JP4965042B2 - 医療画像をリアルタイムに描画する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（関連出願）
本願は、１９９９年２月５日に出願された仮出願第６０／１１８，７６５号の利益を主張する。
【０００２】
（発明の背景）
本発明の分野は、医療であり、特に治療を行う指針として用いられるリアルタイム解剖学的の画像の作成である。
【０００３】
詳細な解剖学的構造の特徴を正確に表す高分解能医療画像は、多くの画像化様式で作成される。このような画像は例えば、数多くの製造業者から商業的に入手可能な電子ビームＣＴシステム、超音波システムまたはＭＲＩシステムを用いて作成されうる。しかしながら、高分解能−高ＳＮＲ画像を再構成するためには相当量のデータを取得しなければならない。用いた画像化様式と特定の取得対象によっては、このようなデータ取得には秒単位から分単位におよぶ時間を要する。例えば、ヒトの心臓を画像化する場合、データ取得中に心臓および呼吸のゲーティングの双方を用いなければならないが、その結果、画像データは各呼吸および心臓サイクル中の短い間隔でのみ得られる。ＭＲＩシステムまたはＸ線ＣＴシステムを用いて心臓の高分解能３次元画像を取得するには、何秒または何分もの時間が必要である。このような高分解能画像は一般に病気の診断に用いられるが、治療中使用のために充分高いフレーム速度で画像を取得し再構成することはできない。
【０００４】
医療画像は治療中使用のために高いフレーム速度で作成される。例えば、血管形成術中にバルーンとステントを設置するカテーテルを導くため、通常、医師は蛍光Ｘ線透視検査を使用する。ＭＲフルオロスコピーは治療をモニターするリアルタイム画像を作成するために用いられ、リアルタイム超音波画像は例えば米国特許第５，３２５，８６０号および同第５，３４５，９４０号で開示されるように、血管内治療で用いられる。このようなリアルタイム画像法は１秒当たり１０〜３０フレームの速度で画像を形成し、モニターされる治療の比較的に連続的でちらつきのない図を提供する。
【０００５】
このようにしてリアルタイム医療画像が多くの公知の画像化様式で作成されるが、このような画像は十分に詳細な、または十分に鮮明な解剖学的構造を表さない。しかしながら、これらは医療器具を充分に鮮明に表すので、医療器具を見て、いくつかの治療を導くことができる。
【０００６】
治療によっては、手術を導くためのリアルタイム画像と、手術が行われる解剖学的構造の高分解能・高ＳＮＲ描画の双方を必要とする場合がある。このような治療の一つは、心臓不整脈のガイド付き切除療法である。切除療法は心臓壁上またはその近くに設置した電極を用い、特定の解剖学構造の位置に特定の寸法の傷をつけるために電流が流される。これらの傷は不整脈中に心臓壁筋が活動する順番を乱すか変更し、正確に行えば、不整脈の発生を予防できる。
【０００７】
米国特許第５，３２５，８６０号および同第５，３４５，９４０号に開示されるように、切除電極と超音波トランスジューサーの双方がカテーテルで心臓の血管内に配置される。切除電極はリアルタイム超音波画像を用いて所定位置に導かれ、切除プロセスがリアルタイム超音波画像を用いてモニターされる。この方法及び、装置により、あるタイプの不整脈の処置に成功したが、この方法を他の多くの心臓不整脈を治療するのに用いるためには切除電極の設置の精度を高めることが要求される。このためには、切除電極を正しい位置に正確に設置するために、その下敷きとなる解剖学所見の正確で鮮明な画像を医師にリアルタイムで提供しなければならない。
【０００８】
（発明の要約）
本発明は明瞭で高分解能の医療画像をリアルタイムに提供し、より詳しくは医者が医療処置を行う場合の助けとなる医療画像を提供する方法と手段である。本発明には対象（看者）の解剖学構造の画像データを取得し、対象の解剖学構造の高分解能モデル画像を再構成する工程；高フレーム速度で低分解能画像を取得することにより、対象の解剖学構造がリアルタイムに画像化される治療を実施する工程；取得した各低分解能画像で対象の解剖学構造の高分解能モデルを登録する工程；および解剖学構造の登録された高分解能モデルを医師にリアルタイムで画像を表示する工程が含まれる。高分解能モデルは静的解剖学構造の２次元または３次元画像であるか、または第４次元が時間、心臓位相、呼吸位相等の関数としての解剖学構造の変化を表す４次元モデルでありうる。このモデルの作成は高分解能画像化様式を用いて行われ、治療を行う前に実行し得る。高分解能モデルの登録はリアルタイムで行われ、２次元または３次元空間方位と共に、モデルが変化しつつある解剖学構造を描画する(depict)場合の時間または位相における登録が含まれる。
【０００９】
本発明の他の態様は、治療中の解剖学モデルによる生理データのリアルタイム画像の組み合せ(merging)である。生理データは例えば電気生理データ、ＥＥＧデータまたは熱データでありうる。心内膜電極アレイ等の医療器具を使用する場合、例えば、器具そのものは表示されない。その代わり、登録された高分解能解剖学モデル上にアレイ中の各電極の位置が正確に位置決めされ、電気活性マップが、取得した電気生理データから作成され、高分解能画像上に重ねられるか、高分解能画像と組み合わされる。好ましい実施態様では、重ね合わせは画素の色を調整して行われ、画像化された組織の活性化(activation)タイミングを示すが、他の表示方法も使用し得る。
【００１０】
本発明のまた別の態様では、治療が行われる場合、医療器具の位置が正確に表示される。低分解能画像は視野内に位置する医療器具を明瞭に描画する。従って、登録された高分解能モデル上に単に重ね合わせることにより、表示された画像中で器具を正しく位置決めすることができる。例えば切除カテーテルの場合は、この重ね合わせは単に器具そのものの描画である。
【００１１】
本発明のまた別の態様では、広い視野を有するリアルタイム医療画像の作成である。多くのリアルタイム画像システムの視野が極めて限られているか、単一スライスまたは単一投影視野を描画し得る。このような限られた視野を対象となる解剖構造と関連させ、画像を正しく理解することは、医師の側に多くの技術と作業が必要である。しかしながら、解剖構造の高分解能モデルを限られたリアルタイム画像に登録することにより、モデルによって表されるより大きくより理解し易い視野を表示することができる。実際、登録されたモデルは対象となる解剖構造を３次元で描画することができ、医師に表示された画像は医療介入行為中、仮想現実環境を作成することができる。
