JP2019510604A - 画像再構築のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

光学撮像システム及び／又は追跡システムと組み合わせられたｘ線画像再構築システムを含む撮像システム。いくつかの実施形態では、撮像システムは、標的物体の表面下の標的物体の少なくとも内部部分の三次元画像データを生成するように構成されたｘ線画像再構築システムと、表面三次元画像データを生成することによって、標的物体の表面の少なくとも一部の画像を再構築するように構成された三次元光学撮像システムとを備え得る。三次元光学撮像システムは、ｘ線トモシンセシス画像再構築システムからの三次元画像データ及び三次元光学撮像システムからの三次元画像データが、標的物体の画像の画像品質を改善するための制約として使用され得るように、ｘ線トモシンセシス画像再構築システムに位置合わせされてもよい。
【選択図】図１９

Description

関連出願

本出願は、２０１４年３月５日に出願された「ＩＭＡＧＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＲＥＬＡＴＥＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ」と題する同時係属中の米国特許出願第１４／１９８，３９０号の一部継続出願であり、２０１３年３月５日に出願された「ＩＭＡＧＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ」と題する米国仮特許出願第６１／７７３，０２５号の米国特許法１１９（ｅ）条下の利益を主張する。本出願はまた、２０１６年３月２４日に出願された「ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＩＭＡＧＥ ＲＥＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ」と題する米国仮特許出願第６２／３１３，０４１号の米国特許法１１９（ｅ）条下の利益を主張する。これによって上記出願の各々は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
政府支援に関する陳述

この発明は、米国国立科学財団によって付与されたＳＢＩＲ認可番号１４５６３５２の下で政府支援によって行われた。本発明において、政府は特定の権利を有する。

外科医及び介在する放射線技師は、自身らの手順をガイドするための医療撮像であって、手順が画像ガイドによる治療処置（Image Guided Interventions、ＩＧＩ）として参照される、医療撮像を使用する。手術時、ＩＧＩは、最も一般的には、Ｃアームで遂行される。

Ｃアームは、リアルタイムの２Ｄ投影画像を作成する術中ｘ線システムである。この撮像様式は、蛍光透視検査と称される。Ｃアームが経済的であり、Ｃアームの使用が手順時間を長くすることはないため、Ｃアームは一般的なものである。

代替的な選択肢は、術中の３Ｄのｘ線撮像素子を使用することである。これらの３Ｄ撮像素子は、ＣＴスキャナ、すなわちコーンビームＣＴ（Cone Beam CT、ＣＢＣＴ）スキャナ、又はＣアームを含む。これらのシステムは、複雑な解剖学的構造のために非常に有用であり得るか、又は正確な３Ｄの局所化が重要である場合（例えば、腫瘍学及び／又は脊椎の手術の場合）に、解剖学的構造の３Ｄ表現を提供する。かかる３Ｄ画像は、静的であり、システムは、リアルタイム撮像を模倣するようにナビゲーションシステムに連結される必要がある。ナビゲーションシステムはまた、術前撮像で使用されることがある。

しかしながら、これらの３Ｄ撮像素子は、蛍光透視検査と比較したときに優れた視覚化を提供するが、欠点がある。第１に、手順のために必要とされる複雑さ及び時間がより長い。更に、術中スキャナは、患者を包囲し、撮像されている解剖学的構造への容易なアクセスを外科医に提供せず、ＣＢＣＴ Ｃアームは、患者、ユーザ、及び／又は傍観者（外科医及びスタッフ）と干渉し得る可動部分を有する。

本明細書において開示される方法、装置、及びシステムのいくつかは、術中ｘ線スキャニングに関する。いくつかのの実施形態では、これらの方法及びシステムは、外科用ナビゲーションシステムを使用する必要性を取り除く（ほぼリアルタイムの）高速３Ｄ再構築を有利に提供し得る。いくつかの実施形態では、システムは、手順のワークフロー及び／又は他のシステムとの統合を改善し得る、ユーザが撮像中に解剖学的構造学にアクセスすることを可能にする開形状を有し得る。いくつかの実施形態は、代替的に又は追加的に、任意の曝露された可動部分、すなわち、例えば、患者、ユーザ、及び／又は傍観者を損傷に曝露し得る撮像プロセス中に移動する任意の曝露された部分を有することを回避するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、システムは、ａ）１つ以上の経路を通じて複数の放射線ソースを移動させるためのガントリと、ｂ）患者及び／若しくは経路（複数可）を移動させるように構成され得るか、又は患者及び／若しくは経路（複数可）に対して据え付けられ得る１つ以上の放射線検出器とを備え得る。いくつかの実施形態では、経路のうちの１つ以上は、連続的な経路を含み得る。経路のうちの１つ以上は、例えば、上で放射線ソースが単一方向に連続的に移動する経路を含み得る。これにより、複数の放射線ソースの複数の経路が完全に又は部分的に重畳してもよい。他の実施形態では、経路のうちの１つ以上は、振動経路であり得（すなわち、放射線ソース（複数可）が１つ以上の経路に沿って振動する）、他の放射線ソースの中で他の経路のうちのいずれかと重畳する必要はない。

他の実施形態では、単一の可動放射線ソースを提供することができる。かかる実施形態については、可動放射線ソースは、包囲されたソースガントリ、又は任意の曝露された可動部分を撮像中に有することを回避するように構成された他のかかるエンクロージャ内に移動するように構成されてもよい。しかしながら、かかるシステムの１つ以上の特徴又は構成要素が、例えば、適切な患者の位置決めを可能にするように、撮像セッション間で移動するように構成され得ることを理解されたい。かかるシステムは依然として、任意の曝露された可動部分を撮像中に有することを回避するように構成されていると考慮されるべきである。

ソースガントリについては、検出デイバスは、患者に対してソースガントリの反対側／半球上に配置され得る。システムは、ｃ）複数の放射線ソースが移動して、放射線ソースごとに複数の放射線吸収画像を生成するときに、放射線検出器（複数可）を繰り返しサンプリングするためのプロセッサと、ｄ）再構築アルゴリズムを放射線吸収画像に適用して、物体の対象となる領域の三次元再構築を生成するコンピュータ及びコンピューティングプログラムとを更に備え得る。コンピューティングプログラムは、三次元再構築（又は三次元再構築に関する情報）を更新するように構成され得る。システムは、ｅ）３Ｄデータセット情報（又は３Ｄデータセットに関する情報、若しくは３Ｄデータセットから抽出された情報）をユーザに提供するためのディスプレイ又はインターフェースを更に備え得る。

方法は、物体の対象となる領域の三次元時間変化再構築を作成するように遂行され得る。いくつかの実施態様では、方法は、１つ以上の経路を通じて複数の放射線ソースを移動させることによって、対象となる物体領域の放射線吸収画像を取得することを含み得る。放射線吸収画像は、１つ以上の放射線検出器によって取得され得る。放射線検出器（複数可）を複数の放射線ソースとして繰り返しサンプリングして、放射線ごとに複数の放射線吸収画像を生成することができる。投影形状は、システムによって（例えば、エンコーダを使用することによって、及び以前に得られた形状キャリブレーションパラメータを「調べる」ことによって）繰り返し得られてもよい。

再構築アルゴリズム並びに／又は動作推定及び補正アルゴリズムなどのアルゴリズムを放射線吸収画像及び関連する投影形状に適用して、対象となる物体領域の三次元再構築を生成することができる。いくつかの実施形態では、再構築アルゴリズムは、反復再構築アルゴリズム並びに／又は動作推定及び補正アルゴリズムを含み得る。新しい放射線吸収画像が放射線検出器（複数可）及び複数の可動放射線ソースによって取得されるときに、三次元画像を更新することができる。この画像、この画像の少なくとも一部、及び／又は撮像処理／分析から導出されたデータ若しくは関連するデータをユーザに表示することができる。いくつかの実施態様では、この工程は、モニタなどのディスプレイ上の対象となる物体領域の三次元再構築から導出された視覚情報を表示することを含み得る。

本技術を、例えば、以下に記載される種々の態様に従って説明する。利便性のために、本技術の態様の種々の例を番号付けされた条項（１、２、３など）として説明する。これらは、例として提供されるものであり、本技術を限定するものではない。従属条項のうちのいずれかを任意の組み合わせで組み合わせ、それぞれの独立条項、例えば、条項１又は条項５内に留置することができることが留意される。他の条項を同様の様式で提示することができる。
１．物体の画像再構築データを提供するための撮像システムであって、システムが、
平面において実質的に湾曲経路に沿って移動するように構成された少なくとも２つの放射線ソースのアレイと、
平面内にない検出器とを備え、アレイが、放射線ソースの各々からの放出が実質的に同じ周波数で発生する配列内で放射線ソースが検出器に向かって放射線を放出するように構成されている、システム。
２．放射線ソースの湾曲経路が閉じられている、条項１のシステム。
３．放射線ソースの湾曲経路が円形又は楕円である、条項２のシステム。
４．放射線ソースが湾曲経路に沿って移動する、条項１に記載のシステム。
５．放射線ソースが湾曲経路に沿って振動する、条項４に記載のシステム。
６．放射線ソースが、湾曲経路に沿って第１の方向に移動し、放射線ソースのそれぞれの元の位置に向かって戻るために逆方向に移動するように構成されている、条項４に記載のシステム。
７．放射線ソースの湾曲経路が、開湾曲経路を含む、条項５のシステム。
８．放射線ソースが４つの放射線ソースを含み、４つの放射線ソースの各々が、約９０°の円弧を各々が有する別個の開湾曲経路に沿って移動する、条項７に記載のシステム。
９．別個の開湾曲経路が集合的に円形形状を形成する、条項８に記載のシステム。
１０．別個の開湾曲経路が集合的に楕円形状を形成する、条項８に記載のシステム。
１１．放射線ソースをハウジングする少なくとも１つのガントリ構成要素を更に備え、放射線ソースはガントリ構成要素内で移動するが、ガントリ構成要素は検出器に対して据え付けられたままである、条項４に記載のシステム。
１２．放射線ソースをハウジングする少なくとも１つのガントリ構成要素を更に備え、ガントリ構成要素は検出器に対して移動するが、放射線ソースはガントリ構成要素に対して据え付けられたままである、条項４に記載のシステム。
１３．物体の画像再構築データを提供するための撮像システムであって、システムが、包囲されたガントリ内で湾曲経路に沿って移動し、放射線を少なくとも１つの検出器に向かって放出する少なくとも１つの放射線ソースを備え、検出器が湾曲経路と同一平面上になく、放射線ソースが放射線を湾曲経路に沿って少なくとも２つの領域で放出する、撮像システム。
１４．放射線ソースが、湾曲経路に沿って第１の位置から湾曲経路に沿って第２の位置まで移動し、第１の位置に戻るために第２の位置で逆方向に移動するように構成されている、条項１３に記載のシステム。
１５．放射線ソースが、第２の位置に向かって移動するときに、湾曲経路に沿って少なくとも２つの領域に沿って放射線を放出する、条項１４に記載のシステム。
１６．放射線ソースの湾曲経路が、開湾曲経路を含む、条項１４のシステム。
１７．放射線ソースの湾曲経路が閉じられている、条項１３のシステム。
１８．放射線ソースの湾曲経路が円形又は楕円である、条項１７のシステム。
１９．物体の画像再構築データを提供し、撮像中に物体へのアクセスを可能にするための撮像システムであって、システムが、
実質的に第１の平面に沿って横たわる第１の湾曲及び第１の平面の外に横たわる第２の湾曲によって形成された経路に沿って移動するように構成された少なくとも１つの放射線ソースと、
間に介在する物体を用いて、放射線ソースから放出された放射線を受容するように位置決め及び構成された放射線検出器と、
検出器から放射線吸収データを受信し、再構築アルゴリズムを適用するように構成されたプロセッサと、を備える、撮像システム。
２０．プロセッサが、２つ以上のプロセッサを含む、条項１９に記載のシステム。
２１．第２の湾曲が、実質的に第２の平面内に横たわる、条項１９に記載のシステム。
２２．放射線吸収データを使用して、３Ｄのｘ線画像を生成することを更に含む、条項１９に記載のシステム。
２３．第１の放射線ソースが経路に沿って移動するときに、物体の３Ｄのｘ線画像が生成される、条項２２に記載のシステム。
２４．解剖学的構造の３Ｄのｘ線画像の視覚表現を提供するためのディスプレイを更に備える、条項２２に記載のシステム。
２５．経路に沿って移動するように構成され、第１の放射線ソースから隔置された第２の放射線ソースを更に備える、条項１９に記載のシステム。
２６．第１の放射線ソース及び第２の放射線ソースが、経路に沿って互いに対向して位置決めされ、同じ速さで移動する、条項２４に記載のシステム。
２７．検出器が、第２の経路を通じて移動するように構成された第１の放射線検出器と第２の放射線検出器とを含み、第２の経路が、実質的に第２の平面に沿って横たわり、第２の平面の外側に横たわる第４の湾曲に沿った第３の湾曲を有する、条項２４に記載のシステム。
２８．経路が概ね円筒正弦波である、条項１９に記載のシステム。
２９．経路が概ね球面正弦波である、条項１９に記載のシステム。
３０．検出器が据え付けられている、条項１９に記載のシステム。
３１．第１の放射線ソースから放出された放射線が物体を検出器に向かって貫通するように、第１の放射線ソースとは反対の位置で第２の経路に沿って移動する、条項１９に記載のシステム。
３２．第１の放射線ソースを支持するための包囲されたガントリを更に備える、条項１９に記載のシステム。
３３．第１の放射線ソースが、概ねトロイダル形状の構造内にハウジングされている、条項１９に記載のシステム。
３４．第１の放射線ソース及び第２の放射線ソースが、別個の構造内にハウジングされている、条項１９に記載のシステム。
３５．第１の放射線ソース及び第２の放射線ソースが、連続的に変化する角度にわたって回転可能である、条項１９に記載のシステム。
３６．検出器が、別個の第１の検出器と第２の検出器とを含む、条項１９に記載のシステム。
３７．プロセッサが、検出器を繰り返しサンプリングするように構成されている、条項１９に記載のシステム。
３８．経路が連続的である、条項１９に記載のシステム。
３９．経路が断続的であり、第１の放射線ソースが物体の一部のみを中心に移動する、条項１９に記載のシステム。
４０．物体のｘ線画像データを生成するための方法であって、方法が、
物体に対して経路に沿って第１の放射線ソースを移動させることであって、経路が、実質的に第１の平面に沿って横たわる第１の湾曲及び第１の平面の外に横たわる第２の湾曲を有する、移動させることと、
第１の放射線ソースが経路に沿って移動するときに、異なる記録角度から患者の投影画像を記録することとを含む、方法。
４１．第２の湾曲が、実質的に第２の平面内に横たわる、条項４０に記載の方法。
４２．第１の放射線ソースが、概ね円筒正弦波経路に沿って移動する、条項４０に記載の方法。
４３．経路に沿い、かつ第１の放射線ソースから隔置された第２の放射線ソースを移動させることを更に含む、条項４０に記載の方法。
４４．投影画像を記録することが、同じ周波数で投影画像を記録することを含む、条項４０に記載の方法。
４５．第１のエネルギーレベルで第１の放射線ソースを設定し、第２のエネルギーレベルで第２の放射線ソースを設定することを更に含む、条項４４に記載の方法。
４６．投影画像から３Ｄのｘ線画像をプロセッサによって構築することを更に含むことを更に含み、３Ｄのｘ線画像を構築することが、サブトラクション投影画像から３Ｄのｘ線画像を構築することを含む、条項４０に記載の方法。
４７．異なる時間に実質的に同じ位置から撮影された投影画像をサブトラクションすることを更に含む、条項４６に記載の方法。
４８．異なるエネルギーで実質的に同じ位置から投影画像をサブトラクションすることを更に含む、条項４６に記載の方法。
４９．投影画像から３Ｄのｘ線画像をプロセッサによって構築することを更に含む、条項４０に記載の方法。
５０．生成される新しいサブトラクション投影画像として３Ｄのｘ線画像を更新することを更に含む、条項４８に記載の方法。
５１．３Ｄのｘ線画像を構築することが、多重解像度技法を適用して、第１の解像度の第１の３Ｄ画像、及び第１の解像度よりも高い解像度の後続画像を提供することを含む、条項４８に記載の方法。
５２．３Ｄのｘ線画像をディスプレイ上に表示することを更に含む、条項４８に記載の方法。

