JP3135068B2 - 患者の頭部に固定された基準ユニットを用いた医学的応用に使用される位置追跡及び画像生成システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、コンピュータで補助された外科手術に関
し、より詳細には、外科出術中に予め記録されたビジュ
アルイメージを表示するシステムに関する。

CAT（コンピュータ断層撮影）、MRI（磁気共鳴像）、
PET（陽子射出断層撮影法）などの現在利用可能な医学
的画像生成技術は、診断目的だけでなく、手術をアシス
トする目的でも有用であることが知られている。例え
ば、予め記憶された画像を外科手術中に表示することに
より、適切な患者の身体部分の基準写像を外科医に示す
ことができる。

画像表示システムとともに用いられる、医療器具の位
置をモニタする追跡システムの開発も進められている。
一般に、患者の体に対して外科医が医療器具を動かす
と、予め記録された関連画像が器具の動きに対応して表
示される。かかる追跡システムでは、医療器具に取り付
けられた感応型関節アーム（passive articulated ar
m）、光学的検出器、または超音波検出器のいずれかが
通常用いられる。

医療器具に取り付けられた感応型関節機械アームを用
いる追跡システムが、米国特許第5,186,174号及び第5,2
30,623号に開示されている。一般に、外科医が患者の体
に対して外科器具を動かすと、関節アームの各接合部に
設けられたマイクロレコーダが各アーム部材の移動量を
記録する。マイクロレコーダからの出力が処理され、こ
れにより関節アームの基部に対する医療器具の位置がモ
ニタされる。つづいて、この医療器具の動きに対応して
ひとつ以上の予め記録された画像が表示される。しかし
ながら、このような関節アーム型追跡システムでは、医
療器具を扱いにくい機械アームに取り付ける必要があ
る。また、理論的には、アーム先端部の三次元空間にお
ける自由な運動は可能かもしれないが、体内の特定位置
及び所望方向においては、外科医が器具の位置決めを行
うのが難しいこともある。

米国特許第5,230,623号に記載されるように、光学検
出器（ビデオカメラとCCDの少なくともいずれか）を用
いた追跡システムが、基準ユニットに対する医療器具の
位置をモニタするために提案されている。しかしなが
ら、かかるシステムでは、基準ユニットと医療器具の両
方がカメラに写っていることが要求される。このため
に、手術スタッフの動きが制限されるだけでなく、医療
器具の少なくとも一部が患者の体外に露出していること
が要求される。

超音波検出器を用いた追跡システムは、米国特許第5,
230,623号に開示されている。しかしながら、このシス
テムは、光学検出と同様の方法で、すなわち送信された
信号の三角測量法（triangulation）を使用することが
開示されている。ひとつ以上の送信器から関連する受信
器に信号が送られ、この信号の通った距離が、タイミン
グまたは振幅の変化のいずれかから求められる。ここで
も送信バスは、妨害されない状態で維持されなければな
らない。

上記各追跡システムに共通するさらなる問題は、手術
中に患者が動いてはいけないということである。患者は
一般的に麻酔をかけられることが多いが、それでもスタ
ッフが患者の体を意図せず動かしてしまうかもしれない
し、あるいはより適切な位置を求めて外科医が患者の体
を動かしたいかもしれない。ところが、この追跡システ
ムの始動後に患者の体が動くと、追跡に狂いが発生す
る。

したがって、上記の及び他の現存する装置に関する問
題を解決する、患者の体に対する医療器具の位置をモニ
タするシステムが要求される。

発明の概要 本発明は、患者の体に対する医療器具の位置をモニタ
し、体に関する複数の予め記録された画像の少なくとも
ひとつを、医療器具の位置に応じて表示するシステムに
関する。このシステムは、基準ユニット、遠隔ユニッ
ト、位置特性フィールド発生器、フィールドセンサ、位
置検出ユニット、及び出力ディスプレイを含む。

基準ユニットは、目的動作位置に関して実質的に不動
であるべく、患者の体の少なくとも一部の動きに対して
固定されている。遠隔ユニットは、医療器具に取り付け
られている。フィールド発生器は、基準ユニットまたは
遠隔ユニットの一方に関連づけられ、目的動作位置を含
む領域において、多重磁場などの位置特性磁場を発生す
る。フィールドセンサは、基準ユニットまたは遠隔ユニ
ットの他方に関連し、磁場の存在に反応して検知された
磁場を表すセンサ出力信号を発生する。

位置検出ユニットは、上記センサ出力信号を受信し、
基準ユニットに関する遠隔ユニットの位置を表す位置デ
ータを生成する。出力ディスプレイユニットは、位置検
出ユニットに接続され、前記位置データに対応して予め
記録された画像の少なくともひとつを表示する。

上記システムは、記憶ユニット及び前記位置データに
接続された編集登録ユニットをさらに含んでもよい。記
憶ユニットは、患者の体に関する予め記録された複数の
画像を記憶する。予め記録された各画像は、患者の体内
の平面領域を表し、これら複数の予め記録された画像に
よって表される複数の平面領域が第１の座標系を決定す
る。編集登録ユニットは、（位置検出ユニットによって
決定される）第２の座標系の位置データを、第１の座標
系で表される前記複数の予め記録された画像に相関さ
せ、患者の体に対する遠隔ユニットの位置に関連した所
望の画像を識別する。

