JP2023532066A - 組織内に貫通デバイスを配置する際にユーザを支援するシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、椎骨の椎弓根内に椎弓根スクリュー７といったような組織内に貫通デバイスを配置する際にユーザを支援するシステム８に関する。システムは、組織のモデルを通る経路２１の方向における組織内の貫通デバイスの先端の視点からの仮想ビュー２０を生成する。仮想ビューは貫通デバイスの姿勢を示す追跡情報、モデル、及び経路に基づいて生成される。仮想ビューはユーザが貫通デバイスを組織内に配置している間に、貫通デバイスを移動させるべき方向を示す。例えば仮想ビューは、経路に沿って配置される仮想トンネル８０１を示す。外科医といったユーザがそのような仮想ビューを提供されている場合、ユーザは著しく高い正確さで貫通デバイスを経路に沿って位置決めできる。

Description

本発明は、被検者の組織内に貫通デバイスを配置する際にユーザを支援するシステム、方法、コンピュータプログラム、及び該コンピュータプログラムを含むデータ担体に関する。貫通デバイスは椎骨の椎弓根内に配置される椎弓根スクリューである。

組織内に貫通デバイスを配置する際にユーザを支援する既知のシステムは、例えば国際特許公開ＷＯ２０１７／０５５１４４Ａ１に開示されている脊椎固定手術に使用するシステムである。椎弓根スクリューの配置は、脊椎固定手術において重要なステップである。つまり、外科医には神経血管構造内の脊椎解剖学的構造の重要な部分が見えないため、椎弓根スクリューの配置は困難でリスクをもたらす。従来、椎弓根スクリューはフリーハンドで配置されている。この場合、外科医は解剖学的ランドマークと手術前に取得した画像とに依存し、Ｘ線透視法を使用してガイダンスを提供し、適切なスクリュー配置を確認する。しかし、Ｘ線透視法を使用しても、椎骨に椎弓根スクリューを正確に位置決めすることは外科医にとって困難である。

米国特許出願公開第２０１４／２７６００１号には、画像誘導外科的介入のためのシステムが開示されている。システムは、椎弓根スクリューといった挿入デバイスの先端から見たビューを生成する。このビューは「ブルズアイビュー」と呼ばれ、横方向の「プログレスビュー」と並んで表示される。

米国特許出願公開第２０２０／０５４３９９号には、リアルタイムの追跡情報を受信し、これを縮小された解剖学的表現に関連付け、リアルタイムの位置が縮小された解剖学的表現ととも表示されるモニタリングデバイスが開示されている。これは血管に沿ったカテーテルのナビゲーションに関連している。

本発明は、貫通デバイスをより正確にかつ／又は解剖学的損傷のリスクが少なく位置決めすることを可能にする、椎骨の椎弓根といった組織内に貫通デバイスを配置する際にユーザを支援するシステム、方法、任意選択でデータ担体内に含まれているコンピュータプログラムを提供することを目的とする。

第１の態様では、請求項によって請求項１に規定されるシステムが規定される。

組織を通る貫通デバイスの経路の方向において、椎骨の椎弓根内といったように、組織内の貫通デバイスの先端の視点からの仮想ビューを生成し、組織内に貫通デバイスを配置している間にこの仮想ビューを医療従事者（例えば外科医）に示すことによって、著しく高い正確さで貫通デバイスを経路に沿って位置決めすることを可能にする。したがって、例えば時間の短縮及び／又はエラーを訂正するための繰り返しの手順の回数の低減によって、手順上の成果を向上させ、及び／又は手順のコストを削減できる。

特許請求の範囲において、姿勢には、貫通デバイス、好ましくは貫通デバイスの先端部分の位置、即ち、場所と、好ましくは向きも含まれている。経路は組織のモデルを通る仮想経路であり、組織を通るルートを示し、貫通デバイスはこれに沿って移動させられるべきである。

第１の入力部、第２の入力部、及び第３の入力部は、それぞれの受信したデータ又はそのようなデータを搬送するデータ信号をプロセッサに通信する。これらの入力部はすべて、例えばデータ／又は信号を時間的に並行して受信するために互いから分離していてよい。或いは又はさらに、これらの入力部のうちの２つ又は３つすべてが１つに組み合わされてもよく、この場合、組み合わされた入力部が少なくとも部分的にデータ又は信号を順番に受信する。

好ましい実施形態では、プロセッサは、組織内の仮想トンネルを示すように仮想ビューを生成する。仮想トンネルは、仮想ビューが提供された経路の方向における仮想トンネル内のビューであるように、提供された経路に沿って配置されている。なお、組織はトンネルのない塊、具体的には骨であると想定されるため、実際にはトンネルは存在していないことに留意されたい。トンネルは、貫通デバイスを配置する際にユーザを誘導するために使用される仮想トンネルにすぎない。これにより、ユーザはトンネルの中を「歩く」又は移動するように貫通デバイスを移動させようとするため、提供された経路に沿って貫通デバイスを配置するようにユーザを直感的に誘導できる。これはさらに、組織内に貫通デバイスを配置する際のユーザの支援を向上させる。

組織は、好ましくは骨であり、具体的には椎骨の骨である。モデルは、好ましくは椎骨のモデルであり、少なくとも椎骨の骨部分を示す。好ましくは、モデル提供ユニットは、脊髄といった椎骨のさらなる構造及び／又は血管といった隣接構造も示すようにモデルを提供する。モデルは、好ましくは少なくとも皮質骨を示し、また、海綿質骨も示す。

好ましい実施形態では、組織は骨であり、仮想トンネルの中空部分は、第１の密度の骨タイプを表し、仮想トンネルの壁は、第２の密度の骨タイプを表し、第１の密度は第２の密度よりも低い。特に、第１の密度を有する第１の骨組織タイプと第２の密度を有する第２の骨組織タイプとを区別するようにモデルを提供できる。第２の骨組織タイプは、少なくとも部分的に第１の骨組織タイプを取り囲む。仮想トンネルは、トンネルの内側の中空部分が第１の骨組織タイプを表し、トンネルの外側の壁が第２の骨組織タイプを表すように生成される。

貫通デバイスは、好ましくは骨貫通デバイスである。一実施形態では、貫通デバイスは、椎弓根スクリューといったスクリューである。さらに、一実施形態では、貫通デバイスは、骨といった組織に穴を開けるデバイスである。即ち、突き錐、椎弓根プローブ、ｋワイヤ、ドリル、タップなど、穴を開けるためだけに使用され、永久的に埋め込みされるためには使用されないデバイスである。貫通デバイスはまた、組織、特に骨を貫通する別の外科器具であってもよい。デバイスが組織を貫通する方法はデバイスのタイプによる。例えば椎弓根スクリュー、テープ、又はドリルは、下押し圧力と合わせて回転によって挿入されるが、ｋワイヤはハンマーで打ち付けられる。

経路提供ユニットは、好ましくは椎骨のモデルの椎弓根を通る経路を提供する。

追跡情報提供ユニットは、追跡デバイスといった別のデバイスから追跡情報を受信し、受信した追跡情報を提供する受信ユニットであり得る。追跡情報提供ユニットはまた、それ自体が追跡デバイスであってもよい。追跡デバイスは、例えば光学追跡デバイス、電磁追跡デバイスなどである。

モデル提供ユニットは、別のデバイスから３次元モデルを受信し、受信した３次元モデルを提供し得る。この他のデバイスとは、３次元モデルが保存されている保存ユニットであっても、又は例えば組織、特に骨、場合によっては周囲の構造の画像に基づいて３次元画像（コンピュータ断層撮影画像、磁気共鳴画像などといった３次元医用画像など）を実際に生成するデバイスであってもよい。モデル提供ユニット自体がまた、３次元モデルを生成するデバイスであってもよい。

したがって、モデル提供ユニットは、組織の画像を提供し、モデルを生成するために、組織の画像をセグメント化できる。モデル提供ユニットは、コンピュータ断層撮影イメージングシステム又は別の解剖学的イメージングシステムといったイメージングシステムから組織の画像を受信し、モデルを生成するために受信した組織の画像をセグメント化し、生成したモデルを提供できる。しかしながら、モデル提供ユニット自体がまた、画像を取得し、モデルを生成するために、取得した画像をセグメント化することもできる。

経路提供ユニットは、別のデバイスから経路を受信し、受信した経路を提供し得る。この他のデバイスは、例えば経路が保存されている保存ユニット、又は経路を生成するデバイスである。経路提供ユニット自体が、保存ユニットを含んでいても、又は経路を生成し、生成した経路を提供してもよい。後者の場合、経路提供ユニットは、好ましくは提供された３次元モデルに基づいて経路を生成する。

仮想ビューを生成するために、追跡情報、提供されたモデル、及び提供された経路は相互に位置合わせされる。提供されたモデルと提供された経路の両方が、同じ組織画像に基づいて生成されている場合、又は提供された経路が提供されたモデルに基づいて生成されている場合、提供されたモデルと提供された経路とは自動的に相互に位置合わせされる。それ以外の場合は、これらは既知の位置合わせ手法を使用して相互に位置合わせできる。追跡情報を提供された画像と、したがって、提供されたモデル及び提供された経路と位置合わせするために、例えば画像内で識別可能で追跡デバイスで追跡可能なマーカーを使用することで、追跡デバイスを画像と位置合わせできる。しかしながら、他の既知の位置合わせ手法も可能である。