本発明のいくつかの実施形態による撮像システムの一例では、システムは、標的物体の表面下の標的物体の少なくとも内部部分の三次元画像データを生成するように構成されたｘ線トモシンセシス画像再構築システムと、表面三次元画像データを生成することによって、標的物体の表面の少なくとも一部の画像を再構築するように構成された三次元光学撮像システムとを備え得る。光学撮像システムは、ｘ線トモシンセシス画像再構築システムに位置合わせされ得る。システムは、画像再構築アルゴリズムを適用して、標的物体の再構築された三次元画像を生成するように構成されたプロセッサを更に備え得る。再構築アルゴリズムは、三次元画像データの画像品質を改善し、標的物体の画像を再構築するための制約、例えば、密度制約又は幾何学的制約として、ｘ線トモシンセシス画像再構築システムからの三次元画像データを使用し、かつ三次元光学撮像システムからの表面三次元画像データを使用するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、再構築アルゴリズムは、反復再構築技法を含み得る。

いくつかの実施形態では、三次元光学撮像システムは、外科用器具又はインプラントの表面の少なくとも一部の画像を、外科用器具又はインプラントの表面の少なくとも一部についての表面三次元画像データを生成することによって再構築するように更に構成され得る。したがって、密度制約は、少なくとも部分的に、外科用器具又はインプラントから導出された密度プロファイルを含み得、再構築アルゴリズムは、三次元画像データの画像品質を改善するための制約として、外科用器具又はインプラントの密度プロファイルを適用するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、システムは、表面三次元画像データからのゼロ密度の制約を適用するように構成され得る。いくつかのかかる実施形態では、標的物体は、患者を含み得、ゼロ密度の制約は、標的物体の表面の少なくとも一部の外側、及び外科用器具の表面の少なくとも一部の外側の領域に適用され得る。

いくつかの実施形態では、制約の少なくとも一部は、表面位置合わせを介して、標的物体の表面の少なくとも一部に位置合わせされた先験的な三次元質量減衰画像から導出され得る。

他の実施形態による撮像システムの別の例では、システムは、標的物体の表面下の標的物体の対象となる領域の三次元画像データを生成するように構成されたｘ線トモシンセシス画像再構築システムと、標的物体の少なくとも一部の表面三次元画像データを生成するように構成された三次元光学撮像システムとを備え得る。光学撮像システムは、ｘ線トモシンセシス画像再構築システムに位置合わせされ得、三次元光学撮像システムは、標的物体の対象となる領域に挿入される用具の表面三次元画像データを生成し、用具の表面三次元画像データを、用具が標的物体の表面に対して移動するときに生成するように構成するように更に構成され得る。システムは、用具の表面三次元画像データを時間と共にコンパイルし、標的物体に対する用具の軌道を導出するように構成されたプロセッサと、対象となる領域の少なくとも一部を表示し、対象となる領域に対する用具の軌道を動的に表示するように構成されたディスプレイとを更に備え得る。

いくつかの実施形態では、用具は、外科用器具を含み得る。

いくつかの実施形態では、システムは、ユーザが対象となる領域に対する外科用器具のための好ましい軌道を選択することを可能にするように構成され得、プロセッサは、好ましい軌道と軌道との間の分散メトリクスを動的に計算するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、ディスプレイは、分散メトリクスに対応する数、並びに軌道及び好ましい軌道の両方を説明する画像の少なくとも１つを表示するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、システムは、ユーザが標的物体の対象となる領域内で標的を選択することを可能にし、用具と標的との間の距離を動的に表示するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、撮像システムは、用具の移動に応答して対象となる領域を動的に調整するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、撮像システムは、用具の遠位先端に隣接するポイントを含むように、対象となる領域を動的に画定するように構成され得る。いくつかの実施形態では、撮像システムは、用具の遠位先端の移動によって対象となる領域が画定されるときに、ディスプレイを動的に修正するように構成され得る。

いくつかの実施形態による四次元撮像システムの一例では、システムは、標的物体の少なくとも一部の三次元画像データを生成するように構成されたｘ線トモシンセシス画像再構築システムと、標的物体の少なくとも一部の移動を追跡し、標的物体の少なくとも一部の移動に基づいて、動作モデルに対する動作データを生成するように構成された追跡システムとを備え得る。四次元画像データを含む、標的物体の少なくとも一部の再構築された三次元画像を時間と共に生成するように構成されたプロセッサもまた提供され得る。再構築アルゴリズムは、ｘ線トモシンセシス画像再構築システムからの三次元画像データを使用し、かつ追跡システムからの動作データを使用して、四次元画像データを生成するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、動作モデルは、剛性変換の使用を含み得る。

いくつかの実施形態では、追跡システムは、三次元追跡システムを含み得る。いくつかのかかる実施形態では、追跡システムは、三次元撮像システムを含み得る。三次元撮像システムは、三次元撮像システムからの動作データを使用して、再構築された三次元画像の移動を生成するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、ｘ線トモシンセシス画像再構築システムは、標的物体の少なくとも一部の移動に基づいて動作データを生成するように更に構成され得、撮像システムは、追跡システムからの動作データをｘ線トモシンセシス画像再構築システムからの動作データと組み合わせて、再構築された三次元画像の移動を生成するように構成され得る。

いくつかの実施形態による撮像システムの更に別の例では、システムは、標的物体に対して動作中の用具又はインプラントの動作データを含む第１のデータ層を生成するように構成された三次元追跡システムと、標的物体の少なくとも一部及び標的物体に対して動作中の用具又はインプラントの投影画像データを得るように構成されたｘ線トモシンセシス撮像システムとを備え得る。三次元追跡システムは、ｘ線トモシンセシス撮像システムに位置合わせされ得る。システムは、第２のデータ層を、三次元追跡システムから、及びｘ線トモシンセシス撮像システムからの投影画像データから生成するように構成されたプロセッサを更に備え得る。いくつかの実施形態では、プロセッサは、再構築アルゴリズムを使用して、第１のデータ層及び第２のデータ層を個別に再構築するように構成されており、各データ層は、異なる制約を有し、プロセッサは、第１のデータ層を第２のデータ層と組み合わせて、用具又はインプラントと共に標的物体の少なくとも一部の再構築された三次元画像を生成するように更に構成され得る。

いくつかの実施形態では、三次元追跡システムは、先験的な密度プロファイルを使用して用具又はインプラントを特定するように構成され得、三次元追跡システムは、用具又はインプラントに基づいて導出された密度プロファイルを使用して、第２のデータ層の再構築を改善し、それによって三次元画像の再構築を改善するように更に構成され得る。

いくつかの実施形態では、三次元追跡システムは、用具又はインプラントの移動を追跡することによって動作データを生成するように構成された三次元光学撮像システムを含み得る。

いくつかの実施形態では、用具又はインプラントの形状及び色のうちの少なくとも１つを使用して、用具又はインプラントを、先験的な密度プロファイルと用具又はインプラントに基づいて導出された密度プロファイルとを使用することによって特定して、第２のデータ層の再構築を改善し、それによって三次元画像の再構築を改善することができる。

主題の技術の追加の特徴及び利点は、以下の説明に記載され、その一部は説明から明らかであるか、又は主題の技術の実施によって学習されてもよい。主題の技術の利点は、特に、記載された説明内に指摘された構造及びその実施形態、並びに添付の図面によって実現及び達成されるであろう。

上述の概要及び以下の詳細な説明の両方は、例示的かつ説明的であり、主題の技術の更なる説明を提供することを意図していることを理解されたい。

一実施形態との組み合わせで本明細書に開示される特徴、構造、工程、又は特性は、１つ以上の代替的な実施形態において任意の好適な様式で組み合わせられてもよい。

本明細書に記載される開示は、非限定的で非包括的である例示的な実施形態を説明する。図に示されるかかる例示的な実施形態のうちのいくつかに参照がなされる。

撮像システムの一実施形態の斜視図である。

撮像システムの代替的な実施形態を示す。

撮像システムの代替的な実施形態の概略的描写である。

撮像システムの別の代替的な実施形態の概略的描写である。

撮像システムのまた別の実施形態の概略的描写である。

撮像システムの更に別の実施形態を示す。

図５の線５Ａ−５Ａから取り込まれた断面図である。

図５の線５Ａ−５Ｂから取り込まれた断面図である。

撮像システムの更に別の実施形態の概略的描写である。

撮像システムのまた別の実施形態の概略的描写である。

撮像システムの別の実施形態を示す。

撮像システムのまた別の実施形態を示す。

撮像システムの更に別の実施形態を示す。

撮像システムの一実施形態の斜視図である。

図１０の撮像システムの撮像アセンブリの拡大図である。

物体の少なくとも一部の再構築画像データを生成するための方法の実装例を示すフローチャートである。

物体の少なくとも一部の再構築画像データを生成するための方法の別の実装例を示すフローチャートである。

物体の少なくとも一部の再構築画像データを生成するための方法のまた別の実装例を示すフローチャートである。

いくつかの実施形態によるｘ線撮像システム及び光学撮像システムを備える撮像システムの斜視図である。

いくつかの実施形態によるｘ線撮像システム及び追跡システムを備える撮像システムの斜視図である。

ｘ線撮像システム及び光学撮像システムを備える撮像システムを示し、グラフは、撮像システムの本発明の原理を使用することが、患者の対象となる領域に関連付けられた密度プロファイルの精度をいかに改善させ得るかを示す。

脊椎の解剖学的構造の制約されない再構築を示す。 脊椎の解剖学的構造の制約された再構築を示す。

いくつかの実施形態に従って対象となる領域に沿って外科用用具を追跡及び撮像するためのｘ線撮像システム及び光学追跡システムを備える撮像システムの斜視図である。

いくつかの実施形態及び実装例に従って、３Ｄ光学システム及びｘ線システムを備える撮像システムの操作を説明する概略図である。

いくつかの実施形態及び実装例に従って、追跡システム及びｘ線システムを備える撮像システムの操作を説明する概略図である。

他の実施形態及び実装例に従って、追跡システム及びｘ線システムを備える撮像システムの操作を説明する概略図である。

本明細書において図面内で概ね記載及び説明されるように、本開示の構成要素を各種の異なる構成で配置及び設計することができることが容易に理解されるであろう。したがって、装置の実施形態の以下のより詳細な説明は、開示の範囲を限定することを意図しないが、単に開示の可能な実施形態を表すものである。いくつかの場合では、周知の構造、材料、又は操作は、詳細に示されていないか又は説明されていない。

撮像データを提供するための装置、方法、及びシステムの様々な実施形態及び実装例を本明細書において開示する。いくつかの実施形態では、システムは、経路又は軌道に実質的に沿って移動する複数の放射線ソースを使用し得る。複数の放射線ソースを使用することにより、システムが全経路から投影を取得し得る速さ増加させることができ、これは、更新の取得時間及び待ち時間を低減し得る。

いくつかの実施形態及び実装例において、追跡システム及び／又はカメラを使用して、画像ガイダンスのための３Ｄ及び／又は４Ｄの再構築を強化することなど、画像再構築及び／又は画像再構築強化に関する装置、方法、及びシステムの様々な追加の実施形態を本明細書において開示し、上記の実施形態のうちのいくつかは、前述の複数の可動放射線ソースなどのｘ線撮像システムのうちの１つ以上の要素を組み込むことができる。

以下の用語は、本明細書において以下のように定義されるものとする。

撮像される物体：画像再構築システムによって撮像される物体又は物体の集合体。

質量減衰再構築：ある体積に関する撮像される物体の質量減衰特性を決定する方法。

光学再構築：撮像される物体の反射面を決定する方法。

３Ｄのｘ線画像再構築システム：ｘ線投影画像を取得し、撮像物体上で質量減衰及び／又は線減衰再構築を遂行するシステム。

３Ｄ光学画像再構築システム：光学画像を取得し、撮像画像上で光学再構築を遂行するシステム。

追跡システム：参照フレームに対して物体の位置及び／向きを提供するシステム。

いくつかの実施形態では、放射線ソース（複数可）は、共通の平面内で円形であり得る経路（複数可）又は軌道（複数可）に実質的に沿って移動し得る。経路（複数可）又は軌道（複数可）はまた、円筒正弦波若しくはサドル形状の経路、球面正弦波、双曲放物面経路、又は他の三次元経路若しくは軌道に実質的に沿っていることがある。他の経路は、範囲の少なくとも一部に沿った直線又は線であることがある。経路（複数可）は、（例えば、サドルの縁に沿うような）２つの頂点及び２つの谷部、３つの頂点及び谷部、４つの頂点及び谷部、５つの頂点及び谷部など、複数の頂点及び谷部を有し得る。更に、いくつかの実施形態は、経路（複数可）が様々な振幅又は高さの頂点及び谷部で波動するように構成され得る。経路（複数可）は、画像である物体を通過する平面内に縦貫若しくは延伸するか、上記の平面から縦貫若しくは延伸するか、及び／又は上記の平面内に少なくとも部分的に縦貫若しくは延伸し得る。経路（複数可）を１つ以上の平面内で湾曲させることができる。経路（複数可）は、連続的な湾曲又は屈曲を有し得る。いくつかの実施形態では、経路（複数可）は、開湾曲経路などの断続的なものであり得、標的の空間若しくは物体の全周未満に沿って延伸するか、又は標的の空間若しくは物体を不完全に取り囲むことができる。例えば、開湾曲経路は、そのエンドポイント、例えば、円形又は楕円の９０度の円弧から離れているか又は隔置されている開始ポイントを備え得る。経路（複数可）は、１つ以上の角部、急旋回部、又は断続部を画定し得る。複数の別個の経路を、複数の別個のソース、並びに／又は１つ以上のソースを有する検出器及び／若しくは複数の別個の経路に沿って移動する検出器のために使用することができる。

いくつかの実施形態では、１つ以上の放射線ソースの経路のうちの１つ以上は、１つ以上の放射線検出器の経路のうちの１つ以上に少なくとも実質的に整合するように構成され得る。いくつかのかかる実施形態では、例えば、ソース経路又は経路は、検出器経路と同じ形状（必ずしも同じサイズではない）を有し得る。ある特定の好ましい実施形態では、放射線ソースは、各ソースが所与の時点で検出器の位置と対応する位置に位置決めされるように、検出ソースに対して同じ角度の速さで移動するように構成されている。したがって、１つの経路が他よりも大きい実施形態では、例えば、より大きな経路上のソース（複数可）及び／又は検出器（複数可）は、より小さい経路上のソース（複数可）及び／又は検出器（複数可）よりも速く（但し、同じ角度又は回転の速さで）移動するであろう。

