JP5291619B2 - 座標系レジストレーション - Google Patents

Description

本発明は、概して、身体空間の座標系と画像空間の座標系とを位置合わせ（レジストレーション）することに関する。本発明は、介入的な放射線医学に特に適用されるものであるが、その他の医用撮像用途及び非医用撮像用途にも関するものである。

高周波アブレーションを含む低侵襲手術等の介入医療処置は、介入装置はいったん皮膚の下に挿入されると視認することができないため、予め定めた標的位置又は目的位置への予め定めた経路に沿った十分に信頼性高く且つ正確なナビゲーションを必要とする。患者内の標的の位置を特定し、介入装置の標的への好適経路を決定することを容易にするため、多くの介入手順は、例えばｘ線、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、超音波（ＵＳ）、又は磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）等のモダリティからの手順前画像を用いて計画される。このような画像は、臨床医が患者内の標的を非侵襲的に見ることを可能にする。

従来、臨床医は、標的の位置と皮膚から標的までの好ましい経路とを決定するため、患者内の視認できない生体構造に、手順前画像からの患者内の生体構造を視覚的に関連付ける。しかしながら、この技術は、患者内の例えば手術針、カテーテル又は誘導ワイヤ等の介入装置の、標的への信頼でき且つ正確なナビゲーションを提供するものではない。その理由の１つは、介入処置を行う者は、画像内に示された生体構造と患者内の生体構造との間の空間的な関係を知らないからである。

この手法の位置精度は、介入装置が患者内で計画経路に沿って徐々に進められるときに、介入装置の位置を観察することによって高められ得る。これは、一例において、介入装置の漸進的な前進ごとに患者をスキャンし、介入装置の位置状態を表す中間画像を生成することによって達成される。残念ながら、画像内の生体構造と実際の患者の生体構造との間の空間関係は依然として未知である。結果として、介入装置の位置精度は要求より低いままである。

位置精度を高めるため、手順前画像の座標系が介入装置の座標系にレジストレーションされる。これにより、画像内の生体構造と患者内の生体構造との間の関係が規定される。この関係は、これらの座標系の一方内の造形部を他方の座標系に空間的にマッピングすることを可能にする。１つの好適なレジストレーション技術は、基準マーカを患者に取り付け、該マーカを用いてこれらの座標系を相互に関連付けることを含む。画像空間座標系では、マーカはスキャン前に患者に取り付けられる。そして、得られた画像データ内でマーカの位置が特定される。介入空間座標系では、位置追跡装置によって、マーカの座標が患者上で空間的に特定される。そして、画像空間座標系と介入空間座標系との間での変換が生成される。

患者と介入システムとの間に不変の空間関係を仮定し、標的までの介入装置の経路が手順前画像を用いて計画される。マーカが皮膚上に配置される場合、基準点（マーカ）と標的との間の距離は、位置的な不正確性をもたらし得る。マーカを皮膚下に配置することは介入処置を必要とする。この技術に伴うもう１つの欠点は、座標系のレジストレーションが患者の動きによって損なわれ得ることである。

他の一手法においては、介入装置が患者内で操作されるときに介入装置の位置を確認するため、手順前画像と併せて介入装置追跡センサが用いられる。この手法を用いる場合、患者内に挿入される介入装置の一部に該追跡センサが取り付けられ、このセンサの位置が電磁気式、磁気式、光学式、超音波式あるいはその他の位置測定装置によって読み取られる。臨床医は、介入装置の位置測定値をガイドとして用いて、計画された経路に沿って介入装置を前進させる。残念ながら、介入装置の位置精度は、位置測定装置固有の測定誤差と、該装置と環境との間の電磁気的、磁気的、音響的あるいはその他の干渉とによって損なわれ得る。

本出願に係る態様は、上述の問題及びその他の問題を解決しようとするものである。

一態様に従ったシステムは、介入装置の位置を表す中間画像データから得られた患者内における介入装置位置情報と、患者内且つ前記介入装置上に位置付けられた位置センサから得られた患者内における介入装置位置情報とに基づいて、画像空間座標系と介入空間座標系との間のレジストレーションを更新する部分を含む。