経路提供ユニットは、好ましくはモデルで定義される椎弓根の形状及び寸法に少なくとも基づいて経路を計算する。好ましい実施形態では、組織は椎弓根を含む椎骨の骨であり、モデル提供ユニットは、モデルとして椎弓根を含む椎骨の骨の３次元モデルを提供し、経路提供ユニットは、モデルによって提供される椎弓根の形状及び寸法に基づいて経路を計算する。特に、経路提供ユニットは、砂時計型のモデルを、モデルによって提供される椎弓根にマップし、マップされた砂時計型のモデルに基づいて経路を計算する。さらに、経路提供ユニットは、モデルによって提供される椎骨の骨の椎体の終板の向きにさらに基づいて経路を計算する。終板は、人が立っているときの椎骨の上下にある。これにより、経路に沿って貫通デバイスが正確に配置されたのならば、皮質の裂け目や隣接構造への負の影響が発生する可能性が非常に低くなるように経路を提供できる。

一実施形態では、プロセッサは、ａ）貫通デバイスの現在の姿勢と、ｂ．１）追跡情報に基づいて及び提供された経路に基づいて、経路によって定義される貫通デバイスのターゲット姿勢、及び／又はｂ．２）追跡情報に基づいて及び関心領域の提供された姿勢に基づいて、組織内の関心領域の提供された姿勢と、の幾何学的関係を示す視覚化を生成する。さらに、プロセッサは、仮想ビューの上に幾何学的関係のオーバーレイが含まれるように視覚化を生成できる。これにより、組織内に貫通デバイスを配置する際のユーザの支援がさらに向上され、これにより、例えば皮質の裂け目や周囲構造への損傷の可能性をさらに低減できる。

プロセッサは、提供されたモデル及び提供された追跡情報に基づいて、提供された経路と追跡情報によって示される貫通デバイスの位置との間の距離を決定し、決定した距離に基づいて信号を生成する。経路が椎弓根の中心回転軸に沿って配置されているならば、これは、提供されたモデル及び提供された追跡情報に基づいて、椎弓根の中心回転軸と追跡情報によって示される貫通デバイスの位置との間の距離を決定し、決定した距離に基づいて信号を生成することに相当する。距離は、貫通デバイスの先端と提供された経路との間の最短距離であると定義されてもよい。信号は、決定した距離が事前定義された閾値よりも大きい場合に生成される警告信号であり得る。信号はまた、距離が事前定義された閾値よりも小さい場合に、ユーザが「順調である」ことを示すために生成されてもよい。この信号は、音響信号及び／又は光学信号であり得る。これはさらに、組織内の経路に沿って貫通デバイスが配置され、脊髄といった周囲構造に悪影響を及ぼさないことを確実にできる。

さらなる好ましい実施形態では、プロセッサは、提供された経路及び提供されたモデルに基づいて、椎骨の骨といった組織内への貫通デバイスの所望の進入角度を決定し、提供された追跡情報及び提供されたモデルに基づいて、組織内への貫通デバイスの現在の進入角度を決定し、所望の進入角度と現在の進入角度との偏差を決定し、決定した偏差に応じた信号を生成する。これにより、提供された経路に沿って貫通デバイスを配置することを可能にする角度で組織内に貫通デバイスが埋め込まれることを確実にでき、これにより、組織内に貫通デバイスを位置決めする正確さがさらに高まる。

一実施形態では、組織は骨であり、システムはさらに、貫通デバイスと皮質壁との間の距離を示す近接情報を提供する近接情報提供ユニットを含み、近接情報は、貫通デバイスの先端で実行された測定に基づいて決定され、モデル提供ユニットは、骨の皮質壁を示すようにモデルを提供し、プロセッサは、提供されたモデル及び追跡情報によって示される貫通デバイスの位置に基づいて、貫通デバイスと皮質壁との間の距離を決定し、提供された近接情報によって示される距離と決定された距離との偏差を決定し、決定された偏差に基づいて、生成された仮想ビューの正確さを示す正確さインジケータを決定する。例えば近接情報は、インピーダンス検知に基づいて決定される。正確さインジケータ、又は、光学信号及び／若しくは音響信号といった正確さインジケータに依存する信号は、ユーザに示され得る。具体的には、これは、生成された仮想ビューの正確さが事前定義された閾値よりも小さいことを正確さインジケータが示す場合にユーザに示される。これにより、貫通デバイスを埋め込む際のユーザの支援がさらに向上される。プロセッサは、正確さインジケータが正確さの増加を示すように、提供された追跡情報によって示される貫通デバイスの姿勢を適応させることによって、仮想ビューを適応させる。これにより、仮想ビューの正確さがさらに増加し、したがって、貫通デバイスを配置する際のユーザの支援がさらに向上される。

一実施形態では、システムはさらに、貫通デバイスを使用して検知される組織タイプについての組織タイプ情報を提供する組織情報提供ユニットを含む。提供されたモデルは様々な組織タイプを示す。プロセッサは、提供されたモデル及び提供された追跡情報に基づいて、予想される組織タイプを決定し、予想される組織タイプと提供された組織タイプ情報によって定義される組織タイプとが互いに一致するかどうかを決定し、組織タイプが一致しない場合は、不一致を示す信号を生成する。例えば信号は、不正確な仮想ビューを示す不一致がある場合に、ユーザに警告するための音響信号及び／又は光学信号である。具体的には、仮想ビューの境界を、組織タイプが一致する場合には第１の色で色付けし、組織タイプが一致しない場合には第２の色で色付けする。

一実施形態では、システムは、貫通デバイスを使用して検知される組織タイプについての組織タイプ情報を提供する組織情報提供ユニットを含む。プロセッサは、検知された組織タイプも示すように仮想ビューを生成する。さらに、モデル提供ユニットは、リスクの構造も示すようにモデルを提供する。プロセッサは、モデルの複数の領域について、対応する領域とリスクの構造への距離に応じたリスク値を決定し、仮想ビュー内の複数の領域に決定したリスク値を示す。一例では、リスクの構造は皮質骨である。皮質骨は破損されるべきではないからである。しかしながら、リスクの構造はまた、血管、脊髄などであってもよい。リスク値は、例えばリスク値を色に割り当てることによって、また、仮想ビューの対応する部分を適切に色付けすることによって示される。これは、組織、特に椎骨内に貫通デバイスを配置する際にどの領域を回避すべきかをユーザに示し、これにより、貫通デバイスを配置する際のユーザの支援がさらに向上される。

本発明の別の態様では、組織内に貫通デバイスを配置する際にユーザを支援する方法が提示される。この方法は、
貫通デバイスの３次元姿勢を示す追跡情報を提供するステップと、
組織の３次元モデルを提供するステップと、
モデルを通る経路を提供するステップと、
提供された追跡情報、提供されたモデル、及び提供された経路に基づいて、提供された経路の方向における組織内の貫通デバイスの先端の視点からの仮想ビューを生成するステップとを含み、仮想ビューは組織内に貫通デバイスを配置している間に、ユーザが貫通デバイスを移動すべき方向を示す。

本発明のさらなる態様では、組織内に貫通デバイスを配置する際にユーザを支援するコンピュータプログラムが提示される。このコンピュータプログラムは、請求項１から１３のいずれか一項に記載のシステムを制御するコンピュータ上で実行されると、当該システムに、請求項１４に記載の方法のステップを実行させるプログラムコード手段を含む。

請求項１のシステム、請求項１４の方法、及び請求項１５のコンピュータプログラムは、同様及び／又は同一の好ましい実施形態、特に、従属請求項に定義されるとおりの実施形態を有することが理解されるべきである。

また、本発明の好ましい実施形態は、対応する独立請求項との従属請求項又は上記の実施形態の任意の組み合わせであり得ることも理解されるべきである。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明される実施形態から明らかになり、また、当該実施形態を参照して説明される。

図１は、椎骨内に貫通デバイスを配置する際にユーザを支援するシステムの一実施形態を概略的かつ模範的に示す。 図２は、椎骨内に椎弓根スクリューを配置した椎骨を概略的かつ模範的に示す。 図３は、椎弓根スクリューが不正確に配置された椎骨の画像を示す。 図４は、椎骨内に椎弓根スクリューを配置する際にユーザを支援するために使用する仮想ビューの生成を示す。 図５は、椎弓根スクリューを配置する椎骨内の経路の決定を示す。 図６は、椎弓根スクリューを配置する椎骨内の経路のさらなる決定を示す。 図７は、椎骨の椎弓根内を椎弓根スクリューを前進させることで、生成されたビューがどのように変化するかを示す。 図８は、事前に取得した医用画像スライスとの光学追跡デバイスの位置合わせを示す。 図９は、椎骨に穴を開ける機器を配置する際にユーザを使用するために使用する仮想ビューの生成を示す。 図１０は、組織検知機能を備えた椎弓根スクリューを概略的かつ模範的に示す。 図１１は、異なる色の境界線を持つ仮想ビューを概略的かつ模範的に示す。 図１２は、仮想ビュー上に重ねられたリスクヒートマップを概略的かつ模範的に示す。 図１３は、椎骨内に貫通デバイスを配置する際にユーザを支援する方法の一実施形態を模範的に例示するフローチャートである。

