JP2020089717A - 光学的形状センサを使用する体積マッピング - Google Patents

光学的形状センサを使用する体積マッピング Download PDF

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Abstract

【課題】画像ベースの自動セグメンテーションアルゴリズムは、高い失敗率を引き起こす。【解決手段】部分的に又は完全に囲まれた解剖学的体積内に配置可能な体積マッピング器具２０は、１以上の医学的ツールを使用し、各医学的ツールは、前記解剖学的体積内で各医学的ツール４０を規則的に配置するための配置可能な構造形態と前記解剖学的体積の前記境界に対して医学的ツール４０を固定するためのマッピング構造形態との間で遷移する。体積マッピング器具２０は、各医学的ツールが前記解剖学的体積内で前記配置可能な構造形態から前記マッピング構造形態に遷移されるのに応じて前記解剖学的体積の前記境界の形状を示す１以上の符号化された光学的信号を生成するのに光学的形状センサ３０を使用する。前記符号化された光学的信号に基づいて、体積マッピングモジュール５１は、前記解剖学的体積の前記境界の一部又は全体をマッピングするのに使用される。【選択図】図１

Description

本発明は、広くは、解剖学的体積の境界の一部又は全体の三次元（３Ｄ）形状を感知するように部分的に又は完全に境界を持つ解剖学的体積内の１以上の医学的ツール（例えば、バルーン、バスケット、形状記憶チューブ等）により固定される光学的形状センサに関する。本発明は、特には、前記光学的形状センサの形状感知能力、及び妥当な場合には前記医学的ツールの物理的幾何構成に基づいて前記境界を持つ解剖学的体積の一部又は全体の３Ｄ形状をマッピングすることに関する。
当技術分野において知られているように、撮像システムは、患者の目標器官（例えば、潜在的に癌性の器官又は異常機能器官）の画像を生成する既知の撮像モダリティ（例えば、Ｘ線、コンピュータ断層撮影、磁気共鳴撮像、超音波、陽電子放出断層撮影、及び単光子放出断層撮影）を実施するのに使用されうる。これらの画像は、患者の診断に対して及び／又は前記器官の様々な治療（例えば、画像ガイド手術、放射線治療等）を計画及び実行するのに医師により使用されうる。前記目標器官に対する正確な治療計画を容易化するために、前記目標器官は、前記画像内の前記目標器官の輪郭の識別及び視覚化に対してセグメント化される必要がありうる。
しかしながら、前記画像は、金属が生体構造を不明瞭にする又は干渉する場合に、前記画像内の前記目標器官の輪郭の識別及び視覚化が不可能である又はエラーが発生しやすいかもしれないので、読み取るのが難しいかもしれない。画像セグメンテーションは、典型的には、前記目標器官の輪郭を電子的に描くように前記目標器官の表面上の様々な店を選択するように高度な訓練を受けた医師に要求する。これは、時間がかかり、エラーを受けやすい可能性がある。より具体的には、器官と内部流体との間の境界の設定は、前記器官の貧弱な視覚化のため難しいかもしれない。造影剤は、特定の生体構造を強調するのを助けるのに使用されうるが、一部の人々は、造影剤に敏感である。
代わりに、例えば、米国特許出願公開2008/0008369A1により開示される境界再パラメータ化（reparameterization）方法のような、自動セグメンテーションプログラムが、使用されてもよい。しかしながら、前述の刊行物により認識されるように、前記目標器官の境界は、覆いかぶさるフィーチャによる陰影及び異なるグレイレベルの２つの領域により又は２つの異なるテクスチャの間の縁として、又はこれら２つのハイブリッドとして、形成される誤った縁のため、前記画像において弱く現れる、スペックルノイズの存在によりマスクされることを含む様々な理由で識別するのが難しいかもしれない。この複雑さは、画像ベースの自動セグメンテーションアルゴリズムに対して高い失敗率を引き起こす。
本発明の目的は、解剖学的体積（例えば、中空器官）の形状を測定し、オプションとして、動き、歪、磁性、電圧、気体流、流量、温度、圧力、生化学的状態及び固有の組織特性又は外部要因に対する組織の応答に関する他の特徴を含むが、これらに限定されない様々なパラメータを測定するマッピング方法を提供することである。特に、形状／パラメータ測定は、経時的に生じてもよく、これにより前記解剖学的体積の四次元（４Ｄ）情報を生成してもよい。
このために、本発明は、前記体積の境界の一部又は全体の三次元（３Ｄ）形状をマッピングするように医学的ツールにより部分的に又は完全に境界を持つ解剖学的体積内で規則的に配置され、固定される光学的形状センサを提供する。
