JP5666091B2 - イメージングシステム用磁気トラッキングシステム - Google Patents

Description

本発明は、磁界を生成し、それを測定する手段を有する磁気トラッキングシステムと、そのような磁気トラッキングシステムを有する検査装置と、イメージングシステムの視野内の位置座標を決定する方法とに関する。

磁気トラッキングシステムは、とりわけ、患者の身体内のカテーテルの例のように、直接目に見えないオブジェクトの位置を決定するために、医用アプリケーションにおいて使用されることができる。国際公開第９７／３６１９２号パンフレット（参照によって本願明細書に盛り込まれる）に記述される例示的な磁気トラッキングシステムは、医療機器に取り付けられることができるとともに、磁気双極子場を生成するコイルを有する。いわゆる「勾配コイル」の組は、関心のある位置（以下、関心位置とする）における磁界の複数の独立の偏微分係数を決定し、この場合、前記データが、前記位置の位置座標を計算するために使用されることができる。各々の勾配コイルは、軸方向において並んで位置する２つの単一コイルを有する。コンパクトな装置を達成するために、６つのこのような勾配コイルは、四面体の辺に配置される。更に、測定原理は、勾配コイルが、医療機器の単一プローブコイルによって検知される（四極子）磁界を生成するようなやり方で、逆にされることができる。

磁気トラッキングシステムが多くの有利な特性を有する一方で、磁気トラッキングシステムが、回転Ｘ線装置のようなイメージングシステムと組み合わされて使用される場合、イメージングシステムの金属素子を動かすことによる磁界の時間変化する乱れのために、問題が生じる。更に、トラッキング及びイメージング空間の要求される相互の位置合わせは、通常、イメージングシステムの１つの固定位置についてのみ有効である。これらの厄介な問題は、臨床実践における磁気トラッキングシステムの今なお続く低い受け入れの高いシェアをもつ。

この状況に基づいて、本発明の目的は、（回転）医用イメージングシステムとの組み合わせに特に適した、位置座標を決定する手段を提供することである。

この目的は、請求項１による磁気トラッキングシステムによって、請求項７による検査装置によって、及び請求項１１による方法によって達成される。好適な実施例は、従属請求項に開示される。

本発明の第１の見地によれば、本発明は、関心点における位置座標を決定するために使用されることができる磁気トラッキングシステムである。ここで「位置座標」は、当然ながら、空間内の或る点における関心オブジェクトの位置及び／又は向きについての任意の定量的情報を有する。位置座標は、例えば、位置のデカルト座標ｘ、ｙ、ｚ及びカテーテル先端部の向きの極座標φ，ψを含みうる。本発明による磁気トラッキングシステムは、以下の構成要素を有する：
ａ）少なくとも１つの第１の磁界発生器及び少なくとも１つの第２の磁界発生器。前記磁界発生器は、前記磁界発生器間の測定ボリュームに空間的に変化する磁界を協働（共同）して生成する。磁界発生器は、特に、磁界の方向、大きさ及び時間的推移が、コイルに印加される電流によって容易に制御されることができるという利点を有する電気コイルによって構成されることができる。
ｂ）測定ボリュームにおける前記磁界を測定する少なくとも１つの検出器プローブ。

上述した磁気トラッキングシステムの利点は、空間的に変化する磁界が２つの協働する磁界発生器の間の領域に生成されることである。従って、この領域における磁界の空間的分布は、よりユニークであるとともに、磁界を乱れにくくし、実質的に正確な磁界源として設計される通常の磁界発生器によって生成される磁界よりも再現可能性が高い一層強い勾配を示す。他の構成要素（例えばイメージングシステムの素子）が、どうしても測定ボリューム周辺に配置されなければならないので、測定ボリュームの両側に２つの磁界発生器を位置付ける要求は、ほとんどの医療アプリケーションにおいて厳しい制約にならないことがわかる。２つの磁界発生器は、前記磁界発生器の中心を測定ボリュームの中心と接続するラインが、約９０°から約２７０°の角度をなす（１８０°の角度は、正確に対向する配置に対応する）場合に、このコンテクストにおいて、「測定ボリュームの両側に」配置されると考えられる。

