JP4635011B2 - 構造定位のための臨床ツール - Google Patents

Description

本発明は、解剖学的ランドマーク又は病理学的ランドマークを使用して、医療介入を誘導する方法に関し、より詳細には、画像誘導手術を容易にするデータ収集及び処理方法に関する。

最小侵襲技法が、種々の手術プロシジャのために開発されている。こうしたプロシジャ中に、臨床医は、通常、器具を標的治療部位又は診断部位に誘導するために、術中イメージングに頼る。この操作は、特に、術中画像が２次元画像である時に、かなりの技量及び直観力を必要とする可能性があるため、プロシジャの最も時間のかかる部分であることが多い。最小侵襲技法の使用の増加に伴って、手術プロシジャ中に、臨床医が、標的部位を迅速かつ正確に定位するのを補助する臨床ツールが必要とされる。

本発明は、医療介入中に、臨床医が、患者の体内の構造を定位するのを補助するシステムを提供する。

本方法は、一般に、最初に、少なくとも２つの基準構造又は少なくとも１つの基準構造及び局所座標系を基準にして、１つの標的部位のロケーションを規定する測定値のセットを生成することを含む。測定値のセットは、次に、標的部位の推定されるロケーションを術中画像上に投影するために、手術プロシジャ中に使用される。

本発明によって提供される方法は、手術プロシジャの前に実施される三角形パラメータデータを取得するためのデータ採取方法、及び、以前に取得した三角形(triangulation)パラメータデータを使用して、術中画像上に推定される標的構造ロケーションをプロットするための画像誘導定位方法を含む。データ採取方法は、手術プロシジャ用の１つの標的構造が内部に位置する、体部分の空間的に正確な３Ｄ画像ボリュームを形成すること、標的構造を定位する時に使用するための、基準構造の役目を果たすための、画像ボリューム内の構造（複数可）を選択すること、ボリューム内の標的構造と基準構造のそれぞれのロケーションを規定するランドマーク点座標を求めること、及び、ランドマーク点のロケーションを関連付ける三角形パラメータデータを計算すること、を含む。

手術プロシジャ中に実施される定位方法は、術中に取得された医療画像上で基準構造を位置決めすること、及び、計算された三角形パラメータデータと特定された基準構造ロケーションとを使用して、術中画像上に標的構造の推定されるロケーションをプロットすることを含む。

手術プロシジャ中に３Ｄイメージングを利用する実施の形態では、３次元のランドマーク点座標に基づいて以前に求めた三角形パラメータが、基準構造のロケーションが特定されている３Ｄ術中画像上に標的構造の推定されるロケーションをプロットするのに使用される。

手術プロシジャ中に２Ｄイメージングを利用する実施の形態では、三角形パラメータデータを生成する方法は、体部分のアイソセンタを計算するとともに、アイソセンタ軸の周りにランドマーク点を、選択された２Ｄ平面ビューに対応する所与の角度まで回転させること、選択された平面上にランドマーク点を投影すること、及び、投影されたランドマーク点座標のロケーションを関連付ける三角形パラメータを計算することをさらに含む。手術プロシジャ中に、標的構造の推定されるロケーションは、術中に取得された選択された２Ｄ平面画像上にプロットされる。プロットされるロケーションは、投影された三角形パラメータデータと、２Ｄ術中画像における基準構造の特定されたロケーションとに基づく。

或る実施の形態では、２Ｄイメージング平面内で定位パラメータのセットを求めるために、１つの標的構造と共に、単一の基準構造及び局所座標系が使用される。標的構造は、基準構造の特定されたロケーションと、基準構造のロケーション、標的構造、及び局所座標系軸を関連付ける定位パラメータとに基づいて術中画像上にプロットされる。

本発明は、特に、臨床医が１つの標的構造について直接の見通し線ビューを持たない最小侵襲プロシジャ中に、内部構造を定位するための有益なツールを臨床医に提供する。標的構造は、解剖学的構造、病理学的特徴、又は埋め込み式デバイスであってよい。最小侵襲プロシジャ中に、臨床医は、通常、術中に取得された２Ｄ画像又は３Ｄ画像における器具の位置を観察することによって、標的構造に向けて器具又は医療デバイスを誘導する。こうしたプロシジャは、時間がかかり、また、かなりの技量及び直観力を必要とする可能性がある。本発明は、臨床医が標的構造を定位するのを補助するために、術中医療画像上に標的構造の推定されるロケーションをプロットする方法を提供する。プロットされるロケーションは、選択された基準構造に対して、標的構造ロケーションを関連付ける以前に収集された三角形パラメータデータに基づいて推定される。三角形データは、プロシジャを受けている患者の３次元画像からか、或いは、別の被検体又は被検体の母集団から求めることができる。

本発明によって提供される方法は、予想的なデータ採取方法及び手術プロシジャ中に使用するための定位方法を含む。選択された複数の基準構造のロケーションに対して、手術プロシジャの標的となる１つの構造のロケーションを関連付ける三角形パラメータを求めるためのデータ採取法が実施される。三角形パラメータは、器具を標的構造に誘導するための定位方法において、後で手術プロシジャ中に適用される。定位方法は、３Ｄ又は２Ｄのいずれかの術中イメージングを使用して実施されてもよい。データ採取方法は、３Ｄイメージングを使用して実施され、実施されるステップは、手術プロシジャ中に３Ｄ術中画像が使用されるか、２Ｄ術中画像が使用されるかに依存することになる。次に続く説明では、３Ｄ画像誘導定位アプリケーション用のデータ採取方法及び定位方法が、図１〜図３Ｂに関連して述べられる。２Ｄ画像誘導定位アプリケーション用のデータ採取方法及び定位方法は、図４〜図８に関連して述べられる。