本発明の一形式は、解剖学的体積の境界の一部又は全体をマッピングするように解剖学的体積内で配置可能な体積マッピング器具である。前記体積マッピング器具は、１以上の医学的ツールを使用し、各医学的ツールは、前記医学的ツールを前記解剖学的体積内に規則的に配置するための配置可能な構造形態と、前記解剖学的体積の境界に対して各医学的ツールを固定するためのマッピング構造形態との間で遷移する。
前記医学的ツールの例は、（１）収縮した圧縮状態と膨張した拡張状態との間で遷移する医学的バルーン、（２）細長い形状と球状形状との間で医学的バスケットを遷移させる形状記憶材料を含む前記医学的バスケット、及び（３）細長い形状とらせん形状との間で医学的チューブを遷移させる形状記憶材料を含む前記医学的チューブを含むが、これらに限定されない。
前記体積マッピング器具は、前記医学的ツールに隣接した光学的形状センサを使用し、前記光学的形状センサは、各医学的ツールが前記解剖学的体積内で前記配置可能な構造形態から前記マッピング構造形態に遷移されるのに応じて前記解剖学的体積の境界の一部又は全体の形状を示す１以上の符号化された光学的信号を生成するように構造的に構成される。
本発明の第２の形式は、前述の体積マッピング器具を使用し、前記符号化された光学的信号に基づいて前記解剖学的体積の境界の一部又は全体をマッピングするように体積マッピングモジュールを使用する体積マッピングシステムである。
本発明の第３の形式は、前述の体積マッピングシステムを使用する体積マッピング方法である。前記体積マッピング方法は、前記解剖学的体積内に各医学的ツールを規則的に配置すること、及び前記解剖学的体積の境界に対して前記解剖学的体積内に配置されるように各医学的ツールを固定することを含む。前記体積マッピング方法は、各医学的ツールが前記解剖学的体積の境界に対して固定されるのに応じて、前記解剖学的体積の境界の一部又は全体の形状を示す１以上の符号化された光学的信号を生成する前記光学的形状センサの動作、及び前記符号化された光学的信号に基づく前記解剖学的体積の境界の一部又は全体のマッピングを含む。
本発明の前述の形式及び他の形式並びに本発明の様々なフィーチャ及び利点は、添付の図面と併せて読まれる本発明の様々な実施例の以下の詳細な記載から明らかになる。詳細な記載及び図面は、本発明を限定するのではなく、単に説明し、本発明の範囲は、添付の請求項及びその同等物により規定される。
本発明による体積マッピングシステムの典型的な実施例を示す。 本発明による収縮した状態における医学的バルーンを持つ体積マッピング器具の典型的な実施例を示す。 本発明による膨張した状態における医学的バルーンを持つ体積マッピング器具の典型的な実施例を示す。 図２Ａ及び２Ｂに示される医学的バルーンに隣接した光ファイバのらせん状形態の第１の典型的な実施例を示す。 図２Ａ及び２Ｂに示される医学的バルーンに隣接した光ファイバのらせん状形態の第２の典型的な実施例を示す。 本発明による細長い形状を持つ医学的バスケットを持つ体積マッピング器具の典型的な実施例を示す。 本発明による球状形状を持つ医学的バスケットを持つ体積マッピング器具の典型的な実施例を示す。 本発明による細長い形状を持つ医学的チューブを持つ体積マッピング器具の典型的な実施例を示す。 本発明によるらせん形状を持つ医学的チューブを持つ体積マッピング器具の典型的な実施例を示す。 本発明による体積マッピング方法の典型的な実施例を示す。 図７に示されるフローチャートによる解剖学的体積のマッピングの第１の典型的な実行を示す。 図７に示されるフローチャートによる解剖学的体積のマッピングの第１の典型的な実行を示す。 図７に示されるフローチャートによる解剖学的体積のマッピングの第２の典型的な実行を示す。
図１は、１以上の光学的形状センサ及び１以上の医学的ツールを使用する本発明の体積マッピング器具を示す。一般に、部分的に又は完全に囲まれた解剖学的体積をマッピングする目的に対して、各光学的形状センサ３０は、前記解剖学的体積の境界の一部又は全体の三次元（３Ｄ）形状をマッピングし、オプションとして、動き、歪、磁性、電圧、気体流、流量、温度、圧力、生化学的状態及び固有の組織特性又は外部要因に対する組織の応答に関する他の特徴を含むが、これらに限定されない様々なパラメータを測定するように、医学的ツール４０により前記境界を持つ解剖学的体積内に規則的に配置され、固定される。前記解剖学的体積の例は、心臓、肺、膀胱、胃、腸、子宮及び結腸からなる図１に示されるような患者１０の中空器官１１を含むが、これらに限定されない。
