JP4624561B2 - 身体内にデバイスを位置決めする方法及び装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
本出願は1998年10月8日に出願された米国特許出願第09/168,792号の一部継続出願(continuation-in-part)であり、該一部継続出願は本明細書中に援用する。
【０００２】
（発明の技術分野）
本発明は医療分野に関し、特に、医療用撮像システムを用いて身体内に介挿具(interventional device)を位置決めする方法に関する。
【０００３】
（発明の背景）
コンピュータ断層撮影（ＣＴ）ガイド式生体組織検査(computed tomography (ＣＴ)-guided biopsy)は既に、病巣(lesion)内における位置決めを検証するために断面内における針を可視化する(visualize)ための断面撮像法が(cross sectional imaging modality)が新規な能力を提供することが明らかになったＣＴスキャンの初期から実施されて来た。ここ15年にわたり、ＣＴガイド式生体組織検査に対する方法は主として試行錯誤的であった。すなわち本質的には、適切な身体部分のスキャンが行われ、コンピュータ制御装置での深度計算(depth calculation)に続き軌跡の演算(mental calculation)が行われる。次に上記深度は、マークを付けられた介挿具（デバイス）へ移される。それからこの介挿具は、配置が適切か不適切かということを確認するために妥当な介挿具位置でのスキャンを反復しながら、挿入、抜き取りおよび再挿入が繰返される。この試行錯誤的な技術は明らかに、望ましくない遅延、リスク、コストをもたらし、場合によっては望ましくない放射線の被爆も引き起こす。
【０００４】
ＣＴガイド式生体組織検査の問題に加え、最近では生体組織検査(biopsy)および他の最小侵襲処置(minimally-invasive procedure)を含むＭＲガイド式手術の分野で多くの研究が行われて来た。現在ではＭＲによる軌跡位置決定方法(method of trajectory localization under MR)は主として、フレームレス定位概念(frameless stereotactic concept)に基づいている。これは多くの場合に実現可能な方法(methodology)であるが、依然としてコストが問題である。今日まで、ＭＲ設置環境(setting)で使用される簡単で正確かつ安価な方法は提案されていない。
【０００５】
従って、依然として、身体部分内に介挿具を位置決定するための迅速で更に好都合な方法に対する要望が存在する。
（発明の概要）
一実施例によれば本発明は、ピボット点(pivot point)の回りで回転する(pivoting)ガイドを使用して身体内に介挿具を位置決めする方法であって、ターゲットおよび上記ピボット点の空間座標(またはこの座標に対応する点の画像表示、コンピュータは表示(display)の数学的関係を真の座標に解釈することができるので、この座標は明確に指定されなくてもよい)の位置を決定することと、上記ターゲットおよび上記ピボット点を通って延在する線に沿って、またはこの線のすぐ近くに位置する第３の点を上記身体の外側に決定することと、撮像システムを使用して上記ガイドの軸を上記第３の点にアラインメントさせること(aligning)と、を含む、介挿具の位置決め方法を提供する。
【０００６】
別の実施例によれば本発明は、処理ユニットと、この処理ユニット上で動作するコンピュータ・ソフトウェアであって、ターゲット点と、ガイドのピボット点との空間座標を医療用撮像システムのオペレータが位置決定することができるようにし、かつ、上記ターゲットおよび上記ピボット点を通って延在する線に沿って、またはこの線のすぐ近くに位置する第３の点を上記身体の外側に決定する、コンピュータ・ソフトウェアと、を含む医療用撮像システムを提供する。この医療用撮像システムは更に、上記処理ユニット上において動作するコンピュータ・ソフトウェアであって、撮像システムを使用して上記ガイドの軸を上記第３の点とアラインメントさせることができる画像をオペレータが得るのを助けるように動作するコンピュータ・ソフトウェアを含むことができる。
【０００７】
別の実施例によれば本発明は、ピボット点と少なくとも第３の点とにおいて軌跡アラインメント用ステム(trajectory alignment stem)上に置かれた一個以上の無線周波数のマイクロコイルからのＭＲ信号を使用し、これらの２個のコイルの空間的位置を決定し、従って上記アラインメント用ステムの方向づけ(orientation)を含め、このアラインメント用ステムの位置を決定する方法を提供する。更に、この決定され、従ってそれによりＭＲスキャナ・コンピュータに対して既知となる情報を用いて上記軌跡アラインメント用ステムを所望の軌跡と合うように再アラインメントする(realigned)ことができ、この再アラインメントは、手動で、遠隔制御もしくはロボット制御により、または、ＭＲスキャナ・コンピュータ自体の制御により、上記軌跡アラインメント用ステムに直接的にもしくは間接的に取付けられもしくは関連付けられたサーボ機構との連動によって行うことができる。