図１は、３次元の基準構造ロケーションと標的構造ロケーションを関連付ける三角形パラメータデータを計算するデータ採取方法に含まれるステップを要約するフローチャートである。図１の方法１０を使用して採取される三角形パラメータデータは、３Ｄ術中医療画像を使用して画像誘導プロシジャにおいて後で使用されることになる。採取された三角形パラメータデータに基づいて、手術プロシジャ中に取得される３次元医療画像によって規定される３Ｄボリューム内に、１つの標的部位ロケーションがプロットされることになる。術中画像は、通常、Ｘ線透視によって取得されるが、超音波検査等の、利用可能な任意の医療イメージング技術を使用して、取得することもできる。

データ採取方法１０のステップ１５にて、既存の任意のタイプのイメージング方法（その例は、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）及び磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）を含むが、それらに限定されない）を使用して、患者又は志願者からのボリューム医療画像が収集される。或るアプリケーションでは、画像は、三角形測定値から生理的運動アーチファクトを減らすために時間ゲート制御された画像である。画像は、三角形パラメータ測定値に対する呼吸運動及び心臓運動の影響を減らすために、呼吸周期及び／又は心周期の特定の時点にゲート制御されてもよい。

一連のボリューム画像が一旦取得されると、画像が積重ねられて、ステップ２０にて、空間的に正確な３Ｄ画像ボリュームが形成される。ミネソタ州ロチェスターのMayo Clinicで開発され、AnalyzeDirectによって販売されるＡｎａｌｙｚｅという医用画像解析ソフトウェアパッケージが、ステップ２０を実施するのに使用されてもよい。ステップ２０において取得された画像ボリュームは、画像を採取する患者又は志願者の体内で見出される真の解剖学的構造の仮想表現として役立つ。画像ボリュームは、標的構造と選択された基準構造とを含むように採取される。３Ｄ術中画像上に１つの標的構造のロケーションをプロットするのに使用することができる三角形パラメータデータのセットを生成するために、少なくとも３つの基準構造が必要とされることが予想される。

基準構造は、標的構造に比べて、医療画像上で、一般に、より容易に位置決めされ特定される構造として選択されてもよい。互いに対して、また、標的構造に対して、選択される基準構造の解剖学上のロケーションの変動が小さいほど、手術プロシジャ中に標的構造の推定されるロケーションをプロットする時の精度が高くなるであろう。このデータ採取フェーズでは、複数の基準点が最初に選択され、一部の点は、三角形パラメータの望ましくない変動性を引き起こす大きな解剖学的変動のために、後で排除されてもよい。

基準構造は、解剖学的構造に限定されない。埋め込み式デバイスが、基準構造として選択されてもよい。ペースメーカ、薬剤ポンプ、リード線、整形外科挿入物、又は他のデバイス等の、埋め込み可能デバイスが、患者の体内に既に存在してもよい。埋め込み可能デバイスは、画像誘導プロシジャ中に基準構造の役目を果たすために設置されてもよい。たとえば、カテーテル先端又は他のタイプのマーカが、基準構造の役目を果たすために、所望のロケーションに配置されてもよい。

先に述べたように、標的構造は、解剖学的構造、病理学的特徴、又は埋め込み式デバイスであってよい。医療介入は、組織を切除するため、組織を除去するため、薬物又は生物学的物質を送出するため、新しい医療デバイスを埋め込むため、既存の埋め込み式医療デバイスを取り除くか、再配置するか、若しくはその他の方法で変更若しくは調整するため、又は、標的部位において他のプロシジャを実施するために実施されてもよい。

ステップ２５〜３５は、基準構造及び標的構造のそれぞれのロケーションを規定するランドマーク点座標を規定することを対象とする。それぞれの各構造についてランドマーク点を規定するための、多くの方法が利用されてもよい。一実施形態では、ユーザは、指示ツールを使用して、構造に相当する医療画像における１点を単に選択してもよい。その場合、選択された点の座標が、その構造についてのランドマーク点座標として規定されることになる。選択される点は、構造の特定可能な側面であってもよく、手術プロシジャ中における、プロットされる標的構造ロケーションの精度を上げるために、再現性がある方法で選択可能である。ランドマーク点は、別法として、デジタル化されたグレースケール画像又はカラー画像において構造上の１点を特定する自動化技法を使用して選択されてもよい。別の実施形態では、また、図１に示すように、ランドマーク点座標は、３Ｄ画像ボリュームを通る、ランドマーク点が決定されている構造を含む斜面を最初に生成することによって決定されてもよい。Ａｎａｌｙｚｅソフトウェアパッケージ内に見出される「斜断面(Ｏｂｌｉｑｕｅ Ｓｅｃｔｉｏｎｓ)」モジュールが、このステップを実施するのに使用されてもよい。標的構造を通る１つの平面が生成される。選択された基準構造のそれぞれを通る、付加的な平面が生成される。１つの具体的に示すアプリケーションでは、冠状静脈洞口（ＣＳｏｓ）のカニューレ挿入を必要とするプロシジャについての三角形パラメータデータ採取は、標的ＣＳｏｓを通る１つの平面を生成すること、及び、たとえば、上大静脈（ＳＶＣ）口と三尖弁（ＴＶ）輪として選択されることができる２つの基準構造を通る２つの平面を生成することを含み得る。

斜面は、各平面が、それぞれの標的構造及び基準構造の２Ｄ形状を最もよく表すように、３Ｄボリュームを通って生成される。先に示した例では、ＳＶＣ口の平面は、ＳＶＣの周囲の、ＳＶＣが右心房に入るところを含むように生成されるであろう。ＴＶ輪の平面は、右心房と右心室の間の境界面にある弁の周囲を含むように生成され、ＣＳｏｓの平面は、右心房の壁に沿ったＣＳｏｓの周囲を含むように生成されるであろう。