他の実施形態では、検出器（複数可）を、患者及び／又は経路（複数可）に対して据え付けることができる。システムは、少なくとも１つの放射線ソース及び／又は少なくとも１つの放射線検出器のための２つ以上の経路を備え得る。

いくつかの実施形態では、システムは、少なくとも１つの放射線ソース及び／又は少なくとも１つの放射線検出器のために、標的空間の上の１つ以上の経路と標的空間の下の１つ以上の経路とを備え得る。

例えば、システムは、標的空間の下に少なくとも１つの放射線ソース及び／又は少なくとも１つの放射線検出器と共に、標的空間の上の経路に少なくとも１つの放射線ソース及び／又は少なくとも１つの放射線検出器を備え得る。他の実施形態では、システムは、標的空間の上の２つの経路に別の少なくとも１つの放射線ソース及び／又は少なくとも１つの放射線検出器と共に、標的空間の下の経路の２つの経路に少なくとも１つの放射線ソース及び／又は少なくとも１つの放射線検出器を備え得る。

いくつかの実施形態では、システムは、回転し、それによってシステムを有限数／少数のソースで動作させる放射線ソースを有し得、更に、良好な画像再構築品質を有するために必要とされる角度密度（例えば、１度ごとの投影）に関する適用範囲を有し得る。

更に、いくつかの実施形態では、システムは、患者の解剖学的構造へのアクセスをユーザに提供するために、別個の、検出デバイスに対して患者の反対側にあるソースガントリを使用し得る。例えば、システムは、ガントリと検出デバイスとの間の解剖学的構造に近づけることによってユーザのためのアクセスを提供し、同様に手術台との互換性を備えることができる。他の例では、システムは、ガントリ及び／又は検出デバイスの上の解剖学的構造へのユーザのためのアクセスを提供することができる。かかる実施形態では、システムは、追跡部を備え得る。

２つの半球（１つは放射線ソース用、１つは検出デバイス用）の分離は、３Ｄ画像に関する解の数学的な問題（画像再構築とも称される）を不良設定にする。したがって、正則化（典型的にはアルゴリズムの収束を助ける先験的な制約）を使用するコンピュータ集約型反復アルゴリズムを、かかる画像再構築中に使用することができる。

更に、複数の回転する検出器を有するいくつかの実施形態では、投影画像を観察しない検出器を使用して後方散乱ｘ線を観察することができる。後方散乱ｘ線を使用して、例えば、正則化関数を動的に変更することによって、再構築の品質を改善することができる。

図１は、ガントリ１１０を備える撮像システム１００の一実施形態を示す。ガントリ１１０は、１つ以上の可動放射線ソースを含む及び／又はハウジングするように構成された円形のガントリを含む。本明細書で使用される際、「ガントリ」という用語は、撮像するのに好適な位置内に様々な放射線ソース及び／又は検出器を位置決めするように構成された任意の構造要素を包含するものと理解されたい。ガントリ１１０は、任意の曝露された可動部分、すなわち、例えば、患者、ユーザ、及び／又は傍観者を損傷に曝露し得る撮像プロセス中に移動する任意の曝露された部分を有することを回避するように構成された包囲されたガントリを更に含む。したがって、ガントリ１１０内に含まれる放射線ソースの各々（図示せず）は、かかる移動を促進する可動部分がガントリ１１０の外側に曝露されないように構成されている。

撮像システム１００は、フラットパネル検出器を含み得る検出器１２０を更に備える。検出器１２０は、据え付けの単一のデジタル検出器を更に含み得る。

ガントリ１１０は、例えば、経路に実質的に沿って延伸する、ｘ線ソースなどの１つ以上の放射線ソースをハウジングし得る。経路は、上記で論じられるような任意の様々な形状であり得る。図１は、検出器１２０が患者の下に位置決めされ、ガントリ１１０が患者５０の上に位置決めされている１つの可能な構成を示す。ガントリ１１０は、それ自体が回転し、それによって内部／上部に含まれる１つ以上の放射線ソースを回転させるように構成されてもよい。代替的に、１つ以上の放射線ソースを据え付けガントリ１１０とは独立して移動するように構成することができる。

図１に示されるように、ガントリ１１０は、上に患者５０が横たわるベッド６０の上の円形又は楕円の経路で１つ以上の放射線ソースを移動させるように構成されてもよい。円形又は楕円の経路は、所望の場合には単一の平面内にあってもよい。更に、検出器パネル１２０などの１つ以上の検出器パネルを、ソース（複数可）及び患者５０の下方に位置決めして、それらから放出される放射線を検出することができる。示されるように、検出器（複数可）１２０をベッドの上で患者の下に位置決めすることができる。しかしながら、代替的な実施形態では、以下に記載されるように、検出器（複数可）は、別個のハウジング上又は内で患者の下に位置決めされてもよいし、又は患者の上に位置決めされてもよい。

いくつかの実施形態では、ａ）ガントリ及びｂ）検出器アセンブリのうちの少なくとも１つは中空であり得る。比較的小さい断面を備える中空要素を有することにより、ユーザが、中空部分を患者の近くに配置することによって、ソース及び／又は検出器の中空部分から解剖学的構造にアクセスすることが可能となり、それによって直接ｘ線ビームが外科医に曝露されるリスクを排除又は少なくとも低減し、手順中の照明との互換性を提供するか、並びに／又は別様に手順をより便利にするか及び／若しくはリスクを低くすることができる。

検出器アセンブリが中空である実施形態では、検出器アセンブリを、静的検出器によって形成（若しくは複数の静的検出器をアセンブル）することができるか、又は１つ以上の放射線ソースに対応する複数の回転する検出器から構成することができる。いくつかの実施形態では、検出器（複数可）を複数の放射線ソースの上に位置決めすることができる。かかる実施形態は、これらの実施形態ではｘ線又は他の放射線ソースを患者の真下に、検出器を患者の上にすることが可能であり、外科医に対する錯乱放射線（散乱放射線は、ソースに向かって、例えば、外科医の足に向かって「跳ね返る」傾向がある）を減少させるため、大いに価値があるものであり得る。

ソース及び検出器のガントリが患者に近く、ユーザがトロイダル形状のガントリの中央開口部から、又はシステムの別の中空部分を通じて解剖学的構造にアクセスするいくつかの実施形態では、ソース及び検出器の形状は、手順中に患者の軸に沿ってシステムの簡単な位置決めを可能にするように、患者の軸に沿って中心でオフセットされた部分を有し得る。かかる構成の例を図５に示し、それに関連してより詳細に論じる。

上述のように、放出経路又は軌道は、任意の接続された形状、卵形の形状又は豆のような形状若しくは８の字のような形状のものであり得る。これは、８又は豆のような形状の狭窄部の下に立っている可能性の高い外科医及び／又は他の傍観者にｘ線ソースを照射する可能性を低減する。

図２は、別の撮像システム２００の例を示す。撮像システム２００は、２つのガントリ、すなわち、ガントリ２１０ａ及び２１０ｂを備え、上記のガントリの各々は、そのそれぞれのガントリによって画定される経路内で移動するように構成された１つ以上の放射線ソースを備える。いくつかの実施形態では、ガントリ２１０ａ及び２１０ｂの両方は、可動ｘ線ソースなどの複数の可動放射線ソースを備える。上記のように、いくつかの実施形態では、放射線ソースをガントリに対して据え付けることができ、この場合、ガントリは移動可能であってもよい。代替的に、ガントリを、ガントリによって画定される経路内で移動し得る放射線ソース（複数可）をガイドするように構成することができる。

ガントリ２１０ａ及び２１０ｂのうちの１つ又は両方は、放射線ソースを備え得、放射線ソースは、それらのそれぞれのガントリによって画定される全湾曲経路（いくつかの実施形態では、円形）内で移動する。代替的に、ガントリ２１０ａ及び２１０ｂのうちの１つ又は両方を、それらのそれぞれの放射線ソース（複数可）がそれらのそれぞれのガントリによって部分的に画定される経路内のみを移動するように構成することができる。

システム２００は、台６０の下（及び患者５０の下）に位置決めされるフラットパネルを備える検出器２２０を更に備える。図２に示されるように、ガントリ２１０ａ及び２１０ｂの各々を、検出器パネル２２０に向かって内方に角度付けすることができる。換言すれば、検出器パネル２２０を患者５０の軸に対して少なくとも実質的に並列な軸に沿って位置決めすることができ、ガントリ２１０ａをかかる軸に対して第１の方向に角度付けすることができ、ガントリ２１０ｂをかかる軸に対して第２の反対方向に角度付けすることができる。いくつかの実施形態では、ガントリ２１０ａ及び２１０ｂのうちの１つ又は両方は、検出器２２０の寸法に少なくとも実質的に等しい、円形のガントリの場合の直径などの寸法を備え得る。

図３Ａ及び図３Ｂはそれぞれ、３つの可動放射線ソースを備える撮像システム３００Ａ及び３００Ｂの別の実施形態についての概略を示す。図３Ａは、各々が単一の円形の経路３０５に沿って移動する３つの可動放射線ソース、すなわち、ソースＡ、Ｂ、及びＣを備えるシステム３００Ａを示す。好ましくは、これらのソースの各々は、各ソース間の距離が一定のままであるように、少なくとも実質的に同じ速さで、（矢印によって示されるように）経路３０５に沿って同じ方向に移動する。

図３Ａに同様に示されるように、様々なソース（図では３つが示されているが、所望どおりに任意の数のソースを使用することができる）の各々は、デジタルフラットパネル検出器又は他のかかる検出器などの検出器３２０に向かってｘ線又は他の放射線を放出し得る。特定の放射線ソースと、患者５０の解剖学的構造の一部と、検出器３２０との間の交差部は、患者の解剖学的構造の特定の体積５５の再構築を可能にし得る。経路３０５周囲でソースを移動させることによって、患者５０の解剖学的構造の様々な投影を様々な方向から撮影し、所望どおりに解剖学的構造の体積の三次元再構築を提供するために使用することができる。

図３Ａに示される実施形態では、この図において矢印によって示されるように、（任意の所与の時間で経路３０５に沿って異なるポイントで明白であるが）様々なソースの各々を同じ経路３０５に沿って移動させるように構成することができる。しかしながら、様々な他の実施形態が企図される。例えば、前述のように、ソースの様々な他の番号を所望どおりに使用することができる。実際には、ある特定の実施形態については少なくとも２つのソースが好ましいが、以下でより詳細に記載されるように、他の実施形態は、単一の放射線ソースを備え得る。

加えて、他の実施形態では、様々な放射線ソースの各々、又は少なくとも放射線ソースのサブセットは、別個の可動経路を占有し得る。例えば、図３Ｂは、３つの放射線ソース（Ａ、Ｂ、及びＣ）が独立した経路に沿って振動する以外は図３Ａに類似する一実施形態を示す。より具体的には、これらの経路上にそれぞれの矢印で示されるように、ソースＡは湾曲経路３０５Ａの両端間で振動し、ソースＢは湾曲経路３０５Ｂの両端間で振動し、ソースＣは湾曲３０５Ｃの両端間で振動する。

図３Ｂに同様に示されるように、各種経路３０５Ａ、３０５Ｂ、及び３０５Ｃの組み合わされた軌道は、図３Ａの実施形態の単一の経路３０５の形状と少なくとも実質的に整合している。しかしながら、この場合もまた、所望どおりに、広範囲にわたる他の数の放射線ソースのために広範囲にわたる他の数の振動経路を採用することができる。例えば、２つの放射線ソースが採用され得、この場合に、ソースが振動するように構成されていると想定すると、上記のソースは、円形の経路を一緒に画定する半円形を画定するそれぞれの経路間で振動し得る。もちろん、いくつかの実施形態では、実用的な理由のために、技術的に各種ソースの集合的な経路は、互いに正確に接触することはできない。しかしながら、実質的に図３Ｂに示される形態の構成は、各種経路間に小さな間隙部が存在することがあっても、集合的な円形の経路を実質的に画定する複数の個別のソース経路を備えると考慮されてもよい。

当業者が理解するように、ソース経路（複数可）は、複数のソース用の単一の経路であろうと、個別のソースがとる複数の経路によって画定される集合的な経路であろうと、所望の用途に依存して、他の形状及び／又はサイズを代替的に含み得る。更に、いくつかの実施形態は、例えば、撮像される異なる患者及び／又は解剖学的構造／特徴に適合させるために、ソース経路のうちの１つ以上を再構築することを可能にするように構成されてもよい。

しかしながら、ある特定の好ましい実施形態は、１つ以上の経路に沿って移動する少なくとも複数の放射線ソースを備える。かかる経路（複数可）は、いくつかのかかる実施形態では閉じられていてもよい。複数のソースを有することは、吸収画像などの画像が取得され得る速さ、角度適用範囲、及び／又は効率を増加させるのに有用である場合がある。これは、撮像の更新の取得時間及び／又は待ち時間を低減することを可能にし得る。

加えて、ある特定の好ましい実施形態は湾曲した放射線ソース経路を備え、他の実施形態ではソース経路のうちの１つ以上は線形であり得ることを理解されたい。いくつかのかかる実施形態では、すべての放射線ソース経路によって画定される集合的な経路は多角形を含み得る。いくつかのかかる実施形態では、かかる多角形は、円形などの湾曲経路に近似し得る。

システム３００Ａ同様、システム３００Ｂは、フラットパネル検出器を含み得る検出器３２０を更に備える。特定の放射線ソースと、患者５０の解剖学的構造の一部と、検出器３２０との間の交差部は、患者の解剖学的構造の特定の体積５５の再構築を可能にし得る。加えて、検出器と比較して、患者から分離して及び患者の反対側に、ガントリ内に配置されてもよいし、ガントリの上に配置されてもよいし、又は別様にガントリと連結されてもよいソースを有することは、ガントリと検出器との間の解剖学的構造に近づけることによって、ユーザに解剖学的構造へのアクセスを提供し得、同様に手術台、椅子などとの互換性を提供し得る。

様々な放射線ソース及び検出器の発射／検出配列も所望どおりに変化し得る。例えば、いくつかの実施形態では、配列は連続的であってもよい。換言すれば、各ソースは、放射線を放出し、次いで、画像を提供するために連続的に検出器によって検出されてもよい。いくつかのかかる実施形態では、発射／放出された各ソースは、隣接するソースなどの別のソースに先立って検出されて、放射線を放出してもよい。

代替的に、配列は並列であってもよい。換言すれば、複数のソースは、同時に又は少なくとも実質的に同時に放射線を放出し、次いで、検出器によって一緒に読み取られてもよい。

図４は、可動放射線ソースと可動検出器とを備える撮像システム４００の代替的な実施形態を示す。この図に示されるように、２つの放射線ソースＡ及びＢは、湾曲経路４０５内で移動するように構成されている。経路４０５は、例えば、円形又は卵形の形状を画定し得る。前述のように、放射線ソースＡ及びＢは、ガントリ内に位置決めされてもよいし、ガントリの上に位置決めされてもよいし、又は別様にガントリと連結されていてもよい。かかるガントリを患者５０の第１の側に位置決めすることができる。