【０００８】
別の実施例によれば本発明は、担体(carrier)内にコード化されたコンピュータ・プログラムを備えた製品(article of manufacture)であって、上記プログラムは医療用撮像システムの処理ユニット上において、ターゲット点とガイドのピボット点の空間座標をその医療用撮像システムのオペレータが位置決定することができるようにし、かつ、上記ターゲットおよび上記ピボット点を通って延在する線に沿って、またはその線のすぐ近くに位置する第３の点を身体の外側に決定することができるように動作する、製品を提供する。
【０００９】
更なる別の実施例によれば、本発明によって上記ガイドの軸はソフトウェアの制御下で自動的にアラインメントされる。
（発明の詳細な説明）
以下の好適実施例の詳細な説明においては本明細書の一部を構成する添付図面を参照し、この図面中に本発明が実施される特定実施例を例示する。尚、本発明の範囲から逸脱せずに他の実施例が利用され得ると共に構造的変更がなされ得ることは理解されよう。
【００１０】
以下に述べる本発明は、線状(もしくは実質的に線状)で細長(elongate)でありかつ点回転される(point pivoted)介挿具を人体内もしくは動物体内において所定方向にアラインメントする方法および装置を提供する。本明細書中で使用されるように“介挿具(interventional device)”という用語は、生検針(biopsy needle)、プローブもしくは他の型式の針(など)のような任意の医療器具を指している。以下において本発明は実施例に関して記述されるが、この実施例においては本発明は介挿具を人の脳内に位置決めするために適用される。但し、本発明は脳内への介挿具の位置決めの使用に限定されるのではなく、人体もしくは動物の体の任意の部位内に介挿具を位置決めするために広範囲に適用され得ることは理解されよう。
（磁気共鳴撮像法(Magnetic Resonance Imaging)を使用する方法の実施例）
以下に示す実施例は、高部前頭葉病巣(high frontal lobe lesion)の生体組織検査に使用することができる、患者の長軸(long axis)に幾分か平行に方向づけされた軌跡に沿う頭蓋内病巣(intractional lesion)に関連するＭＲＩガイド式生体組織検査方法を提供する。患者の長軸とは、患者の身体の丈とほぼ同軸な軸である。この方法を、ＭＲＩ画像２Ａ、２Ｂおよび２Ｃを夫々示す図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃを参照して述べる。患者に対する静脈内造影剤(intravenous contrast agent)の投与に先立ち、または実施例においてはそれに引き続き、特に企図されたターゲット１２の領域を含む頭部５を通る限定されたＭＲＩスキャン画像(limited MRI scan)が得られる。静脈内造影剤を最初に投与する利点は２つある。第１にターゲットにされた病巣自体のコントラストが強調されて病巣の識別が容易になることがかなり多く、第２に、企図された軌跡の領域と重なる皮質静脈(cortical vein)のコントラストが強調されることも多いことである。このような静脈は出血の可能性を最小にするように可能な限り回避されるべき組織であるので、軌跡を決定する前にこのような静脈を識別することは有用である。
【００１１】
ターゲット１２が識別されたなら、スキャナを使用して軌跡が決定される。進入点(entry point)に対する頭皮上の点が選択されることにより、外科的進入路(surgical approach)が作り出される。この進入路(approach)は、既に得られている画像データの多平面再合成(multiplanar reconstruction)を実施することにより、または、単に所望の軌跡に沿った新たな単一スライス画像を作ることにより検証することができる。もし後者の方法が使用されるなら、スキャン平面は、必要であれば外科的進入路が現在のスキャン図面(current scan plan)の軸に沿うことが決定されるまで容易に調節することができる。代替的には、上記進入点は他の手段により決定される。
【００１２】
進入点が決定されたなら、頭蓋冠(calvarium)の表面上、または、この進入点に穿孔されたバー孔(burr hole)内、のいずれかに軌跡ガイド(trajectory guide)１０が外科的に差込まれる(implanted)。この軌跡ガイド１０のデザインは、図５の実施例のガイド１０において示されたようにピボット点の回りで回転するガイド部材１７を含むこと以外は本発明にとり重要でない。図５に示されたようにガイド部材１７は、基部１６に回転可能に接がれた下側部分１７Ａと、アラインメントのプロセス中に使用される介挿具もしくはガイド・ステム１８を受容し得る上側部分１７Ｂとを含む。図５に示された実施例の軌跡ガイド１０の更なる情報、および、本発明と共に使用され得る他の可能なガイドに関する情報は、1998年5月14日に出願されて“軌跡ガイドの遠隔作動(Remote Actuation of Trajectory Guide)”と称された米国特許出願第09/078913号で見ることができる。尚、実施例のガイド１０のピボット点は身体の表面のすぐ近くに位置決めされるが、このピボット点は、例えばガイド１０が関節結合アーム(articulated arm)により身体の上方もしくは外部に吊り下げられる場合には身体の表面の上方とすることができることに注意すべきである。