標的構造及びそれぞれの基準構造について、平面が一旦生成されると、関連する構造を規定する点が、ステップ３０にて選択される。一実施形態では、各構造の境界に沿った点が、指示ツールを使用して手作業で選択されてもよい。他の実施形態では、点の選択は自動化されてもよい。たとえば、点は、デジタル化されたグレースケール画像又はカラー画像の境界検出に基づいて、自動的に選択されてもよい。

Ａｎａｌｙｚｅソフトウェアの「斜断面」モジュール内の点ピッキングツールが、ステップ３０を実施するのに使用されてもよく、選択された境界点又は縁座標の各セットは、テキストファイルにセーブすることができる。

ステップ３５にて、各基準構造及び標的構造について、ランドマーク点座標が求められる。図１に示す実施形態では、所与の構造についてのランドマーク点座標は、ステップ３０において選択された点のうちの１つ又は複数から求められる。ランドマーク点座標は、イメージングボリューム内の関連する構造のロケーションを規定する。一実施形態では、ランドマーク点は、構造の縁又は周囲に沿って選択される点から計算される重心であってよい。ランドマーク座標は、Ｍａｔｌａｂソフトウェア（マサチューセッツ州ナティックのMathworks）等の市販のソフトウェアを使用して計算されてもよい。「ｃｅｎｔｒｏｉｄ．ｍ」と呼ぶ、本発明者が開発した簡単なＭａｔｌａｂスクリプトは、選択された境界点座標のスケーリングされたセットを取得し、これらの点の平均的なロケーション（重心としても知られる）を計算する。標的構造ランドマーク点及び選択された基準構造ランドマーク点に相当する、ステップ３５において求めたランドマーク点座標セットについて、三角形パラメータが、ステップ３７にて求められる。基準構造ランドマーク点間の距離及び基準構造ランドマーク点と標的構造ランドマーク点の間の距離が求められる。２つの基準構造間の距離に対して、基準構造と標的構造の間の距離を関連付ける距離比が、次に、求められる。距離測定値の比を利用することによって、構造の空間的な関係を、測定単位又は体のサイズに関わらず推定することができる。

ステップ３７にて、ランドマーク点間に延びる線分間の角度もまた求められる。計算された距離比及び角度を使用して、標的構造のロケーションが、推定され、基準構造のロケーションがわかっている画像内にプロットされることができる。

本発明者が開発した、重心を計算するのに使用する同じＭａｔｌａｂスクリプトを使用して、ランドマーク点のそれぞれの間の距離を計算することができる。これらの距離は、標的構造及び２つの基準構造のランドマーク点によって規定される三角形の各斜辺の長さを規定する。計算された距離の比、及びランドマーク点の三角形によって形成された３つのベクトル対のそれぞれの間の角度を求めることができる。一実施形態では、ステップ３７において求められる三角形パラメータは、２つの基準ランドマーク点及び標的ランドマーク点をそれぞれ含む２つの異なる三角形から求めた、少なくとも２つの距離比及び２つの角度を含む。

方法１０は、患者固有の方法で実施することができ、方法１０は、プロシジャを受ける患者に関して予想して実施される。その患者について以前に求めた三角形パラメータがプロシジャ中に適用されて、基準構造ロケーションが特定されている、採取された術中画像上に標的構造の推定されるロケーションがプロットされる。

方法１０は、基準構造及び標的構造のセットについての代表的な三角形パラメータを求めることができるように、母集団から選択された多数の被検体で実施することができる。画像誘導プロシジャを受けている所与の患者において、標的構造の定位に役立つために、患者の母集団において変動性が低い三角形パラメータを使用することができる。多数の被検体で求めた三角形パラメータは、三角形パラメータの代表的なセットを求めるために、統計的に解析されてもよい。たとえば、三角形パラメータの平均値が求められてもよい。患者の母集団から取得される三角形パラメータデータは、予想的なデータ収集イメージングプロシジャが患者固有の方法で実施されることが時間的に許されない緊急プロシジャ時に使用するために、即座に利用可能であることができる。

図２Ａと図２Ｂは、データ採取方法１０（図１）中に計算することができる三角形パラメータのセットを示す。これらのパラメータは、３Ｄ術中画像を利用する画像誘導手術プロシジャ中の定位方法において使用されることになる。１つの標的構造ロケーションが３Ｄ術中画像内にプロットされることを可能にする三角形パラメータを求めるのに、少なくとも３つの基準点が一般に必要とされることになることが予想される。図２Ａでは、３つの基準ランドマーク点７１、７２、及び７３並びに標的構造ランドマーク点７５が特定されている。２つの基準ランドマーク点７１及び７２並びに標的ランドマーク点７５によって、三角形ＡＢＣが形成される。三角形ＡＢＣから求められる三角形パラメータのセットは、１つの距離比と１つの角度とを含むことになる。距離比は、基準ランドマーク点７１又は７２のいずれかと標的ランドマーク点７５の間の距離と、２つの基準ランドマーク点７１と７２の間の距離の比であることになる。たとえば、距離ＡＣとＡＢは、ランドマーク点座標から距離比ＡＣ：ＡＢを計算することによって求められてもよい。三角形の辺ＡＣ及びＡＢによって囲まれる角度（角度１）もまた、ランドマーク点座標から計算される。

図２Ｂでは、第３の基準ランドマーク点７３、ランドマーク点７２、及び標的ランドマーク点７５によって形成される三角形ＤＢＣから、三角形パラメータの第２のセットが求められる。三角形パラメータの第２のセットもまた、三角形ＤＢＣから求めた距離比と角度とを含む。たとえば、距離比ＤＣ：ＤＢと角度２が、ランドマーク点座標から計算されてもよい。

