JP4997387B2 - 侵襲性器具の生体内位置同定システム - Google Patents

Description

本発明は、侵襲性器具の生体内位置同定システムに関するものであり、詳細には、生体の手術を行う際に注射針などの侵襲性器具を生体に侵襲する場合に、先に取得しておいた生体の核磁気共鳴画像（ＭＲＩ画像）において当該侵襲性器具の侵襲した位置を表示することにより、生体内での侵襲性器具の位置を同定することができる侵襲性器具の生体内位置同定システムに関するものである。

生きている実験動物に注射針を刺入し、トレーサーと呼ばれる薬物を注入することで、脳内の神経回路結合を解析することが広く行われている。また、近年では、注射針を刺入して脳内に薬物を注入することにより、パーキンソン病やアルツハイマー病を治療する試みも行われている。

しかし、脳内の特定の領域に正確に注射針の先端部を位置させ、薬物を注入することは容易ではない。現在、通常に行われる方法では、被験者を脳定位装置に固定したうえで、ＭＲＩ（核磁気共鳴画像法）によりあらかじめ脳内構造を撮影し、目的の脳領域の頭部に対する３次元（ｘ，ｙ，ｚ）座標を定め、座標位置決め装置を用いて、その三次元（ｘ，ｙ，ｚ）座標の位置に注射針を刺入する方法により行われる。しかし、この方法では、微小な脳領域に薬物を注入するにはしばしば失敗を伴う。

このような技術に関係する公知例として、特許文献１に示されるように、磁気共鳴断層撮影装置内での検査または内視鏡による検査中に医療用の製剤、とくに薬剤または造影剤を患者の体内に注射するための装置の提案がある。この装置は、マニピュレータ制御式の注射針を備えた薬剤調量システムである。

また、特許文献２に示されるように、侵襲性器具をヒトまたは非ヒト動物の身体の脈管構造の中に、または前記身体の脈管化組織を通して挿入し、前記器具を含んでいる前記身体の一部のＭＲ画像を発生させる介入的または体内手術的なＭＲＩ方法がある。この方法では、侵襲性器具を通じた造影剤の直接注射によって、またはこの造影剤の患者への直接の静脈注射によって前記身体の脈管構造の中に造影剤に投与し、これによって前記器具の前記画像における透視を容易にする。

これに対して、本発明者等は、侵襲性器具を用いて生体内組織を同定する装置として、特許文献３に示されるような「生体内組織の同定装置」の発明を提案した。この生体内組織の同定装置は、注射針をはじめとした侵襲性器具に光ファイバを設置し、侵襲性器具である注射針の先端部で計測した吸光度または反射率に基づいて脳内の組織を同定して、脳内構造を同定するものである。
特表２００４−５１６８５９号公報 特表２００３−５００１３２号公報 特開２００６−６９１９号公報

ところで、脳内組織の特定の領域に薬剤を注入する場合は、侵襲性器具の先端の位置が正確に位置決めされなければならないが、そのためには、例えば、特許文献１または特許文献２に示されるように、装置が大がかりなものとなり、通常の手術環境は、簡便に注射針の位置を同定できるものは開発されていない。

また、特許文献３に示されるように、本発明者等は、侵襲性器具である注射針の先端部で計測した吸光度または反射率に基づいて脳内の組織を同定して、脳内構造を同定する装置を開発したが、この装置を用いることにより、侵襲性器具を生体内に刺入した場合に生体の組織を同定できるが、その場合において、侵襲性器具を生体内に刺入した位置を同定することはできない。

本発明は上記のような状況を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、通常の手術環境において簡便に侵襲性器具である注射針の位置を同定できる侵襲性器具の生体内位置同定システムを提供することにある。また、本発明の別の目的は、注射針などの侵襲性器具を生体に侵襲する場合に、先に取得しておいた生体のＭＲＩ画像において当該侵襲性器具の侵襲した位置を同定して表示することができる侵襲性器具の生体内位置同定システムを提供することにある。

