JP4524284B2 - 外科手術を計画するための心臓撮像システム及び方法 - Google Patents
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Description
本願は、２００３年７月１日に出願された米国特許仮出願第６０／４８４０１２号の利益を請求するものであり、その内容全体を参照により本願に援用する。
本開示は、一般に、心臓外科バイパスシステムに関し、より詳細には、低侵襲的直接冠動脈バイパス外科手術（ＭＩＤＣＡＢ：ｍｉｎｉｍａｌｌｙ ｉｎｖａｓｉｖｅ ｄｉｒｅｃｔ ｃｏｒｏｎａｒｙ ａｒｔｅｒｙ ｂｙｐａｓｓ ｓｕｒｇｅｒｙ）を計画するための心臓撮像システム及び方法に関する。
本開示は、一般に、心臓外科バイパスシステムに関し、より詳細には、低侵襲的直接冠動脈バイパス外科手術（ＭＩＤＣＡＢ：ｍｉｎｉｍａｌｌｙ ｉｎｖａｓｉｖｅ ｄｉｒｅｃｔ ｃｏｒｏｎａｒｙ ａｒｔｅｒｙ ｂｙｐａｓｓ ｓｕｒｇｅｒｙ）を計画するための心臓撮像システム及び方法に関する。
背景技術
米国心臓協会（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｈｅａｒｔ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）の統計によれば、米国だけで毎年５００，０００件を超える冠動脈バイパス移植（ＣＡＢＧ：ｃｏｒｏｎａｒｙ ａｒｔｅｒｙ ｂｙｐａｓｓ ｇｒａｆｔ）が実施される。冠動脈の疾患では、心筋に血液を運ぶ動脈（すなわち、冠動脈）が、脂肪の蓄積であるプラークによって塞がった状態となる。ＣＡＢＧ手術の期間、心臓への血流及び酸素を改善するために、血液は、塞がった動脈の周りで経路変更される。左内胸動脈などの健康な血管が胸壁から切り離され、その後、閉塞した領域を迂回するために使用される。あるいは、また、脚部の静脈の一部をＣＡＢＧに使用することもできる。血管／静脈の一端は、大動脈（心臓から出ていく大きな動脈）上に縫い付けられ、他端は、閉塞した領域を越えたところで（又は過ぎたところに、又は遠位において）冠動脈に取り付けられ、又は「移植」される。患者は、同時に複数のバイパスを受けることができる。
米国心臓協会（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｈｅａｒｔ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）の統計によれば、米国だけで毎年５００，０００件を超える冠動脈バイパス移植（ＣＡＢＧ：ｃｏｒｏｎａｒｙ ａｒｔｅｒｙ ｂｙｐａｓｓ ｇｒａｆｔ）が実施される。冠動脈の疾患では、心筋に血液を運ぶ動脈（すなわち、冠動脈）が、脂肪の蓄積であるプラークによって塞がった状態となる。ＣＡＢＧ手術の期間、心臓への血流及び酸素を改善するために、血液は、塞がった動脈の周りで経路変更される。左内胸動脈などの健康な血管が胸壁から切り離され、その後、閉塞した領域を迂回するために使用される。あるいは、また、脚部の静脈の一部をＣＡＢＧに使用することもできる。血管／静脈の一端は、大動脈（心臓から出ていく大きな動脈）上に縫い付けられ、他端は、閉塞した領域を越えたところで（又は過ぎたところに、又は遠位において）冠動脈に取り付けられ、又は「移植」される。患者は、同時に複数のバイパスを受けることができる。
人工心肺装置を使用する心肺バイパスは、通常、ＣＡＢＧ処置時に心臓の動きを停止させるために使用される。ＣＡＢＧは、多くの場合、最適な処置である（また、今日実施される最も一般的な外科処置の１つである）が、この外科処置にも、またＣＡＢＧ処置の間に必要とされる心肺バイパス技術にも、いくつか潜在的な合併症がある。ニューイングランド・ジャーナル・オブ・ネディスン（Ｎｅｗ Ｅｎｇｌａｎｄ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ）に掲載された最近の研究では、ＣＡＢＧ処置後、患者の５３パーセントで、退院時に精神的鋭敏さが減退していた。長期にわたる入院及び起こり得る輸血の必要に加えて、切開部位での胸骨創感染が、患者の１〜４パーセントで起こる可能性があり、約２５パーセントの死亡（致死）率をもたらす。さらに、８パーセントもの患者が、ＣＡＢＧ処置の結果、腎臓機能障害を発症することがある。