特に、本発明の目的に対して、光学的形状センサ３０は、変形光学的センサアレイ３１を介する連続した内部光反射を用いて光を送るように構造的に構成されたいかなる物品としてここに広く規定され、アレイ３１の各変形光学的センサは、特定の波長の光を反射し、他の全ての波長の光を透過し、これにより反射波長が光学的形状センサ３０に加えられる外部刺激の関数としてシフトされうるように構造的に構成されるいかなる物品としてここに広く規定される。光学的形状センサ３０の例は、当技術分野において既知であるようなファイバの長さに沿って一体化されたファイバ・ブラッグ・グレーティングのアレイを組み込む可撓性光透過ガラス又はプラスチックファイバ、及び当技術分野において既知であるようなファイバの長さに沿って発生する光学的屈折率のランダム変化（例えば、レイリー散乱）を自然に持つ可撓性光透過ガラス又はプラスチックファイバを含むが、これらに限定されない。
明確性のため、３つのセンサ３１のみが各光ファイバ３０に対して示されているが、実際には、光ファイバ３０は、当業者により理解されるように光ファイバ３０の長さに対して小さいバージョンのセンサ３１を多数、使用する。
実際に、各光学的形状センサ３０は、光学的形状センサ３０の３Ｄ曲げ感知を容易化するいかなる構成の１以上の変形光学的センサアレイを使用してもよい。
例えば、単一の光ファイバ実施例において、光学的形状センサ３０は、光学的形状センサ３０による３Ｄ曲げ感知に対して要求されるように１２０°間隔で配置された３つのファイバ・ブラッグ・グレーティングを持つ、又は光学的形状センサ３０による３Ｄ曲げ感知に対して要求されるように６０°間隔で配置された６つのファイバ・ブラッグ・グレーティングを持つ単一の光ファイバである。いずれの場合にも、追加のファイバ・ブラッグ・グレーティングが、構成内の中央ファイバ・ブラッグ・グレーティング・アレイとして使用されてもよい。
また、例により、複数光ファイバ実施例において、光学的形状センサ３０は、各光ファイバが単一のファイバ・ブラッグ・グレーティングを持つ３つの光ファイバを含み、前記光ファイバが、光学的形状センサ３０による３Ｄ曲げ感知に対して要求されるように１２０°間隔で配置され、又は各光ファイバが単一のファイバ・ブラッグ・グレーティングを持つ６つの光ファイバを含み、前記光ファイバが、光学的形状センサ３０による３Ｄ曲げ感知に対して要求されるように６０°間隔で配置される。いずれの場合にも、追加の光ファイバが、構成内の中央光ファイバとして使用されてもよい。
動作において、各光学的形状センサ３０は、光学的形状センサ３０の瞬間的な形状サンプリングにおいて光学的形状センサ３０の形状を示す前記連続した内部光反射に基づいて各変形光学的センサアレイに対する符号化された光学的信号を発生する。より具体的には、瞬間的な形状サンプリングに対して又は複数の形状サンプリングにわたって、前記符号化された光学的信号は、光学的形状センサ３０が、医学的ツール４０により前記境界を持つ体積内で規則的に配置及び固定されるので、光学的形状センサ３０の形状を示す。前記符号化された光学的信号は、したがって、後でより詳細にここで説明されるように及び前記マッピングされた体積を視覚的に表示する（例えば、図１に示されるマッピングされた体積５２の表示５３）ために前記体積（例えば、図１に示される心臓１２のマッピングされた体積５２）の境界をマッピングするために各光学的形状センサ３０の使用を容易化する。
パラメータ測定に対して、変形光学的センサアレイ３１は、参照にここに組み込まれるＷＯ２０１１／０４８５０９により教示されるようにこのような測定を提供する材料からなる及び／又はコーティングされてもよい。このような材料の例は、電圧感知に対するＢｉ12ＴｉＯ20結晶、磁気感知に対するＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ記憶形状金属合金、及び強化された温度感知に対するＺｎ金属蒸着を含むが、これらに限定されない。
本発明の目的に対して、医学的ツール４０は、解剖学的体積内に医学的ツール４０を規則的に配置するための配置可能な構造形態と前記解剖学的体積の境界に対して医学的ツール４０を固定するためのマッピング構造形態との間で遷移するように構造的に構成されたいかなる物品としてここに広く規定される。医学的ツール４０の例は、収縮した圧縮状態と膨張した拡張状態との間で遷移する医学的バルーン４１、変形された細長い形状と自然な球状形状との間で医学的バスケットを遷移させる形状記憶材料を含む医学的バスケット４２、変形された細長い形状と自然ならせん形状との間で医学的チューブを遷移させる形状記憶材料を含む医学的チューブ４３を含むが、これらに限定されない。