上記のような目的を達成するため、本発明は、第１の態様として、本発明にかかる侵襲性器具の生体内位置同定システムは、侵襲性器具を侵襲させる生体の核磁気共鳴画像を取得しておき、当該生体に侵襲性器具を侵襲させる際に前記核磁気共鳴画像上において侵襲性器具の生体内の位置を同定する生体内位置同定システムであって、生体に侵襲させる侵襲性器具の先端に設けられ当該生体の内部の組織の吸光度または反射率を計測する計測手段と、生体内部の組織の吸光度または反射率と核磁気共鳴画像における生体内組織の表示輝度情報の対応関係を格納した変換テーブルと、前記計測手段により計測された吸光度または反射率と核磁気共鳴画像の生体内組織の表示輝度情報とを前記変換テーブルを参照して比較して核磁気共鳴画像における侵襲性器具の先端の刺入位置を推定演算する演算手段と、演算手段により推定演算された侵襲性器具の座標位置を出力する出力手段とを備えるように構成される。

また、第２の態様として、上記の構成に加えて、本発明による侵襲性器具の生体内位置同定システムにおいては、前記出力手段が、侵襲性器具の座標位置を表示する場合、侵襲性器具の画像を核磁気共鳴画像に重ねて表示し、当該侵襲性器具の画像における侵襲性器具の先端位置を前記座標位置とするように構成される。

また、第３の態様として、上記の構成に加えて、本発明による侵襲性器具の生体内位置同定システムにおいては、更に、利用者から表示する生体内位置及び方向の指定を受け付ける入力手段と、前記入力手段により受け付けた生体内位置及び方向の指定に基づいてＭＲＩ画像上における侵襲性器具の生体内位置を指定の方向及び断面について表示する表示手段とを備えるように構成される。

このように構成された本発明に係る侵襲性器具の生体内位置同定システムによれば、ＭＲＩ（核磁気共鳴画像法）によって得られた画像のデータと、侵襲性器具（注射針、電極など）の先端に取り付けられた計測手段から得られた組織の吸光度または反射率のデータにより、変換テーブルを参照してその相関をとり、侵襲性器具の先端の刺入位置を推定する。この推定された位置は、生体内での侵襲性器具の刺入位置として、ＭＲＩ画像上に重ねて表示される。これにより、侵襲性器具である注射針の先端の位置を確認しながら刺入することができるようになり、より正確に目的の脳領域に薬物を注入することが可能となる。

本発明による侵襲性器具の生体内位置同定システムは、比較的簡便な構成のシステムでありながら、注射針をはじめとした侵襲性器具の針先位置をリアルタイムで確認することができるため、従来法に比べてより正確な脳内位置に侵襲性器具の位置させることができる。

このため、本発明のシステムを用いることにより、例えば、薬物を脳内の微小な領域に正確に注入することができる。従来法でも、実験や手術の前には、ＭＲＩ画像を撮影するが、その画像をそのまま利用して脳内構造との相関を計測するために、従来法と比べて手間を増やすことはほとんど無い。

以下、本発明の実施するための形態について、実施例に基づいて図面を参照して説明する。図１は、本発明による侵襲性器具の生体内位置同定システムのシステム構成を説明する図である。図１において、１１０は対象とする生体組織を示しており、生体組織１１０は、生体組織表面層１１０ａ、第１内部組織１１０ｂ、第２内部組織１１０ｃ、第３内部組織１１０ｄから構成されており、これらの第１内部組織１１０ｂ、第２内部組織１１０ｃ、第３内部組織１１０ｄは、それぞれの組織の吸光度または反射率が異なる。１１１は侵襲性器具であるシリンジ（注射器）である。ここでの生体組織を脳とし、脳に電気刺激を与える場合には侵襲性器具１１１は電極となる。