図１は、椎骨の骨内に椎弓根スクリューの形の貫通デバイスを埋め込む際にユーザを支援するための請求項に係るシステムの一実施形態を示している。

図２に、椎弓根スクリュー７を有する椎骨１を示している。椎骨１には皮質骨２、海綿質骨３、椎体４、椎弓根５、及び脊髄６が含まれる。椎弓根スクリュー７は、通常、椎弓根５を通過して椎体４に入り、椎骨１の腹側の皮質骨２に至るまで、わずかな内側角で配置される。図２では、図に示すように、椎弓根スクリュー７が椎弓根５の中央領域を貫通し、左右の外側境界といくらか距離があるときに、椎弓根スクリュー７は椎骨１内に正確に位置決めされる。

図３は、２本の椎弓根スクリューが誤ったやり方で埋め込まれた椎骨のコンピュータ断層撮影画像を示している。左の椎弓根スクリュー１０７は、左の椎弓根の境界を通過しているように見え、その結果、右側が脊柱管６を部分的に貫通して、椎体に入る前に内側の裂け目を引き起こしている。この誤った配置は、痛みや機能の喪失などの多くの付随症状を伴う神経損傷を引き起こす可能性がある。右側に示されている椎弓根スクリュー１０８も正しく配置されていない。この場合、椎弓根５の場所にあるスクリューの右側にある皮質骨がわずかに破損している。これは通常、スクリュー１０７よりも深刻な内側の裂け目ではなく、多くの場合、手術を再実行する理由にはならないが、スクリューが椎弓根５の左右の先端（外壁）の間に正確に配置されている場合と比較して、機械的にあまり安定していない結果を依然としてもたらす。

開示されたシステムの実施形態は、例えばスクリュー１０７及び／又は１０８について示されているような誤った配置を回避できるように、又は誤った配置の程度を低減できるように、椎骨内に椎弓根スクリューを埋め込む際に外科医といったユーザを支援する必要がある。

図１のシステム８は、貫通デバイス７の３次元姿勢を示す追跡情報を提供する追跡情報提供ユニット９を含む。この実施形態では、追跡情報提供ユニット９は、光学追跡デバイス４０から追跡情報を受信し、受信した追跡情報を追跡情報提供ユニット９を提供する受信器である。

図４に、光学追跡システム４０の一実施形態を示している。光学追跡システム４０は、２つのカメラ４１、４２と、椎骨１内に椎弓根スクリュー７を埋め込むために使用される外科器具６０１の姿勢を決定するプロセッサ４３とを含む。プロセッサには、カメラのデータを受信する１つ以上の入力部と、システム８に光学追跡データを提供する出力部がある。

外科器具６０１及び／又は椎弓根スクリュー（カメラの視野内にまだある場合）は、カメラ４１、４２によって取得された画像内に可視であり、プロセッサ４３は、カメラ４１、４２によって取得された画像に基づいて、外科器具６０１の姿勢を、椎弓根スクリュー７の姿勢とともに、及び／又は（カメラの視野内にまだある場合は）椎弓根スクリューの姿勢をそのまま決定する。したがって、プロセッサは、画像内の外科器具とその向きを自動的に認識できる。或いは又はさらに、器具及び／又は椎弓根スクリューには、カメラによって認識でき、かつ画像内の器具及び／又は椎弓根スクリューの向きを決定するのに役立つように、器具及び／又は椎弓根スクリューの画定領域に置かれるマーカー７０（例えば光学式マーカー）が付いていてもよい。プロセッサ４３はさらに、その出力部を介して、対応する追跡情報をシステム８の追跡情報提供ユニット９に送信する。前述したように、マーカーを椎弓根スクリュー７に取り付けることができる。しかしながら、マーカーは、スクリュードライバといった、スクリューを配置するために使用する器具に設けられている方が好ましい。椎弓根スクリューは、通常、器具に対して向きが固定されるように、器具にしっかりと取り付けられている。しかしながら、スクリュードライバではない他のタイプの器具も、骨の貫通について追跡できる。

実施形態では、光学原理に基づく追跡デバイスが使用される。しかしながら、或いは又はさらに、異なる原理で動作するが姿勢を提供可能な追跡デバイスを使用することもできる。例えば電磁追跡デバイス、光学形状検知追跡デバイス、慣性運動ユニットベースの追跡デバイスなどを使用することができる。

この実施形態では、椎弓根スクリュー７は外科器具６０１にしっかりと接続されており、椎弓根スクリュー７と外科器具６０１との空間的関係（それらの相互の向きを含む）が既知である。プロセッサには、例えばユーザインターフェースを介してユーザから、メモリに保存されたルックアップテーブルから、又はスクリュー及び機器の両方がカメラの視野内にあるときにカメラ４１及び４２によって提供される画像の決定から提供されるそのような情報を受信する入力部がある。この空間的関係データを使用して、プロセッサ４３は、カメラから受信した画像データから決定されるように、器具６０１の姿勢に基づいて椎弓根スクリュー７の姿勢を決定できる。椎弓根スクリュー７の決定された姿勢は、椎弓根スクリュー７の先端の場所を指すだけである。しかしながら、決定された姿勢はまた、椎弓根スクリュー７、具体的に椎弓根スクリュー７全体の場所及び向きを指すこともある。

システム８はさらに、この実施形態では、椎弓根スクリューが埋め込まれた被検者の椎骨を含む領域から得た画像から椎骨１の３次元モデル１９を提供するコンピュータ又はデータプロセッサの形を取るモデル提供ユニット１０を含む。モデル１９は皮質骨２と、場合によっては脊髄６も示している。画像は、このようなモデルの生成に適した特性を有する任意のタイプの画像であってよい。例えば既知の原理によるＸ線、ＣＴ、ＭＲＩ、超音波などのモダリティのうちの１つ以上を使用して、手術前に被検者の関連領域から得られた画像である。解像度及び／又はコントラストが高いことからより精密なモデルをもたらす可能性があるため、Ｘ線画像又はＣＴ画像の方が好まれることが多い。

コンピュータ又はデータプロセッサには、椎骨１の（ここでは）Ｘ線画像１８を受信する入力部を有し、さらに画像１８をセグメント化して、セグメンテーションに基づいて椎骨１のモデル１９を生成する。例えばコンピュータ又はデータプロセッサは、椎骨のモデルを生成するために、画像１８内の一連の解剖学的２Ｄ画像を処理する。或いは、コンピュータ又はデータプロセッサは、すでにセグメント化された画像を受信する入力部を有し、この結果、コンピュータ又はデータプロセッサは、受信したセグメント化された画像に基づいてモデルを生成する。すべての場合において、既知のセグメンテーション手法を使用して、椎骨１の様々な部分、特に皮質骨２及び場合によっては脊髄６をセグメント化できる。既知のセグメンテーション手法は、例えば当技術分野で知られている形状制約型の変形可能なモデルに基づいている。さらに、モデルの３次元又は２次元表現の生成を、当技術分野で知られている手法を使用して行うことができる。

一実施形態では、モデルは椎骨の単純な骨モデルであり、脊髄を含む椎骨内の「空間」は、ユーザが処置中に貫通しないようにする必要がある領域を表す。このような場合、脊髄はモデル化されないか、又は表現されないようにモデルから取り除かれている。そのため、モデルは画像内のセグメント化された骨にすぎない。これにより、特にＸ線ベース又はＣＴベースの画像でのセグメンテーション及びモデル生成が簡素化される。

システム８はさらに、椎骨１のモデル１９の椎弓根５を通る経路２１を提供する経路提供ユニット１１を含む。経路は、椎弓根スクリューが椎骨内に正確に配置するためにたどるべき軌道である。特に、経路提供ユニット１１は、モデル１９で提供される椎弓根の形状及び寸法に基づいて経路２１を計算する。例えば経路提供ユニット１１は、砂時計型のモデル２２を、モデルによって提供される椎弓根５にマップし、マップされた砂時計型のモデル２２に基づいて経路２１を計算する。これについては、図５を参照してより詳細に説明する。

図５は、経路２１、つまり、所望の椎弓根スクリューの軌道を計算するやり方について示している。図５の左上隅には、椎弓根スクリュー７を配置する必要がある椎弓根５のある椎骨１が示されている。被検者から取得した椎骨領域のＸ線画像又はＣＴ画像１８から、椎骨１の３次元モデル１９が生成される。このモデルでは、椎弓根５が３次元でモデル化されている。椎弓根５の砂時計型モデル２２は、ボリュメトリック、即ち、３Ｄ位置合わせを使用して椎弓根５に適合される。したがって、椎弓根５の形状は、ボリュメトリック位置合わせを使用して、砂時計型の椎弓根モデル２２にマッピングされる。又は、その逆も同様である。次に、経路２１は、砂時計型の椎弓根モデル２２の中心を通る砂時計型の椎弓根モデル２２の回転軸をたどるように決定される。この経路、つまり、所望の軌道をユーザがたどる場合、椎弓根スクリュー７は、椎弓根５の中心を通り真っ直ぐに配置され、皮質骨を突破するリスクが最小限に抑えられる。さらに、砂時計型の椎弓根モデルは、椎骨の寸法に対する椎弓根スクリューの長さと組み合わせて、椎弓根スクリューがたどる所望の軌道を選択するように方向付けされ、この結果、挿入されたときに、椎弓根スクリューの前部先端は、入り口の反対側にある椎骨側の皮質骨２にのみ到達する。これにより、椎骨内のスクリューの優れた安定性が提供される。

