるように、光学形状検出装置を受けるように構成される。経路は、特徴的なジオミトリが、イメージング座標系及び光学形状検出座標系の間でレジストレーションを可能にするためにイメージングプローブを使って集められる画像内においてテンプレートパターン107を提供するように、光学形状検出装置を形成するための特徴的なジオミトリを含む。

Description

この開示は、医療機器、特に超音波プローブに一体化される無拘束光学形状検出ファイバを備えるシステム、装置及び方法に関する。

光学形状検出（OSS）は、外科的介入の間、装置ローカライゼーション及びナビゲーションのためにマルチコア光ファイバに沿って光を使う。 関係する1つの原理は、特性レイリー後方散乱又は制御グレーティングパターンを使う光ファイバにおける、分布ストレイン測定を利用する。 光ファイバに沿った形状はローンチ点（又はz=0）として知られている、センサに沿う特定点から始まり、後続する形状位置及び方向はその点に関連する。 有意義な臨床使用のために、形状検出装置は、（術前コンピュータ断層撮影（CT）画像又はライブ蛍光透視画像のような）レファレンスのイメージングフレームにレジストレーションされる必要がある。

複数の装置が光学形状検出で使用可能にされるマルチテザー形状検出において、これらの装置の各々はレファレンスのイメージングフレームにレジストレーションされる必要がある。 代わりに、一つの装置がイメージングフレームにレジストレーションされる場合、後続する装置は単にその最初の装置にレジストレーションされることができる。 装置の間のレジストレーションは、"シェイプツーシェイプ"レジストレーションとして知られている。

レジストレーションされる間、術前CTは介入プロシージャのために豊富で有用な情報を提供するが、この情報はライブでなくて、プロシージャの間、状況に応じて更新されない。 ライブ超音波イメージングはこの術前データを増やして、介入プロシージャの間、臨床医に有用な洞察を提供する。 しかしながら、このライブイメージングの価値を最大にするために、情報は患者空間及びツール空間にレジストレーションされる必要がある。

本原理に従って、レジストレーション装置は、イメージングプローブに適合すると共に結合されるように構成されるアタッチメントピースを含む。アタッチメントピース内又は上に形成される経路は、光学形状検出装置が、経路内において縦方向のねじれを可能にするために自由にフロートすることができるように、光学形状検出装置を受けるように構成される。経路は、特徴的なジオミトリが、イメージング座標系及び光学形状検出座標系の間でレジストレーションを可能にするためにイメージングプローブを使って集められる画像内においてテンプレートパターンを提供するように、光学形状検出装置を形成するための特徴的なジオミトリを含む。

他のレジストレーションは、イメージングシステムのためのイメージングプローブに適合すると共に結合されるように構成されるアタッチメントピースを含む。アタッチメントピース内又は上に形成される経路は、光学形状検出装置が、経路内において縦方向のねじれを可能にするために自由にフロートすることができるように、光学形状検出装置を受けるように構成される。経路は、特徴的なジオミトリが、イメージングプローブを使って集められる画像内においてテンプレートパターンを提供するように、光学形状検出装置を形成するための特徴的なジオミトリを含む。レジストレーションモジュールは、イメージング座標系及び光学形状検出座標系の間のレジストレーションを可能にするために、テンプレートパターンに一致する、メモリに記憶される形状テンプレートをテンプレートパターンを含む画像と比較するように構成される。

レジストレーションのための方法は、アタッチメントピースをイメージングプローブに接続するステップであって、アタッチメントピースはイメージングシステムのためのイメージングプローブに適合すると共に結合されるように構成される、ステップと、アタッチメントピース内又は上に形成される経路において光学形状検出装置を位置させるステップであって、前記経路は、光学形状検出装置が経路内における縦方向のねじれを可能にするために自由にフロートすることを可能にし、前記経路は、特徴的なジオミトリが、イメージングプローブを使って集められる画像内においてテンプレートパターンを提供するように、光学形状検出装置を形成するための特徴的なジオミトリを含む、ステップと、イメージング座標系及び光学形状検出座標系の間でレジストレーションするために、テンプレートパターンに一致する、メモリに記憶される形状テンプレートを、テンプレートパターンを含む画像にレジストレーションするステップとを含む。

本開示のこれらの及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面と関連して読まれるその実施形態例の以下の詳細な記載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適な実施形態の以下の記載を詳細に提示する。

1つの実施例によるイメージングモダリティに光学形状検出システムをレジストレーションするように構成されるレジストレーションシステムを示すブロック/フロー図である。 1つの実施例による経食道心エコー（TEE）プローブのためのスプリットハーフアタッチメントピース又はヘッドキャップを示す斜視図である。 1つの実施例によるTEEプローブの使用のために閉じられる図2Aのスプリットハーフアタッチメントピース又はヘッドキャップを示す斜視図である。 1つの実施例によるOSSルーメンを示すTEEプローブのためのスプリットハーフアタッチメントピースを示す画像である。 1つの実施例による2つの自由度を示し、アタッチメントピースを備えるTEEプローブの側面斜視図を示す。 1つの実施例によるOSSファイバのための保護外部ルーメン及び中にアタッチメントピースを有するTEEプローブの側面斜視図を示す。 アタッチメントピースが取り付けられる外部イメージングプローブ及び1つの実施例に従うプローブに関するファイバ経路の斜視図を示す。 1つの実施例によるアタッチメントピースに設けられるOSSファイバを備える、それに取り付けられるアタッチメントピースを有する外部イメージングプローブの斜視図である。 他の実施例によるアタッチメントピースに設けられるOSSファイバを有し、プローブに取り付けられるヒンジ型アタッチメントピースの斜視図である。 他の実施例によるアタッチメントピースに設けられるOSSファイバを有し、プローブにレトロフィットされるアタッチメントピースの斜視図である。 本原理による超音波座標系にOSS座標系をレジストレーションするためにテンプレートパターンにマッチングされる形状テンプレートを示す画像である。 1つの実施例によるイメージングモダリティへの、光学形状検出ファイバのレジストレーションのための方法を示すフロー図である。