１０７は生体内部の組織の吸光度または反射率を測定する測定装置である。この測定装置１０７は、本発明者等が、生体内部の組織の吸光度または反射率が異なることを利用して、生体内組織を同定する生体内組織の同定装置として既に提案しているもの（特開２００６−６９１９号公報）で利用しているものであり、この同定装置における生体内部の組織の吸光度または反射率を測定する測定装置である。

生体内部の組織の吸光度または反射率を測定する測定装置１０７は、光ファイバにより測定対象の組織位置まで延長された光量測定部１０７ａおよび光源部１０７ｂから構成されており、測定した光量のデータは、測定装置１０７に備えられた表示部において表示されると共に、データ処理を行うために入力部１００に送られる。なお、１１２はシリンジ１１１の先端部であり、生体内部の組織の吸光度または反射率を測定する測定点である。また、対象とする組織に対する侵襲性器具の刺入位置である。測定装置１０７の光源部１０７ｂからの照明光が光ファイバを介して、生体組織内部の測定点１１２まで導入され、測定点１１２における組織を透過した光量または組織に反射された光量が同じく光ファイバを介して導出されて光量測定部１０７ａにより計測される。

また、図１において、１００はキーボードおよびマウスからの入力操作を受け付けるとともに外部から測定データを入力するための入力ポートを備えた入力部、１０１は例えば数値データ等の入力操作のためのキーボード、１０２はシステムを操作する入力操作のためのポインティングデバイスのマウスである。１０３はマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）およびメモリなどのシステム装置から構成される演算部、１０４は例えばディスプレイ装置から構成される出力部、１０５はハードディスク装置などから構成されるデータ格納装置である。１０６は出力部のディスプレイ装置により表示される表示画面を模式的に示している。

データ格納装置１０５には、侵襲性器具の生体内の位置を同定する処理のために用いられるデータとして、対象とする生体組織のＭＲＩ画像データ１０５ａ、生体内組織の吸光度または反射率と核磁気共鳴画像における生体内組織の表示輝度情報の対応関係を格納した変換テーブル１０５ｂが格納されている。

変換テーブル１０５ｂのデータは、図３に示すように、ＭＲＩ画像上の明度（グレイレベル）と組織反射率の相関のデータが、これまでの実験により得られているので、このデータに基づいて、対象とする生体組織の位置情報を含むＭＲＩ画像データと、生体内組織の吸光度または反射率と核磁気共鳴画像における生体内組織の表示輝度情報との対応関係を作成して格納したものである。ＭＲＩ画像上の明度（グレイレベル）と組織反射率の相関は、組織の種類や計測条件によって異なるので、その都度計測を行い、組織の種類や計測条件のデータと共に最適な変換テーブル（複数）を作成しておき、侵襲性器具の生体内の位置を同定する処理を行う場合に、当該生体に応じてそれぞれの条件に適合した変換テーブルを使用する。

図２は、本発明による侵襲性器具の生体内位置同定システムにおけるデータ処理を説明する図である。図２を参照して説明する。このデータ処理では、前処理として、図２の右側の処理（ステップ３０１〜３０４）の処理を行って侵襲性器具の導入経路についてプロファイルデータを作成しておき、作成されたプロファイルデータに基づいて、その後に、図２の左側の処理（ステップ２０１〜２０６）をリアルタイムに行って、侵襲性器具の刺入位置をリアルタイムに推定演算して表示する（ステップ４０１〜４０２）。

前処理では、まず、対象とする生体組織のＭＲＩ画像を撮影してＭＲＩ画像データを得る（ステップ３０１）。ＭＲＩ画像データはデータ格納装置１０５に格納される。次に、ＭＲＩ画像上で導入目的位置と導入開始位置を設定する（ステップ３０２）。侵襲性器具の導入経路についてプロファイルデータを作成するため、理想的な導入経路と、経路の位置または角度が偏移した場合の導入経路を設定し（ステップ３０３）、設定した導入経路のそれぞれに対して、ＭＲＩ画像の上の距離を横軸に、ピクセルの輝度を縦軸にとったプロファイルを作成する（ステップ３０４）。また、プロファイルの縦軸を、ＭＲＩ画像上の明度と組織反射率の相関から得られた変換テーブルにより変換する処理を行う（ステップ３０５）。この変換処理は、後述する位置推定演算処理の中で行われるような構成とされても良い。これにより、導入開始位置からの経路となる複数の候補に経路についてのプロファイルデータ３０６が作成される。