ＣＡＢＧに付随した上記問題の結果、一部の患者で代替手段として低侵襲的直接冠動脈バイパス（ＭＩＤＣＡＢ）外科手術が使用されており、このＭＩＤＣＡＢ処置は、人工心肺装置に頼る必要がない。ＭＩＤＣＡＢ外科手術では、患者の胸部に１０〜１２ｃｍのアクセス切開創が作られ、その後、外科手術時に心臓を安定させるために、幾つかの異なる器具が使用される。次いで、外科医は、心臓が人工的なサポートなしに鼓動している状態で、病変した冠動脈に移植片をつなぐ。手術の性質ゆえに、移植（血管の取付け）は、外科医の直視下で実施されなければならず、バイパスされるべき冠動脈は切開創（外科的開口部）の直下に位置しなければならない。したがって、この処置は、現在のところ、ごく限られた数の患者で、また、１つ又は２つの動脈だけがバイパスを必要とすることがわかっている場合にしか使用されていない。
ＣＡＢＧを必要とする患者の３０パーセントよりも多くの人にＭＩＤＣＡＢ外科手術の適応性があると推定されるが、現在、この処置は、この未知の因子の理由から、患者のわずか１０パーセントでしか実施されていない。したがって、この処置の実施をより効果的かつ容易にする、改善されたシステム及び方法が明確に必要とされている。
発明の簡単な説明
前述の及びその他の従来技術の欠点ならびに欠陥は、患者のために低侵襲的直接冠動脈バイパス外科手術（ＭＩＤＣＡＢ）を計画する方法によって克服又は軽減される。例示的な一つの実施の形態では、該方法には、医用撮像システムから獲得データを取得するステップと、関心のある冠動脈及び１つ又は複数の心腔の３Ｄモデルを生成するステップとが含まれる。３Ｄモデル上で１つ又は複数の解剖学的ランドマークが識別され、セーブされた３Ｄモデルのビューが介入システム上で登録される。登録された１つ又は複数のセーブされたビューが介入システムによって視覚化される。
前述の及びその他の従来技術の欠点ならびに欠陥は、患者のために低侵襲的直接冠動脈バイパス外科手術（ＭＩＤＣＡＢ）を計画する方法によって克服又は軽減される。例示的な一つの実施の形態では、該方法には、医用撮像システムから獲得データを取得するステップと、関心のある冠動脈及び１つ又は複数の心腔の３Ｄモデルを生成するステップとが含まれる。３Ｄモデル上で１つ又は複数の解剖学的ランドマークが識別され、セーブされた３Ｄモデルのビューが介入システム上で登録される。登録された１つ又は複数のセーブされたビューが介入システムによって視覚化される。
他の実施の形態では、患者のために低侵襲的直接冠動脈バイパス外科手術（ＭＩＤＣＡＢ）を計画する方法は、冠動脈及び左心室を対象としたプロトコルを使用して医用撮像システムから獲得データを取得するステップを含む。獲得データは、冠動脈及び左心室を視覚化するために、３Ｄプロトコルを使用してセグメント化される。患者の冠動脈及び左心室の３Ｄモデルが生成され、３Ｄモデル上の１つ又は複数の解剖学的ランドマークが識別される。３Ｄモデルのセーブされたビューは、介入システム上に登録され、登録された１つ又は複数のセーブされたビューが介入システムによって視覚化される。３Ｄモデルから、冠動脈及び左心室に関係した向きならびに異常が識別される。
他の実施の形態では、患者のために低侵襲的直接冠動脈バイパス外科手術（ＭＩＤＣＡＢ）を計画する方法には、冠動脈及び左心室を対象としたプロトコルを使用して、心臓コンピュータ断層撮影（ＣＴ）撮像システムから獲得データを取得するステップが含まれる。獲得データは、冠動脈の内部ビューを含めて、冠動脈及び左心室を視覚化するために、３Ｄプロトコルを使用してセグメント化される。患者の冠動脈及び左心室の３Ｄモデルが生成され、３Ｄモデル上の１つ又は複数の解剖学的ランドマークが識別される。３Ｄモデルのセーブされたビューは蛍光透視システム上に登録され、登録された１つ又は複数のセーブされたビューが蛍光透視システムによって視覚化される。３Ｄモデルから、冠動脈及び左心室に関係した向きならびに異常が識別される。