経路提供ユニット１１は、別のやり方で経路を決定することもできる。例えば国際特許公開ＷＯ２０１７／１８６７９９Ａ１に開示されている手法を使用して経路を決定できる。経路提供ユニット１１はまた、モデル１９によって提供される椎体の終板の向きにさらに基づいて、経路２１を計算することもできる。椎骨終板、つまり、椎体の終板は、人が立っているときに椎間板と界面を接する椎体の上部部分及び下部部分である。経路提供ユニット１１は、前述したように、軸平面で砂時計型の椎弓根モデル２２に基づいて、椎弓根スクリュー７の理想的な方向をまず決定する。これは図６の左側に概略的かつ模範的に示されている。次に、経路提供ユニット１１はさらに、スクリュー経路２１の方向を、椎骨セグメンテーションから得られる、即ち、モデル１０によって提供される椎体の終板６１、６２と並行に整列させる。この整列は図６の右側に示されている。参照符号６０は脊柱管を示している。終板６１、６２は、対応する椎骨の両側に配置された２つの平行な平面として定義できる。ここで椎骨のこれらの側面は椎間板がある側面である。

視点ビュー提供ユニット
システム８はさらに、椎弓根スクリュー７の先端の視点からの仮想ビュー２０を生成するプロセッサ１４を含む。仮想ビューには、経路２１の方向が少なくとも部分的に含まれている。仮想ビューは、提供された追跡情報、提供されたモデル１９、及び提供された経路２１に基づいている。仮想ビューを生成するために、追跡情報、提供されたモデル、及び提供された経路は相互に位置合わせされる。提供されたモデルと提供された経路の両方が、同じ椎骨画像に基づいて生成されている場合、又は提供された経路が提供されたモデルに基づいて生成されている場合、提供されたモデルと提供された経路とは自動的に相互に位置合わせされる。それ以外の場合は、これらは、既知の位置合わせ手法を使用して相互に位置合わせできる。追跡情報を提供された画像と、したがって、提供されたモデル及び提供された経路と位置合わせするために、例えば画像内で識別可能で追跡デバイス４０で追跡可能なマーカーを使用することで、追跡デバイス４０を画像と位置合わせできる。しかしながら、他の既知の位置合わせ手法も可能である。

例えば提供された画像１８の画像データ座標と、追跡デバイス４０で得られた椎弓根スクリュー７、特に椎弓根スクリュー７の先端の座標との位置合わせは、仮想ビュー２０を生成するために、つまり、ユーザに視覚的なナビゲーションガイダンスを提供するためにプロセッサ１４によって使用できる対応する座標マッピングを提供する。つまり、提供された画像１８、したがって３次元椎骨モデル１９及び経路２１と、追跡デバイス４０によって提供された椎弓根スクリュー７の先端座標との座標マッピングを使用して、椎弓根スクリュー７の先端の視点からの仮想ビュー２０をユーザに提供できる。

仮想ビュー２０は、貫通デバイスを椎骨１内に配置している間に、ユーザが貫通デバイスを移動すべき方向を示すように生成される。特に、プロセッサ１４は椎骨１内に仮想トンネル８０１を示すように仮想ビュー２０を生成する。仮想トンネル８０１は、貫通デバイスを椎骨１内に配置している間に、ユーザが貫通デバイスを移動すべき方向を示すために、仮想ビュー２０が、提供された経路２１の方向における仮想トンネル８０１内のビューであるように、提供された経路２１に沿って配置されている。仮想トンネル８０１は実際には存在しないことに留意されたい。仮想トンネルはユーザを直感的に誘導するためだけに使用される。別の実施形態では、仮想ビューはまた、別のやり方で貫通デバイスを椎骨１内に配置している間に、ユーザが貫通デバイスを移動すべき方向を示すように生成される。例えば、一般的には、仮想ビューは、ユーザが中央に配置するべき要素を示す。つまり、ユーザは、上記要素が生成された仮想ビュー２１の中央にあるように貫通デバイスを操作するべきである。中央に配置されるこの要素は仮想トンネルの仮想端でもある。

仮想ビュー２０は、椎骨１内の仮想ビュー点に対応しており、したがって、スクリューの視点又はスクリュー先端の近くの内部視点が生成される。内部視点からのこの表現は、ナビゲーション支援脊椎手術手順で一般的に使用される２次元断面又は３次元輪郭画像とは異なる。この実施形態では、椎弓根５が仮想ビュー２０内にチューブ又はトンネルとして提示される。好ましくは、トンネルの内側部分はトンネルの遠位部分とは異なる色といった異なる外観を有する。これについては、図７を参照して以下でさらに説明する。

図７は、椎弓根スクリュー（カメラ）を椎弓根に向けてかつ椎弓根を通りナビゲートするいくつかの段階の間のカメラ（仮想ビューを提示する）を使用した椎弓根スクリューの長手方向軸の方向において椎弓根スクリューの先端から仮想ビュー（図７の上部のＡからＦの写真）がどのように見えるかを概略的かつ模範的に示している（チューブは椎弓根の外側境界を表し、正しい埋め込みのために椎弓根スクリューがたどるべき計算された経路に沿って整列されている）。したがって、上部にある仮想ビューＡからＦは、図７の下部の状況ＡからＦに対応している。したがって、仮想ビューは、所望の椎弓根入口点へのスクリューのナビゲーション、並びに所望の経路に沿って貫通するように所望の経路に対するその向き及び整列のためのガイドとして使用できる。特に背側（姿勢Ａ）から椎弓根に近づく間に、仮想ビューは、器具を計画軌道（姿勢Ｂ）に整列させる際に支援する。「トンネルの端」（姿勢ＣからＦ）を中央に配置することで、ユーザは計画された軌道、つまり計画された経路２１に自動的にたどる。

前述したように、追跡情報、生成されたモデル、及び計算された経路は相互に位置合わせされる。この位置合わせは、任意の適切なやり方で行うことができる。１つの好ましい実施形態では、画像１８及び追跡デバイスによって提供される追跡データ内で可視又は識別可能である基準又はマーカーによって支援される、光学追跡デバイス４０の座標系と画像１８の座標系とのマッピングに基づく位置合わせが使用される。この好ましいマッピングの例については、図８を参照して説明する。

図８では、光学追跡システム４０が、少なくとも患者の身体上の基準９０１の位置、また、任意選択ではあるが、好ましくは、場合によっては向きも追跡していることが示されている。これらの基準９０１はまた、画像１８にも基準像９０２として可視である。この場合の画像１８は、例えば上記のイメージングモダリティのうちの１つ以上を使用して記録された２次元画像のスタックを有する３次元画像セットである。上で示したように、追跡デバイス４０はまた、基準９０１の場所と、任意選択で、好ましくは向きも記録して、これらを追跡情報に組み込む。したがって、基準９０１の位置及び向き（追跡される場合）は、光学追跡システム４０及び画像１８の座標系において既知となり、追跡情報（のセグメント）又はそのセグメントを画像又はそのセグメントと位置合わせするために、システム８のプロセッサ１４によって相互参照として使用される。図８では、位置合わせは二重矢印７０で示されている。

例えば図４を参照して説明した実施形態では、貫通デバイスは椎弓根スクリューである。しかしながら、一般に、本発明又はその実施形態では、貫通デバイスはまた、例えば椎弓根に穴を開ける器具といった別のデバイスでもあってもよい。そのような器具の例としては、ドリル、突き錐、椎弓根プローブ、ｋワイヤなどがある。図９に概略的かつ模範的に示すように、椎弓根に穴を開けるための器具６０２は、光学追跡デバイス４０によって追跡される光学マーカー７０を含む。光学マーカーカ７０は、器具６０２の近位部分、つまり、椎骨の中に突出するための先端とも呼ばれる遠位部分とは反対側の部分にしっかりと接続されている。この器具６０２の追跡手法は、図４の器具６０１及び／又は椎弓根スクリュー７について説明したやり方と同様のやり方で行われる。したがって、治療中の器具６０２のナビゲーションの仮想ビューガイダンスは、器具６０１及び／又は椎弓根スクリューのナビゲーションのガイダンスのために前述したやり方と同じやり方で行われる。

治療で穴の作成及びスクリューの埋め込みなどの複数の操作が必要な場合、器具が互いに異なり、手順が順番に行われる場合があるため、両方の位置合わせには異なる追跡データが必要になる場合がある。しかし、同じ画像１８を使用し、同じ作成されたモデル及び／又は計算された経路を使用する。ただし、ビュー内の投影されたチューブの境界が異なる場合があることに留意されたい。

