JP4675613B2 - 医療検査および／または治療システム - Google Patents

Description

本発明は、画像撮影システムに接続された少なくとも１つのセンサを有するカテーテルと、検査範囲において取得されたセンサ信号の評価のためにセンサに接続されている画像処理ユニットと、画像処理ユニットの画像を表示するためのディスプレイユニットと、カテーテル先端の位置および／または方位を検出するための手段と、カテーテル先端の検出された位置および／または方位に基づいて画像撮影システムの２次元画像から３次元画像を作成するための手段とを備えた医療検査および／または治療システムに関する。

死という結果をともなう最も頻発する病気の一つは、血管の病気、特に心筋梗塞である。心筋梗塞は冠状血管の病気（動脈硬化症）によって引き起こされる。いわゆる動脈硬化プラークの沈着によって冠状血管が詰まった状態になる。最新の知識によれば、心筋梗塞に至る危険が血管直径の低下に主に関連するというわけではないことが明らかになった。むしろ、動脈硬化の沈着物を覆う薄い保護膜が安定であるかどうかが重要である。この膜が破れると血小板が引き寄せられ、血小板は短時間内に血栓となり、それにより心筋梗塞を引き起こす。

従来、心臓の冠状血管の検査は冠状血管撮影法（コロナルアンジオグラフィ）の枠内において主としてＸ線監視下で造影剤を用いた心臓カテーテル検査によって行なわれている。しかしながら、この方法は、血流によって利用可能な血管直径つまり狭い個所だけがシルエットとして表示されるにすぎない欠点を有する。従って、厚みや炎症の存在のような動脈硬化沈着物に関するメッセージは可能でない。

他の方法の場合、血管内超音波（Ｉｎｔｒａｖａｓｃｕｌａｒ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ；ＩＶＵＳ）カテーテルが案内線（ガイドワイヤ）により冠状血管内に挿入され、引続いて手動によってまたはモータ駆動される引張装置によって定められた速度で血管から引き出される。この方法は公知である（例えば、特許文献１参照）。カテーテルは冠状血管の超音波画像を供給し、その場合にたいてい血管壁が３６０°包囲の横断面で表示される。これらの画像は、例えば炎症性病巣の存在および沈着厚みのような沈着に関する重要な医療情報を供給する。しかしながら、超音波画像の分解能が限られており、これらの画像が単に２次元表示しかもたらさないという欠点がある。

既に試験され開示された他の新しい方法の場合、赤外線で動作する光コヒーレンス断層撮影（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ；ＯＣＴ，光干渉断層撮影とも呼ばれている）のための血管内カテーテルが冠状血管内に挿入される（例えば、特許文献２参照）。ＯＣＴシステムの画像は、動脈硬化プラークに関する付加的な医療情報を供給する。この解決法は、血管表面近くの構造物を非常に高い詳細分解能で表示することができ、部分的には顕微鏡による組織表示が可能であるという利点を有する。この方法の欠点は深部にある組織の分解能が低い点にある。

請求項１の前文による検査システムは公知である（例えば、特許文献３参照）。この公知のシステムにおいては、Ｘ線を用いずに体内でのカテーテル先端の位置決めを可能にするために位置センサが設けられている。しかしながら、この方法は成功しなかった。なぜならば、血管内へのカテーテル挿入時に血管破損が起こり得るからである。従って、安全性のためにカテーテル挿入はなおもＸ線監視下で行なわれている。

公知の検査および／または治療装置における他の欠点は、センサが一般に血管中心ではなく、例えば縁部に存在するので、運動アーチファクトが生じることにある。
独国特許出願公開第１９８２７４６０号明細書 国際公開第０１／１１４０９号パンフレット 独国特許出願公開第１００５１２４４号明細書

本発明の課題は、運動アーチファクトのない改善された画質を有する医療検査および／または治療システムを提供することにある。

この課題は、本発明によれば、冒頭に述べた医療検査および／または治療システムにおいて、画像撮影システムが、光コヒーレンス断層撮影のための第１のセンサと血管内超音波画像撮影システムの第２のセンサとを有し、カテーテル先端の位置および／または方位を検出するための手段は、カテーテル先端の検出された位置および／または方位に基づいて検査範囲の少なくとも１つの幾何学的パラメータを算出するための計算ユニットを有し、該幾何学的パラメータとして、検査範囲の中心線および／または包絡線が算出可能であることによって解決される。
本発明による医療検査および／または治療システムの実施態様によれば、光コヒーレンス断層撮影のための第１のセンサから提供された２次元の光コヒーレンス断層撮影画像と、血管内超音波撮影システムの第２のセンサから提供された２次元の血管内超音波撮影画像とが組み合わされて１つの２次元画像を形成して表示される。