他の実施の形態では、患者のために低侵襲的直接冠動脈バイパス外科手術（ＭＩＤＣＡＢ）を計画するシステムは、獲得データを生成する医用撮像システムと、獲得データを受け取って、患者の冠動脈及び左心室の１つ又は複数の画像を生成する画像生成サブシステムとを含む。オペレータ・コンソールは、生成された画像の１つ又は複数の上の１つ又は複数の解剖学的ランドマークを識別するように構成されており、ワークステーションは、３Ｄモデルのセーブされたビューを介入システム上に登録する事後処理ソフトウェアを備える。介入システムは、登録された１つ又は複数のセーブされたビューを視覚化し、関心のある心臓点に関する距離及び位置情報を定量化し、かつ関心のある心臓点に関する定量化された距離及び位置情報に基づいて、ＭＩＤＣＡＢのための切開位置及び経路を特定するように構成される。
いくつかの図面においては類似の要素には同様の番号が付されており、例示的な諸図面を参照する。
発明の詳細な説明
本明細書では、医療従事者（例えば、電気生理学者、心臓病学者、外科医）が処置のために取るべきアプローチを予め計画できるように、低侵襲的直接冠動脈バイパス外科手術（ＭＩＤＣＡＢ）を計画するための心臓撮像システム及び方法が開示される。より詳細な３Ｄ及びナビゲータ（内部）ビューにより、ＣＴ、磁気共鳴撮像、超音波などの撮像手法によって、冠動脈及び左心室（ＬＶ）の幾何学的表示が得られる。これにより、医療従事者は、ＭＩＤＣＡＢの標的とすべき冠動脈内の閉塞の向き、サイズ、異常及び範囲を識別することができる。この情報を使用すると、切開創が最も適切な部位に作られた、より多くの領域を標的とすることができ、また同時に切開創をより小さくできる、ＭＩＤＣＡＢのための一層正確なアプローチを取ることができる。
本明細書では、医療従事者（例えば、電気生理学者、心臓病学者、外科医）が処置のために取るべきアプローチを予め計画できるように、低侵襲的直接冠動脈バイパス外科手術（ＭＩＤＣＡＢ）を計画するための心臓撮像システム及び方法が開示される。より詳細な３Ｄ及びナビゲータ（内部）ビューにより、ＣＴ、磁気共鳴撮像、超音波などの撮像手法によって、冠動脈及び左心室（ＬＶ）の幾何学的表示が得られる。これにより、医療従事者は、ＭＩＤＣＡＢの標的とすべき冠動脈内の閉塞の向き、サイズ、異常及び範囲を識別することができる。この情報を使用すると、切開創が最も適切な部位に作られた、より多くの領域を標的とすることができ、また同時に切開創をより小さくできる、ＭＩＤＣＡＢのための一層正確なアプローチを取ることができる。
以下に示す例示的な実施の形態は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）撮像システムとの関連で説明されるが、理解されるように、当該技術分野で公知の他の撮像システム（例えば、磁気共鳴、超音波、３Ｄ蛍光透視法）もＭＩＤＣＡＢの計画に関して企図される。
ここで図１を参照すると、心臓撮像のためのサポートを備えた、例示的な心臓コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム１００の概観が示されている。やはり、当該技術分野で公知の他の撮像システム（例えば、磁気共鳴、超音波、３Ｄ蛍光透視法）も本発明の実施の形態で使用できるので、心臓ＣＴシステム１００が単なる一例として提示されるにすぎないことを理解すべきである。システム１００のスキャナ部１０２には、スキャナ・インターフェース・ボード１０８を通じてスキャナ１０６にＲピークイベントを出力するＥＫＧモニタ１０４が含まれる。スキャナ・インターフェース・ボード１０８の適切な一例はガントリ・インターフェース・ボードであり、ＥＫＧシステムをスキャナに接続するために使用することができる。スキャナ部１０２によって規定される心臓ＣＴサブシステムは、ＥＫＧゲート制御された獲得又は画像再構成機能を用いて、拡張期における並びに収縮期及び拡張期初期の複数の相にある、動きのない心臓（より具体的には、冠動脈及び左心室）を撮像する。