本原理によれば、光学形状検出（OSS）空間に関して、超音波空間の位置をトラッキングする、システム、装置及び方法が提供される。超音波イメージング、特に、経食道心エコー（TEE）イメージング、しばしば介入心臓プロシージャ及び脈管プロシージャのために使われる。 しかしながら、TEE画像空間にOSS空間をレジストレーションするように光ファイバをTEEプローブに付けることは、重大な機械的な課題を提示する。 本実施例は、これらの課題を克服して、様々な超音波トランスデューサに適用できるメカニズムを提供する。 ある例において、特定のパターン又はテンプレートは、マトリックス超音波プローブにクリップされるアタッチメントピースとして提供される。 これは、OSSが固定される必要がなく、ファイバの何れの部分でもプローブを通過することができることを確実にする。 マッチングパターンのためのOSS再構成に沿ってサーチすることによって、OSSに関する超音波画像/ボリューム及びOSSに関する超音波プローブの位置は計算される。 超音波トランスデューサが動かされると、OSSはプローブ及びボリュームの位置をリアルタイムに更新する。

商用超音波プローブでOSSファイバの一体化を実現するために、外部の装置タイプ一体化は使用され、又は内部一体化装置は使用される。 いずれにせよ、ファイバはレトロフィットであるか、超音波プローブに製造される。 超音波プローブとの内部の一体化は、商用プローブ構造を修正する追加費用及び労力を伴う。 可逆的外部装置を備えるOSS強調超音波は、これらの課題の一部について説明するために提供される。

本原理が内部又は外部プローブの何れかのために使用されることは理解されるべきである。特に有用な実施例において、心臓プロシージャ用に広範囲に使われる経食道心エコー（TEE）プローブ、又は脈管及び産科学イメージングのためにしばしば使われる使用される外部マトリックスアレイプローブ（例えば、X6-1プローブ）は、OSSとともに使用され、例としてここに使用される。特に本原理は、可逆的外部一体化のために、プローブとのOSS一体化に直面する課題について説明する。

たとえば、プローブ画像空間はOSS空間にレジストレーションされることができるように、OSSファイバをTEEプローブに付けることは多くの課題に直面する。 たとえば、いくつかの課題は、トランスデューサへの繰り返し可能な6つの自由度レジストレーションが提供されることができるように、ファイバをプローブに固定すること、食道挿入に適した十分小さなプロファイルとのリバーシブルなアタッチメントを作ること、TEEプローブの本体及びヘッドの動きに適応するファイバのためのサポートルーメンをつくること、正確に、リアルタイムに超音波画像空間にファイバ空間をレジストレーションすること、OSSファイバの先端を固定するために超音波ハードウェアに対する恒久変化をもたらすことに関連した高いコストに対処すること等を含む。

これらの限界は、ファイバを固定することに代わるものを見つけ、リバーシブルな低コストレトロフィットアタッチメントを作ることによって解消されることができる。プローブヘッドが6つのDOFでトラッキングされる必要があるため、ファイバチップはトラックロールに堅く取り付けられる必要がある。 これは、ファイバ信頼性及び従来システムにおけるパフォーマンスに対する深刻な損失である。 本原理によるテンプレートを使用することによって、ファイバは先端固定なしでフロートすることができる。 これは、ファイバの信頼性、パフォーマンス及び寿命を改善する。

本原理による実施例は、OSSファイバを超音波イメージングプローブに付けるハードウェア一体化を含み、OSSファイバを物理的一体化にレジストレーションするための方法を提供する。1つの実施例において、物理的一体化は、プローブヘッドにレジストレーションされる。 いくつかの実施例がプローブをトラッキングするためにOSSファイバを超音波プローブに一体化する外部方法にフォーカスするため、ファイバはアタッチメントハードウェアに繰り返しレジストレーションされることができ、今度は超音波空間にレジストレーションされる。 ハードウェア一体化は、フリーフローティングOSSファイバとの超音波プローブの一体化を含む。

超音波は、介入のためのリアルタイム画像ガイダンスを提供するために、針及びカテーテルに基づく介入の多くの形態で用いられるイメージングモダリティである。 光学形状検出は、それが一体化されるルーメンの三次元（3D）形状を再構成することによって、これらのプロシージャに対する洞察を提供することができる。 2つの技術の組合せは、リアルタイム放射線フリー介入（例えば、ゼロX線）を可能にすることができる。 イメージング空間及びOSS情報は互いにレジストレーションされる必要がある。本原理によれば、OSSファイバはフリーフローティングになり（固定されず）、特定の形状テンプレートを使用することができる。超音波プローブは自由に動かされることができ、OSSはリアルタイムレジストレーションを可能にする特定の形状テンプレートを使用してプローブをトラッキングすることができる。