本発明によるシステムにおいては、３次元画像が２次元画像に基づいて作成され、カテーテル先端のその都度の座標が付加的な情報として使用される。位置データを含むことによって、従来システムに比べて改善された診断を可能にする実際的な画像が作成される。特に、３Ｄ画像におけるアーチファクトは明白に低減され、あるいはそれどころか完全に回避される。

本発明によるシステムは、３次元画像を作成するための手段が、カテーテル先端の検出された位置および／または方位に基づいて検査範囲の少なくとも１つの幾何学的パラメータを算出するための計算ユニットを有すると、更に改善することができる。これらの幾何学的パラメータに基づいて画像とカテーテル先端の座標との間の関係が作成されるので、３次元検査範囲が実際的に表示可能である。これに比べて従来の検査システムは２次元の画像しか作成することができない。なぜならば血管内におけるカテーテルの瞬時位置が考慮されていないからである。

本発明による医療検査および／または治療システムにおいて、幾何学的パラメータとして、検査範囲の中心線および／または包絡線が算出可能であると特に望ましい。これらの算出された幾何学的パラメータにより、個別画像が正確に配置された検査範囲の３次元モデルを作成することができる。この場合、算出された少なくとも１つの幾何学的パラメータに基づいて２次元画像のずれ修正が実行可能であると特に有利である。ずれ修正は、例えば、カテーテルがカテーテルに比べて相対的に大きい血管内に存在し血管の中心線に沿って正確に案内されない場合に有利である。この場合に検査範囲のできるだけ実際的な表示を得るためにも、画像平面における２次元画像が、カテーテル先端の検出された位置および／または方向に基づいて修正される。

本発明によれば、幾何学的パラメータからの２次元画像の偏差に関係したずれ修正が用いられ、幾何学的パラメータは目標値の関数を持つ。従って、ずれ修正は画像平面における画像シフトを含むとよい。代替として又は追加としてずれ修正が画像の回転を含むことも可能であり、カテーテル長手軸線を回転軸線として利用すると望ましい。もちろん、ずれ修正がカテーテル長手軸線に対して垂直な軸線を回転軸線とする回転を含むことも可能である。もちろん、上述の個別修正は、例えば、平面における画像を移動させようとして、カテーテル先端を同時に中心線から外し、従って１つ又は複数のひねりが必要である場合に組み合わせて実施することができる。

本発明によるシステムにおいて、３次元画像は、画像撮影システムのセンサ信号を評価するために設けられている画像処理ユニットにおいて作成される。しかしながら、代替として、ハードウェア手段および／またはソフトウェア手段を含む３次元画像を作成するための第２の画像処理ユニットを設けることもできる。

画像撮影システムのセンサとして、光コヒーレンス断層撮影のためのセンサを使用することが考えられ得る。このようなセンサは光ファイバを含み、光が光ファイバを介して案内され、検査範囲に挿入されたカテーテル先端の範囲において出射され、照明された検査範囲からの反射光が光ファイバを介して第１の画像処理ユニットに案内される。

しかしながら、画像撮影システムのセンサとして、音波パルスを送受信する血管内超音波撮影システムのセンサを使用することもできる。音波パルスは画像処理ユニットに電気信号として導かれる。

蛍光式カテーテルを使用することもでき、同様に種々の既述のカテーテルの組合せも考えられ、特に好ましいのはＯＣＴ−ＩＶＵＳカテーテルである。

本発明の実施態様によれば、カテーテル先端の位置および／または方位を検出するための手段は、カテーテルの内部または表面に配置され外部の位置検出器と協動する少なくとも１つの位置センサまたはカテーテルの内部または表面に配置され少なくとも１つの外部の位置センサと協動する検出器を含む。

この場合に、３次元座標系に対するカテーテルの位置および／または方位を検出するために、複数の、とりわけ３つの位置センサを使用すると特に好ましい。このために、位置センサは、検出器における受信コイルと協動する好ましくは互いに直角方向に配置された送信コイルを有するとよい。代替として、位置センサは、位置検出器に配置された送信コイルと協動する受信コイルを有してもよい。