第１の側とは反対の患者５０の第２の側で、検出器４２０Ａ及び４２０Ｂを位置決めして、同様に経路４２５に沿って移動させることができる。いくつかの実施形態では、経路４２５は、経路４０５と同様又は同一の形状及び／又はサイズを有し得る。検出器４２０Ａ及び４２０Ｂは、フラットパネル検出器を含み得る。いくつかのかかる実施形態では、検出器４２０Ａ及び４２０Ｂを患者５０に対して内方へ傾斜させるか又は角度付けすることができ、これは、解剖学的構造又は特徴の画像の再構築された体積を増加させるのを助けるのに有用である場合がある。

いくつかの実施形態では、検出器４２０Ａ及び４２０Ｂは、ソースＡ及びＢと同じ方向に移動し得る。代替的に、検出器４２０Ａ及び４２０Ｂは、ソースＡ及びＢが経路４０５内で移動する方法に対して反対方向に経路４２５に沿って移動し得る。

いくつかの実施形態では、検出器４２０Ａ及び４２０Ｂを、患者５０及び／又は経路４０５の平面及び／又は軸に対して水平方向に位置決めすることができる。いくつかの実施形態では、検出器とソースとを同期させて、検出器への放射線の直接発射を可能にすることができる。例えば、検出器を、（検出器がパネルを備えるか又は別様にフラットであると仮定して）検出器に対して垂直又は少なくとも実質的に垂直な角度で検出器にヒットするように位置決めすることができる。

いくつかの実施形態は、同じ経路に沿って移動するように構成されたソース及び検出器の組み合わせを備え得る。例えば、システム４００はまた、経路４０５内を移動するように構成されているソースＡ及びＢに分散された２つの追加の検出器４２０Ｃ及び４２０Ｄを備え得る。検出器４２０Ｃ及び４２０Ｄは、検出器４２０Ａ及び４２０Ｂと共に経路４２５内で移動するように構成され得るソースＣ及びＤから放射線を受容するように構成され得る。

更に別の代替として、いくつかの実施形態では、検出器（複数可）を患者／解剖学的構造の上に位置決めすることができ、ソースを患者／解剖学的構造の下に位置決めすることができる。これは、例えば、外科医又は傍観者の上部へのより少ないｘ線又は他の放射線の散乱をもたらすある特定の用途にとって有用である場合がある。

図５は、複数の可動放射線ソースと検出器とを備える撮像システム５００の代替的な実施形態を示す。システム５００は、２つの可動放射線ソースＡ及びＢのための経路を画定する第１のエンクロージャ５１０を備える。システム５００は、対応する数の検出器５２０Ａ及び５２０Ｂのための第２のエンクロージャ５３０を更に備える。患者５０を放射線ソースと検出器との間に位置決めすることができる。検出器５２０Ａ及び５２０Ｂは、湾曲しており、エンクロージャ５３０のものと少なくとも実質的に整合する湾曲部を有するように示されているが、検出器５２０Ａ及び５２０Ｂがフラットパネル検出器を含む他の実施形態が企図されることを理解されたい。

図５に示されるように、エンクロージャ５１０は、平面ではないソースＡ及びＢのための経路を画定するように形づくられてもよい。より具体的には、エンクロージャ５１０は、「サドル」の形状で構成されてもよいし、又は別様に、谷部若しくはこの領域内に患者を部分的に位置決めすることを可能にする他のかかるオフセットされた領域を備えてもよい。これは、ある特定の解剖学的領域へのアクセスを改善し得、及び／又は画像品質を改善し得る。

同様に、図５に同様に示されるように、検出器のエンクロージャ５３０は、１つ以上のソース及び１つ以上の検出器を特定の時点でより近く近似させる、反対方向に向けられた同様の形状を含み得る。

いくつかの実施形態では、ソースＡ、Ｂ及び／又は検出器５２０Ａ、５２０Ｂを移動させるように、エンクロージャ５１０及び５３０のうちの１つ又は両方の中にレールシステムを位置決めすることができる。代替的な実施形態では、かかるエンクロージャの１つ又は両方は代わりに、軸又は平面に沿って延伸する（又は平面に対して少なくとも実質的に延伸する）形状を含み得る。換言すれば、上記で参照される「谷部」を省略することができる。いくつかのかかる実施形態では、所望の場合、エンクロージャ５１０は回転するガントリの一部であってもよい。いくつかの実施形態では、検出器（複数可）及びソース（複数可）のうちの１つを移動するように構成することができ、１つを据え付けることができる。例えば、いくつかの実施形態では、ソースＡ、Ｂを１つ以上の所定の経路内で移動するように構成することができ、１つ以上の据え付けの検出器を使用して、かかるソース（複数可）から放射線を受容することができる。

図５Ａ及び図５Ｂは、放射線ソース及び／若しくは放射線検出器をハウジング、含有、並びに／又は別様に放射線ソース及び／若しくは放射線検出器の位置決め及び／若しくは移動を促進するために使用され得るシステム５００による構造例の部分断面図である。図５Ａは、トロイダル形のエンクロージャ５１０を示す。いくつかの実施形態では、トロイダル形のエンクロージャ５１０は、エンクロージャ５１０を患者の上（又は他の実施形態では下）に位置決めして、例えば、エンクロージャ５１０の中央開口部内に位置決めされた１つ以上の解剖学的構造の撮像を促進するように構成されたガントリの一部であってもよい。いくつかの実施形態では、エンクロージャ５１０は、その全長に沿って平面に対して少なくとも実質的に並列に位置決めされ得るが、他の実施形態は、図５に示されるように、谷又はサドルの形状を含み得る。

図５Ｂは、ハウジング、含有、並びに／又は別様に１つ以上の放射線検出器の位置決め及び／若しくは移動を促進するための別の構造又はアセンブリ５３０の部分断面図である。この図に示されるように、エンクロージャ５１０同様、構造５３０もエンクロージャを含み得る。しかしながら、エンクロージャ５３０は、矩形の断面形状を含み得る。しかしながら、他の実施形態では、エンクロージャ５３０は他の形状を含み得、所望の場合、放射線ソース（複数可）に関連付けられた構造（複数可）は、放射線検出器（複数可）に関連付けられた構造（複数可）と同様又は同一の形状及び／又はサイズであり得ることが企図される。例えば、いくつかの実施形態では、検出器アセンブリ５３０は、放射線ソース（複数可）のためのガントリ又はアセンブリの代替又は追加のいずれかでサドル形状を含み得る。

前述のように、構造５３０は、所望の場合、検出器５２０Ａ及び５２０Ｂなどの可動放射線検出器をハウジングするように構成されてもよい。代替的に、構造５３０は、１つ以上の据え付けの検出器をハウジングするように構成されてもよい。

図５Ｂに同様に示されるように、いくつかの実施形態では、構造５３０は、構造５３０内にハウジングされるか又は別様に構造５３０と連結された検出器（複数可）を、ある方向に角度付けて、撮像を更に促進するように構成されてもよい。例えば、示される実施形態では、構造５３０は、検出器５２０Ａと５２０Ｂとを互いに離して角度付けするように構成されている。この角度付けはまた、これらの検出器の検出面をエンクロージャ５１０に向かって方向付け、これにより、内部に含まれる１つ以上のソースからの放射線が、対象となる介在する解剖学的特徴に向かって、次いで、１つ以上の検出器に向かって方向付けられることが可能となる。

いくつかの実施形態では、第１の放射線ソースと第１の放射線検出器とが第１の対のデバイスを形成し得る。システムは、いくつかの対のデバイスを有し得る。いくつかの実施形態では、第１の対のソース及び第２の対の検出器が患者の同じ側に位置決めされるように、対のデバイスを位置決めし、構成することができる。ソース及び検出器は、同じ経路に沿って又は患者の同じ側の同様の経路に少なくとも沿って一緒に前進し得る。

各放射線ソースは、各々が対応する速さの割合で経路に沿って移動するように、それぞれの放射線検出器と対にされ、それぞれの放射線検出器の反対側に位置決めされ得る。例えば、ソースは、実質的に同じ速さの割合で移動することができる。しかしながら、他の実施形態では、上記のように、ソース（複数可）は、検出器（複数可）に対して異なる速さの割合で移動し得、ソース（複数可）及び検出器（複数可）のうちの１つが据え付けられていてもよい。しかしながら、好ましくは、ソース（複数可）は、検出器（複数可）と同じ角度の速さで少なくとも移動する。

図６Ａ及び図６Ｂは、後方散乱撮像として追加の撮像を提供するように構成された撮像システムの２つの代替的な実施形態を模式的に示す。システム６００Ａは、２つの放射線ソースＡ及びＢと、単一のフラットパネル検出器６２０Ａとを備える。図６Ａに示されるように、ソースＡからの透過画像６２２Ａ及び同様にソースＡからの後方散乱画像６２４Ａを介して、患者の解剖学的構造の一部５５を再構築することができる。後方散乱画像を使用して、画像再構築品質を改善することができる。

いくつかの実施形態では、検出器６２０Ａなどの検出器は、１つ以上の特定の角度で内部を通るｘ線透過のみを可能にするように構成されたｘ線グリッドを備え得る。これは、透過による散乱放射線をフィルタリングするのに有用である場合がある（逆もまた同様）。

図６Ｂは、透過撮像及び後方散乱撮像の両方を提供するように構成された撮像システム６００Ｂの代替的な実施形態を示す。しかしながら、システム６００Ｂは、２つの別個の検出器、検出器６２０Ｂ及び検出器６２０Ｂ’を備える点でシステム６００Ａとは異なる。検出器６２０Ｂ及び６２０Ｂ’は、放射線ソースＡ及びＢに対向して、撮像を促進するように、互いに内方に向かって角度付けされている。先に論じられるように、いくつかの実施形態では、検出器６２０Ｂ及び６２０Ｂ’をソースＡ及びＢと共に移動するように構成することができる。他の実施形態では、検出器６２０Ｂ及び６２０Ｂ’は据え付けられていてもよい。

図６Ｂに示される撮像の瞬間では、ソースＡからの領域５５の後方散乱画像は検出器６２０Ｂ’上で受容されており、領域５５の透過画像は検出器６２０Ｂ上で受容されている。しかしながら、操作中の様々なソース及び／又は検出器の位置決め／移動に依存して、システム６００Ｂの操作中に他のポイントにおいて、検出器６２０Ｂ’は透過画像を受信している場合があり、検出器６２０Ｂは後方散乱画像を受信している場合があることを理解されたい。任意の数の放射線ソースを所望どおりに提供することができることも理解されたい。しかしながら、２つ以上の放射線ソースを備えるある特定の実施形態については、連続的な発射配列が必要とされる場合がある。

図７は、撮像システム７００の別の実施形態を示す。撮像システム７００は、４つの放射線ソースと４つの検出器パネルとを備える。しかしながら、図においては、２つの放射線ソースと２つの対応する検出器パネルのみが可視である。より具体的には、伏臥の患者５０の上に位置決めされ得る放射線ソースＡ及びＢを図において示す。放射線ソースＡ及びＢは、例えば、患者の脊椎の一部など、対象となる解剖学的領域の部分５５の画像を提供するために、（台６０の上の）患者５０の上の１つ以上の経路内で移動するように構成され得る。他の２つの放射線ソース（図７では図示せず）は同様に、撮像の速さを増加させるために、同じ又は別個の経路の近くで移動するように構成され得る。

２つの検出器パネル、すなわち、パネル７２０Ａ及び７２０Ｂも患者５０の下に提供され得る。図７では、検出器パネル７２０ＡはソースＡから放射線を受容しており、検出器パネル７２０ＢはソースＢから放射線を受容している。パネル７２０Ａ及び７２０Ｂは、１つ以上の追跡部７３０上の１つ以上の経路内で移動されるように構成されている。示される実施形態では、単一の追跡部が提供されている。しかしながら、複数の追跡部が提供され得る他の実施形態が企図される。また、図７に示されていないが、所望の場合には、２つの追加の検出器パネルを提供することができる。図に示されるように、様々な検出器パネルが、それぞれの放射線ソースに向かって対向するように、互いに内方に向かって角度付けされている。

図８は、撮像システム８００のまた別の実施形態を示す。撮像システム８００は、放射線ソースＡ及びＢが伏臥の患者５０の下に位置決めされ、検出器パネル８２０Ａ及び８２０Ｂが患者５０の上に位置決めされている以外、撮像システム７００と同様である。撮像システム７００同様、撮像システム８００は、１つ以上の所望の経路内で様々な検出器パネルを移動させるように構成された１つ以上の追跡部８３０を備える。

図９は、撮像システム９００の更に別の実施形態を示す。撮像システム９００は、放射線ソース及び検出器の両方が一緒に移動する経路を備える。例えば、いくつかの実施形態では、放射線ソースと検出器とを対で一緒に連結することができる。例えば、第１のソースＡは第１の検出器パネル９２０Ａと連結され、第２のソースＢは第２の検出器パネル９２０Ｂと連結される。ソースＡと検出器パネル９２０Ａとを備える第１の対は第１の追跡システム９３０Ａと連結され得、ソースＢと検出器パネル９２０Ｂとを備える第２の対は第２の追跡システム９３０Ｂと連結され得る。追跡部９３０Ａは、例えば、患者５０の上の円形などの経路又は他の湾曲経路内でソースＡ及び検出器パネル９２０Ａを移動させるように構成され得る。追跡部９３０Ｂは同様に、患者５０の下の第２の経路内でソースＢ及び検出器パネル９２０Ｂを移動させるように構成され得る。

図９は、撮像システム９００の２つの代替的な実施形態を表すことができる。第１のかかる実施形態では、論じられるように、ソース（複数可）を検出器（複数可）と互いにじかに隣接して直接連結することができる。第２のかかる実施形態では、ソース（複数可）を検出器（複数可）から、但し、同じ経路内で隔置することができる（図４に示される実施形態と同様）。これら２つの可能な実施形態の後者については、図９は、中でソースＡ及びＢと検出器９２０Ａ及び９２０Ｂとが移動している撮像プロセス中に、２つの異なる時点でとられた２つの重畳画像を表すことができる。

もちろん、各種の代替が可能であることを当業者は理解するであろう。例えば、より多くの数のソース／検出器の対を使用することができる。いくつかの実施形態では、２つのかかる対を第１の経路内に提供することができ、２つのかかる対を第１の経路とは別個の第２の経路内に提供することができる。ある特定の好ましい実施形態では、患者又は撮像される患者の少なくとも一部が２つの経路の間に位置決めされ得るように、２つの経路を位置決めすることができる。他の実施形態では、４つのソース／検出器の対を第１の経路内に、及び４つを第２の経路内に提供することができる。好ましくは、各ソース／検出器の対は、なんらかの方法で「リンクされた」と考慮され得る別個の経路内に対応するソース検出器の対を有する。例えば、１つのソース／検出器の対を、１つのかかる対によるソースからの放射線が常に「リンクされた」ソース／検出器の対から検出器によって検出されるように、第２のソース／検出器の対に対向して位置決めすることができる。このように、リンクされたソース／検出器の対を少なくとも実質的に同じ角度の速さで移動するように構成することができ、好適な角度付けを維持して、かかる結果のために提供するように、移動及び角度付けすることができる。

