JP2021518243A - ３ｄ医用画像データにおける皮膚表面上の仮想デバイス配置のための方法 - Google Patents

Abstract

システム、方法及びコンピュータ可読媒体が提供される。一部の実施形態は、仮想デバイスモデルを画像空間に自動的にレジストレーションし、実際のデバイスが患者上に配置される前に皮膚表面上のデバイスの最も見込みのある構成を概算するためのアルゴリズムを備える画像誘導ソフトウェアを含む。デバイスの仮想モデルとその到達可能エリアは、標的の到達可能性を可視化及び定量化するために、計画画像データにオーバーレイされる。【選択図】図２Ａ

Description

関連出願への相互参照
本願は、２０１８年３月１７日に提出された米国仮特許出願第６２／６４４，４９６号の利益を主張する、２０１９年３月１５日に提出された米国非仮特許出願第１６／３５５，０２３号の利益を主張する、特許協力条約に基づく出願である。米国非仮特許出願第１６／３５５，０２３号及び米国仮特許出願第６２／６４４，４９６号の各々は、参照により、その全体が本明細書に組み込まれる。

本開示は、概して医用イメージングに関し、より詳細には、針誘導のための外部デバイスを用いて低侵襲処置を計画し実行するためのシステム、方法及びデバイスに関する。

医用画像は、処置の計画、実行及び術後解析において、医師を支援する。いくつかの有用なイメージングモダリティとして、超音波イメージング、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）及び磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）が挙げられる。医用画像はまた、処置を実施している間に、患者に対して様々な器具をナビゲートするのを支援するために用いることもできる。治療エリアに対して、患者上にデバイスを正確に配置することが重要である。

低侵襲画像誘導針インターベンション（生検、アブレーション療法等）の計画時、標的の病変又は解剖学的構造は、通常、ＣＴやＭＲＩ等のモダリティの医用画像内で識別される。針軌道を決定するために、通常、皮膚表面上の挿入点も識別される。可能な軌道は、針のジオメトリと操縦性によって決まる。計画軌道に沿って針を方向付けるのを支援するために、患者の皮膚の上又は近くに配置された状態で、誘導デバイスを使用することができる。デバイスのジオメトリと針の長さ及びジオメトリによって到達可能エリアが制限されるので、デバイスの知識、経験、及び画像データの測定結果に基づいて、心象が形成されて、選択された挿入点から標的に到達可能かどうかが決定される。処置中、デバイスは患者上に配置され、新しい画像が取得され、画像上でデバイスを識別し、画像空間にレジストレーションすることができる。次いで、標的が到達可能かどうかを確認することができる。

米国特許第６，７８２，２８８号には、旋回点を中心に旋回する針ガイドを備えるデバイスと、イメージングシステム及び関連ソフトウェアを用いて、ガイドを所望の針軌道に合わせる方法とが記載されている。米国特許第９，４０８，６２７号には、円形のベースプレート、半円形の回転弧及び針ガイド、並びに関連画像誘導ソフトウェアから成る全身定位針配置デバイスが記載されている。しかしながら、上記のような従来のシステムでは、標的の到達可能性を評価するために、計画時にイメージングソフトウェアにおいてデバイス配置をシミュレートするための規定がない。よって、針誘導デバイスが患者上に配置され、撮像され、画像空間に対してレジストレーションされる前に、デバイスを用いて、選択された挿入点から目標点に到達できるかどうかを確認することは難しい。

したがって、標的到達可能性を評価し、最適なデバイス配置を支援するために、計画時にイメージングソフトウェアにおいてデバイス配置をシミュレーションするシステム及び方法を提供することが望ましい。

標的の到達可能性を可視化及び定量化するために、計画時にデバイス配置をシミュレーションするためのシステム、方法及びコンピュータ可読媒体が開示される。本開示の実施形態によれば、医用画像データは、何らかのイメージングシステム（ＣＴ、ＭＲＩ等）から取得される。一部の実施形態は、標的及び挿入点の場所を設定することによって針軌道を定めることを可能にし、かつ、物理誘導デバイスと処置に用いられる針又は器具の３Ｄモデル表現を含む画像誘導システムを含む。

一部の実施形態は、仮想デバイスモデルを画像空間に自動的にレジストレーションし、実際のデバイスが患者上に配置される前に皮膚表面上のデバイスの可能な構成を概算し、推奨配置を提案するためのアルゴリズムを備える画像誘導ソフトウェアを含む。標的の到達可能性を可視化及び定量化するために、デバイスの仮想モデルとその到達可能エリアは、針ジオメトリに基づいて、計画画像データにオーバーレイされる。

一部の実施形態によれば、本明細書に開示されるシステム及び方法は、医用画像データを入力として用いる。更に、一部の実施形態では、本明細書のシステム及び方法は、底面（平面及びフットプリント）、デバイスの到達可能エリア、及び底面と到達可能エリアの間の幾何学的関係を含む、針ガイドデバイスモデル表現を入力として用いる。一部の実施形態では、本明細書のシステム及び方法は、医用画像データを可視化することと、皮膚進入点及び標的を定めることと、針ガイドデバイスについて最良の底面位置及び向きを計算することとを可能にする画像誘導ソフトウェアを用いる。一部の実施形態によれば、針ガイドデバイスの向きを決定することは、皮膚進入点に関してデバイス中心の周りでデバイスモデルを旋回させることと、皮膚と底面の間の対応関係に関連するメトリックを計算することと、上記のステップを反復してメトリックを最適化することと、を含む。一部の実施形態では、皮膚進入点に関するデバイス中心は、複数の構成を有することができ、最適な構成は、到達可能性に関するメトリックを計算し、反復してメトリックを最適化することによって決定される。更に、一部の実施形態は、既知の幾何学的関係と計算されたデバイス対画像レジストレーションを用いることにより、医用画像データ上にデバイスの到達可能エリアを表示することを含む。更に、一部の実施形態は、本開示によれば、皮膚進入点の周りでデバイスモデルを旋回させることと、計算用にデバイスモデル上で軸を定めることと、皮膚平面と針ガイドデバイスの底面との間の対応関係に関連するメトリックを計算することと、計算するステップを反復してメトリックを最適化することと、別の軸について上記ステップを繰り返すこととによって、最良の底面向きを計算することを含む。

本開示の更なる特徴は、添付の図面を参照した例示の実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。図中、同様の参照文字は、その図面全体を通して同じ又は類似の部分を示す。

添付の図面（本明細書に組み込まれ、その一部を構成する）は、本開示の実施形態を示し、説明とともに、本開示の原理を説明するのに役立つ。

図１は、一部の実施形態による、例示のグラフィカルユーザインタフェース上に提示された医用画像と、例示の針誘導デバイスのデバイスモデルと、医用画像上にオーバーレイされたデバイスモデルを示す画像とを示す図である。 図２Ａは、一部の実施形態による、画像及びデバイスモデルデータの処理を示すフローチャートである。 図２Ｂは、画像及びデバイスモデルデータから最適なデバイス位置及び向きマトリクスを計算するための一般のプロセスを示すフローチャートである。 図３は、一部の実施形態による、標的到達可能性を評価するための最適な向きを決定するプロセスを示すフローチャートである。 図４は、一部の実施形態による、画像誘導ソフトウェアと、針ガイドロボットのロボット制御サーバと、ＭＲＩスキャナを含むＭＲＩシステムとを含む針ガイドロボットシステムの例示のシステム図である。 図５は、一部の実施形態による例示のコンピューティングシステムを示す図である。

以下、図面を参照して、例示の実施形態を説明する。図１は、計画画像データ１０１と、デバイスモデル１０２と、アルゴリズム３００を適用した後に計画画像データ１０１にオーバーレイされた、レジストレーションされたデバイスモデル１０３とを示す。アルゴリズム３００は、図３を参照して以下で詳述される。一部の実施形態では、コンピューティングシステム上で動作する画像誘導ソフトウェアは、計画画像データ１０１を受信し、デバイスモデル１０２を用いて、アルゴリズム３００を実行することにより、レジストレーションされたデバイスモデル１０３の向きを決定する。

一部の実施形態では、計画画像データ１０１は、何らかのイメージングシステム（ＣＴ、ＭＲＩ等）から取得された医用画像データである。画像誘導ソフトウェアは、標的と挿入点の場所を設定することにより、針軌道を定めることを可能にする。更に、画像誘導ソフトウェアは、針軌道及び計画画像データ１０１に基づいて、挿入深さを計算してよい。一部の実施形態では、画像誘導ソフトウェアは、デバイスモデル１０２を含む。デバイスモデル１０２は、処置に用いられる物理誘導デバイスの３Ｄモデル表現である。デバイスモデル１０２は、例えば、患者又は他の画像対象の表面上に配置された（又は配置される予定の）物理誘導デバイスの仮想表現の表面モデルを提供するために、対象の画像データと併せてオーバーレイすることができ、そうでなければ提示することができる。物理誘導デバイスは、処置の準備中又は実行中に、針、プローブ又は他の医療機器を誘導するための任意の適切なデバイスであってよい。針は、処置に適した任意のサイズ又は長さの針であってよい。一部の実施形態では、複数の針の各針又は他の医療機器に対応するデータは、画像誘導ソフトウェアに含まれるそれぞれのデバイスモデルとして、コンピューティングシステムに格納される。