【００１２】
本発明の前記およびその他の目的と利点は以下の説明で明らかとなるであろう。説明中、説明の一部を構成し、本発明の好ましい実施態様の説明手段である付随する図面を参照する。このような実施態様は本発明の全範囲を必ずしも示すものではなく、従って本発明の範囲を説明するためにはクレームが参照される。
【００１３】
（好ましい実施態様の説明）
本発明はまず、関心解剖構造の高分解能モデルを作成することで行われる。これは、治療が適当な医療画像化システムを用いて行われる前に、本明細書に記載される好ましい実施態様で行われる。好ましい実施態様では、関心解剖構造はヒトの心臓であり、特に心室の壁である。心臓サイクルの連続位相における患者の心臓を、３つの空間次元で示す４次元モデルが作成される。ＭＲＩシステムはこの特定のモデルを作成するための以下に記載される画像化様式であるが、電子ビームＣＴまたは超音波等の他の画像化様式も使用し得ることは当業者に認識され得る。高分解能モデルを作成するために用いられる特定の様式は、装置と熟練者の有無、コスト、および特定の関心解剖構造等の多くの因子に依存する。
【００１４】
図１を参照すると、高分解能モデルに対するデータを取得するために用いられる好ましいＭＲＩシステムの主要な構成要素が示される。システムの操作は、オペレータコンソール１００から制御される。オペレータコンソール１００には、キーボード付きコントロールパネル１０２、およびディスプレイ１０４が含まれる。コンソール１００は、リンク１１６を通じて別のコンピュータシステム１０７とコミュニケートするため、オペレータはスクリーン１０４上でイメージの作成と表示を制御することができる。コンピュータシステム１０７には、バックプレーンを通じて互いにコミュニケートするいくつかのモジュールが含まれる。これらのモジュールには、イメージプロセッサモジュール１０６、ＣＰＵモジュール１０８、メモリモジュール１１３などが含まれる。メモリモジュール１１３は、当該技術ではイメージデータアレイを格納するためのフレームバッファとして知られる。コンピュータシステム１０７は、イメージデータとプログラムを保存するためのディスク記憶装置１１１とテープドライブ１１２にリンクされており、高速シリアルリンク１１５を通じて別のシステムコントロール１２２とコミュニケートする。
【００１５】
システムコントロール１２２には、バックプレーンによって一緒に接続される一連のモジュールが含まれる。これらのモジュールには、ＣＰＵモジュール１１９とパルス発生器モジュール１２１などが含まれる。パルス発生器モジュール１２１は、シリアルリンク１２５を通じてオペレータコンソール１００と接続する。システムコントロール１２２は、オペレータから実行すべきスキャンシーケンスを示すコマンドを、このリンク１２５を通じて受け取る。パルス発生器モジュール１２１は、システム構成要素を動作させて所望のスキャンシーケンスを実行する。パルス発生器モジュール１２１は、発生させるＲＦパルスのタイミング、強度、および形状、ならびにデータ取得ウィンドウのタイミングと長さを示すデータを生成する。パルス発生器モジュール１２１は、一連の勾配増幅器１２７と接続して、スキャン中に発生する勾配パルスのタイミングと形状を示す。さらに、パルス発生器モジュール１２１は、生理的取得コントローラ１２９から患者のデータを受信する。生理的取得コントローラ１２９は、患者に接続されたいくつかの異なるセンサーから信号を受信する。これらの信号には、電極からのＥＣＧ信号またはベローからの呼吸信号などがある。最終的には、パルス発生器モジュール１２１は、スキャンルームインタフェース回路１３３と接続する。スキャンルームインタフェース回路１３３は、患者および磁気システムの状態と対応した様々なセンサーからの信号を受信する。患者位置合わせシステム１３４がスキャンのために患者を所望の位置に動かすコマンドを受信するのも、スキャンルームインタフェース回路１３３からである。
【００１６】
パルス発生器モジュール１２１によって生成された勾配波形は、増幅器Ｇ_x、Ｇ_y、Ｇ_zから成る勾配増幅器システム１２７に加えられる。各勾配増幅器は、一般に１３９として指定されるアセンブリ内で、対応する勾配コイルを励起して、取得された信号の位置コード化に使用する磁場勾配を生成する。階調度コイルアセンブリ１３９は、分極マグネット１４０と全身ＲＦコイル１５２を含むマグネットアセンブリ１４１の一部を形成する。システムコントロール１２２にあるトランシーバーモジュール１５０はパルスを発生させる。これらのパルスは、ＲＦ増幅器１５１によって増幅され、送信／受信スイッチ１５４によってＲＦコイル１５２と結合される。患者内で励起された核によって放射された結果の信号は、同じＲＦコイル１５２によって感知され、送信／受信スイッチ１５４によってプリアンプ１５３に結合される。増幅されたＮＭＲ信号は、トランシーバー１５０の受信機部分で復調、濾波、およびディジタル化される。送信／受信スイッチ１５４はパルス発生器モジュール１２１からの信号によって制御され、送信モード中はＲＦ増幅器１５１をコイル１５２に電気的に接続し、受信モード中はプリアンプ１５３を接続する。送信／受信スイッチ１５４は、さらに別個のＲＦコイル（例えば、ヘッドコイルまたは表面コイル）を送信モードまたは受信モードのいずれかで使用できるようにする。
【００１７】
ＲＦコイル１５２によって受信されるＮＭＲ信号は、トランシーバーモジュール１５０によってディジタル化され、バックプレーン１１８を通してシステムコントロール１２２内のメモリモジュール１６０に転送される。スキャンが完了して、メモリモジュール１６０でデータの全体の配列が取得されたとき、アレイプロセッサ１６１が作動してデータをイメージデータアレイにフーリエ変換する。このイメージデータは、シリアルリンク１１５を通じてコンピュータシステム１０７に伝達され、そこでディスクメモリ１１１に格納される。オペレータコンソール１００から受信されたコマンドに対応して、このイメージデータをテープドライブ１１２に格納したり、またはイメージプロセッサ１０６によってさらに処理して、オペレータコンソール１００に伝達してからディスプレイ１０４上に提示することもできる。
【００１８】