いくつかの実施形態では、放射線ソース及び／又は検出器が、１つ以上の既定の経路内でソース及び／又は検出器を移動させるように構成された追跡部を備える回転するガントリ内で移動し得るように、本明細書に開示されるガントリ及び追跡システムを組み合わせることができる。例えば、いくつかの実施形態では、モータによって電力供給されるチェーンを使用して、ソース及び／又は検出器を単一の円形、卵形、若しくは他の湾曲経路などの１つ以上の既定の経路内で移動させることができる。

図１０は、撮像システム１０００の別の実施形態を示す。撮像システム１０００は、ガントリ１０１０と検出器１０２０とを備える撮像アセンブリ１００５を備える。ガントリ１０１０は、１つ以上の放射線ソースを備える。いくつかの実施形態では、ガントリ１０１０は、かかる放射線ソース（複数可）を１つ以上の既定の経路内で移動させるように構成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、上記で論じられるように、追跡システムを提供することができる。ガントリ１０１０は、所望の場合に、発電機及び／又はバッテリを更に備え得る。バッテリをガントリのハウジング内に埋め込んで、システムの静的部分と可動部分との間のケーブリングを減少させることができる。図１０に示される構成では、外科医及び／又はロボットは、ガントリ１０１０の「ハロー」又はドーナツホールの中心から患者を操作及び／又は触診することができる。

システム１０００は、ガントリ１０１０に連結された位置決めアーム１０１５を更に備える。位置決めアーム１０１５は、互いに対して剛性のガントリ１０１０及び／又は検出器１０２０などの検出器を保持するように構成され得るＣ字形状を含む。他の形状が可能であるが、Ｃ字形状を提供することによって、単一のユニットとして放射線ソース（複数可）と検出器（複数可）とを一緒に回転させることが可能となり、これは、異なる角度から患者の解剖学的構造にアクセスする、及び／又は異なる角度から画像を捕捉するのに有用である場合がある。しかしながら、ガントリ及び／又は放射線ソースが検出器（複数可）とは独立して（撮像セッションの間に）位置決め／移動され得る他の実施形態が企図される。

示される実施形態では、検出器１０２０は、湾曲した検出器を備える。したがって、この検出器はまた、患者が、例えば、検出器パネル上に横になるか又は別様に対象となる解剖学的領域を置くことができるように、ベッド又は静止トレーとして使用されてもよい。しかしながら、代替的な実施形態では、１つ以上の放射線検出器をかかるベッド／トレー／パネルの真下に位置決めすることができる。

いくつかの実施形態では、検出器１０２０は、１つ以上の放射線ソースから伝達される円錐状のｘ線投影からｘ線又は他の電磁放射線吸収画像を捕捉及びデジタル化するように構成されたデジタルフラットパネル検出器を含み得る。検出器（複数可）及び／又は検出器アセンブリは、所望の場合に、代替的にフラット又はＶ字形状であってもよい。

システム１０００は、異なる台の高さ、患者のサイズなどに適合させるために、撮像アセンブリ１００５を上下に移動させるように構成され得る構造上の上昇器１０４５の対を更に備える。

例えば、電源、カウンタウェイト、電子機器などを含むようにベース１０５０を提供することができる。撮像アセンブリ１００５を近くで移動させるようにホイール１０５２も提供することができる。

いくつかの実施形態では、ベース１０５０は、例えば、コンピュータ及び／又はモニタを備える対応するワークステーションの凹部内に嵌合及び格納されるように構成されてもよい。例えば、示される実施形態では、ベース１０５０の少なくとも一部を受容するための凹部１０６２を備えるワークステーション１０６０が提供されている。ワークステーション１０６０は、視覚化及び画像再構築のために使用され得るモニタ１０６４とコンピュータ１０６６とを備える。

図１１は、回転した構成で撮像システム１０００の撮像アセンブリ１００５を示す。したがって、撮像アセンブリ１００５の１つ以上の部分は、患者の撮像に適合させるか又は別様に撮像プロセスをより便利にするための回転を可能にするように構成されてもよい。矢印１００２によって示されるように、いくつかの実施形態では、これは、ガントリ１０１０及び検出器１０２０のうちの１つ又は両方に結合され得る位置決めアーム１０１５を、撮像アセンブリ１００５内の対応する湾曲したハウジング１０１７に挿入することによって達成され得る。検出器１０２０は同様に、ハウジング１０１７によって画定される追跡部に沿って移動するように構成され得る。所望の場合、要素（複数可）１０４５のうちの１つ以上を１つ以上のハウジング１０１７要素と連結することができる。

好ましくは、ガントリ１０１０及び検出器１０２０は、放射線ソース（複数可）と検出器（複数可）との相対位置が保たれるようにユニットとして一緒に移動可能である。しかしながら、ガントリ１０１０、又は１つ以上の放射線ソースをハウジングするか若しくは別様に含有する別の構造が、１つ以上の対応する放射線検出器とは独立して、撮像セッションの間に位置決め／移動され得る代替的な実施形態が企図される。

上に記載される実施形態のうちの１つ以上では、放射線ソースは、円形又は別様に湾曲した経路の中心ポイントの近くで回転又は別様に移動し、経路に沿って移動するように構成されてもよい。かかる経路の近くで振動するように構成された実施形態では、各ソースは、経路に沿って最初の又は第１の位置から移動し、次いで、第１の位置に戻るために第２の位置で逆方向に移送するように構成されてもよい。ソース（複数可）は、移動するときに、経路に沿って少なくとも２つの位置で放射線を放出するように構成されてもよい。更に、所望の場合、各ソースを別個の開湾曲経路に沿って移動させることができる。ソースの開湾曲経路は、円形、楕円形、又は他の形状を集合的に形成し得る。円形、楕円形、又は他の形状は、平面であってもよいし、又は単一平面の外に部分的に若しくは全体的に横たわっていてもよい。

例えば、いくつかの実施形態では、撮像システムには４つの放射線ソースを備えることができ、４つのソースの各々を、集合的に４つのソースが３６０度の適用範囲を有するように（集合的な経路が円形、楕円形、又は別の形状であるかどうか）、各々が約９０度の円弧を有する開湾曲経路に沿って移動するように構成することができる。

図１２、図１３、及び図１４はそれぞれ、本明細書において論じられる撮像システム及び／又は装置のうちの１つ以上によって遂行され得る撮像方法１２００、１３００、及び１４００の実装例を示す。

本明細書に開示される方法のうちのいずれにおいても、「投影」は、各々が撮像された体積と関連付けられた投影との間の幾何学的関係を説明する必要な幾何学的パラメータと関連付けられた一連の吸収投影画像を含み得る。

この方法論の一例は、２００３年１０月のＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＭＥＤＩＣＡＬ ＩＭＡＧＩＮＧ，ＶＯＬ．２２，ＮＯ．１０の中で発表された「Ｃｏｎｅ−Ｂｅａｍ Ｒｅｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ−Ｍａｔｒｉｃｅｓ」に記載されている。このようにして、本論文は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

これらの例示的な方法では、出力される３Ｄ体積は、撮像された体積の体積密度に相関する体積表現であってもよい。出力される３Ｄ体積をユーザに関連する異なる方法で視覚化することができる。典型的な視覚化方法は、例えば、コンピュータ断層撮影（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、ＣＴ）における冠状スライス、矢状スライス、又は軸スライスを提供するためのある特定の軸に沿って、出力される３Ｄ体積の一連のスライスを示すことである。

方法１２００では、ある特定の数の投影１２０１を、撮像システム、例えば、本明細書において論じられる撮像システム及び／又は装置から得ることができる。工程１２０２では、３Ｄ体積１２０３を撮像された体積の投影から再構築することができる。例えば、代数的再構築技法（ＡＲＴとしても知られる、参照番号２）などの反復アルゴリズムを使用することができる。かかる技法の例を、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｂｉｏｌｏｇｙ ２９（３）：４７１〜８１（１９７０年１２月）の中で発表された「Ａｌｇｅｂｒａｉｃ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ（ＡＲＴ）ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ ｘ−ｒａｙ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ」の中に見出すことができる。このようにして、本論文はまた、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

反復再構築の品質及び速さは、撮像された体積の希薄さ又は密度の特性に依存する。方法１２００では、取得された投影は、高密度であることを特徴とし得る。有意義な臨床情報を有する３Ｄ体積を得るために、多数の投影及び／又は反復が必要とされ、システムの待ち時間の増加をもたらすことがある。希薄な投影に基づいてより速い再構築（及びそれに伴う視覚化）を達成するための解決策を、図１３に表される方法１３００の中で説明する。データの希薄さをエクスプロイトする同様の方法が、Ｊ Ｘ−Ｒａｙ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１４：１１９〜１３９（２００６）の中で発表された「Ａｃｃｕｒａｔｅ ｉｍａｇｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｆｅｗ−ｖｉｅｗｓ ａｎｄ ｌｉｍｉｔｅｄ−ａｎｇｌｅ ｄａｔａ ｉｎ ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ ｂｅａｍ ｃｔ」などの中で提案されており、参照により本明細書にその全体が組み込まれている。

方法１３００では、工程１３０１で、ある特定の数の参照投影を得ることができる。

工程１３０２では、ある特定の数の更新された投影を、撮像システム、例えば、本明細書において論じられる撮像システム及び／又は装置を使用して得ることができる。

工程１３０３では、希薄な投影のセットを参照投影及び更新された投影から得ることができる。これはおそらく、参照投影と更新された投影との間の簡単なサブトラクションを使用して実装され得る。希薄な投影の作成は、前景抽出と称されることがある。

いくつかの実施態様では、参照投影は、本明細書において論じられる物理的システム及び／又は装置から撮影（若しくは導出）されてもよいし、又は例えば、数学的投影によって、参照３Ｄ体積１３０５から導出されてもよい。

工程１３０４は、抽出された前景の３Ｄ体積を再構築することを含み得、ある特定の実装例では、方法１２００の工程１２０２と同様の様式で操作することができる。抽出された前景の投影の希薄さゆえ、再構築アルゴリズムは、より少ない数の投影及び／又は反復を必要とし、それに伴って待ち時間を低減させる。

工程１３０６では、抽出された前景の３Ｄ体積を参照３Ｄ体積１３０５と再度組み合わせて、視覚化され得る更新された３Ｄ体積１３０７を生成することができる。

１３０５の参照３Ｄ体積は、１３０１の投影に関連付けられた撮像された体積を表す。参照３Ｄ体積は、例えば、術前ＣＴスキャン、別の先験的な画像、又は初期高解像度トモシンセシス再構築の再構築を使用して得られ得る。

いくつかの実施態様では、動作推定及び補正を使用して、参照投影に最も整合する参照３Ｄ体積を有すること、及び／又は前景抽出の希薄さを保証することができる。例えば、方法１４００を使用して、参照３Ｄ体積を更新することができる。

視覚化のために又は方法１３００における良好な参照３Ｄ体積を提供するための手段として更新された３Ｄ体積を生成するために、方法１４００を使用することができる。

方法１４００では、工程１４０１で、ある特定の参照３Ｄ体積を得ることができる。この参照３Ｄ体積は、例えば、術前ＣＴスキャン、別の先験的な画像、又は初期高解像度トモシンセシス再構築の再構築を使用して得られ得る。

工程１４０２では、ある特定の数の更新された投影を、撮像システム、例えば、本明細書において論じられる撮像システム及び／又は装置のうちのいずれかを使用して得ることができる。

工程１４０３では、動作を、例えば、反復勾配降下アルゴリズムを使用して推定及び補正することができ、更新された３Ｄ体積１４０４をもたらし得る。動作補正は、例えば、並進及び回転の変化を説明するために、６つの自由度に基づいてモデル化され得る。

方法１２００、１３００、及び１４００は、ある特定の数の投影を得ることに依存し得る。このように、ある特定の実装例におけるシステムの待ち時間は、投影を取得するためにかかる時間と、再構築方法を実行し、３Ｄ体積を得るためにかかる時間とに依存し得る。

したがって、示される方法１２００、１３００、及び１４００の各々を連続的に使用して３Ｄ体積の配列を提供し、それによってユーザに撮像された体積の変化を視覚化させることができる。

示される方法１２００、１３００、及び１４００の各々を並列計算パイプラインで使用して、３Ｄ体積のより速い配列を提供することもできる。各再構築は、ある特定の数の投影（例えば、９０個）に基づいてもよく、方法の新たな実行の各々は、システムからより少ない数（例えば、９０個より少ない１２個）の投影が得られた後に開始する。この場合、複数のインスタンスの方法を並列で実行することができ、待ち時間を低減させることができる。

示される方法１２００、１３００、及び１４００の各々を、反復アルゴリズム（反復再構築アルゴリズム１２０２若しくは１３０４、又は反復動作推定１４０３）近くで実装することができる。したがって、新しい入力が利用可能になるときに反復アルゴリズムの入力を更新することによって、各方法を継続的に使用することができる。

いくつかの実施形態では、示される方法１２００、１３００、及び１４００のうちの１つ以上は、コンピュータプログラムとして実装されてもよいし、高度に並列化されたアーキテクチャ、例えば、汎用のグラフィック処理ユニット（General Purpose Graphical Processing Unit、ＧＰＧＰＵ）上で実装されてもよい。

方法１２００、１３００、及び１４００のうちのいずれかを実装するコンピュータプログラムは、体積を迅速に更新し、追って画像を精製化する（少ない数の更新された画像、低い投影画像解像度、低いボクセル数で開始し、次いで、より多くの画像、高解像度投影画像、及び高い再構築されたボクセル数で精製化する）ために、任意選択の多重解像度技法を使用し得る。

本明細書に開示される１つ以上のシステムは、放射線ソースを異なるエネルギーレベル（ｋＶ又はｅＶ）に設定することができるので、デュアル／マルチエネルギースキームをエクスプロイトするための独自の潜在能力を有し得る。例えば、概ね互いに同じ又は異なる変数又は安定したエネルギーレベルを有する複数の放射線ソースを使用することができる。

いくつかの実施形態は同様に又は代替的に、放射線ソースが迅速に互いに重畳し得、放射線ソース（複数可）及び／又はガントリが回転するときに同じ位置であるが異なる時間に撮影された投影画像がサブトラクションされ得るため、デジタルサブトラクションスキームをエクスプロイトするための独自の潜在能力を有し得る。サブトラクションされた投影画像は、サブトラクションされた３Ｄデータセットを得る３Ｄアルゴリズムに供給することができる。アルゴリズムが希薄な体積を再構築しようとするので、画像投影をサブトラクションすることにより再構築の品質を改善することができる。

いくつかの実施形態及び実装例では、サブトラクションは、異なるエネルギーレベル（ｋＶ又はｅＶ）で撮影された投影画像からであってもよい。

いくつかの実施形態では、外科医及び介在者のための改善されたアクセスは、治療処置を遂行するロボットへの改善されたアクセスと交換され得るか、又は他のデバイス（例えば、腫瘍を標的とする放射線治療システム）との統合を単純化し得る。