本発明は、さらに、患者の頭部に取り付け可能な基準
ユニット、及び位置検出ユニットを取り外し可能に取り
付けることのできる、吸引器などの医療器具に関する。

図面の簡単な説明 以下に述べる本発明の詳細な説明は、添付の図面を参
照することにより、より明確に理解される。

図１は、本発明の一実施形態によるシステムの概略図
である。

図２は、図１に示されるヘッドセットユニットの正面
図である。

図３は、図１に示されるヘッドセットユニットを、図
２の線３−３から見た側面図である。

図４は、図１に示されるヘッドセットユニットの一部
を、図３の線４−４からみた背面図である。

図５は、図１に示される手術器具と遠隔センサ開の分
解側面図である。

図６は、図１に示される組み立てられた状態の手術器
具とセンサを、図５の線６−６から見た端面図である。

図７は、本発明の別の実施形態にかかる手術器具及び
センサユニットの側面図である。

図８は、図７に示した手術器具の側面図である。

図９は、図７に示した手術器具の端面図である。

図10は、図７に示した手術器具の上面図である。

図11は、図７から図10に示した手術器具に用いられる
遠隔センサユニットの平面図である。

図12は、図７及び図11に示した取り外し可能な遠隔セ
ンサユニットを備えた別の手術器具の側面図である。

図13は、本発明のシステムに用いられるCT画像を予め
記録するために用いられるシステムの概略図である。

図14は、本発明の手動編集登録プロセスを概略的に示
す図である。

図15は、本発明の一実施形態による基準マークシステ
ム（fiducial marker system）の要素を示す立面図であ
る。

図16は、図15に示したシステムの要素を線16−16から
見た平面図である。

図17は、図15に示した基準マークシステムを用いるプ
ロセスのフローチャートである。

図18は、本発明の別の実施形態によるヘッドセットユ
ニットの側面図である。

図19は、図18に示したヘッドセットユニットを線19−
19から見た端面図である。

図20は、図18に示したヘッドセットに用いられる送信
器（トランスミッタ）の平面図である。

図21は、図19に示したヘッドセットの一部を線21−21
から見た部分図である。

図22は、本発明による自動編集登録プロセスを表すフ
ローチャートである。

図23は、本発明のシステムによる位置検出要素の概略
図である。

図24及び図25は、本発明の一実施形態による誤差検出
算出プロセスの原理を示す概略図である。

図26及び図27は、図24及び図25のプロセスによって検
出された誤差を示す概略図である。

図28は、本発明の別の実施形態を示す概略図である。

図29から図32は、本発明のさらに別の実施形態を示す
概略図である。

実施の詳細な説明 図１に示されるように、本発明によるシステム10は、
患者14に装着されたヘッドセット12,医療器具16,制御シ
ステム18及びディスプレイ20を含む。制御システム18
は、位置検出ユニット22,編集登録ユニット24,及び画像
記憶ユニット26を含む。

画像記憶ユニット26は、CAT,MRIまたはPETによる走査
画像など、予め記録された画像の組を記憶する。各組の
画像は、たとえば、正面（coronal）方向、横方向（sag
ittal）方向、または体軸（axial）方向に沿って撮影さ
れ得る。図１に示されるように、ディスプレイ20には、
３つの画像、すなわち正面方向画像21a、横方向画像21
b、体軸方向画像21cが示されている。さらに、図１の21
dに示されるようにテキスト情報を表示することもでき
る。

図２から図４にさらに示されるように、ヘッドセット
12は、その両側面部材30に２つのイヤーマウント28を、
中央部材34にノーズブリッジマウント32を含む。ヘッド
セット12は、患者の頭部に快適に取り付けられるように
可撓性のあるプラスチックでできていなければならな
い。また、様々な大きさに形成してもよい。このヘッド
セットの主たる目的は、患者の頭部に簡単に着脱可能な
基準ユニットを提供することであり、この場合、かなり
の正確さで、ヘッドセットをちょうど同じ位置に繰り返
し再装着することができる。別の実施形態においては、
ヘッドセット12の側面部材対30を回転自在に互いに取り
付け、イヤーマウント対28を互いの方向に傾けてもよ
い。さらに、中央部材34を、両側面部材30に対して回転
自在にし、同様にイヤーマウント28の方向に傾けること
もできる。

図１から図４に示されるヘッドセット12は、さらに、
接続ケーブル38を介して位置検出ユニット22に接続され
た基準ユニット36を含む。基準ユニット36は、従来のク
ランプ手段または固定手段によって、取り外し自在にヘ
ッドセット12に取り付けることができる。一実施形態に
おいては、基準ユニット36は、三次元において多方向フ
ィールド（multidirectional field）を発生することの
できる位置特性フィールド発生器を含んでもよく、電磁
波または超音波を用いることができる。位置特性フィー
ルドは、送受信三角測量法システムとは幾分異なる。こ
れは、位置特性フィールドが、三角測量法のように、一
つの送信信号と別の送信信号の比較に依存しないためで
ある。これにより、フィールド発生器と遠隔センサとの
あいだのパスを、発生されたフィールドを実質的に変え
ない物質によって遮断することができる。例えば、磁場
が発生された場合には、医療器具が患者の体内にあった
としてもその器具の位置を識別することができる。ま
た、基準ユニットは、適切なシステム操作の確認のため
に、基準センサ37をさらに含んでもよい。

本実施形態においては、フィールド発生器は、直交配
置された３つの磁気双極子（three orthogonally dispo
sed magnetic dipoles）（例えば、電流波腹点または電
磁石）を含み、これら３つの双極子のそれぞれから発生
した直交配置された磁場は、（例えば、相、周波数、時
分割多重方式のいずれかによって）互いに識別が可能で
ある。例えば、米国特許第4,054,881号に記載されるよ
うに、多重磁場の近距離場特性を利用して位置検出を行
うこともできる。別の実施形態では、フィールド発生器
をヘッドセット以外の場所に設け、ヘッドセットが２つ
のフィールドセンサ36及び37を含んでもよい。２つのセ
ンサ36と37のあいだの距離がわかっていれば、システム
の適切な操作をモニタするためのバックアップまたは基
準チェックとして第２センサを用いることができる。検
知されたフィールドが不一致の場合、エラー信号が表さ
れるか、警告が行われる。

