JP5121860B2 - 医用撮像システムのテーブルとｃ字アームの相対的位置に関する較正手順 - Google Patents

Description

本発明は、医用撮像のための方法及びデバイスに関し、またより具体的には医用撮像システムのバスキュラ（ｖａｓｃｕｌａｒ）ガントリを基準とした放射線医学検査テーブルの挙動及び移動に関する機械的モデルの較正に関する。

医用撮像においてバスキュラガントリは典型的には、先ず手術前に所与の臓器の３Ｄ画像を、また次に手術の間に同じ臓器の２Ｄ蛍光透視像を収集するために使用される。

このタイプの２Ｄ蛍光透視像は例えば外科医に対して、脈管構造の周りをナビゲートする前にそのツールの方向を定めかつこれらの位置及び配備を検証することを可能にさせる。

３Ｄ拡張型蛍光透視法（３−Ｄ Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｙ：３ＤＡＦ）と呼ばれる技法では、手術中に取得した３Ｄ画像が手術前に収集した手術対象構造または臓器の２Ｄ画像上に重ね合わせられる。この３Ｄ像は、その上に重ね合わせている２Ｄ蛍光透視像と同じ観察角度を与えるような方式で計算される。

この種の重ね合わせでは、対象や患者を移動させるテーブル並びに線源及び撮像システムセンサを移動させるバスキュラガントリに関わる相対的位置及び歪みに対する知見が正確であることが前提となる。

バスキュラガントリに関わる位置及び歪みの計算を可能にする処理法の一例は、米国特許出願第２００７／０１７２０３３号に記載されている。この文書は、３Ｄ画像と蛍光透視像の相対的位置を再較正する（「拡張型蛍光透視像」の作成を可能にさせる）ためにシステム位置決めセンサと連係して使用されるようなバスキュラガントリに関する機械的モデルを較正する方法が記載されている。

しかしこの較正方法では、テーブルの移動及びこれが受ける歪みが考慮されていない。問題点の１つは、テーブルの移動及び機械的挙動に関するテーブルのパラメータを計算する際に生じる。テーブルの機械的パラメータを決定する精度が高いほど、再較正した拡張型蛍光透視像の品質は向上することになる。

米国特許出願第２００７／０１７２０３３号

本発明は、これらの限界を克服するのに役立つようなテーブルの機械的モデルに関する較正手順を提唱する。特に、提唱した手順はある限られた数の較正位置を用いたテーブルの機械的パラメータの決定を可能にしている。

より具体的には本発明は、テーブル上に位置決めされたファントームターゲットを用いてバスキュラガントリ医用撮像システムと関係して移動させる放射線医学検査テーブルの挙動及び移動の機械的モデルに対する較正手順を提唱する。

テーブルは少なくとも１つの自由度（ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｐｌａｙ）に関して移動しており、またテーブルの様々な位置に対応しかつ当該の自由度に対応するような少なくとも１組の画像が収集される。発明者らは、ターゲットに関して取得した画像から、テーブルの挙動及び移動の機械的モデルに関する様々なパラメータ位置を決定することができる。

次いでこれらのパラメータは、医用撮像システムに対する関係でテーブルの真の相対的位置を推定するために、テーブルの位置決めセンサが提供する情報と組み合わせられる。

次いでこの機械的モデルは、特に拡張型蛍光透視像用途において、テーブルの移動を精密に決定し３Ｄ画像及び蛍光透視像に対する最適な再較正を提供するためにテーブル位置決めセンサが提供する情報と結合させて使用される。

特に、基本の自由度に関して収集される少なくとも１組の画像に関して発明者らは、この方式により取得した画像内でファントームの要素の位置決めを検出することができる。その一方が基準位置に対応しかつもう一方がその画像組の収集位置に対応するような少なくとも２つの画像に関して発明者らは、投影行列並びに非固有の（ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ）パラメータの推定が可能であり、発明者らは基準位置に関する推定した非固有パラメータをもう一方の収集位置に関するものと組み合わせることによってテーブルの計算されるシフトを決定することが可能である。発明者らは、計算したこの移動及びシステムのセンサが計測した移動から、その画像組に対応する自由度に特異的な基本シフトベクトルを決定することが可能である。これらの工程は例えば基本自由度のシフトにより収集した様々な画像組に関して使用され、また様々な指定の基本ベクトルに基づいて平均基本シフトベクトルを決定する際に使用される。