【００１３】
軌跡ガイド１０およびアラインメント用ステム１８が所定位置に置かれかつ軌跡がスキャン平面(図１Ａにおいてはターゲット１２と少なくとも軌跡ガイド１０の基部１６とを包含する平面に沿って取られた画像スライス断面を提供する)と一致(in line)したなら、ＭＲＩスキャンの３Ｄ空間内には幾つかの空間的位置決定点(spatial location point)が定められる、即ち、ひとつは頭部内、ひとつは頭部の近傍もしくはその上方、ひとつは外部である。先ず最初に、頭部の初期ＭＲＩスキャンで得られた画像からターゲット１２のx，y，z座標がオペレータにより決定される。次に、ガイド部材１７の上記ピボット点のx，y，z座標もまた、単一の(または複数の)ＭＲＩスキャン画像からオペレータにより決定される。
【００１４】
これらの２個の点が既知となれば、ターゲット１２からガイド部材１７の上記ピボット点を通り頭部５の外側の空間３２へと延在する線３０が数学的に決定される。この線は、現在の、もしくは再合成された画像のスキャン平面(上記外科的進入路とアラインメントされた平面)上に表示され得ると共に、介挿具を有する所望のターゲットに到達するために必要な軌跡を表している。本発明の１つの実施例によれば線３０は、基部１６からステム１８の自由端までの距離の約２／３だけ基部１６から離れて延在するように引かれる。次に線３０に沿って点３４が選択される。点３４は上記軌跡ガイドのアラインメント用ステム１８により描かれる３Ｄ円周の円弧上に来るべきであり、そのステム１８は、１つの実施例によれば、現在の、もしくは再合成された画像の平面に沿った新たな画像内で明瞭に視認可能にするために、基部１６からの点３４の距離とほぼ同じ基部１６からの距離に位置決めされたＭＲＩ可視マーカ(MRI-visible marker)１９を含む。ステム１８は全体的にＭＲＩ可視マーカ材料で作成するか、または、マーカ１９はステム１８の一部に限定されるようにすることができる。点３４は線３０がスキャナ・ディスプレイ上に描かれたときにこの線３０上にオペレータにより選択されるか、または、それはオペレータの介在なしで数学的に決定されるようにすることができる。
【００１５】
尚、本明細書中の記述は数学的法則(mathematical precept)に基づくが、実際には、上記のようにオペレータが座標内に手でタイプ入力することは最近の殆どのＣＴおよびＭＲスキャナならびに他の撮像機器においてはもはや不要なことは注目に値する。殆どのスキャナ制御装置は家庭用コンピュータと同様にマウスにより動作し、線を決定するために使用される各点の真の座標をオペレータが知らなくても、１つの点を表すためにカーソルを画面上にドロップすると、１つの点から他の点へとオペレータ用制御装置上で線を描くことができる。但し実際にはコンピュータは画面の裏側で、表示された各点そのものを空間座標ならびにそれに従う数学モデルに変換している。故に実際問題として本明細書中に示された方法を行う殆どのオペレータは、提案されたステップを実際に行う必要は無く、コンピュータのマウスもしくは類似の装置を以て単にポインティングしてクリックすることにより本明細書中に記述された軌跡の幾何的図面(plan)を作り出すことが必要とされるだけである。
【００１６】
上述及び以下で更に記述される簡素な方法に加え、上記の軌跡アラインメント用ステムのアラインメントは、上記の点３４の位置であるとしてオペレータにより決定された空間内の１点に対して焦点を合わされるレーザ、赤外線、他の周波数の光、または他のエネルギ源のような、他の可視化方法により実行され得ることが想定できる。更に、線３０に対して上記軌跡アラインメント用ステムの更に忠実なアラインメントをオペレータが認識する方法は可視的とする必要さえ無く、例えば、上記ステムをアラインメントするためにいろいろと移動させてその移動の成否に依存して反復的発信音(repeating-beep)の反復速度が変り得る(すなわち、線３０からステムが更に離れるように移動させているなら発信音を低速で鳴らし、線３０に接近しているなら発信音を高速で鳴らし、そして、アラインメントが成功したと見做されたときには連続音とする)ように可聴にすることができることは容易に想定される。
【００１７】