一部の実施形態では、画像誘導ソフトウェアは、仮想デバイスモデル１０２を画像空間に自動的にレジストレーションするための、本開示に記載されるアルゴリズム３００を含む。アルゴリズム３００は、実際のデバイスが患者上に配置される前に、皮膚表面上のデバイスの最も可能性の高い構成を概算する。レジストレーションされたデバイスモデル１０３とその到達可能エリアは、標的の到達可能性を可視化及び定量化するために、計画画像データ１０１にオーバーレイされる。

アルゴリズム３００は、図３に示されるプロセスを実行して、標的の到達可能性を評価するための最適な向きを決定する。以下でより詳細に説明するように、計画挿入点は、デバイス原点の位置を決定するために用いられ、また、デバイスモデル１０２の表面が皮膚表面に適応するように、患者上でのおおよその向きを決定するためのピボットとして機能する。

図３によれば、デバイスモデル１０２は、挿入点を通過する任意軸を中心に回転し、下にある画像データ値のサンプルは、回転軸に垂直なジオメトリでのデバイスモデル１０２表面に対応する一連のポイントにおいて、様々な角度位置について収集される。範囲、勾配又はそれらの組合わせ等、イメージングモダリティに固有であり得る各角度でのポイントサンプル値について、最適化される計量情報（メトリック）が計算され、最適値により、第１のデバイスモデル回転角度が決まる。

次に、結果として得られるデバイスモデルは、その後、第１の回転軸に直交し、かつ、第１の軸の回転後にデバイスモデルの表面に平行となる第２の軸を中心に回転され、第２の回転軸に垂直であるジオメトリにおいて、デバイスモデル表面上の一連のポイントで同様にサンプリングされる。最適値により、第２の回転角度が決まる。

２回の回転を適用した後に得られるデバイスモデルは、患者の皮膚表面の向きにほぼ一致すると予想されるが、結果として得られたデバイスモデルの新しい軸を用いて、追加の反復を実行することができる。最後のステップは、デバイスモデルが１８０度反転され得るかどうかを確認することであり、この場合、結果の表面平面のいずれかの側の画像データ値のサンプルが取得され、必要に応じてデバイスモデルが反転される。アルゴリズム３００については、図３を参照して以下で更に説明する。

図２Ａ及び図２Ｂは、画像誘導ソフトウェアを実行するコンピューティングシステムにおける例示の動作を示すフローチャートである。一部の実施形態では、図５を参照して記載されるコンピューティングシステム５００上で動作する画像誘導ソフトウェアは、前処置計画に関連する情報に基づいて、図２Ａ及び図２Ｂに示される動作を実行する。一部の実施形態によれば、図１の計画画像データ１０１は、図２ＡのステップＳ２０１で取得された医用画像データである。

ステップＳ２０１において、コンピューティングシステム５００は、対象の画像データを取得する。例えば、画像データは、患者の解剖学的構造の医用画像データであってよい。一部の実施形態では、画像データはＭＲＩデータを含む。例えば、患者がＭＲＩスキャナのガントリ内にいる間、ＭＲＩスキャナは、患者の体の少なくとも一部をスキャンする。スキャンに基づいて、ＭＲＩスキャナは、患者の解剖学的構造の画像を生成し、ＭＲＩシステム４０４は、患者の解剖学的構造の３Ｄ画像データをコンピューティングシステム５００に送信する。一部の実施形態では、画像データはＣＴデータを含む。例えば、患者の体の一部のＣＴスキャンが実施され、ＣＴスキャンに基づいて画像データが生成されてもよい。画像データが生成された後、イメージングシステムは、画像データをコンピューティングシステム５００に送信する。

一部の実施形態では、コンピューティングシステム５００は、画像データを生成したイメージングシステム以外のソースからのファイルとして、画像データを取得する。例えば、コンピューティングシステム５００は、コンピューティングシステム５００に接続されたＵＳＢフラッシュドライブや、コンピューティングシステム５００にアクセス可能な任意の他の適切な記憶媒体等の記憶装置から、ファイルを読み取るか又は取り出してよい。一部の実施形態では、コンピューティングシステム５００は、ＬＡＮ、ＷＡＮ、他の適切なネットワーク、又はネットワークの組合わせ等のネットワークを介して画像データファイルを送信するコンピューティングシステムから、画像データを取得する。

よって、コンピューティングシステム５００上で動作する画像誘導ソフトウェアは、例えば、画像データを生成したイメージングシステムから、又は記憶媒体から、又はネットワーク上の別のコンピューティングシステムから、コンピューティングシステム５００において画像データを取得する。

ステップＳ２０２において、コンピューティングシステム５００上で動作する画像誘導ソフトウェアは、画像データ（ステップＳ２０１で取得された）をディスプレイ上のＧＵＩに提示する。一部の実施形態では、コンピューティングシステム５００はディスプレイを含み、画像データは、コンピューティングシステム５００のディスプレイ上のＧＵＩに提示される。一部の実施形態では、ディスプレイは出力デバイスであり、コンピューティングシステム５００上で動作する画像誘導ソフトウェアは、Ｉ／Ｏインタフェース５０４を介して、画像データをディスプレイに出力する。一部の実施形態では、ステップＳ２０２は、ＧＵＩにおける医用画像の提示を含み、医用画像は、患者の解剖学的構造の３Ｄ表現を含む。ＧＵＩに提示された医用画像は、医療処置の前処置計画のための計画画像として用いることができる。例えば、コンピューティングシステム５００上で動作する画像誘導ソフトウェアは、ユーザ（医師等）がＧＵＩを介して入力を提供して、ＧＵＩに表示された医用画像上の１つ以上の場所を指定できるようにするインタフェース要素及び特徴を含むＧＵＩを提供する。一部の実施形態では、ＧＵＩは、任意の平面に沿った計画画像の一部を表示し、医師が標的及び皮膚進入点を指定することを可能にする。したがって、医師は、計画画像上で標的及び皮膚進入点を指定することにより、針配置の軌道を定めることができる。

ステップＳ２０３において、コンピューティングシステム５００は、医用画像上の挿入点及び標的の指定を示す１つ以上の入力を受け取る。一部の実施形態では、ステップＳ２０３は、医用画像がディスプレイ上のＧＵＩに提示されている間に入力を受け取ることを含む。入力は、任意の適切な方法で受け取ることができる。限定ではなく例として、ユーザは、指、スタイラス又は他のツールでタッチセンサ式ディスプレイにタッチすること、マウス又はタッチパッドでカーソルを制御すること、キー、ボタン又は他の入力構造を押すこと、ＧＵＩに含まれる１つ以上のインタフェース要素を操作又は選択すること、入力を提供するための別の手法、又は、これらのうちの２つ以上の組合わせのうちの１つ以上により、医用画像上で挿入点及び標的を指定する１つ以上の入力を提供することができる。計画挿入点は、患者の体内に針が挿入されることになる皮膚進入点である。標的は、治療される場所、スポット若しくはエリア、及び／又はアクセスされる解剖学的構造である。針配置の軌道は、計画挿入点と標的を接続することによって定められる。

ステップＳ２０４において、コンピューティングシステム５００は、物理誘導デバイスのデバイスモデルを取得する。デバイスモデルは、典型的には、例えばコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアプログラムを用いて、対象に対して用いられる特定の物理誘導デバイスの様々な構成要素のジオメトリ及び機能の技術仕様に基づいて、前もってソフトウェアでコード化される。例えば、図１に示されるように、物理誘導デバイスは、対象（患者等）に垂直な回転軸の周りを回転することができ、弧状のハンドル部分を有する針誘導デバイスであってよく、弧状のハンドル部分により、針ガイドは、上述の回転軸からある角度だけ傾くことができ、針（或いは医用プローブ又は他の医療用具）をカント角に沿って対象内に誘導することができる。カント角は、例えば図１に示される計画画像データ１０１に示されるように、例えば対象の画像スキャンにおいて針進入点と標的位置表現から直線を決定することによって、決定することができる。

