JP3492697B2 - 基準および局所化フレームを備える外科用案内装置 - Google Patents
基準および局所化フレームを備える外科用案内装置Info
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- A61B5/055—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves involving electronic [EMR] or nuclear [NMR] magnetic resonance, e.g. magnetic resonance imaging
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- A61B8/4227—Details of probe positioning or probe attachment to the patient by using holders, e.g. positioning frames characterised by straps, belts, cuffs or braces
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Description
の米国特許出願第08/053,076号および1955年9月7日付
のその継続出願第08/529,981号に記述されるシステムに
関する改良である。それゆえ、この両出願の記述は参照
として本願に組み込まれる。加えて、本発明は、1994年
10月7日付の米国特許出願第08/319,615号の発明の改良
である。それゆえ、この出願の記述も参照として本願に
組み込まれる。加えて、本発明は、1995年9月8日付米
国特許出願の仮特許出願の発明の改良である。それゆ
え、この特許出願の記述も参照として本願に組み込まれ
る。
補助し種々の体部位や機器の相対位置を指示するような
像を生成し利用するシステムに関する。特に、本発明
は、医学的および外科的処置前または処置中取られたス
キャンに基づき、かつ処置中の体部位および機器の現在
の位置に基づいて、処置中に像を生成するためのシステ
ムに関する。
的または外科的処置前または処置中のいずれかに得られ
たスキャンが、処置中医師を案内するために像を生成す
るのに使用される技術により成る。この分野への関心の
最近の高まりは、走査技術、特にコンピュータトモグラ
フィ(CT)または磁気共鳴撮像(MRI)のような、体部
位の三次元的像を生成するためにコンピュータを利用す
る装置における最近の進歩の直接的結果である。
があり、撮像されつつある体部位を取り囲みかつ高価と
なる装置に関係する。これらの装置により生成されるス
キャンは、検査下にある身体部位を高い解像度と十分の
空間的忠実度で描くけれども、それは高価であるので、
処置の遂行中使用される装置の専用化は普通阻害され
る。それゆえ、像案内式外科手術は、通常手術前に取ら
れた像を使用して遂行される。
に焦点を置いた。頭蓋は、脳を包囲することにより、撮
像と手術間において解剖構造の変化をほとんど抑止する
剛性として働く。頭蓋はまた、基準または規準システム
を取り付けることができる比較的容易な基準点を提供す
るから、処置前の像と処置中の仕事空間との整合は処置
の開始時、処置中あるいは全処置を通じて簡単になすこ
とができる。整合は、外科手術を受けつつある解剖構造
の処置または処置中のスキャンを対応する解剖構造の外
科的または医学的位置に関係づけるプロセスとして定義
される。例えば、米国特許第5,383,454号(米国特許出
願第07/909,097)号。
不存在のこの状況は、頭蓋骨と頭蓋骨内の中身に特有で
あり、図1に示されるような簡単な1対1の整合プロセ
スを可能にする。医学的処置または外科手術中の位置
は、走査の時点から処置の時点までの解剖構造の動きの
不存在のため、処置前の像データセットと整合下にあ
る。実際に、頭蓋とその頭蓋ない内容物は、「剛体」す
なわち、内部的に変形しない物体を構成する。体の殆ど
の他の各部位には、解剖構造内に十分の移動の機会があ
る。これは、処置前のスキャンが処置中の解剖構造を描
く忠実度を劣化させる。それゆえ、像案内を頭蓋以外の
身体の残部に適用するには追加の革新が必要である。
取られるスキャンと、処置中の体部位の現在の位置と形
状に基づいて医学的または外科的処置中に像を生成でき
る能力に依存する。ここでは、2形式の体部位が扱われ
る。すなわち(1)形状を変えず、圧縮もせず、撮像と
医学的処置の間で変形もしない体内の構造体。これは
「剛体」と称され、骨格の骨がその例として挙げられ
る。(2)形状が変化し、撮像のプロセスと医学的処置
の間で変形することがある体内構造体。これは、「半剛
体」と称され、肝臓や前立腺が例として挙げられる。両
形式の身体部位は、同様に、治療、融合、切除、生検あ
るいは放射線治療のための医学的または外科的処置の対
象である。それゆえ、スキャン上に処置前に描かれた体
部位と、処置中に検出されるこれらの同じ体部位の位置
および形状との間に整合を遂行する技術が必要である。
この技術は、関節により接続される骨や折れた骨の断片
のような剛体的に接合されない身体部分の間には移動が
起こり得ること、および肝臓や前立腺のような半剛性体
に対しては形状の変形が起こり得ることを考慮に入れな
ければならない。特に、この技術は、局所化および表示
のために使用される変更された像データセットが医学的
または外科的処置中関係のある体部位の位置および/ま
たは形状に対応するように走査された像データセットを
変更できねばならない。この対応性を達成するための鍵
は、医学的または外科的処置中関係のある体部位(単数
または複数)の位置および/または形状を正確に検出し
追跡できること、そしてまた上記の処置中に使用される
機器または放射線を追跡できることに係る。
手術中に追跡される体部位との間の整合を可能にするシ
ステムを提供することである。
うな半剛性の体と外科手術中に検出されるそのような半
剛性の体との間の整合を可能にするシステムを提供する
ことである。
素のような複数の体部位と外科手術中に検出されるその
ような複数の体部位との間の整合を可能にするシステム
を提供することである。
がある半剛性の体を局所化でき、かつその変形形状にあ
る体の処置中ディスプレイを提供するシステムを提供す
ることである。
数の剛性の体を局所化でき、体の処置中それらの変位位
置でディスプレイを提供するシステムを提供することで
ある。
処置中に使用するためのシステムであって、処置前また
は処置中にスキャナにより生成されるスキャナに基づい
て処置中1または複数の体要素の位置を表示するディス
プレイを生成システムを提供することである。
処置中に使用するためのシステムであって、処置中にお
ける各要素の識別された位置に従って処置前または処置
中に取られたスキャンを変更するシステムを提供するこ
とである。
処置中に使用するためのシステムであって、処置中にお
ける各要素の識別された形状に従って像データセットを
変更するシステムを提供することである。
は複数)に関する医学的または外科的機器の位置を表示
するディスプレイを生成するシステムを提供することで
ある。
科的処置中に使用するためのシステムであって、処置の
実行中医師または外科医により容易に採用されるシステ
ムを提供することである。
学的または外科的処置中体要素の相対位置および/また
は形状を決定し、体要素を露出する必要を避けることが
できるシステムを提供することである。
置および/または形状を決定するために、体要素の1ま
たは複数の二次元蛍光透視またはX線像を採用するシス
テムを提供することである。
要素についての像データセットに基づいて処置中に体要
素の位置を表わすディスプレイを採用する医学的または
外科的処置について開示することである。
システムおよび方法であって、処置中体要素の再位置づ
けを可能にし、しかも体要素の相対位置を示す像の生成
を可能にするシステムおよび方法を提供することであ
る。
ムおよび方法であって、処置中体要素の再整形を可能に
し、しかも体要素の位置および現在形状を示す像を生成
することを可能にするシステムおよび方法を提供するこ
とである。
処置中、鉗子、顕微鏡またはレーザのような機器が体要
素に関して正確に位置づけできるように、機器に関する
体要素の位置のディスプレイを生じさせるシステムを提
供することである。
になるものもあり、特に指摘するものもある。
置中に使用するためのシステムより成る。本システム
は、処置前にスキャナにより生成され、関係する各体要
素に対して少なくとも一つの基準点を有するスキャンを
使用して、処置中1または複数の体要素の位置または像
を表示する1または複数の像を発生する。これらの二次
元スキャンは、一緒に取られて、体の三次元描写を構成
し、そしてこれは像データセットと呼ばれる。特定の体
要素の基準点は、特定の体要素に関する空間的関係を有
する。システムは、医学的または外科的処置中、システ
ムにより表示されるべき各体要素の基準点の位置を識別
するための手段を備える。システムはまた、医学的また