上記の仮想ビューには、計算された経路及び境界のトンネル表現が含まれている。他のインジケータが追加的に又は代替的に存在していてもよい。したがって、計画された経路及び／又はターゲット領域を示すインジケータである。また、仮想ビューの視点の方向も、穴の作成方向又は椎弓根スクリュー軸といった器具の貫通方向に整列した真ん中の点又は視点軸とともに示される。このようなインジケータはプロセッサによって計算され、ユーザへの出力として仮想ビューへのオーバーレイとして提供される。

プロセッサは、任意選択で、外部ビュー、即ち、スクリューの先端の視点とは異なる外部からの視点のビューを表すさらなる仮想ビューを生成できる。このようなさらなる仮想ビュー３０１の一例を図４及び図９に示す。このビューでは、関連する解剖学的構造の一部のモデルが、モデル１９の計算に使用されたのと同じ画像１８及び追跡情報から計算される。ただし、モデルが異なる場合には、そのような画像及び情報の異なる部分（例えば異なるセグメント）が使用される。モデルが同じであるならば、同じモデルを使用して、異なる視点及び仮想ビューを生成できる。ここでも、計算された経路及び器具の貫通経路に沿った仮想軸が、さらなる仮想ビューにおいて適切な位置合わせでオーバーレイとして示される。

一実施形態では、さらなる仮想ビュー３０１と仮想ビュー８０１の両方がユーザに提供される。

説明されているすべての実施形態及び他の実施形態では、経路の計算及び仮想ビューの生成は複数回行われてもよい。好ましくは、それらは定期的に、又はリアルタイムのように継続的に行われる。更新又は再生成の回数が多いほど、ナビゲーションのガイダンスがより適切に行われる。このようにして、医療従事者といったユーザによって行われる実際の治療中のガイダンスの動画形式表現を提供できる。

システム８はまた、例えばマウス、キーボード、音声コントロール、タッチパッドなどのユーザによるデータ入力用の１つ以上のユーザインターフェース１５、及び／又はスピーカ、触覚出力デバイス、若しくは静止形式若しくは動画形式の仮想ビュー用の１つ以上のディスプレイなどのユーザにデータ出力するための１つ以上のユーザインターフェースＸＸＸとを含む。

システム８はさらに、使用中に貫通デバイスが検知する組織タイプを示す組織タイプ情報を提供する組織情報提供ユニット１３をさらに含む。特に、組織情報提供ユニット１３は、受信した光のスペクトル特性に基づいて組織タイプを決定したプロセッサ１０２から組織情報を受信する。したがって、この実施形態では、組織情報提供ユニット１３は、組織タイプ情報を決定するために貫通デバイスの先端から受信した信号を処理するプロセッサ１０２から対応する情報を受信する受信器である。

図１０にこのようなプロセッサ１０２を概略的かつ模範的に示している。

図１０に、組織情報提供ユニットの一例を示している。この場合、ユニットは椎弓根スクリュー１００と組み合わせて示されているが、他の器具と組み合わせても使用できる。椎弓根スクリューには、椎弓根スクリューの長手方向の中心（中心位置決めは必ずしも必要ではない）軸に沿って延在し、スクリューの遠位（先端）端部における開口部及びスクリューの近位（ヘッド）端部における開口部を有する内腔又は中空シャフト１０３をその中に有する。このシャフト内には、ユニット１３の光学センサデバイス１０１の先端を有する探り針が位置決めされている。探り針は、光学センサがその先端において、遠位スクリュー先端の外部からの光学信号を検知可能であり、また、任意選択で、この探り針先端から遠位スクリュー先端の外部へと光学信号を放出可能であるように位置決めされる。光学デバイスにはさらに、信号送受信インターフェース１０２の入力部／出力部に取り外し可能に接続された導波管（例えば光学ガイド）が含まれている。導波管は、光学信号をインターフェース１０２から探り針の先端へ、かつ任意の検知された光学信号を探り針の先端からインターフェース１０２へ運ぶ（例えば誘導する）。この場合、光学デバイス１０１は、椎弓根スクリューのシャフト１０３から取り外し可能である。例えば椎弓根スクリューを椎弓根に配置した後、椎弓根スクリューから取り外して、次の椎弓根スクリューの配置に再度使用できる。シャフトの近位開口部での光学デバイスの取り外し及び／又は挿入に滑り作用を使用できる。光学デバイス（又はこの光学デバイスの探り針）をシャフト内に一時的に固定するために使用される適切な種類のロック機構（スクリューヘッドにあるクランプなど）がある場合がある。これにより、ユーザによるスクリューの配置の際のユニット１３の使用が容易になる。

信号送受信インターフェースは、光学センサデバイスの導波路から光学信号を受信し、また、任意選択であるが、好ましくは導波路に光学信号を送信する。インターフェースはまた、受信した光学信号に基づいて、プロセッサで処理される信号である検知されたデータ信号を出力することもできる。同様に、インターフェースが光学信号を送信することもできる場合、インターフェースは、受信した送信データ信号から、プロセッサで処理される光学信号を生成する。

信号データプロセッサは、検知しデータ信号を処理して、そこから椎弓根スクリュー２０７の先端の前にある組織タイプを示す１つ以上のパラメータを抽出する。しかしながら、インターフェース及びユニット１３に信号データプロセッサを含めてもよい。

その後、１つ以上の指示がシステム８のさらなる部分に送信される。

一般的に、インターフェース１０２は、光学信号を（処理のために）電気信号に変換することができるほど単純であり、その逆も可能であり、したがって、信号変換器として動作する。このような場合、信号データプロセッサはシステムの１つの中央プロセッサの一部であり、当該中央プロセッサに統合されてさえもいる。別の実施形態では、信号データプロセッサはインターフェース１０２及び／又はユニット１３の一部である。次に、ユニット１３は、中央プロセッサに組織の種類の指示を提供する。

組織検知機能を実現する他のやり方も使用できることは明らかであろう。したがって、例えば必ずしも導波管を備えておらず、また、そのインターフェースがスクリュー先端にあり、電気リード線がシャフトを通ってプロセッサ１０２に接続されているダイオードタイプのセンサを使用できる。さらに他の感覚的実施形態が使用されてもよい。

上記に例示されている検知機能を備えた貫通デバイスは、図４及び図９に関して説明した仮想ビュー生成原理と一緒に使用できる。そのために、検知された組織タイプ情報は、追跡情報を利用して、仮想ビューと位置合わせされる。例えば光学測定（光学センサデータの取得）のタイムスタンプを記録し、そのタイムスタンプを特定の追跡情報のタイムスタンプと比較することで、測定が行われた姿勢を推定できる。したがって、ある特定のインスタンスで検知された組織タイプは、これまでに説明したように、貫通の形状が姿勢と相互に関連付けられるのと同様に、その特定のインスタンスの姿勢と相互に関連付けられる。

一実施形態では、モデル１９は、椎骨１内の様々な場所について、椎骨１のいわゆる予想される組織タイプを示すように提供される。このような予想される組織タイプは、外部データベースから既知である事前に決定されたデータ、又は他の方法で利用可能な術前データに基づいている。例えばいくつかのタイプのイメージングモダリティでは、空間的に分解された組織タイプデータを含む画像１８が提供される。具体的な例としては、スペクトルＣＴ又はＭＲＩがある。この実施形態では、プロセッサ１４は、特定の姿勢に属する仮想ビュー内の特定の場所に現れるべき１つ以上の予想される組織タイプを決定する。例えばプロセッサ１４は、計算された経路及び／又はトンネルビューの外側境界に対応するビュー内の場所で予想される組織タイプを決定する。この場合、システムはまた、予想される組織タイプと光学センサデバイスを使用して決定された組織タイプとを比較し、仮想ビュー内及び／又は示されるモデル上の特定の場所に対応する予想される組織タイプと検知された組織タイプとの一致度を示す１つ以上の一致指示をユーザに提供できる。もし一致がないか又は一致が乏しい場合、一致指示は、このことをユーザへの対応する出力で表現する。同様に、一致が優れている又は完全である場合、別の一致指示が提供される。出力は一致していない／一致していることを示すために２進数であるか、又はさらなる一致度を示すために複数レベル若しくは連続レベルである。このような場合、例えば数字のデジタル出力若しくはアナログ出力、又はヒートマップなどのカラースキームといった、一致のスケールを表す任意の指示を使用できる。他の出力も使用できる。例えば番号、アナログのカラースキーム、又は番号スキームといった出力を使用できる。ユーザ出力は、例えば触覚出力、音声出力、又は視覚出力などの形式である。特に視覚出力が好ましい。これは仮想ビューの一部として提供される。