データは、スキャナ部分１０２から、データ獲得、データ制御及び画像生成を実行するソフトウェアを含むサブシステム１１０へと出力される。さらに、Ｒピークのタイムスタンプを含め、スキャナ１０６から出力されるデータは、獲得データベース１１２に格納される。獲得は、拡張期における並びに収縮期及び拡張期初期の複数の相にある、心臓、具体的には冠動脈及びＬＶの撮像に最適化された１つ又は複数の獲得プロトコルにしたがって実行される。画像生成は、冠動脈の向き、サイズ及び異常を識別するために、ＣＴ画像データセットの自動画像セグメンテーションのための１つ又は複数の最適化された３Ｄプロトコルを使用して実行される。この３Ｄプロトコルは、さらに、冠動脈内の病変のサイズ及び範囲を評価するために、冠動脈のナビゲータ（内部）ビューを生成するように最適化される。
画像データストリーム１１４はオペレータ・コンソール１１６に送られる。オペレータ・コンソール１１６でソフトウェアによって検査処方及び視覚化のために使用されるデータは、画像データストリーム１１４からのデータとともに画像データベース１１８内に格納される。表示画面１２０が、検査処方及び視覚化処理のオペレータに対して提供される。画像データは、保管、フィルムへの焼き付け、又は、３Ｄ事後処理を含む分析及びレビューのためにネットワーク１２２によってワークステーション１２４へ送られる。ワークステーション１２４において示される事後処理ソフトウェアは、ＬＶの解剖学的構造、収縮期のＬＶ壁の動き（すなわち、ＬＶ収縮性）、心外膜脂肪位置、生存組織の位置、血管、ならびにその分岐及び向きについてのＣＴ画像データセットの自動画像セグメンテーションからの１つ又は複数の最適化された３Ｄプロトコル及び短軸プロトコルが含まれる。
事後処理ソフトウェアの３Ｄプロトコル及び短軸プロトコルによって、該ソフトウェアが、血管、分岐及びＬＶのスローモーション・シネ、特に、ＬＶの後外側壁又は他の領域を含むＬＶのビューを提供することができる。これらの特別なビュー及びビデオ（シネ）クリップは、医療従事者が介入計画及び処置に使用するために、心室ファイルの３Ｄレンダリング１２６及びＬＶ短軸画像１２８にセーブされる。事後処理ソフトウェアは、また、胸壁及び心室表面の詳細な３Ｄモデル１３０のエクスポートをもたらす。（色分け、輪郭描画、ムービービューなどによって実現される）３Ｄモデル１３０は、ワークステーション１２４と関連する表示画面１３２上で見ることができ、関心のあるランドマークにおいてボリュームに挿入された幾何学的マーカを含むように構成されており、胸壁及びＬＶは不透明な幾何学的ランドマークとともに半透明の形で視覚化される。
さらに、３Ｄモデル１３０は、これだけに限るものではないが、ワイヤメッシュ幾何学モデル、輪郭線の組、２値画像のセグメント化されたボリューム、及び、放射線治療（ＲＴ）ＤＩＣＯＭ（医用デジタル画像及び通信）オブジェクト基準又は類似のオブジェクトを使用するＤＩＣＯＭオブジェクトを含む幾つかのフォーマットのいずれかでエクスポートすることができる。また、当該技術分野で公知の他のフォーマットも、３Ｄモデル１３０を格納／エクスポートするために使用することができる。
次に図２を参照すると、本発明の他の実施の形態に係る、ＭＩＤＣＡＢ計画のための方法を示す流れ図２００が示されている。ブロック２０２から始まって、初めに、心臓の冠動脈及びＬＶ部位に対して好ましくは最適化されたプロトコルを使用して、心臓ＣＴシステム上で一連のデータが獲得される。患者の一連のデータから、連続画像の連続シーケンスが収集されるが、その際、より高速のスキャナ及びＣＴスキャンとＥＣＧ（心電図）信号上のＱＲＳ（ピーク）との同期を使用する、より短いスキャン時間が、心臓のような鼓動している臓器の運動アーチファクト（例えば、ぼけ、影、縞）を低減する。短い獲得時間で一連のデータを収集する能力によって、一層精密な解剖学的ランドマークの描写を有する画像の再構成が可能になり、理解をより容易にする。