は外科的処置中、識別手段と称される、各体要素の基準
点の識別された位置に従って像データセットを変更する
ためのプロセッサを備える。これは識別手段と称され
る。プロセッサは、処置中体要素の位置および形状を表
わす変更された(変位および/または変形された像)デ
ータセットを使用して像を発生する。任意的に、プロセ
ッサは、これらの体要素に関する医学的または外科的処
置の位置を決定する。システムはまた、二次元像により
処置中における体要素の位置および形状と、そして任意
的に体要素に関する医学的または外科的機器の決定され
た位置を示すために、プロセッサにより発生される変更
された像データセットを利用するディスプレイを備え
る。
る。本方法は、処置前に生成され各体要素に対して基準
点を有するスキャンに基づいて処置中1または複数の体
要素の位置および形状を表わす像を発生する。本方法
は、 処置中、表示されるべき各体要素の基準位置を識別
し、 処置中体要素の位置を表わす変更された(変位および
/または変形された)像データセットを発生するため
に、処置中各体要素の基準点の識別された位置に従って
像データセットを変更し、 任意的に、体要素に関する医学的または外科的機器、
プローブまたは照射ビームの位置を決定し、そして 処置中変更された像データセットに基づいて体要素の
位置および形状、および任意的に体要素に関する医学的
または外科的機器の位置を示すディスプレイを生成する 諸段階を含む。
の体要素と使用するための方法を構成する。本方法は、
処置に先立ち体要素の相対位置を固定するために、体要
素をフレームに入れ、そして固定された体要素を走査す
る諸段階を含む。処置中、本方法は、体要素が走査中相
対的に同じ相対位置を有するように、体要素をフレーム
内に入れ、 基準手段に関する体要素上の基準点の位置を決定し、 基準手段に関する医学的または外科的機器の位置を決
定し、 体要素に関する医学的または外科的機器の位置を決定
し、 処置前の走査に基づき、体要素に関する医学的または
外科的機器の決定された位置を示すディスプレイを生成
する 諸段階を含む。
別するセンサアレイを有する外科用案内システムと使用
するためのデバイスであって、カテーテルを案内するの
に使用するためのものであり、外科用案内システムに接
続されかつデバイスを賦活する信号を供給するためのケ
ーブルと係合するデバイスを構成する。ハンドルがその
中にキャビティを有している。ハンドル上の複数の発光
ダイオードが、賦活されるとき、外科案内システムのセ
ンサアレイと通信するための光を放射する。ハンドルに
取りつけられ、かつ外科用案内システムに接続されるケ
ーブルと係合するように適合されたコネクタが、ダイオ
ードを賦活するための信号を受信する。ハンドルのキャ
ビティ内に位置づけられコネクタと発光ダイオードを電
気的に接続するワイヤが、コネクタにより受信される信
号をダイオードに伝送する。ハンドルに連結される案内
部材が、カテーテルに案内する。
別するセンサアレイを有する外科用案内システムと使用
するためのデバイスを構成する。ベース部材がその中に
キャビティを有している。ベース部材上の複数の発光ダ
イオードが、賦活されるとき、外科用案内システムのセ
ンサアレイと通信するための光を放射する。ダイオード
に接続された賦活回路が、ダイオードを賦活するための
信号を供給する。ベース部材のキャビティ内に配置され
電源装置と発光ダイオードを電気的に接続するワイヤ
が、ダイオードを賦活するための信号を伝送する。
別するセンサアレイを有する外科用案内システムと使用
すためのデバイスであって、本部位に関して既知の基準
を提供するように体部位に取りつけられた構造体または
体部位に対して既知の関係にある機器と係合し、外科用
案内システムに接続されかつデバイスを賦活するための
信号を供給するケーブルと係合するためのコネクタを有
するデバイスを構成する。ベース部材がその中にキャビ
ティを有する。ベース部材上の結合機構が、ベース部材
を体部位に対して固定関係で維持し、それにより固定の
基準を提供するため、構造体と係合する。ベース部材上
の複数の発光ダイオードが、付勢されるとき、外科用案
内システムのセンサアレイと通信する光を発する。ベー
ス部材に取りつけられ、外科用案内システムに接続され
るコネクタが、ダイオードを賦活するための信号を受信
する。ベース部材のキャビティ内に配置され、コネクタ
と発光ダイオードを電気的に接続するワイヤが、コネク
タにより受信される信号をダイオードに伝送してダイオ
ードを賦活する。
別するセンサアレイを有する外科用案内システムと使用
するためのデバイスであって、体部位と係合するための
機器を体部位に関して既知の位置に位置づけるように当
該機器を案内するためのものであり、外科用案内システ
ムに接続されかつデバイスを賦活するための信号を供給
するケーブルと係合するためのコネクタを有するデバイ
スを構成する。ハウジングがその中にキャビティを有し
ている。ハウジング上の構造体が、機器をハウジングに
関してある関係に維持するように機器を案内する。ハウ
ジング上の複数の発光ダイオードが、賦活されるとき、
外科案内用システムのセンサアレイと通信するための光
を放射する。ハウジングに取り付けられかつ外科用案内
システムに接続されるケーブルと係合するように適合さ
れたコネクタが、ダイオードを賦活するための信号を受
信する。ハンドルのキャビティ内に配置されコネクタと
発光ダイオードを電気的に接続するワイヤが、コネクタ
により受信される信号をダイオードに伝送する。
基準フレームと、 アレイと通信して当該局所化フレームの位置を識別す
る局所化基準フレームであって、機器を体部位に関し既
知の位置に位置づけるように機器を体部位と係合するよ
う案内し、かつ当該局所化フレームを賦活するための信
号を供給するためのコントローラに接続される局所化フ
レームと を備える外科用案内システムより成る。
存在によって外科手術前のスキャンと外科手術の位置の
間の1:1の整合が可能になる従来形式のシステムの例示
する線図である。
形データセットを発生するため処置前の像データセット
が処置中の位置に従って変更される本発明の動作を示す
線図である。
ック図である。
図である。
る線図である。
に取りつけられた基準フレームを有する、3体要素を例
示する線図である。
実際基準としての患者の体に取りつけられた超音波整合
を例示する線図である。
ローカライザを例示する線図である。
る本発明のドリル案内機器を例示する線図である。
ワイヤ接続基準フレームをそれぞれ例示する線図であ
る。
い1具体例の概略線図である。
しい1具体例の平面図である。
1具体例の一部断面の側面図である。
1具体例の配線図である。
しい1具体例の平面図である。
しい1具体例の、一部断面の正面図である。
い1具体例の側面図である。
1具体例の平面図である。
1具体例の一部断面の平面図である。
1具体例の側面図である。
しい具体例の配線図である。
しい1具体例の平面図である。
しい1具体例の、一部断面の側面図である。
しい1具体例の正面図である。
ましい1具体例の平面図である。
ましい1具体例の、一部断面の側面図である。
ムの好ましい1具体例の上面図である。
好ましい1具体例の、一部断面の側面図である。
造瘻プローブの好ましい1具体例の上面図である。
造瘻プローブの好ましい1具体例の一部断面の側面図で
ある。
体例の配線図である。
示する。
の好ましい1具体例の動作の外観が例示されている。特
定の処置に先立ち、処置の一部となる体要素が、それら
の整列、すなわちそれらの手術前位置を決定するように
走査される。例えば、整列は図3に例示されるようにな
すことができるが、この図において、体要素10,20およ
び30がだいたい並列に整列される図。これらの体要素
は、骨またはその他の剛性体とし得る。図3において、
三次元骨格要素10,20,30が、四角い脊柱11,21,31、小さ
な方形の茎12,22,33および三角形の棘状突起13,22,33を
有する高度に様式化した背骨体として二次元で描かれて
いる。撮像中、スキャンは、図3に示されるように、参
照番号40により総括的に言及される9本の直線により、
体部位10,20,30中をある間隔で行われる。各体要素中に
は少なくとも1本の走査線が得られねばならず、一緒に
取られたスキャンは、三次元の処置前の像データセット
を構成する。
スキャナインターフェース102は、プロセッサ104が、ス
キャナにより生成される処置前像データセットを得て、
処置前像データセットメモリ106にデータセットを格納
することを可能にする。好ましくは、撮像後、プロセッ
サ104は、処置前像データセットに弁別プロセスを適用
するのがよく、それにより体要素10,20,30のみがメモリ
106内に残るようにする。もしも弁別プロセスが採用さ
れるならば、メモリ106に格納のためデータがスキャナ
からスキャナインターフェースを介して転送されつつあ
る間に、プロセッサ104は弁別プロセスを実行してよ
い。代わりに、メモリ106は、非弁別データを格納する
ために使用してよく、その場合、弁別データを格納する
ために別個のメモリ(図示せず)を提供してよい。この