各光学的形状センサ３０は、前記解剖学的体積の境界の一部又は全体の３Ｄ形状をマッピングするために医学的ツール４０による前記境界を持つ解剖学的体積内の規則的配置及び固定を容易化するような形で医学的ツール４０に隣接する。本発明の目的に対して、用語「隣接」は、外部刺激が遷移中に光学的形状センサ３０に加えられるように、医学的ツール４０の前記配置可能な構造形態と前記マッピング構造形態との間の遷移が光学的形状センサ３０により感知されるように、医学的ツール４０に対して光学的形状センサ３０を物理的に相互作用するいかなる手段としても広く規定される。
例えば、図２に示される医学的バルーンの実施例において、光学的形状センサ３０は、らせんパターンで医学的バルーン４１を越え、これにより、医学的バルーン４１の圧縮又は拡張が、光学的形状センサ３０に加えられる外部刺激を変化させるので、収縮した状態（図２Ａ）と膨張した状態（図２Ｂ）との間の医学的バルーン４１の遷移が、光学的形状センサ３０により感知される。実際に、設計されたらせんパターンにおける光学的形状センサ３０は、体積マッピングに対する最大膨張状態における医学的バルーン４１に隣接してもよく、これにより、前記らせんパターンは、医学的バルーン４１が前記最大膨張状態からある程度収縮されるときはいつでも、それに応じて医学的バルーン４１とともに圧縮する。前記らせんパターンの例は、図３に示されるアルキメデスのらせんパターン及び図４に示されるフェルマのらせんパターンを含むが、これらに限定されない。
図８に関連して後にここで説明されるように、体積マッピング器具２０が、デリバリ器具６４（図１）により前記解剖学的体積内に進められ、前記解剖学的体積内で前記膨張状態に遷移されるので、各医学的バルーン４１は、収縮した状態で動作される。このように、光学的形状センサ３０は、医学的バルーン４１が前記解剖学的体積内で膨張されるような時間まで各医学的バルーン４１の収縮した感知を提供する。
また、例により、図５に示される医学的バスケットの実施例において、医学的バスケット４２は、形状記憶材料（例えば、ニチノールワイヤ）を含み、これにより、医学的バスケット４２は、変形された細長い形状（図５Ａ）と自然な球状形状（図５Ｂ）との間で遷移し、医学的バスケットの変形又は緩和が、光学的形状センサ３０に加えられる外部刺激を変化させるので、前記細長い形状と前記球状形状との間のいかなる遷移も、光学的形状センサ３０により感知される。実際に、光学的形状センサ３０は、前記体積マッピングに対する前記自然な球状形状において医学的バスケット４２に隣接してもよく、これにより、光学的形状センサ３０は、医学的バスケット４２が前記自然な球状形状からある程度、変形されるときはいつでも、局所的に伸長する。
図８に関連して後でここに説明されるように、体積マッピング器具２０が、デリバリ器具６４（図１）により前記解剖学的体積内に進められ、前記解剖学的体積内で前記自然な球状形状に遷移されるので、各医学的バスケット４２は、変形された細長い形状で動作される。このように、光学的形状センサ３０は、医学的バスケット４２が、前記解剖学的体積内で自然な球状形状を再開するような時間まで、各医学的バスケット４２の細長い感知を提供する。
他の例により、図５に示される医学的チューブの実施例において、医学的チューブ４３は、形状記憶材料（例えば、ニチノール管）を含み、これにより、医学的チューブ４３は、変形された細長い形状（図６Ａ）と自然ならせん形状（図６Ｂ）との間で遷移し、医学的チューブの変形又は緩和が、光学的形状センサ３０に加えられる外部刺激を変化させるので、前記細長い形状と前記らせん形状との間のいかなる遷移も、光学的形状センサ３０により感知される。実際に、光学的形状センサ３０は、前記体積マッピングに対する前記自然ならせん形状において医学的チューブ４３に隣接してもよく、これにより、光学的形状センサ３０は、医学的チューブ４３が前記自然ならせん形状からある程度変形されるときはいつでも、局所的に伸長する。
図９と関連して後にここで説明されるように、体積マッピング器具２０は、デリバリ器具６４（図１）により前記解剖学的体積内に進めされ、前記解剖学的体積内で前記自然ならせん形状に遷移されるので、医学的チューブ４３は、変形された細長い形状において動作される。このように、光学的形状センサ３０は、医学的チューブ４３が前記解剖学的体積内で自然ならせん形状を再開するような時間まで医学的チューブ４３の細長い感知を提供する。
体積マッピング器具２０の更なる理解を容易化するために、図７に示されるフローチャート８０により表される本発明の体積マッピング方法が、ここに記載される。フローチャート８０の記載は、図１に示される患者１０の中空の肺１１の体積マッピングに関連して提供される。