別の実施形態では、ヘッドセット12を、信号の三角測
量法に基づくシステムにおいて用いることもできる。こ
の場合、基準ユニット36は、一つ以上の信号送信器と信
号受信器の少なくともいずれかを含む。かかる三角測量
法システムでは、送信された一つの信号のある特性を第
２の送信信号の特性と比較して、信号の送られた相対距
離を求めることにより位置検出が行われる。送信される
信号は、電磁信号（例えば、電磁波、レーザー光、また
は発光ダイオード）でもよいし、または超音波信号でも
よい。このようにして、手術器具に対する患者の頭部の
位置をモニタすることができる。

図５及び図６に示されるように、医療器具16は、例え
ば、位置特性フィールド発生器によって発生されたフィ
ールドを検出するための遠隔センサ40が取り外し可能に
装着できる吸引器でもよい。センサ40は、押し込み装着
できる大きさにすることで、または壁開口42に弾力性の
あるスナップ部材を用いることにより器具16の内部に保
持できる。吸引器は、ほとんどの外科手術で共通して使
用されるため、遠隔センサを吸引器に組み込むことによ
り、不必要な器具によって手術場所を塞ぐことのない便
利な位置検出装置を外科医に提供できる。器具16は、セ
ンサ37に関連してすでに説明したようなシステムエラー
の検出のために、第２のバックアップフィールドセンサ
41を含んでもよい。

遠隔センサ40,41は吸引器から取り外すことができ、
特別に適合された種種の手術器具のいずれにも交換自在
に取り付けることができる。例示された実施形態では、
遠隔センサ40,41は器具16の基端部に設けられた開口42
から挿入され、接続ケーブル44を介して位置検出ユニッ
ト22に接続される。各センサ40,41は、フィールド発生
器によって発生されたフィールドの存在を検出するため
に、直交して配置された３つの双極子検知素子を含んで
もよい。例えば、一実施形態においては、フィールド発
生器とセンサのそれぞれが、直交して配置された３つの
電流ワイヤループを含む。発生器は、一度に一つの発生
ループを通る交流電流を発生し、時分割多重化交流電磁
場を発生する。センサループ信号のそれぞれが発生ルー
プと同期して処理され、各交流電磁場に対応する出力が
生成される。

器具16の末端部は、外方向に張り出した先端48を有す
る剛性の吸入管46を含む。遠隔センサ40の中心に対する
先端48の位置は既知の一定距離にあり、手術中、外科医
はこれを簡単に見ることができる。吸入管46からは、内
部チャネル52及び接続子54を介して器具16の基端部を通
り、吸入カテーテル50まで流体が流れる。吸入カテーテ
ル50（図１参照）は、真空吸入ユニット（図示せず）に
接続されている。

次に動作について説明する。位置検出ユニットは基準
ユニット36に対する医療器具16の位置をモニタする。編
集登録ユニット24は、器具16の位置の変化を記憶された
画像の空間的方位に相関させる。外科医が医療器具16を
移動させると、医療器具16の位置に対応した画像がディ
スプレイ20に現れる。こうして、器具16の先端48が患者
14の体内にあるかどうかに関わらず、外科医は、この先
端48の正確な位置に関連した正面方向、横方向及び体軸
方向の画像を常に見ることができる。さらに、フィール
ド発生器の患者の頭部に取り付けられているので、患者
は、システムの追跡能力を損なうことなく自由に動くこ
とができる。ディスプレイ20は、図１において56で示さ
れるように、表示された各画像上で先端48の位置をさら
に示してもよい。別の実施形態では、吸入管46の方向
も、表示された画像上に識別表示することができる。さ
らに別の実施形態では、予め記録された画像に基づき、
三次元合成画像を表示することもできる。

図７から図11に示されるように、取り外し可能な遠隔
センサユニット58の別の実施形態を、吸入器60に用いて
もよい。２つのセンサ62,64を含むセンサユニット58
は、センサユニット58に設けられた第１係合穴対66と、
器具60に設けられたフィンガ対68とにより、取り外し可
能に器具60に取り付けることができる。次に、ユニット
58の縁部（tounge）70を器具60のヒンジポスト対72の間
に嵌入し、ロック74を図８に示される開位置から図７に
示される閉位置に回転させることによりセンサユニット
58が適所に固定される。ロック74は窪んだ領域76を含
み、ここに、センサユニット58の縁部70が摩擦係合す
る。

センサユニット58は、さらに、複数の医療器具のうち
のどれが取り付けられているかを識別できる。具体的に
は、ユニット58は複数のホール効果トランジスタ78を含
み、医療器具60は小型の永久磁石80を含んでいる。磁石
80の数または配置の一方または両方により、トランジス
タ78は、センサユニット58に取り付けられている医療器
具を識別する。

例えば、すべてのトランジスタ78が磁石80の存在を検
知した場合には、３つの磁石を含んでいることから、図
７から図11に示される器具60がセンサユニット58に取り
付けられていることになる。２つの磁石82だけが検知さ
れた場合は、センサユニット58に取り付けられた医療器
具は、図12に示すような別の器具84である。磁石が一つ
も検知されなければ、センサユニット58はどの医療器具
にも取り付けられていないことになる。取り付けられて
いる医療器具が識別できることによって、システムは位
置検出ユニットを自動的に調節し、様々な医療器具に対
し、センサ62及び64の位置に関する器具先端位置の誤差
を補償することができる。着脱自在に係合可能な特性に
より、センサユニットの使用範囲が広がるだけでなく、
滅菌された医療装置の使用が簡単になる。

図13及び図14に示されるように、編集登録プロセスは
次の２つの基本ステップを含む。１）所定方向の走査画
像を記録するステップと、２）位置検出システムの空間
方向を、記録された画像にマップするステップである。
例えば、予め記録された画像の方向は、図13に示される
ように、正面方向（ｉ−ｊ平面）、横方向（ｋ−ｊ平
面）、体軸方向（ｋ−ｉ平面）の少なくともいずれかに
することができる。これらの画像はディジタルで記憶す
ることができ、各走査画像間の距離が各画像の組の相対
方向と同様に記録される。別の実施形態においては、正
面方向、横方向、体軸方向の各画像を予め記録すること
なく、特定の画像を別の画像から生成できることが当業
者には理解される。例えば、多平面リフォーマッティン
グによって、体軸方向画像から横方向及び正面方向の画
像が生成できる。