代替例においては、プロセッサ104は、スキャナからの
データセットをスキャナインターフェース102を介して
メモり106に転送し、ついでメモリ106に格納されたデー
タを弁別して、弁別された像データセットを生成し、こ
れを別個のメモリに格納することになろう。
定義されると、それらは変位された像データセットを形
成するように設定されたソフトウエアアルゴリズムによ
って再位置づけできる。各剛性体要素10,20,30は、処置
前像上に見ることができる少なくとも三つの認識可能な
基準点を有さねばならない。これらの基準点は、処置中
に正確に検出されねばならない。体部位10に対して、基
準点10A,10B,10Cは棘状突起13上に配置され、体部位20
に対して、基準点20A,20Bは椎骨21上に配置され、基準
点20Bは棘状突起23上に配置され体部位30に対して、基
準点30Aおよび30Bは棘状突起33上に配置され、基準点30
Cは脊柱31上に配置される。整合の最大の正確さは、基
準点をできるだけと多くに分離することによって達成さ
れるけれども、1以上の基準点を骨を通る各スキャン上
に選択してよい。例えば、背部脊柱手術の場合、基準点
10A,10B,10Cをこの種の手術中普通露出される棘状突起
上に選択するのが好ましいかもしれない。システムソフ
トウェアは、体要素10,20,30の像上のこれらの同じ点の
手動的または自動化識別を可能にすることが企画され
る。図3は三次元プロセスの二次元投影であるから、基
準点は図示されるように完全な矢上平面に限定されてい
ない。
て相互に動くことがある。手術室や、医学的処置が遂行
される室のような処置室において、患者を手術室に位置
づけた後、体要素は図4に図示される幾何形態のように
異なる幾何形態を取ることになる。
リ106内に格納される処置前像データセットは、図4に
示されるように、骨格要素の手術位置を描写していな
い。しかしながら、骨格要素中のスキャンにより描写さ
れる骨格要素の像は、それらが剛性の体であるから、図
4における各要素中の線40により指示されるように、撮
像と処置中一貫している。それゆえ、像データセット
は、骨格要素の処置中幾何形態を描くように変形されね
ばならない。この変更は、処置空間における各骨格要素
の各基準点の位置を識別することによって遂行される。
図2Aおよび図2Bに線図で図示されるように、ローカライ
ザ108(より詳細には以下の図13参照)が、処置前デー
タが変位データセットに変形または再位置づけされ得る
ように、位置を識別しこの情報を提供する。その結果、
変位されたデータセットが、要素10,20,30の処置中位置
と整合している。一度基準点の位置がローカライザ108
により決定されると、ワークステーションの一部として
働くプロセッサ104は、処置室における実際要素の位置
を反映するように骨格要素の像を再位置づけするソフト
ウェアを実施でき、それにより変位されたセットを形成
し、変位されたセットと処置中位置間の整合を達成す
る。
を決定するために、三次元ディジタイザをローカライザ
108として使用するのがよい。一般に、ディジタイザ
は、一連の放射器からの放射線を受信する基準アレイ11
0を含むのがよい。普通、放射線は、光、音響または電
磁放射線のようなある種のエネルギより成る。基準アレ
イ110は、局所化されつつある要素に適用され該要素と
調整関係に位置づけられる放射器から離間しており、放
射器の位置を決定する。明らかなように、放射器は、要
素に対して離間して配置してよく、基準アレイ110は局
所化されつつある要素に取り付けてよい。
体要素の形状の変形が起こり得る場合における本発明に
したがうシステムの好ましい代替具体例について記述す
る。特定の処置前、処置の一部である体要素は、それら
の手術前位置および形状を決定するように走査される。
例えば、整列は図3に例示されるようになされ、この場
合、体要素10,20,30はだいたい並列に整列されており、
限定された形状を有する。これらの体要素は、前立腺ま
たはその他の半剛性の体のような軟質組織とし得る。
形状が変形することがある。手術室や医学的処置が遂行
される室のような処置室において、患者を手術室に位置
付け後、体要素は図4に描かれれる幾何形態のような異
なる幾何形態を取ることがある。図4においては、幾何
形態は、体要素の整列(位置)と形状を描写している。
格納される処置前データセットは、図4に図示されるよ
うな体要素の手術形態を描写しない。実際に、要素を通
る走査線により描かれる体要素の形状は、それらが半剛
性の体であるから、撮像と処置間で変わってしまうこと
がある。それゆえ、像データセットは、体要素の現在の
幾何形態を描写するように変更されねばならない。変更
は、処置空間における各体要素の基準点の位置を識別す
ることによって遂行される。図2Bに線図で例示されるよ
うに、ローカライザ108は、恐らくプロセッサ104と通信
下にあり、基準点の位置を識別しこの情報を提供し、処
置データセットが変位されたデータセットに変形され得
るようになされている。基準点の位置が決定されると、
ワークステーションの一部であるプロセッサ104は、処
置室内の実際の要素の幾何形態を反映するように体要素
の像を変更するソフトウェアを実行でき、それにより変
位されたデータセットを形成し、変位されたデータセッ
トと処置中に位置の間の整合を達成する。その結果、変
位されたデータセットは、体要素10,20,30の処理中幾何
形態と整合状態にある。
ーム116が処置の開始時に体要素10の一つに取り付けら
れる。種々の基準フレームの具体例が、以下の図11A−
図11Cおよび図12A−図12Gに詳細に例示されている。基
準フレーム116は複数の放射器114を備えており、そして
これらの放射器は、相俟って体要素10に関する三次元処
置中座標系を定める。従来技術では、基準フレーム116
は、体要素10に関して定位空間を定める。放射器114
は、処置室に配置され基準フレーム116および患者から
離間された基準アレイ110上センサ112と通信する。もし
も患者の体が外科手術中不動化されないと、各体要素に
関して外科用空間を形成するため、各体要素に対して複
数の基準フレームが必要とされよう。外科用空間は、代
わりに、骨格要素10,20,30へ直接(または例えば皮膚に
間接的に)フレーム放射器114を剛体的に固定すること
により形成してもよい。いずれの場合にも、放射器114
は信号を放射し、これがセンサ112により受信される。
受信された信号は、例えば三角測量により位置を計算す
るようにディジタル化される。このような情報により、
ローカライザ108またはローカライザの一部であるディ
ジタル化装置は、センサ112に関するフレーム放射器114
の正確な三次元位置を決定し得る。それにより、ローカ
ライザ108またはプロセッサ104は、局所化中、例えば基
準化フレーム116上の放射器114の賦活およびプローブ放
射器114の賦活中を除き自由に移動できるアレイに関す
る基準フレーム116の位置を正確に決定し得る。基準フ
レーム116の放射器114は、センサ112に放射線を供給す
るように付勢され、そしてこの放射線は、アレイ110に
関するフレーム116の位置を決定するため、受信されロ
ーカライザ108に供給される信号を発生する。
ることが必要であるが、これには、基準フレーム116が
固定されあるいは該要素に関して位置づけられている。
特に、基準フレーム116に関する体要素10の位置が決定
され、それにより基準フレーム116により定められる外
科空間内における体要素10の位置を決定し得る。外科的
切開による基準点10A,10B,10Cの露出後、基準点は放射
器120を具備する整合プローブ118の先端により触れられ
る。各基準点10A,10B,10Cがプローブ120の先端により触
れられるとき、放射器は付勢されて、基準アレイ110の
センサ112と通信する。この通信により、ローカライザ1
08は整合プローブ120の位置を決定することができ、そ
れにより整合プローブの位置を決定し、プローブの先端
の位置を決定し、それによりチップが位置づけられてい
る基準点10Aの位置を決定できる。処置中に包含される
各体要素10,20,30上の基準点10A,10B,10Cに触れること
によって、処置中の幾何形態データが、生成されメモリ
121に格納される。このデータは、変換を誘導するため
のソフトウェアを採用するプロセッサ104により同じ要
素の処置前像上の対応する基準点に関係づけられるが、
この変換より、各体要素の外科空間における正確な処置
前位置、配向および形状の決定が可能となり、それによ
りメモリ106に格納される処置前データセットを変更し
て、変位された像データセットを生成し、これがメモリ
122に格納される。メモリ122内のこの変位されたデータ
セットは、処置中の実際の要素10,20,30の幾何形態を反
映している。プロセッサ104は、ディスプレイ124上に変
位された像データセットを表示し、処置中の体要素10,2
0,30の幾何形態の可視的描写を提供する。この像は、処
置を補助するために処置中に使用される。加えて、処置
中に使用されるであろう鉗子、レーザ、顕微鏡、内視鏡