図１及び７を参照すると、フローチャート８０の段Ｓ８１は、患者１０の中空器官１１の撮像と、中空器官１１に体積マッピング器具２０を進める経路の計画とを含む。中空器官１１を撮像するために、撮像システム６０が、撮像座標系６１内の中空器官１１の画像を生成する既知の撮像モダリティ（例えば、Ｘ線、コンピュータ断層撮影、磁気共鳴撮像、超音波、陽電子放出断層撮影、単光子放出断層撮影）を実施するのに使用される。
中空器官１１に体積マッピング器具２０を進める経路を計画するために、経路プランナ６２及び／又は手術ナビゲータ６３が、中空器官１１に体積マッピング器具２０を進める手段として使用されるべきデリバリ器具６４のタイプに依存して既知の計画技術を実施するように使用される。
例えば、カテーテル又は内視鏡であるデリバリ器具６４に関連して、計画プランナ６２は、２００７年４月１７日に公開され、"3D Tool Path Planning, Simulation and Control System"と題されたTrovato他に対する国際出願ＷＯ２００７／０２２９８６Ａ２により教示される技術を実施してもよく、これは、患者１０の生成された画像内の前記カテーテル又は内視鏡に対する運動学的に正しい経路を生成するのに使用されうる。
代わりに、カテーテル又は内視鏡であるデリバリ器具６４に関連して、手術ナビゲータ６２は、患者１０の生成された画像内の前記カテーテル又は内視鏡を追跡する電磁又は光学的ガイダンスシステムを使用してもよい。このような手術ナビゲータの一例は、カテーテル又は内視鏡に対するグローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ）のように動作するPhilips Medicalにより商業的に提供されるPercuNavシステムである。
また、例により、入れ子式カニューレであるデリバリ器具６４に関連して、経路プランナ６２は、２００８年３月２０日に公開され、"Active Cannula Configuration For Minimally Invasive Surgery"と題されたTrovato他に対する国際出願ＷＯ２００８／０３２２３０Ａ１により教示される技術を実施してもよく、これは、患者１０の生成された画像内の前記入れ子式カニューレに対する運動学的に正しい構成を生成するのに使用されうる。
フローチャート８０の段Ｓ８２は、中空器官１１内の体積マッピング器具２０の規則的な配置及び固定を含む。実際に、中空器官１１に体積マッピング器具２０を送る手順は、医学的ツール４０及びデリバリ器具６４のタイプに依存する。２つの例が、ここに記載される。
図８に示されるように中空器官１１の全体的な境界を含む第１の例に対して、医学的ツール４０は、４つの医学的バルーン４１を含み、デリバリ器具６４は、カテーテル６４ａである。医学的バルーン４１は、単一の光学的形状センサ３０の遠位端に沿って空間的に分配され、カテーテル６４ａ内で圧縮された収縮状態である。１以上の光ファイバを持つ光学的形状センサ３０の一実施例において、各光ファイバの光学的形状センサ３０は、らせんパターンで（チャネルを開いたまま保つためのワイヤ又は高分子コイルチューブのような壁要素を持つ又は持たない）各医学的バルーン４１の表面内のチャネルを通過してもよく、これは、医学的バルーン４１が拡張することを可能にしながら、可撓性であるが、比較的伸縮不可能な光ファイバによる形状追跡を可能にする。前記パターン内の各光ファイバの末端は、可撓性膜内の全ての方向において機械的に拘束される固定点を構成してもよく、前記光ファイバに沿った他の点は、前記光ファイバが埋め込まれる可撓性マトリクス内のチャネル／溝に平行なスライドする境界条件で自由にスライドすることを可能にされる。
更に、各光ファイバの緩い長さは、医学的バルーン４１に向けて続くので、医学的バルーン４１の各端部に取り付けられてもよい。前記長さは、好ましくは、最短経路長と各医学的バルーン４１の拡張された表面上の距離との間である。各医学的バルーン４１は、中空器官１１他の医学的バルーン４１によりある程度圧縮されるので、前記経路は、拡張された医学的バルーン４１のサイズを示すべきである。
光学的形状センサ３０が、図８Ｂを単純化するように各医学的バルーン４１を長手方向に横切るように図８Ｂに示されることに注意されたい。それにもかかわらず、実際には、図３及び４に示される球状パターンに配置される光学的形状センサ３０は、医学的バルーン４１の膨張の光学的感知を提供する。