一実施形態においては、スキャナ92による走査に先立
ち、複数の基準マーカ（fiducial markers）90が患者の
頭部14に設置される。マーカは、走査画像に現れ、図14
に示されるように位置検出システムによって位置づける
ことができる。具体的には、各マーカ90が、例えば医療
器具16の先端48を用いて順次連続的に配置される場合、
ユーザは、例えばコンピュータマウスを用いて、予め記
録された画像上に同じマーカを位置決め記憶させる。そ
して、ユーザは、コンピュータキーボード94,マウス、
フットスイッチのいずれかによって入力される編集登録
データを制御する。別の実施形態においては、編集登録
ユニットは、予め記録された各ディジタル画像を、一つ
のコーナーから識別されたマーカの位置まで走査しても
よい。

走査画像の記録に先立って、患者の体（例えば顔）に
置かれる基準マーカを使用するさらに別の実施形態で
は、図15及び図16に示されるように、基準マーカ90′を
中間接着片91に接着してもよい。そして、この中間接着
片91が患者の皮膚93に直接接着される。

基準マーカ90′は放射線不透過素子95を含み、接着片
91は、小さい貫通穴または別のマーカ97を含む。図17を
参照すると、基準マーカ90′を用いるプロセスは、ステ
ップ1700において始まり、まず、患者の皮膚に接着片91
が貼り付けられる（ステップ1702）。次に、放射線不透
過素子95が接着片91のマーカ97の位置に合うように、基
準マーカ90′を接着片91上に置く（ステップ1704）。続
いて、走査画像が記録される（ステップ1706）。その
後、基準マーカ90′は患者からはがしてもよい（ステッ
プ1708）。手動編集登録中、外科医または技師は、ポイ
ンタの先端でマーカ97の位置決めをし（ステップ171
0）、送信器に対する基準マーカの放射線不透過素子95
の位置を記録することができる。中間接着片91を使用す
ることにより、画像走査後及び手術前において患者の快
適性が増すだけでなく、正確な編集登録も容易に行える
ようになる。放射線不透過素子95はマーカ90′の上部に
直接その中心に置かれていたので、ユーザは、ポインタ
の先端でより大きい放射線不透過素子95の一部を不正確
に位置決めするのではなく、小さいマーカ90′を配置す
ることができ、編集登録の正確性が高まる。

位置検出ユニットを用いて各マーカが位置決めされる
と、編集登録ユニットはマッピング関数を生成して、位
置検出データ（ｘ−ｙ−ｚ座標）を、記憶された画像方
向データ（ｉ−ｊ−ｋ座標）に変換する。特に、下記の
ように、パウエルの方法を用いてマッピング式が求めら
れる。

各画像点が、下記の形のマトリクスとして処理され、 集められた各センサ点が次の形のマトリクスとして処理
される。

コンピュータ演算器は、次の変換マトリクス の最適値を対話的に計算し、次式を解く。

これにより、（i_c−i_i）^２＋（j_c−j_i）^２＋（k_c−
k_i）^２は集められたすべての画像点の合計の最小値とな
る。最適な方法では、距離の最小化が用いられ、少なく
とも３つの画像点がこの方法に必要である。

変換マトリクスの最適値は変換式を含み、この最適値
を用いて、ｘ−ｙ−ｚ座標系で表される送信器に対する
医療器具の位置を、ｉ−ｊ−ｋ座標系で表される予め記
録された画像の適当な方向に変換することができる。

本発明のヘッドセットの別の実施形態を、自動編集登
録プロセスに用いることができる。例えば、図18及び図
19に示されるように、本発明の別の実施形態によるヘッ
ドセット100は、図２から図４に関連してすでに説明し
たように、２つのイヤーマウント28,側面部材対30,中央
部材34に設けられたノーズブリッジマウント32を含む。
ヘッドセット100は、中央部材34上に中央プレート102を
さらに含む。中央プレート102は、図19において破線で
示される送信器104を取り付けるようになっている。送
信器104は、図21においては、プレート102の下部から見
た図として示されている。送信器104は、２つのポスト1
06,及びピン110を中心に自由に回転するキー108を含
む。

送信器104を中央プレート102に取り付けるには、プレ
ート102に設けられた長穴112にキーを通過させ、各ポス
ト106をポスト開口114に挿入する。ポスト開口114の一
方は、好ましくはスロット形状に形成され、送信器をぴ
ったりと取り付けると同時に、製造時の公差によるヘッ
ドセット間のばらつきに適応できるようにしている。つ
づいて、キー108が回転されて、プレート102の外表面上
に送信器がロックされる。送信器104は、取り外して、
さらに同一のヘッドセットの同じ位置に非常に正確に再
装着することができる。

ヘッドセット100は、図18に示されるように、中央プ
レート102内部に固定された、非常に小さい（例えば直
径約2mm）の金属基準ボール群116をさらに含んでいる。
自動編集登録プロセスにより、これらのボール116は予
め記録された走査画像上に配置され、ボール116と送信
器104との空間関係がわかると、送信器の座標系から画
像の座標系への変換を行うマッピング関数が自動的に生
成される。

図22を参照しながら具体的に説明する。自動編集登録
プロセスが開始される（ステップ2200）と、予め記録さ
れた画像をロードし（ステップ2202）、三次元のデータ
セットを生成する（ステップ2204）。次に、特定範囲内
の強度を有する画素を識別し（ステップ2206）、隣接す
る画素のグループを形成して（ステップ2208）、これを
単一グループとして分類する。各画素のボリューム（大
きさ）を計算し（ステップ2210）、所定のボリューム範
囲内にないグループを除去する（ステップ2212）。さら
に、少なくとも特定強度レベルの画素を最低一つ持たな
いグループを除去する（ステップ2214）。ここで、残っ
たグループの数が基準ボール116の数（例えば７）以下
であれば（ステップ2216）、自動編集登録に失敗したこ
ととなりプログラムが終了する（ステップ2218及び222
0）。