シェイプツーシェイプレジストレーションとは異なり、本原理は（湾曲のような）形状特徴をリアルタイムに既知のテンプレートにマッチングし、動き補償されたリアルタイムトラッキング及び一つ又はそれより多くの超音波画像/ボリューム及びOSSのレジストレーションを可能にする。本原理は、超音波ハードウェア（プローブへの変化）又はソフトウェアの何れの修正も必要とすることなく、レトロフィットソリューションを使う超音波によるOSSの使用を可能にする。これは、例えば、心臓又は脈管空間において、特にこの技術の簡単なローンチをOSSに提供することに役立つ。 装置（すなわち、カテーテル又は針）及び超音波トランスデューサの両方をトラッキングすることによって、介入装置は、たとえ第二のイメージングモダリティ又はトラッキング方法なしで超音波画像空間の原点が静止していなくても、超音波画像空間においてレジストレーションされることができる。これは、OSS可能なナビゲーション装置のため、及び自動画像スライス選択（例えば、装置の平面のトラッキング、仮想心臓内心エコー（ICE）のような画像情報の仮想表現、仮想静脈超音波（IVUS）、又は小型ディスポーザブル超音波プローブがカテーテル又は他の装置に置かれる他の方法）、高度な情報（例えば、装置位置、治療履歴、及び進捗など）の画像重ね合わせ、超音波画像の合成（例えば、より大きなボリュームへの3次元超音波ボリュームのスティッチ、画像の分解能を改善して、動きのぼけを減らすための画像重ね合わせ、強調超音波エラストグラフィの実行等）、レジストレーション装置（例えば、iXRフレームワーク（iXRはX線空間でプローブを自動的にレジストレーションする方法である。これがＸ線画像空間で超音波情報を重ね合わせるためにTEEプロシージャでしばしば使われる）におけるTEEプローブのための既存のレジストレーションの使用）、及び患者空間及びOSS空間に超音波をレジストレーションするために使用される解剖学的インテリジェント超音波等を含む超音波イメージングの解釈のための高度な機能を可能にする。

本発明は医療機器に関して記載されるが、本発明の教示はより広範であり、いかなる光ファイバ器具にも適用可能であることが理解されるべきである。一部の実施形態において、本発明の原理は複雑な生物学的若しくは機械的システムのトラッキング若しくは解析に利用される。特に、本発明の原理は生物学的システムの内部トラッキングプロシージャ、肺、胃腸管、排泄器官、血管、心臓などといった、体の全領域における手術に適用可能である。図中に描かれる要素はハードウェア及びソフトウェアの様々な組み合わせで実現され、単一要素若しくは複数要素に組み合わされ得る機能を提供し得る。

図に示す様々な要素の機能は、専用ハードウェアだけでなく、適切なソフトウェアと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通じて提供され得る。プロセッサによって提供されるとき、機能は単一専用プロセッサによって、単一共有プロセッサによって、又はその一部が共有され得る複数の個別プロセッサによって提供され得る。さらに、"プロセッサ"又は"コントローラ"という語の明示的使用はソフトウェアを実行可能なハードウェアを排他的にあらわすものと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、ソフトウェアをメモリするためのリードオンリーメモリ（"ＲＯＭ"）、ランダムアクセスメモリ（"ＲＡＭ"）、不揮発性メモリ装置などを非明示的に含み得るが、これらに限定されない。

さらに、本発明の原理、態様、及び実施形態、並びにそれらの特定の実施例を列挙する本明細書の全記述は、その構造的及び機能的均等物の両方を包含することが意図される。付加的に、かかる均等物は現在既知の均等物だけでなく将来開発される均等物（すなわち構造にかかわらず同じ機能を実行する、開発される任意の要素）の両方を含むことが意図される。従って、例えば、本明細書に提示されるブロック図は本発明の原理を実施例する例示的なシステムコンポーネント及び／又は回路の概念図をあらわすことが当業者によって理解される。同様に、任意のフローチャート、フロー図などは、実質的にコンピュータ可読メモリ媒体にあらわされ、コンピュータ若しくはプロセッサによってそのように実行され得る様々なプロセスを、かかるコンピュータ若しくはプロセッサが明示的に示されるかどうかにかかわらず、あらわすことが理解される。

さらに、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又はそれらに関連した使用の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若しくはコンピュータ可読メモリ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をとり得る。この記載の目的における、コンピュータ使用可能若しくはコンピュータ可読メモリ媒体とは、命令実行システム、装置若しくはデバイスによる又はそれらに関連した使用のためのプログラムを、包含、メモリ、通信、伝搬、若しくは輸送し得る任意の装置であり得る。媒体は電子、磁気、光学、電磁、赤外線、又は半導体システム（若しくは装置若しくはデバイス）又は伝搬媒体であり得る。コンピュータ可読媒体の実施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、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）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、剛性磁気ディスク及び光ディスクを含む。光ディスクの本実施例はコンパクトディスク‐リードオンリーメモリ（ＣＤ‐ＲＯＭ）、コンパクトディスク‐リード／ライト（ＣＤ‐Ｒ／Ｗ）、Ｂｌｕ‐Ｒａｙ（レジストレーション商標）及びＤＶＤを含む。