ステップＳ２０５において、コンピューティングシステム５００は、対象上での物理誘導デバイスの配置のための場所を指定するデバイスマトリクスを計算する。特に、例えば、コンピューティングシステム５００は、スキャンデータ又は他の画像データに示されるような、対象の表面上の物理誘導デバイスの仮想表現を計算してよい。更に、ステップＳ２０５は、物理誘導デバイスがどのように対象の表面に取り付けられ、対象の表面上で安定した方法で静止することができるかを指定してよい。更に、ステップＳ２０５は、物理誘導デバイス（例えば図１に示されるような針挿入デバイス１０２）のベースにどのように角度を付けるのかを決定することができ、それにより、患者又は他の撮像対象の表面に安定した取付けを提供するように、物理誘導デバイスのベースの全体又は大部分にわたって接触が提供される。更に、ステップＳ２０５は、物理誘導デバイスを用いて医療機器が対象内に誘導され得る範囲を示す到達可能性メトリックを計算してよく、更に、対象内で誘導される医療機器の使用のために、十分な追加の範囲（例えばヘッドルーム）があるかどうかの指示を計算してよい。対象の表面上と同じ状態の物理誘導デバイスの仮想表現を提供し（例えば表示し）、画像データに重ね合わせることができる。更に、複数の潜在的な取付け場所を決定することができ、そして、ユーザのために、最良適合を特定することができ、或いは、ユーザに、ユーザの医学的知識に基づいて、最良適合を選択することを許可することができる。ステップＳ２０５の特定の実装の追加の詳細は、図２Ｂを参照して以下に提供される。

ここで図２Ｂを参照すると、画像及びデバイスモデルデータから最適なデバイス位置及び向きマトリクスを計算するために、図５のコンピューティングシステム５００によって実行され得る一般プロセスを図示するフローチャートが示されている。図２Ｂのプロセスは、例えば、図２ＡのステップＳ２０５の処理を実行するのに有用である。ステップＳ２１１において、コンピューティングシステム５００は、例えば、以前に作成された対象のスキャンデータを記憶装置５０３から読み取ることによって、対象の画像データを取得する。ステップＳ２１２において、コンピューティングシステム５００は、物理誘導デバイスのソフトウェアモデルを、記憶装置５０３からメモリ５０２にロードする。物理誘導デバイスのソフトウェアモデルがメモリ５０２にロードされると、コンピューティングシステム５００は、対象の画像データに基づいて、物理誘導デバイスのソフトウェアモデルを対象のソフトウェアモデルのジオメトリにリンクさせる。これは、例えば、スキャンデータに重ね合わされた物理誘導デバイスの仮想表現を作成することを含んでよく、また、医師、医療提供者又は他のユーザが、対象（例えば患者）上に配置された場合に物理誘導デバイスがどのように見えるかを確認することができるように、例えばディスプレイデバイス上に、スキャンデータの表示に重ね合わせられた物理誘導デバイスの仮想表現の表示を提供することを含んでもよい。

ステップＳ２１３において、コンピューティングシステム５００は、スキャンデータにおいて選択されたサンプルラインに沿って、スキャンデータのスカラ値をサンプリングする。サンプルラインは、例えば、対象のソフトウェアモデルのジオメトリにリンクされた、物理誘導デバイスの仮想表現の下にある対象上のポイントを通る直線又は曲線の進路とすることができる。例として、物理誘導デバイスの仮想表現の下の任意のポイントを用いることができるが、特に、物理誘導デバイスが回転対称性を有し、かつ／又は物理誘導デバイスのベースの回転軸の周りで回転可能である場合は、物理誘導デバイスのソフトウェアモデルの下に中心がある（又は軸方向に中心がある）ポイントを選択することがよく用いられる。よって、例えば、物理誘導デバイスのベースの回転軸と、スキャンデータに重ね合わされた物理誘導デバイスの仮想表現に示された対象の表面（例えば皮膚表面）との交点を通るサンプルラインを選択することができる。ラインに沿った複数のポイントを選択することができる。このようなポイントごとに、スキャンデータがサンプリングされる。サンプリングされたデータは、ポイントを中心とする（又は別の方法でポイントを含む）小さな球等、ポイントを囲む小さな領域を表すデータを含む。したがって、そのようなポイントのサンプリングされたデータは、サンプルポイント周辺の近傍における場所を表すデータを含み、したがって、ポイントのサンプリングされたデータの数学的属性（近傍のデータ値の勾配導関数等）を用いて、ポイントの属性を決定することができる。当該の例は、サンプルポイント周辺の近傍のサンプルデータの値ｆの勾配導関数（一般に勾配と呼ばれる）∇ｆを計算することである。ステップＳ２１３の更なる例は、図３に関して、ステップＳ３０３、Ｓ３０７及びＳ３１０において以下に提供される。

ステップＳ２１４において、コンピューティングシステム５００は、スキャンデータに重ね合わされた物理誘導デバイスの仮想表現の皮膚適合メトリックを決定する。例えば、コンピューティングシステム５００は、ステップＳ２１３に関して上述されたサンプルラインに沿ったサンプルポイントの各々のそれぞれの近傍における勾配∇ｆを計算してよい。勾配∇ｆがそのような近傍全体で定数（ゼロ等）であるか、又はそれに近い場合、コンピューティングシステム５００は、サンプルポイントが、対象の上か又は隣接する空気中にあるが、対象の表面上又は対象内部には存在しない可能性が最も高いと決定する。なぜなら、スキャンによって検出可能な密度、温度及び他の物理的パラメータは、対象周囲の空気中ではあまり変化しないので、空気中のスキャンデータの値は、典型的には値が非常に近くなるからである。つまり、対象周囲の空気中のポイントから取得されるスキャンデータのほとんどの値は、典型的には値がほぼ同じであるので、勾配∇ｆの変化はほとんどないという結果になる。勾配∇ｆの値は、空気中のサンプルポイント周囲の近傍全体において、ほぼゼロになる場合がある。勾配∇ｆが近傍のライン又は平面に沿った値の急激な変化を含む場合、そのようなライン又は平面での値の急激な変化は対象の表面で発生するので、コンピューティングシステム５００は、サンプルポイントが対象の表面にあるか又は非常に近い可能性が最も高いと決定する。勾配∇ｆが近傍の値の小さな変化を含むが、値の急激な変化を含まない場合、コンピューティングシステム５００は、サンプルポイントが患者の内部にある可能性が最も高いと決定する。なぜなら、勾配の値の小さな変化は、そのような近傍全体における対象の組織の性質における変化（例えば、対象の筋肉又は皮膚深部の膜若しくは血管で生じる、勾配∇ｆの値の変化）を表すからである。サンプルラインに沿ったそのような各ポイントについて、コンピューティングシステム５００は、サンプルポイントが対象の表面上にあるか又は非常に近いポイントを表す可能性が高いかどうかを決定する。対象の表面上にあるか又は非常に近い、サンプルライン上のサンプルポイントの数は、コンピューティングシステム５００によってカウントされる。そのカウントが予め選択された値（３等）を満たすか又は超える場合、コンピューティングシステム５００は、物理誘導デバイスの仮想表現が、スキャンデータによって表される対象の表面上にあると決定してよい。

ステップＳ２１５において、コンピューティングシステム５００は、対象の表面上に物理誘導デバイスの仮想配置を配置するために、更なる計算が必要かどうかを決定する。例えば、ステップＳ２１４のカウントが予め選択された値（例えば３）を満たすか又は超える場合、コンピューティングシステム５００は、対象の表面上に物理誘導デバイスの仮想配置を位置付けるために、更なる計算は必要ではないと決定してよい（ステップＳ２１５でＹＥＳ）。一方、ステップＳ２１４のカウントが予め選択された値を満たさないか、又は超えない場合（例えば、カウントが２以下である場合）、コンピューティングシステム５００は、対象の表面上に物理誘導デバイスの仮想配置を位置付けるために、更なる計算が必要であると決定してよい（ステップＳ２１５でＮＯ）。しかしながら、好ましくは、コンピューティングシステムは、ステップＳ２１３及びＳ２１４を複数回実行するようにプログラムされ、その結果、次に取り上げられるように、反復後、対象の表面上での物理誘導デバイスの複数の仮想配置が見つかるまで、ステップＳ２１５でＮＯが複数回決定される。ステップＳ２１５において決定がＮＯである場合、処理はステップＳ２１３に戻り、スキャンデータ内の新たに選択されたラインに沿って、ステップＳ２１３及びＳ２１４の処理の反復を実行する。新しく選択されたサンプルラインは、物理誘導デバイスの仮想表現の回転軸に沿って前のサンプルラインを回転させることによって得られる直線又は曲線の進路であってよく、これは、例えば、前のサンプルラインのサンプルポイントのうち少なくとも１つが、対象の表面上にあるか又は非常に近くにあると決定された場合に、有用である。或いは、特に、前のサンプルラインのサンプルポイントのいずれも対象の表面上になく、又はあまり近くにないと決定された場合、コンピューティングシステム５００は、例えば前のサンプルラインをシフトさせるか、又はシフト及び回転することにより、前のサンプルラインと交差しないサンプルデータを通るラインを選択することによって、新しく選択されたサンプルラインを決定してよい。ステップＳ２１５において決定がＹＥＳである場合、コンピューティングシステム５００は、処理はステップＳ２１６に進む。