次に、各画素グループの中心を決定し、各グループの
中心間の距離を計算して少なくとも7x7のマトリクスで
これを記録する（ステップ2222）。基準ボール間の既知
の距離は、所定の7x7マトリクスである。この既知の距
離のそれぞれが、基準ボール間の様々な所定距離と比較
されて、距離の組間の相関の最適近似値が生成される
（ステップ2224）。この距離相関により所定の許容差外
の近似値が得られた場合（ステップ2226）、変換マトリ
クスの自動生成に失敗したことになり、プログラムが終
了する（ステップ2218及び2220）。一方、距離相関が許
容差の範囲内にあり、７つのグループが存在すれば（ス
テップ2228）、画像データは画像マトリクスに記録され
る（ステップ2230）。グループ数が７以上であれば、グ
ループのジオメトリを基準ボールの既知のジオメトリに
比較するジオメトリ相関を行う（ステップ2232）。ジオ
メトリの相関が成功すると（ステップ2234）、変換マト
リクスは記録される（ステップ2230）。ジオメトリ相関
が成功しなければ、エラーが報告される（ステップ221
8）。

画像点マトリクスが生成される（ステップ2230）と、
また、センサ点マトリクスは送信器に対する基準マーカ
の既知のレイアウトに基づくということからも、上述の
ようにパウエルの方法を参照してマッピング式を自動的
に生成できる。

走査画像を記録する時に患者が基準装置を装着してい
る場合の他の実施形態では、基準プログラムによって、
走査画像上に基準ユニット自体の部分が自動的に位置決
めされ、これにより走査画像に対する基準ユニットの方
向を識別することができる。ここでも、基準ユニットに
対するフィールド発生器の相対的な方向がわかっている
ので、編集登録ユニットは適当なマッピング関数を生成
することができる。さらに別の実施形態においては、順
方向にバイアスをかけられるレーザ光ポインタまたは可
動チップポインタなどによって、患者の皮膚の表面をた
どることができる。そして、たどられた表面を、記憶さ
れた画面上に位置づけることができる。さらに別の実施
形態では、患者の体の特徴的構造または特徴を識別する
ように編集登録ユニットをプログラミングすることによ
り、完全な自動編集登録を提供することができる。例え
ば、ヘッドセットの大きさ及び形状がわかっていれば、
それが予め記録された画像上に現れていなくても、シス
テムはヘッドセットが患者の頭のどこに置かれているか
を識別することができる。

位置検出システムは、発生されたフィールド内のいか
なる位置においても位置検出が行えるような、フィール
ド発生に適したいかなる所望の原理によっても動作可能
である。例えば、バーモント州コルチェスタの法人組織
であるPolhemus社販売の製品である3Space（登録商標）
（Fastrak）（商標名）が、本発明での使用に適した原
理によって動作することが知られている。この製品は、
送信器とセンサの両方に、直交配置された３つの磁気双
極子を使用し、時分割多重化された８〜14kHzの交流電
磁場を生成する。

具体的には、図23に示すように、磁場ソース101と磁
場センサ103とはどちらも３本の互いに直交するように
配置されたコイルを含む。増幅器105からの交流電流は
ソースの各コイルを一度に一本ずつ通過して、連続磁場
を発生する。処理装置107はタイミング信号を発生してD
/A変換器109を制御する。発生した磁場はセンサ103の３
本のコイルに電圧を誘導する。誘導された電圧は増幅器
111で増幅され、A/D変換器113でデジタル化されて、処
理装置107で処理される。

磁場ソースの３本のコイルの励起が時分割多重化され
ているため、ソースの磁界全体を通して独特な連続磁場
が形成される。形成される磁場のすべての位置につい
て、センサの３本のコイル上に存在するデータから自由
度６のデータが計算できる。その後、自由度６の情報は
ホストコンピュータ115へ送られる。

基準座標枠（X,Y,Z）を定義するフィールド発生器に
対するセンサＳの位置は、所定の時間に例えば3Space
（登録商標）Fastrak（商標）製品によって６つの値、
すなわちx_s,y_s,z_s,およびω_azs,ω_els,ω_rosからなる組
として求められる。値x_s,y_s,z_sはX,Y,Z基準座標枠にお
けるセンサ中心位置を示す。また角度ω_azs,ω_els,ω
_rosはX,Y,Z基準座標枠に対するセンサＳの配向を示す。

ω_azs値はセンサの方位角を示す。方位角はＸ軸およ
びＹ軸をＺ軸を中心に回転させてＸ軸がＺ軸方向にセン
サ中心と整列する新位置へ移動した場合の回転量を表
す。Ｘ軸およびＹ軸の新たな位置はそれぞれＸ′,Y′と
表す。

ω_els値はセンサの仰角を示す。仰角はＸ′軸および
Ｚ軸をＹ′軸を中心に回転させてＸ′軸がセンサＳの中
心と整列する新位置へ移動した場合の回転量を表す。
Ｘ′軸およびＺ軸の新たな位置はそれぞれＸ″,Z′と表
す。

ω_ros値はセンサの横揺れ角を示す。横揺れ角はＹ′
軸およびＺ′軸をＸ″軸を中心に回転させてそれぞれ新
たな軸、つまりＹ″軸およびＺ″軸を定義する新しい位
置へ移動した場合の回転量を表す。センサはＸ″,Y″,
Z″基準枠中で配向され、値ω_azs,ω_els,およびω_rosで
定義される。