特に図２を参照すると、好ましい実施態様による心臓データの取得には一連の高速グラディエントエコーパルス配列が採用され、選ばれた画像化パラメーターに依存して６〜１５ｍｓの各グラディエントエコーパルス配列の繰り返し時間ＴＲを有するパルス発生器１２１の指令の下に行われる。データ取得は、２００で示されるＱＲＳ群中のＲ波のピークで始動するＥＣＧゲーティング信号により心臓で入出力制御される。パルス配列はＲ−Ｒ間隔と呼ばれる心臓トリガー信号２００間に実行される。Ｒ−Ｒ間隔の長さは患者の心拍の関数である。
【００１９】
グラディエントエコーを用いる高速心臓データ取得では、Ｒ−Ｒ間隔は数多くの短いセグメントに分割され、各セグメントは２０°〜３０°の見かけのフリップ角度を有する高速グラディエント取得パルス配列である。各高速グラディエントエコーセグメントは、ビューとも呼ばれる１本のｋ空間を表すＮＭＲ信号を取得する。隣接する高速グラディエントエコーセグメントはさらにグループ２０２に組み合わされ、そこで各グループ２０２からのデータは心臓サイクル（Ｒ−Ｒ間隔）の異なった時間的位相における画像生成に寄与する。これらの位相画像の時間位置は、心臓トリガー（Ｒ−波）２００から高速グラディエントエコーセグメントの各グループ２０２の中心への相対的時間に依存する。好ましい実施態様では、各Ｒ−Ｒ間隔中に１５個のグループ２０２が取得され、得られた１５個の取得ｋ空間データセットから、１５個の対応する２次元スライス画像が２次元フーリエ変換を用いて公知の方法で再構成される。これらの２次元スライス画像は、心臓サイクルの１５個の連続した位相における心臓を通る１枚のスライスを表す。
【００２０】
心臓を通る追加のスライスを取得することでスキャンを続行する。好ましい実施態様では、５０〜１００枚の連続するスライスが取得され、２次元画像に再構成される。スキャンの終了時に、これらの２次元スライス画像は３次元データセットを形成するために結合される。その結果スキャンを終了すると、１５個の独立の３次元データセットが取得され、その中で画素が、１５の連続する心臓位相における患者の心臓全体のボクセル中の信号強度を示す。
【００２１】
上記のように、３次元画像データセットを作成するために用いられる画像化様式はＭＲＩに限られない。電子ビームＣＴまたは超音波等の他の様式も、必要な高分解能画像データを作成するために使用し得る。本発明の利点は、それをリアルタイム治療に使用する前に高分解能３次元画像データを取得し得ることであり、これは、その他の方法では画像化様式の選択を制限すると思われる多くの因子を除外する。
【００２２】
１５個の３次元画像データセットを患者の心臓の高分解能の動的モデルとして使用することができるが、モデルをリアルタイムで表示するのに必要な処理量を減らすため、好ましい実施態様ではさらに処理を行う。さらに、好ましい実施態様で行われる治療における関心は各心室内の心臓壁の表面であり、医師が最も頻繁に使用するのはこれらの３次元表面を２次元表示することである。３次元心臓壁表面が得られる、取得した３次元画像データの４次元モデルへの処理が、図１のＭＲＩシステム内のイメージプロセッサー１０６で行われるか、別のワークステーションで行われる。メイヨクリニック（ローチェスター、ミネソタ州）社から商標「ＡＮＡＬＹＺＥ」で市販される３次元ソフトウエアが作動するシリコングラフィックス社（マウンテンビュー、カリフォルニア州）が市販するモデルＯ２のようなワークステーションが好ましい。
【００２３】
特に図２Ａを参照すると、このプロセスの第１工程は、プロセスブロック２０６に示されるように、残りの構造物から心臓壁をセグメント化することである。ＶＣＨパブリケーションズ社１９９５年発行、リチャードＡ．ロブ著「３次元生医学的画像」、１６６〜１６９頁に記されているように、セグメント化によりバイナリーボリューム画像データセットを作成するが、その中では心臓壁内に位置する全ての画素が「１」に設定され、心臓壁外の全ての画素は「０」に設定される。３次元画像データセットをフィルターにかけ、ユーザー独自の閾値で制限し、その後、ユーザーが選んだ適当な出発点から開始する３次元領域ファイリングにより、セグメンテーションを行うことができる。数学的モルフォロジーおよび多重スペクトル分類等の多くのセグメンテーション法が当業者に公知である。この工程には手動介入が含まれ、かなりの時間が必要であるが、治療を開始する前に「オフライン」で行うことができる。
【００２４】
プロセスブロック２０８で示される次の工程は、セグメント化された心臓壁画像の表面にタイルを貼る(tile)ことである。例えばＲ．Ａ．ロブ、Ｓ．アハロン、Ｂ．Ｍ．キャメロン、「外科手術および内視鏡検査における臨床応用のための３次元医療画像データ由来の患者特異性解剖学モデル」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ、１０（３）（付属、８月１日）、３１〜３５頁、１９９７年に記載されるように、タイル貼り工程はセグメント化された心臓壁表面上のｘ、ｙ、ｚ点位置のセットを特定し、それらを繋ぎ合わせて隣り合ったポリゴンを形成する。好ましい実施態様では、各ポリゴンすなわち「タイル」は、ｘ、ｙ、ｚ位置で定義される三角形および三角形の平面に垂直な単位ベクターである。タイルで定義された表面は、位置および方位を迅速に変換することができ、心臓壁表面のこのような表示をリアルタイム処理にとって魅力的なものにしている。
【００２５】
患者の心臓の高分解能モデルが、１５個の別のタイル貼り表面画像を作成することにより、１５個のタイル貼り表面画像から作成される。これは、取得したタイル貼り表面画像を変形することにより、プロセスブロック２１０で達成される。このような変形すなわち３次元画像データセットの「モーフィング」はよく知られており、例えばＭ．スタシー、Ｄ．ハンソン、Ｊ．カンプ、Ｒ．Ａ．ロブ、「メイヨクリニックの生医学的画像研究における高性能コンピューティング」、Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ、２４巻：１２８７〜１３２１頁、１９９８年に記載されている。このようにして、心臓壁のタイル貼り表面が心臓の動きの連続増加で表された患者の心臓の動的４次元モデルが作成される。順番に表示されるか、時間の関数として再生する場合、拍動する心臓の３次元高分解能画像が作成される。観察者はこの動的画像に関して任意の角度に位置することができ、より重要なことは、観察者が一つの心室の内部に位置することが可能であることである。実際、動的心臓モデルを仮想現実システムに採用し、治療中に医師を患者の心臓内部に位置させることができる。このような仮想現実システムは、例えばＲ．Ａ．ロブ、「患者特異性解剖学モデルを用いる仮想現実アシスト手術計画」、医学および生物学におけるＩＥＥＥエンジニアリング、編、メチン・アカイ、１５（２）巻：６０〜６９頁、３／４月号、１９９６年に記載されるように当業者に公知であり、観察者は、自分が物理的に心室内部におり、治療の進行につれて心臓壁の運動を眺めているように感じることができる。