他の一態様に従ったシステムは、対応する画像データ内で特定された少なくとも３つの基準マーカの空間位置と、位置測定装置により患者上で空間的に特定された前記少なくとも３つの基準マーカの空間座標とに基づいて、画像空間座標系と介入空間座標系とをレジストレーションする第１部分を含む。当該システムは更に、介入装置が患者内に進められた後に取得された画像データから生成された中間画像から得られた介入装置位置情報を用いて、位置測定装置により実行される位置測定を更新する第２部分を含む。

他の一態様において、方法は、複数の基準マーカに関する基準マーカ位置情報に基づいて、画像空間座標系と介入システム座標系とをレジストレーションする段階を含む。当該方法は更に、中間画像から得られた介入装置位置情報と、介入装置上に位置付けられた位置追跡センサから得られた介入装置位置情報と、少なくとも３つの基準マーカの空間位置とに基づいてレジストレーションを更新する段階を含む。介入装置位置情報は、介入装置を患者内の経路に沿って前進させた後に、中間画像及び位置追跡センサから得られる。

更なる他の一態様において、システム／部分は、コンピュータによって実行されたときに該コンピュータに：複数の基準マーカに関する基準マーカ位置情報に基づいて画像空間座標系と介入システム座標系とをレジストレーションする段階、及び中間画像から得られた介入装置位置情報と介入装置の先端部付近に位置付けられた位置追跡センサから得られた介入装置位置情報と少なくとも３つの基準マーカの空間位置とに基づいてレジストレーションを更新する段階、を実行させる命令を格納したコンピュータ読み取り可能記憶媒体を含む。介入装置位置情報は、介入装置を患者内の計画された経路に沿って前進させた後に、中間画像及び位置追跡センサから得られる。

更に他の一態様において、システムは、複数の基準マーカに関する基準マーカ位置情報に基づいて画像空間座標系と介入システム座標系とをレジストレーションする手段、及び中間画像から得られた介入装置位置情報と介入装置上の位置追跡センサから得られた介入装置位置情報と前記複数の基準マーカの空間位置とに基づいてレジストレーションを更新する手段を含む。

以下の詳細な説明を読み、理解することにより、本発明の更なる態様が当業者に認識される。

本発明は、様々な構成要素及びそれらの配置、並びに様々な工程及びそれらの編成の形態を取り得る。図面は、好適な実施形態を例示するためだけのものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。

図１を参照するに、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナ１００は、長手方向の軸すなわちｚ軸を中心に、検査領域１０８の周りを回転する回転式ガントリー部１０４を含んでいる。

例えばｘ線管などのｘ線源１１２が、回転式ガントリー部１０４に吊られており、ガントリー部１０４とともに回転する。ｘ線源１１２は、検査領域１０８とその中に配置された対象物とを横切る放射線を生成・放射する。

回転式ガントリー部１０４はまた、検査領域１０８に関してｘ線源１１２とは反対側に位置付けられたｘ線検出器１１６を支持している。ｘ線検出器１１６は、検査領域１０８を横切った放射線を検出する概して２次元の検出素子アレイを含んでいる。

ｘ線検出器１１６は、ｘ線源１１２と協調して、回転式ガントリー部１０４とともに検査領域１０８の周りを回転し、それにより、データ収集中に複数の異なる角度位置から、ｘ線源１１２からのｘ線投影が収集される。データ収集の角度範囲は、少なくとも１８０°に扇角を足し合わせた角度にわたってｘ線投影が取得されるようにされる。ｘ線検出器１１６は、検出された放射線を表す投影データを生成する。

検査領域１０８内の例えば患者１２４等の対象は、例えば長いす等の対象支持台１２０によって支持される。対象支持台１２０は、撮像手順のために患者１２４を検査領域１０８に対して導くように移動可能である。

ｘ線検出器１１６からの投影データは再構成手段１２８によって再構成され、検査領域１０８とその中の患者１２４の部分とを表すボリューム画像データが生成される。このボリューム画像データから１つ以上の画像が生成される。

汎用コンピュータが操作者コンソール１３２としての機能を果たす。コンソール１３２は、例えば、モニタ又はディスプレー等のヒトが読み取り可能な出力装置と、キーボード及びマウス等の入力装置とを含んでいる。コンソール１３２に常駐のソフトウェアにより、操作者は、例えばグラフィカル・ユーザ・インタフェース（ＧＵＩ）を介して、スキャナ１００に対する制御及び相互作用を行うことが可能である。