センサデータの全電力は、ソースからセンサまでの距
離に反比例する。各ソースコイルによって作られるセン
サデータ成分間のレシオは、そのセンサのx,y,z座標位
置を決定する。各センサコイルデータ間のレシオはセン
サの配向を決定する。

医療器具は送信器に対して自由に移動でき、その速度
は電子情報処理速度を上回る場合があるため、医療器具
の移動速度の監視が必要である。移動速度が所定速度を
上回る場合は、センサの読みが矛盾しても速度がしきい
値を下回るまで無視しなければならない。速度監視は、
連続した時間間隔t₁,t₂でのx,y,およびｚ座標それぞれ
の差の重みづけした和を計算して行うことができる。

磁場ソースから発生する本来の磁場の大きさ／方向
は、別の磁場ソースからの信号、導電体中の渦電流の磁
場、または強磁性体のフィールド歪曲効果によって変化
する。この変化によりセンサの位置／配向にエラーが生
じる。

図１から図３を参照して、フィールドの適正度検知を
含む好適な実施形態では、基準センサ37は送信器アセン
ブリ12上で送信器36の中心から一定距離のところに固定
して設置される。この基準センサの位置および配向は、
制御条件下でキャリブレーション工程によって求め、そ
の後、継続して計算および確認を行わなければならな
い。ある実施形態では、センサ出力の６つのパラメー
タ、すなわちx_s,y_s,z_s,ω_azs,ω_els,およびω_rosの重み
づけした和をフィールドの適正度調整の指標として継続
して監視してもよい。

また図７から図12を参照して説明したように、遠隔セ
ンサ58は複数のセンサ（62、64）を含んでもよく、エラ
ー検出のためにこれらセンサの出力の比較を行う。この
ようなシステムによって検出可能なエラー状態には、セ
ンサの１つが適正に動作できなくなるセンサの故障や、
医療器具のある領域中の不均一な局所的磁場のひずみな
どがある。

また、起こりうるあらゆるタイプのエラー状態を特定
するには、単にセンサ出力を比較するだけではたとえセ
ンサ間の距離を考慮したとしても不十分な場合もあるこ
とがわかっている。検出不能が考えられるエラー状態
は、強磁性体の異物が電磁場に侵入し、各センサにおい
て同一のひずみを生じる場合に起こりうる。例えば、異
物が均一な強磁性特性を持つ場合、異物が同距離から同
速度で２つのセンサに近づく場合、またセンサ群が磁場
発生器から等距離にある場合などが考えられる。

このような状況ではセンサ出力が同一となるため、電
磁場に異物が侵入して電磁場および検知した位置データ
を変更していたとしても、エラー検出信号が発生されな
い場合がある。追加センサを用いればこのような状況の
発生する危険性を低減できるかもしれないが、エラー状
態が検出されない可能性をなくすことはできない。

医療器具またはヘッドセットのある領域中での局所的
な均一なひずみをつきとめられるエラー検出システムを
設計するには、図７から図12に示すように一定距離だけ
離した２つのセンサを使用し、２つ以上の仮想点の位置
をモニタできるようにする。図25に示すように、センサ
S₁とS₂とは距離2dだけ離れており、かつ便宜上、例えば
図示するようにＹ軸上に位置決めされる。センサS₁およ
びS₂は、各々がその面中に位置するＸ−Ｚ面をそれぞれ
一意に定義する。図25に示すように、第一の仮想点V_aは
これらセンサによって定義されるＸ−Ｚ面群の間に選択
する。また第二の仮想点V_bはこれらＸ−Ｚ面群の外側に
選択する。V_aおよびV_bの位置は仮想位置であり、継続し
て計算され工場規格位置と比較されるものである。

図24および図25に図式的に示す実施形態では、仮想点
V_a（S₂に対して−d,−d,−ｄ）およびV_b（S₂に対してd,
d,d）はS₂から等距離のところに位置する。センサS₂は
この実施形態では保護センサであり、センサS₁はS₂用に
エラー検出を行う基準センサとして用いる。得られるS₂
からV_aまでのベクトルはS₂からV_bまでのベクトルと大き
さは同じだが方向が逆である。このベクトルの大きさは
S₁−S₂間の距離のほぼ半分に等しい。

次に基準座標系（つまりS₁に対する座標系）でのV_aと
V_bの位置を計算してV_a1とV_b1とする。そして基準センサ
に対する保護センサ（S₁）の位置（PS）および配向を求
める。保護センサの配向を示す値から姿勢マトリクス
（Ａ）を計算する。

これにより仮想点の位置は次のように計算される。

V_a1＝Ａ・V_a2＋PS V_b1＝Ａ・V_b2＋PS 基準センサ座標系における仮想点の位置の基準値を求
めるには、工場でのキャリブレーション時にひずみのな
い環境で測定を行う。こうして記憶された基準値はV_ae
およびV_beで表す。装置使用時には、仮想点の実際の測
定値（V_am,V_bm）を記憶した基準値（V_ae,V_be）と比較す
る。もし仮想点のいずれか一方の確定位置と測定位置と
の距離（Δ）が現在値（ε）を上回れば、フィールド適
正度の侵害メッセージが表示され、システムの通常動作
が一時停止する。つまり図26を参照して次のような場合
である。

|V_a1m−V_a1e|＞εまたは|V_b1m−V_b1e|＞ε 動作の一部は次のような原則に基づいて行われる。す
なわち、一方の仮想点で位置エラーが配向エラー分だけ
減じられると、他方の仮想点ではエラーが増大してフィ
ールド適正度侵害メッセージを発生させる。例えば、保
護センサの測定位置および配向に誤りがあると、測定値
によって確定値にエラーが加えられる。この場合、フィ
ールド適正度の検査は次のように行われる。