次に、対象の生体に対して侵襲性器具を導入するが、この侵襲性器具は、導入の先端部に光ファイバが設けられた前述した組織の吸光度または反射率を計測する測定装置が付加されたものである。前処理が完了した段階で、光ファイバ付き侵襲性器具を生体内に導入し（ステップ２０１）、侵襲性器具を生体内で移動する（ステップ２０２）。この時、侵襲性器具先端に取り付けられた光ファイバにより吸光度または反射率を測定する（ステップ２０３）。そして、ここで測定されたデータが得られた場合に、導入開始点からの距離と、吸光度または反射率のデータを転送する（ステップ２０４）。そして、侵襲性器具の移動距離を横軸に、吸光度または反射率を縦軸にとったプロファイルを作成する（ステップ２０５）。

そして、作成された侵襲性器具の移動に伴うプロファイルデータ２０６と、先に作成した導入開始位置からの経路となる複数の候補の導入経路についてのプロファイルデータ３０６とを比較して、その導入経路の候補を判定すると共に、その導入経路に基づいて刺入位置の推定演算を行う。

刺入位置の推定演算（ステップ４０１）の結果は、出力処理（ステップ４０２）によって、表示画面上における座標位置として出力部１０４のディスプレイ表示装置に出力される。この出力処理においては、既存の画像処理プログラムの処理と同様な画像処理が行われる。例えば、侵襲性器具の座標位置を表示する場合、侵襲性器具の画像を核磁気共鳴画像に重ねて表示すると共に、目的とする位置を表示し、また、当該侵襲性器具の画像における侵襲性器具の先端位置を前記座標位置とする表示処理を行う。

また、このような表示処理を行う場合については、利用者からの通常の画像表示処理におけるユーザインタフェース処理による指示を受けて、様々な形態で表示するように構成される。例えば、ここでの表示処理では、ポインティングデバイスのマウスにより、利用者から表示する生体内位置及び方向の指定を受け付け、マウスにより受け付けた生体内位置及び方向の指定に基づいてＭＲＩ画像上における侵襲性器具の生体内位置を指定の方向及び断面について表示するように構成される。また、この表示処理では、目的とする侵襲性器具の刺入位置を合わせて表示し、リアルタイムで演算処理を行いながら、実際の生体内における刺入位置をＭＲＩ画像上に表示する。

具体例で説明すると、本発明による侵襲性器具の生体内位置同定システムの目的は侵襲性器具を生体内の正確な位置に導入することである。そのために、侵襲性器具の先端に備え付けられた光ファイバから直接得られた光学情報（吸光度または反射率）を利用する。

侵襲性器具を導入する場合には、まず生体組織をステレオフレーム（３次元座標軸の設置された固定器具）に固定した上で、ＭＲＩ（核磁気共鳴画像法)を用いて、生体組織内部の３次元画像を撮影する。

ＭＲＩ画像上で目的とする導入位置と、導入を開始するための組織表面位置を、ステレオフレーム上の座標として決定する。

生体組織に器具を導入する実験（または手術）を開始するにあたって、ステレオフレーム上の位置から想定された導入開始位置の座標に、マニュピレータをもちいて侵襲性器具を設置する。

実際に侵襲性器具を刺入して行く段階では、マニュピレータの目盛りから侵襲性器具先端部の導入開始点からの移動距離（組織内での深さ）が測定される。さらに、侵襲性器具の先端に備え付けられた光ファイバから、吸光度または反射率の光学情報も同時に得られる。「導入開始点からの移動距離」と「吸光度または反射率」の二つの情報がＰＣに送られる。器具の移動距離を横軸に、吸光度または反射率を縦軸にとったプロファイル２０６がＰＣ上で作成される。