カテーテル６４ａは、図８Ａに示されるように中空器官１１ａの特定の侵入点に前記体積マッピング器具を送るようにナビゲートされてよく、これにより、前記体積マッピング器具は、中空器官１１ａ内の前記体積マッピング器具、特に医学的バルーン４１の規則的な配置を容易化するように設計されたパターンで中空器官１１ａ内に進められる。代わりに、カテーテル６４ａは、中空器官１１内の前記体積マッピング器具、特に医学的バルーン４１の規則的な配置を容易化するように設計されたパターンで中空器官１１内に進められてもよい。
いずれの場合にも、一度医学的バルーン４１が中空器官１１ａ内に規則的に配置されると、医学的バルーン４１は、中空器官１１ａの境界に対して医学的バルーン４１を固定するように膨張される。実際に、医学的バルーン４１は、自動的にトリガされてもよく、これにより、膨張は、作動基準（例えば、器具挿入の深度）を評価するように医学的バルーン４１内の埋め込まれたセンサからの測定値（例えば、温度、歪、幾何構成、湿度、ｐＯ２、ｐＣＯ２等）を入力として取り込む空気圧式アクチュエータにより自動的に開始される。代わりに、医学的バルーン４１の膨張は、中空器官１１ａの境界に対する最適な固定プロファイルを達成するようにプログラム可能な又は自動化されたシーケンスで時間調整されてもよい。トリガ又はタイマを用いて、医学的バルーン４１は、各医学的バルーン４１が中空器官１１ａに入るにつれて順次的に、又は代わりに２以上の医学的バルーン４１の挿入後に膨張されてもよい。
また、実際に、撮像システム６０は、中空器官１１ａ内で医学的バルーン４１を規則的に配置する及び／又は中空器官１１ａの境界に対する医学的バルーン４１の許容可能な固定を視覚化するのに使用されてもよい。
当業者は、図８の例に対する医学的バルーン４１の代わりに医学的バスケット４２（図１）の代替的な使用を理解する。
図９に示されるような心臓１２を含む第２の例に対して、医学的ツール４０は、らせん状チューブ４３であり、デリバリ器具は、カニューレ６４ｂである。図６に示されるように、細長い形状を持つ光学的形状センサ３０は、カニューレ６４ｂを通って細長い形状に延びるらせん状チューブ４３を通って延びる。この例において、カニューレ６４ｂは、心臓１２の右心房１２ａ内に進められるように長手方向に拡張され、前記体積マッピング器具は、コイル４４により右心房４３に固定される。カニューレ６４ｂは、この後に、図９に示されるように右心房１２ａの開口まで後退され、らせん状チューブ４３及び光学的形状センサ３０は、らせん状チューブ４３の通常のらせん形状を仮定し、右心房１２ａの境界に対して固定すると推定する。
図７を再び参照すると、フローチャート８０の段Ｓ８３は、前記生成された画像内の中空器官１１の体積マッピングを含む。実際に、光学的形状センサ３０が、画像座標系６２（図１）内の長さに沿った光学的形状センサの３Ｄの位置を検出しうるという事実の観点から、中空器官１１内の光学的形状センサ３０の分布、医学的ツール４０による光学的形状センサ３０の固定点の設計、及び固定の度合いは、医学的ツール４０が中空器官１１に対して固定されるので中空器官１１の正確なマッピングに対して考慮すべき重要なマッピング要因である。
図１を参照すると、形状センサコントローラ５０及び体積マッピングモジュール５１は、光学的形状センサ３０の符号化された光学的信号を処理し、これにより光学的形状センサ３０の一部又は全体的な形状を再構成するのに使用される。本発明の目的に対して、形状センサコントローラ５０は、光学的形状センサ３０を通して光を伝送し、変形光学的センサアレイによる伝送光の連続した内部反射により生成される前記符号化された光学的信号を受け取るように構造的に構成されたいかなる装置又はシステムとしてもここに広く規定される。形状センサコントローラ５０の一例は、光学的形状センサ３０を通して光を伝送し、変形光学的センサアレイによる前記伝送光の前記連続した内部反射により生成される前記符号化された光学的信号を受け取る、当技術分野において既知である、光結合器、広帯域基準反射器及び周波数領域反射率計を含むが、これらに限定されない。
本発明の目的に対して、体積マッピングモジュール５２は、光学的形状センサ３０の形状を部分的に又は全体的に再構成するように前記符号化された光学的信号を処理するように構造的に構成されたいかなる物品としても広く規定される形状再構成器を含む。前記形状再構成器の一例は、既知の形状再構成技術を実施するようにいかなるタイプのコンピュータ（例えば、図１に示されるワークステーション５３）上にソフトウェア及び／又はファームウェアとしてインストールされる再構成エンジンを含むが、これに限定されない。特に、光学的形状センサ３０の形状に一体化される歪／曲げ測定に前記符号化された光学的信号を関連付ける既知の形状再構成技術である。