本発明による医療検査および／または治療システムは、カテーテル先端範囲に少なくとも１つの磁場発生要素が設けられ、かつ患者内に挿入されたカテーテルの移動に役立つ外部磁場を発生するための外部磁場発生装置が設けられていると、さらに改善される。このいわゆる磁気式ナビゲーションにより、多数の測定点を得るために外側からカテーテル先端を移動させることができ、この場合にとりわけカテーテル先端が血管壁に接触する点が重要である。

以下において図面に基づいて説明する実施例により本発明の更なる利点および詳細を明らかにする。
図１は本発明による検査および治療システムのカテーテルの実施例を示し、
図２は画像処理の原理的経過を示し、
図３は血管内へのカテーテルの挿入を示し、
図４は本発明による検査および／または治療システムの構成を概略図で示す。

図１に示されたカテーテル１は、主としてカテーテル管２、カテーテル先端範囲に配置されたＩＶＵＳセンサ３、ＯＣＴセンサ４からなる。ＩＶＵＳセンサ３は血管内超音波画像撮影システムの一部であり、ＯＣＴセンサ４は光コヒーレンス断層撮影のための画像撮影システムの一部である。付加的に、カテーテル１内にはカテーテル先端範囲に位置センサ５が配置されており、位置センサ５は被検体の外側に配置されている位置検出器６と協動する。位置検出器６は概略的に示されたインターフェース７を介して位置認識ユニットに接続されている。位置センサおよび位置検出器の配置は、位置検出器がカテーテル内にあり、位置センサが被検体の外側にあるように交換することもできる。

センサ３，４，５を収容するカテーテル管２は超音波を透過させる。ＩＶＵＳセンサ３は、超音波が横方向に出射されかつ受信されるように構成されている。ＩＶＵＳセンサ３は高い回転速度で回転するので、ＩＶＵＳセンサ３は検査すべき血管の３６０°を含む横断面画像を供給する。反射されて受信された音波はＩＶＵＳセンサ３によって電気信号に変換され、電気信号は信号線９を介して信号インターフェースに導かれ、更に前処理ユニットおよび画像処理ユニットに導かれる。

ＯＣＴセンサ４は、同様に側面に向けられており、検査すべき血管の連続画像を作成する。カテーテル管２はＯＣＴセンサ４の範囲に、ＯＣＴセンサ４から出射された赤外線のための窓８を備えている。反射された光は、グラスファイバ管として形成された信号案内管１０を介して信号インターフェースに導かれ、更に前処理ユニットおよび画像処理ユニットに導かれる。

概略的に示された位置センサ５は、カテーテル先端範囲における他の個所、例えばＯＣＴセンサ４の背後に取り付けることもできる。位置センサ５は送信コイルとして形成された多数の電磁ユニットを含み、３次元座標系における各方向に対して送信コイルが設けられている。信号線１１により位置センサ５は信号インターフェースに接続されている。

図２は画像処理の原理的経過を示す。

ＩＶＵＳセンサ３およびＯＣＴセンサ４によって作成された画像１２は、近接範囲および深部にある組織層における最適な表示が優れている。検査中に多数の画像が撮影されて記憶される。画像１２は、各断層像に位置が割り付けられるように、位置センサ５および位置検出器６によって検出された位置データと結び付けられる。この位置データには、ベクトルによって示すことができるカテーテル先端の方向も属している。次のステップにおいて、３次元のボリュームデータセットを得るために、算出された幾何学的パラメータとしての中心線および包絡線が画像撮影中に検出されたセンサ位置と組み合わされる。ボリュームデータセット１３は多数の組み合わされた２次元のＯＣＴ画像およびＩＶＵＳ画像からなる。３次元のボリュームデータセット１３を作成するために、中心線の３次元座標と画像撮影中に検出されたセンサ位置とが互いに引き算される。この引き算は個々の２次元画像の３次元シフトに相当し、２次元画像はこのようにして算出された中心線に対してシフトされる。このようにして、ずれを補正された正確な３Ｄボリュームデータセット１３が得られる。３Ｄボリュームデータセット１３においてはアーチファクトが明らかに低減され、あるいは完全に除去されている。

中心線のほかに血管の他の幾何学的パラメータを算出することができ、引き続いてこれらのパラメータは爾後の画像処理ステップにおいて使用することができる。包絡線により３次元再構成ＯＣＴ−ＩＶＵＳ画像を同じ血管部分の他の解剖学的画像データ（ＭＲＡ，ＣＴＡ，３Ｄアンギオ）と共に表面に基づいて記録し、その後融合して表示することができる。