図面において同様の数字は同一若しくは同様の要素をあらわし、最初に図１を参照すると、形状検出可能装置を用いて画像をトラッキング及びレジストレーションするためのシステム１００が実施形態例による例示される。システム１００はワークステーション若しくはコンソール１１２を含み、ここから手術が監視及び／又は管理される。ワークステーション１１２は好適にはプログラムとアプリケーションをメモリするためのメモリ１１６と一つ又はそれより多くのプロセッサ１１４を含む。メモリ１１６は形状検出装置若しくはシステム１０４からの光学フィードバック信号を解釈するように構成される光学検出モジュール１１５をメモリし得る。光学検出モジュール１１５は光学信号フィードバック（及び任意の他のフィードバック、例えば電磁（ＥＭ）トラッキング、超音波など）を使用して、医療機器若しくは器具１０２及び／又はその周辺領域に関する変形、偏向、及び他の変化を再構成するように構成される。医療装置１０２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、フィルタ装置、バルーン装置、若しくは他の医療用部品などを含み得る。

特定の有用な実施例において、医療装置１０２は、経路又はテンプレート105内又はそれを通じるプローブ102上又はそれに渡ってフィットする特徴的なジオミトリを備える経路105又はファイバ運搬テンプレートを含むアタッチメントピース106を備える超音波プローブを含む。アタッチメントピース106は、ハウジング、壁、又は医療装置102の容器特徴を含む。 アタッチメントピース106は、取り外し可能なピース（例えば、スプリットハーフ、スナップオンアタッチメントなど）を含むか、又は医療装置102のパーマネントピースを含む。

形状検出システム104は、プローブ102上又はそれにおいてアタッチメントピース106のテンプレート又は経路105に移るか、さもなければ結合され、一つ又は複数のセットパターンでシステム104に結合される一つ又はそれより多くの光ファイバ126を含む。光ファイバ126は、ワークステーション112につながる。 形状検出システム104は、カテーテル、ガイドワイヤー又は他の医療部品等を含み、又はそれらに含まれる。

光ファイバを伴う形状検出システム１０４は光ファイバブラッググレーティングセンサに基づき得る。光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）は特定波長の光を反射しその他は全て透過する光ファイバの短セグメントである。これはファイバコアに屈折率の周期的変動を加えることによって実現され、これは波長特異的誘電体鏡を生成する。ファイバブラッググレーティングは従って特定波長をブロックするインライン光学フィルタとして、又は波長特異的反射体として使用され得る。

ファイバブラッググレーティングの動作の背景にある基本的原理は、屈折率が変化する界面の各々におけるフレネル反射である。一部の波長において、様々な周期の反射光が同相であるため、反射について強め合う介入が存在し、その結果、透過について弱め合う介入が存在する。ブラッグ波長はひずみ及び温度に敏感である。これはブラッググレーティングが光ファイバセンサにおいて検出素子として使用されることができることを意味する。ＦＢＧセンサにおいて、測定量（例えばひずみ）はブラッグ波長においてシフトを生じる。

この技術の一つの利点は、様々なセンサ素子がファイバの長さにわたって分布され得ることである。構造の中に埋め込まれるファイバの長さに沿って様々なセンサ（ゲージ）を持つ三つ以上のコアを組み込むことは、かかる構造の三次元形状が正確に、典型的には１ｍｍ以上の精度で決定されることを可能にする。ファイバの長さに沿って、様々な位置において、多数のＦＢＧセンサが位置付けられ得る（例えば３以上のファイバ検出コア）。各ＦＢＧのひずみ測定から、その位置において構造の曲率が推測されることができる。多数の測定位置から、全体の三次元形状が決定される。

光ファイバブラッググレーティングの代替案として、従来の光ファイバにおける固有後方散乱が利用され得る。かかるアプローチの一つは標準単一モード通信ファイバにおいてレイリー散乱を使用することである。レイリー散乱はファイバコア内の屈折率のランダム変動の結果として生じる。これらのランダム変動はグレーティング長に沿って振幅と位相のランダム変動を伴うブラッググレーティングとしてモデル化され得る。単一長のマルチコアファイバ内を走る三つ以上のコアにおいてこの効果を用いることによって、関心面の３Ｄ形状とダイナミクスがトラッキングされ得る。

1つの実施例において、テンプレート105はそれを通じてサインファイバジオメトリ又はテンプレートパターン107を含む。 テンプレートパターン107は、その中の形状検出システム104を受ける一つ又はそれより多くのカーブを含む。 テンプレートパターン107は好ましくは、ファイバ126が（先端固定でない）経路105内においてフロートすることを可能にする。 このように、縦又は軸方向のストレインは、ファイバにおいて蓄積されない。

空間又はボリューム131内の形状検出システム104の画像134は、表示装置118に表示されることができる。 画像134は何れかのイメージングモダリティ又はシステム142を使用して、好ましくはプローブ102を使用してとらえられる。 特に有用な実施例において、イメージングモダリティ又はシステム142は、超音波（US）を含む。 ワークステーション112は、被験体（患者）又はボリューム131の内部の画像を見るためのディスプレイ118を含み、オーバレイ又は他のレンダリングとして形状検出システム104にレジストレーションされる画像134を含む。ディスプレイ118は、ユーザーがワークステーション112（タッチスクリーンインターフェースを含む）、その構成要素及び機能又はシステム100内の他の要素と対話することも可能にする。これは、キーボード、マウス、ジョイスティック、触覚装置を含みうるインタフェース１２０、又はワークステーション１１２との対話及びユーザフィードバックを可能にする他の周辺機器又は制御装置により更に容易化される。