ブロック２０４では、ＭＩＤＣＡＢに最適化された３Ｄプロトコル及び短軸プロトコルを使用して、事後処理ソフトウェアによって画像データセットがセグメント化される。オペレータからのキューの有無に関わらず、適切な場合、自動又は半自動処置を使用することができる。この操作は、変位プロファイルを得るために各相及びスライス位置について短軸再フォーマットされた心臓画像に実施することができ、又は多相の長軸再フォーマットされた心臓画像に実施することができる。
次いで、ブロック２０６に示したように、冠動脈及び心室の輪郭、位置、向き、寸法など、冠動脈及び心室の或る定量的特徴、ならびに心室の瘢痕組織の機能及び領域を提供する、冠動脈及びＬＶの３Ｄモデルを作成するために、３Ｄ表面及び／又はボリューム・レンダリングを使用して冠動脈及びＬＶが視覚化される。ブロック２０８に示すように、ＭＩＤＣＡＢの標的とされた冠動脈内の病変の向き、サイズ、及び範囲が識別される。この方法では、ブロック２１０に示すように、血管のサイズ及び輪郭ならびに病変のサイズ及び範囲が測定されて決定される。
例えば、図３は、胸部及び心臓ならびにそれらの空間的関係の例示的なＣＴ画像を示す。ＭＩＤＣＡＢを計画するために３Ｄで正確な距離及び角度を測定することができ、さらに、そのような情報を使用して、厚さグラフ又はプロット、ならびに即時分析のための３Ｄ幾何学的視覚化を生み出すこともできる。この情報は、胸壁を通過する最適経路の識別及び隔離に大きく貢献することができる。
再び図２を参照すると、方法２００は、胸壁、冠動脈及び心室上の解剖学的ランドマークの識別のために、ブロック２１２に進む。次いで、ブロック２１４で、明示的な幾何学的マーカが当該ランドマークにおいてボリュームに挿入されるが、その際、画像を覆い隠さないように、３Ｄ表面及び／又はボリューム・レンダリングを使用して該マーカを半透明の形で視覚化することができる。そのような視覚化の一例が、心筋梗塞が原因で壊死したＬＶを示す心臓ＣＴ画像を図示する図４に提示されている。特定の画像（例えば、Ｄｉｃｏｍ画像、ビデオクリップ、フィルムなど）は、後でＭＩＤＣＡＢの期間に参照するために、必要に応じてセーブされる。次いで、図２のブロック２１６に示したように、セーブされたビューがエクスポートされ、介入システムのコンピュータ・ワークステーションによって登録される。登録された画像がインポートされた後、ブロック２１８に見られるように、医療従事者がそれらを介入システム上で視覚化することができる。
登録マーカに加えて、ブロック２２０に示したように、介入システムのワークステーションを、また、特定のＭＩＤＣＡＢ処置に使用される器具を登録するように構成することもできる。最後に、ブロック２２２で実際のＭＩＤＣＡＢ外科手術が実施される。
理解されるように、利用可能ないくつかのコンピュータ支援による検出、位置特定、及び視覚化方法のうちの１つ又は複数を用いて、前述の諸ステップのいずれかを実行するために自動技術を使用できる。そのようなステップには、例えば、障害の定量的分析、局所的な収縮性プロファイル（ＬＶ壁の運動）、及び同一強度レベルの連続性を使用した血管の識別を含めることができる。さらに、これらの方法は、処置及び関心のある臓器が指定されるときには完全に自動にすることができ、又は一部をユーザからの入力による対話型にすることができる。
さらに、理解されるように、前述の方法及びシステムの実施の形態を用いることによって、生成されて登録された撮像情報が、適切に調整された介入処置へのアプローチを可能にするという点で、ＭＩＤＣＡＢの計画が改善される。適切なアプローチを選ぶ際に、処置自体の継続時間が短縮され、また、不必要な処置も排除される。より具体的には、冠動脈及びＬＶの詳細な３Ｄ幾何学／軸方向表示が、ＭＩＤＣＡＢ処置の精度を高める。壊死した心筋が存在する場合、その識別によって、医療従事者は、そのような領域を回避でき、外科手術が実施される前に切開創の正確な位置を予め決定できるようになる。