体積マッピングモジュール５２は、光学的形状センサ２１の再構成された形状及び適用可能である場合に前記マッピング構造形態における医学的ツール４０の物理的幾何構成を処理し、画像座標系６１内の中空器官１１の境界の３Ｄ形状を提供するように構造的に構成されたいかなる物品又は装置としても広く規定漁れる画像マッパを含む。
例えば、図８Ｂに関連して、ドット９０−９７は、医学的ツール４０の固定による中空器官１１のエッジを表し、したがって中空器官１２に対する光学的形状センサ３０の様々な感知点を表す。前述のマッピング要因の観点から、体積マッピングは、直線及び／又は弧（例えば、ベジエ曲線）としてのドット９０−９７間の接続により達成されうる。当業者により理解されるように、ドット９０−９７の増加は、前記画像マッパによる前記解剖学的体積のより正確な体積マッピングをもたらす。
段Ｓ８３の完了後に、前記体積マッピングは、様々な診断及び／又は治療目的に対して使用されうる。例えば、形状マッピングされた境界は、マルチモダリティデータ位置合わせ／統合に対して固定された解剖学的体積／フィーチャを規定するのに使用されてもよく、これにより、形状追跡器具空間及び撮像／監視空間は、重畳され、所望の目標に向けた形状追跡装置の強化されたガイダンスを可能にする。
当業者は、本発明の体積マッピング器具の原理をいかなるタイプの医学的処置に応用する方法も理解するだろう。
当業者は、本発明の体積マッピング器具の利益を更に理解するだろう。
本発明の様々な実施例が、図示及び記載されているが、ここに記載された本発明の実施例が、説明に役立つものであり、本発明の真の範囲から逸脱することなしに、様々な変更及び修正が行われてもよく、同等物が要素に対して代用されてもよいと、当業者により理解されるだろう。加えて、多くの修正は、中心的な範囲から逸脱することなしに本発明の教示を適応させるように行われてもよい。したがって、本発明が、本発明を実行すると期待されるベストモードとして開示される特定の実施例に限定されないが、本発明が、添付の請求項の範囲に入る全ての実施例を含むことが意図される。
１０：患者
１１、１１ａ：中空器官
１２：心臓
１２ａ：右心房
３０：光学的形状センサ
３１：センサアレイ
４０：医学的ツール
４１：医学的バルーン
４２：医学的バスケット
４３：医学的チューブ
４４：コイル
５０：形状センサコントローラ
５１：体積マッピングモジュール
５２：マッピングされた体積
５３：マッピングされた体積の表示
６０：撮像システム
６１：撮像座標系
６２：経路プランナ
６３：手術ナビゲータ
６４：デリバリ器具
６４ａ：カテーテル
６４ｂ：カニューレ
９０−９７：ドット

Claims (13)

  1. 解剖学的体積の境界の少なくとも一部をマッピングするための囲まれた解剖学的体積内に配置可能な体積マッピング器具において、
    少なくとも１つの医学的ツールであって、各医学的ツールは、前記解剖学的体積内に各医学的ツールを規則的に配置するための配置可能な構造形態と前記解剖学的体積の境界に対して各医学的ツールを固定するためのマッピング構造形態との間で遷移する、前記医学的ツールと、
    らせんパターンで各医学的ツールに配置した光学的形状センサであって、各医学的ツールが前記解剖学的体積内で前記配置可能な構造形態から前記マッピング構造形態に遷移するのに応じて前記解剖学的体積の前記境界の少なくとも一部の形状を示す少なくとも１つの符号化された光学的信号を生成するように構造的に構成される、当該光学的形状センサと、
    を有する、体積マッピング器具。
  2. 前記光学的形状センサは、前記解剖学的体積の前記境界の少なくとも一部の形状を示す少なくとも１つの符号化された光学的信号を生成することに加えて、動き、歪、気体流、流量、磁性、電圧、温度、圧力、及び生化学的状態の少なくとも１つの測定を提供する材料で構成及び／又はコーティングされる、請求項１に記載の体積マッピング器具。
  3. 各医学的ツールに対する前記光学的形状センサの隣接は、前記光学的形状センサの少なくとも１つが各医学的ツールを横切ること又は前記光学的形状センサが各医学的ツールを通って延在することを含む、請求項１に記載の体積マッピング器具。
  4. 前記少なくとも１つの医学的ツールが、少なくとも１つの医学的バルーンを含み、各医学的バルーンが、前記解剖学的体積内で前記医学的バルーンを規則的に配置するための収縮状態と前記解剖学的体積の前記境界に対して前記医学的バルーンを固定するための膨張状態との間で遷移する、請求項１に記載の体積マッピング器具。