OSS空間に関して超音波空間の位置をトラッキングする1つの目標をサポートするために、OSSファイバ126又はシステム104を超音波イメージングプローブ102に付けることに関していくつかの考慮すべき点がある。 レジストレーションモジュール130は、物理的一体化（テンプレート105及び／又はアタッチメントピース106）にOSSファイバ126又はシステム104をレジストレーションするように構成される。 レジストレーションモジュール130は、装置102（例えば、プローブヘッド）に、物理的一体化106及び／又はテンプレート105をレジストレーションする。 ファイバ126又はシステム104はアタッチメントハードウェア又はテンプレート105に繰り返しレジストレーションされることができ、今度は超音波空間にレジストレーションされる。OSS空間が超音波空間に実効的にレジストレーションされるために、ファイバ126はプローブ102に堅く搭載されることができるか、又はファイバ及びプローブ102の間の関係における何れかの変化はトラッキングされ、更新される。しかしながら、物理的アタッチメントハードウェア106、OSSシステム104又はルーメン/経路105が、ファイバ126及びイメージング空間の間のレジストレーションを再較正する必要なしに、プローブ102に繰り返し取り付け可能である場合、有利になる（つまり、例えば、物理的アタッチメントハードウェア、ファイバ、ルーメン又は経路は、付けられ、取り外され、必要に応じて再び付けられることができる）。このため、テンプレート105、ルーメン等は、毎回正確に同じ方法（例えば、鍵又は適切な接続）でプローブ102に付けられる。更に、テンプレート105は、定期的な使用下において、テンプレート105にレジストレーションされるOSSファイバ空間が超音波画像空間に関してシフトしないように、十分にリジッドである必要がある。

物理的アタッチメントハードウェア106/テンプレート105への、OSSファイバ126又はシステム104の最適なレジストレーションのために、ファイバ126は、単一の変形だけがOSS空間及び超音波空間の間で使われることができるような方法でプローブ102に対してトラッキングされる必要がある。これは、方向及び位置情報を含むファイバ126のいくつかの特定可能な部分が超音波プローブに関して整合していることを確実にすることによって静的又はダイナミックに実現されることができる。言い換えると、アタッチメントハードウェア又はテンプレート105は、経路内にあるファイバの部分が簡単に特定されることができるように、形成されるファイバ経路を提供する。更に、この経路の形状特性は経路内にあるファイバの部分の形状情報が経路の位置及び方向を特定するために用いられることができるようでなければならず、今度は超音波イメージング空間にリジッドにレジストレーションされることができる。

超音波空間へのファイバ点位置のレジストレーションのためにファイバ126に沿って一つの点を使うため、その点は、プローブ102、物理的アタッチメントハードウェア106又はテンプレート105に堅く取り付けられる必要がある。 その点は、OSSシステム104の位置又はローンチ点に関する位置及びロール方向情報を含む。 その点を固定することは、位置及び方向の両方が、ワンタイムマニュアル又はオートマチックセットアップの後にトラッキングされることができることを確実にする。 しかしながら、ファイバの２点（ローンチ及びレジストレーション点）を固定することは理想的ではなく、ファイバはその軸のねじれを緩めることができず、ファイバが見る経路長は整合されるままである必要がある。

形状認識レジストレーションのために、特徴的な形状は、ファイバ126からの位置及び方向情報の両方を得るために使用されることができる。 ファイバ126がプローブ102のまわりで所定の不変経路をとる場合、その経路の湾曲及び形状情報はファイバ変形にとって特有な超音波画像を特定するために用いられることができる。 ファイバ126がプローブ102のまわりにとる経路にマッチングする形状テンプレート121はメモリ116においてつくられ、記憶されることができ、原点位置及び方向を規定する軸はこの形状テンプレート121に対して規定されることができる。 形状テンプレート121は、シェイプツーシェイプレジストレーションを使って静的又はダイナミックにファイバ126にレジストレーションされることができる。 形状テンプレート121からの湾曲情報は、所定の形態であるファイバ126の位置を見つけるために用いられることができる。

ワンタイムレジストレーション初期化プロセスにおいて、変形144は、形状テンプレート121によって規定される超音波画像及び軸の間で検出される。 これはレジストレーションファントムを使って実現されることができ、レジストレーションされたファイバは超音波画像において鮮明に見られる。 それから、超音波画像は、マニュアル又は自動的に、レジストレーションされるファイバの視覚化にマッチングされることができる。 代わりに、超音波画像原点の位置及び方向がプローブ102の点に関して知られている場合、レジストレーション初期化変形は計算されることができる。ファイバ126への形状テンプレート121のライブレジストレーションと結合される形状テンプレート121への超音波画像のワンタイムレジストレーションは、ファイバレジストレーションに対するライブ超音波画像をもたらす。

形状に基づくレジストレーションの利点のいくつかは、以下の通りに記述される。 テンプレートレジストレーションが軸のねじれから独立するため、形状再構成性能の範囲内において、ファイバ126に沿うねじれはプローブ102に関して制約される必要はない。 形状（x、y、z位置）自体は、何れの必要な方向情報も提供する。フローティング先端構成は、ねじれ、ストレイン緩和及びファイバ寿命に関してファイバ126のために有益である。