図１１に、ユーザに一致指示出力を提供するための１つの好ましい実施形態を説明する。図１１は２つの仮想ビュー２０を示している。左側に示すビューでは、測定された組織タイプと予想される組織タイプとが良好と見なされる一致があり、このことは第１の色４０１を有する仮想ビュー２０の境界によって示されている。左側に示すビューでは、測定された組織タイプと予想される組織タイプとが、左側に示すビューにおける一致よりもあまり良好ではないと見なされる一致があり、したがって、右側に示す仮想ビュー２０の境界は、第１の色とは異なる第２の色４０２で色付けされている。前述したように、一致度はヒートマップカラーリングスケールを使用して表すことができる。例えば（４０２のように）赤は（４０１のように）緑又は青よりも一致が良好でないことを示す。

したがって、仮想ビューの境界の色付けを使用して、貫通デバイスの先端にある組織検知信号が、医用イメージングから最初に得た情報と矛盾していないかどうかを示すことができる。例えば緑４０１といった１つの色は、モデル、したがって、医用イメージング及びナビゲーション情報から得られた先端の骨のタイプが、先端の組織検知に基づいて推定される骨のタイプと一致することを意味する。同様に、２つのタイプの情報の不一致は、赤４０２といった別の色をもたらして、ユーザにこの矛盾について警告する。当然ながら、上記の実施形態では、様々なタイプのシェーディングを代替又は追加的に使用できる。

組織検知は、拡散反射分光法（ＤＲＳ）、超音波、インピーダンス測定などに基づいていてよい。

プロセッサ１４はさらに、１つ以上の検知した組織タイプも示すように仮想ビュー２０を生成する。特に、組織タイプ情報、即ち、組織検知情報は、追跡情報、即ち、光学追跡デバイス４０によって得られた３次元空間情報と共通に位置合わせでき、これにより、組織検知情報を３次元座標系上にマッピングし、組織検知で強化されたシーンの仮想ビューを作成できる。

プロセッサ１４はさらに、椎骨の複数の領域について、提供された組織タイプ情報及び提供された追跡情報に基づいて、貫通デバイスが触れた場合に裂け目を作るリスクを決定し、仮想ビュー内に複数の領域の決定されたリスクを示す。したがって、組織タイプ情報、即ち、組織検知情報を使用して、皮質骨に裂け目を作るリスクを計算できる。３次元的にマッピングされた組織検知情報及び裂け目リスクなどの派生パラメータは、色調に変換して、例えばユーザに提示される仮想ビューに投影される又はオーバーレイされるヒートマップを生成できる。例えば図１２に概略的かつ模範的に示されているように、裂け目を作るリスクが高い領域は赤といった特定の色５０１で色付けされ、皮質の裂け目を作るリスクが低い領域は緑といった別の色５０２で色付けされる。

したがって、骨貫通デバイスの先端には、裂け目を作るリスクの尺度を提供する組織センサがあってもよい。例えば光学分光法又は電気インピーダンスを用いて、先端が皮質骨に近いかどうかを示すために、組織タイプを推定できる。それでも、これは１次元、即ち、点の測定である。組織を貫通する前に、利用できるセンサデータはないため、３次元モデルにはまだこの情報が含まれていない。手順中に、器具先端の姿勢、即ち、３次元の位置及び向きが時間の経過とともに記録された場合、これを使用してモデルの３次元座標系を、裂け目を作るリスクを表すデータポイントで埋めることができる。裂け目を作るリスクは、例えば皮質骨までの距離に基づいて計算できる。即ち、皮質骨までの距離が短くなるとリスクは高まる。このようにして、手順中に、センサデータを使用して、対応する色が対応するリスクを表す色を有する３次元モデルを提供できる。この色付けはリアルタイムで行うことができ、また、組織を貫通している間に、図１２に示されているように、ユーザに示される。また、これらの色は、好ましくは時間の経過とともに特定の情報を「忘れてもよい」正当な理由（例えば時間の経過とともにデータの信頼性が低下していると考える理由、又はリスクプロファイルの更新に使用できる同じ姿勢の新しいデータ）がない限り、手順の最後まで残っている。

通常、貫通デバイスの先端は「空間」ではないため、骨の中を自由に移動できないことに留意されたい。しかしながら、配置中のデバイスが仮想トンネルの壁に近づきすぎて、ユーザが貫通デバイスを引き戻して別のやり方で再挿入することを決定する場合がある。この場合、触れてしまい、リスクが高いことが分った壁／トンネルの特定の部分に色付けする方法は非常に有用である。

モデル提供ユニット１０は、椎骨の周囲の血管などの重要な構造も示すようにモデルを提供する。プロセッサ１４もまた、生成された仮想ビューに重要な構造を示す。したがって、デバイス先端の視点からの仮想ビューを、医用画像１８から得られたさらなる解剖学的情報によって充実させることができる。例えば３次元医医用像データ１８に基づいて、関心の椎骨１の骨だけでなく、大動脈、脊柱管などのさらなる重要な解剖学的構造もセグメント化される。例えばプロセッサ１４は、椎弓根壁を半透明にし、壁の背後にある重要な構造を描写する。プロセッサ１４はまた、椎弓根壁と重要な構造との空間的関係を３次元リスクマップに変換できる。このマップは、ユーザに提示される仮想ビューに投影及び／又はオーバーレイされるヒートマップを生成するためのカラースキームに変換される。また、例えば医用画像１８から得られる、骨粗鬆症、密度などの骨質パラメータなどのさらなる情報を使用しても、ユーザに提示される仮想ビューを充実させることができる。プロセッサ１４は、重要な解剖学的構造に近い領域を赤といった特定の色で色付けし、重要な解剖学的構造に近くない領域を緑といった別の色で色付けする。したがって、プロセッサ１４は、重要な解剖学的構造までの示される領域の距離に応じてリスクを計算し、決定されたリスクに応じてこれらの領域を色分けする。

一実施形態では、システム８はまた、貫通デバイス、特に貫通デバイスの先端と皮質壁との間の距離を示す近接情報を提供する近接情報提供ユニット１２を含む。近接情報は貫通デバイスの先端で行われた測定に基づいて決定される。例えば貫通デバイスは、貫通デバイスの先端において電気インピーダンスを検知する。貫通デバイスは、電気インピーダンスを測定するための電流を供給し、測定された電気インピーダンスを処理して貫通デバイスと椎弓根皮質壁との間の距離を決定するプロセッサに電気的に接続できる。この距離は、近接情報として近接情報提供ユニット１２に送信され、ユニット１２はその後、近接情報を提供する。

プロセッサ１４は、提供されたモデル１９と、提供された追跡情報で示された貫通デバイスの位置とに基づいて、貫通デバイスと椎弓根皮質壁との間のさらなる距離を決定する。この場合、プロセッサ１４は、提供された近接情報によって示された距離と決定されたさらなる距離との偏差を決定し、決定された偏差に基づいて、生成された仮想ビュー２０の正確さを示す正確さインジケータを決定する。

したがって、椎弓根スクリューといった貫通デバイス、又は上記の穴を開けるための器具には、例えば椎弓根皮質壁に対する貫通デバイスの先端の直接距離測定を可能にするスペクトル組織検知又はインピーダンス検知に基づく組織検知が具備されている。インピーダンス検知、又は距離決定を可能にする貫通デバイスによって実行される別の検知の場合、この検知から得られた信号を追跡デバイスによって決定された距離と比較できる。２つの測定システム、即ち、追跡デバイスと、例えばインピーダンス検知を介した直接距離測定との差の量は、提供されているデバイス先端の視点のビュー２０の正確さの指標である。この正確さは、ビュー又はビューの一部に、明確な特徴を与えることによって示すことができる。例えば決定された偏差に応じて仮想ビュー２０の縁を色付けすることによって示すことができる。

プロセッサ１４はさらに、正確さインジケータが正確さの増加を示すように、提供された追跡情報によって示される貫通デバイスの姿勢を適応させることによって、仮想ビュー２０を適応させる。特に、決定し距離が事前定義された閾値よりも大きい場合は、追跡情報及び／又は位置合わせが十分に正確ではないと考えられる。この場合、仮想ビュー２０の生成に使用される椎骨内の貫通デバイスの想定される姿勢を修正して、偏差が事前定義された閾値を下回る、特にゼロになるようにすることができる。この修正された貫通デバイスの想定姿勢を使用して、仮想ビュー２０を生成できる。

したがって、システムは、例えば組織検知又は距離検知を使用して、貫通デバイスの姿勢推定の品質を評価し、この評価の結果を使用して姿勢推定の調整方法を決定する。即ち、組織又は距離検知情報とよりよく一致するように想定された現在の姿勢の調整方法を決定する。

プロセッサ１４はさらに、追跡情報に基づいて及び提供された経路に基づいて、貫通デバイスの現在の姿勢と、経路によって定義される貫通デバイスのターゲット姿勢との幾何学的関係を示す視覚化を生成する。プロセッサ１４はまた、追跡情報に基づいて及び関心領域の提供された姿勢に基づいて、貫通デバイスの現在の姿勢と椎骨内の関心領域の提供された姿勢との幾何学的関係を示す視覚化を生成する。生成された視覚化には、仮想ビュー上の幾何学的関係のオーバーレイが含まれていてもよい。例えば幾何学的関係は、仮想トンネル上にオーバーレイされたブルズアイビュー又はターゲットポイントを使用して示される。