線３０上において、自動的に計算されるか、または、オペレータにより選択された点から得られた点３４のx，y，z座標を使用し、点３４を含むようにスキャン平面３６が選択されるが、しかし、上記ターゲット自体はその平面内では可視化されない。次に点３４は上記軌跡ガイドアラインメント平面上にマーク(３８)される。次に、アラインメント用ステム１８上のＭＲＩ可視マーカ１９が視認され、かつ所望のx，y，z座標に位置決めされるような時間になるまで、軌跡ガイドアラインメント用ステム１８との相互作用的な位置決め(interactive positioning)で平面３６(図１Ｂ)に沿って順次的な２次元(２Ｄ)のスキャン画像が得られる。図１Ｂに示されたようにステム１８は、空間内のある単一点に関してマーク３８とアラインメントされた位置へ容易に移動させることができるように、マーク３８のすぐ近くに在り、図１Ｂの透視図(perspective)から、上記軌跡ガイドアラインメント平面内にある“x”および“y”座標に関してのみアラインメントが必要とされる。ステム１８が点“x”および“y”とアラインメントされたなら、ステム１８は線３０と同軸にアラインメントされるべきであると判断される。故に軌跡ガイド１０のアラインメント用ステム１８は適切にアラインメントされ(図１Ｃ参照)、ガイド部材１７はその位置に固定されることにより介挿具もしくは他の器具の挿入を可能とする。
【００１８】
更に、上記線が上記軌跡ガイドアラインメント平面と交差する(bisect)と想定するのが最も簡単ではあるが、実際に必要とされることは、上記軌跡ガイドアラインメント平面の画像上で交差箇所の真の点が決定可能であり、かつ軌跡ガイドアラインメント用ステムの縦方向の軸に対する断面で見た軌跡ガイドアラインメント用ステムの方向づけ(orientation)を、上記２個の点をアラインメントさせるように調節することができるように、交差箇所の点が予言可能なことだけである。
【００１９】
この点において、必須ではないが検証のために、意図したターゲットを通り、また上記軌跡ガイドの長さ方向を通る１回以上の反復スキャン画像が得られる。選択的に、ＭＲ撮像の場合には、適切なアラインメントを確かなものとするために直交する(もしくはほぼ直交する)平面のスキャンが実施されねばならない。代替的に、直交する(もしくはほぼ直交する)多平面再合成(multiplanar reconstruction)がオペレータ用制御装置上で再び行うことができるが、これはアラインメント用ステム１８が意図された軌跡に沿って上記ターゲットへ適切にアラインメントされたことを明示するはずである。このようなスキャン画像の例は図２Ａおよび図２Ｂに示されている。
【００２０】
上記軌跡ガイドが所定位置に固定されたならアラインメント用ステム１８は上記軌跡ガイドから抜き取られ、そして、確認のスキャン画像又は多平面再合成を区画(measure off)することにより、処置の状況に依存して捩れドリル(twist drill)を、または頭蓋冠を貫通して既に孔があけられていれば介挿具自体もしくは他のプローブあるいは器具を、所定の深度まで通すことができる。同様に、上記軌跡ガイドが上記平面内となる程度まで患者の頭部が傾斜されたなら上記軌跡を含むターゲット自体を通る、または、順次的なスキャン画像のひとつにて上記ターゲットに尖端が到達したことを単に示すために、上記ターゲット自体を通る、反復的なスキャン画像を得ることができる。
【００２１】
上記の例で記述された方法は、患者の長軸(long axis)に沿ってアプローチされた病巣に関していた。実際には、スキャナの、上記長軸への方向づけとは別の方向づけにおいても同一の方法が等しく良好に機能する。換言すると、時間の経過順の頭葉生体組織検査(temporal lobe biopsy)は患者の長軸に直交する向き(orientotion)に沿ってアプローチされることもある。前者の場合、以下で“軌跡ガイドアラインメント用平面(trajectory guide alignment plane)”と称される平面は、患者の長軸に対して概略的に直交して方向づけされる。後者の場合、この平面は患者の長軸に対して概略的にアラインメントされるが、これは一般的には軸方向(axial)もしくは横方向(transverse)、または、傾斜軸方向(oblique axial)もしくは傾斜横方向(oblique transverse)とも称され、典型的には患者に関して矢状縫合方向(sagittal)もしくは冠状縫合方向(coronal)と称され、あるいは、これらの２つの方向づけの間のどこかである。
【００２２】
更に、上記線が上記軌跡ガイドアラインメント平面と交差すると想定するのが最も簡単ではあるが、実際に必要とされることは、上記軌跡ガイドアラインメント平面の画像上で交差箇所の真の点が決定可能であり、かつ軌跡ガイドアラインメント用ステムのその縦軸に対する断面で見たその軌跡ガイドアラインメント用ステムの方向づけを上記２個の点をアラインメントさせるように調節することができるように、交差箇所の点が予言可能なことだけである。
（コンピュータ断層撮影を使用する方法の実施例）