または放射線供給システムのような器機を放射器の追加
によって変更することが企画される。この変更されたデ
バイスは、体要素10,20,30の領域に移動されるとき、そ
の放射器が基準アレイ110と通信し、それによりローカ
ライザ108が機器の位置を決定することを可能にするよ
うに賦活される。その結果、プロセッサ104は、例えば
カーソルを体要素10,20,30に関して位置づけることによ
り、機器の位置または機器の焦点を指示するようにディ
スプレイ124を変更することになろう。
よびその位置を能動的(ロボットの場合)または受動的
に制御または監視するように閉鎖ループ帰還路を形成す
るために、システムとともに使用することも企画され
る。この種の制御ループは、処置の目的が器機の焦点を
安全帯域すなわち予定された処置計画内に維持すること
であるところで、放射線の体への供給やドリルの使用の
ようなある種の処置の監視を可能にする。この種の制御
ループはまた、器機の位置を制御するためにロボットが
プロセッサ104により(直接または間接的に)駆動され
得るようなところで、ロボット的に制御される器機の動
作を制御することができよう。例えば、プロセッサは、
ロボットアームに命令して、レーザの位置を制御できよ
う。レーザ位置は、例えばレーザ上の放射器により監視
されよう。プロセッサは、レーザが予定された経路に正
確に従うように、レーザに対する制御パラメータでプロ
グラムされることになろう。
合することを要せずに、患者が処置中に移動されること
を可能にする。処置中、体要素は相互に固定されるもの
と仮定される。基準フレーム116は体要素10に(直接ま
たは間接的に)固定されるから患者の動きは基準フレー
ム116の対応する動きをもたらす。周期的にまたは患者
の各移動後に、ローカライザ108が基準フレーム116の位
置を決定することができるようにするため、フレーム放
射器114は、基準アレイ110のセンサ112と通信するよう
に付勢できる。基準フレーム116は要素110に対して基地
の位置にあり、要素20および30は要素10に対して固定位
置にあることが仮定されるから、ローカライザ108およ
び/またはプロセッサ104は要素の位置を決定し、それ
により整合を維持できる。
放射器126bが取り付けられた輪郭スキャナ126aを使用す
ることであろう。放射され、輪郭により反射され、そし
て感知される音響または光のようなある形式のエネルギ
を使用するこの種のデバイスは、体要素10,20,30の輪郭
の抽出を可能にし、これが整合が取られることを可能に
する複数の基準点として作用することになろう。整合プ
ロセスは、以下にて超音波抽出輪郭に対して記述される
プロセスと類似である。
れた像データセットへの変換を可能にするために基準点
としてのマーカーを皮膚表面上に使用してもよい。代わ
りに、撮像中幾何形態を整合させるため体を再位置づけ
するのに、撮像時に供給される皮膚表面上の基準点を使
用することができるが、これについては後述する。
点A,B,Cの処置中の露出なしでなされることが所望され
よう。脊柱が最小に露出される例としては、脊柱の経皮
的生検、または椎間板除去、脊柱固定、内視鏡術、経皮
的脊柱植込み挿入、経皮的融合、薬剤供給系の挿入およ
び放射線投与等がある。この状況においては、体要素上
における基準点の局所化は、上にある軟質組織を介して
局所化したり、回りの組織および構造体を弁別できるよ
うなある形式の撮像により決定できねばならない。現在
のところ、手術室の外科医や処置室の医師にとって利用
可能な2種の撮像技術があり、そしてこれらは、低価格
や携帯性のニーズを満足するものである。両撮像技術、
すなわち超音波検査法および放射線撮影法は、二次また
は三次元像を生成し得るが、これは骨格要素のような3
次元形態を整合させるためにここで記述される態様で採
用できる。
(参照として本願に組み込まれる)に記述されるよう
に、三次元ディジタルの超音波デバイスのプローブへの
結合は、処置作業空間すなわち外科空間に三次元座標を
画定する基準システムに直接関係づけることができる輪
郭を得ることができるという点で利益がある。本発明の
概念においては、患者は、処置前像データセットを生成
するように処置前に撮像され、そしてこのデータセット
がメモリ106に格納される。処置室において、患者の体
は、体要素10,20,30間の空間的関係を安定化するように
不動化される。体に対する処置基準空間、すなわち外科
空間が、基準フレーム116を体要素の一つに取りつける
ことによって、あるいは他の方法として上述のように患
者または体要素に放射器を取りつけることによって、あ
るいは体要素の一つを追跡できるデバイスに放射器を取
り付け、それにより体要素に関して既知の関係を形成す
ることによって設定される。例えば、これは、皮膚が処
置中体要素に関して認め得るほどに動かないという仮定
に基づいて、図6に示されるように、上述の基準フレー
ムに類似の基準フレームの経皮的配置、体要素への放射
線不透過性マーカーのねじ込み、あるいは皮膚上への放
射器130の直接の配置によって遂行できよう。
波プローブ128を、関係のある体要素上に配置する。つ
いで、超音波プローブ128を使用して体要素の輪郭(二
次元または三次元のいずれかとし得る)を得る。この輪
郭は、基準系(外科空間)により画定される処置座標で
直接または間接的に表現できる。放射器130は基準アレ
イ110のセンサ112と通信して、超音波プローブ128の位
置を指示する。プローブ128を付勢する超音波スキャナ1
66が、走査中の関心がある体要素の輪郭を決定する。こ
の輪郭情報は、処置中幾何形態データメモリ121に格納
のためプロセッサ104に供給される。
ゴリズムにより、メモリ106に格納されている処置前像
データセットから抽出される対応する輪郭と比較され
る。代わりに、処置前輪郭データセットは、処置前にス
キャナインターフェース102を介してメモり134に入力さ
れた処置前超音波スキャンに基づいてメモリ134に格納
してもよい。この比較プロセスは、要素の各一つに対し
て整合が見出されるまで継続する。この輪郭整合プロセ
ス中、各体要素の像と、処置空間における各要素の対応
する像との間に整合が得られ、それにより局所化とディ
スプレイのために使用される変位された像データセット
の形成を可能にする。整合プロセスに使用される輪郭
は、精確な整合を達成するに十分同一であるだけでよい
ことに留意されたい。すなわち、輪郭は、体要素と同じ
広がりを有することを要しない。
い。例えば、超音波は骨に浸透せず、上にある骨の存在
は、下にある骨格要素の整合を疎外することになる。さ
らに、超音波の解像度は、撮像されつつある組織の深さ
が増大するにつれ減退し、そして骨格要素が正確な超音
波的に生成された輪郭を得ることを阻止するほど深くな
ると、有用でなくなることがある。これらの環境におい
ては、より大きな浸透力のあるX線を利用する放射線法
が指示される。
の像データセットにおいて軟質組織から弁別できる。特
に、処置前に骨格要素10,20,30のCTスキャンを行うこと
ができよう。プロセッサ104は、骨格要素を弁別し、処
置前像データセットをメモリ106に格納できる。次い
で、患者は処置のため不動化される。関係のある骨格解
剖構造の放射線写真が、ディジタイザにより検出可能な
放射器を具備する放射線写真デバイスにより取られる。
例えば、蛍光透視ローカライザ136が図7に例示されて
いる。ローカライザ136は、管138のようなX線を放射す
るデバイスと、X線が通過するとき像を生ずるX線感知
性のスクリーン140とを備える。このスクリーンは蛍光
透視プレートと称される。放射器142は、管138上または
蛍光透視プレート上、または両者上に配置してよい。管
138がプレート140上に剛体的に取り付けられるデバイス
の場合、エミッタは管またはプレートのいずれかの上に
提供されればよい。代わりに、基準アレイ10を、管また
はプレート上に取り付けてよく、それによりこの要素上
への放射器の必要性を除去する。関係のある骨格要素14
1中にX線を通すことによって、骨密度に基づく二次元
像をプレートにより生成し、記録することができる。蛍
光透視ローカライザ136により生成される像は、プレー
ト140に関する管138の角度と、両者間における骨格要素
の位置によって決定され、処置座標(外科空間)に関し
て定義できる。蛍光透視ローカライザ136はプロセッサ
を備えており、そして該プロセッサが、プレート140上
の像をディジタル化し、あり得る処理および処置中幾何
形態データメモリ121への後続の格納のため、ディジタ
ル化像をプロセッサ104に供給する。プロセッサ104は、
メモリ106に格納される像データセットで弁別された三
次元骨格要素の一連の2次元投射を創成することによっ
てこの二次元X線像の発生を疑似し得る。各2次元投射
は、特定の角度および距離における体中のX全ビームの
通過を表わすであろう。変位されたデータセットを形成
し整合を達成するために、メモリ121に格納される実際
の放射線写真像に最も近く整合する変移されたデータセ
ットによる二次元投射を選択する対話プロセスが使用さ