図３は血管内へのカテーテルの挿入を示す。

図３に示されているように、カテーテル１は血管１４内への挿入および前進の際に必然的に血管の境界面に突き当たる。それによって多数の境界点１５，１６，１７が得られ、それらの座標が位置センサ５を介して検出される。血管１４の中心線は３次元空間における１次元の線である。これは、検出された境界点１５，１６，１７に基づいて算出され、多項式によって記述される。同様に血管１４の包絡線も境界点１５，１６，１７から求められる。中心線および包絡線の再構成方法は米国特許第６５４６２７１号明細書に記載されている。

付加的に、被検体の最小および最大の血管直径を見積もることができる。冠状血管は一般に約２〜９ｍｍの直径を有することが知られている。このようにして包絡線近似精度を高め、計算コストを低減させることができる。

カテーテル先端が血管壁に当接する境界点の個数を高めるために、カテーテルを磁気式ナビゲーションにより移動させるとよい。この場合に位置センサ５はカテーテル先端の位置認識のために又は磁気式ナビゲーションのために利用できるように構成されている。磁気式ナビゲーションの場合、位置センサ５を有するカテーテル先端が血管内部において外側から作用する磁場によって前進させられる。

図４は検査および治療システムの構成を概略図で示す。

カテーテル１は、カテーテル端子１８を介して信号インターフェース１９に接続される。ＯＣＴセンサ４、ＩＶＵＳセンサ３および位置センサ５のための信号インターフェース１９を介して、それぞれの信号がＯＣＴ用の前処理ユニット２０もしくはＩＶＵＳ用の前処理ユニット２１に達する。３番目の前処理ユニット２２は位置センサ５の信号のために設けられている。位置センサ５の信号は、３Ｄボリュームデータセット１３のためと、中心線および包絡線の近似のために利用される。

データバス２３を介して前処理ユニット２０，２１，２２のそれぞれのデータが、ＯＣＴ用の画像処理ユニット２４、ＩＶＵＳ用の画像処理ユニット２５もしくは３Ｄデータセットの作成のための画像処理ユニット２６に達する。

更に、本システムは、個々のＯＣＴ画像およびＩＶＵＳ画像から１つの共通の画像を作成するために画像融合ユニット２７を含んでいる。中心線および包絡線の近似のための計算ユニット２８のほかに、３Ｄボリュームデータセットの作成のための位置認識ユニット２９が設けられている。このようにして検出されたカテーテル先端位置はデータバス２３を介して計算ユニット２８に伝送されるので、そこで中心線および包絡線を算出することができる。

スイッチ３０により位置認識ユニット２９と磁気式ナビゲーションのための制御ユニット３１との間の切換が行なわれる。概略的に示されたインターフェース３２を介して、カテーテル先端の運動を生じさせる磁石が駆動される。駆動ユニット３３を介して、センサとして又は電磁石として機能切換が行なわれる。付加的に、磁気式ナビゲーション用のユーザインターフェース３４が設けられており、このユーザインターフェース３４は制御ユニット３１に接続されている。

更に、本システムは、電源ユニット３５と、ＯＣＴ，ＩＶＵＳおよび３Ｄ画像のためのディスプレイユニット３６と、Ｉ／Ｏユニット３７と、患者データおよび画像データのためのインターフェース３８と、画像データメモリ３９とを有する。

本発明システムのカテーテルの実施例を示す概略構成図 画像処理の原理的経過を示す説明図 血管へのカテーテルの挿入を示す説明図 本発明システムの概略構成を示すブロック図

符号の説明

１ カテーテル
２ カテーテル管
３ ＩＶＵＳセンサ
４ ＯＣＴセンサ
５ 位置センサ
６ 位置検出器
７ インターフェース
８ 窓
９ ＩＶＵＳ信号線
１０ ＯＣＴ信号線
１１ 信号線
１２ 画像
１３ ボリュームデータセット
１４ 血管
１５ 境界点
１６ 境界点
１７ 境界点
１８ カテーテル端子
１９ 信号インターフェース
２０ 前処理ユニット
２１ 前処理ユニット
２２ 前処理ユニット
２３ データバス
２４ 画像処理ユニット
２５ 画像処理ユニット
２６ 画像処理ユニット
２７ 画像融合ユニット
２８ 計算ユニット
２９ 位置認識ユニット
３０ スイッチ
３１ 制御ユニット
３２ インターフェース
３３ 駆動ユニット
３４ ユーザインターフェース
３５ 電源
３６ ディスプレイユニット
３７ Ｉ／Ｏユニット
３８ インターフェース
３９ 画像データメモリ