【００２６】
対象となる解剖構造の高分解能モデルを作成する多くの他の方法があることは、当業者に明らかであろう。Ｘ線ＣＴ、電子ビームＣＴ、超音波または磁気共鳴画像法等の画像化様式により画像データを取得することができる。高分解能モデルはまた、対象となる解剖構造および実行すべき個々の治療によって、数多くの異なった形を取ることができる。高分解能モデルは静的解剖構造の１個の２次元画像または３次元画像のような単純なものであるか、上記のような３次元動的構造または表面を示しうる。さらに、上記の動的３次元モデルは、心臓の運動の連続的な増加におけるタイル貼り表面を表す数多くの３次元データセットを含んでなる。動的３次元モデルはまた、方程式を心臓サイクル中に発生するタイル貼り表面の変形を定義するために用いる場合、より少ない３次元データセットで作成することもできる（例えば一方は心収縮期における心臓、他方は心拡張期における心臓を表す）。
【００２７】
本発明の好ましい実施態様を用いて行われる治療方法は心臓内電気生理である。この方法には、患者の心臓壁中の筋肉を活性化する電気信号のタイミングを示す電気的活性化マップの表示が含まれる。このような電気的活性化マップは、心臓不整脈を生じる活性化の異常を示す。第２の方法は、心臓壁組織を心臓内切除器具で切除してこのような異常を修正することである。この方法を行うシステムは図３〜５に示される。
【００２８】
ここで図３〜５を参照すると、参照番号２０で一般的に示されるように、基端２４と先端２６を有する、長く伸びる柔軟なプラスチックチューブ状カテーテル本体２２を含むカテーテル２０がある。カテーテル２０は、その長手方向先端２６の近くにあり、超音波を伝送し、得られるエコーを受け取ることによって形態を画像化する視野を提供するために使用される位相アレイ超音波トランスジューサー３０を含む機械的タイプ、動的アレイタイプ、または任意のオフセット立体的画像化タイプ、または血液下手術(underblood operation)のための仮想現実環境中に取り込まれる任意の多次元的画像化タイプ等の他のタイプの超音波トランスジューサーも使用し得ることが認識される。電気伝導体３６が、カテーテル本体２２の外の制御回路３４にトランスジューサー３０を電気的に接続するために、カテーテル本体２２中に配置され、カテーテル本体２２の基端２４の近くからカテーテル本体２２の先端２６の近くに伸びている。アクセスポート４０もカテーテル本体２２の長さ方向に伸び、超音波トランスジューサーの視野内での手術のため、このような器具をアクセスポート４０を経由してカテーテル本体２２の先端２６へ配送することができるように、治療器具を受容する構成になっている。ガイドワイヤーアクセスポート４２もカテーテル本体２２内に配置され、ガイドワイヤー４４を受容するためにカテーテル本体２２の基端２４からカテーテル本体２２の先端２６に伸びている。当業界において公知のように、ガイドワイヤー４４は医師により脈管系を通して患者の心臓中へ送られる。次いで、図６に示すように、カテーテル本体２２はガイドワイヤー４４に沿って、その先端２６が心臓内にくるまで送り込まれる。次にガイドワイヤー４４が引き出される。
【００２９】
好ましい実施態様では、超音波トランスジューサーは５〜２０メガヘルツ（ＭＨｚ）の周波数を有する。成人の心臓内画像化には２０センチメーター（ｃｍ）まで侵入(penetration)した画像が必要である。カテーテル本体２２は４〜２４フレンチ(French)の直径を有する（１フレンチをπで割ると１ミリメーター（ｍｍ）に等しい）。アクセスポート４０の直径は７〜８フレンチであり、ガイドワイヤー４２の直径は０．０２５〜０．０３８インチである。カテーテル２０の詳細な説明のため、米国特許第５，３４５，９４０号を参照して本明細書の記載の一部とする。
【００３０】
図５に示すように、超音波トランスジューサー３０に接続されるケーブル３６を経由して信号を受信伝送するために制御回路３４がトランシーバー回路３５（Ｔ／Ｒ）に電気的に相互接続される。操作中、制御回路３４は超音波トランスジューサー３０を振動させ、カテーテル本体２２の先端２６から適当な超音波を放出する。図４のライン５０で表される超音波は、先端２６と体の構造部を取り巻く血液を通って伝播する。伝播する超音波の一部は体の構造部から反射し、トランスジューサー３０に入射する。それにより電気信号が発生し、ケーブル３６によってトランシーバー３５の入力部へ伝送される。
【００３１】
以下に詳細に述べるように、超音波画像データは、リアルタイム超音波画像データ、メモリーに記憶された患者の心臓の高分解能モデル３７、および患者からのＥＣＧ信号を使用するリアルタイム画像化システム３９に入力され、ケーブル６０を通りディスプレイ６１に出力されるリアルタイム画像を作成する。画像化システム３９は高速マイクロプロセッサー、画像データを記憶するための大容量ハードディスクおよび本発明を実施するためのソフトウエアを含むコンピューターワークステーションである。好ましい実施態様では、シリコングラフィックス社（マウンテンビュー、カリフォルニア州）から市販され、Ｒ１００００、１７５ＭＨｚプロセッサーを有するモデルＯ２等のワークステーションが使用される。治療または外科器具が使用されてる間に、超音波トランスジューサー３０が提供する視野内のカテーテル２０の先端２６で画像化が行われる。ユーザーは治療をその進行中にモニターすることができる。
【００３２】
図５に示すように、カテーテル本体２２にはその基端２４近くにアクセスポート４０への搭載構造５２が含まれる。切除器具構造５３が搭載構造５２に取り付けられ、延長ケーブル様部材５４がアクセスポート４０に沿って、カテーテル本体２２の先端２６の少しむこうまで伸びている。切除器具５３の操作部５６がこの先端に取り付けられている。
【００３３】