図示した実施形態において、例えば３つの基準マーカ１３６である複数の基準マーカが、スキャンされる患者１２４の部分上に有利に配置されている。マーカ１３６は、座標系内の基準を提供するため、患者１２４内の関心領域１４８に対して、概して同一直線方向にないように患者の皮膚上に配置される。

マーカ１３６は、ボリューム画像データ又は１つ以上の画像内で該マーカを生体組織から識別可能にする減衰係数を有する物質を含んでいる。マーカ１３６は、既知の技術を用いて、ボリューム画像データ又は画像内に位置付けられ、あるいは特定される。例えば、或る１つの技術は、ハウンズフィールド（Hounsfield）ユニットすなわちＣＴ値を用いてマーカ１３６と生体組織とを区別する。

介入手順を実行するため、介入システム１５２がスキャナ１００に接続されて使用される。

介入システム１５２は、プローブ１５６とフィールド発生器１６４とを含んでいる。プローブ１５６は、例えば手術針、カテーテル又は誘導ワイヤ等の介入装置であり、介入手順を実行するため、患者１２４内に挿入され、関心領域１４８（又は、その他の目的位置若しくは標的）に対して好適に位置付けられる。

センサ１６０がプローブ１５６に結合されており、位置のフィードバック又はプローブ１５６に関する情報を提供する。センサ１６０は、フィールド発生器１６４によって発生された誘導電磁場を検知して対応する位置信号を生成する電磁コイル又はマーカを含んでいる。

図示した実施形態においては、センサ１６０は有利には、患者内にあるプローブ１５６の端部に十分に近い位置に関する位置情報を提供するよう、患者内に挿入されるプローブ１５６の遠位端付近に位置付けられる。このように位置付けることはまた、センサ１６０がプローブ１５６の端部の屈曲又はその他の歪曲を追跡することを可能にする。

センサ１６０からの信号から、位置測定部１６８がプローブ１５６に関する位置情報を生成する。例えば、要素１６８はセンサの信号を用いて、３次元空間内でのプローブ１５６の位置を決定する。この位置情報は、プローブ１５６が挿入されて皮膚下で関心領域１４８に対して操作されるときに、プローブ１５６を誘導するために使用される。

フィールド発生器１６４、センサ１６０及び位置測定部１６８は制御部１７２によって制御される。

介入ワークステーション１７６は、画像空間座標系と介入空間座標系とを相互に関連付けるレジストレーション部１８８を含んでいる。画像データから、既知の技術を用いて、基準マーカの空間的情報すなわち座標が取得される。例えば、一実装例に係る撮像処理ソフトウェアは、ユーザが、手作業で、半自動的に、あるいは自動的に、画像データ内で非共線的に位置する基準マーカ群１３６を空間的に特定することを可能にする。

介入空間座標系において、基準マーカの位置情報は位置測定装置１６８によって取得される。例えば、一実装例において、マーカ１３６の周りに電磁界を誘起し、プローブ１５６又はその他の位置ポインティング装置でマーカに触れることによって各マーカを特定することにより、マーカ１３６の相対的な空間位置が取得される。この情報から、レジストレーション部１８８は介入空間座標系を画像空間座標系に相関付ける。

変換部１９２はこれら座標系間での変換を生成する。変換部１９２は、具体的な用途に応じて剛体変換、弾性変換又はアフィン変換を生成するように構成可能である。この変換は座標系間で座標をマッピングするために使用され、結果として、これら座標系の一方内の対象物を座標のマッピングによって他方の座標系内に位置付けることが可能となる。

画像データ及びセンサ位置データはプレゼンテーション部１９６によって提示される。このデータは、介入手順を実行する際に、介入処置を行う者をガイドするために使用される。