上記実施例において記述された方法はＭＲ撮像ガイダンス(MR imaging guidance)の下で行われる外科処置に関しているが、この方法はＣＴスキャンガイダンス(CT scanning guidance)に対しても同様に適用することができる。このような場合、必須ではないが、時間および効率の観点からはスパイラルＣＴスキャナ(spiral CT scanner)を利用するのが好適である。多少なりとも患者の長軸に沿ってアプローチされるべき脳病巣の例においては、必須ではないが典型的には静脈内沃化造影(intravenous iodinated contrast)媒体の注入に続いてベースライン・スパイラルＣＴスキャン画像(baseline spiral CT scan)が得られる。スキャナ制御装置上に表示された軸方向画像(axial image)からターゲットが選択され、頭皮／頭蓋骨上で表面進入点が選択される。これが達成されたなら、スパイラル(もしくは非スパイラル)データ・セットの多平面再合成が実施され、ＭＲに対して上述された方法が続いて行なわれる。このシナリオにおいて“軌跡ガイド位置決め平面(trajectory guide localizing plane)”と以下で称される平面は、患者の長軸に対して概略的に直交して方向づけされ、実際には、患者を全く通らずに患者の頭部を越えた空中を通りながらも依然として軌跡ガイド・ステム１８を通ってスキャンするべきであることもある。一旦アラインメントされたなら、必須ではないが、患者および軌跡ガイド・ステム１８を通して反復的なスパイラル(もしくは非スパイラル)データ・セットを得ることができ、確認のために実際の軌跡の長さ方向に沿った(概略)直交する多平面再合成された画像を視認することができる。
【００２３】
これに加えて上記方法は、患者に対して縦方向以外に方向づけされた軌跡に沿ってアクセスされる病巣に対するＣＴに関しても等しく良好に機能し得る。しかしながら、ＣＴはＭＲＩとは異なる方法であり、本明細書中で提案される方法は(患者の長軸に対して直交する)真の軸方向平面内で使用されたときには最適でない。但し、典型的なスキャン方法を僅かに改変することにより、軸平面内で病巣にアクセスするために使用されたときでもこの軌跡方法が成功するようにすることができる。これを達成するための、３つの異なる方法を以下において述べる。
【００２４】
第１に、軌跡アラインメント用ステム１８は撮像の平面内で容易に操作する(maneuvered)ことができる。上記ターゲットおよびデバイスは両者ともにこの平面内で確かに可視化することができ、針の全長が可視化されれば比較的正確なアプローチが見込まれることを確認できる。
第２に、ターゲット１２は、典型的には生体組織(tissue)のある体積にわたってのスパイラル捕捉(spiral acquisition)として上記軸平面内でのスキャンにより選択することができ、従って、多平面再フォーマット(multiplanar reformatting)が実施され得る。次に、元の真の軸平面から離れて幾分か傾斜して進入点が選択可能であり、この時点において上記スキャン平面は角度付けすることができるが、このことは、全てのＣＴスキャナに共通するものであり、従って、画像平面が計画の軌跡から離れたある適度な角度(例えばあくまで例として、真の軸平面から約５〜１５°)となるであろう。これに加えて上記スキャナはまた、軌跡ガイドアラインメント平面を得るために、角度付けられたスキャン平面の逆方向においても角度付けすることができる。更に、上記軌跡ガイドが所定位置に固定されたなら、ターゲットを視認するように軌跡ガイドアラインメント平面が位置決めされるように患者はガントリ(gantry)上で前後に移動させることができる。故に、ターゲットへの前記の介挿具の到達は、上記ガイドを位置決めするために使用されたのと同一の画像平面を使用して決定することができる。但しこのシチュエーションにおいては、以下に記述される数学的計算は依然として効果があり、かつ、上記軌跡と軌跡ガイドのアラインメント平面の交差箇所が予測可能であることは明白であろう。
【００２５】
最後に第３の方法によれば、(軸平面内において)ターゲットおよび進入点が一旦選択されたなら、新たなスキャン平面の角度は軌跡線と軌跡アラインメント平面が交差するようなものとなるように、ガントリは(ここでも、例えば単に例として、約５〜１５°で)角度を付けることができる。
上記第１および第３の方法において、軌跡は患者に対して真に軸方向であり得る。第２の方法においては、軌跡自体が傾斜軸方向のアプローチへと修正される。これは実際、肝臓生体組織検査に対する典型的なシナリオであり、その場合に肋骨は軸方向の軌跡に対する進入路の線内に在ることが多い。
【００２６】
故に上述の如く本発明は実施例において、図３に示されたような下記の方法を提供する(この方法において各ステップは必ずしも下記の順序である必要はない)。
1. 身体内における関心領域が撮像され、ターゲットおよび進入路(approach)の位置が決定される(40)。
【００２７】
2. 身体上、身体内もしくは身体の近傍の所定位置に軌跡ガイドが置かれる。軌跡ガイドは固定点の回りで回転するが、この固定点は身体の表面のすぐ近くでも良く近くでなくても良いが、典型的には身体の表面もしくは外側にある(41)。
3. ターゲット点およびピボット点の各座標、ならびに、撮像平面(imaging plane)の方向づけ(orientation)が決定される(42)。
【００２８】