ステップＳ２１６において、コンピューティングシステム５００は、反復を伴う前の処理ステップＳ２１１、Ｓ２１２、Ｓ２１３、Ｓ２１４及びＳ２１５によって提供される物理誘導デバイスの仮想配置の中から、最良適合又は最適適合を選択する。例えば、一実施形態では、コンピューティングシステム５００は、物理誘導デバイスの仮想配置を比較し、対象の表面上にあるか又は非常に近いサンプルポイントが最も多い仮想配置であるとして、最良適合又は最適適合を決定する。別の実施形態では、コンピューティングシステム５００は、前の処理ステップＳ２１１、Ｓ２１２、Ｓ２１３、Ｓ２１４及びＳ２１５によって提供された物理誘導デバイスの仮想配置の各々について、対象の皮膚までの距離を計算する。皮膚に最も近い仮想配置が、最良適合又は最適適合として選択される。次いで、処理はステップＳ２１７へ進む。

ステップＳ２１７において、コンピューティングシステム５００は、選択された最良適合又は最適適合について到達可能性メトリック計算する。特に、コンピューティングシステム５００は、対象内の候補目標点（例えば、注射の負荷を受けるか又はアブレーションを受ける予定の場所）が、物理誘導デバイスによって誘導される針又は医療機器の到達可能範囲（到達可能エリア）内にあり得るかどうかを決定する。更に、コンピューティングシステム５００は、候補目標点が到達可能範囲の境界にどれだけ近いかを計算してよい。これは、医師、医療提供者又は他のユーザにとって、医療機器（針やアブレーションプローブ等）の使用に十分なヘッドルームが貴重であるので、特に価値がある。

ステップＳ２１８において、コンピューティングシステム５００は、前の処理ステップＳ２１１、Ｓ２１２、Ｓ２１３、Ｓ２１４、Ｓ２１５、Ｓ２１６及びＳ２１７の更なる反復が有用である可能性があるかどうかを決定する。例えば、到達可能範囲の境界が候補目標点に近い場合、医師、医療提供者又は他のユーザに十分なヘッドルームを提供するように、到達可能範囲の中心（又は中心付近）に候補目標点をもつ物理誘導デバイスの仮想配置を発見することができるので、前の処理ステップＳ２１１、Ｓ２１２、Ｓ２１３、Ｓ２１４、Ｓ２１５、Ｓ２１６及びＳ２１７の更なる反復は有用であり得る。更なる反復が有用である可能性がある場合（ステップＳ２１８でＮＯ）、処理はステップＳ２１１に戻り、そうでない場合（ステップＳ２１８でＹＥＳ）、処理はステップＳ２１９に続く。

ステップＳ２１９において、コンピューティングシステム５００は、物理誘導デバイスの最良又は最適な仮想配置を選択する。物理誘導デバイスの最良又は最適な仮想配置は、医師、医療提供者又は他のユーザに表示することができる。或いは、医師、医療提供者又は他のユーザは、ステップＳ２１８から提供される物理誘導デバイスの仮想配置の各々を示されることができ、次いで、医療知識又はスキルに基づいて、最良の仮想配置を選択することができる。本実施形態の一態様によれば、図２Ａ及び／又は図２Ｂの上記処理は、医療処置中に実行することができる。しかしながら、本実施形態の別の態様によれば、例えば、対象のスキャンを１回で実行し、その後、図２Ａ及び／又は図２Ｂの処理を実行し、その後（潜在的に後の時間又は日付に）、図２Ａ及び／又は図２Ｂの処理によって決定された最良又は最適な配置で物理誘導デバイスを配置することで、物理誘導デバイスを用いて実際の医療処置を実行することにより、図２Ａ及び／又は図２Ｂの上述の処理は、対象に物理誘導デバイスを使用する医療処置の前（例えば、かなり前）に実行することができる。本実施形態のそのような態様は、例えば、医師、医療提供者又は他のユーザが、物理誘導デバイスを最適に配置できる場所を十分に事前に決定することができ、したがって、かなり早めに医療処置を十分に計画することができるので、非常に有用である。

一部の実施形態では、医用画像がディスプレイ上のＧＵＩに提示されることなく、挿入点と標的の一方又は両方が設定される。例えば、計画画像データ１０１に対応する座標系における点を表す入力に基づいて、挿入点又は標的を設定することができる。一部の実施形態では、挿入点及び／又は標的は、計画画像データ１０１に基づいて計算される。

挿入点及び標的が設定された後、コンピューティングシステム５００上で動作する画像誘導ソフトウェアは、図４を参照して説明されるように、定められた軌道をロボット制御サーバに送信してよい。一部の実施形態では、標的及び計画挿入点を示す情報は、図２Ａ及び図２Ｂのいずれか又は両方の処理の一部として送信される。例えば、一部の実施形態によれば、ロボット制御サーバは、標的及び挿入点の情報を用いて、ロボット制御サーバで軌道を決定する。一部の実施形態では、画像誘導ソフトウェアは、計画挿入点と標的を接続することにより、針配置の軌道を決定する。次に、画像誘導ソフトウェアは、定められた軌道をロボット制御サーバに転送する。

一部の実施形態では、コンピューティングシステム５００上で動作する画像誘導ソフトウェアは、ディスプレイ上のＧＵＩに、定められた軌道とともに３Ｄ画像を提示する。例えば、コンピューティングシステム５００は、軌道が定められると、ディスプレイ上のＧＵＩに、定められた軌道に沿った平面で再スライスされた３Ｄ画像を提示してよい。画像誘導ソフトウェアは、医師が進路周辺の重要な構造物や障害物を見つけることができるように、軌道に沿った平面で３Ｄ画像を再スライスしてよい。例として、図１の計画画像データ１０１は、画像誘導ソフトウェアのグラフィカルユーザインタフェース上に医用画像として提示することができる。画像は、患者の解剖学的構造の３Ｄ表現と、計画された軌道及び標的を識別する情報を含んでよく、また、画像は、定められた軌道に沿った平面でスライスされてよい。

図３は、一部の実施形態による、標的到達可能性を評価するための最適な向きを決定するプロセスを示すフローチャートである。

ステップＳ３０１において、コンピューティングシステム５００は、デバイスモデル１０２の原点を挿入点に設定する。例えば、デバイスモデル１０２の原点は、計画画像データ１０１に示される挿入点に設定することができる。一部の実施形態では、コンピューティングシステム５００は、デバイスモデル１０２の原点を、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明した方法で指定／設定された挿入点に設定する。計画挿入点は、デバイスの原点の位置を決定するために用いられ、また、デバイスモデル１０２の表面が皮膚表面に適応するように、患者上でのおおよその向きを決定するためのピボットとして機能する。図１に示されるデバイスモデル１０２の表面（すなわちデバイスモデル１０２のベース平面）は、図１に示されるＸＺ平面に平行である。

他の実施形態では、デバイスの旋回点は、デバイスのジオメトリに応じて、挿入点から一定の距離にあってよく、複数のデバイス原点位置を評価することができる。

ステップＳ３０２において、コンピューティングシステム５００は、任意軸の周りでデバイスモデル１０２を回転させる。例えば、コンピューティングシステム５００は、図１に示されるＺ軸の周りでデバイスモデル１０２を回転させてよい。デバイスモデル１０２は、挿入点を通過する任意軸を中心に回転される。

ステップＳ３０３において、コンピューティングシステム５００は、Ｘ軸に沿ってスカラ値をサンプリングする。ステップＳ３０４において、コンピューティングシステム５００は、デバイスモデル１０２が１８０度回転されたかどうかを決定する。そうでない場合（ステップＳ３０４のＮｏ）、プロセスはステップＳ３０２に戻り、プロセスＳ３０２〜Ｓ３０４が繰り返される。したがって、デバイスモデル１０２が回転されるときの各角度について、回転軸に垂直なジオメトリでのデバイスモデル１０２表面に対応する一連のポイントでの異なる角度位置について、下にある画像データ値のサンプルが収集される。収集されるサンプルスカラ値の量は、所望の解像度に基づく。例えば、一部の実施形態では、プロセスＳ３０２〜Ｓ３０４は１度ごとに繰り返され、合計で１８０個のサンプルスカラ値となる。各角度について、画像内の複数のポイントがサンプリングされ、各ポイントは画像のボクセルに対応する。サンプルスカラ値は、Ｚ軸周りの回転の増分ごとに、Ｘ軸に沿って取得される。コンピューティングシステム５００が、デバイスモデル１０２が１８０度回転され、サンプリングされた角度ごとに全てのサンプルスカラ値が収集されたと決定すると（ステップＳ３０４でＹｅｓ）、次いで、プロセスはステップＳ３０５に進む。