図示した実施形態においては、プローブ１５６が経路に沿って標的まで移動されるときに徐々に前進するプローブ１５６の位置を表す画像データ及び／又は画像群を取得するため、複数の中間スキャンが実行される。これらのスキャンの前、最中又は後に、センサ１６０からプローブ位置の測定値が読み出される。中間画像データ及び対応する位置データの組み合わせが、レジストレーションを更新し、位置測定装置１６８の不正確さと、より詳細に後述する環境からの干渉とに起因する位置測定誤差を調整するために使用される。

図２は、座標系間のレジストレーションを更新するための典型的な一手法を示している。

段階２０４にて、画像空間座標系と介入空間座標系とがレジストレーションされる。

段階２０８にて、手順前画像と座標系のレジストレーションとを用いて、既知の計画技術により、皮膚から標的までの介入空間内でのプローブ１５６の経路が計画される。

段階２１２にて、プレゼンテーション部１９２によって表示されたセンサの位置フィードバックをガイドとして用いて、プローブ１５６が第１の位置まで進められる。

段階２１６にて、スキャナ１００によって中間スキャンが実行され、介入システム１５２によってセンサ位置の測定値が取得される。上述のように、この位置測定値は、該スキャンの前、最中又は後に取得されることができる。一般的に、画像データと位置データとが実質的に同一の動き状態を反映したものとなるように、この位置測定は該スキャンとほぼ同時に行われる。

段階２２０にて、中間画像データ内でセンサ１６０の位置が特定される。

段階２２４にて、手順前画像から得られた基準マーカ座標と、中間画像データからのセンサ１６０の座標と、センサ１６０から得られた元々の、及び新たに取得された、マーカ及びセンサの位置情報とを用いて、座標系が再レジストレーションされる。結果として、再計算されたレジストレーションは、当初のレジストレーションのように３つではなく、４つのデータ点に基づく。

段階２２８にて、プレゼンテーション部１９２が、更新された位置データ、及び一方又は双方の画像を表示する。

段階２３２にて、プローブ１５６が進められるとき、段階２１２−２２８が繰り返される。

一般的に、後のレジストレーションは座標系間のレジストレーションを改善する。一例において、この改善は更なるデータ点のおかげである。他の一例においては、この改善は、基準マーカと標的との間の距離により生じる誤差を低減することになり得ることである、標的に一層と近いデータ点を用いたことの結果である。更なる他の一例においては、この改善は、現在の動き状態を一層と反映したデータ点を取得したことの結果である。後の位置測定値は時間的に後に得られているからである。

図３は、位置の不正確性に関してシステムを調整するための典型的な一手法を示している。この例では、介入システム座標系と画像空間座標系とが上述のようにレジストレーションされ、且つ中間スキャン時の生体構造の位置状態が、手順前スキャン時の位置状態と実質的に同一であると仮定する。

段階３０４にて、プローブ１５６が被検体内で経路に沿って第１の位置まで進められる。

段階３０８にて、センサ１６０の中間スキャン及びセンサ１６０測定の位置測定が、それぞれ、スキャナ１００及びシステム１５２によって取得される。

段階３１２にて、中間画像内でセンサ１６０の位置が特定される。

段階３１６にて、中間画像から得られた位置情報を用いて、位置測定値がセンサ１６０の実際の位置を反映するように、位置測定装置１６８が調整あるいは再較正される。なお、中間画像から得られる位置情報は実質的にセンサ１６０の実際の位置を表すが、位置測定装置１６８から得られるセンサ位置情報は、該装置の測定限界及びスキャナ１００の強磁性部品との干渉に起因する誤差を含む。

段階３２０にて、プレゼンテーション部１９２が、更新された位置データ及び画像を表示する。

段階３２４にて、介入経路に沿ってプローブ１５６が進められる都度、位置測定装置１６８の位置測定を調整するよう、段階３０４−３２０が繰り返される。

経路に沿ってプローブ１５６を徐々に移動させること、及び位置測定装置の較正を更新することは、プローブ１６０が経路に沿った所望の位置に位置付けられるまで続けられる。位置測定システムをその精度に関して周期的に調整することにより、不正確性が対処されない構成に対して、標的までのプローブ１５６のナビゲーションが改善される。