4. 軌跡ガイドアラインメント用ステムは、このガイドの方向にほぼ垂直な方向づけを有する平面内において、または、アラインメント用ステムが所望の進入路の線とアラインメントされたときにその平面が少なくともそのアラインメント用ステムと交差するように、撮像される。これは以下において“軌跡ガイドアラインメント平面”と称される(43)。
【００２９】
5. 上記２つの点によって定義された線と上記軌跡ガイドアラインメント平面との交点が決定される(44)。
6. 上記交点は、軌跡ガイド画像上における面内ターゲット点として表示される(45)。
7. 実質的に上記ガイド・ステムの軸を見“下ろす”(looking “down”）視界から視認される上記ガイド・ステムの画像が、必須では無いが好適に“リアルタイム”で上記軌跡ガイド画像上の上記面内ターゲット点と(本質的にはアラインメントされるまで上記ステムを“x”および“y”方向で移動させることにより)アラインメントされる(46)。
【００３０】
尚、上記軌跡ガイドアラインメント平面は上記ターゲットとピボット点とに交差する線に対して厳密に直交することは不要であることに注意すべきである。むしろ、上記ガイドのステムが上記平面と交差するように、上記線が上記軌跡ガイドアラインメント平面内に完全には包含されないことのみが必要である。
（撮像ソフトウェア／装置の実施例）
本発明の一実施例に依れば、撮像装置上で作動して上記方法を可能とする撮像ソフトウェアが提供される。図４のブロック図に示されるように、撮像システム５０は、撮像装置５２と、ソフトウェア５６を含むコンピュータ処理ユニット５４と、ディスプレイ５８とを含む。撮像装置５２は、Ｘ線撮像、磁気共鳴撮像(ＭＲＩ)ユニット、または、超音波撮像ユニットであってもよい。装置５２は画像データをコンピュータ処理ユニット５４に供給し、このユニット５４はソフトウェア５６の制御の下でその画像データを処理し、ディスプレイ５８に表示される画像、または、(図示なし)画像印刷システムに対する出力を生成する。
【００３１】
本発明のこの実施例によれば、ソフトウェア５６は、本発明の方法の適用によってオペレータをガイドするためのユーザ・インタフェースおよび支援コンピュータ処理命令(supporting computer processing instruction)を提供する一個以上のソフトウェア・コンポーネント(software component)６０を含む。このユーザ・インタフェースおよび支援処理命令は好適には最小限でもオペレータ用ツールを含むが、このオペレータ用ツールは、ターゲットとガイドのピボット点との座標を特定する(identify)と共に、これらの点を通過する線と、この線と上記軌跡ガイドアラインメント平面との交点とを決定して、上記画像平面上における上記アラインメント点(atignment point)をディスプレイ上で確定してマークするためのものである。一実施例においてこれらのツールは、線３０を計算するための座標を確立するために、マウスなどのポインティング装置を使用してターゲットおよびピボット点にカーソル・マークを貼り付けまたは“ドロップ”する機能を含み、これは一旦カーソル・マークが確立されたならば自動的に行われ得るものである。所望であれば、これらのカーソル・マークは“ドラッグおよびドロップ”されることによりディスプレイの種々の箇所に移動させることができる。コンポーネント６０はまた好適には、オペレータが上記軌跡ガイドアラインメント平面の位置を指定するのを助力するためのツールも含み、かつ、一旦アラインメント点が特定されたならば、マークされたアラインメント点を用いて上記ガイド・ステムのアラインメントを行なうことができるようにする画像平面のビュー(view)を直ちに選択できるようにする。更にオペレータは、上記ターゲットおよびピボット点をマークしたなら、ステム１８が軌跡ガイドアラインメント平面の画像に関してアラインメントされ得るように図１Ｂ、図２Ａおよび図２Ｂの画像に示されたような画像と同時に、ステム１８が抜き取られ、かつ介挿具が所望位置に挿入されることを更に可能にする、(交互に更新され得る)図２Ａおよび図２Ｂの確認画像を、スキャナ・ディスプレイ上の幾つかの同時ウィンドウ(simultaneous windows)上に自動的に表示するためのコンポーネント６０を呼び出す(invoke)ことができることが企図されている。
【００３２】
本発明の他の態様に依れば、図４の点線の形で示されたように、上記ガイド・ステムの位置決めが処理ユニット５４および電気／機械リンク制御器(electrical to mechanical linkage control)６２の制御の下で自動的に達成されるという実施例が提供される。この実施例においては、ソフトウェア・コンポーネント６０は、マーカ１９の位置を所望のアラインメント点と比較することにより、ステム１８がそのアラインメント点の(x、y、z)座標とアラインメントするまでこのステム１８を移動することを、ユニット５４との適切なインタフェースを介して上記の電気から機械へのリンクに指示するコンピュータ命令を含む。機械的リンク(mechanical linkage)６４は、上記で更に十分に特定された米国特許出願第09/078,913号で開示されたような撮像環境と互換性のある任意の設計のもので良い。