プロットされる１つの標的点ロケーションの精度を高めるために、さらなる基準構造が選択されてもよい。或る３次元アプリケーションでは、三角形パラメータは、４つ以上の基準構造が選択される時に形成される３つ以上の三角形について収集されてもよい。３つの基準構造について、３つのランドマーク点が特定される場合、３つの基準ランドマーク点及び標的ランドマーク点によって形成される２つの三角形について、１つの距離比と１つの角度とをそれぞれ含む三角形パラメータの２つのセットが求められる。他の実施形態では、４つ以上の基準構造ランドマーク点及び標的構造ランドマーク点を使用して形成される三角形から、さらなる三角形パラメータが求められてもよい。三角形データのセットを取得するのに使用される基準構造の数を増やすことによって、１つの標的部位ロケーションを予測する時の誤差を最小にすることができる。術中画像内でさらなる基準構造を特定するために、侵襲プロシジャ中により多くの時間が必要とされる場合があるが、標的部位ロケーションは、より正確に予測されることができ、全体のプロシジャ時間が減る。

３Ｄイメージングプロシジャ中に、基準構造又は標的構造を位置決めする他の技法に頼ってもよい。たとえば、心臓内の電気生理学的構造を位置決めするのを補助するために、電気生理学的測定を実施してもよい。本発明の別の例のアプリケーションでは、本明細書に述べる定位方法は、臨床医がヒス束にペーシング電極を設置するのを誘導するのに使用されてもよい。３Ｄイメージング及び電気生理学的マッピングに頼るデータ収集プロシジャが、ヒス束のロケーションを選択された基準構造に関連付けるのに必要とされる三角形パラメータを取得する時に使用されてもよい。電気生理学的測定は、ヒス束のロケーションを確認するのに使用されるであろう。

図３Ａは、推定された標的構造ロケーションを３Ｄ術中画像内にプロットする時に、３次元三角形パラメータを適用する方法に含まれるステップの図である。一部のアプリケーションでは、標的構造と同一平面上にある３つの基準点を使用して、１つの標的構造を定位することができる。図３Ａに示す定位方法は、３つの共面基準点から導出された三角形パラメータに基づいて、推定された標的構造ロケーションを３Ｄ画像内にプロットする１つの方法を示す。

ステップ１０２にて、術中画像フレーム１０１内で、３つの基準構造７１、７２、及び７３のロケーションが、ユーザによってマークされる。画像フレーム１０１は、基準構造と標的構造のそれぞれを含むものと予想されるボリュームの３Ｄ画像である。ユーザは、指示ツール、タッチスクリーン、又はイメージングシステムに適合する他のユーザ機器を使用して、基準構造のロケーションを指定することができる。ユーザは、プロットされる標的構造ロケーションの精度を高めるために、各基準構造のロケーションを、三角形データを取得する時に使用する各ランドマーク点に相当する点にマークするように試みるべきである。たとえば、ランドマーク点座標が、構造の重心に相当する場合、臨床医は、画像１０１内で重心をマークするように試みるべきである。

基準構造ロケーション７１、７２、及び７３をマークした後、ステップ１０４にて、術中画像１０１内の基準構造７１と７２の間の距離が測定される。図２Ａ及び図２Ｂに示すラベル付けの取り決めを使用すると、測定された距離は、２つの基準構造７１及び７２並びに標的構造によって形成された三角形ＡＢＣの１つの斜辺の距離ＡＢに相当する。標的構造のロケーションを推定するために、単位無しの距離比が適用されることになるため、距離ＡＢは、任意の単位で測定することができる。

３Ｄ三角形パラメータのアプリケーションの背後にある数学を可視化する、いくつかの可能な方法のうちの１つの方法は、特定された基準点ロケーション及び三角形パラメータによって規定される空間で円を考えることである。ステップ１０６にて、三角形パラメータを適用して、円１１０を生成する。角度１で線分ＡＢの周りに軌道が回転して、その周囲が点７１から距離ＡＣのところに位置する円１１０が規定される。距離ＡＣは、以前に求めた距離比ＡＣ：ＡＢと、画像１０１において測定した距離ＡＢとから求められる。角度１は、図２Ａで述べたように以前に求めた角度である。

標的ランドマーク点は、円１１０上に、又は、ほぼ円１１０上に位置する。データ採取方法１０中に取得される三角形パラメータデータの第２のセットは、標的ランドマーク点が円１１０上のどこに位置するかを推定するのに使用される。ステップ１０８にて、線分ＤＢから角度２で基準点７３から延びる軌道を回転させることによって、第２の円１１４が生成される。円１１４の円周は、以前に求めた距離比ＤＣ：ＤＢと、画像１０１において測定された距離ＤＢとから求められるように、点７３から距離ＤＣのところに位置する。

標的ランドマーク点７６は、円１１０と１１４が交差する点にプロットされる。プロットされた点７６は、術中画像上に表示され、臨床医が侵襲プロシジャ中に器具を誘導するための標的を提供する。円１１０及び１１４は、表示されてもよく、表示されなくてもよい。図３Ａに示す円は、推定される標的構造点７６を特定するために使用することができる計算を図示するために示される。

プロットされる点７６を囲むエリア又は周囲は、三角形パラメータの固有誤差又は変動性を示すために、画像ディスプレイ上で陰影をつけるか、又は、輪郭が表示されてもよい。円１１０及び１１４は、その交差点７６において、推定される３Ｄ標的ボリュームを生じるラインの太さで規定されてもよい。誤差は、画像フレーム１０１においてユーザが指示した基準構造のロケーション７１、７２、及び７３が、三角形パラメータを求める時に使用されるランドマーク点座標に正確に一致しない時に生じる場合がある。三角形パラメータが、患者母集団から求められる時、個人間の一定の変動性が、測定される距離比及び角度に存在することになり、予想される標的構造ロケーションに変動性が生じる。