以下、他の態様を説明する。

図示した例においては、後のレジストレーションの各々は、画像データ及び位置測定装置１６８から新たに取得されたセンサ位置データと、前もって取得された基準マーカ位置データとを用いていた。一代替例においては、更新された基準マーカ位置データもプローブ１５６の前進ごとに取得され、新たに取得されたセンサ及び基準マーカの位置データが、レジストレーションを更新するために使用される。この手法の１つの利点は、複数のマーカ１３６間の空間関係を変化させる動き歪みが低減されることである。プローブ１５６は患者内に挿入されるので、別のプローブ又は追跡装置が介入空間におけるマーカ座標を特定するために用いられる。

認識されるべきことには、後のレジストレーションの都度、座標系をレジストレーションするために、以前に取得されたセンサ位置測定値の１つ以上（全てを含む）が用いられる。他の一代替例においては、位置測定値は、最新の動き状態を一層よく表すと思われる時間的に後に取得された位置測定値が、より大きくレジストレーションに寄与するように重み付けられる。

新たなレジストレーションは、手順前画像又は中間画像に対してセンサ１６０を表示するために用いられてもよい。

他の一実施形態において、コンソール１３２及びワークステーション１７６は同一のシステムである。

レジストレーション部１８８及び変換部１９２は、コンピュータプロセッサによって実行されたときに、該プロセッサに上述の技術を実行させるコンピュータ読み取り可能な命令群によって実装されてもよい。その場合、その命令群は、関連コンピュータに対して結合された、あるいはその他の方法でアクセス可能な、コンピュータ読み取り可能記憶媒体に格納される。

図示した実施形態においては、手順前画像及び中間画像のデータを収集するためにＣＴスキャナを用いていた。付加的あるいは代替的に、手順前画像及び／又は中間画像のデータを収集するために、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）、超音波（ＵＳ）、３次元（３Ｄ）ｘ線、又はその他の技術を用いることも可能である。

また、図示した実施形態においては、位置測定装置は電磁気技術に基づいていた。付加的あるいは代替的に、磁気技術、光学技術、超音波技術、又は空間的な追跡のためのその他の技術を用いた位置測定装置が用いられてもよい。その場合、電磁場発生器１６４は、光学式、磁気式、超音波式又はその他のソース又は発生器によって置き換えられる。

好適な実施形態を参照しながら本発明を説明してきた。以上の詳細な説明を読み、理解した者は改良及び改変に想到し得る。本発明は、添付の特許請求の範囲又はその均等範囲に入る限りにおいて、そのような全ての改良及び改変を含むとして解釈されるものである。

典型的な撮像システムを例示する図である。 第１の典型的な方法を例示する図である。 第２の典型的な方法を例示する図である。

Claims (27)