第１及び第２の磁界発生器の間の距離は、好適には、前記発生器の軸方向の長さの５倍より大きく、より好適には、３０倍より大きく、最も好適には２００倍より大きい。当然ながら、「磁界発生器の軸方向の長さ」は、それらの最終的な配置において第１及び第２の磁界発生器を接続するラインの方向において測定される。磁界発生器が、同一のディメンションを有しない場合、「磁界発生器の軸方向の長さ」は、それらの個別の長さの最大として規定される。典型的なアプリケーションにおいて、第１及び第２の磁界発生器の間の距離は、約０．５ｍ乃至３ｍである。

磁界発生器を構成し又は指向させるいくつかの異なる方法がある。本発明の好適な実施例において、磁界発生器は、生成される磁界が測定ボリュームにおいて空間的にユニークな勾配を有するように、構成される。前記勾配を決定することによって、測定ボリュームにおける関心点の所望の位置座標を明白に導き出すことが可能である。

本発明の特定の実施例において、第１及び第２の磁界発生器は、例えばいわゆる「マックスウェルコイル対」のような、相対する向きの磁気双極子である。このような構成は、磁気共鳴イメージングシステムにおけるｚ勾配と同様に、２つの磁界発生器の間の領域において磁界の強く一様な勾配を生成する利点を有する。

別の実施例において、第１及び第２の磁界発生器の少なくとも１つは、反対又は同じ極性を有して軸方向のアライメントにおいて縦に並べられる一対の磁気双極子を有する。好適には、第１及び第２の磁界発生器の双方は、このようにして設計され、例えば「サドルコイル対」として知られる構成において、互いから離れて且つ互いに平行に配置される。磁界発生器の適切な組み合わせによって、ユニークな全体的な磁界を生成することが可能である。

当然ながら、上述した種類の第１及び第２の磁界発生器は、例えばマックスウェルコイル対及びサドルコイル対を組み合わせた構成において、組み合わせられることができる。

第２の見地によれば、本発明は、視野において、例えば患者のようなオブジェクトの画像を生成するためのイメージングシステムを有する検査装置に関する。前記検査装置は、以下のものを備える磁気トラッキングシステムを更に有する：
ａ）少なくとも１つの第１の磁界発生器及び少なくとも１つの第２の磁界発生器。前記磁界発生器は、前記磁界発生器間の測定ボリュームに空間的に変化する磁界を協働して生成する。測定ボリュームは、イメージングシステムの視野と少なくとも部分的に重なる。
ｂ）測定ボリュームにおける前記磁界を測定する少なくとも１つの検出器プローブ。

磁気トラッキングシステムは、好適には、上述した磁気トラッキングシステムの実施例のうちの１つによって実現されることができる。磁気トラッキングシステムの磁界発生器が、測定ボリューム／視野のそれぞれ異なる側に配置されるとき、生成される磁界は、イメージングシステムの（強）磁性の又は（渦電流を生成する）導電性の素子によって乱されにくい。

一般に、検査装置のイメージングシステムは、例えばフォトグラフィック装置、超音波装置、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置、シンチレータ装置、ＰＥＴスキャナ等の、オブジェクトの画像を生成するように構成されるいかなる装置であってもよい。イメージングシステムは、特に、視野の両側に配置される放射線源及びＸ線検出器を有するＸ線装置でありうる。Ｘ線装置は、カテーテルのように器具の位置を決定するために磁気トラッキングシステムの並行利用を必要とする医療介入の間に広く使われている。

イメージングシステムは、特に、放射線源及びＸ線検出器が例えば回転可能なＣアームのような共通の可動部材に取り付けられる、回転Ｘ線装置でありうる。Ｘ線源及び検出器の可動の又は回転可能な機構は、さまざまな異なる方向からのＸ線投影を生成し、それによって最適の視点を選択し及び／又は３次元画像を生成することを可能にするために一般に使用される。