一方で、ＭＲＩ画像上で設定された導入目的位置と導入開始位置から、理想的な導入経路が設定される。さらに、経路の位置または角度が理想の導入経路と比べて偏移した場合の経路に関しても設定される。設定された導入経路のそれぞれに対して、ＭＲＩ画像上の距離を横軸に、ピクセルの輝度を縦軸にとったプロファイル３０６が作成される。

器具から得られたプロファイル２０６とＭＲＩから得られたプロファイル３０６の適合をすることで、現在侵襲性器具が生体内のどの位置にあるのかを推定する。これらのプロファイルを比較する場合には、縦軸のデータ（ＭＲＩ画像上の明度と組織反射率の間のデータ）を整合させるための変換処理が行われる。

この方法を用いることで、ステレオフレームの座標だけに頼っていた従来の導入法よりもより正確な位置に侵襲性器具を導入することが可能となる。

本発明による侵襲性器具の生体内位置同定システムによれば、注射針を刺入した時の、先端から得られた吸光度または反射率の変化とＭＲＩ画像の相関をリアルタイムで適合させる演算を行うことにより、注射針の先端部が脳内のどの位置に存在するかをＭＲＩ画像上にリアルタイムで表示することができ、従来法よりも、組織内の正確な位置に侵襲性器具を導入することができる。

本発明による侵襲性器具の生体内位置同定システムのシステム構成を説明する図である。 本発明による侵襲性器具の生体内位置同定システムにおけるデータ処理を説明する図である。 ＭＲＩ画像上の明度と組織反射率の相関を示す図である。

符号の説明

１００ 入力部
１０１ キーボード
１０２ マウス
１０３ 演算部
１０４ 出力部
１０５ データ格納装置
１０６ 表示画面
１０７ 測定装置
１１０ 生体組織
１１１ シリンジ（注射器）
１１２ シリンジの先端部

Claims (3)

1. 侵襲性器具を侵襲させる生体の核磁気共鳴画像を取得しておき、当該生体に侵襲性器具を侵襲させる際に前記核磁気共鳴画像上において侵襲性器具の生体内の位置を同定する生体内位置同定システムであって、
   生体に侵襲させる侵襲性器具の先端に設けられ当該生体の内部の組織の吸光度または反射率を計測する計測手段と、
   生体内部の組織の吸光度または反射率と核磁気共鳴画像における生体内組織の表示輝度情報の対応関係を格納した変換テーブルと、
   前記計測手段により計測された吸光度または反射率と核磁気共鳴画像の生体内組織の表示輝度情報とを前記変換テーブルを参照して比較して核磁気共鳴画像における侵襲性器具の先端の刺入位置を推定演算する演算手段と、
   演算手段により推定演算された侵襲性器具の座標位置を出力する出力手段と
   を備えることを特徴とする侵襲性器具の生体内位置同定システム。
2. 請求項１に記載の侵襲性器具の生体内位置同定システムにおいて、
   前記出力手段は、侵襲性器具の座標位置を表示する場合、侵襲性器具の画像を核磁気共鳴画像に重ねて表示し、当該侵襲性器具の画像における侵襲性器具の先端位置を前記座標位置とする
   ことを特徴とする侵襲性器具の生体内位置同定システム。
3. 請求項１に記載の侵襲性器具の生体内位置同定システムにおいて、更に、
   利用者から表示する生体内位置及び方向の指定を受け付ける入力手段と、
   前記入力手段により受け付けた生体内位置及び方向の指定に基づいてＭＲＩ画像上における侵襲性器具の生体内位置を指定の方向及び断面について表示する表示手段と
   を備えることを特徴とする侵襲性器具の生体内位置同定システム。
   

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