プロセッサ１４はまた、提供されたモデル及び提供された追跡情報に基づいて、椎弓根の中心軸と追跡情報によって示される貫通デバイスの位置との間の距離を決定し、決定した距離に基づいて信号を生成する。例えばプロセッサ１４は、この距離が事前定義された閾値よりも大きい場合に、椎弓根の中心軸までの距離が大きすぎることを示すために、光学信号及び／又は音響信号を提供する。

さらに、プロセッサ１４は、提供された経路及び提供されたモデルに基づいて、椎骨内への貫通デバイスの所望の進入角度を決定し、提供された追跡情報及び提供されたモデルに基づいて、椎骨内への貫通デバイスの現在の進入角度を決定し、所望の進入角度と現在の進入角度との偏差を決定し、決定した偏差に応じた信号を生成する。例えばこの偏差が事前定義された閾値よりも大きい場合、ユーザに警告するために、ここでも光学信号及び／又は音響信号を提供できる。

図１３のフローチャートを参照して、例えば被検者の椎骨又は他の骨格部分といった、被検者の解剖学的部分／ボリュームに貫通デバイスを配置する際にユーザを支援及び／又は誘導する方法の一実施形態について説明する。

ステップ７０１において、解剖学的部位の３次元モデルが生成又は提供される。このような生成に関して、前述したように、このようなモデルは、関連するイメージングモダリティを使用して得られた解剖学的部分の術前取得画像１８を使用して生成されてもよい。このモデルは、少なくとも椎骨の骨部分を示す。好ましくは、モデルはまた、海綿質骨、脊髄、又は周囲の血管といった他の重要な構造といったさらなる部分も示す。

ステップ７０２において、モデルの椎弓根を通る経路が提供される。この経路は、好ましくは、椎弓根の中心軸をたどるように計算される。

ステップ７０３において、貫通デバイスの３次元姿勢を示す追跡情報が提供される。

ステップ７０４において、提供された追跡情報、提供されたモデル、及び提供された経路に基づいて、提供された経路の方向における椎骨内の貫通デバイスの先端の視点からの仮想ビューが生成される。

ステップ７０５において、中止基準が満たされているかどうかが決定される。中止基準が満たされていない場合は、方法はステップ７０３に続く。したがって、ステップ７０３、ステップ７０４、及びステップ７０５はループで実行され、これにより、ユーザは、貫通デバイスを配置している間にディスプレイに表示される生成されたビューを見ることで支援される。中止基準が満たされると、方法はステップ７０６で停止する。中止基準には、例えばユーザが方法を停止する必要があることを入力ユニットを介して指示したかどうかがある。

一般的に、胸部脊椎椎弓根スクリューの配置では、形態学のため、具体的には椎弓根のサイズが比較的小さいため、正確さが課題となる。椎弓根、特に胸部椎弓根の側面又は内側の皮質の裂け目は、重要な構造と近接していることから、重度の臨床的合併症を引き起こす可能性がある。裂け目を作ることなく、細い椎弓根の中で貫通デバイスをナビゲートすることはユーザにとって難しい。さらに、ユーザは、図２に示すように、椎体の腹側の皮質骨にできるだけ手を近づけなければならない。一般的に、ユーザは進捗状況を直接観察できないため、これら２つのタスクは実際には非常に難しい。したがって、このような手順の間にユーザを空間的に誘導するシステムが必要である。この必要性は、例えば図１、図４、及び図９を参照して上で説明した、椎骨内に貫通デバイスを配置する際にユーザを支援するシステムによって満たされる。

貫通デバイスを配置する際にユーザを支援するシステムは、貫通デバイスの姿勢の追跡と、椎骨の３次元画像とを使用する。セグメンテーションアルゴリズムを使用して、椎骨の３次元モデルを生成するために、椎骨の皮質骨を、好ましくは、脊柱管及び主要血管もセグメント化する。アルゴリズムを使用して、３次元モデルによって示される椎弓根を通る経路を計算する。貫通デバイスはセグメント化された椎骨に対して、即ち、モデルに対して相対的に関連付けられている。椎骨のセグメンテーションに基づいて、即ち、３次元モデル、及び追跡システムによって提供される３次元姿勢に基づいて、貫通デバイスの先端の視線からの仮想ビューが作成される。仮想ビューは椎弓根、好ましくは、途中の重要な解剖学的構造を通る経路を示す。

内部の視点からのこの表現は、例えば２次元断面、３次元輪郭画像、又はカメラ画像のオーバーレイ方法とは異なる。前述したように、仮想ビューには、貫通デバイスの現在の姿勢と、コンピュータ断層撮影画像又は磁気共鳴画像であり得る提供された、即ち、事前取得された医用画像に示される所望の先端姿勢又は１つ以上の関心の場所への事前計画された経路との幾何学的関係の視覚的指示が含まれている。これは、貫通デバイスの先端の視点からのシミュレートされた内部ビュー上にグラフィックオーバーレイの形で、及び／又はシミュレートされた外部ビュー上のハイライトされた場所として、ユーザに提供される。貫通デバイスが椎弓根の中心軸に近い場合に、色信号又は音声信号であり得る信号をオペレータに提供できる。さらに、進入角が最適である場合に信号を提供できる。内部ビューのレンダリングは、写実的なレンダリングに基づいて行うことができる。

また、前述したように、貫通デバイスには、組織検知（例えばスペクトル組織検知又はインピーダンス検知）を具備できる。インピーダンス検知はまた、椎弓骨皮質壁への近接を検知するためにも使用できる。組織検知はまた、姿勢推定の品質を評価するためにも使用できる。即ち、追跡情報によって定義された貫通デバイスの姿勢の決定の品質を評価するためにも使用できる。この評価の結果は、組織検知情報によりよく一致するように姿勢推定を調整する方法を決定するために使用できる。

上記の実施形態では、骨は椎骨の骨であるが、他の実施形態では、骨は、貫通デバイスを人の別の部分の骨に配置する際にユーザを支援するために、人の別の部分の骨でもあってもよい。さらに、組織貫通デバイスを骨内、即ち、骨組織内に配置するのではなく、別のタイプの組織に配置することもできる。

開示された実施形態の他の変形は、図面、開示及び添付の特許請求の範囲の検討から、請求項に係る発明を実施する際に当業者によって理解され、実行可能である。

特許請求の範囲において、「含む」という語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、単数形は複数を排除するものではない。

単一のユニット又はデバイスが、特許請求の範囲に記載されているいくつかのアイテムの機能を果たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを有利に使用することができないことを意味するものではない。

１つ以上のユニット又はデバイスによって実行される経路の決定、モデルの決定、先端の視点ビューの決定などといった決定は、任意の他の数のユニット又はデバイスによって実行できる。骨に貫通デバイスを配置する際にユーザを支援する方法に従って、骨に貫通デバイスを配置する際にユーザを支援するためのシステムのこれらの決定及び／又は制御は、コンピュータプログラムのプログラムコード手段として、及び／又は専用ハードウェアとして実施できる。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に又はその一部として、供給される、光記憶媒体又は固体媒体などの任意の適切な媒体に格納／配布することができるが、インターネット又は他の有線若しくはワイヤレス通信システムを介してなど他の形式で配布することもできる。

特許請求の範囲における任意の参照符号は、範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

本発明は、椎骨の椎弓根内に椎弓根スクリューといったように、組織内に貫通デバイスを配置する際にユーザを支援するシステムに関する。システムは、組織のモデルを通る経路の方向における組織内の貫通デバイスの先端の視点からの仮想ビューを生成する。仮想ビューは、貫通デバイスの姿勢を示す追跡情報、モデル、及び経路に基づいて生成される。仮想ビューはユーザが貫通デバイスを組織内に配置している間に、貫通デバイスを移動させるべき方向を示す。例えば仮想ビューは、経路に沿って配置される仮想トンネルを示す。外科医といったユーザがそのような仮想ビューを提供されている場合、ユーザは著しく高い正確さで貫通デバイスを経路に沿って位置決めできる。

直接的又はデータネットワークを介した有線及び無線接続があり得る。

コントローラ用のプロセッサは、有形で、かつ非一時的である。本明細書で使用される場合、「非一時的」という用語は、状態の永遠の特性ではなく、一定期間持続する状態の特性として解釈される。「非一時的」という用語は、特に、搬送波又は信号やいつでもどこでも一時的にしか存在しないような他の形式の特性など、一瞬の特性を否定する。プロセッサは、製造品及び／又は機械部品である。コントローラのプロセッサは、本明細書における様々な実施形態において説明する機能を実行するように、ソフトウェア命令を実行する。コントローラのプロセッサは、汎用プロセッサであっても、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の一部であってもよい。コントローラのプロセッサはまた、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサチップ、コントローラ、マイクロコントローラ、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、ステートマシン、又はプログラマブルロジックデバイスであってもよい。コントローラのプロセッサはまた、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブルゲートアレイ（ＰＧＡ）や、ディスクリートゲート及び／又はトランジスタロジックを含む別のタイプの回路などの論理回路であってもよい。コントローラのプロセッサは、中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィックス処理装置（ＧＰＵ）、又はその両方であってもよい。さらに、本明細書で説明するプロセッサはいずれも、複数のプロセッサ、パラレルプロセッサ、又はその両方を含んでいてもよい。単一のデバイス又は複数のデバイスに、複数のプロセッサが含まれていても、結合されていてもよい。本明細書で使用される「プロセッサ」には、プログラム又はマシン実行可能命令を実行できる電子構成要素が包含されている。「プロセッサ」を含むコンピューティングデバイスへの参照は、複数のプロセッサ又は処理コアを含む可能性があると解釈するべきである。例えば、プロセッサは、マルチコアプロセッサであってもよい。プロセッサはまた、単一のコンピュータシステム内のプロセッサの集合体、又は複数のコンピュータシステムに分散されたプロセッサの集合体を指すこともある。「コンピューティングデバイス」という用語もまた、１つ以上のプロセッサを各々含むコンピューティングデバイスの集合体又はネットワークを指す場合もあると解釈されるべきである。多くのプログラムは、同じコンピューティングデバイス内にあるか、又は複数のコンピュータデバイス間に分散される複数のプロセッサによって実行される命令を有する。