３つの基準点及び標的構造が同一平面上にないアプリケーションでは、三角形パラメータの２つのセットを使用して生成される円１１０及び１１４が、２つ以上の点で交差する場合がある。時には、臨床医は、標的構造に相当する、解剖学的に現実的なロケーションに位置していないとして、論理的に１つの交差点を排除することができる場合がある。３つの点が標的構造を定位するのに十分でない場合、標的構造ロケーションを規定する一意の交差点を決定するためのさらに別の円を生成するのに、第４の基準構造が必要とされる場合がある。推定される標的構造ロケーションは、４つの基準ランドマーク点を使用して求めた三角形パラメータの３つのセットを使用して生成された３つの円の交差部にプロットされるであろう。

図３Ｂは、推定される標的構造ロケーションを３Ｄ術中画像内にプロットするための、４つの基準ランドマーク点の使用を示す。ステップ１３０にて、術中画像フレーム１０１内で、４つの基準構造７１、７２、７３、及び７４のロケーションが、ユーザによってマークされる。画像フレーム１０１は、基準構造と標的構造のそれぞれを含むものと予想されるボリュームの３Ｄ画像である。

ステップ１３２にて、三角形パラメータを適用して、円１１０を生成する。角度１で線分ＡＢの周りに軌道が回転して、その周囲が点７１から距離ＡＣのところに位置する円１１０が規定される。距離ＡＣは、以前に求めた距離比ＡＣ：ＡＢと、画像１０１において測定した距離ＡＢとから求められる。角度１は、図２Ａで述べたように以前に求めた角度である。

標的ランドマーク点は、円１１０上に、又は、ほぼ円１１０上に位置する。データ採取方法１０中に取得される三角形パラメータデータの第２のセットは、標的ランドマーク点が円１１０上のどこに位置するかを推定するのに使用される。ステップ１３４にて、線分ＤＢから角度２で基準点７３から延びる軌道を回転させることによって、第２の円１１４が生成される。円１１４の円周は、以前に求めた距離比ＤＣ：ＤＢと、画像１０１において測定された距離ＤＢとから決定されるように、点７３から距離ＤＣのところに位置する。

この例では、２つの基準円１１０及び１１４は、２つの点７６と７７で交差し、そのうちの一方が標的構造である。標的の適切なロケーションを、２つの交差点から引き出すことができない場合、第４の基準点が必要とされる。ステップ１３６は、第４の基準点７４に基づく、三角形パラメータの第３のセットの使用を示す。

三角形パラメータの第３のセットは、第３の三角形ＦＣＢに対応する距離比ＦＣ：ＦＢと、角度３とを含むことになる。三角形パラメータの第３のセットは、第３の基準円１１６を生成するのに使用される。三角形ＦＣＢの辺ＦＢ（基準点７４と７２の間に延びる）に対して角度３で第４の基準点７４から延びる軌道を回転することによって、円１１６が生成される。円１１６の円周は、画像１０１における測定された距離ＦＢと、以前に求めた距離比ＦＣ：ＦＢとから決定されるように、基準点７４から距離ＦＣのところに位置する。３つの基準円１１０、１１４、及び１１６の間に、１つの共通交差点７６が存在することになり、標的構造ロケーションを規定する。プロットされた点７６は、術中画像上に表示され、臨床医が侵襲プロシジャ中に器具を誘導するための標的を提供する。

図４は、２次元画像誘導手術プロシジャにおいて使用するための、三角形パラメータ測定値を採取するための方法に含まれるステップを要約するフローチャートである。介入中に、術中画像は、２次元又は３次元で取得されてもよい。３Ｄ術中イメージングが利用可能である場合、図１の方法１０を使用して取得された三角形パラメータは、先の図３に関連して述べたように、術中３Ｄ画像において直接適用されてもよい。しかしながら、術中イメージングが、２ＤのＸ線透視等の２Ｄ画像に限定される場合、データ採取方法中に取得される３次元ランドマーク座標は、三角形パラメータを計算するために、選択された平面ビュー上に投影される必要がある。

図４に示す方法１０’は、標的構造と基準構造のそれぞれについてランドマーク点座標を求めるために、図１に関連して先に述べたように、ステップ１５〜３５を含む。２Ｄ画像誘導アプリケーションでは、２つの基準構造が、一般に、推定される標的構造ロケーションをプロットする時に使用するのに十分であることが予想される。ステップ６０にて三角形パラメータを計算する前に、ランドマーク点は、予定されるプロシジャ中に使用されることになる２次元平面ビュー上に投影される必要がある。

方法１０’のステップ４０にて、１つのロケーションが３Ｄ画像ボリューム内で計算され、このロケーションは、２次元画像が周りを回転する、患者の体又は体領域のアイソセンタ軸に等しい。たとえば、２ＤのＸ線透視によって誘導される一般的な侵襲プロシジャにおいて、Ｘ線透視Ｃアームが周りを回転することになる、胸郭空洞のアイソセンタ軸が決定されてもよい。体領域のアイソセンタは、指定されたロケーションにおいて、イメージングボリューム内の領域の高さ及び幅を測定することによって決定されてもよい。各寸法の中央点を通過する軸が、アイソセンタ軸として決定される。２Ｄイメージング平面が周りを回転するアイソセンタ軸を規定するのに使用されるアイソセンタ点のロケーションを求めるために、他の方法が使用されてもよい。