ステップＳ３０５において、イメージングモダリティに固有であり得る各角度でのポイントサンプル値（範囲、勾配、又はそれらの組合わせ等）について、最適化されるべきメトリックが計算され、最適値により、第１のデバイスモデル回転角度が決定される。ステップＳ３０５で選択されるデバイスモデル１０２の回転角度は、収集された上方範囲値の中で最小値であるサンプルスカラ値に対応する角度であってよい。例えば、ステップＳ３０３のプロセスを繰り返し実行する間に収集されたそれぞれのサンプルスカラ値は、デバイスモデル１０２がＺ軸の周りを回転するときにＸ軸に沿ってサンプルが取られるので、より低い強度値とより上方の（高い）強度値を含むことになる。メトリックは上方強度値であり、一部の実施形態によれば、コンピューティングシステム５００は、ステップＳ３０５におけるＺ回転角度として、上方範囲値の最小値を選択する。例えば、１度ごとに値を収集することができる（ステップＳ３０３において）。次に、コンピューティングシステム５００は、その１８０個の値（例えば、サンプルスカラ値が収集される度ごとの１８０個のそれぞれの値）から、上位の（高い）強度値であるその値の中で最小値を有するものを選択する。Ｚ回転角度は、デバイスモデル１０２の表面が皮膚表面と位置合わせされる可能性が最も高い角度である。

ステップＳ３０６〜Ｓ３０９では、回転がＸ軸の周りであり（ステップＳ３０６参照）、Ｘ軸周りの回転の増分ごとにＺ軸に沿ってサンプルスカラ値が取得されることを除いて、Ｓ３０２〜Ｓ３０５を参照して説明したプロセスと同様のプロセスが実行される。よって、ステップＳ３０６において、結果として得られるデバイスモデルは、その後、第１の回転軸に直交し、第１の軸の回転後のデバイスモデルの表面に平行な第２の軸を中心に回転される。ステップＳ３０７において、デバイスモデル表面上の一連のポイントで、第２の回転軸に垂直なジオメトリでの方法と同じ方法で、サンプリングされる。ステップＳ３０８において、１８０度の１度ごとにステップＳ３０６及びＳ３０７が実行されたかどうかが決定される。次に、ステップＳ３０９において、最適値によって第２の回転角度が決定される。

一部の実施形態では、ステップＳ３０６において、コンピューティングシステム５００は、Ｘ軸を中心にデバイスモデルを回転させる。例えば、コンピューティングシステム５００は、図１に示されるＸ軸の周りでデバイスモデルを回転させてよい。デバイスモデル１０２は、挿入点を通過するＸ軸を中心に回転する。

ステップＳ３０７において、コンピューティングシステム５００は、Ｚ軸に沿ってスカラ値をサンプリングする。ステップＳ３０８において、コンピューティングシステム５００は、デバイスモデルが１８０度回転されたかどうかを決定する。そうでない場合（ステップＳ３０８のＮｏ）、プロセスはステップＳ３０６に戻り、プロセスＳ３０６〜Ｓ３０８が繰り返される。したがって、デバイスモデル１０２が回転されるときの各角度について、回転軸に垂直なジオメトリでのデバイスモデル１０２表面に対応する一連のポイントでの異なる角度位置について、下にある画像データ値のサンプルが収集される。収集されるサンプルスカラ値の量は、所望の解像度に基づく。例えば、一部の実施形態では、プロセスＳ３０６〜Ｓ３０８は、１度ごとに繰り返され、合計で１８０個のサンプルスカラ値となる。各角度について、画像内の複数のポイントがサンプリングされ、各ポイントは画像のボクセルに対応する。サンプルスカラ値は、Ｘ軸周りの回転の増分ごとに、Ｚ軸に沿って取得される。コンピューティングシステム５００が、デバイスモデルが１８０度回転され、サンプリングされた角度ごとに全てのサンプルスカラ値が収集されたと決定すると（ステップＳ３０８でＹｅｓ）、次いで、プロセスはステップＳ３０９に進む。

ステップＳ３０９において、イメージングモダリティに固有であり得る各角度でのポイントサンプル値（範囲、勾配、又はそれらの組合わせ等）について、最適化されるべきメトリックが計算され、最適値により、第２のデバイスモデル回転角度が決定される。ステップＳ３０９で選択されるデバイスモデル回転角度は、収集された上方範囲値の中で最小値であるサンプルスカラ値に対応する角度であってよい。例えば、ステップＳ３０７のプロセスを繰り返し実行する間に収集されたそれぞれのサンプルスカラ値は、デバイスモデルがＸ軸の周りを回転するときにＺ軸に沿ってサンプルが取られるので、より低い強度値とより上方の（高い）強度値を含むことになる。メトリックは上方強度値であり、一部の実施形態によれば、コンピューティングシステム５００は、ステップＳ３０９におけるＸ回転角度として、上方範囲値の最小値を選択する。例えば、１度ごとに値を収集することができる（ステップＳ３０７において）。次に、コンピューティングシステム５００は、その１８０個の値（例えば、サンプルスカラ値が収集される度ごとの１８０個のそれぞれの値）から、上位の（高い）強度値であるその値の中で最小値を有するものを選択する。Ｘ回転角度は、デバイスモデル表面が皮膚表面と位置合わせされる可能性が最も高い角度である。

２回の回転（例えばＺ軸とＸ軸に沿った）を適用した後に得られるデバイスモデルは、患者の皮膚表面の向きにほぼ一致すると予想されるが、結果として得られたデバイスモデルの新しい軸を用いて、追加の反復を実行することができる。ステップＳ３１０において、コンピューティングシステム５００は、デバイスモデルが１８０度反転され得るかどうかをチェックし、その結果として得られる表面平面のいずれかの側の画像データ値のサンプルが抽出される。ステップＳ３１１において、コンピューティングシステム５００は、上述のプロセスの結果として得られるデバイスモデルを反転する必要があるかどうかを決定する。デバイスモデルを反転する必要がある場合（ステップＳ３１１でＹｅｓ）、次にステップＳ３１２において、デバイスモデルが反転され、アルゴリズム３００のプロセスが終了する。一方、デバイスモデルを反転させる必要がない場合（ステップＳ３１１でＮｏ）、アルゴリズム３００のプロセスは、デバイスモデルを反転させることなく終了する。ステップＳ３１０に関して、コンピューティングシステム５００は、円錐の垂直軸であるＹ軸に沿って、画像データ値をサンプリングする。コンピューティングシステム５００は、デバイスモデル平面の両側で、Ｙ軸に沿ってボクセル値をサンプリングする。強度値が高いほど医用画像内側のボクセルを表し、強度値が低いほど外側のボクセルを表す。例えば、正の（＋）Ｙ値が高い強度値をもつ場合、正の（＋）Ｙ値は医用画像の外側の皮膚平面（低い強度値をもつ領域）よりも上であるべきであるので、デバイスモデルを反転する必要があると決定される。一方、負の（−）Ｙ値が高い強度値をもつ場合、負の（−）Ｙ値は医用画像領域の内側の皮膚平面（高い強度値をもつはずの領域）よりも下であるので、デバイスモデルを反転する必要はないと決定される。言い換えると、負の（−）Ｙ値が高い強度値をもつとき、デバイスモデルは、患者の解剖学的構造に対して正しく方向付けられる。

一部の実施形態では、２回の回転ステップ（Ｓ３０２及びＳ３０６）を同時に実行することができ、画像は、単一のデバイス軸に沿ってだけでなく、デバイスのベース平面又は表面上の選択されたポイントの組合わせにおいて、サンプリングすることができる。

図３のアルゴリズム３００を実行することにより、仮想デバイスモデルは、画像空間に自動的にレジストレーションされており、皮膚表面上のデバイスの最も可能性の高い構成は、実際のデバイスが患者上に配置される前に概算されている。標的の到達可能性を可視化及び定量化するために、デバイスの仮想モデルとその到達可能エリアは、計画画像データにオーバーレイされる（図１の１０３に示されるように）。例えば、一部の実施形態では、図３のプロセスに続いて、ディスプレイ上のＧＵＩに画像（図１の項目１０３に示される画像等）が提示される。ただし、デバイス向きと標的の到達可能性についての情報は、グラフィック情報ではなく、又はグラフィック情報に加えて、例えばテキスト情報及び／又は数値情報を含む任意の適切な方法で出力することができる。

一部の実施形態では、挿入点に対するデバイスの配置に複数のオプションがある場合、アルゴリズムは、考えられる様々なデバイスの場所について繰り返し実行されてよく、好適なデバイス配置を評価するのに役立ち得る到達可能性のメトリック（例えばエッジへの近接性）を計算することができる。

本開示の上記の特徴によれば、本明細書に開示されるシステム及び方法は、デバイスを取り付ける前に、デバイスを用いて選択された挿入点から標的に到達できるかどうかについて、より高い信頼性を提供する。よって、本開示は、処置時間を短縮し、取付けをやり直すステップを回避し、かつ、モデルとデバイスの間の良好な整合性を保ちながらより良い計画立案を可能にするシステム及び方法を提供する。本明細書に開示されるシステム及び方法は、皮膚セグメンテーションを用いて想定することのできる他のより複雑な技法を回避する単純性を提供し、これにより、計算リソースの必要性を低減する。更に、ユーザから追加の入力を必要とすることがないので、デバイスを自動的に配置することにより、使いやすくなり、計画立案の時間が短縮される。更に、本開示のシステム及び方法は、計算時間を短縮し、異なるデバイスとのより高い互換性を可能にする。