れる。上述のプロセスは、1またはそれ以上の放射線写
真像を利用できる。プロセッサ104は、蛍光透視ローカ
ライザがその上に放射器142を備えており、これがロー
カライザ108と通信しているのでその位置を知っている
ので、処置中の骨格要素の正確な位置が決定される。
外科空間は、体要素の一つを検出、追跡する、すなわち
識別するデバイスに放射器を取り付け、それにより体要
素に関して既知の関係を形成することによって設定でき
る。例えば、超音波プローブ128上の放射器は、一緒
に、かつ患者の体上の三つの放射器なしに、図6に図示
されるようなある形式の基準フレーム116を形成する。
この基準フレームは、処置前メモリ106に記録される体
要素10の輪郭に整合するようにプロセッサ104が使用す
る処置中幾何形態データメモリに格納される体要素10の
超音波輪郭を連続的にまたは周期的に更新し、それによ
りメモリ122内の変位された像データセットを連続的ま
たは周期的に更新することによって、体要素の仮想的に
取り付けることができる。その結果、体要素の処置位置
との整合が維持されるようになる。仮想的基準フレーム
は、放射線写真デバイス(蛍光透視鏡)、内視鏡または
輪郭スキャナのような体要素を検出、追跡する任意数の
デバイスを使用されることが企画される。
に整合するメモリ122に格納される変移された像データ
セットの形成により整合を達成する。整合を達成する代
替技術は、処置中の骨格要素の位置が撮像時に見出され
るものに同一であることを保証することである。これ
は、患者位置を調節しかつ不動化するフレームの使用に
より達成できる。この技術では、撮像前に少なくとも三
つのマーカを皮膚上に配置する。これらのマーカは、採
用される撮像技術により検出可能でなければならず、基
準点と称される。正確性を増すために複数の基準点が望
ましい。
ーム上に配置される。この種のフレームは、一般に脊柱
の外科手術に使用され、撮像中にはそれらの使用を可能
にするように変更でき、手術中患者を再位置付けするの
に使用されよう。これらのフレームは、体を種々の位置
を通って緩やかに動かすことを可能にする駆動機構を具
備し得よう。撮像時に設置された基準点は、放射器で置
き換えられる。フレーム上の駆動機構を賦活することに
よって、放射器の正確な位置を処置中に求めることがで
き、これをメモリ106に格納すされる処置前像データセ
ットと比較できる。一度放射器が像データセットの基準
点の幾何形態と同一の幾何形態を取ると、骨格要素は、
処置前の走査中の位置と同一の幾何的関係を回復してい
ると考えられ、メモリ106に格納される非変更の像デー
タセットを使用して処置を遂行できる。
用に使用するのと若干異なる。骨格に関する外科手術
は、現在位置と関係づけられるというものではなく、普
通、骨中にハードウェアを設置し、骨中の生検を行い、
あるいは断片を除去することにより成る。それゆえ、機
器はこの応用のために特化されねばならない。
科ドリル上に放射器を配置し、ドリルボディとその先端
(普通尖端)間に固定の関係をもたせることによって、
ドリル尖端の方向および位置を決定できる。たいていの
ドリルは複雑な三次元形状を有するから、少なくとも三
つの放射器がドリル上に必要とされるであろう。代わり
に、放射器802を有するドリル案内管800上に放射器を配
置し、ねじが置かれているあるいは穴が開けられている
方向804は、ディジタイザにより決定し、像データセッ
ト上に指示できよう(図8)。骨格要素806はまた、そ
の位置を指示するようにその上に放射器を有してよい。
外科用の基準システムを用意することが必要である。少
なくとも三つの放射器を具備するこれからの基準フレー
ムは、移動または回転を防ぐ骨への固定を必要とする。
ランプ状の配置を使用し得る。クランプ900は、骨格要
素の突起910へ固着できる少なくとも二つのポイント90
2,904,906,908を具備する。少なくとも二つの点固着を
使用することによって、基準フレームとして機能するク
ランプ900は骨格要素に関して回転しない。クランプは
放射器912,914,916を具備しており、アレイと通信し
て、骨格要素が処置中に動くときその位置を指示する。
は、外科手術中露出されず、皮膚954を介して導入され
るワイヤまたはねじ950,952のいずれかに単に固定され
る。図10は、皮膚954から突出するこの種のワイヤまた
はねじ950,952に取り付けられる基準台板を描写してい
る。台板956は複数の放射器958,960,962,964を具備して
おり、これがアレイと通信して、骨断片940が処置中移
動するときその位置を指示する。
ねじまたはワイヤ上を活動し得るか、またはそれに取り
付けることができる。代わりに、ただ1本のワイヤに取
りつけてもよい。ただし、フレームのねじまたはワイヤ
への取り付け法で回転を防ぎ、ワイヤまたはねじが取り
つけられた骨格要素内で回転できないことを条件とす
る。
好ましい具体例の概略線図である。携帯用システムキャ
ビネット102は、システムを使用する外科医または技術
者による観察を可能にするように支持された外科用ワー
クステーション104を備える。ワークステーション104
は、種々のスキャンを表示するためのスクリーン106を
具備し、モニタ106を制御するためのパーソナルコンピ
ュータ108に接続されている。システムはまた、カメラ
アレイ110を含む光学的ディジタイザ、患者から離間さ
れかつ患者と同一視線にアレイを指示するためのカメラ
取付け用スタンド112と、形態可能なシステムキャビネ
ット102上に配置されコンピュータ108に接続されるディ
ジタイザ制御ユニット114と、システムの動作を制御す
るためのフットスイッチ116と、フットスイッチ116とデ
ィジタイザ制御ユニット114を相互接続するためのブレ
ークアウトボックスを備える。
ームアセンブリ120が接続されているが、このアセンブ
リ120は、ブレークアウトボックス118に接続されるケー
ブルを有する基準フレーム122と、垂直支持部材24と、
ヘッドクランプアタッチメント126と、水平支持部材128
とを備える。オプティカルプローブ164(局所化フレー
ム)も、ケーブルを介してブレークアウトボックス118
を経てディジタイザ制御ユニット114に接続されてい
る。
ッドクランプアタッチメント126に固定される。ヘッド
クランプアタッチメント126内にある頭に関するオプテ
ィカルプローブ164の位置を決定するために、外科医
は、基準フレーム122の放射器を付勢するようにペダル1
16を踏む。放射器は光信号を発生し、これがカメラアレ
イ110によりピックアップされ、頭の位置を決定するよ
うに三角測量される。オプチカルプローブ164の放射器
が、光信号を放射するように付勢され、これがオプチカ
ルプローブ164の位置を決定するようにカメラアレイに
よりピックアップされる。頭とプローブ164の相対位置
に基づいて、制御ボックス114はモニタ106のスクリーン
上に手術前スキャンを表示する。これは、頭に関する、
および/または頭内におけるプローブの位置を表示す
る。
好ましい1具体例の平面図である。基準フレーム122
は、カメラアレイ110のようなセンサアレイを有する、
図11に例示されるような外科用案内システムと使用する
ためのものである。カメラアレイ110は基準フレーム122
と通信し、その位置を識別する。基準フレーム122は、
上部ベース134とベースプレート136を有するベース部材
132を具備し、そしてこれらの上部ベースおよびベース
プレートは各々半円形の形態を有しており、ねじ138に
より一緒に結合されてその間にキャビティ140を形成し
ている。上部ベースおよびベースプレートは、陽極酸化
アルミニウムまたはその他のオートクレーブ可能な材料
より成る。丈夫ベースの上面は、Leyla収縮アームと係
合するための1または複数のクランプ142を具備してよ
い。図11Aに図示されるように、上部ベースは5つのス
プリングクランプ142を具備している。
係合するクランプと係合するためのバヨネット嵌合具14
4を具備している。基準フレーム122の一端部または両端
部はまた、半径方向凸部146に賦型されており、そして
該凸部は、基準フレームを図11に図示されるヘッドクラ
ンプ126またはMayfieldクランプのようなヘッドクラン
プに固定するのに使用されるねじ148とクランプハンド
ル150を支持する。これにより、基準フレームは頭に関
して固定位置に配置されることが可能となり、頭の移動
は基準フレーム122の対応する移動をもたらすようにな
る。
部位(頭)に取り付けられた構造体と係合するための結
合機構をベース部材132上に構成し、それにより、ベー
ス部材132を頭に関して固定関係に維持するように頭に
関して固定の基準を提供する。
するための複数のLED152が等間隔で離間配置されてい
る。LED152はキャビティ140と連通している上部ベース1
34の穴154に取り付けられている。ワイヤ156が、LED152
の各端子に接続されており、キャビティ140内に配置さ
れている。ワイヤの他端部は、外科用案内システムのデ
ィジタイザ114と接続されるケーブルと係合するための