１つの例では、胸郭空洞のアイソセンタは、およそ大動脈弁の高さにおいて、各イメージングボリュームの胸郭空洞の幅と高さを測定することによって規定することができる。胸郭空洞の各寸法の中央点がその後決定される。各寸法の中央の交差部において体を通って規定される垂直軸が、ランドマーク点のそれぞれのセットが周りを回転することができる回転軸として使用される。

図５は、患者の胸郭空洞のアイソセンタ８０と、２ＤのＸ線透視ビューを取得するために、標準的なＣアームが周りを回転することができるアイソセンタ軸８２とを示す。Ｘ線透視ビューに利用されるいくつかの回転角、すなわち、３０°右前傾斜角８４、３０°左前傾斜角８６、及び６０°左前傾斜角８８が示される。

図４のフローチャートのステップ４５にて、ランドマーク点を選択された平面ビュー上に投影するために、基準構造と標的構造のランドマーク点座標が、アイソセンタ軸の周りに回転する。選択された平面ビューは、画像誘導のための手術プロシジャ中に使用されることを意図された平面ビューに相当する。本発明者が開発し、「ＣＳｌｏｃｒｏｔａｔｉｏｎ．ｍ」と呼ぶ別のＭａｔｌａｂコードを、ステップ４５にて使用して、３つのランドマーク点座標のそれぞれと、アイソセンタ規定点とを統合することができ、ユーザが、アイソセンタ軸の周りで、ランドマーク点をいずれかの方向にいろいろな角度で回転させることを可能にする。

これらの点が、アイソセンタ軸の周りで所与の角度に回転した後、ステップ５０にて、平行投影方法を使用して、選択された平面上に点が投影される。結果として得られる２Ｄランドマーク点座標は、その後、所与の角度回転において２次元画像上でどのように現れるかを表すためにプロットされる。ステップ６０にて計算される三角形パラメータは、選択された２Ｄ平面ビュー内の投影されたランドマーク点座標によって形成される三角形から求められる距離比と角度である。

図６は、２Ｄシステムにおいて投影されたランドマーク点座標から計算することができる三角形パラメータを示す。ＣＳｏｓを定位するための、先の例で述べたランドマーク点が、胸郭空洞のアイソセンタの周りを、３０°の左前傾斜（ＬＡＯ）角度に回転した場合、投影された点は、図６に示す三角形に似たものに見える。図６では、選択された画像平面９５における、それぞれＡ及びＢとラベル付けされた、２つの投影された基準ランドマーク点９０及び９２、並びに、Ｃとラベル付けされた、投影された標的構造ランドマーク点９４によって三角形ＡＢＣが形成される。ＣＳｏｓを定位する例では、基準ランドマーク点９０は上大静脈ランドマーク点に相当し、基準ランドマーク点９２は三尖弁ランドマーク点９２に相当し、標的ランドマーク点９４はＣＳｏｓに相当し得る。

投影されたランドマーク点９０、９２、及び９４によって形成される三角形ＡＢＣのそれぞれの各斜辺の距離ＡＢ、ＢＣ、及びＡＣは、投影されたランドマーク座標値から計算することができる。これらの距離は、三角形ＡＢＣの辺の長さを関連付ける距離比を計算するのに使用される。

通常、１）第１の基準ランドマーク点から第２の基準ランドマーク点までの距離及び２）第１の基準ランドマーク点から標的ランドマーク点までの距離を含む２つの距離が計算されることになる。示す例では、基準ランドマーク点９０と基準ランドマーク点９２の間の距離である距離ＡＢが、基準ランドマーク点９０と標的ランドマーク点９４の間の距離である距離ＡＣと共に計算することができる。その後、距離ＡＢと距離ＡＣの比が計算されてもよい。他の例では、距離ＡＢと距離ＢＣが計算されて、距離比を求めてもよい。距離比は、一般に、２つの基準ランドマーク点９０と９２の間の距離を、基準ランドマーク点９０又は９２の一方と標的ランドマーク点９４の間の距離に関連付ける。

距離比に加えて、少なくとも１つの角度が測定される。距離比が、距離ＡＢと距離ＡＣを用いて計算される場合、ベクトルＡＢとベクトルＡＣの間で形成される角度１が、各ランドマーク点座標から計算される。距離比が、距離ＣＡと距離ＣＢを用いて計算される場合、これらのベクトルによって形成される角度３が計算される。距離比及び関連する角度測定値を知ることによって、基準構造を含む術中画像において、標的構造のロケーションを予想することができる。

図７は、標的構造を２次元術中画像上にプロットするために、画像誘導プロシジャ中に三角形パラメータを適用する方法に含まれるステップを示すフロー図である。ステップ１２２にて、術中画像フレーム１２１内で、基準構造９０及び基準構造９２のロケーションが、ユーザによってマークされる。画像フレーム１２１は、選択されたビュー平面の２Ｄ画像である。ユーザは、指示ツール、タッチスクリーン、又はイメージングシステムに適合する他のユーザ機器を使用して、基準構造９０及び基準構造９２のロケーションを指定することができる。ユーザは、プロットされる標的構造ロケーションの精度を高めるために、各基準構造のロケーションを、三角形データを取得する時に使用する各ランドマーク点に相当する点にマークするように試みるべきである。

基準構造ロケーションをマークした後、ステップ１２４にて、術中画像１２１内の基準構造９０と基準構造９２との間の距離が測定される。測定された距離は、図６に示すように、２つの基準構造と標的構造によって形成された三角形の１つの斜辺の距離ＡＢに相当する。標的構造のロケーションを推定するために、単位無しの距離比が適用されることになるため、距離ＡＢは、任意の単位で測定することができる。