検査装置の好適な実施例によれば、磁界発生器は、イメージングシステムの可動部材に取り付けられる。特に、第１の磁界発生器は、放射線源に取り付けられることができ、第２の磁界発生器は、回転Ｘ線装置のＸ線検出器に取り付けられることができる（第１及び第２の磁界発生器の役割は対称であり、すなわち、それらが交換されることができることに注意されたい）。通常の磁気トラッキングシステムが、回転Ｘ線装置と組み合わされて使用される場合、前記装置の可動金属素子によってもたらされる時間変化する予測不可能な磁界の乱れは、深刻な問題をもたらす。しかしながら、磁界発生器が、主可動素子に取り付けられる場合、磁界発生器によって生成される磁界は、乱れに同期して動き、従って、移動素子に固定される座標系において静止したままである。トラッキング及びイメージング空間は、イメージングシステムのいかなる位置についても正確に相互に位置合わせされたままである。

本発明は、更に、例えば回転Ｘ線装置の視野においてカテーテル先端部の位置及び／又は向きを決定することのように、可動イメージング素子を有するイメージングシステムの視野において位置座標を決定する方法に関する。方法は、特に、上述した種類の検査装置によって実行されることができる。方法は、以下のステップを含む：
ａ）少なくとも１つの第１の磁界発生器をイメージングシステムの第１の可動イメージング素子に取り付け、少なくとも１つの第２の磁界発生器をイメージングシステムの第２の可動イメージング素子に取り付けるステップ。第１及び第２の可動イメージング素子が、視野の両側に配置される。
ｂ）前記第１及び第２の磁界発生器を用いて視野内に空間的に変化する磁界を生成するステップと、
ｃ）関心位置における上述の磁界を測定し、前記測定から前記位置に対応する位置座標を計算するステップ。

方法は、一般的な形で、上述した種類の検査装置により実行可能なステップを含む。従って、方法の詳細、利点及び改善に関する詳細な情報については、上述の説明を参照されたい。

本発明のこれら及び他の見地は、以下に記載される（複数の）実施例から明らかであり、それらに関して説明される。これらの実施例は、添付の図面を用いて例示として記述される。

図面において同様の参照符号は、同一又は同様の構成要素をさす。

図１は、視野の両側から互いに向かい合っており、Ｃアーム１２の両端に固定される、放射線源１３及びＸ線検出器１１を有する回転Ｘ線装置１０を斜視図において示している。Ｃアーム１２は、投影方向を変えるために軸（図示せず）を中心に相応に回転されることができる。

視野内のオブジェクトの位置及び／又は向きを決定するために、回転Ｘ線装置１０は、本発明による磁気トラッキングシステムを備える。図示される実施例において、前記磁気トラッキングシステムは、コイルの形の３対の磁界発生器を有する。各々の対は、Ｘ線源１３に取り付けられる第１の磁界発生器すなわちコイル２１ａ、２２ａ及び２３ａのそれぞれと、Ｘ線検出器１１に（好適にはそのイメージインテンシファイア又は例えば最新のデジタルＸ線イメージングシステムにおけるフラットパネル検出器ユニットの近傍に）取り付けられる第２の磁界発生器すなわちコイル２１ｂ、２２ｂ及び２３ｂのそれぞれと、を有する。例えば第１の磁界発生器２１ａ及び第２の磁界発生器２１ｂのような、前記構成の磁界発生器の各々の対は、コイルが反対の磁気極性を有するようなやり方で電流が該コイルに流される場合、いわゆる「マックスウェルコイル対」を構成する。

図８は、マックスウェルコイル対２１ａ、２１ｂの構成を別個に示している（図面は、一定の縮尺で描かれていない）。更に、図２は、ｚ軸に沿って対応する磁界Ｂのｚ成分Ｂｚの分布を示している。前記ｚ軸は、コイル２１ａ、２１ｂの軸に沿って、Ｘ線源１３からＸ線検出器１１（図１）に向いており、Ｘ線源１３は、ｚ＝−７５０ｍｍのところに配置され、Ｘ線検出器１１は、ｚ＝７５０ｍｍのところに配置される。図２から分かるように、磁界は、約±３００ｍｍの中間の領域において、ユニークな、一様な且つ強い勾配を有する。この領域は、関心オブジェクトの位置座標を決定するための測定ボリュームＶ（図１）として使用されることができる。