図６及び７に示すように、医師は適当な血管通路を通して柔軟なカテーテル本体２２を患者内の所定の位置に挿入し、そこで心室等の対象となる解剖構造を手術することができる。例示した実施例では、カテーテル２２の先端が右心房と右心室へ挿入され、そこで切除器具５６を心臓不整脈の治療に用いることができる。切除器具の操作部５６は超音波トランスジューサー３０の視野内にあり、医師がその操作をモニターすることができる。さらに、介入作業前、作業中、またはその後に医師は視野内の心臓壁の様子をモニターできる。ライン５７で示されるように、超音波トランスジューサー３０の視野は心室を取り囲む壁の小部分に限られる。従ってリアルタイム超音波画像の質も限られる。
【００３４】
図５を再度参照すると、医師が治療行為を行うと超音波トランスジューサー３０は１秒当たり３０画像のフレーム速度で画像データを作成する。ここで説明するように、リアルタイム画像化システム３９は患者からのＥＣＧ信号と共に３つのリアルタイム画像フレームを使用し、記憶された高分解能心臓モデル３７を登録する。登録された高分解能モデルを用いて次に高分解能、広視野画像をリアルタイムでディスプレイ６１上に作成する。
【００３５】
特に図５及び８を参照すると、プロセスブロック２２０で示すようにリアルタイム画像化システム３９中のソフトウエアはゲーティング信号２００をゲーティング回路３８から入力する。ゲーティング回路３８は患者からＥＣＧ信号を受け取り、当業者に公知の方法を用いてＱＲＳ群のＲ波中のピークを検出する。このような方法は例えば米国特許第３，９３９，８２４号、同第４，２５９，９６６号および同第４，１８１，１３５号に記載されている。ゲーティング信号２００が決定ブロック２２２で決められたように検出されると、システムが分枝しプロセスブロック２２４で心臓位相カウンターをリセットする。心臓位相カウンターは心臓位相の指令を維持し、各心臓サイクル中にリアルタイム中断により周期的に増加する。時間を合わせた中断間の間隔は、それ以前の５回のＲ−Ｒ間隔の平均で測定される患者の心拍を用いるプロセスブロック２２５で決定される。
【００３６】
次に、プロセスブロック２２８で示されるように、超音波トランスジューサー３０からの最新のリアルタイムフレームが入力され、心臓位相カウンターの現在値が読み込まれ、プロセスブロック２３０で示されるように画像に付け加えられる。これは心臓位相カウンターの現在値を読み込み、それを画像フレームに付随したメモリー位置に記憶することで行われる。次にリアルタイム画像を処理し、登録プロセスで使用し得る形に変換する。好ましい実施態様では、これにはプロセスブロック２３２に示すようなリアルタイム画像中の心臓壁境界を検出する工程が含まれる。これは、参照して本明細書の一部とする１９９７年９月２２日に出願され、「高速心臓境界イメージング」と題された米国特許同時係属出願第０８／９３５，１２８号に開示された境界検出法のような数多くの公知の形態検出法を用いて行われる。
【００３７】
次に、プロセスブロック２３４に示されるように、適切な高分解能画像を、記憶された４次元モデルから選択する。これは、現在のリアルタイム画像フレームが取得された瞬間に心臓が心臓サイクルのどの位相にあったかを示す、記憶された位相カウンター値を用いて行われる。上記のように、４次元モデルは心臓サイクル中の連続する位置にある心臓を表す３次元高分解能画像を記憶し、その最も最近のものを選択する。好ましい実施態様では４次元モデルは数多くの画像（例えば３０：）を記憶し、この工程は位相カウンターで指定された値に最も近い心臓位相画像の選択にすぎないことが明らかであろう。しかしながら、より少ない心臓位相画像が記憶されている場合、２つの近接する位相画像間を内挿し、位相カウンターで指定された正確な瞬間の心臓を示す高分解能心臓画像を作成することも可能である。
【００３８】
次に、プロセスブロック２３６で示すように、選ばれた高分解能画像を現在のリアルタイム画像フレームで登録する。２つの画像データセットを登録するための好ましい方法は、参照して本明細書の一部とする１９９６年１０月２２日に公開され、「生医学イメージングおよび解析」と題された米国特許第５，５６８，３８４号に記載されている。その特許に詳細に記載されているように、これは反復プロセスであり、マッチした画像（記憶された４次元モデル）を翻訳し、回転し、スケールを合わせて、基本となる画像（リアルタイム画像フレーム）と可能な限り最も良く合致する登録を提供する。マッチした画像の連続した変換が行われ、それぞれコスト関数が計算される。コスト関数は、変換されたマッチした画像上の点から基本画像上の対応する点への距離の平方二乗平均（ｒ．ｍ．ｓ．）として計算される。登録は、コスト関数中で全体的に最少となる変換で行われる。双方の画像の低分解能版(low resolution version)で開始し、順次高分解能画像を登録することにより、この結果へ早く収束することができる。このプロセスは、好ましい実施態様では、上記に説明した商標ＡＮＡＬＹＺＥで市販される３次元画像化システムにおける「チャンファーマッチング(chamfer matching)」機能を用いて実行される。
【００３９】
当業者には、「ボクセルマッチング」として公知の方法、並びに米国特許第５，８３９，４４０号、同第５，５３１，５２０号、及び同第５，７０６，４１６号に開示された方法等の既知の画像を登録するための他の方法が使用し得ることは明らかであろう。
【００４０】
プロセスブロック２３８に示すように、心臓壁解剖構造の登録された高分解能画像がディスプレイ４１に出力される。このような表示は超音波トランスジューサーの視野内の心臓壁の一部の比較的単純な２次元表示であるか、より広い視野であってもよい。実際、上記のように、視野は観察者を取り囲み、医師を心室内に置くことができる。
【００４１】
リアルタイム超音波トランスジューサー画像には心臓壁の一部等の対象となる解剖構造ばかりでなく、医療器具も含まれる。上記のように、好ましい実施態様では医療器具は超音波トランスジューサー３０の視野内で操作される切除器具５６である。医療器具から受信したエコー信号は音響的に特徴的であり、区別され、再構成されたリアルタイム画像中で手動または自動で検出される。プロセスブロック２４０で示されるように、医療器具の位置はディスプレイ４１に出力され、プロセスブロック２４２で示されるように解剖画像に重なる。医療器具の重なりは、器具の画像、器具を表すアイコン、または単にカーソルまたは十字線である。