ステップ１２６にて、標的構造の推定されるロケーション９６をプロットするために、三角形パラメータが適用される。一実施形態では、図６に示すラベル付けの取り決めを使用して、画像フレーム１２１における測定された距離ＡＢは、距離比ＡＣ：ＡＢを乗算されて、基準構造９０と標的構造の間の距離ＡＣが求められる。その後、点９６は、辺ＡＢから角度１で延びるベクトルに沿って、基準構造９０から距離ＡＣのところにプロットされる。プロットされた点９６は、臨床医が侵襲プロシジャ中に器具を誘導するための標的を提供する。プロットされた点９６を囲むエリア又は周囲は、三角形パラメータの固有誤差又は変動を示すために、陰影をつけるか、又は、輪郭が表示されてもよい。

ＣＳｏｓを定位するための先に述べた例は、臨床状況において、平均の三角形パラメータを適用する方法をさらに述べるために使用されてもよい。標的のＣＳｏｓ並びにＳＶＣ及びＴＶの基準構造のロケーションを関連付ける三角形パラメータを、選択された患者母集団からの多数の被検体から得ることができる。所与の患者母集団から、（図５に示すように）ＬＡＯ３０°観察方向において、三角形の、ＳＶＣ−ＴＶ斜辺とＳＶＣ−ＣＳｏｓ斜辺の間の距離比及びＳＶＣ−ＴＶ斜辺とＳＶＣ−ＣＳｏｓ斜辺の間の角度の変動が小さいという仮定が行われてもよい。

ＣＳｏｓのカニューレ挿入を必要とするプロシジャ中に、医師は、患者の心臓をＬＡＯ３０回転角度から観察するために、Ｘ線透視Ｃアームの向きを制御し、その後、カテーテルを使用して、医師は、ＳＶＣ口及びＴＶ輪の中心点を位置決めし、Ｘ線透視ビュー上でこれらのロケーションをマークする。これらの点は、Ｘ線透視画像を表示するモニタ上で手作業でマークされてもよく、又は、ソフトウェアパッケージによって、画像上に電子的にマークされてもよく、同様に、Ｘ線透視ビュー上のこれらの点間の距離は、定規と２点間に引いたラインとを使用して測定されるか、又は、ソフトウェアパッケージによって計算されることができる。その後、選択された患者母集団に関する、以前に生成された三角形パラメータデータベースを使用して、三角形のＳＶＣ−ＣＳｏｓ斜辺の長さは、三角形のＳＶＣ−ＴＶ斜辺とＳＶＣ−ＣＳｏｓ斜辺の間の距離比測定値を使用して計算されることになる。その後、三角形のＳＶＣ−ＣＳｏｓ斜辺の軌道は、Ｘ線透視ビュー上の既存のライン（ＳＶＣ−ＴＶ斜辺）と、三角形パラメータデータベースから既に規定された角度測定値とを使用することによって、規定されることになる。

Ｘ線透視スクリーン上に、長さと軌道計算結果から得られる、ＣＳｏｓの予想されるロケーションに相当する点をプロットした後、母集団において見出される変動に基づく周囲が、予想されるＣＳｏｓロケーションの周りに描かれ、医師が、冠状静脈洞にカニューレ挿入するのを誘導するための標的を提供する。患者固有の定位方法が使用される場合、医師は、母集団ベースのツールについて先に概説したステップと同じステップに従うことができ、唯一の違いは、患者母集団の変動がなくなるため、標的が小さいことである。

図８は、１つの基準構造と局所座標系から求められる定位パラメータが、術中画像内での標的構造ロケーションをプロットする時に使用される、本発明のさらに別の実施形態に含まれるステップを要約する図である。一部のアプリケーションでは、単一の基準構造９０が選択されてもよい。手術プロシジャの前に実施されるデータ採取方法では、基準構造ランドマーク点と標的ランドマーク点の間の距離が測定される。局所座標軸と、標的ランドマーク点の方向に基準ランドマーク点から延びる軌道との間の角度が求められる。局所座標軸は、イメージングエリア１２１に対して規定される。この距離測定値と角度は、画像誘導プロシジャ中に推定された標的構造ロケーションをプロットする方法において使用される。

図８に示すように、２次元術中画像１０１内の基準構造９０のロケーションは、ステップ１０５にて、臨床医によってマークされる。局所座標系の軸、この例では、Ｙ軸から角度１’で基準点９０から延びる軌道が生成される。ステップ１０７にて、標的点９６は、軌道に沿って、基準点９０から距離ＡＣのところにプロットされる。距離ＡＣは、基準点９０と標的ランドマーク点の間の、データ採取中に測定された距離に相当する。そのため、一部のアプリケーションでは、標的点ロケーションは、最低１つの基準構造と、規定された局所座標系を使用してプロットされてもよい。定位パラメータデータは、距離比ではなく絶対距離測定値を含む。

本明細書に述べる方法は、一連の構造を位置決めするために、段階的な方法で適用されてもよい。たとえば、カテーテル又はリード線を心臓静脈内に設置するプロシジャにおいて、本明細書に述べる方法は、最初に、冠状静脈洞口を定位するために適用されてもよい。冠状静脈洞口が一旦位置決めされると、冠状静脈洞口は、標的心臓静脈を位置決めするための、基準構造として使用されてもよい。標的心臓静脈を定位するために、ＣＳｏｓのロケーション及び第２の基準構造、たとえば、三尖弁を関連付ける三角形パラメータが取得されてもよい。こうして、最初の定位ステップにおける標的構造は、最終の治療送出部位又は診断部位に器具を最終的に誘導するために実施される第２の定位ステップにおける基準構造として使用されてもよい。