本明細書で説明したようなメモリといったメモリは、データ及び実行可能命令を保存可能な有形の記憶媒体であり、命令がそこに保存されている間は非一時的である。本明細書で使用される場合、「非一時的」という用語は、状態の永遠の特性ではなく、一定期間持続する状態の特性として解釈される。「非一時的」という用語は、特に、搬送波又は信号やいつでもどこでも一時的にしか存在しないような他の形式の特性など、一瞬の特性を否定する。本明細書で説明するメモリは、製造品及び／又は機械部品である。本明細書で説明するメモリは、そこからコンピュータがデータ及び実行可能命令を読み取ることができる、コンピュータ可読媒体である。本明細書で説明するようなメモリは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、電気的にプログラム可能な読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的に消去可能なプログラム可能な読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ（登録商標））、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、テープ、コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、フロッピー（登録商標）ディスク、Ｂｌｕ－ｒａｙ（登録商標）ディスク、又は当技術分野で知られている任意の他の形式の記憶媒体であり得る。メモリは、揮発性又は不揮発性、セキュア及び／又は暗号化、非セキュア及び／又は非暗号化であってもよい。「メモリ」は、コンピュータ可読記憶媒体の一例である。コンピュータメモリは、プロセッサから直接アクセスできる任意のメモリである。コンピュータメモリの例としては、ＲＡＭメモリ、レジスタ、及びレジスタファイルが挙げられるが、これらに限定されない。「コンピュータメモリ」又は「メモリ」への参照は、複数のメモリである場合もあると解釈されるべきである。例えばメモリは、同じコンピュータシステム内の複数のメモリである場合がある。また、メモリは、複数のコンピュータシステム又はコンピュータデバイス間で分散される複数のメモリである場合もある。

Claims (15)

1. 被検者の骨組織内に貫通デバイスを配置する際にユーザを支援するシステムであって、
   前記貫通デバイスの３次元姿勢を示す追跡情報を受信する第１の入力部と、
   前記骨組織の３次元モデルを受信する第２の入力部と、
   前記３次元モデルを通る経路を受信する第３の入力部と、
   受信した前記追跡情報、受信した前記３次元モデル、及び受信した前記経路に基づいて、前記貫通デバイスの先端の視点からの提供された前記経路の表現を含む仮想ビューを生成するプロセッサであって、前記仮想ビューは、前記骨組織内に前記貫通デバイスを配置している間に前記ユーザが前記貫通デバイスを移動するべき方向を示す、当該プロセッサと、
   医療従事者又は被検者といったユーザに、前記仮想ビューを提供するユーザインターフェースと、
   を含み、
   前記プロセッサは、前記骨組織内の仮想トンネルを示すように前記仮想ビューを生成し、前記仮想トンネルは、前記３次元モデルによって提供される様々な骨組織タイプを表す、システム。
2. 前記仮想トンネルは、前記骨組織内に前記貫通デバイスを配置している間に前記ユーザが前記貫通デバイスを移動するべき前記方向を示すために、前記仮想ビューが、受信した前記経路の方向における前記仮想トンネル内のビューであるように、受信した前記経路に沿って配置されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記３次元モデルは、第１の密度を有する第１の骨組織タイプと第２の密度を有する第２の骨組織タイプとを区別し、前記第２の骨組織タイプは、少なくとも部分的に前記第１の骨組織タイプを取り囲み、前記プロセッサは、前記仮想トンネルの内側の中空部分が前記第１の骨組織タイプを表し、前記仮想トンネルの外側の壁が前記第２の骨組織タイプを表すように、前記仮想トンネルを生成する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記骨組織は、椎弓根を含む椎骨の骨であり、前記３次元モデルは、前記椎弓根を含む前記椎骨の前記骨の３次元モデルを提供し、前記システムは、前記３次元モデルによって提供される前記椎弓根の形状及び寸法に基づいて、前記経路を計算する経路提供ユニットをさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記経路提供ユニットは、砂時計型のモデルを、前記３次元モデルによって提供される前記椎弓根にマップし、マップされた前記砂時計型のモデルに基づいて、前記経路を計算する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記経路提供ユニットは、前記３次元モデルによって提供される前記椎骨の前記骨の椎体の終板の向きにさらに基づいて前記経路を計算し、前記終板は、人が立っているときの前記椎骨の上下にある、請求項４又は５に記載のシステム。
7. 前記プロセッサは、提供された前記３次元モデル及び提供された前記追跡情報に基づいて、提供された前記経路と、前記追跡情報によって示される前記貫通デバイスの位置との間の距離を決定し、決定された前記距離に基づいて信号を生成する、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記プロセッサは、提供された前記経路及び提供された前記３次元モデルに基づいて、前記骨組織内への前記貫通デバイスの所望の進入角度を決定し、提供された前記追跡情報及び提供された前記３次元モデルに基づいて、前記骨組織内への前記貫通デバイスの現在の進入角度を決定し、前記所望の進入角度と現在の進入角度との偏差を決定し、決定した前記偏差に応じた信号を生成する、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記貫通デバイスと前記骨の皮質壁との間の距離を示す近接情報を提供する近接情報提供ユニットをさらに含み、前記近接情報は、前記貫通デバイスの先端で実行された測定に基づいて決定され、前記３次元モデルは、前記骨の前記皮質壁を示し、前記プロセッサは、提供された前記３次元モデル及び前記追跡情報によって示される前記貫通デバイスの位置に基づいて、前記貫通デバイスと前記皮質壁との間の距離を決定し、提供された前記近接情報によって示される前記距離と決定された前記距離との偏差を決定し、決定された前記偏差に基づいて、生成された前記仮想ビューの正確さを示す正確さインジケータを決定する、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記プロセッサは、前記正確さインジケータが正確さの増加を示すように、提供された前記追跡情報によって示される前記貫通デバイスの前記姿勢を適応させることによって、前記仮想ビューを適応させる、請求項９に記載のシステム。
11. 前記貫通デバイスを使用して検知される組織タイプについての組織タイプ情報を提供する組織情報提供ユニットをさらに含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 提供された前記３次元モデルは、様々な組織タイプを示し、前記プロセッサは、提供された前記３次元モデル及び提供された前記追跡情報に基づいて、予想される組織タイプを決定し、前記予想される組織タイプと提供された前記組織タイプ情報によって定義される組織タイプとが互いに一致するかどうかを決定し、前記組織タイプが一致しない場合は、不一致を示す信号を生成し、及び／又は、
    前記プロセッサは、検知された前記組織タイプも示すように前記仮想ビューを生成する、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記３次元モデルはリスクの構造も示し、前記プロセッサは、前記３次元モデルの複数の領域について、対応する領域と前記リスクの構造への距離に応じたリスク値を決定し、前記仮想ビュー内の前記複数の領域に決定した前記リスク値を示す、請求項１から１２のいずれか一項に記載のシステム。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載のシステムを制御するコンピュータ上で実行されると、前記システムに、骨組織内に貫通デバイスを配置する際にユーザを支援する方法を実行させるプログラムコード手段を含む、コンピュータプログラムであって、前記方法は、
    前記貫通デバイスの３次元姿勢を示す追跡情報を受信又は提供するステップと、
    前記骨組織の３次元モデルを受信又は提供するステップと、
    前記３次元モデルを通る経路を受信又は提供するステップと、
    受信又は提供された前記追跡情報、受信又は提供された前記３次元モデル、及び受信又は提供された前記経路に基づいて、受信又は提供された前記経路の方向における前記骨組織内の前記貫通デバイスの先端の視点からの仮想ビューを生成するステップと、
    を含み、
    前記仮想ビューは、前記骨組織内に前記貫通デバイスを配置している間に、前記ユーザが前記貫通デバイスを移動すべき方向を示すように生成され、
    前記仮想ビューは、前記骨組織内の仮想トンネルを示し、前記仮想トンネルは、前記３次元モデルによって提供される様々な骨組織タイプを表す、コンピュータプログラム。
15. 請求項１４に記載のコンピュータプログラムが格納されている、コンピュータ可読媒体。

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