【００４２】
図８に示したプロセスは治療中も続行し、医師に対象となる解剖構造及び医療器具の連続的に更新された画像を提供する。表示された画像は、拍動する心臓の内部の連続的な画像と、切除電極の動きと位置を提供するのに十分な高いフレーム速度で更新される。高分解能で広い視野の画像が表示されるので、医師は、治療が必要な心臓壁の部分を容易に同定することができ、切除器具を所定位置へより正確に操作することができる。
【００４３】
ディスプレイ６１は、行われる治療及び医師の好みによっていくつもの異なった形を取り得る。好ましい実施態様では、音響トランスジューサーの視野の中心が大きなＣＲＴまたはＬＣＤディスプレイの中心に置かれる。カテーテルの先端２６を動かして、音響トランスジューサーを関心の解剖構造に「向ける」ことにより、解剖構造の異なった部分を見ることができる。別法では、解剖構造の他の部分をカテーテルを動かさずに調べなければならない場合、ジョイスティック（図示しない）を用いて音響トランスジューサーの視野から外へ走査することができる。１９９７年１２月１日に出願され、「正確な画像配向およびナビゲーションのためのグラフィックナビゲーションガイド」と題された米国特許同時係属出願第０８／９８２，０１４号に記載されるように、解剖構造（例えば心室）内の観察者の方位をナビゲーションアイコンを用いて維持する。
【００４４】
本発明のまた別の実施態様は、医師に仮想環境を提供するために図１１に示すようなヘッドマウントディスプレイを使用する。ディスプレイには、ケーブル６０でリアルタイム画像化システム３９に接続されたヘルメット８０が含まれる。ヘルメット１０の後部に搭載された駆動回路８１がビデオ信号を画像化システム３９から受信し、その信号を画像フレームに変換する。カラーＬＣＤディスプレイ８２および８３が、光学系８４を通して、観察者の目に画像フレームを表示する。ＬＣＤディスプレイ８２および８３並びに光学系８４はヘルメット１０の前面部８５のフレーム内に搭載されている。円形のヘッドバンド８６は、ヘルメット１０の内部に搭載され、観察者の頭の周りに密着してヘルメット１０をしっかりと、快適で正しい位置に保持し、光学系８４を観察者の目の周りに整列する。
【００４５】
ヘッドポジションセンサー８７がヘルメット１０の頂上に搭載され、選択した基準方位に対してヘルメットの方位を検知する。センサー８７にはヘルメットの頂上の開口部を通って超音波を受けるレシーバーが含まれる。超音波は手術台の上部に搭載したトランスミッター８８で発生する。超音波センサー８７からの信号はケーブル８９を通って運ばれ、ＬＣＤディスプレイ８２および８３で生成した画像の視野を動かすジョイスティック信号を発生するために処理される。医師の頭が選択した基準方位にある場合、表示された画像の中心はカテーテルの超音波トランスジューサー３０の視野の中心に対応する。医師の頭が左右上下に回転した場合、表示された画像の中心は対応する量だけ回転する。従って、医師はカテーテルの超音波トランスジューサー３０の視野よりはるかに外の解剖形態を見ることができる。ヘッドマウントディスプレイのさらに詳しい説明としては、参照して本明細書の記載の一部とする「ヘッドマウント可視化表示装置」と題された米国特許第５，３２１，４１６号が参照される。
【００４６】
本発明の別の態様は、生理パラメーターまたはプロセスの表示である。好ましい実施態様では、この生理パラメーターは電気活性化マップの空間の形で表される活性化時間である。上記のように、このような活性化マップは、心臓不整脈を生じる心臓壁の領域を特定するために用いられる。
【００４７】
図９および１０に示されるように、活性化マップを生成するためのデータがマッピングカテーテル２５０を用いて取得される。マッピングカテーテルは基端および先端を有する柔軟なシャフト２５２で構成される。柔軟なシャフト２５２は、ポリエステル等の適当なプラスチック材料で形成した長く伸びた柔軟なチューブ状部材である。シャフトはそれを通って伸びるルーメン２５６が備えられているが、多重ルーメンの形であってもよい。
【００４８】
バスケット形の電極アセンブリ２６１がシャフト２５２の先端に搭載されている。電極アセンブリは複数の、例えば８本の周辺で間の開いた長手方向に伸びる、基端および先端を有するアーム２６２が備えられている。図示されるように、アーム２６２は外向きに曲がった形のメモリーを有し、その基端がシャフト２５２の遠位末端に固定されている。アーム２６２の遠位末端は、丸い前方末端２６７を有するハブ２６６で相互接続されている。
【００４９】
複数の、例えば４つの電極２６８が各アーム２６２の外表面上に形成されている。電極２６８はアーム２６２に沿って長手方向に間隔を開け、相互に絶縁されている。それらは、シャフト２５２中のルーメン２５６を通って伸びるリボンケーブル（図示しない）等の適当な複数の伝導体ストリップ中の伝導体に接続されている。電極２６８は心臓の壁で発生した電気信号を検知することができる。これらの電気信号はリボンケーブルを通ってマッピングカテーテル２５２の基端に達し、そこで信号が各電極２６８で検知された信号のタイミングを記録する回路に接続される。米国特許第５，１５６，１５１号に開示されたような回路がアリスミア・リサーチ・テクノロジー社から市販され、この目的に使用される。
【００５０】
参照して本明細書の一部とする１９９５年１１月１４日に公開され、「心室マッピングと切除用の装置及び方法」と題された米国特許第５，４６５，７１７号に記載されるように、電極アセンブリ２６１が動脈を通って心室へ導かれる。ガイドカテーテル（図示せず）がこの目的に用いられ、ガイドカテーテルを短い距離で引き出してバスケットアセンブリ２６１を露出した場合、アーム２６２は放射状に外向きに曲がり、電極２６８を心室壁に押し付ける。電極２６８で発生した電気信号は、心臓サイクル中に心臓壁筋肉を収縮する信号の相対的なタイミングを示す。１９９５年４月２５日に公開され、「超音波画像化機能および方法を有する独立に制御された操縦可能な切除カテーテルを用いる心内膜マッピングおよび切除システム」と題された米国特許第５，４０９，０００号に記載の通り、独立の電極２６８が超音波マーカーでコードされる。マーカーは、超音波画像中に輝点を作成するための各アーム２６２内に形成した気泡である。気泡／輝点数は電極２６８の識別を示す。
【００５１】