Claims (17)

1. 画像撮影システムに接続された少なくとも１つのセンサを有するカテーテルと、検査範囲において取得されたセンサ信号の評価のためにセンサに接続されている画像処理ユニットと、画像処理ユニットの画像を表示するためのディスプレイユニットと、カテーテル先端の位置および／または方位を検出するための手段と、カテーテル先端の検出された位置および／または方位に基づいて画像撮影システムの２次元画像から３次元画像を作成するための手段とを備えた医療検査および／または治療システムにおいて、
   画像撮影システムが、光コヒーレンス断層撮影のための第１のセンサ（４）と血管内超音波画像撮影システムの第２のセンサ（３）とを有し、
   カテーテル先端の位置および／または方位を検出するための手段は、カテーテル先端の検出された位置および／または方位に基づいて検査範囲の少なくとも１つの幾何学的パラメータを算出するための計算ユニット（２８）を有し、
   該幾何学的パラメータとして、検査範囲の中心線および／または包絡線が算出可能である
   ことを特徴とする医療検査および／または治療システム。
2. 計算ユニット（２８）によって、検査された血管の中心線および／または包絡線が算出可能であることを特徴とする請求項１記載の医療検査および／または治療システム。
3. 算出された少なくとも１つの幾何学的パラメータに基づいて２次元画像（１２）のずれ修正が計算ユニット（２８）によって行なわれることを特徴とする請求項１又は２記載の医療検査および／または治療システム。
4. ずれ修正は、画像平面における画像（１２）のシフトを含むことを特徴とする請求項３記載の医療検査および／または治療システム。
5. ずれ修正は、カテーテル長手軸線を回転軸線とする回転を含むことを特徴とする請求３又は４記載の医療検査および／または治療システム。
6. ずれ修正は、カテーテル長手軸線に対して垂直な軸線を回転軸線とする回転を含むことを特徴とする請求項３乃至５の１つに記載の医療検査および／または治療システム。
7. ハードウェア手段および／またはソフトウェア手段を含む３次元画像を作成するための第２の画像処理ユニット（２６）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の医療検査および／または治療システム。
8. 光コヒーレンス断層撮影のための第１のセンサ（４）は光ファイバを含み、光ファイバを介して光が案内され、検査範囲に挿入されたカテーテル先端の範囲において出射され、照明された検査範囲からの反射光が光ファイバを介して第１の画像処理ユニット（２４）に案内されることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の医療検査および／または治療システム。
9. 血管内超音波撮影システムの第２のセンサ（３）は音波パルスの送受信のために構成され、音波パルスは画像処理ユニット（２５）に電気信号として導かれることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の医療検査および／または治療システム。
10. 蛍光式カテーテルが設けられていることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の医療検査および／または治療システム。
11. カテーテル先端の位置および／または方位を検出するための手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の医療検査および／または治療システム。
12. カテーテル先端の位置および／または方位を検出するための手段は、カテーテル（１）の内部または表面に配置され外部の位置検出器（６）と協動する少なくとも１つの位置センサ（５）またはカテーテル（１）の内部または表面に配置され少なくとも１つの外部の位置センサと協動する検出器を含むことを特徴とする請求項１１記載の医療検査および／または治療システム。
13. 複数の位置センサが、３次元座標系に対するカテーテル（１）の位置および／または方位を検出するために設けられていることを特徴とする請求項１２記載の医療検査および／または治療システム。
14. 位置センサ（５）は位置検出器（６）における受信コイルと協動する互いに直角方向に配置された送信コイルを有することを特徴とする請求項１３記載の医療検査および／または治療システム。
15. 位置センサ（５）は、位置検出器（６）において直角方向に配置された送信コイルと協動する受信コイルを有することを特徴とする請求項１３記載の医療検査および／または治療システム。
16. カテーテル先端範囲に少なくとも１つの磁場発生要素が設けられ、かつ患者内に挿入されたカテーテル（１）の移動に役立つ外部磁場を発生するための外部磁場発生装置が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１５の１つに記載の医療検査および／または治療システム。
17. 光コヒーレンス断層撮影のための第１のセンサ（４）から提供された２次元の光コヒーレンス断層撮影画像と、血管内超音波撮影システムの第２のセンサ（３）から提供された２次元の血管内超音波撮影画像とが組み合わされて１つの２次元画像（１２）を形成して表示されることを特徴とする請求項１乃至１６の１つに記載の医療検査および／または治療システム。

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