こうして、以前に求めた三角形パラメータに基づいて術中画像上に標的構造ロケーションをプロットする方法が述べられた。本発明によって提供される方法は、２Ｄ又は３Ｄイメージングシステムを使用した精密な構造定位を必要とするあらゆる介入において使用することができる。本発明が有益である場合があるプロシジャは、ＣＳｏｓカニューレ挿入、ペーシングリード線の設置、薬剤、生物学的物質、又は遺伝子物質の局所送出、組織切除、経皮的弁設置、及び生理的センサの設置を含むが、それらに限定されない。臨床医が標的構造を定位するのを補助するために、本発明を使用することで、プロシジャ時間を減らし、少数のＸ線透視画像しか必要としないことによって、放射線被曝を減少させることができ、より予測可能な治療結果がもたらされる。定位方法の使用は、特定のプロシジャを実施する時の医師の自信を増加させ、プロシジャを学習するのに必要とする医師の訓練時間を減らす。本明細書に述べる方法は、本発明を実施するための例示的な方法を示すことを意図され、添付の特許請求の範囲に関して制限することを意図しない。

３次元の基準構造と標的構造を関連付ける三角形パラメータデータを計算するデータ採取方法に含まれるステップを要約するフローチャートである。 図１に示すデータ採取方法中に計算することができる三角形パラメータのセットを示す図である。 図１に示すデータ採取方法中に計算することができる三角形パラメータのセットを示す図である。 推定される標的構造ロケーションを３Ｄ術中画像内にプロットする時に、３次元三角形パラメータを適用する方法に含まれるステップの図である。 推定される標的構造ロケーションを３Ｄ術中画像内にプロットするための、４つの基準ランドマーク点の使用を示す図である。 ２次元画像誘導手術プロシジャにおいて使用するための、三角形パラメータ測定値を採取するための方法に含まれるステップを要約するフローチャートである。 患者の胸郭空洞のアイソセンタと、２ＤのＸ線透視ビューを取得するために、標準的なＣアームが周りを回転することができるアイソセンタ軸とを示す図である。 ２Ｄシステム内で投影されたランドマーク点座標から計算することができる三角形パラメータを示す図である。 標的構造を２次元術中画像上にプロットするために、画像誘導プロシジャ中に三角形パラメータを適用する方法に含まれるステップを示すフロー図である。 １つの基準構造と局所座標系から求めた定位パラメータが、術中画像内に標的構造ロケーションをプロットする時に使用される、本発明のさらに別の実施形態に含まれるステップを要約する図である。

Claims (3)

1. 画像誘導手術システムであって、
   手術プロシジャのために、１つの標的構造を含む体部分の３次元画像を生成する（１５）手段と、
   前記画像に含まれる複数の基準構造を選択する（３０）手段と、
   前記標的構造及び前記基準構造のそれぞれのロケーションを規定するためにランドマーク点（７１，７２）座標を計算する（３５）手段であって、それによって、それぞれの標的構造ランドマーク点座標と基準構造ランドマーク点座標を生成する、ランドマーク点座標を計算する手段と、
   ２次元イメージング面が周りを回転する、患者の体内のアイソセンタ軸（８２）ロケーションを規定する（４０）手段と、
   前記アイソセンタ軸の周りに、前記標的構造ランドマーク点座標及び前記基準構造ランドマーク点座標を選択された平面イメージングビューまで回転させる（４５）手段と、
   前記選択された平面ビュー上に投影される前記標的構造ランドマーク点座標及び前記基準構造ランドマーク点座標を計算する（６０）手段と、
   前記基準構造ランドマーク点座標に対して、投影される前記標的構造ランドマーク点座標の前記ロケーションを関連付ける三角形パラメータを計算する（６０）手段と、
   前記手術プロシジャ中に、術中２次元画像を採取する手段と、
   該術中画像内で選択された前記基準構造のロケーションを特定する手段と、並びに
   前記計算された三角形パラメータと、前記術中画像内での前記基準構造の前記特定されたロケーションとに応じて、前記術中画像上に前記標的構造のロケーションをプロットする手段と、
   を備え、更に、
   前記計算された三角形パラメータは、距離比と角度とを含み、該距離比は、前記標的構造ランドマーク点座標のうちの１つの標的構造ランドマーク点と、前記基準構造ランドマーク点座標のうちの２つの基準構造ランドマーク点とによって形成される三角形の２辺の長さを関連付け、該角度は、前記三角形の前記２辺の間で形成される角度であり、
   術中画像において標的構造のロケーションをプロットする手段は、
   ２つの特定された基準構造の間の距離を測定する手段と、
   第１の特定された基準構造及び第２の特定された基準構造によって規定される線分に対して、対応する計算された角度で前記第１の特定された基準構造から軌道を延ばす手段と、並びに
   前記第１の特定された基準構造から或る距離にある前記軌道上のロケーションに前記標的構造をプロットする手段であって、前記距離は、対応する計算された距離比と、前記第１の特定された基準構造及び前記第２の特定された基準構造の間の、前記術中画像内で測定された距離とに応じて求められる、プロットする手段を含む、
   ことを特徴とする画像誘導手術システム。
2. 前記ランドマーク点座標を計算する手段は、
   前記標的構造ランドマーク点座標及び前記選択された基準構造のそれぞれを通る別個の斜面を生成する手段と、
   該各斜面のそれぞれにおいて、前記標的構造及び前記基準構造の１つに相当する複数の点を選択する手段と、及び
   該複数の選択された点に応じて前記ランドマーク点座標を計算する手段と、
   を含む請求項１に記載のシステム。
3. 前記各斜面のそれぞれにおける、前記標的構造及び前記基準構造の１つに相当する前記選択された複数の点は、構造境界点である、請求項２に記載のシステム。

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