ファイバ126がプローブ102のまわりでとる所定の経路へのテンプレートレジストレーションは、ファイバ126に沿う位置から独立する。 これは、その装置におけるファイバ126がプローブ102に関してスライドすることができ、オペレーターのための更なる柔軟性に対する可能性は与えられることを意味する。形状検出装置（カテーテルのようなシステム104）は、それらがアタッチメント内の形状テンプレート経路に適合するのに十分柔軟な限り、超音波プローブ102の使用のためにカスタムメードされる必要はない。複数のプローブは、ファイバ126又はシステム104に沿って使用される。 形状に基づくレジストレーションを使う柔軟性は、複数のプローブが一つの装置で簡単にトラッキングされることを可能にする。

図2A乃至2Cを参照すると、1つの実施例によるTEEプローブのためのTEE一体化キャップ200が示される。 TEEプローブは、内部超音波プローブの例である。 元来、TEEプローブのヘッドは、人間の食経路の内側に適合するように設計される。 この機能を維持するために、何れかのアタッチメントは、食経路への挿入にも適したスリムプロファイルを有する必要がある。更に、ヘッドへのファイバの付加は、ファイバ空間及び超音波空間の間の変形をつくるのに適する必要がある。 このために、超抵プロファイルヘッドのキャップ200が提供される。 ヘッドのキャップ200は、キャップ200をTEEプローブ（図示略）に繰り返し位置させるためにモールドマッチングされる内面214を使って製造されるハーフ210によるスプリットハーフ構成で作られる。輪郭に基づくクランプ機構212は、非常に低いプロファイル設計及び単一のアタッチメントスクリュー204を可能にする。 ルーメン又はチャンネル206は、OSSファイバ（図示略）をルーティングするためにキャップ200内又はその上に提供される。キャップ200が使用されるとき、トランスデューサウインドウ216はウインドウを音響エネルギーに提供する。

図2A、2B及び2Cへの継続的な参照を伴う図3を参照すると、TEEプローブ300は、長い柔軟な本体又はシース318の端部に位置決めされるトランスデューサ302を含み、遠位端において、トランスデューサヘッド200は経路長を変化させる曲げにおける2つの自由度を有する。 図3は、各々の方向における全経路長変化を示すTEE遠位端の自由度を示す。 TEEプローブヘッド304の動きをトラッキングするため、従って超音波イメージング空間の動きをトラッキングするため、ファイバルーメン206は、ねじれを避けるためにTEEプローブのヘッドの動きをトラッキングする必要がある。 ルーメン206は矢印A及びBによって示されるこの曲げの中心軸から常にオフセットされるため、ファイバの経路に関連する経路長変化が存在する。 ファイバをねじれから保護するために、この経路長変化は管理される必要がある。

この問題は、ルーメンクリップ等を通じてプローブヘッド304に付けられる（プローブシース318の内側又は外側にある）弾性ファイバルーメン206、312（図4）（例えば、ニチノール）の使用を通じて対処される。 ファイバルーメン206（312、図4）は、ヘッドキャップ200に、又はそれを通じてファイバをもたらすために保護ルーメンを提供すること、ファイバが常に可能な限り最小限の湾曲を経験することを確実にするためにファイバルーメン206、312（図4）の曲げに抵抗すること、及びプローブ300の遠位ネックにおける経路長変化に応じてルーメン体を押して、引くためのコラム強度を提供することを含むいくつかの目的にかなう。

図4を参照すると、実施例は、図3に関して記述される目的に対処するように開発されたクリップサポートシステム及びルーメンを示す。TEEプローブ300の遠位端部の自由度は、プロトタイプヘッドキャップ400に対して示される。 アーマードファイバルーメン312を支持するルーメンガイドクリップ402が示される。アーマードファイバルーメン312は、OSSファイバを受けて、フルレンジの動きをプローブ404に提供する間、プローブ404から保護されて、オフセットされ続ける。

図5を参照すると、Philips(R)から商用入手可能なX6-1のプローブのような外部プローブ500が、エルゴノミクス（人間工学的）形状を提供するように設計される。これは外部プローブであり、体内でフィットする必要はないので、 このシステム制約にもかかわらず、この種のプローブは、TEEプローブ又は他の内部プローブより大きな空間的自由を提供する。図5は、その場にアタッチメントピース又はキャップ600なしで、その経路に沿うファイバ502を示す。アタッチメントピース又はキャップ600は、図6に示される。

図6を参照すると、プローブ500に関して固定される経路を通じて、シース（又は他の構造）によって保護される、ファイバ502をガイドするために特有なルーメン602を提供する専用設計プローブアタッチメントピース又はキャップ600は表される。ファイバは自由にレンダリングされ、回転されるが、テンプレート形状経路は超音波プローブ又はトランスデューサ500、したがって超音波画像空間に関して変化しない。 ルーメン602の断面は、ファイバシースにおける多様性を考慮するようにサイジングされることができる。 たとえば、アタッチメントピース600は、カテーテル、ガイドワイヤー又は針等で達せられるシースと互換性を持つことができる。 ルーメン602は、ファイバ502がルーメン602を通じてプッシュされるように、又は堅い端部ピース（例えば、針など）を可能にするためにスプリットルーメンに配置されるように構成される。

図7を参照すると、1つの実施例において、アタッチメントピース700は、スプリットルーメン702及び閉ルーメン704で構成されることができる。 カバーピース（図示略）は、完全なルーメンをつくるためにスプリットルーメン702上にクランプされる。 アタッチメントピースは、完全スプリット若しくは完全閉ルーメン又はその組合せを含むように設計されることができる。 アタッチメントピース700は、ピース700の部分をともに保持するか、ピース700の中心部にアクセスするためにそれらを開けるために、ヒンジ706を含む。