上記のように、ソース（複数可）及び／又は検出器（複数可）の経路（複数可）を、物体の第１の半球上に位置決めされるソース（複数可）及び／又は検出器（複数可）のために使用することができる。更に、物体の第２の半球内のソース（複数可）及び／又は検出器（複数可）が物体に対して移動する実施形態では、第２の半球内のこれらのソース（複数可）及び／又は検出器（複数可）も、本明細書において論じられる様々な経路のうちのいずれかに沿って移動することができる。加えて、第１の半球内の第１の経路は、第２の半球内の第２の経路と同じ形状であってもよく、所望通り、並進、回転、ミラー、若しくは別様に位置決めされた異なる形状は、第２の経路に対して同様であってもよいし、又は同様でなくてもよい。

以下の追加の概念を本明細書において開示する。これらは、様々な実装例の方法を遂行する際、及び／又は本発明の以下の概念のうちの１つ以上を具現化及び／又は実装するシステムの様々な実施形態を作成する際に有用であり得る。

３Ｄ再構築の補助：光学カメラ（３Ｄ光学画像再構築システム）から得られた撮像される物体の３Ｄモデルを使用して、３Ｄのｘ線画像再構築システムによる撮像される物体の再構築を補助することができる。例えば、ｘ線撮像システムが、ｘ線、ＣＴシステム、コーンビームＣＴシステム、又はトモシンセシスシステム、例えば、「ＩＭＡＧＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＲＥＬＡＴＥＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ」と題する米国特許出願第１４／１９８，３９０号に開示されるシステムを含む場合、この出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

ｘ線トモシンセシス及び光学再構築の両方を使用して再構築を撮像するためのシステムの例を図１５の１５００で示す。撮像システム１５００は、ガントリ１５１０と検出器１５２０とを備えるｘ線トモシンセシス画像再構築システムを含む。ガントリ１５１０は、ｘ線放射線ソース（図１５には図示せず）のうちの１つ以上（好ましくは複数）を備える。ガントリ１５１０は、かかる放射線ソース（複数可）を１つ以上の既定の経路内で移動させるように構成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、前述のように、追跡システムを提供することができる。

同様に前述のように、撮像システム１５００は、患者５０の少なくとも一部がガントリ１５１０と検出器１５２０との間に位置決めされ得るように、ガントリ１５１０の反対側に位置決めされた検出器１５２０を備える。ガントリ１５１０は、ガントリの包囲された部分内に複数のｘ線放射線ソースを包囲するように構成されている。ガントリ１５１０は、撮像システム１５００を使用して撮像プロセス中に任意の曝露された可動部分を有することを回避するように更に構成されており、撮像プロセス中に患者５０へのアクセスを可能にするように、患者５０又は患者５０の任意の部分を完全に包囲せずに複数のｘ線放射線ソースを包囲するように構成されている。もちろん、代替的な実施形態及び実装例では、患者５０を別の三次元物体と置換することができる。

加えて、前の図との関連で記載される実施形態とは異なり、システム１５００は、表面三次元画像データを生成することによって、患者５０などの標的物体の表面の少なくとも一部の画像を再構築するように構成された三次元光学撮像システムを更に備える。三次元光学撮像システムは、好ましくは、両方のシステムからのデータを使用して画像再構築を改善することができるように、ｘ線トモシンセシス画像再構築システムに位置合わせされる。三次元光学撮像システムは、ＲＧＢ−Ｄカメラ１５５０などの三次元物体の表面に関する距離／深さデータを生成するように構成された１つ以上の光学カメラを備える。示される実施形態は、４つのかかる光学深さ検出カメラ１５５０を備え、上記のカメラのうちの２つは検出器１５２０に連結されており、上記のカメラのうちの２つはガントリ１５１０に連結されている。しかしながら、本開示の利益を受けた後、光学カメラの代替的なタイプ、光学カメラの数、及び光学カメラの配置が提供され得ることを当業者は理解するであろう。

カメラ１５５０は、患者５０の表面又は患者５０の表面の少なくとも一部の輪郭を再構築するように構成されてもよく、１つ以上の密度制約プロファイルを生成して、患者５０又は別の三次元物体の標的領域の三次元画像の再構築を改善するために使用されてもよい。好ましい実施形態では、三次元光学撮像システムは、ｘ線トモシンセシス画像再構築システムに位置合わせされている。例えば、輪郭又は患者表面を、トモグラフィック再構築と同じ参照フレームに対して参照することができる。

いくつかの実施形態及び実装例では、三次元光学撮像システムを使用して、複数の別個の物体を撮像することができる。したがって、例えば、外科用用具２０及び／若しくはインプラント、又は用具／インプラントの組み合わせは、三次元光学撮像システムを使用して撮像された表面／深さであってもよい。図１５の例では、カメラ１５５０は、システム１５００に堅く取り付けられているため、キャリブレーション工程を介してｘ線トモシンセシス画像再構築システムに位置合わせされてもよい。位置合わせは、各カメラに関する並進３Ｄベクトル及び三回転として記載又は分解され得る。いくつかの実施形態及び実装例では、複数のカメラは、患者、用具、及び／若しくはインプラントの輪郭又はその部分を一緒に提供し得る。しかしながら、以下に説明されるように、カメラ（複数可）をシステムの構成要素に堅く取り付ける必要がない代替的な実施形態及び実装例が企図される。

図１５に同様に示されるように、システム１５００は、いくつかの実施形態及び実装例では、再構築された画像をリアルタイム又はほぼリアルタイムで再生成するためのモニタ又は別の好適なディスプレイ１５６４を更に備え得る。

システム１５００などの１つ以上のかかるシステムは、体積質量及び／又は線形減衰再構築を遂行し得る。かかるシステムが反復再構築アルゴリズム又は等価物を使用する場合、１つ以上の光学カメラから得られる３Ｄモデルでアルゴリズムを制約することができる。かかる制約は、物体の表面を説明するほどに簡単であってもよい。

他の複雑な密度制約も使用することができる。物体の外側を低密度（典型的には空気）でモデル化することができ、この体積密度制約は、例えば、再構築のために別様に不完全な／未完のデータに関連するアーチファクトを低減することによって再構築を改善し得る。不完全なデータは、再構築のための限定された角度データ、又は対象となる領域の再構築の限定された視野であり得る。更に、物体の外側の密度を問題解決モデル、例えば、反復再構築アルゴリズムの３Ｄモデルからの質量及び／又は線形減衰につなげる連続関数として、物体の内側をモデル化することができる。

追跡システムＩによる４Ｄ再構築の補助：本発明のいくつかの実施形態は、撮像される物体（複数可）の動作を説明することを可能にして、上記の物体（複数可）の（例えば、ｘ線に基づく再構築を用いた）体積質量及び／又は線形減衰再構築を改善し得る。４Ｄのシーンを再構築する方法は、随時更新される進化モデルに依存し得る。初期再構築と更新された再構築とを典型的なケースとして区別することができるが、これはより一般的な用語で想像され得る。位置の変化は、初期再構築から最終再構築までの任意の時間（間の任意の時間含む）で発生し、追跡システムによって捕捉され得る。これらの変化は、患者／台の動作、ガントリの変位、並びに／又は視野内で少なくとも部分的に、別個に、若しくは一緒に再構築及び追跡される質量減衰再構築の対象である外科用用具を含み得る。この文脈において、追跡システムは、２〜３例を挙げると、例えば、光学追跡システム（外科用ナビゲーション追跡システムなど）、光学３Ｄ再構築システム、又は電磁追跡システムであり得る。

いくつかのシステムは、動作を観察するためにｘ線撮影を使用し、かかる観察された動作に基づいて４Ｄ質量減衰再構築を導き出すアルゴリズムを実装し得る。かかる観察は、他の追跡システムから観察された動作と置換された場合（又は組み合わせられた場合、次の項参照）、更に改善されることがある。したがって、本発明のいくつかの実施形態及び／又は実装例は、例えば、シーンの映像監視を介した追跡によって、質量減衰再構築システムに外部から捕捉され得る動作を説明することに対処し得る。抽出された動作パラメータを質量減衰再構築エンジンに伝達することができる。

それに伴って、撮像システムの別の例を図１６の１６００で示す。システム１６００は、システム１５００と同様、システム１６００は、患者５０の少なくとも一部がガントリ１６１０と検出器１６２０との間に位置決めされ得るように、ガントリ１６１０の反対側に位置決めされた検出器１６２０を備えるｘ線トモグラフィックシステムを備える。ガントリ１６１０は、この場合もまた、ガントリの包囲された部分内に複数のｘ線放射線ソースを包囲するように構成されている。ガントリ１６１０は、撮像システム１６００を使用して撮像プロセス中に任意の曝露された可動部分を有することを回避するように更に構成されており、撮像プロセス中に患者５０へのアクセスを可能にするように、患者５０又は患者５０の任意の部分を完全に包囲せずに複数のｘ線放射線ソースを包囲するように構成されている。

加えて、システム１６００は、赤外線追跡カメラなどの１つ以上の追跡カメラ１６５５と、基準などの１つ以上のマーカとを備える三次元動作追跡システム１６５０を更に備える。示される実施形態では、三次元動作追跡システム１６５０は、２つの赤外線追跡カメラ１６５５Ａ及び１６５５Ｂを備え、上記のカメラの両方は移動可能なスタンド又はアセンブリに装着される。加えて、赤外線を反射する基準マーカ、すなわち、検出器１６２０の上などｘ線トモグラフィックシステムの一部の上に位置決めされた第１のマーカ１６５１、外科用用具２０の上に位置決めされた第２のマーカ１６５２、及び患者５０の対象となる領域内など患者５０の所望の部分の上に位置決めされた第３のマーカ１６５３を追跡するために３つのマーカが使用される。

三次元動作追跡システム１６５０は、例えば、追跡カメラ１６５５Ａ及び／若しくは１６５５Ｂ又は関連するスタンド／アセンブリの固定された部分に対する絶対的な動作、並びに／又は各追跡された物体間の相対的な動作などの動作情報を提供するように構成されている。特に、再構築が動作を含むモデルベースの再構築である場合、かかる動作情報を使用して、４Ｄ再構築を改善することができる。

いくつかの実施形態では、組み合わされたシステム１６００を、対象となる領域（及びそれに伴って放射線密度が期待される領域）内にある特定の外科用用具２０、並びに／又は用具２０が位置する場所（及びそれに伴って放射線密度が再構築された画像の特定のエリア内に期待される場所）を特定するための情報を提供するように構成することもできる。いくつかの実施形態及び実装例では、かかる情報を使用して、反復再構築アルゴリズムに対する制約としてこの情報を追加することによって、再構築を改善することができる。前述のように、追跡手段／カメラは、図１６の実施形態において移動可能なポールに装着されて示されているため、ｘ線トモグラフィックシステムに堅く取り付けられていない。したがって、ｘ線トモグラフィックシステムと、三次元動作追跡システム１６５０と、外科用用具（複数可）２０との間の位置合わせを遂行することができる。カメラ（複数可）が代わりにｘ線トモグラフィックシステムに固定されていた場合、このプロセスはより簡単（及び一定）であるため、三次元動作追跡システム１６５０がｘ線トモグラフィックシステムに対して移動可能ではないかもしれない代替的な実施形態が企図される。

図１６に示されるように、システム１６００は、いくつかの実施形態及び実装例では、再構築された画像をリアルタイム又はほぼリアルタイムで再生成するためのモニタ又は別の好適なディスプレイ１６６４を更に備え得る。

撮像システム１７００の更に別の例を図１７に示す。この画像に示されるように、システム１７００は、この場合もまた、患者５０の少なくとも一部がガントリ１７１０と検出器１７２０との間に位置決めされ得るように、ガントリ１７１０の反対側に位置決めされた検出器１７２０を備えるｘ線トモグラフィックシステムを備える。ガントリ１７１０は、この場合もまた、ガントリ１７１０の包囲された部分内にｘ線放射線ソースのうちの１つ以上（好ましくは複数）を包囲するように構成されている。ガントリ１７１０は、撮像システム１７００を使用して撮像プロセス中に任意の曝露された可動部分を有することを回避するように更に構成されており、撮像プロセス中に患者５０へのアクセスを可能にするように、患者５０又は患者５０の任意の部分を完全に包囲せずに複数のｘ線放射線ソースを包囲するように構成されている。

システム１７００は、表面三次元画像データを生成することによって、患者５０などの標的物体の表面の少なくとも一部の画像を再構築するように構成された三次元光学撮像システムを更に備える。三次元光学撮像システムは、好ましくは、両方のシステムからのデータを使用して画像再構築を改善することができるように、ｘ線トモシンセシス画像再構築システムに位置合わせされる。三次元光学撮像システムは、ＲＧＢ−Ｄカメラ１７５０などの三次元物体の表面に関する距離／深さデータを生成するように構成された１つ以上の光学カメラを備える。示される実施形態は、２つのかかる光学カメラ１７５０を備え、上記のカメラのうちの１つは検出器１７２０に連結されており、上記のカメラのうちの１つはガントリ１７１０に連結されている。示される実施形態では、カメラ１７５０は、装着用ポスト１７５２を使用して、上記のカメラのｘ線トモグラフィックシステムのそれぞれの構成要素に装着されている。しかしながら、この場合もまた、光学カメラの代替的なタイプ、光学カメラの数、光学カメラの配置を所望どおりに提供することができる。

カメラ１７５０は、患者５０の表面又は患者５０の表面の少なくとも一部の輪郭を再構築するように構成されてもよく、１つ以上の密度制約プロファイルを生成して、患者５０又は別の三次元物体の標的領域の三次元画像の再構築を改善するために使用されてもよい。好ましい実施形態では、三次元光学撮像システムは、ｘ線トモシンセシス画像再構築システムに位置合わせされている。例えば、輪郭又は患者表面を、トモグラフィック再構築と同じ参照フレームに対して参照することができる。両方のシステムからのこの情報を組み合わせて、画像解像度を改善することができる。

より具体的には、図１７に含まれるチャート内の密度プロファイルに示されるように（簡単に説明するために、密度プロファイルを一次元で示す）、密度制約を使用することによって、再構築アルゴリズムが患者５０の対象となる領域５５の実際の密度に近い解を見出すことが可能になる。したがって、図１７の線ＤＣに示されるように、患者５０の表面に対して密度制約を適用するために三次元光学撮像システムを使用することによって、この密度制約（線Ｒ１で示す）を使用して再構築された密度を、線Ｒ２で示される密度制約を使用したときに改善することができ、これは、患者５０及び対象となる領域５５の実際の密度プロファイル（線ＡＤで示す）に非常に近い。

したがって、ＲＧＢ−Ｄカメラ１７５０又は光学撮像システムの他の好適な要素を有することにより、反復再構築アルゴリズムにおける解を制約するために使用され得る患者５０の輪郭を提供し、より高い解像度を提供することができる。換言すれば、密度は実際の密度により近く整合する。図１８Ａ及び図１８Ｂはそれぞれ、対象となる特定の解剖学的領域の再構築を示し、この密度制約の方法論の使用を伴わず及び伴って、対象となる領域を越えて延伸する。制約された再構築の場合（図１８Ｂ）、反復再構築スキームでは、患者の表面以上の密度がゼロに制約される。トモシンセシス再構築の品質が改善され、これらの画像を比較することにより、打ち切りアーチファクトの低減が顕著になる。