｜（（A_e＋Ａ_ｍΔ）・v_a2＋PS_e＋PS_ｍΔ） −｜（A_e・v_a2＋PS_e）｜＞ε または ｜（（A_e＋Ａ_ｍΔ）・v_b2＋PS_e＋PS_ｍΔ） −｜（A_e・v_b2＋PS_e）｜＞ε これは次の式に等しい |A_ｍΔ・v_a2＋PS_ｍΔ｜＞ε または |A_ｍΔ・v_b2＋PS_ｍΔ｜＞ε ただし以下を代入する Ａ_ｍΔ・v_a2＝OPS_amΔかつＡ_ｍΔ・v_b2＝OPS_bmΔ 図27に上記の関係を図式的に示す。医療器具の先端位置
はまず保護センサ（S₂）に対して定義され、それをソー
スに対する先端位置の決定に使用する。

フィールド発生器によって発生するフィールドの適正
度をモニタするには、上述のように基準センサをフィー
ルド発生器から一定距離のところに位置決めし、かつそ
の位置を継続してモニタして変化を監視する。２つのセ
ンサS₁およびS₂に関するこのフィールド適正度検出分析
に含まれる計算は、一送信器および単一センサのフィー
ルド適正度検出システムについて行われる。具体的に
は、保護センサ（S₂）にフィールド送信器を用い、基準
センサ（S₁）に単一センサを用いて計算を行う。このよ
うなフィールド適正度分析は動作環境の半フィールドの
特定に用いることもできる。

図28に本発明の他の実施形態を示す。フィールド発生
器122を備える基準ユニット120は患者の体の一部（例え
ば頭部）から少し離れて関節アーム124上に位置決めで
きる。図１から図６を参照して先に説明したように、基
準センサ126を備えるヘッドセット12は患者の体に装着
し、医療器具16は遠隔センサ40を備えられる。フィール
ド発生器122は、好誼な位置に配置した後、関節付きの
アームのジョイントを固定して定位置に固定できる。こ
うしてフィールド発生器と患者との相対位置がモニタさ
れる。同時に医療器具16と患者との相対位置も求めら
れ、これによりシステムは、次に説明するように予め記
録した画像から適当な画像を表示する。

様々な実施形態において、フィールド発生器122の位
置は外科手術時には関節付きジョイントを動かして調節
できる。遠隔センサ40と基準センサ126との相対位置が
変わらなければ、フィールド発生器122を移動させても
位置検出システムには影響しない。システムの精度がフ
ィールド発生器122とセンサ40との相対位置に完全に依
存する場合は、手術時にはフィールド発生器122を移動
させるのが望ましい。これは例えば、システムが多重化
フィールドのフィールド近傍特性に依存しており、セン
サ40と126とをフィールド発生器122からほぼ等距離に位
置決めするのが望ましい場合などである。別の実施形態
では、システムはディスプレイ上の視覚的キューなどに
よってユーザに定期的にフィールド発生器122を配置変
えを指示する。フィールド発生器と１つ以上のフィール
ドセンサとの相対位置はここに示すものだけに限らない
ことは当業者には理解できるはずである。

患者の位置の監視は、ヘッドセットまたは基準センサ
以外の手段で行うことができる。例えば図29に示すよう
に、画像プロセッサ130に接続したカメラ128を配置し
て、患者の目標手術部位に対するフィールド発生器の位
置を記録するようにしてもよい。患者またはフィールド
発生器が移動すると、画像プロセッサ130は位置の相対
的変化量を求め、それを位置検出ユニット22に知らせ
る。また別の実施形態では、様々な方向から患者を観察
できるように追加のカメラを設置してもよい。

図30に示す他の実施形態では、システムは患者の体14
の一部（頭部や胸部など）への固定用に可とう性のある
バンド132を含んでもよい。バンド132はフィールド発生
器134と基準センサ136とを備え、位置検出ユニット22の
信号発生器へフィードバックを与える。位置検出ユニッ
ト22は通信ケーブル138によって可とう性のあるバンド1
32へ接続され、また通信ケーブル140によって可とう性
のある医療器具142へ接続される。医療器具142の先端14
4には遠隔センサが取り付けられる。医療器具142は剛性
ではないので、センサは器具142の先端に十分近づけて
設置し、患者の体内で正確に位置検出およびモニタがで
きるようにしなければならない。ディスプレイ20は図示
するように１つ以上の画像上で器具142の相対的な配向
を示す。

図31および図32に示すシステムは、末端部154にセン
サ152を有する可とう性のある医療器具150と、末端部16
0にセンサ158を有する光ファイバ内視鏡156とを含む。
光ファイバ内視鏡156の近端部はカメラ162に接続され、
カメラ162は画像プロセッサ164とつながっている。基準
バンド132上のフィールド発生器134は患者の呼吸などに
よって移動する可能性があるため、実際に医療器具150
は動いていなくても遠隔センサ152の位置が移動したよ
うに見える場合がある。

この問題を解決するために、図示するように光ファイ
バ内視鏡156を用いて、患者の体内での器具150の末端部
154の相対位置をモニタすることができる。従って、フ
ィールド発生器134に対するセンサ152の移動の検知は、
患者の体内での末端部154の相対位置の移動を参照して
評価される。もしカメラが末端部154の移動を観察しな
いのに、センサ152が移動を検知すれば、システムはそ
の移動はフィールド発生器の移動であってセンサ152の
移動ではないと判定する。その後、システムはこのよう
な変化を訂正する。さらに、光ファイバ内視鏡156自体
も光ファイバの末端部160が動いたかどうかを検知する
センサ158を含んでもよい。これにより訂正システムの
精度をさらに向上できる。また、カメラ162は患者の体
の内部構造に基づいて予め記録した画像を、継続して編
集登録できるようにしてもよい。

上記の様々な実施形態は、本発明の精神および範囲内
で多様に変更および修正可能であることを当業者は理解
すると考える。

フロントページの続き (72)発明者 ティーマン ジェイムズ エス アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 ウォータータウン ハーン ストリート ９エー (56)参考文献 特開 平３−267054（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−94639（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−240851（ＪＰ，Ａ) 特表 平８−509144（ＪＰ，Ａ) 米国特許5309913（ＵＳ，Ａ) 米国特許4256112（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 17/00 - 19/00 A61M 25/00