図8を参照すると、他の実施例は、外部のX6-1のプローブ500に関するレトロフィットアタッチメントピース800ソリューションを示す。 ピース800は、中に配置されるOSSファイバシステム806に対する特徴的なカーブサインをつくるために、一つ又はそれより多くの円周湾曲部分802及び一つ又はそれより多くの縦方向湾曲部分804を含む。規定される特徴は、プローブ500のリアルタイムトラッキング及びレジストレーションを可能にする。 外部プローブアタッチメントピースがX6-1プローブのために例示されるが、本原理は何れの超音波プローブにも適用できることが理解されるべきである。

本原理は、他の外部又は内部プローブに同様に適用されることができる。 プローブは本原理によるルーメンで製造されることができ、又は外部アタッチメントの設計は臨床医に最良のアピールに変えられることができる。 本原理に従うすべてのアタッチメントピースのために、ファイバ経路は、超音波ボリュームレジストレーションに特徴的な形状に基づくファイバを可能にするため、非対称的で非模倣の、自然に誘導される湾曲パターンになるべきである。

図9を参照すると、中を通過する形状検出可能カテーテル906を有する超音波ファントム904を表す画像900が示される。カテーテル906は、テンプレートパターン902でアタッチメントピースのまわりで巻かれる。 テンプレートパターン902の既知のジオメトリは、テンプレートパターン902から続くカテーテル906のOSSファイバのためのファントム904に現れる。OSSカテーテル906がテンプレートパターン902にマッチングする位置に基づいて、ファントム904のボリュームは変形され、配置され、リアルタイムレジストレーションが確実にされる。

本原理は、TEE及び外部プローブ構成のために実例として提示されるが、本原理は、体又は機械的システム若しくは装置におけるナビゲーションのために光学形状検出の、医療装置への何れの一体化にも適用される。 これらの原理は、互いに関して既知のジオミトリを有する2つの装置が使用され、シェイプツーシェイプレジストレーションが考慮される、特にマルチテザーアプリケーションに関連する。アプリケーションはガイドワイヤー及びカテーテル（マニュアル及びロボット）の使用を含むが、内視鏡、気管支鏡及び他のこのようなアプリケーションに応用されることができる。 OSSファイバは、異なる物理パラメータ、例えば、レイリー散乱（強調及び通常）、ファイバブラッグ実現、他の散乱タイプ等を使用する。

図10を参照すると、レジストレーションのための方法が、実施例による実例として示される。 ブロック1002において、アタッチメントピースは、イメージングプローブに接続される。 アタッチメントピースは、イメージングシステムのためのイメージングプローブに適合して、それに付かれるように構成される。 アタッチメントピースはスプリットハーフになるか、プローブ上に渡ってスライドするか、プローブにつながるか、ハウジング又は他の特徴に一体化されるか、又は本原理による何れかの他の構成を含む。 イメージングプローブは、TEEプローブ、外部超音波プローブ又は他のプローブ若しくは装置を含む。

ブロック1004において、光学形状検出装置は、アタッチメントピース又はハウジング内又は上に形成される経路に置かれる。 経路は、光学形状検出装置が、経路内の縦方向のねじれを可能にするように自由にフロートすることを可能にする。このように、装置の先端は固定されない。経路は、イメージングプローブを使って集められる画像内に特徴的なジオミトリがテンプレートパターンを提供するように、光学形状検出装置を形成するための特徴的なジオミトリを含む。

経路は、光学形状検出装置がルーメンを通る場合、その中の光学形状検出装置を受けるためのルーメンを含む。経路は、その遠位端部に結合される器具を有する光学形状検出装置を受けるために開けられるように構成されるスプリットルーメンを代わりに含む。1つの実施例において、経路はプローブのケーブルに沿って縦方向に延在し、保護ルーメンを含む経路はケーブルの外部に結合される。 これは、イメージングプローブがTEEプローブを含む場合、特に有用である。

1つの実施例において、複数のアタッチメントピースは、複数のプローブ及び単一のOSSファイバとともに使用される。 他の実施例において、OSSファイバは、カテーテル、ガイドワイヤー又は他の器具に含まれる。

ブロック1006において、メモリに記憶される形状テンプレートは、テンプレートパターンを含む画像にレジストレーションされる。 テンプレートパターンはアタッチメントピース上に提供されて、記憶される形状テンプレートと一致する。 形状テンプレート及びテンプレートパターンは、イメージング座標系及び光学形状検出座標系の間でレジストレーションするためにマッチングされる。

ブロック1008において、イメージング座標系及び光学形状検出座標系の間のレジストレーションは、形状テンプレート及びテンプレートパターン間の変換を計算することを含む。

添付の請求項を解釈するに当たり、以下のことが理解されるべきである：

ａ）"有する"という語は所与の請求項に列挙されるもの以外の要素若しくは動作の存在を除外しない。

ｂ）ある要素に先行する"ａ"若しくは"ａｎ"という語はかかる要素の複数の存在を除外しない。

ｃ）請求項における任意の参照符号はその範囲を限定しない。

ｄ）複数の"手段"は、同じ項目又はハードウェア若しくはソフトウェア実施構造若しくは機能によってあらわされ得る。

ｅ）特に指定されない限り特定の動作順序が要求されることを意図しない。

先端固定なしに光学形状検出を用いる超音波プローブの自動トラッキング及びレジストレーションについて好適な実施形状態を記載したが（これらは例示であって限定ではないことが意図される）、上記教示に照らして修正及び変更が当業者によってなされ得ることが留意される。従って添付の請求項によって概説される通り本明細書に開示の実施形状態の範囲内にある変更が開示の実施形状態の特定の実施形状態においてなされ得ることが理解されるものとする。特許法によって要求される特徴と詳細をこのように記載したが、特許証による保護を望まれる特許請求の範囲は添付の請求項に規定される。