図４は、一部の実施形態による、画像誘導ソフトウェアと、針ガイドロボットのロボット制御サーバと、ＭＲＩスキャナを含むＭＲＩシステムとを含む針ガイドロボットシステムの例示のシステム図を示す。図４は針ガイドシステムの一例を表すが、本開示はそのようなシステムに限定されない。例えば、一部の実施形態によれば、針ガイドデバイスは、手動で操作されるデバイスである。例えば、本明細書に記載のシステムと組み合わせて用いることのできる針ガイドデバイスは、米国特許第９，２２２，９９６号及び米国特許出願第１５／８０８，７０３号（どちらも参照により全体が本明細書に組み込まれる）に記載されている。本開示の実施形態と併せて、任意の適切な針ガイドデバイスを用いることができる。図４の以下の説明は、本明細書に記載されるシステム及び方法と併せて用いることのできる針ガイドシステムの例にすぎない。

ロボット制御ソフトウェア
一部の実施形態では、画像誘導ソフトウェア４００、論理制御層４０６及び物理制御インタフェース４０８（図４）を含むコンポーネントの３つの層を有するソフトウェアシステムが提供される。これらのコンポーネントは、独立したソフトウェアプロセスとして実装され、例えばイーサネットやユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）等を介して互いに通信する。しかしながら、他の実施形態では、これらのコンポーネントのうちの２つ以上が、単一のソフトウェアプロセスに統合される。

これらの３つのコンポーネントの詳細は、以下のとおりである。

画像誘導ソフトウェア
画像誘導ソフトウェア４００は、システムの最上層コンポーネントであり、図４に例示されている。画像誘導ソフトウェア４００は、例えば、医師及び／又は操作者のための主要なユーザインタフェースとして機能する。これは、本明細書で説明されるように、オープンソースの医用画像計算ソフトウェアである３Ｄ Ｓｌｉｃｅｒ用のプラグインモジュールとして実装され、このソフトウェア又は他のソフトウェアを通して、コンソール４１２及びＭＲＩハードウェア４１４（ＭＲＩスキャナを含む）を含むＭＲＩシステム４０４から画像を受け取る。画像誘導ソフトウェア４００は、医師が以下のタスクを実行するのを支援する。

針配置計画。医師は、計画画像で標的及び皮膚進入点を指定することにより、針配置の軌道を定めることができる。ソフトウェアは、任意の平面に沿って計画画像の一部を表示し、医師がマウスでクリックすることによって点を指定できるようにする。軌道が定められると、軌道に沿った平面で３Ｄ画像を再スライスすることができ、それにより、医師は、進路の周りの重要な構造や障害物を見つけることができる（図１を参照）。定められた軌道は、ロボット制御サーバ４０２に転送される。しかしながら、アクチュエータを動かす最終決定は、ガントリ付近に立っている医師によってなされてよく、医師がフットスイッチを押したときに、アクチュエータの電源を入れることができる。

デバイス対画像レジストレーション。ソフトウェアは、針ガイドデバイスを画像座標系に自動的にレジストレーションすることができる。レジストレーションされたデバイスモデルは計画画像データにオーバーレイされ、そのアクセス可能な範囲が画像上に提示されるので、操作者は、全ての標的が範囲内にあることを確認することができる（図１、項目１０３を参照）。情報は、例えばＯｐｅｎＩＧＴＬｉｎｋプロトコルを用いて、ネットワークを介してロボット制御サーバ４０２に転送される。

プローブ配置のモニタリング及び確認。ソフトウェアを用いて、処置の計画中又は実行中に、画像にオーバーレイされた３Ｄモデルにより、デバイスの現在の位置と向きを可視化することができる。更に、計画された軌道及び標的とともに、患者に挿入されたプローブを示す確認画像を表示することもできる（図１を参照）。これらの特徴より、医師は、デバイスをモニタリングし、プローブ配置を確認することができる。

論理制御層
論理制御層（ＬＣＬ）４０６は、システムの中間層に位置し、画像誘導ソフトウェア４００と下位の物理制御層（ＰＣＬ）４０８をインタフェースする。このロボット制御サーバ４０２の層は、ハードウェア及びデバイスの運動学的構造をカプセル化し、デバイス非依存のアプリケーションプログラムインタフェース（ＡＰＩ）を上位層に提供することができる。したがって、ＬＣＬ４０６は以下のサブコンポーネントから成る。

上位層へのＴＣＰ／ＩＰネットワークインタフェース。このインタフェースを介して、ＬＣＬ４０６は、標的位置を含む上位層からハードウェアへのコマンドを受け取り、針ガイドの現在位置やデバイスの状態を含むハードウェア（４１０）の現在の状態を、上位層へ提供する。また、運動学計算（下記のキネマティクスエンジンを参照）の結果として、必要とされる針挿入深さを上位層に提供する。一部の実施形態では、ネットワークインタフェースは、ＯｐｅｎＩＧＴＬｉｎｋプロトコルに準拠しており、よって、ＯｐｅｎＩＧＴＬｉｎｋと互換性のあるソフトウェアと通信することができる。

キネマティクスエンジン。一部の実施形態では、上位層から受け取られたハードウェア非依存コマンドは、針ガイドデバイスのキネマティクスに基づいて個々のアクチュエータの標的位置に変換され、ＰＣＬ４０８に送られる。更に、一部の実施形態では、ＰＣＬ４０８から受け取られた個々のアクチュエータの現在の位置は、針ガイドの位置及び向きに変換され、上位層に送られる。一部の実施形態によれば、針ガイドデバイスは、手動で操作されるデバイスである。

下層へのシリアルインタフェース。ＬＣＬ４０６は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）を介して、下層サブコンポーネントと通信する。この例示のインタフェースを介して、個々のアクチュエータの標的位置と他のデバイス固有コマンドがＰＣＬ４０８に送信され、一方、デバイスの現在の状態と個々のアクチュエータのエンコーダ測定値が画像誘導ソフトウェア４００に送信される。このインタフェースを介して交換される情報は、運動学的構造に依存するが、物理ハードウェア（モータドライバやエンコーダ等）から独立している。

物理制御層
物理制御層（ＰＣＬ）４０８の役割は、物理的入出力（Ｉ／Ｏ）から独立しているが運動学的構造に依存するインタフェースを提供することである。一部の実施形態では、ＰＣＬ４０８は、ＬＣＬ４０６との通信用のＵＳＢインタフェースと、エンコーダ及びフットスイッチからの入力を読み取り、個々のモータの目標速度をモータドライバに与えるためのデジタル入出力インタフェースとを備えた、Ｌｉｎｕｘベースの組込みコンピュータ上で動作する。コントローラは、個々のアクチュエータの標的位置を受け取ると、個々のモータの閉ループＰＩＤ制御を実行する。このプロセス全体を通して、ＰＣＬ４０８は、任意に、現在の位置と他のデバイス状態を送信し続けることができる。

コンピューティングシステム
図５は、例示のコンピューティングシステム５００を示す。一部の実施形態では、コンピューティングシステム５００は、本明細書に記載の画像誘導ソフトウェアを含む。例えば、一部の実施形態では、コンピューティングシステム５００は、図４の画像誘導ソフトウェア４００を含んでよい。様々な実施形態によれば、画像誘導ソフトウェアの様々なプログラム及びデータ（例えばソフトウェアモジュール、ライブラリ、ツール、ユーザインタフェース要素又は他のコンポーネント）は、任意の適切な方法でコンピューティングシステム５００内に存在する。例えば、これらのコンポーネントは、１つ又は複数の格納先に存在してよい。画像誘導ソフトウェアのコンポーネントは、単一のソフトウェアアプリケーションの一部として提供されてもよいし、又は、複数のスタンドアロンのソフトウェアアプリケーションとして提供されてもよい。コンピューティングシステム５００は、画像誘導ソフトウェアへのアクセスを提供する。一部の実施形態では、コンピューティングシステム５００上で動作する画像誘導ソフトウェアは、本明細書で説明又は図示される１つ以上の方法の１つ以上のステップを実行し、又は、本明細書で説明又は図示される機能を提供する。例えば、画像誘導ソフトウェアのプログラムは、１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、図３を参照して説明されたプロセスをコンピューティングシステム５００に実行させる命令を含んでよい。

本明細書で用いられるコンピューティングシステムという用語は、電子データに対して演算を実行するために連携する、１つ以上のソフトウェアモジュール、１つ以上のハードウェアモジュール、１つ以上のファームウェアモジュール、又はそれらの組合わせ等を含む。モジュールの物理的レイアウトは、異なる場合がある。コンピューティングシステムは、ネットワークを介して結合された複数のコンピューティングデバイスを含んでよい。コンピューティングシステムは、内部モジュール（メモリ及びプロセッサ等）が協働して電子データに対して演算を実行する単一のコンピューティングデバイスを含んでよい。一部の実施形態では、単一のコンピューティングシステム５００が画像誘導ソフトウェアを含む。