図１９は、撮像システム１９００の更に別の例を示す。撮像システム１９００は、この場合もまた、ガントリ１９１０と検出器１９２０とを備えるｘ線トモシンセシス画像再構築システムを備える。前述のように、ガントリ１９１０は、ｘ線放射線ソースのうちの１つ以上（いくつかの実施形態では、複数）を備え、かかる放射線ソース（複数可）を、例えば、ガントリ１９１０のペリメータに隣接する円形の経路などに沿った１つ以上の既定の経路内で移動させるように構成されてもよい。

同様に前述のように、システム１９００はまた、表面三次元画像データを生成することによって、患者５０などの標的物体の表面の少なくとも一部の画像を再構築するように構成された三次元光学撮像システムを備える。三次元光学撮像システムは、好ましくは、両方のシステムからのデータを使用して画像再構築を改善することができるように、ｘ線トモシンセシス画像再構築システムに位置合わせされる。撮像システム１９００の三次元光学撮像システムは、患者５０の対象となる領域５５などの三次元物体の表面に関する距離／深さデータを生成するように構成されたＲＧＢ−Ｄカメラなどの１つ以上の光学カメラ１９５０を備える。

示される実施形態は、単一のかかる光学カメラ１９５０を備える。しかしながら、前述のように、他の数及び／又はタイプのカメラを使用することができる。図１９に示されるように、カメラ１９５０をｘ線トモシンセシス画像再構築システムから物理的に分離することができる。したがって、例えば、カメラ１９５０をシステムのスタンド、台、又は他の外部構成要素に装着することができる。

カメラ１９５０を使用して、外科用用具２０及び／又は患者５０などの様々な項目を観察及び／又は追跡することができる。カメラ１９５０は好ましくは、ｘ線トモシンセシス画像再構築システムによって再構築されている三次元画像に位置合わせされるため、外科用用具２０の現在の軌道１９６６を再構築された対象となる領域５５における１つ以上の要素／特徴と共に、再構築された対象となる領域５５においてディスプレイ１９６４上に生成することができ、いくつかの実施形態及び実装例では、複製することができる。いくつかのかかる実施形態及び実装例では、システム１９００は、用具２０が追跡された移動に基づいて、患者５０の外側の対象となる領域５５に進入する前に軌道１９６６を生成及び／又は表示するように構成され得る。これは、術中計画にとって有用である場合がある。例えば、この特徴は、外科医／技能者が所望の皮膚進入ポイントを選択し、標的ポイントまで「ナビゲート」することを可能にし、用具の挿入中に外科医が調整することを可能にし得る。

いくつかのかかる実施形態及び実装例では、システム１９００は、手順中に外科医／技能者を補助するために使用される他の要素を生成及び／又は表示するように構成され得る。例えば、図１９に同様に示されるように、ユーザに標的１９６７を入力させてもよく、この標的を再構築された画像と共にディスプレイ／モニタ１９６４上に表示することができる。標的１９６７を用具２０の現在の軌道１９６６と比較することによって、システム１９００は、外科医／技能者又は他のユーザが対象となる領域に対する外科用器具のための好ましい軌道を選択し、及び／又は好ましい軌道と現在の軌道１９６６との間の分散メトリクスを動的に計算することを可能にするように構成され得る。これは、例えば、ユーザが手術中に用具２０の移動をリアルタイム又はほぼリアルタイムで調整することができるように、システム１９００が標的１９６７に対する補正用軌道１９６８を作成及び／又は表示することを可能にし得る。

いくつかの実施形態及び実装例では、システム１９００は、ディスプレイ１９３４が軌道１９６６及び好ましい軌道１９６８の両方を示す図１９の画像に加えて又は代替として分散メトリクスと対応する数などの他の情報を表示するように構成され得る。いくつかの実施形態及び実装例では、システム１９００は、ユーザが標的１９６７などの標的物体の対象となる領域内で標的を選択することができように構成され得、システム１９００はまた、用具２０と標的１９６７との間の現在の距離を表示し得る。

いくつかの実施形態及び実装例では、システム１９００は、用具２０の移動に応答して対象となる領域５５を動的に調整するように構成され得る。例えば、いくつかのかかる実施形態及び実装例では、システム１９００は、対象となる領域５５が用具２０の遠位先端の移動によって画定されるときにディスプレイ１９６４を動的に修正するなど、用具２０の遠位先端に隣接するポイントを含むように対象となる領域５５を動的に画定するように構成され得る。

図２０は、撮像システム２０００の更に別の例の模式図を示す。この図に示されるように、赤外線追跡システム又は他の実施形態では別の好適な追跡システムを含み得る３Ｄ光学システム２０５０を、１つ以上のｘ線システム２０２０と組み合わせて４Ｄ再構築を提供することができる。いくつかの実施形態及び実施例では、４Ｄ再構築は、モデルベースの再構築を含み得る。示される実施形態では、２つのｘ線システム２０２０Ａ及び２０２０Ｂが示されているが、同じ光学システムを使用してシステム２０２０Ａ及び２０２０Ｂの工程を遂行することができることを当業者は理解するであろう。

図２０に示されるように、光学追跡システム２０５０は、撮像される物体が２０５２で初期の位置及び向き（Position and Orientation、ＰｎＯ）ＰｎＯ＿０にあるときに、ｔ＝ｔ_０において第１の３Ｄ表面再構築を提供し得る。光学追跡システム２０５０は、撮像される物体が２０５４で、ＰｎＯ＿０とは異なる初期の位置及び向き（Position and Orientation、ＰｎＯ）ＰｎＯ＿１にあるときに、ｔ＝ｔ_１において第２の３Ｄ表面再構築を提供し得る。

次いで、ＰｎＯ＿０とＰｎＯ＿１との間の動作が２０５６で推定され得る。例えば、いくつかの実施形態及び実装例では、３Ｄ表面の動作を剛性又は少なくとも実質的に剛性であると仮定することができ、２つの表面（すなわち、ＰｎＯ＿１−０）間の距離を最小限に抑える動作を特定することができる。これは、３Ｄ表面の動作を説明する並進及び一連の回転を表し得る。しかしながら、追跡システムを利用する実施形態及び実装例では、表面から動作を推察する必要がない場合がある。代わりに、システムは直接、例えば、システム１６００のマーカ１６５１〜１６５３などの反射型基準マーカから動作を提供し得る。

ｘ線システム２０２０Ａなどの１つ以上のｘ線システムはまた、工程２０２２で示されるように、撮像される物体又は撮像される物体の少なくとも一部のｘ線投影を、好ましくはｔ＝ｔ_０又は少なくとも実質的にｔ＝ｔ_０において提供し得る。好ましくは、ｘ線システム２０２０Ａは、トモグラフィック再構築を介して物体の３Ｄ画像を再構築するために使用される。更により好ましい実施形態及び実装例では、ｘ線システム２０２０Ａは、撮像される物体の少なくとも一部のトモシンセシス再構築を提供する。３Ｄ画像は、ＰｎＯ＿０のｔ_０における物体を表し得る。

次いで、２０５８で光学システム２０５０及びｘ線システム２０２０Ａの両方からの再構築に対して動作補正が適用され得る。例えば、いくつかの実施形態及び実装例では、３Ｄ−２Ｄ画像位置合わせアルゴリズムが、実際の計測された投影との差を最小限に抑えることによって、３Ｄ画像の投影（複数可）に基づいて使用されてもよい。

３Ｄ画像は、動作推定ＰｎＯ＿１−０を使用して光学システム２０５０からの並進及び／又は回転（「仮想的な移動」）を適用することによって更新されてもよい。この画像は、位置ＰｎＯ＿１のｔ＝ｔ_０における物体を表し得る。

次いで、ｘ線システム２０２０Ｂ（又はｘ線システム２０２０Ａ）は、（物体がＰｎＯ＿１にある間に）時間ｔ_１で又は時間ｔ_１に少なくとも実質的に等しい時間で、撮像される物体（又は撮像される物体の一部）の投影を提供し得る。上記で論じられるように、ｔ＝ｔ_１又は少なくとも実質的にｔ＝ｔ_１における投影を仮想的に移動された３Ｄ画像と一緒に工程２０６０でモデルベースの再構築で使用して、２０７０においてＰｎＯ＿１でｔ＝ｔ_１において物体の３Ｄ画像を提供することができる。

いくつかの実施形態及び実装例では、新たに使用される投影を使用して、観察された投影と仮想的に移動された物体の投影との間の不一致をモデル化することができる。例えば、上記で説明されるように、外科用用具がｔ_１とｔ_０との間に追加された場合、システム２０００は、仮想投影を有する新たに取得された投影を仮想的に移動されたモデルからサブトラクションすることによって外科用用具を再構築することができることがある。

動作補償範囲内の様々な実施形態及び／又は実装例の他の態様は、４Ｄ質量減衰再構築における後の使用のためにかかる動作を観察しようとする最適化エンジンのシードとして、検出された動作を（例えば、平均化すること若しくは別様に考慮することによって）又は使用することによって組み合わせること若しくは混合することに関与し得る。システム２０００などの３Ｄ光学再構築システムを使用する実施形態では、患者の表面変位に基づいて動作を推定することができる。

前述のように、モデルベース又は層ベースの４Ｄ再構築は、いくつかの実施形態において、３Ｄ追跡システムなどの追跡システムを利用し得る。質量密度４Ｄ再構築システムは、撮像される物体が、ドメイン、例えば、それら自体が個別にモデル化及び／又は再構築され得、次いで、グローバル４Ｄ再構築シーンに再度組み合わせられ得る物体又は層の組成物であることを仮定することによってシーンをモデル化し得る。各ドメインモデル又は再構築は、上に記載される機構のうちの１つ以上による利益を得ることがある。かかる技術的機構の１つは、追跡システムが個別にドメインを追跡することができる場合、追跡システムからのドメイン投影行列の特定であり得る。例えば、光学追跡システムは、個別の光学参照を有することによって複数の外科用用具及び患者を追跡することができ、光学３Ｄ再構築システムは、剛性物体／色及び動作に基づいたセグメント化及びモデル化により複数の物体を追跡することができる。

かかるシステムのより具体的な例を図２１において２１００で示す。システム２１００は、ｘ線トモシンセシス画像再構築システムなどの１つ以上のｘ線システムと、３Ｄ追跡システムなどの１つ以上の追跡システムとを備え得る。２つのｘ線システム２１２０Ａ及び２１２０Ｂと、２つの追跡システム２１５０Ａ及び２１５０Ｂとが図２１に示されているが、単一のｘ線システムと単一の追跡システムとを代わりに使用することができることを理解されたい。

いくつかの実施形態及び実装例では、システム２１００は、ｘ線システム（複数可） ２１２０Ａ／２１２０Ｂと追跡システム（複数可）２１５０Ａ／２１５０Ｂの両方からの動作推定を、両方の様式からの動作推定を組み合わせることによって使用するように構成され得る。

ｘ線システム（複数可）２１２０Ａ／２１２０Ｂは、（ＰｎＯ＿０において）撮像される物体の投影を、ｔ＝ｔ_０又は少なくとも実質的にｔ＝ｔ_０において提供し得る。次いで、工程２１２２で示されるように、投影を使用して、物体をトモグラフィックに再構築し、物体の３Ｄ画像を提供（ｔ＝ｔ_０、ＰｎＯ＿０）することができる。

追跡システム（複数可）２１５０Ａ／２１５０Ｂを使用して、ｔ＝ｔ０において（ＰｎＯ＿０における）撮像される物体の位置を観察することができる。

実質的にｔ＝ｔ_１におけるｘ線システム（複数可）２１２０Ａ／２１２０Ｂからの物体の更新されたｘ線投影を使用して、例えば、第１の画像の新しい投影と仮想投影との差を最小限に抑える動作を見出すことによって、ｔ_０とｔ_１との間の物体の動作を推察することができる。この第１の動作推定を工程２１５２Ａで示す。

工程２１５２Ｂにおいて、追跡システム（複数可）２１５０Ａ／２１５０Ｂを使用して、ｔ＝ｔ_１における物体の位置を観察し、ｔ_０とｔ_１との間の物体の動作を推察し、第２の動作推定を提供することができる。

次いで、工程２１５２Ｃにおいて、工程２１５２Ａ及び２１５２Ｂからの第１の動作推定と第２の動作推定とを組み合わせで使用して、第３のより正確な動作推定を得ることができる。これは、いくつかの実施形態及び実装例では、加重平均を使用して遂行されてもよい。代替的に、第２の動作推定を、第１の動作推定を高速化することができる第１の動作推定に対するシードとして使用することができる。

ｔ＝ｔ_１における投影を初期３Ｄ画像及び動作推定と一緒に使用して、ＰｎＯ＿１におけるｔ＝ｔ_１において物体の３Ｄ再構築２１６０を提供することができる。例えば、前述のように、初期３Ｄ画像は、推定された動作を考慮すると、最初に仮想的に移動され得、新たに取得された投影と一緒にモデルベースの再構築で使用され得る。新たに取得された投影を使用して、観察された投影と仮想的に移動された物体の投影との間の不一致をモデル化することができるため、このモデルは初期再構築２１２２よりも正確である。例えば、上記で説明されるように、外科用用具がｔ_１とｔ_０との間に追加された場合、システムは、仮想投影を有する新たに取得された投影を仮想的に移動されたモデルからサブトラクションすることによって外科用用具を再構築するように構成され得る。

前述のように、いくつかの実施形態及び実装例では、対象となる領域に対する外科用用具、インプラント、及び／又は他の移動可能な物体の軌道を、質量密度再構築において視覚化することができる。例えば、質量密度３Ｄ再構築を３Ｄ光学画像再構築システムに位置合わせして、器具／インプラントが依然としてｘ線再構築された体積（例えば、患者の体）の外側にあるときに術中計画を遂行することを可能にすることができる。

これは、その最も単純な形態では、依然として体の外側にある器具／インプラントの延伸された軌道を視覚化し、体及び／若しくは体の内側に進入し、並びに器具／インプラントの軌道及び／若しくは進入ポイントを説明することによって達成され得る。これは、器具を視覚化するのにショットを必要とせず、代わりに光学システムによって視覚化されるため、ｘ線投与量を低減することを可能にし得る。

この技術の可能な使用に関する別の例として、いくつかの実施形態及び実装例では、用具／インプラントの一次軸は、ｘ線体積に外挿され得、解剖学的器官及びもしあれば以前に埋め込まれた外科ハードウェアに対して標的とされる方向を画定し得る。別の例として、目標ポイントが既に選択されている場合（例えば、システム１９００から標的１９６７）、用具の軸に沿って計測された、先端の実際の位置と先端の計画された位置との間の距離の推定を施術者／ユーザに提供することができる。

いくつかの実施形態及び実装例では、３Ｄ光学画像再構築システムなどの追跡システムから収集された１つ以上の画像をスマートユーザインターフェースで使用して、対象となる実際の用具／インプラント対画像内にあり得る任意の他の計測手段／物体の曖昧さを解消することができる。例えば、外科医の手の中にある用具／インプラントを特定することによって、質量減衰再構築の分析に基づいて、質量減衰体積再構築をより正確に再スライスすることができる。例えば、特異値分解を使用して、対象となる領域に対する移動可能な物体の長い用具の軸又は別の好適な軸を特定することができる。