Claims (21)

1. イメージングプローブに適合すると共に結合されるように構成されるアタッチメントピースと、
   光学形状検出装置が、前記アタッチメントピース内又は上に形成され、経路内において縦方向のねじれを可能にするために自由にフロートすることができるように、前記光学形状検出装置を受けるように構成される経路であって、前記経路は、特徴的なジオミトリが、イメージング座標系及び光学形状検出座標系の間でレジストレーションを可能にするために前記イメージングプローブを使って集められる画像内においてテンプレートパターンを提供するように、前記光学形状検出装置を形成するための前記特徴的なジオミトリを含む、経路と
   を有する、レジストレーション装置。
2. 前記経路はその中の前記光学形状検出装置を受けるためのルーメンを含む、請求項1に記載の装置。
3. 前記経路は、その遠位端部 に結合される器具を有する前記光学形状検出装置を受けるために開けられるように構成されるスプリットルーメンを含む、請求項1に記載の装置。
4. 前記アタッチメントピースはその中に前記イメージングプローブを受けるための輪郭内部プロファイルを含む、請求項1に記載の装置。
5. 前記経路は前記プローブのケーブルに沿って縦方向に延在し、前記経路は前記ケーブルの外部に結合される保護ルーメンを含む、請求項1に記載の装置。
6. 前記イメージングプローブは内部超音波プローブを含む、請求項1に記載の装置。
7. 前記イメージングプローブは外部超音波プローブを含む、請求項1に記載の装置。
8. イメージングシステムのためのイメージングプローブに適合すると共に結合されるように構成されるアタッチメントピースと、
   光学形状検出装置が、前記アタッチメントピース内又は上に形成され、経路内において縦方向のねじれを可能にするために自由にフロートすることができるように、前記光学形状検出装置を受けるように構成される経路であって、前記経路は、特徴的なジオミトリが、前記イメージングプローブを使って集められる画像内においてテンプレートパターンを提供するように、前記光学形状検出装置を形成するための前記特徴的なジオミトリを含む、経路と、
   イメージング座標系及び光学形状検出座標系の間でレジストレーションを可能にするために、前記テンプレートパターンを含む画像と、前記テンプレートパターンに一致する、メモリに記憶される形状テンプレートを比較するように構成される、レジストレーションモジュールと
   を有する、レジストレーションシステム。
9. 前記レジストレーションモジュールは前記形状テンプレート及び前記テンプレートパターン間の変換を計算する、請求項８に記載のシステム。
10. 前記経路は、その中の前記光学形状検出装置を受けるためのルーメンを含む、請求項８に記載のシステム。
11. 前記経路は、その遠位端部 に結合される器具を有する前記光学形状検出装置を受けるために開けられるように構成されるスプリットルーメンを含む、請求項８に記載のシステム。
12. 前記アタッチメントピースはその中に前記イメージングプローブを受けるための輪郭内部プロファイルを含む、請求項８に記載のシステム。
13. 前記経路は前記プローブのケーブルに沿って縦方向に延在し、前記経路は前記ケーブルの外部に結合される保護ルーメンを含む、請求項８に記載のシステム。
14. 前記イメージングプローブは内部超音波プローブを含む、請求項８に記載のシステム。
15. 前記イメージングプローブは外部超音波プローブを含む、請求項８に記載のシステム。
16. アタッチメントピースをイメージングプローブに接続するステップであって、前記アタッチメントピースはイメージングシステムのための前記イメージングプローブに適合すると共に結合されるように構成される、ステップと、
    前記アタッチメントピース内又は上に形成される経路において光学形状検出装置を位置させるステップであって、前記経路は、前記光学形状検出装置が前記経路内における縦方向のねじれを可能にするように自由にフロートすることを可能にし、前記経路は、特徴的なジオミトリが、前記イメージングプローブを使って集められる画像内においてテンプレートパターンを提供するように、前記光学形状検出装置を形成するための前記特徴的なジオミトリを含む、ステップと、
    イメージング座標系及び光学形状検出座標系の間でレジストレーションするために、前記テンプレートパターンに一致する、メモリに記憶される形状テンプレートを、前記テンプレートパターンを含む画像にレジストレーションするステップと
    を含む、レジストレーションのための方法。
17. 前記レジストレーションするステップは前記形状テンプレート及び前記テンプレートパターン間の変換を計算する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記経路は、その中の前記光学形状検出装置を受けるためのルーメンを含み、前記光学形状検出装置は前記ルーメンに通される、請求項１６に記載の方法。
19. 前記経路は、その遠位端部 に結合される器具を有する前記光学形状検出装置を受けるために開けられるように構成されるスプリットルーメンを含む、請求項１６に記載の方法。
20. 前記経路は前記プローブのケーブルに沿って縦方向に延在し、前記経路は前記ケーブルの外部に結合される保護ルーメンを含む、請求項１６に記載の方法。
21. 前記イメージングプローブは内部超音波プローブ又は外部超音波プローブを含む、請求項１６に記載の方法。

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