前述した計画プロセスは、このように、ＭＩＤＣＡＢを実施するのに必要な時間量を削減する。さらに、適切な位置の識別が処置の効果を高め、合併症の危険を軽減することができる。処置が完了した後、獲得及び移送段階と同様に、この目的で使用されるＣＤ−ＲＯＭ、フロッピーディスク、ハードドライブ、又は他のいずれかのメディアの形態で、データを保管し、読み取り、処理することができる。ゆえに、コンピュータ及びメディアも、本発明の目的のための装置となる。
本発明について好ましい実施の形態に即して説明したが、当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を実施でき、またその要素を同等物に置換できる。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために多くの修正を実施することができる。したがって、本発明が、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施の形態だけに限定されるものではなく、また本発明は特許請求の範囲内にある全ての実施の形態を包含するものである。
Claims (8)
- 患者のために低侵襲的直接冠動脈バイパス（ＭＩＤＣＡＢ）を計画するシステムであって、
獲得データを生成する医用撮像システムと、
前記獲得データを受け取って、前記患者の冠動脈及び心室の３Ｄモデル（１３０）を生成し、前記３Ｄモデル（１３０）を使用して、前記冠動脈内の病変の数とサイズを自動的に測定する画像生成サブシステム（１１０）と、
前記３Ｄモデル（１３０）上の１つ又は複数の解剖学的ランドマークを識別するユーザ入力を受け、その場所に対応する幾何学的マーカを挿入し、前記幾何学的マーカが挿入された前記３Ｄモデル（１３０）の複数のビューをデータベースに格納するオペレータ・コンソール（１１６）と、
前記データベースから前記幾何学的マーカが挿入された前記３Ｄモデル（１３０）の前記複数のビューを受ける介入システムのワークステーション（１２４）と、
を備え、
前記ワークステーションが、前記幾何学的マーカが挿入された前記３Ｄモデル（１３０）の前記複数のビューを前記介入システム上に登録する事後処理ソフトウェアを含み、
前記介入システムが、
前記幾何学的マーカが挿入された前記３Ｄモデル（１３０）の登録された複数のビューをインポートし、前記登録された複数のビューを視覚化し、関心のある心臓点に関する距離及び位置情報を定量化し、かつ関心のある前記心臓点に関する前記定量化された距離及び位置情報に基づいてＭＩＤＣＡＢのための切開位置及び経路を識別するために前記登録された複数のビューを用いるように構成されるシステム。 - 前記事後処理ソフトウェアが、さらに、前記獲得データを処理して前記冠動脈及び心室の内部ビューを生成するように構成される、請求項１に記載のシステム。
- 前記介入システムに関連する表示画面（１２０、１３２）をさらに含んでおり、前記表示画面（１２０、１３２）が前記３Ｄモデル（１３０）及び前記内部ビューを視覚化するためのものである、請求項２に記載のシステム。
- 前記介入システムが、ＭＩＤＣＡＢ器具を登録するように構成される、請求項１に記載のシステム。
- 前記画像生成サブシステム（１１０）がＥＫＧゲート制御される、請求項１に記載のシステム。
- 前記３Ｄモデル（１３０）から、前記冠動脈内の閉塞の向き及び寸法が識別される、請求項１に記載のシステム。
- ＭＩＤＣＡＢを必要とする冠動脈内の病変のサイズ、範囲及び数を測定する、請求項１に記載のシステム。
- 前記医用撮像システムが、コンピュータ断層撮影システム（１００）、磁気共鳴撮像システム及び超音波システムのうちの１つである、請求項１乃至７のいずれかに記載のシステム。
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