一部の実施形態では、コンピューティングシステム５００上で動作する画像誘導ソフトウェアは、ロボット制御サーバ４０２及びＭＲＩシステム４０４とインタラクトする。コンピューティングシステム５００は、本明細書に記載のシステムの１つ以上と通信し情報を送受信するために、任意の適切なプロトコル、規格、データ交換形式、又はこれらのうちの組合わせを用いてよい。コンピューティングシステム５００は、ＯｐｅｎＩＧＴＬｉｎｋを用いて、情報及び要求を送受信してよい。コンピューティングシステム５００は、ＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and Communications in Medicine）ファイル及びデータを受信、送信及び格納することができる。例えば、コンピューティングシステム５００は、ＭＲＩシステム４０４から医用画像を受信してよい。更に、コンピューティングシステム５００は、ＨＴＴＰ要求を送信し、ＨＴＴＰ応答を提供してよい。応答は、ハイパーテキストマークアップ言語（ＨＴＭＬ）ファイル若しくは他の適切なファイル、ＪＡＶＡＳＣＲＩＰＴ等の実行可能コード、フォーム要素、画像、又はその他のコンテンツを含んでよい。コンテンツの１つ以上の要素は、コンピューティングシステム５００に格納することができる。一部の実施形態では、コンピューティングシステム５００は、メッセージを送受信するためにシンプルオブジェクトアクセスプロトコル（ＳＯＡＰ）を用いる。

コンピューティングシステム５００は、１つ以上のプロセッサ５０１、メモリ５０２、記憶装置５０３、入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース５０４、通信インタフェース５０５及びバス５０６を含む。コンピューティングシステム５００は、任意の適切な物理的形態をとってよい。例えば、限定としてではなく、コンピューティングシステム５００は、組込みコンピュータシステム、システムオンチップ（ＳＯＣ）、シングルボードコンピュータシステム（ＳＢＣ）（例えばコンピュータオンモジュール（ＣＯＭ）やシステムオンモジュール（ＳＯＭ）等）、デスクトップ型コンピュータシステム、ラップトップ又はノートブック型のコンピュータシステム、インタラクティブキオスク、メインフレーム、コンピュータシステムのメッシュ、携帯電話、ＰＤＡ、タブレット型コンピュータシステム、１つ以上のサーバ、ワークステーション、又はこれらの２つ以上の組合わせであってよい。一部の実施形態では、コンピューティングシステム５００はユニタリである。一部の実施形態では、コンピューティングシステム５００は分散される。コンピューティングシステム５００は、複数の場所にまたがることができる。コンピューティングシステム５００は、複数の機械にまたがることができる。

プロセッサ５０１は、コンピュータプログラムを構成するもの等、命令を実行するためのハードウェアを含む。プロセッサ５０１は、メモリ５０２、記憶装置５０３、内部レジスタ又は内部キャッシュから命令を検索することができる。次に、プロセッサ５０１は、命令を復号して実行する。次に、プロセッサ５０１は、１つ以上のの結果を、メモリ５０２、記憶装置５０３、内部レジスタ又は内部キャッシュに書き込む。プロセッサ５０１は、オペレーティングシステム、プログラム、ユーザインタフェース及びアプリケーションインタフェース、並びにコンピューティングシステム５００の任意の他の機能を実行するための処理能力を提供してよい。

プロセッサ５０１は、中央処理装置（ＣＰＵ）、１つ以上の汎用マイクロプロセッサ、特定用途向けマイクロプロセッサ及び／若しくは専用マイクロプロセッサ、又はそのような処理コンポーネントの何らかの組合わせを含んでよい。プロセッサ５０１は、１つ以上のグラフィックプロセッサ、ビデオプロセッサ、オーディオプロセッサ及び／又は関連チップセットを含んでよい。

一部の実施形態では、メモリ５０２は、プロセッサ５０１が実行するための命令又はプロセッサ５０１が演算するためのデータを格納するためのメインメモリを含む。例として、コンピューティングシステム５００は、記憶装置５０３又は別のソースからメモリ５０２に命令をロードしてよい。命令の実行中又は実行後に、プロセッサ５０１は、１つ以上の結果（中間結果又は最終結果であり得る）をメモリ５０２に書き込んでよい。１つ以上のメモリバス（それぞれがアドレスバス及びデータバスを含んでよい）は、プロセッサ５０１をメモリ５０２に結合してよい。１つ以上のメモリ管理ユニット（ＭＭＵ）は、プロセッサ５０１とメモリ５０２との間に存在し、プロセッサ５０１によって要求されたメモリ５０２へのアクセスを容易にすることができる。メモリ５０２は、１つ以上のメモリを含んでよい。メモリ５０２は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）であってよい。

記憶装置５０３は、データ及び／又は命令を格納する。限定ではなく例として、記憶装置５０３は、ハードディスクドライブ、フロッピーディスクドライブ、フラッシュメモリ、光ディスク、光磁気ディスク、磁気テープ若しくはユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ドライブ、又はこれらのうち２つ以上の組合わせを含んでよい。一部の実施形態では、記憶装置５０３は、着脱可能な媒体である。一部の実施形態では、記憶装置５０３は、固定媒体である。一部の実施形態では、記憶装置５０３は、コンピューティングシステム５００の内部にある。一部の実施形態では、記憶装置５０３は、コンピューティングシステム５００の外部にある。一部の実施形態では、記憶装置５０３は、不揮発性のソリッドステートメモリである。一部の実施形態では、記憶装置５０３は、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）を含む。必要に応じて、このＲＯＭは、マスクプログラムされたＲＯＭ、プログラム可能なＲＯＭ（ＰＲＯＭ）、消去可能なＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、電気的に消去可能なＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、電気的に変更可能なＲＯＭ（ＥＡＲＯＭ）若しくはフラッシュメモリ、又はこれらの２つ以上の組合わせであってよい。記憶装置５０３は、１つ以上のメモリデバイスを含んでよい。記憶装置５０３は、アプリケーションデータ、プログラムモジュール及び他の情報を格納してよい。記憶装置５０３に格納された１つ以上のプログラムモジュールは、本明細書に記載の様々な動作及びプロセスを実行させるように構成される。一部の実施形態では、画像誘導ソフトウェアは、記憶装置５０３上に存在し、コンピューティングシステム５００上で実行される。記憶装置５０３は、コンピューティングシステム５００の様々な機能、グラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）機能及び／又はプロセッサ機能を有効にする他のプログラム及び／又はドライバを更に格納してよい。記憶装置５０３はまた、例えば画像データ、ユーザデータ、構成情報、ＧＵＩコンポーネント（グラフィック要素又はテンプレート等）、又はコンピューティングシステム５００によって必要とされる他のデータを含むデータファイルを格納してよい。

Ｉ／Ｏインタフェース５０４は、コンピューティングシステム５００と１つ以上のＩ／Ｏデバイスとの間の通信のための１つ以上のインタフェースを提供するハードウェア、ソフトウェア、又は両方を含む。一部の実施形態では、コンピューティングシステム５００は、１つ以上のＩ／Ｏデバイスを含む。これらのＩ／Ｏデバイスの１つ以上により、人とコンピューティングシステム５００の間の通信が可能となる。限定ではなく例として、Ｉ／Ｏデバイスは、キーボード、キーパッド、マイク、モニター、マウス、タッチパッド、スピーカー、スチルカメラ、スタイラス、タブレット、タッチスクリーン、トラックボール、ビデオカメラ、別の適切なＩ／Ｏデバイス、又はこれらの２つ以上の組合わせを含んでよい。Ｉ／Ｏデバイスは、１つ以上のセンサを含んでよい。一部の実施形態では、Ｉ／Ｏインタフェース５０４は、プロセッサ５０１がこれらのＩ／Ｏデバイスの１つ以上を駆動することを可能にする１つ以上のデバイス又はソフトウェアドライバを含む。Ｉ／Ｏインタフェース５０４は、１つ以上のＩ／Ｏインタフェースを含んでよい。