コネクタ158に接続されている。ケーブルはLED152を賦
活するための信号を提供する。コネクタ158は,ベース
プレート136から突出する支持凸部160上に取り付けられ
る。この支持凸部160は、ワイヤがコネクタ128に接続さ
れることを可能にするチャンネルを有している。図11C
は、本発明に従う基準フレーム122の好ましい1具体例
の配線図である。図11Cに例示されるように、各LED端子
は、コネクタ158の別個のピンに接続されている。本発
明はケーブルと係合するコネクタを有するものとして例
示されているけれども、基準フレームは、ケーブルを必
要としないように、電池作動としてもよい。
ら、患者の頭の回りに嵌合し、基準フレーム122上の複
数のLED152とカメラアレイ110との通信を可能にする。
基準フレーム122上の複数のLED152は、正確に既知の幾
何的配置で位置づけられており、ディジタイザ114によ
り計算されるところのLEDの幾何的位置を正確に既知の
幾何位置と比較することによってカメラアレイ110の較
正が連続的にチェックされ得るようになされている。こ
の情報の不一致は、基準フレーム122がカメラアレイ110
とより正確に通信し得るように、システムを再較正しあ
るいは基準フレーム122を再位置づけする必要性を指示
する。フレーム122はまた、較正用ディボット162を具備
する。特に、ディボット162は、上部ベース134内の正確
に位置づけられた凹部であり、医学的または外科的処置
中プローブの尖端の位置を較正しあるいは較正をチェッ
クするのに使用される。較正用ディボット162に関する
各LED152の正確な位置は既知である。それゆえ、較正用
ディボット162における局所化フレーム尖端の位置づけ
は、下記の態様でプローブの較正または較正チェックを
可能にする。プローブの尖端を較正用ディボット162内
に位置づけ、プローブ上のLEDをカメラアレイ110に光信
号を供給するように付勢する。基準フレーム122上のLED
もカメラアレイ110と通信するように付勢する。ディジ
タイザ114により計算された各LED152の位置に関するデ
ィボットの既知の位置を使用して、較正用ディボット16
2の位置を、プローブ上のLEDを使用してディジタイザに
より計算されたプローブ尖端の位置に比較し、もってデ
ィボット162に関してプローブ尖端に歪みがないことを
確認する。プローブ尖端の歪みは、それがカメラアレイ
110とより正確に通信するように、あるいはプローブを
再較正しあるいはプローブを引っ込める必要性を指示す
る。
の基準フレームの他の好ましい具体例を例示する。基準
フレーム122の場合と同様に、脊柱基準アークフレーム2
00は、上部ベース202を有し、そして該上部ベースがベ
ースプレート204と係合してその間にキャビティ206を形
成する。図12Aに示されるように、脊柱基準アームフレ
ーム200はほぼU字上の形態を有しており、LED208がU
字上部材の脚部209の端部と、U字上部材の脚部と基部2
11の交差点とに位置づけられている。図12D,12E,12Fに
例示されるような胸部−腰部取付け台212と係合するた
めの結合部21が基部211から横方向に突出している。基
部211上にはまた較正用のディボット214が配置されてい
るが、これは基準フレーム122の較正用ディボット162と
同じ目的を有する凹部である。結合部は、胸部−腰部取
付け台の24の均等に離間された歯218と係合するための
円形パターンで配置された24の均等に離間された歯216
を有している。これにより、脊柱基準アークフレーム20
0は、取付け台212に関して種々の角度を形成するように
位置づけることができる。脊柱アークフレーム200およ
び取付け台212を結合するために他の可変の位置コネク
タを使用することも企画される。ベースプレート204
は、ディジタイザ制御ユニット114へのケーブルを受け
入れるためのコネクタと係合するための開口を有してい
る。LED208は、図12Gの線図に例示されるように線222に
よりコネクタ220に接続される。
−腰部取付け台212は、軸線方向くり穴を有するクラン
プシャフト224を備えており、そのくり穴内に作動シャ
フト226が位置づけられている。作動シャフト226は、ク
ランプシャフト224の端部を越えて延びる作動ノブ228に
連結されている。作動シャフト226の作動ノブ228と反対
の端部は、内部ねじ付き穴230を有しており、これが作
動ねじ232の外部ねじ山と係合している。ねじ232のU字
状頭部234が両脚部間にピボットピン236を支持してい
る。ピボットピンはあご部238を貫通しおり、あご部が
ピボットピン236の回りに回転し、相互に移動して受入
れ領域240を形成していて、脊柱の骨やその他の体部位
はその中にクランプできる。あご部238は、脊柱の骨や
その他の体部位と係合するための歯239を有し、バネ負
荷され、スプリングプランジャ242によりそれらの開放
位置に保持される。作動ノブ228が作動ねじ232のねじ山
と係合するように回転されるとき、ねじ232は穴230中に
引かれ、あご部をハウジング246中に引く。この結果、
あご部がハウジング中に引かれるとき、ハウジング246
のカム作用面244があご部238の從節面248と係合するこ
ととなり、あご部を閉じ、受入れ領域240を閉鎖する。
凸部250を有しており、そしてこの歯は、脊柱基準アー
クフレーム200の結合部210の歯216と係合する。脊柱基
準アーククランプねじ252は、歯のアレイ218を通過し、
フレーム200の結合部210内のねじ付き開口254と係合す
る。ねじ252は開口254と係合し、歯216および218を一緒
にロックし、脊柱基準アークフレーム200と胸部−腰部
取付け台212との間の角度を固定する。その結果、取付
け台212が、骨を受入れ領域240に入れ作動ノブ228を回
転してあご部238と受入れ領域を閉鎖することによって
骨に結合されるとき、フレームは、あごが係合する骨に
関して固定位置にある。骨が動くと、フレーム200が動
き、これがカメラアレイ110により検出できる。
案内フレーム300の好ましい具体例が例示されている。
一般に、フレーム300は局所化フレーム302を備えてお
り、そしてこの局所化フレームは、生検案内304と支持
ピン306を支持している。局所化フレーム302は、上部ベ
ース308とベースプレート310より成り、両者は結合して
キャビティ312を形成し、キャビティ内にLED316を接続
するワイヤ314が位置づけられている。図13Aに図示され
るように、局所化フレームは、細長の部分318と脚部322
および324を有するほぼV字上の部分320とを有してい
る。各脚部の端部にはLED316が配置され、また細長の部
分318の端部にはLED316が配置されている。その結果、
4個のLEDは矩形状のアレイを形成している。しかしな
がら、下にある局所化フレーム302は矩形形態を有して
おらず、それが、図13D,13Eに関して例示、説明される
ドリル案内アセンブリのような他の用途に適合されるこ
とを可能にしている。一般に、V字状部分320は、LED31
6の矩形形態を実現するために細長の部分183から横方向
に延びている。LED316に対する矩形形態は必要とされ
ず、実際には局所化フレーム302の配向を一意的に区別
するためにLED316に対しては梯形形態が好ましいかもし
れないことを留意されたい。支持ピン306は上部ベース3
08中を通り、実質的に、細長の部分318により画定され
る直線軸線に平行である。支持ピンの目的306は、クラ
ンプが支持ピンと係合することを可能にし、それにより
局所化生検案内フレーム300が、生検針(ニードル)を
案内するように、体部位に関して特定の位置に置かれ得
るようにする。
案内304と嵌合するが、この生検案内は、上部ベース308
の頂部に取り付けられクランプ328により適所に保持さ
れている。クランプ328は4本のねじ330により上部ベー
ス308に係合し、取り付けられている。上部ベース308
は、生検案内326を受容するためのシートを形成する半
円形のチャンネル332を具備している。案内304は、一端
にカラーを有する中空管334を備え、そしてこのカラー
は、止め螺子338を受容するための螺子付の半径方向開
口を有している。
を供給するためのディジタイザ114に接続されるケーブ
ルと係合するためのコネクタ340と嵌合している。図12G
は、コネクタ340と4個のLEDを相互接続する配線の好ま
しい具体例を例示している。局所化フレーム302は、基
準フレーム122と同じ材料、すなわちオートクレーブ可
能なULTEM 1000ブラックより成る。生検案内304は、ス
テンレススチールまたは他の任意のオートクレーブ可能
な金属またはプラスチック材料とし得る。基準フレーム
の場合と同様に、局所化フレームは電池作動とし得、そ
れによりケーブルまたはケーブルと係合するためのコネ
クタの必要性を排除する。
の他の局所化デバイスを例示する。アセンブリ350は、
支持ピンを有しない以外、局所化生検案内フレーム300
に使用されたフレームと同じ局所化フレーム302を備え
ている。フレームは、生検案内管アセンブリ304の代わ