  5. 前記少なくとも１つの医学的ツールが、少なくとも１つの医学的バスケットを含み、各医学的バスケットが、形状記憶材料を含み、前記解剖学的体積内で前記医学的バスケットを規則的に配置するための細長い形状と前記解剖学的体積の前記境界に対して前記医学的バスケットを固定するための球状形状との間で遷移する、請求項１に記載の体積マッピング器具。
  6. 前記光学的形状センサが、少なくとも１つの光ファイバを含み、各光ファイバは、各医学的ツールが前記解剖学的体積内で前記配置可能な構造形態から前記マッピング構造形態に遷移されるのに応じて前記解剖学的体積の前記境界の少なくとも一部の形状を示す前記少なくとも１つの符号化された光学的信号の１つの生成する、請求項１に記載の体積マッピング器具。
  7. 囲まれた解剖学的体積の境界の少なくとも一部をマッピングする体積マッピングシステムにおいて、
    解剖学的体積内で配置可能な体積マッピング器具であって、
    少なくとも１つの医学的ツールであって、各医学的ツールは、前記解剖学的体積内に各医学的ツールを規則的に配置するための配置可能な構造形態と前記解剖学的体積の境界に対して各医学的ツールを固定するためのマッピング構造形態との間で遷移する、前記医学的ツール、及び
    各医学的ツールに隣接した光学的形状センサであって、各医学的ツールが前記解剖学的体積内で前記配置可能な構造形態から前記マッピング構造形態に遷移するのに応じて前記解剖学的体積の前記境界の少なくとも一部の形状を示す少なくとも１つの符号化された光学的信号を生成するように構造的に構成される、当該光学的形状センサ、
    を有する、当該体積マッピング器具と、
    前記少なくとも１つの符号化された光学的信号を受け取るのに応じて前記解剖学的体積の前記境界の少なくとも一部をマッピングする体積マッピングモジュールと、
    を有する、体積マッピングシステム。
  8. 前記光学的形状センサが、前記解剖学的体積の前記境界の少なくとも一部の形状を示す少なくとも１つの符号化された光学的信号を生成することに加えて、動き、歪、気体流、流量、磁性、電圧、温度、圧力、及び生化学的状態の少なくとも１つの測定を提供する材料で構成及び／又はコーティングされる、請求項７に記載の体積マッピングシステム。
  9. 各医学的ツールに対する前記光学的形状センサの隣接は、前記光学的形状センサの少なくとも１つが各医学的ツールを横切ること又は前記光学的形状センサが各医学的ツールを通って延在することを含む、請求項７に記載の体積マッピングシステム。
  10. 前記少なくとも１つの医学的ツールが、少なくとも１つの医学的バルーンを含み、各医学的バルーンが、前記解剖学的体積内で前記医学的バルーンを規則的に配置するための収縮状態と前記解剖学的体積の前記境界に対して前記医学的バルーンを固定するための膨張状態との間で遷移する、請求項７に記載の体積マッピングシステム。
  11. 前記少なくとも１つの医学的ツールが、少なくとも１つの医学的バスケットを含み、各医学的バスケットが、形状記憶材料を含み、前記解剖学的体積内で前記医学的バスケットを規則的に配置するための細長い形状と前記解剖学的体積の前記境界に対して前記医学的バスケットを固定するための球状形状との間で遷移する、請求項７に記載の体積マッピングシステム。
  12. 前記光学的形状センサが、少なくとも１つの光ファイバを含み、各光ファイバは、各医学的ツールが前記解剖学的体積内で前記配置可能な構造形態から前記マッピング構造形態に遷移されるのに応じて前記解剖学的体積の前記境界の少なくとも一部の形状を示す前記少なくとも１つの符号化された光学的信号の１つの生成する、請求項７に記載の体積マッピングシステム。
  13. 囲まれた解剖学的体積の境界の少なくとも一部をマッピングするように少なくとも１つの医学的ツール及び前記少なくとも１つの医学的ツールに隣接した光学的形状センサを含む体積マッピング器具を配置する体積マッピングシステムの作動方法において、
    核医学的ツールが、前記解剖学的体積内で前記医学的ツールを規則的に配置するための配置可能な構造形態から前記解剖学的体積の前記境界に対して前記医学的ツールを固定するためのマッピング構造形態に遷移するステップと、
    各医学的ツールが前記解剖学的体積の前記境界に対して固定されるのに応じて、前記光学的形状センサが、前記解剖学的体積の前記境界の少なくとも一部の形状を示す少なくとも１つの符号化された光学的信号を生成するステップと、
    前記少なくとも１つの符号化された光学的信号に基づいて前記解剖学的体積の前記境界の少なくとも一部をマッピングするステップと、
    を有する、方法。
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