さらにこれらは、様々な基本自由度により収集した画像組に関して利用されることがある。さらに、収集した画像組のすべてを計算するために非線形最適化システムを用いることが可能である。本発明はさらに、このタイプの較正を処理するのに適した放射線医学検査テーブル及びバスキュラガントリを備えるような医用撮像システムを提唱する。

本発明に関する追加的な特徴及び利点について、以下において示唆的でありかつ非限定的となるような方式により記載することにするが、これらは添付資料に包含された図面を考慮に入れながら検討されるべきである

本発明を実現する可能な一方法に対応する医用撮像システムを表した概要図である。 較正手順の様々な工程を示したブロック図である。

（概要）
図１に示した医用撮像システムは、一方の端部で（２）放射線源（例えばＸ線）をかつもう一方の端部で（３）センサを保持している（１）Ｃ字アーム（バスキュラガントリ）を備える。

従来ではＣ字アームは、撮像される患者の一部分を基準として前記アームの位置決めを調整するような方式で、撮像対象患者を支持するように設計されたテーブル４の軸の周りに旋回させることが可能であり、かつ前記テーブル４の周りで図中の双方向矢印で示した様々な移動方向Ｌ、Ｐ、Ｃに移動させることが可能である。

移動ＬはＣ字アームの水平移動（線源２及びセンサ３の脇を通る軸の周りでスイングする動き）に対応し、移動ＣはＣ字アームが自身の面上で自身の軸の周りで移動する動きに対応し、かつ移動Ｐはテーブルの主軸の周りでのＣ字アームの移動に対応することに留意されたい。

これら様々な移動に関して、図１に示したようにその中心位置をＯと規定している。

線源２は、例えばＸ線源である。線源２は放射が円錐状であり、かつその放射は撮像を受ける患者を通過した後でセンサ３によって捕捉される。センサ３はマトリックスタイプであると共に、本目的では３ａ検出器マトリックスを有している。

３ａマトリックスの検出器から送られた信号は次いでディジタル化されており、また処理ユニット５は、得られた２Ｄディジタル画像を受け取り、処理し、かつ記憶（該当する場合）する。処理の前と後において、得られた２Ｄディジタル画像を処理ユニット５と独立に記憶させることもあり、またこの目的ではＣＤ−ＲＯＭ、ＵＳＢドライブ、中央のサーバー、その他など任意のタイプの媒体が使用されることがある。

従来では例えば、患者の周りにＣ字アーム軌道を有するようにして検査対象臓器の２Ｄ画像組の事前収集を実行することが可能である。次いで得られた２Ｄ画像組は、撮像しようとする臓器の３Ｄ画像を作成するために処理を受ける。所与の臓器を分離し２Ｄ画像組から３Ｄ画像を決定するための手順はよく知られている。

次いでこの３Ｄ画像は、３Ｄ画像点が像Ｚを撮った角度と垂直の面内のＸ及びＹ座標に対応するようにし、当該方向に沿ったその深度に従って投影させて所与の角度から表示される。

この３Ｄ画像は例えば、２Ｄ画像（例えば、手術の間にリアルタイムで収集した蛍光透視像）の上に重ね合わせて表示することが可能である。このタイプの処理の一例は、米国Ｐａｌｍ ＳｐｒｉｎｇｓでのＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＭＩＣＣＡＩ ２００５ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅにおいて発表されたＳｅｂａｓｔｉｅｎ Ｇｏｒｇｅｓらによる科学記事「Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ Ｖａｓｃｕｌａｒ Ｃ−Ａｒｍ Ｆｏｒ ３−Ｄ Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｙ ｉｎ Ｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｒａｄｉｏｌｏｇｙ」に記載されている。