【００３３】
今、図６および図７を参照すると、ガイド・ステムのアラインメントを容易にする本発明の付加的な代替実施例が示されている。一実施例によれば、処理ユニット５４はオーディオ信号を出力し、このオーディオ信号は上記ステムがアラインメントに近づきつつあるか遠ざかっているかを表し、または少なくとも上記ステムが適切にアラインメントされたときの表示を出力する。この表示は例えば可変周波数の発信音(beep)で、この周波数範囲の一端は最も離れた位置を示し、その他端はアラインメント状態を示しても良い。上記ステムのアラインメントの決定は、ユニット５４を使用した画像分析により達成され得る。代替的に図７に示されるように上記ステムはマイクロコイル７２を含むことができ、このマイクロコイル７２は信号源７４から信号を受信し、または、受動型で既知周波数で共振するように構成され得る。処理ユニット５４は今度は、コイル７２により発生された信号を検出し、上記ステムの空間座標を決定するように構成することができる。図６はまた、空間内でステム１８がアラインメントされるべき点を示すユニット５４からの出力を受信するレーザ光制御ユニット８０も示している。ユニット８０は一対のレーザ８２、８４を制御し、これらのレーザ８２、８４はステム１８をアラインメントすることが望まれる空間内の点(例えば３４)でビーム８３および８５が交差するようにするために機械的リンクまたは別の方法によって行なうことができる。そのときにステム１８は、画像表示を参照すること無くビームの交点に容易にアラインメントされ得る。その場合、このアラインメントは撮像装置により生成された画像に関して検証され得るのは勿論である。別実施例においてはレーザ光の代わりに、空間内の１点に焦点を合わされる赤外線、他の周波数の光、または他のエネルギ源などの他の光源を使用することもできよう。
【００３４】
本発明によれば更に、コンポーネント６０は撮像システム５０内に組み込むか、あるいは、磁気媒体などの搬送媒体内にまたは電気的もしくは光学的媒体上を搬送されるデジタル・データに分散してコード化されてもよい。
（計算の理論的根拠）
以下に示されるのは、空間内の２個の点を通る線あるいは軌跡を図式的に求めるための本発明で使用され得る技術の一実施例である。この例では、ターゲット点およびピボット点が夫々、
【００３５】
【数１】
Figure 0004624561
【００３６】
と表されるものと仮定する。本発明の目的の為に、これらの２点の座標は上記撮像システムを使用して測定される。所望の軌跡はこれらの２点(ＴおよびＰ)を結ぶ線により定義され、そして、数学的には
【００３７】
【数２】
Figure 0004624561
【００３８】
として定義され、式中、ｒは上記線に沿った任意の点のベクトルであり、また、
【００３９】
【数３】
Figure 0004624561
【００４０】
であり、ここで、ｒTPはターゲット点Ｔからピボット点Ｐへのベクトルを表し、かつ、ｋは上記線に沿ったターゲット点“Ｔ”からの距離を表す(measure)パラメータである。
デカルト座標(Cartesian coordinates)のフレームにおいて、平面は一般に
【００４１】
【数４】
Figure 0004624561
【００４２】
として定義され、式中、α、β、γは上記平面の法線(normal)に対する３個のパラメータであり、次の関係を満足する。
【００４３】
【数５】
Figure 0004624561
【００４４】
代替的に、点(ｒ0)を通る平面は
【００４５】
【数６】
Figure 0004624561
【００４６】
として定義することができ、式中、ｒは上記平面上の任意の点のベクトルを示し、また、
【００４７】
【数７】
Figure 0004624561
【００４８】
は(I=1，2)、上記平面に平行な２つの単位ベクトル(unitary vector)であり、ｍ1およびｍ2は２個の実数である。上記２個の単位ベクトルは、便宜的に相互に直交するように選択され得る。もしそれらが直交すれば、上記２個の単位ベクトルの内積は以下に示される如くゼロである。
【００４９】
【数８】
Figure 0004624561
【００５０】
また、上記平面の法線ベクトル(normal vector)は以下に示される外積(cross product)により与えられる。
【００５１】
【数９】
Figure 0004624561
【００５２】
一般的に、上記平面上の点は以下の如く表すことができる。
【００５３】
【数１０】
Figure 0004624561
【００５４】
上記の式は、上記平面上の各点が一対の数(ｍ1およびｍ2)に対して一義的に(uniquely)対応するということを意味する。
上記の線と上記平面との間の切片点(intercept point)は次のベクトル方程式の解で与えられる：
【００５５】
【数１１】
Figure 0004624561
【００５６】