一部の実施形態では、コンピューティングシステム５００はディスプレイを含む。例えば、ディスプレイは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）であってよい。一部の実施形態では、コンピューティングシステム５００上で動作する画像誘導ソフトウェアは、ディスプレイ上にＧＵＩデータを提示する。一部の実施形態では、ＧＵＩデータは、医用画像データと併せて提示される。ディスプレイへの信号の出力に関して、プロセッサ５０１は、ディスプレイに表示される画像をラスタライズし、ラスタライズされた画像をＩ／Ｏインタフェース５０４を介してディスプレイに転送する。次に、ディスプレイは、ＧＵＩ等の画像を表示する。プロセッサ５０１は、更に、他のタイプの画像（ＭＲＩシステム４０４からの医用画像等）をディスプレイに表示させるように動作可能である。コンピューティングシステム５００は、ディスプレイでのユーザ入力に基づいて、入力信号を受け取ることができる。例えば、一部の実施形態では、ディスプレイは、ディスプレイ上の１つ以上のインタフェース要素に対する接触に基づいて、ユーザ入力又はコマンドを受け取るように動作可能なタッチセンサ式要素を含む。インタフェース要素は、ディスプレイ上に提示されるグラフィックオブジェクトであってよい。ユーザは、指、スタイラス又は他のツールでタッチセンサ式ディスプレイにタッチして、ユーザ入力を提供することができる。ユーザがタッチセンサ式ディスプレイ上の特定の領域にタッチすると、その領域の座標が、Ｉ／Ｏインタフェース５０４を介してプロセッサ５０１に通知される。プロセッサ５０１は、通知された座標とディスプレイの表示内容とに基づいて、ユーザ入力の内容を決定し、それに基づいて処理を実行する。一部の実施形態では、マウス又はタッチパッドは、ユーザ入力及び選択を受け取るためにディスプレイ上に提示される情報と併せて用いられる。例えば、カーソルを用いて、ディスプレイ上のＧＵＩに提示された１つ以上のインタフェース要素を選択することができる。様々な実施形態によれば、タッチセンサ式ディスプレイ、カーソル、又は入力を提供するための他の適切な方法を用いて、ディスプレイ上のＧＵＩに提示された医用画像上の１つ以上の場所が指定されて、例えば、標的と、患者に針を挿入するための計画挿入点が示される。

一部の実施形態では、コンピューティングシステム５００は、キーボード／キーパッドを含む。ユーザ入力は、キーボード／キーパッドを介して提供することもできる。ユーザがキーボード／キーパッドのハードキーを押すと、プロセッサ５０１には、Ｉ／Ｏインタフェース５０４を介して、ユーザ入力を示す情報が通知される。プロセッサ５０１は、通知に基づいて処理を実行する。キーボード／キーパッドのハードキー及び／又はボタンは、任意の適切な構成に配置することができる。更に、入力構造は、具体的な実装要件に応じて、ボタン、キー、スイッチ、コントロールパッド又は他の適切な構造を含んでよい。

通信インタフェース５０５は、コンピューティングシステム５００と１つ以上の他のコンピューティングシステム又は１つ以上のネットワークとの間の通信（例えばパケットベースの通信等）のための１つ以上のインタフェースを提供する、ハードウェア、ソフトウェア又は両方を含む。限定ではなく例として、通信インタフェース５０５は、イーサネット又は他の有線ネットワークと通信するためのネットワークインタフェースカード（ＮＩＣ）又はネットワークコントローラ、又は、無線ネットワーク（ＷＩ−ＦＩネットワーク等）と通信するための無線ＮＩＣ（ＷＮＩＣ）又は無線アダプタを含んでよい。本開示は、任意の適切なネットワークと、そのための任意の適切な通信インタフェース５０５を想定している。限定ではなく例として、コンピューティングシステム５００は、アドホックネットワーク、パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、メトロポリタンエリアネットワーク（ＭＡＮ）、又はインターネットの１つ以上の部分、又はこれらのうちの２つ以上の組合わせと通信してよい。これらのネットワークのうちの１つ以上の１つ以上の部分は、有線であっても無線であってもよい。一例として、コンピューティングシステム５００は、無線ＰＡＮ（ＷＰＡＮ）（例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ ＷＰＡＮ又は超広帯域（ＵＷＢ）ネットワーク等）、ＷＩ−ＦＩネットワーク、ＷＩ−ＭＡＸネットワーク、携帯電話ネットワーク（例えばＧＳＭ（Global System for Mobile Communications）ネットワーク等）、又は他の適切な無線ネットワーク、又はこれらのうちの２つ以上の組合わせと通信してよい。コンピューティングシステム５００は、適切な場合、これらのネットワークのいずれかのための任意の適切な通信インタフェース５０５を含んでよい。通信インタフェース５０５は、１つ以上の通信インタフェース５０５を含んでよい。

バス５０６は、コンピューティングシステム５００の様々なコンポーネントを相互接続し、それにより、データの伝送と様々なプロセスの実行を可能にする。バス５０６は、メモリバス又はメモリコントローラ、周辺バス、及び様々なバスアーキテクチャのいずれかを使用するローカルバスを含む、１つ以上のタイプのバス構造を含んでよい。

上記の説明は、本開示の原理を説明するのに役立つ。しかし、本開示は、上記の例に限定されるべきではない。例えば、様々な動作のうち一部の順序及び／又はタイミングは、本開示の範囲から逸脱することなく、上記に与えられた例とは異なってよい。更に例として、ネットワーク及び／又はコンピューティングシステムのタイプは、本開示の範囲から逸脱することなく、上記の例とは異なってよい。本開示の範囲から逸脱することなく、上記で与えられた例からの他の変形も存在し得る。ＧＵＩの特定の例が示されているが、当然ながら、本開示の範囲内には、ＧＵＩの様々な他の実装がある。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、図示された例の様々な特徴を修正、再配置又は除去することができ、又は、１つ以上の特徴を追加することができる。

本開示の範囲は、命令を格納したコンピュータ可読媒体を含み、命令は、１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、本明細書に記載の１つ以上の実施形態を１つ以上のプロセッサに実行させる。コンピュータ可読媒体の例として、ハードディスク、フロッピーディスク、光磁気ディスク（ＭＯ）、コンパクトディスク読取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、記録可能なコンパクトディスク（ＣＤ−Ｒ）、ＣＤ−Ｒｅｗｒｉｔａｂｌｅ（ＣＤ−ＲＷ）、デジタル多用途ディスクＲＯＭ（ＤＶＤ−ＲＯＭ）、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ、磁気テープ、不揮発性メモリカード及びＲＯＭが挙げられる。コンピュータ実行可能命令は、ネットワークを介してダウンロードされることにより、コンピュータ可読記憶媒体に供給することもできる。

本開示は、例示の実施形態を参照して説明されたが、当然のことながら、本開示は、説明された例示の実施形態に限定されない。

Claims (7)

1. 対象の画像データを取得するステップと、
   針ガイドデバイスを用いた医療処置の実施のための計画挿入点を前記画像データ上に示す情報を取得するステップと、
   前記画像データ内の前記計画挿入点及び標的に基づいて、前記医療処置の実施のための計画針軌道を決定するステップと、
   前記計画挿入点及び前記計画針軌道に基づいて、前記針ガイドデバイスの向きを決定するステップと、
   前記針ガイドデバイスの前記向きに基づいて、前記標的の到達可能性を示す情報を出力するステップと、
   を含む方法。
2. 前記針ガイドデバイスの前記向きを決定するステップは、前記計画針挿入点の周りで前記針ガイドデバイスのモデルを旋回させることを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記針ガイドデバイスの前記向きを決定するステップは、皮膚平面と前記針ガイドデバイスの底面との間の対応関係に関連するメトリックを計算することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記メトリックを計算するステップは、
   前記画像データ内の進路に沿って、複数のポイントをサンプリングすることと、
   当該ポイントの近傍において、スキャン値の勾配を計算することと、
   当該勾配が値の急激な変化を含むようなポイントを、前記対象の外表面上又はその近くにあるものとして決定することと、
   を含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記針ガイドデバイスの前記向きに基づいて、前記標的の前記到達可能性を示す情報を出力するステップは、
   前記針ガイドデバイスによって誘導される針の到達可能エリアの境界間の距離を決定することと、
   決定された前記距離が前記針ガイドデバイスの使用のための十分なヘッドルームを提供するかどうかを決定するために、ユーザに対して、当該距離の表示を提供することと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
6. １つ以上のプロセッサと、
   実行可能命令を格納するメモリと、
   を備えるシステムであって、
   前記実行可能命令は、前記１つ以上のプロセッサによって実行されると、前記システムに、
   対象の画像データを取得するステップと、
   針ガイドデバイスを用いた医療処置の実施のための計画挿入点を前記画像データ上に示す情報を取得するステップと、
   前記画像データ内の前記計画挿入点及び標的に基づいて、前記医療処置の実施のための計画針軌道を決定するステップと、
   前記計画挿入点及び前記計画針軌道に基づいて、前記針ガイドデバイスの向きを決定するステップと、
   前記針ガイドデバイスの前記向きに基づいて、前記標的の到達可能性を示す情報を出力するステップと、
   を実行させる、システム。
7. １つ以上のプロセッサを備えたコンピューティングシステムによって実行されると、前記コンピューティングシステムに、
   対象の画像データを取得するステップと、
   針ガイドデバイスを用いた医療処置の実施のための計画挿入点を前記画像データ上に示す情報を取得するステップと、
   前記画像データ内の前記計画挿入点及び標的に基づいて、前記医療処置の実施のための計画針軌道を決定するステップと、
   前記計画挿入点及び前記計画針軌道に基づいて、前記針ガイドデバイスの向きを決定するステップと、
   前記針ガイドデバイスの前記向きに基づいて、前記標的の到達可能性を示す情報を出力するステップと、
   を実行させる実行可能プログラム命令を格納するコンピュータ可読記憶媒体。

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