（較正）
（テーブルの機械的モデル）
この較正の目標は、テーブル上に配置したファントームターゲットを異なるテーブル位置を用いて撮像したＸ線画像組からテーブル４の機械的パラメータを決定することである。テーブル４の機械的モデルは、テーブル４の移動並びにその歪みをモデル化するパラメータからなる。以降の説明では、トランスファー（ｔｒａｎｓｆｅｒ）移動のみを含むようなテーブル４の単純モデルについて考察することにする。

上式は、決定中の処理過程のテーブル４に関する３つの方向を表したベクトルである。

本明細書に記載した簡略化モデルはもちろん、単に非限定の一例となるように意図したものである。

（注記）
本テキストの以降においては、テーブルのトランスファー移動に関する方向ベクトルとして次の表記法を使用することにする。

ここで、ｄ＿ｌｏ、ｄ＿ｌａ、ｄ＿ｈは、テーブル４の移動を基準位置との関係で計測することを可能とさせるような外部センサから生成されるテーブル４の移動の計測値（例えば、１／１０ｍｍを単位とする）である。

バスキュラガントリの所与の向き及び焦点距離に関して、その定義は以下のテーブル４の位置に関する＋ｍａｘ、−ｍａｘ、及び『中心』からなる。

１．中心：らせんがアイソセンタにあるときのテーブル４の位置
２．−ｍａｘ：Ｘ線画像内にらせん像を維持しながら与え得る最大のトランスファー移動
３．＋ｍａｘ：対称性のトランスファー移動
さらに本テキストの残りの部分では、テーブル４上に位置決めされた対象に関するテーブル４及びバスキュラガントリの所与の相対的位置における画像投影行列をＭ＝Ｋ＊Ｅで規定している（ここで、Ｋはバスキュラガントリの内部幾何学構造を考慮に入れた固有パラメータの行列であり、またＥはテーブル４及びガントリの相対的位置決めを記述した非固有パラメータの行列である）。投影行列パラメータに関する説明は、Ｒｉｃｈａｒｄ Ｈａｒｔｌｅｙ及びＡｎｄｒｅｗ Ｚｉｓｓｅｒｍａｎによる記事「Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｖｉｅｗ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ Ｉｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｖｉｓｉｏｎ」（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｐｒｅｓｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、２０００年６月）において見ることができる。

固有パラメータの行列Ｋは線源２に関するセンサ３からの投影パラメータに対応する。

非固有パラメータの行列Ｅはテーブルを基準としたＣガントリの位置に依存する。

（較正に先立つ収集）
テーブル４の様々な位置に関してテーブル４の機械的モデルのパラメータを決定するために、発明者らはテーブル４上に位置決めしたファントームらせんからある数の画像を収集している。

例えば、Ｃ字アームの様々な位置並びに以下の移動に関して３枚または５枚のＸ線画像からなる組が収集される。

○ テーブルをｖ＿ｌａに従って移動させたＬ＝Ｐ＝Ｃ＝０となるようにしたＣ字アーム位置
○ Ｌ＝０（Ｃ字アームの面をテーブルの軸と直交させた状態）並びにＰ＝Ｃ＝Ｏとなるようにし、テーブルをｖ＿ｌｏに従って移動させたＣ字アーム位置
○ Ｌ＝０（Ｃ字アームの面をテーブルの軸と直交させた状態）並びにＰ＝Ｃ＝Ｏとなるようにし、テーブルをｖ＿ｈに従って移動させたＣ字アーム位置
○ Ｌ＝０（Ｃ字アームの面をテーブルの軸と直交させた状態）、Ｐ＝Ｏ、Ｃ＝９０（Ｃ字アームをその自身の軸で旋回させる）となるようにし、かつテーブルをｖ＿ｈに従って移動させたＣ字アーム位置
○ Ｌ＝Ｏ（Ｃ字アームの面をテーブルの軸と直交させた状態）、Ｐ＝Ｏ、Ｃ＝９０（Ｃ字アームをその自身の軸で旋回させる）となるようにし、かつテーブルをｖ＿ｌａｔに従って移動させたＣ字アーム位置
（較正処理）
様々な画像組を収集し終えた後、以下の方法で較正が実施される。