心内幕マッピングのために利用できる異なった市販装置がたくさんある。このような代わりのマッピング装置はバイオセンス社（オレンジバーグ、ニューヨーク州）、カーディアックパスウエイ社（サニーベール、カリフォルニア州）およびエンドカーディアルソルーションズ社（セントポール、ミネソタ州）から入手できる。このようなマッピング装置は、米国特許第５，５６８，８０９号、同第５，３４５，９３６号、同第５，２２８，４４２号、同第５，５０７，８０２号、同第５，５５８，０７３号、及び同第５，６６２，１０８号に開示されている。
【００５２】
電極アセンブリ２６１を用いる電気活性化マップの作成は、切除手術が行われると同様にリアルタイムで行われうる。電極アセンブリ２６１を図１０に示すように対象心室に挿入し、マッピングデータを取得する。次いで切除手術を図６に示す切除装置５６を用いて行い、マッピングデータから活性化マップを作成する。切除器具と関連する超音波トランスジューサーがカテーテルシャフト２５２中のルーメン２５６を通して挿入され、医師が別々に操作し、上記のようにリアルタイム超音波画像を取得する一方、切除手術が行われる。このようなカテーテルは例えば、「超音波画像化機能及び方法を有する独立に制御された操縦可能な切除カテーテルを用いる心内膜マッピングおよび切除システム」と題された米国特許第５，４０９，０００号に記載されている。
【００５３】
マッピングバスケット電極２６８の位置は取得した超音波画像中で検出され、電極２６８の位置は医師のために表示された高分解能画像で登録される。これはトランスジューサー３０を各電極２６８に向け、カーソルを画像中に示された電極上に置き、画像上で輝点の数で示された電極番号をタイプすることで行われる。全ての電極位置が入力されると、電気活性化マップが高分解能画像上に作成される。
【００５４】
電気活性化マップを、マッピングカテーテルで得られたタイミングデータと共に表示された心臓壁タイルをカラーコーディングにより作成する。言い換えれば、プロセスブロック２４２で示されるように、電気活性化マップは着色カラーコーディングとして詳細な解剖像上に重ねられる。これは各バスケット電極２６８で測定された活性化時間を、登録された高分解能３次元画像中の対応する位置に当てはめることで行われる。すなわち、バスケット電極位置に対応する心臓壁表面の画像の位置が測定された活性化時間に当てはめられる。次に心臓壁表面上の他の位置の活性化時間が、最も近い「ｎ」個のバスケット電極の活性化時間を、その位置からのユークリッド距離で荷重で平均して計算される。心臓壁表面上の全ての位置／画素に対する活性化時間がこのようにして計算され、次いで活性化時間の範囲が２０個の連続した時間間隔に分割される。それぞれ同じ時間間隔の活性化時間を有する２０個の独立の画素バンドが同じ色でカラーコードされる。時間の表示としての色を用いて、活性化波面が、心臓壁の登録された高分解能画像中で画素を着色することにより重ねられる。
【００５５】
登録された生理データが別の方法でも高分解能画像上に表示し得ることは、当業者に自明であると考えられる。例えば、グレースケールを色の代わりに調節したり、または画像のテクスチャ(texture)を測定される生理パラメーターを示すために用いたりすることができる。また、生理データを表示された解剖構造上に置かれた数字として直接表示することもできる。
【００５６】
切除手術と同時に行われた場合、切除を行うと電気活性化マップは絶え間なく更新される。その結果、医師は着色活性化波面の変化するパターンで、切除が心臓活性化に及ぼす正確な影響を見ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は高分解能画像を取得するために実施態様で用いられるＭＲＩシステムのブロック図である。
【図２】 図２は図１のＭＲＩシステムによるデータ取得を示す心臓サイクルのグラフ表示である。
【図２Ａ】 図２Ａは、図１のＭＲＩシステムで取得される画像から対象の解剖構造の４次元モデルを作成するために用いられるプロセスのフローチャートである。
【図３】 図３はカテーテルの先端を示す部分図である。
【図４】 図４は切除器具を支持する図３のカテーテルの先端をより詳細に示す部分図である。
【図５】 図５は画像システムに接続された図３および４のカテーテルの基端の概略図である。
【図６】 図６は治療中の患者の心臓のカテーテルの先端の描画表示である。
【図７】 図７はその中に搭載された超音波トランスジューサーの視野を示す図３〜６のカテーテルの先端の描画表示である。
【図８】 図８は図５の画像化システムの一部を形成するリアルタイム画像プロセッサーで行われるプロセスのフローチャートである。
【図９】 図９はマッピングカテーテルの一部の描画表示である。
【図１０】 図１０は心室に設置された画像化カテーテルの描画表示である。
【図１１】 図１１はヘッドマウント仮想環境表示装置の描画表示である。

Claims (25)

1. 高分解モデル画像取得手段及び低分解画像取得手段を接続した、ＣＰＵ及びメモリを含むコンピュータシステムの作動方法であって、
   （ａ）前記コンピュータシステムが、前記高分解モデル画像取得手段から前記対象の解剖学構造の画像データを取得する工程；
   （ｂ）前記コンピュータシステムが、取得した画像データから前記対象の解剖学構造の高分解能モデル画像を再構成する工程；
   （ｃ）前記コンピュータシステムが、治療中に、前記低分解画像取得手段から前記対象の解剖学構造の複数の低分解能画像を取得する工程；
   （ｄ）前記コンピュータシステムが、取得した各低分解能画像で高分解能モデル画像を登録する工程；および
   （ｅ）前記コンピュータシステムが、登録された高分解能モデル画像を用いて、治療中に、前記対象の高分解能画像を表示する工程
   を含み、
   前記低分解能画像がその視野内にある医療器具を含み、
   前記低分解能画像から検出された前記医療器具の位置を前記高分解能画像に重ね合わせて、前記医療器具を治療中に表示する
   ことを特徴とするコンピュータシステムの作動方法。
2. 前記医療器具が切除器具であることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータシステムの作動方法。
3. 対象となる解剖学構造が心臓であり、前記低分解画像取得手段が心室内に挿入された超音波トランスジューサーであることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータシステムの作動方法。