Claims (20)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】患者の頭部に対する医療器具の位置を監視
   するシステムであって、 三次元位置特性フィールドに接続された基準ユニットで
   あって、前記基準ユニットに対する医療器具の位置を監
   視する基準ユニットと、 基準ユニット設置手段と、ヘッドセット装着手段とを含
   むヘッドセットであって、前記基準ユニット設置手段
   は、前記基準ユニットを前記ヘッドセットに設置し、前
   記ヘッドセット装着手段は、前記システムの追跡能力を
   損なうことなく患者の頭部が前記基準ユニットと共に自
   由に移動できるように前記ヘッドセットを患者の頭部に
   装着するヘッドセットと、 を含むシステム。
2. 【請求項２】請求の範囲１に記載のシステムにおいて、
   前記基準ユニット設置手段は、前記基準ユニットを前記
   ヘッドセットに着脱可能に取り付ける手段を含むことを
   特徴とするシステム。
3. 【請求項３】請求の範囲２に記載のシステムにおいて、
   前記基準ユニットをヘッドセットに着脱可能に取り付け
   る手段は、ヘッドセット上における基準ユニットの位置
   を特定するためのキー付きインターフェースを基準ユニ
   ットとヘッドセットの間に有し、前記基準ユニットをヘ
   ッドセット上にロックするロック手段を含むことを特徴
   とするシステム。
4. 【請求項４】請求の範囲１に記載のシステムにおいて、
   前記ヘッドセット装着手段は、患者の鼻に接触するノー
   ズブリッジ装着要素と、 患者の各耳に接触する２つのイヤー装着要素とを含み、 前記ノーズブリッジ及びイヤー装着要素は互いに向き合
   う方向の力で共に作用して前記ヘッドセットを患者の頭
   部に固定することを特徴とするシステム。
5. 【請求項５】請求の範囲４に記載のシステムにおいて、
   前記ノーズ及びイヤー装着要素のそれぞれは、３つの長
   い装着用アームのいずれか一つの末端部に取り付けら
   れ、前記装着用アームの近端部は互いに接続されている
   ことを特徴とするシステム。
6. 【請求項６】請求の範囲５に記載のシステムにおいて、
   前記３つの長い装着用アームはそれぞれプラスチックで
   できていることを特徴とするシステム。
7. 【請求項７】請求の範囲４に記載のシステムにおいて、
   前記ヘッドセットは、前記イヤー装着要素の間に延び、
   これらのイヤー装着要素のほぼ中央に中央部を有する長
   く延びた第１部材と、前記第１部材の中央部から前記ノ
   ーズブリッジ装着要素まで延びた第２部材とをさらに含
   むことを特徴とするシステム。
8. 【請求項８】請求の範囲７に記載のシステムにおいて、
   前記基準ユニット設置手段は、前記第２部材上におい
   て、前記ノーズブリッジ装着手段と前記第１部材の中央
   部との間に位置する平坦表面を含むことを特徴とするシ
   ステム。
9. 【請求項９】請求項７に記載のシステムにおいて、前記
   第１及び第２部材のそれぞれは構造的に弾性のある材料
   で形成され、患者の複数の頭部サイズに適応できること
   を特徴とするシステム。
10. 【請求項１０】請求項９に記載のシステムにおいて、前
    記構造的に弾性のある材料はプラスチックであることを
    特徴とするシステム。
11. 【請求項１１】請求項１に記載のシステムにおいて、前
    記基準ユニットは三次元位置特性フィールドを発生する
    フィールド発生器を含むことを特徴とするシステム。
12. 【請求項１２】請求項11に記載のシステムにおいて、前
    記基準ユニットはフィードバック基準信号を発生する基
    準センサをさらに含むことを特徴とするシステム。
13. 【請求項１３】請求の範囲１に記載のシステムにおい
    て、前記基準ユニットは電磁場を発生する電磁場発生器
    を含むことを特徴とするシステム。
14. 【請求項１４】請求の範囲１に記載のシステムにおい
    て、前記基準ユニットは三次元位置特性フィールドを検
    知し、検知したフィールドの存在に応答してセンサ出力
    を発生するフィールドセンサを含むことを特徴とするシ
    ステム。
15. 【請求項１５】請求の範囲14に記載のシステムにおい
    て、前記基準ユニットはエラー検出信号を発生する基準
    センサをさらに含むことを特徴とするシステム。
16. 【請求項１６】請求の範囲１に記載のシステムにおい
    て、前記基準ユニットは、電磁場の存在に応答して、前
    記検知した電磁場を表すセンサ出力信号を発生する電磁
    場センサを含むことを特徴とするシステム。
17. 【請求項１７】請求の範囲１に記載のシステムにおい
    て、前記基準ユニットは基準信号を信号受信器に送る信
    号送信器を含むことを特徴とするシステム。
18. 【請求項１８】請求の範囲17に記載のシステムにおい
    て、前記基準ユニットは、第２の送信信号を送る第２の
    信号送信器をさらに含み、前記基準信号は該信号を前記
    第２の送信信号と比較して前記信号受信器に対する前記
    基準ユニットの位置を検出するために用いられることを
    特徴とするシステム。
19. 【請求項１９】請求の範囲１に記載のシステムにおい
    て、前記基準ユニットは信号送信器から基準信号を受信
    する信号受信器を含むことを特徴とするシステム。
20. 【請求項２０】請求の範囲19に記載のシステムにおい
    て、前記基準ユニットは第２の送信信号を受信する第２
    の信号受信器をさらに含み、前記基準信号は該信号を前
    記第２の送信信号と比較して信号送信器に対する前記基
    準ユニットの位置を検出するために用いられることを特
    徴とするシステム。