1. 介入装置を前進させるためのガイドとして医用撮像データを用いる介入システムであって：
   前記介入装置の位置を表す中間画像データから得られた患者内における介入装置位置情報と、患者内の前記介入装置上に位置付けられた位置センサから得られた患者内における介入装置位置情報とに基づいて、画像空間座標系と介入空間座標系との間のレジストレーションを更新するレジストレーション部、
   を有する介入システム。
2. 前記位置センサは、電磁気センサ、磁気センサ、光学センサ及び超音波センサから成るグループから選択される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記位置センサは、患者内にある前記介入装置の端部付近に位置付けられている、請求項１に記載のシステム。
4. 前記中間画像データ内で前記位置センサの位置が特定される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記レジストレーション部は、先ず、画像データ内で特定された少なくとも３つの基準マーカの空間座標から成る第１空間座標セットと、患者上で空間的に特定された前記少なくとも３つの基準マーカの空間座標から成る第２空間座標セットとによって、前記画像空間座標系と前記介入空間座標系とをレジストレーションする、請求項１に記載のシステム。
6. 前記画像空間座標系における座標と前記介入空間座標系における座標との間でのマッピングを生成する変換部、を更に含む請求項５に記載のシステム。
7. 前記レジストレーション部は、患者内での前記介入装置の複数の連続した漸進的な前進の都度、その後に、前記レジストレーションを更新する、請求項１に記載のシステム。
8. 前記レジストレーション部は、前記複数の連続した漸進的な前進のうちの少なくとも２つに対応する介入装置位置情報と、前記基準マーカの情報とを用いて、前記レジストレーションを更新する、請求項７に記載のシステム。
9. 前記介入装置位置情報は取得時間の関数として重み付けられる、請求項８に記載のシステム。
10. 前記介入装置は、手術針、カテーテル及び誘導ワイヤのうちの１つである、請求項１に記載のシステム。
11. 前記画像データを生成するコンピュータ断層撮影スキャナを更に含む請求項１に記載のシステム。
12. 画像データ内で特定された少なくとも３つの基準マーカの空間位置と、位置測定装置により患者上で空間的に特定された前記少なくとも３つの基準マーカの空間座標とに基づいて、画像空間座標系と介入空間座標系とをレジストレーションする第１部分；及び
    介入装置が患者内に進められた後に取得された画像データから生成された中間画像から得られた介入装置位置情報を用いて、前記位置測定装置により実行される位置測定を較正する第２部分；
    を有するシステム。
13. 前記介入装置は、その前進の都度、その前に、較正された位置測定装置により提供された位置情報によって位置を特定される、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記位置測定装置は、前記介入装置の前進の都度、その後に、この漸進的な前進後に取得された対応する位置情報を用いて較正される、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記較正は、前記位置測定装置の誤差を補正するように前記位置測定装置を調整する、請求項１２に記載のシステム。
16. 前記センサは、電磁場を検知するコイルである、請求項１２に記載のシステム。
17. 前記介入装置は、電磁気センサを有する低侵襲手術器具を含む、請求項１２に記載のシステム。
18. 前記第１部分は、前記少なくとも３つの基準マーカの前記空間位置とともに、前記中間画像から得られた介入装置位置情報と、前記介入装置上のセンサコイルからの介入装置位置情報とを用いて、前記レジストレーションを更新する、請求項１２に記載のシステム。
19. 介入装置を前進させるためのガイドとして医用撮像データを用いるシステムの作動方法であって：
    前記システムのレジストレーション部が、複数の基準マーカに関する基準マーカ位置情報に基づいて、画像空間座標系と介入システム座標系とをレジストレーションする段階；及び
    中間画像から得られた介入装置位置情報と、前記システムの位置測定装置を介して、介入装置上に位置付けられた電磁気センサから得られた介入装置位置情報と、少なくとも３つの基準マーカの空間位置とに基づいて、前記レジストレーション部が前記レジストレーションを更新する段階であり、前記中間画像及び前記電磁気センサから得られた介入装置位置情報は、前記介入装置を患者内の経路に沿って前進させた後に取得される、更新する段階；
    を有する方法。
20. 前記電磁気センサは前記介入装置の遠位端に位置付けられる、請求項１９に記載の方法。
21. 前記システムの位置測定較正部が、前記中間画像から得られた介入装置位置情報を用いて前記位置測定装置を較正する段階、を更に有する請求項１９に記載の方法。
22. 前記複数の基準マーカは、関心領域の周りの患者の皮膚上に概して同一直線方向にないように配置された３つの基準マーカを有する、請求項１９に記載の方法。
23. 前記レジストレーション部が、計画された経路に沿った前記介入装置の二度目の前進の後に、少なくとも一度の後続レジストレーション更新を実行する段階、を更に有する請求項１９に記載の方法。
24. 複数の連続した漸進的な前進のうちの少なくとも２つに対応する介入装置位置情報と、前記基準マーカ位置情報とを用いて、前記レジストレーション部が前記レジストレーションを更新する段階、を更に有する請求項１９に記載の方法。
25. 前記レジストレーションを更新する段階における前記レジストレーションの更新は、更に、前記介入装置を患者内の経路に沿って前進させた後に前記介入装置位置情報とともに取得される基準マーカ位置情報に基づく、請求項１９に記載の方法。
26. コンピュータによって実行されたときに該コンピュータに請求項１９に記載の方法を実行させる命令を格納したコンピュータ読み取り可能記憶媒体。
27. 複数の基準マーカに関する基準マーカ位置情報に基づいて、画像空間座標系と介入システム座標系とをレジストレーションする手段；及び
    中間画像から得られた介入装置位置情報と、介入装置上の電磁気センサから得られた介入装置位置情報と、前記複数の基準マーカの空間位置とに基づいて、前記レジストレーションを更新する手段；
    を有するシステム。

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