この記述の目的は、

という３つの自由度を表すテーブル４に関するトランスファーベクトルを決定することである。

（第１の工程）
各画像組ごとに、発明者らは取得したＸ線画像内の較正ターゲット点の２Ｄ位置決め処理する画像を検出している。

これに従って、Ｍ＿ｉ投影行列並びにＭ＿ｉ＝Ｋ＿ｉ Ｅ＿ｉとなった位置の組に関する画像ｉのそれぞれに対応した固有パラメータと非固有パラメータのＫ＿ｉとＥ＿ｉの行列を決定するための方法が用いられる。

この目的で実施される計算は例えば、ユニット５によって決定される。

こうした方法は例えば、Ｒａｄｕ Ｈｏｒａｕｄ及びＯｌｉｖｉｅｒ Ｍｏｎｇａによる「Ｖｉｓｉｏｎ ｐａｒ Ｏｒｄｉｎａｔｅｕｒ （Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｓ ａ Ｖｉｓｉｏｎ Ｔｏｏｌ）」の第５章、Ｐｕｇｅｔ及びＳｋｏｒｄａによる「Ａｎ Ｏｐｔｉｍａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃａｍｅｒａ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ」（ＥＣＣＶ １９９０）、並びにＲｏｕｇｅ、Ｐｉｃａｒｄ、Ｔｒｏｕｓｓｅｔ及びＰｏｎｃｈｕｔによる「Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｆｏｒ ３Ｄ Ｘ−Ｒａｙ Ｉｍａｇｉｎｇ」（ＳＰＩＥ １９９３ − １６１〜１６９）に記載されている。

（第２の工程：テーブルモデルの初期化）
テーブルの単一移動に対応する各画像組（すなわち、ｖ＿ｌａ、ｖ＿ｌｏ及びｖ＿ｈ組と名付けた画像組）ごとに、発明者らはテーブルのトランスファー移動ベクトルを線形方式で決定することになる。

この目的では各画像組ごとに、発明者らは以下の処理を実施する。

発明者らは、テーブル４の単一の（単純な）移動を、基準位置から得た非固有パラメータＥ＿ｒｅｆと工程１で決定した任意の位置の固有パラメータＥ＿ｉとを組み合わせることによって決定している。

ここで、２つの位置間でのテーブル４の移動Ｄは次式によって得ることが可能である。

Ｄ＝Ｅ^１＿ｉ Ｅ＿ｒｅｆ＝［Ｒ｜Ｔ］＝［Ｉｄ｜Ｔ］ （式４）
上式において、Ｒはテーブル４が回転しない場合の恒等行列（ｉｄｅｎｔｉｔｙ）に等しい。

発明者らは、位置ｉと基準位置ｒｅｆの間でシステムのセンサにより有効に計測された移動長について既知であるため、発明者らはテーブル４の移動

が処理中の画像組に対応すると推論している。

上式において、ｄはシステムセンサにより計測したテーブル４の移動である。

連続する幾つかの決定に基づきかつ処理中の画像組内で選択された幾つかの基準点に基づいて、発明者らはこの移動ベクトル

に関する平均値を計算している。

（第３の工程）
この推定の精度を向上させるために、発明者らはすべての位置における収集Ｘ線画像を検証する判定基準Ｃについて非線形方式で最適化している。

ただし、

である。

上式において、ｑ＿ｉｊは画像ｊ内で検出された第ｉ番目のターゲット点であり、Ｍ＿ｊはテーブル４のモデル並びにテーブル４の位置センサからのデータから作成された投影行列であり、かつＸｉが第ｉ番目の３Ｄ較正ターゲット点である。発明者らの例では、テーブル４のモデルは、Ｍｊが次式

で与えられるような方式でトランスファーベクトルだけから作成されている。

ここで、ｔｒａｎｓｘ、ｔｒａｎｓｙ及びｔｒａｎｓｚは次式で与えられる。

ここで、ｄｌａ、ｄｌｏ及びｄｈは、横方向、縦方向及び高さ方向の軸のそれぞれに関する基準位置と関係してトランスファーセンサによって生成されるトランスファー長である。