りにハンドルおよびドリル案内アセンブリ354を受け入
れる半円形のチャンネル332を上部ベース308に有してい
る。アセンブリ354は、処置を行う技術者または看護婦
により使用されるハンドル356を備える。ハンドル356
は、半円形チャンネル332内に座着されるシャフト360を
受容するためのくり穴358を有している。シャフトは、
ドリル案内管364を支持する一体のカラー362に終端す
る。ドリル案内管364の軸線は、シャフト360の軸線に関
してある角度に配置されており、ドリル先端が患者の体
に入っていく点に関してドリル案内管364を整列するの
を補助する。一つの好ましい1具体例において、ハンド
ルおよびドリル案内アセンブリ354は、標準の既製機器
であり、これが局所化フレーム302のチャンネル332に装
着される。ハンドルおよびドリル案内アセンブリ354
は、Sofamor Danek Part870−705とし得る。ねじ366
(高温度RTVコンパウンドで絶縁されたヘッドを有す
る)が、シャフト36を局所化フレーム302の上部ベース3
08に取り付け、それをチャンネル332内の適所に保持す
る。上述のように、局所化フレーム302のV字状部分320
は、その脚部322および324間に開口368を形成するか
ら、ドリル案内管364は、両者間に位置づけられ、局所
化フレーム302によりほぼ画定される平面から下方に突
出する。これにより、外科医は、管中を覗くことによっ
てドリル案内管364の位置を照準合せすることができ
る。コネクタ370はコネクタ340と類似である。ただし、
局所化ドリル案内アセンブリ350のより大きな運動の自
由度を可能にするようにケーブルに関してある角度の係
合をなすことが異なる。上述の局所化の場合と同様に、
フレームそれ自体はオートクレーブ可能なULTEM1000よ
り成る。ハンドル案内は、木、プラスチックまたは任意
の他のオートクレーブ可能な材料でよく、ドリルは、金
属、プラスチックまたはステンレススチールのような他
のオートクレーブ可能な材料でよい。図13Jは、局所化
ドリル案内アセンブリ350用の配線の好ましい具体例を
例示する。
の形式の他の局所化デバイスを例示するものである。こ
のフレーム400は、局所化生検案内フレーム300および局
所化ドリル案内アセンブリ350に対する局所化フレーム
と同じ構造の局所化フレームを備える。ベースプレート
310の下側から支持部材402が突出しており、そしてこの
支持部材402はまたドリルヨーク404を、局所化フレーム
302により画定される平面に実質的に垂直な平面に支持
している。ヨーク404は、実質的に、Rexドリルのハウジ
ング上に嵌合しかつ止めねじ406によりそれに固定され
たカラーである。ドリルヨーク局所化フレーム400は、
ドリルハウジングが外科手術中に使用のため正確に位置
づけられることを可能にする。
接続されるケーブル408を受け入れるためのコネクタ408
を支持している。支持部材402は、中空のチャンネルを
有しているから、コネクタ408はLED316に接続するワイ
ヤ410に接続し得る。図13Jは、LED316とコネクタ408間
の配線の好ましい1具体例を例示するものである。
の局所化デバイスを例示する。プローブ500は、支持シ
ャフト506を受け入れるためのくり穴504を有するハンド
ル502を備え、そしてこの支持シャフト506は、ハンドル
502の軸線に平行な軸線に沿ってカテーテル案内管508を
支持している。ハンドルは、その上面にカメラアレイ11
0と通信するための三つのLED510を具備する。ハンドル5
02は、コネクタ514を受け入れるためのくり穴512で終端
する中空のチャンネルを有する。コネクタ514は、LED51
0の端子に接続されるワイヤ516に接続されている。図13
Jは、コネクタ514とLED510を相互接続するための配線の
好ましい1具体例を例示している。動作において、管58
は体例えば脳内に位置づけられ、カテーテルが体内に挿
入されるようになされる。管508は、カテーテルが挿入
されることを可能にする頂部スロット518を備えてい
る。好ましくは、管の中心における管の尖端は三つの全
LED510のチップ高さと同一直線状にあり、それによりそ
の間に直線軸線が形成されるのがよい。この軸線と、尖
端およびLED510間の距離の予定された知識に基づいて、
カメラ110とディジタイザ114とは、外科または医科的処
置中任意の時点における尖端の位置を決定できる。
フレームを体部位に取り付ける。例えば、頭蓋基準アー
クフレーム122はMayfieldクランプのようなヘッドクラ
ンプにより頭に直接取り付けることができ、あるいは脊
柱基準アークフレーム200は胸部−腰部取付け台212によ
り脊柱の骨に直接取り付けることができる。その後、体
部位の動きは、取り付けられたフレームに対応する動き
を生じさせる。体部位の位置は、基準フレームのLEDを
付勢してカメラアレイ110に信号を供給し、その結果カ
メラアレイが、基準フレームの位置、したがって体部位
の位置を決定、追跡できるようにして追跡できる。
づけるのに使用される。例えば、局所化生検案内フレー
ム300は、生検針を体部位に関して位置づけるのに使用
できる。代わりに、局所化ドリル案内アセンブリ350
は、ドリル尖端を体部位に関して位置づけるのに使用で
きる。代わりに、ドリルヨーク局所化フレーム400は、
ドリルを体部位に関して位置づけるのに使用できる。代
わりに、脳室造瘻プローブ500は、カテーテルを体部位
に関して位置づけるように使用できる。機器の位置は、
局所化フレームのLEDを付勢してカメラアレイ110に信号
を供給し、その結果カメラアレイが局所化フレームの位
置、したがって機器の位置を決定、追跡できるようにし
て、追跡できる。
置が決定される。処置前走査中に使用されるマーカー
は、基準フレームにより画定される外科空間の座標に位
置づけられ、識別される。マーカーとして解剖構造的目
標を使用できることに留意されたい。これは処置前走査
空間と外科空間との間の関係を提供する。一度この関係
が設定されると、システムは基準フレームに関する処置
前スキャンの位置を知り、それにより体部位に関する局
所化フレームと機器の体部位に関する位置を示すスキャ
ンを生成する。換言すると、システムは像案内外科手術
を遂行する。システムは、理想的には、小さく、深く根
づく管の障害や腫瘍を見出し、かつ顕微鏡外科手術の程
度を低減するように適合されるのがよい。これは境界を
識別するのにも有用である。例えば、医者は通常の脳と
大きなテント上の神経膠腫間の境界を識別使用とするこ
とが想像されるが、これは処置前のスキャンに明瞭に示
されるが、処置中に手術室で可視的に見つけるのが難し
い場合がある。外科医は、局所化プローブを採用し、そ
れを境界の点に位置づける。基準フレームおよび局所化
フレームのLEDを、フットスイッチ116を使用することに
よって点火する。その結果、モニタ106は、処置前のス
キャンに関するプローブの位置を示すスクリーンを提示
することになる。外科医は、モニタを参照することによ
って、プローブが境界を一層正確に位置決めする方向を
決定できる。一度境界が決定されれば、マイクロコット
ノイドマーカーを、切除が開始される前に、モニタ上に
表示される腫瘍の境界に付けることができる。特に小心
室を有する患者や1回のパスを望ましくする潜在的血液
凝固障害(例えば肝臓疾患、後天的免疫欠乏症候群な
ど)を有する患者において、側路、脳室造瘻あるいは貯
蔵器官に対する室カテーテルの取付けも、システムの使
用により容易となる。システムはまた、走触性生検を遂
行するにも有用である。本システムに関する追加の情報
として、下記の論文を参照されたい。
mage−Guided,Frameless Stereotaxy,Neurosurgery,Vo
l.37,No.2,1995年8月。
e,Minimally Invasive Solution to Frameless Stereot
actic Neurosurgery,Commputerized Medical Imaging a
nd Graphics,Vol.18,No.4,pp.247−256,1994。
他の有利な結果がもたらされることが理解されよう。
造、製品および方法に種々の変更をなし得るから、上述
の説明および添付の図面に含まれる内容は、例示として
解釈されるべきものであり、制限的意味を有するもので
はない。
Claims (23)
- 【請求項1】体上への医学的または外科的処置中に使用
するためのシステムであって、特定の体要素に対する基
準点が前記特定の体要素に対して既知の空間的関係を有
するように、1または複数の各体要素に対する基準点を
有し、体について取得されるスキャンにより表される前
記処置前に生成される像データセットに基づいて、処置
中の1または複数の体要素の位置を表わすディスプレイ
を変位された像データセットから生成し、 処置中、表示されるべき1または複数の各体要素に対す
る基準点の位置を識別するための第1の手段と、 第1の通信手段を有する基準アレイと、 第2の通信手段を用いて前記体要素の1つに取り付けら