4. 前記医療器具が心室内に挿入された切除器具であることを特徴とする請求項３に記載のコンピュータシステムの作動方法。
5. 前記医療器具が、心室内に挿入され電気信号を発生する電極アセンブリであることを特徴とする請求項３に記載のコンピュータシステムの作動方法。
6. 前記電極アセンブリで発生する電気信号が、前記電極アセンブリにより心臓壁上に検出される信号タイミングを示す活性化波面として高分解能画像上に描画されることを特徴とする請求項５に記載のコンピュータシステムの作動方法。
7. 前記活性化波面の空間分布が異なった色で示されることを特徴とする請求項６に記載のコンピュータシステムの作動方法。
8. 前記高分解能画像が３次元解剖学表面の描画であることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータシステムの作動方法。
9. 前記工程（ｅ）が２次元表示装置を用いて行われることを特徴とする請求項８に記載のコンピュータシステムの作動方法。
10. 前記工程（ｅ）が３次元表示装置を用いて行われることを特徴とする請求項８に記載のコンピュータシステムの作動方法。
11. 前記工程（ｅ）がヘッドマウントディスプレイを用いて行われることを特徴とする請求項８に記載のコンピュータシステムの作動方法。
12. 前記ヘッドマウントディスプレイを用いて描画される解剖学表面が前記ヘッドマウントディスプレイの空間方位で部分的に決定されることを特徴とする請求項１１に記載のコンピュータシステムの作動方法。
13. 対象となる解剖学構造の限られた視野を有するトランスジューサーを用いて低分解能画像を取得し、表示された高分解能画像が解剖学対象の広い視野を描画することを特徴とする請求項１に記載のコンピュータシステムの作動方法。
14. 前記表示された高分解能画像中に描画される特定の対象となる解剖学構造が前記トランスジューサーで取得した画像で決定されることを特徴とする請求項１３に記載のコンピュータシステムの作動方法。
15. 対象となる解剖学構造の高分解能モデル画像が、一つの次元が対象となる解剖学構造の時間変化を描画する多次元モデルであることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータシステムの作動方法。
16. 対象となる解剖学構造が機能的サイクルを繰り返し行い、前記高分解能モデル画像が機能的サイクルの不連続位相における前記対象となる解剖学構造を描画することを特徴とする請求項１に記載のコンピュータシステムの作動方法。
17. 前記対象となる解剖学構造の機能的サイクル位相を各低分解能画像を取得する毎に検知する工程を含み、前記工程（ｄ）における登録が前記高分解能モデル画像から上記不連続位相の１つにおける対象となる解剖学構造の描画を選ぶ工程を含むことを特徴とする請求項１６に記載のコンピュータシステムの作動方法。
18. 前記対象となる解剖学構造の機能的サイクル位相を各低分解能画像を取得する毎に検知する工程を含み、前記工程（ｄ）における登録が前記高分解能モデル画像中に描画された２つの不連続位相間に内挿することにより、前記対象となる解剖学構造の描画を作成する工程を含むことを特徴とする請求項１６に記載のコンピュータシステムの作動方法。
19. 前記対象の解剖学構造が心臓であり、前記心臓内に設置された前記電極アセンブリによって心室上で検知された信号タイミングを示す電気信号が作成され、
    前記コンピュータシステムの作動方法が、
    前記コンピュータシステムが、取得した低分解能画像中で電極アセンブリの位置を定める工程、および
    前記コンピュータシステムが、表示された高分解能画像上で電極アセンブリにより測定された信号タイミングを描画する工程
    を含むことを特徴とする請求項１に記載のコンピュータシステムの作動方法。
20. 前記信号タイミングが、前記表示された高分解能画像をカラーコーディングすることにより描画されることを特徴とする請求項１９に記載のコンピュータシステムの作動方法。
21. 前記信号タイミングが、前記表示された高分解能画像をコードするテクスチャにより描画されることを特徴とする請求項１９に記載のコンピュータシステムの作動方法。
22. 前記信号タイミングが、前記表示された高分解能画像のグレースケールで描画されることを特徴とする請求項１９に記載のコンピュータシステムの作動方法。
23. 高分解モデル画像取得手段、低分解画像取得手段及び電気活性化マップ作成システムを接続した、ＣＰＵ及びメモリを含むコンピュータシステムの作動方法であって、
    （ａ）前記コンピュータシステムが、前記高分解モデル画像取得手段と前記低分解画像取得手段とを介して前記対象の解剖学画像を作成するとともに医療介入処置が実施されている間に前記解剖学画像をリアルタイムで更新する工程；
    （ｂ）前記コンピュータシステムが、前記電気活性化マップ作成システムを用いて、前記対象から生理データを取得する工程；
    （ｃ）前記コンピュータシステムが、前記解剖学画像で前記生理データを空間的に登録する工程；
    （ｄ）前記コンピュータシステムが、前記更新された解剖学画像に空間的に登録された生理データを組み込む出力を作成する工程；および
    （ｅ）前記コンピュータシステムが、前記医療介入処置中に前記工程（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）を繰り返し、前記介入処置が実施されるにつれ変化する前記対象中の生理変化を表示する工程
    を含み、
    前記工程（ａ）において、前記解剖学画像を高分解能で取得し、医療介入処置中に取得した低分解能画像で前記解剖学画像を更新し、前記解剖学画像は、前記低分解能画像から検出された前記医療器具の位置が示された前記高分解能画像である
    ことを特徴とするコンピュータシステムの作動方法。
24. 前記電気活性化マップ作成システムが心内膜マッピング器具を有し、生理データが電気生理学データであることを特徴とする請求項２３に記載のコンピュータシステムの作動方法。
25. 空間的に登録された生理データが更新された解剖学画像に重なる電気活性化マップであることを特徴とする請求項２４に記載のコンピュータシステムの作動方法。

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