器具／用具／インプラントの知識と追跡システムからの器具／用具／インプラントの延伸された軌道とを使用して、質量減衰再構築システムのための対象となる局所的な領域を画定することもできる。これは、システムが器具の周りを中心とすることができ、それによってより小さくなり、より高い解像度を有し、及び／又は異質物体を排除し得る体積を再構築することを可能にし得る。これは、再構築時間を低減し得、かつ再構築解像度を改善し得る。この方法のいくつかの実装例の別の利点は、上記の方法が他の物体を排除することによって再構築をよりロバストにし得ることである。これは、再構築アルゴリズムにおける器具又はインプラントの層などの特定のデータ層を再構築するときに特に当てはまることがある。対象となる局所的な領域はまた、異なる次元のものであり得る。例えば、器具／用具／インプラントの幾何学的形状にリンクされている２Ｄスライスを撮影することができ、これは、２Ｄ再構築が３Ｄ再構築よりも１桁速いため再構築を更に高速化することができる。

器具／用具の再構築改善の別の例として、追跡システムからのデータを使用して、幾何学的情報（直径、長さなど）、（例えば、異なる器具／インプラントの密度に対して、例えば、色及び反射度若しくは不透明度を関連付けることによる）材料組成、並びに／又は他の情報などの再構築された物体に関する追加情報を提供することによって、３Ｄのｘ線画像システムの再構築を制約することができる。かかる情報を使用して、ｘ線システムによる器具／インプラントの再構築を制約することができる。実際に、出願者によって生成された予備データは、密度制約が再構築を強く改善し得ることを示している。器具／インプラントの自動仮想特定は、ある特定の属性（所与の製造業者からの外科用用具一式を考慮して、例えば、色及び／又はサイズ）を、使用される特定の外科用用具セット内の可能な値など、可能性のある限定された空間内に特定することによってなされ得る。これは、幾何学的情報の場合、器具／インプラントの正しい幅、長さ、又は他のパラメータに関する情報の追加の寸法を追加し得る。代替的に又は追加的に、これは、再構築が器具／インプラントの再構築層のための特定の密度再構築制約を使用することを可能にし、それによって画像品質を改善し得る。これらの制約は、統計的制約並びにハード制約であり得る。

組み合わされた３Ｄのｘ線画像再構築システム及び３Ｄ光学画像再構築システムの別の例では、組み合わされたシステムは、３Ｄ追跡システム及び質量減衰３Ｄ再構築システムの両方が、関節キャリブレーション工程に基づいて先験的な既知であり得る共通のフレームワークで（又は共通のフレームワークに整復可能に）再構築することを可能にし得る。この共通のフレームワークを使用して、例えば、外科の場合に、外科ワークフローを害し得る別様に術中又はリアルタイムであり得る別個の位置合わせ工程を必要としない簡単な方法で、上記（例えば、再構築を補助すること、動作を説明すること、及び／又は手術をガイドすること）のすべてを行うことができる。関節キャリブレーション工程は、いくつかの実装例では、同じマーカがｘ線システム及び光学システムの両方で可視であり得る（例えば、プレキシガラス構造上のｂｂｓ）、共通のｘ線幾何学的キャリブレーション冶具（例えば、らせん型ｘ線キャリブレーションファントム又はいくつかのトモシンセシスシステムによって使用される「コーン」キャリブレーションファントム）を使用することによって最も正確に達成され得る。代替的に、冶具は、冶具内の固定された既知の相対位置に別個のマーカを有し得る。

組み合わされたｘ線撮像及び追跡システムのまた別のより具体的な例を図２２の２２００で示す。システム２２００は、ｘ線トモシンセシス画像再構築システムを含み得るｘ線システム２２２０と、３Ｄ追跡システムを含み得る追跡システム２２５０とを備える。前述のように、この組み合わされたｘ線及び追跡システム２２００を使用して、物体の少なくとも一部のより正確な３Ｄ再構築を遂行するようにシステム２２２０及び２２５０からのデータを組み合わせることができる。例えば、いくつかの実施形態及び実装例では、２２５２で示されるように、システム２２００は、画像空間に位置合わせされる特定の追跡された用具若しくはインプラント及び／又は用具／インプラントの位置に基づいて、追跡システム２２５０を使用して密度制約を生成し得る。

いくつかの実施形態及び実装例では、制約は、反復再構築アルゴリズムスキームにおける中間の解の修正として適用され得る。例えば、用具のあるべき密度は、先験的な既知の用具密度の方に偏っていてもよいし、又は別の例として、使用される用具がない場合、密度は、（例えば、用具がステンレス鋼の場合にヒト組織範囲対ステンレス鋼の）より低い密度の方に強制されてもよい。

いくつかの実施形態及び実装例では、追跡システム２２５０は、用具／インプラントの特定（及びそれゆえに、用具／インプラントの先験的な密度）を提供し得、用具／インプラントのＰｎＯは、ｘ線撮像システム２２２０に位置合わせされ得る。次いで、用具／インプラントの特定及びＰｎＯを使用して、２２５２で密度制約（例えば、用具が存在するエリア内では用具により近い密度に強制し、及び／又は用具が存在しないエリア内ではより低い密度に強制する伝達関数）を構築することができる。ｘ線システム２２２０はまた、少なくとも２つの撮像される物体（例えば、外科用用具及び患者の解剖学的構造の一部）の投影を提供し得る。

反復再構築を２２６０で遂行して、３Ｄ画像を生成することができる。いくつかの実施形態及び実装例では、特定された制約及び／又は投影を使用する、正則化、罰則化、若しくは他の制約を有する反復再構築アルゴリズムなどの制約用語を有するアルゴリズムを使用して、組み合わされた物体の画像を提供することができる。

本明細書に提示される基本的な原理から逸脱することなく、上記の実施形態の詳細に対する変更がなされ得ることを当業者は理解するであろう。例えば、様々な実施形態の任意の好適な組み合わせ又はこれらの特徴が企図される。

記載される方法を遂行するための１つ以上の工程又はアクションを含む、本明細書に開示されるいずれかの方法において、方法の工程及び／又はアクションを相互に入れ替えることができる。換言すれば、工程又はアクションの特定の順序が実施形態の適切な操作のために必要とされない限り、特定の工程及び／又はアクションの順序及び／又は使用を修正することができる。

本明細書の全体にわたって、「一実施形態（one embodiment）」、「一実施形態（an embodiment）」、又は「実施形態（the embodiment）」に対する任意の参照は、その実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、若しくは特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書の全体にわたって引用される場合、表現される語句又はこれらの変形は、必ずしもすべてが同じ実施形態に参照しているわけではない。

同様に、実施形態の上記の説明では、開示を効率化するために、様々な特徴が、単一の実施形態、図、又はこれらの説明で一緒にグループ化されることがあることを理解されたい。しかしながら、本開示の方法は、任意の特許請求項がその特許請求項に明示的に引用されるものよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映するものと解釈されるべきではない。むしろ、本発明の態様は、任意の単一の前述の開示された実施形態のすべての特徴より少ない組み合わせで存在する。

本発明の基本的な原理から逸脱することなく、上記の実施形態の詳細に対する多くの変更がなされ得ることを当業者は理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ決定されるべきである。

Claims (25)

1. 撮像システムであって、
   標的物体の表面下の前記標的物体の少なくとも内部部分の三次元画像データを生成するように構成されたｘ線トモシンセシス画像再構築システムと、
   表面三次元画像データを生成することによって、前記標的物体の前記表面の少なくとも一部の画像を再構築するように構成された三次元光学撮像システムであって、前記三次元光学撮像システムが、前記ｘ線トモシンセシス画像再構築システムに位置合わせされる、三次元光学撮像システムと、
   画像再構築アルゴリズムを適用して、前記標的物体の再構築された三次元画像を生成するように構成されたプロセッサと、を備え、前記再構築アルゴリズムが、前記三次元画像データの画像品質を改善し、前記標的物体の画像を再構築するための制約として、前記ｘ線トモシンセシス画像再構築システムからの前記三次元画像データを使用し、かつ前記三次元光学撮像システムからの表面三次元画像データを使用するように構成されている、撮像システム。
2. 前記再構築アルゴリズムが、反復再構築技法を含む、請求項１に記載の撮像システム。
3. 前記制約が、密度制約を含む、請求項１に記載の撮像システム。
4. 前記制約が、幾何学的制約を含む、請求項１に記載の撮像システム。
5. 前記三次元光学撮像システムが、外科用器具又はインプラントの表面の少なくとも一部の画像を、前記外科用器具又はインプラントの前記表面の前記少なくとも一部についての表面三次元画像データを生成することによって再構築するように更に構成され、前記密度制約が、少なくとも部分的に、前記外科用器具又はインプラントから導出された密度プロファイルを含み、前記再構築アルゴリズムが、前記三次元画像データの画像品質を改善するための制約として、前記外科用器具又はインプラントの前記密度プロファイルを適用するように構成されている、請求項３に記載の撮像システム。
6. 前記システムが、前記表面三次元画像データからのゼロ密度の制約を適用するように構成されている、請求項３に記載の撮像システム。
7. 前記標的物体が、患者を含み、前記ゼロ密度の制約が、前記標的物体の前記表面の前記少なくとも一部の外側、及び外科用器具の表面の少なくとも一部の外側の領域に適用される、請求項６に記載の撮像システム。
8. 前記制約の少なくとも一部が、表面位置合わせを介して、前記標的物体の前記表面の前記少なくとも一部に位置合わせされた先験的な三次元質量減衰画像から導出される、請求項１に記載の撮像システム。
9. 撮像システムであって、
   標的物体の表面下の前記標的物体の対象となる領域の三次元画像データを生成するように構成されたｘ線トモシンセシス画像再構築システムと、
   前記標的物体の少なくとも一部の表面三次元画像データを生成するように構成された三次元光学撮像システムであって、前記光学撮像システムが、前記ｘ線トモシンセシス画像再構築システムに位置合わせされ、前記三次元光学撮像システムが、前記標的物体の前記対象となる領域に挿入される用具の表面三次元画像データを生成するように更に構成され、前記三次元光学撮像システムが、前記用具の表面三次元画像データを、前記用具が前記標的物体の前記表面に対して移動するときに生成するように更に構成されている、三次元光学撮像システムと、
   前記用具の前記表面三次元画像データを時間と共にコンパイルし、前記標的物体に対する前記用具の軌道を導出するように構成されたプロセッサと、
   前記対象となる領域の少なくとも一部を表示し、前記対象となる領域に対する前記用具の軌道を動的に表示するように構成されたディスプレイと、を備える、撮像システム。
10. 前記用具が、外科用器具を含む、請求項９に記載の撮像システム。
11. 前記システムが、ユーザが前記対象となる領域に対する前記外科用器具のための好ましい軌道を選択することを可能にするように構成され、前記プロセッサが、前記好ましい軌道と前記軌道との間の分散メトリクスを動的に計算するように構成されている、請求項１０に記載の撮像システム。
12. 前記ディスプレイが、前記分散メトリクスに対応する数、並びに前記軌道及び前記好ましい軌道の両方を説明する画像のうちの少なくとも１つを表示するように構成されている、請求項１１に記載の撮像システム。
13. 前記システムが、ユーザが前記標的物体の前記対象となる領域内で標的を選択することを可能にするように構成され、前記システムが、前記用具と前記標的との間の距離を動的に表示するように構成されている、請求項９に記載の撮像システム。
14. 前記撮像システムが、前記用具の移動に応答して、前記対象となる領域を動的に調整するように構成されている、請求項９に記載の撮像システム。
15. 前記撮像システムが、前記用具の遠位先端に隣接するポイントを含むように、前記対象となる領域を動的に画定するように構成されている、請求項１４に記載の撮像システム。
16. 前記撮像システムが、前記用具の前記遠位先端の移動によって前記対象となる領域が画定されるときに、前記ディスプレイを動的に修正するように構成されている、請求項１５に記載の撮像システム。
17. 四次元撮像システムであって、
    標的物体の少なくとも一部の三次元画像データを生成するように構成されたｘ線トモシンセシス画像再構築システムと、
    前記標的物体の前記少なくとも一部の移動を追跡し、前記標的物体の前記少なくとも一部の移動に基づいて、動作モデルに対する動作データを生成するように構成された追跡システムと、
    四次元画像データを含む、前記標的物体の前記少なくとも一部の再構築された三次元画像を時間と共に生成するように構成されたプロセッサと、を備え、前記再構築アルゴリズムが、前記ｘ線トモシンセシス画像再構築システムからの前記三次元画像データを使用し、かつ前記追跡システムからの動作データを使用して、前記四次元画像データを生成するように構成されている、四次元撮像システム。
18. 前記動作モデルが、剛体変換の使用を含む、請求項１７に記載の四次元撮像システム。
19. 前記追跡システムが、三次元追跡システムを含む、請求項１７に記載の四次元撮像システム。
20. 前記追跡システムが、三次元撮像システムを含み、前記三次元撮像システムが、前記三次元撮像システムからの前記動作データを使用して、前記再構築された三次元画像の移動を生成するように構成されている、請求項１７に記載の四次元撮像システム。
21. 前記ｘ線トモシンセシス画像再構築システムが、前記標的物体の前記少なくとも一部の移動に基づいて動作データを生成するように更に構成され、前記撮像システムが、前記追跡システムからの前記動作データを前記ｘ線トモシンセシス画像再構築システムからの前記動作データと組み合わせて、前記再構築された三次元画像の移動を生成するように構成されている、請求項１７に記載の四次元撮像システム。
22. 撮像システムであって、
    標的物体に対して動作中の用具又はインプラントの動作データを含む第１のデータ層を生成するように構成された三次元追跡システムと、
    前記標的物体の少なくとも一部及び前記標的物体に対して動作中の前記用具又はインプラントの投影画像データを得るように構成されたｘ線トモシンセシス撮像システムであって、前記三次元追跡システムが、前記ｘ線トモシンセシス撮像システムに位置合わせされる、ｘ線トモシンセシス撮像システムと、
    第２のデータ層を、前記三次元追跡システムから、及び前記ｘ線トモシンセシス撮像システムからの前記投影画像データから生成するように構成されたプロセッサと、を備え、前記プロセッサが、再構築アルゴリズムを使用して、前記第１のデータ層及び前記第２のデータ層を個別に再構築するように構成されており、前記第１のデータ層及び前記第２のデータ層が、異なる制約を有し、前記プロセッサが、前記第１のデータ層を前記第２のデータ層と組み合わせて、前記用具又はインプラントと共に前記標的物体の少なくとも一部の再構築された三次元画像を生成するように構成されている、撮像システム。
23. 前記三次元追跡システムが、先験的な密度プロファイルを使用して前記用具又はインプラントを特定するように構成され、前記三次元追跡システムが、前記用具又はインプラントに基づいて得られた密度プロファイルを使用して、前記第２のデータ層の前記再構築を改善し、それによって前記三次元画像の前記再構築を改善するように更に構成されている、請求項２２に記載の撮像システム。
24. 前記三次元追跡システムが、前記用具又はインプラントの移動を追跡することによって前記動作データを生成するように構成された三次元光学撮像システムを含む、請求項２２に記載の撮像システム。
25. 前記用具又はインプラントの形状及び色のうちの少なくとも１つを使用して、前記用具又はインプラントを、先験的な密度プロファイルと前記用具又はインプラントに基づいて得られた密度プロファイルとを使用することによって特定して、前記第２のデータ層の前記再構築を改善し、それによって前記三次元画像の前記再構築を改善する、請求項２２に記載の撮像システム。