れ、前記基準アレイに対する自身の位置を指示するため
に前記基準アレイと通信する基準フレームと、 前記第1の識別手段により識別されるところの、処置中
の基準点の識別された位置にしたがって像データセット
を変更するプロセッサであって、処置中の1または複数
の体要素の位置および幾何形態を表示する前記変位され
た像データセットを生成するプロセッサと、および プロセッサにより生成される変位された像データセット
を利用して、処置中の1または複数の体要素の位置およ
び幾何形態を表示するディスプレイとから成ることを特
徴とするシステム。 - 【請求項2】前記基準点が前記1または複数の体要素に
対して定められ、更に、 医療器具、外科器具、プローブ、および放射線供給シス
テムの1つを含む第1の装置、 前記1または複数の体要素に関する前記第1の装置の位
置を処置中に識別するための第2の手段から成り、 前記ディスプレイが、前記第1の装置に関する前記1ま
たは複数の体要素の相対位置を処置中に示すことを特徴
とする、請求項1に記載のシステム。 - 【請求項3】前記第2の識別手段が前記1または複数の
体要素に関する前記第1の装置の配向を決定し、前記デ
ィスプレイが前記1または複数の体要素に関する前記第
1の装置の配向を示すことを特徴とする、請求項2に記
載のシステム。 - 【請求項4】前記基準アレイと通信する整合プローブを
更に含み、前記決定手段が前記基準アレイに関する前記
整合プローブの先端の位置を決定するように適合され、
前記1または複数の体要素に対する前記基準点の位置が
前記整合プローブの先端を前記各基準点に位置決めする
ことにより決定できることを特徴とする、請求項1から
3の何れか1つに記載のシステム。 - 【請求項5】前記基準フレームが前記1または複数の体
要素の1つに関して既知の関係にある位置を有し、前記
基準アレイに関する前記基準フレームの位置を決定する
ための手段を更に含み、前記1または複数の各体要素に
対する前記各基準点の相対位置を再び識別することなく
移動後に前記1または複数の各体要素の位置をシステム
が決定できるように、前記1または複数の体要素が前記
基準フレームに関して既知の関係のある間に前記体が処
置中に移動可能であることを特徴とする、請求項1から
4の何れか1つに記載のシステム。 - 【請求項6】複数の基準フレームを更に含み、前記複数
の基準フレームの各々が別々の体要素に関して固定され
るように形成され、および各体要素に対する前記基準点
の位置に対して相互に関連させられ、前記複数の基準フ
レームの各々が前記基準アレイと通信することを特徴と
する、請求項1から5の何れか1つに記載のシステム。 - 【請求項7】前記第1の識別手段が前記1または複数の
各体要素の輪郭の位置を処置中に決定するための第2の
装置を含み、前記プロセッサが前記第2の装置により処
置中に決定されたような前記1または複数の各体要素の
輪郭の位置を前記像データセットにより処置前に表され
たような前記1または複数の各体要素の輪郭の位置と比
較することを特徴とする、請求項1から6の何れか1つ
に記載のシステム。 - 【請求項8】前記1または複数の各体要素を定める像デ
ータサブセットを創生することにより前記像データセッ
トの前記1または複数の体要素を実質的に弁別するため
の手段を更に含み、前記プロセッサが前記第1の識別手
段により識別されたように前記基準点の前記識別された
位置に従って前記像データサブセットを処置中に変更す
ることを特徴とする、請求項1から7の何れか1つに記
載のシステム。 - 【請求項9】前記プロセッサが、前記変位されたデータ
セットが前記転送された像データセットから成るための
処置中の前記1または複数の体要素の位置および形状を
表すために処置前に前記体要素の位置および形状を表す
前記各像データセットを転送することを特徴とする、請
求項1から8の何れか1つに記載のシステム。 - 【請求項10】前記プロセッサが前記第1の装置の位置
を監視し、監視された位置が前記第1の装置が予め定め
られた安全帯域の外側にあることを指示するときに前記
第1の装置を停止させることを特徴とする、請求項2か
ら9の何れか1つに記載のシステム。 - 【請求項11】前記第1の装置の位置を制御するための
ロボットを更に含み、前記プロセッサが前記第1の装置
の位置を監視し、前記ロボットに前記第1の装置を予め
定められた方法で制御するように指示することを特徴と
する、請求項2から10の何れか1つに記載のシステム。 - 【請求項12】前記基準アレイの前記第1の通信手段が
センサを含み、前記整合プローブが前記基準アレイに関
する前記整合プローブの位置を指示するために前記基準
アレイの前記センサと通信する放射器を含むことを特徴
とする、請求項4から11の何れか1つに記載のシステ
ム。 - 【請求項13】前記整合プローブがセンサを含み、前記
基準アレイの前記第1の通信手段が前記基準アレイに関
する前記整合プローブの位置を指示するために前記整合
プローブの前記センサと通信する放射器を含むことを特
徴とする、請求項4から11の何れか1つに記載のシステ
ム。 - 【請求項14】前記基準アレイの前記第1の通信手段が
放射器を含み、前記基準フレームの前記第2の通信手段
が前記基準アレイに関する前記基準フレームの位置を指
示するために前記基準アレイの前記放射器と通信するセ
ンサを含むことを特徴とする、請求項1から13の何れか
1つに記載のシステム。 - 【請求項15】前記基準フレームの前記第2の通信手段
がセンサを含み、前記基準アレイが前記1または複数の
体要素の1つに取り付けられ、および前記基準アレイの
前記第1の通信手段が前記基準アレイに関する前記基準
フレームの位置を指示するために前記基準フレームの前
記センサと通信する放射器を含むことを特徴とする、請
求項1から13の何れか1つに記載のシステム。 - 【請求項16】前記基準アレイの前記第1の通信手段が
センサを含み、および前記基準フレームの前記第2の通
信手段が前記基準アレイに関する前記基準フレームの位
置を指示するために前記基準アレイの前記センサと通信
する放射器を含むことを特徴とする、請求項1から13の
何れか1つに記載のシステム。 - 【請求項17】前記基準フレームの前記第2の通信手段
が放射器を含み、前記基準アレイが前記1または複数の
体要素の1つに取り付けられ、および前記基準アレイの
前記第1の通信手段が前記基準アレイに関する前記基準
フレームの位置を指示するために前記基準フレームの前
記放射器と通信するセンサを含むことを特徴とする、請
求項1から13の何れか1つに記載のシステム。 - 【請求項18】前記第1の識別手段が処置中の前記1ま
たは複数の各体要素の輪郭の位置を決定するための超音
波プローブまたはスキャナを含み、および前記プロセッ
サが前記超音波プローブまたはスキャナにより決定され
たような処置中の前記1または複数の各体要素の輪郭の
位置を前記1または複数の体要素の輪郭が決定されるた
めの前記像データセットにより表されるような処置前の
前記1または複数の各体要素の輪郭の位置と比較するこ
とを特徴とする、請求項1から17の何れか1つに記載の
システム。 - 【請求項19】前記第1の識別手段が処置中の前記1ま
たは複数の各体要素の投射の位置を決定するための蛍光
透視装置を含み、および前記プロセッサが処置中の前記
1または複数の各体要素の投射の位置を処置前の前記1
または複数の各体要素の投射の位置と比較することを特
徴とする、請求項1から17の何れか1つに記載のシステ
ム。 - 【請求項20】前記蛍光透視装置が蛍光透視プレートに
関する蛍光透視管を含み、前記蛍光透視プレートと前記
蛍光透視管の間に前記体要素が処置中の前記1または複
数の各体要素の投射の位置を決定するために配置される
ことを特徴とする、請求項19に記載のシステム。 - 【請求項21】前記基準アレイの前記第1の通信手段が
センサを含み、前記基準フレームが前記1または複数の
体要素の1または複数の連続的または周期的に検出およ
び追跡できる第3の装置を含み、および前記基準フレー
ムの前記第2の通信手段が前記基準アレイに関する前記
基準フレームの位置を指示するために前記基準アレイの
前記センサと通信する放射器を含むことを特徴とする、
請求項1から19の何れか1つに記載のシステム。 - 【請求項22】機器を案内するための案内装置を更に含
み、前記案内装置が前記機器を受け入れて案内するため
の案内管を有し、前記案内管が前記機器が前記中空内面
を通過するための中空内面および開口を一端に有し、お
よび前記基準アレイまたは前記基準フレームと通信する
ための基準点を有することを特徴とする、請求項1から
21の何れか1つに記載のシステム。 - 【請求項23】前記基準点の位置に基づいて前記開口を
有する前記案内管の端部の位置および/または配向を決
定するための第3の識別手段を更に含み、前記ディスプ
レイが処置中の前記1または複数の体要素に関する前記
案内装置の位置および/または配向を示すことを特徴と
する、請求項22に記載のシステム。
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