このベクトル方程式を数値的に解くと、上記切片(interception)の点に対して対応するｍ1およびｍ2ならびにパラメータｋが常に求められる。この絶対的切片点(absolute interception point)は、限られた視野(limited field of view; FOV)および解像度を有するスキャンされた画像上の点へと変換され得ると共に、図式的に表示され得る。上記の基準ガイドの画像が上記画像上の平面内ターゲット点(in-plane target point)と一致するように調節されたとき、上記基準ガイドは、上記２個の点(ターゲット点およびピボット点)により定義された方向と確実に同一方向となる。
【００５７】
このようにして、上記においては、断面撮像システム(cross sectional imaging system)を使用して身体内に介挿具の位置決めをする方法および装置が記述された。また、本発明は一実施例において人の脳内の生体組織検査を行う方法として記述されたが、本発明は生体組織検査を行なうことでの使用または人体に関する使用に限定されない。また、本発明は上記においてＭＲＩスキャナに関して記述されたが、本発明はＣＴスキャナ、ＰＥＴスキャナまたは超音波スキャナなどの任意の断面撮像／スキャン・システムに対して適用可能である。本発明は、上記ガイドを適切にアラインメントするための迅速で正確な手法を提供するもので、それにより、スキャン機器の使用効率を改善すると共に処置を迅速化しかつ患者にとって苦痛な時間を短縮する。本発明は好適な形において記述されたが、添付の特許請求の範囲で規定された発明の範囲から逸脱することなしに多くの修正および変更がなされ得ることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 本発明の一実施例の方法を示すＭＲＩ画像を示す図（その１）である。
【図１Ｂ】 図１Ａの線１Ｂ−１Ｂに沿った画像を示す図である。
【図１Ｃ】 本発明の一実施例の方法を示すＭＲＩ画像を示す図（その２）である。
【図２Ａ】 アラインメント後の画像の概観（その１）を示す図である。
【図２Ｂ】 アラインメント後の画像の概観（その２）を示す図である。
【図３】 本発明の一実施例の方法のフローチャートを示す図である。
【図４】 本発明の実施例に係る医療用撮像システムおよびソフトウェア構成要素を示す図である。
【図５】 一実施例の軌跡ガイドを示す図である。
【図６】 本発明の代替実施例（その１）を示す図である。
【図７】 本発明の代替実施例（その２）を示す図である。

Claims (2)

  1. 処理ユニットと、
    該処理ユニット内で動作するコンピュータ・ソフトウェアであって、ターゲット点と、身体内に位置決定されるべき介挿具のためのガイドのピボット点との空間座標を医療用撮像システムのオペレータが位置決定することができるようにし、かつ、前記ターゲット点および前記ピボット点を通って延在する線に沿って存在するかまたは該線に近接して存在する第３の点を前記身体の外側に自動的に決定するコンピュータ・ソフトウェアと、を含み、
    前記第３の点は、該身体の外側の空間内で前記身体からのある距離に位置決定されることにより、前記ターゲット点と、前記ピボット点、および前記第３の点を含む画像平面を得ることができるようにし、
    前記コンピュータ・ソフトウェアは更に、前記処理ユニット上にて、前記第３の点が存在するガイドアラインメント平面であって該ガイドの軸と交差するガイドアラインメント平面上で撮られた画像を表示するように動作し、かつ、更に、前記第３の点の位置を示す前記画像上にマークを表示するように動作することにより、該画像の前記平面内において前記ガイドの前記軸が前記第３の点とアラインメントされ得るようにする、医療用撮像システム。
  2. 身体の表面又は近傍でピボット点の周りで回転するガイドを位置決めすることを支援するためのシステムであって、
    少なくとも１つの撮像装置と、
    前記撮像装置に結合されたディスプレーと、
    前記ディスプレーに結合された処理ユニットであって、前記システムのオペレータが、前記撮像装置を使用して身体内の第１の点にターゲットの位置を決定し、
    前記撮像装置を使用して、前記ガイドの軸上の少なくとも１つのマーカの位置を決定し、ここで、前記ガイドの前記軸を規定する線は第２の点に位置決定される前記ピボット点を通過し、
    前記撮像装置を使用して身体の外部の第３の点の位置を決定し、前記第３の点は、前記ピボット点を越えて該ピボット点を通って前記ターゲットから延びている仮想線上に位置決定され、前記第３の点はまた、前記マーカを通り、かつ前記ガイドのステムに垂直な仮想平面上に位置決定され、
    前記マーカと前記第３の点との画像を前記ディスプレー上の前記仮想平面上に表示し、かつ、前記表示された前記マーカと前記第３の点との画像を、前記ガイドのステムを位置決めすることによって前記ディスプレー上でアライメントする、ことを可能にするように動作可能であるコンピュータ・ソフトウェアを含む処理ユニットと、
    を含むシステム。
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