トランスファー移動ベクトルが見出される。

トランスファー移動ベクトル

が確定された際に、発明者らはテーブルの基本移動軸（本ケースでは、そのトランスファー移動方向）に関する精細な知見を所持している。この情報は、テーブル４の真の位置を計算する際にユニット５によって考慮される。ユニット５は、基本移動からのベクトルをテーブル４の制御式の移動と組み合わせることによって真の位置を計算している。

こうして決定したトランスファーベクトルが、テーブルの移動を考慮した新たな投影行列Ｍｊを計算するためにアプリケーション内で使用される。この新たな行列を決定するために、テーブルベクトルと位置センサの値が（式１と名付けた上述の式に従って）合成される。次いで、この新たな行列は、ツールのガイドを支援する際の拡張型蛍光透視法用途において使用することが可能である。

１ Ｃ字アーム、バスキュラガントリ
２ 放射線源
３ センサ
４ テーブル

Claims (5)

1. インターベンショナルラジオロジーのテーブルの挙動及び移動に関する機械的モデルを較正する方法であって、
   少なくとも１つの自由度にわたってテーブルを移動する工程と、
   テーブル及びＣ字アームの異なる位置に対応する少なくとも１組の画像を収集する工程と、
   異なる位置から試験対象の少なくとも１組の画像を取得する工程と、
   前記試験対象の画像を用いてテーブル挙動及び移動の機械的モデルのパラメータを決定する工程と、
   医用撮像システムに関するテーブルの真の相対的位置を導出するためにこれらのパラメータをテーブル移動センサにより得られたデータと合成する工程と、
   ある基本的自由度に関して画像を収集する工程をさらに含むと共に、
   こうして取得した画像内において、試験対象の素成分の位置決めが検出されること、
   投影パラメータの行列は、基準位置に対応する画像と非固有パラメータがそこから導かれる画像組の別の収集位置に対応する画像という少なくとも２つの画像に関してこれから導出されること、
   計算されるテーブルの移動は、基準位置に関して決定した非固有パラメータと別の収集位置に関する非固有パラメータを合成することによって決定されること、
   この計算した移動とシステムのセンサが計測した移動とから、その画像組が対応する相手の基本的自由度に関連付けして基本的移動ベクトルが決定されること、
   を含む方法。
2. 基本的自由度に関する画像を収集する前記工程が１つの自由度にわたる移動により収集した組の異なる画像に関して実現されており、かつ決定した異なる基本的ベクトルに関連して平均基本移動ベクトルが決定されている、請求項１に記載の方法。
3. 基本的自由度に関する画像を収集する前記工程が異なる自由度に対して収集した画像組に関して実現されている、請求項１に記載の方法。
4. 収集したすべての画像組に対して計算して非線形最適化処理を実行する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
5. インターベンショナルラジオロジーテーブルと、
   バスキュラＣ字アームと、
   前記インターベンショナルラジオロジーテーブルの挙動及び移動の機械的モデルを較正する処理手段と、を備える医用撮像システムであって、
   該処理手段は、
   少なくとも１つの自由度にわたってテーブルを移動すること、
   テーブル及びＣ字アームの異なる位置に対応する少なくとも１組の画像を収集すること、
   異なる位置から試験対象の少なくとも１組の画像を取得すること、
   試験対象の画像を用いてテーブル挙動及び移動の機械的モデルのパラメータを決定すること、
   医用撮像システムに関するテーブルの真の相対的位置を導出するためにこれらのパラメータをテーブル移動センサにより得られたデータと合成すること、
   ある基本的自由度に関して画像を収集することと、
   によって較正を行っており、
   工程をさらに含むと共に、
   収集された前記画像内において、
   試験対象の素成分の位置決めが検出されること、
   投影パラメータの行列は、基準位置に対応する画像と非固有パラメータがそこから導かれる画像組の別の収集位置に対応する画像という少なくとも２つの画像に関してこれから導出されること、
   計算されるテーブルの移動は、基準位置に関して決定した非固有パラメータと別の収集位置に関する非固有パラメータを合成することによって決定されること、
   この計算した移動とシステムのセンサが計測した移動とから、その画像組が対応する相手の基本的自由度に関連付けして基本的移動ベクトルが決定されること、
   が行われる、医用撮像システム。