上述した測定のために、検出器プローブ又はコイル２４が、使用されることができ、測定ボリュームＶに導入される。このようなコイルは、一般に、非常に小さいものであり、カテーテルのように医療機器に取り付けられる。コイル２４の位置において磁界（又はその少なくとも１つの成分）を測定することによって、当業者に知られている原理に従う前記コイルの位置座標を計算することが可能である。磁界は、回転運動中に前記システムの中で変化するので、座標は、イメージングシステム１０に固定されるデカルト座標系において表現されることが好ましい。

上述したマックスウェルコイル対の代わりに、第１及び第２の磁界発生器の他の構成が使用されることもできる。図９は、例えば「サドルコイル対」として知られ、例えば磁気共鳴トモグラフィの分野で使用される可能な構成を示している。この構成の第１の磁界発生器１２３ａは、反対の磁気極性を有して軸方向アライメントにおいて縦に並べられる２つのコイルを有する。第２の磁界発生器１２３ｂは、第１のものと同じであるが、（コイルの軸に対して垂直である）図示されるｚ軸方向においてシフトされており、極性が反対である。

４つのコイルが、矢印によって示されるように「Ｍｏｄｅ＿２」の電流によって駆動される場合、図９に示される極性が、達成される。各々のコイルは、個別に電流を供給されることができるので、多くの他のモードも可能である。１つのコイルの電流方向（及びゆえに極性）が、図９の各々の磁界発生器１２３ａ、１２３ｂにおいて逆にされる場合（図７参照）、例えば「Ｍｏｄｅ＿１」が、達成されることができる。一般に、磁界の線形に独立した構成を生成する各モードは、それが位置座標の独立した測定を可能にするので有利である。

図３は、再び、互いに異なる角度で配置される３つのマクスウェルコイル対２１、２２、２３を有する磁気トラッキングシステムの第１の実施例を概略的に表している。これとは対照的に、図４は、１つのマクスウェルコイル対１２１ａ、１２１ｂ及び２つのサドルコイル対１２２ａ、１２２ｂ及び１２３ａ、１２３ｂをそれぞれ備える磁気トラッキングシステムの第２の実施例を概略的に示している（対応するコイルの１つのループのみが示されている）。

図５は、図４のマックスウェルコイル対１２１ａ、１２１ｂによって生成される磁界のｚ成分Ｂｚを示している（同様の磁界が、図３のマックスウェルコイル２１、２２、２３によって生成されることに注意されたい）。

同様に、図６及び図７は、第１の「Ｍｏｄｅ＿１」（図６）及び第２の「Ｍｏｄｅ＿２」（図７）において図４のサドルコイル対１２３ａ、１２３ｂによって生成される磁界のｘ成分Ｂｘを示している。ｚ軸に関する９０°の回転を除いて、同様のピクチャが、他のサドルコイル対１２２ａ、１２２ｂについて生成されることができる。

記述された実施例の他の変更は、イメージングシステムに関して第１及び第２の磁界発生器の異なる数及び／又は構成を含みうる。更に、磁界の発生器及び検出器の役割は、交換されることができる。本発明のアプリケーションは、記述された例又は医療用途に制限されないことにも注意すべきである。

最後に、本出願において、「有する、含む」なる語は、他の構成要素又はステップを排除せず、単数形の表現は、複数性を排除せず、単一のプロセッサ又は他のユニットが、いくつかの手段の機能を果たすことができることに注意すべきである。本発明は、それぞれのあらゆる新しい特徴的なフィーチャにあり、特徴的なフィーチャのそれぞれのあらゆる組み合わせにある。更に、請求項における参照符号は、それらの範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。

本発明の第１の実施例による磁気トラッキングシステムを備えるＣアームＸ線装置の概略的な斜視図。 図１のｚ方向に沿った磁界のｚ成分の分布を示す図。 図１の第１の実施例において使用される３つのマクスウェルコイル対を概略的に示す図。 本発明の第２の実施例において使用される１つのマクスウェルコイル対及び２つのサドルコイル対を概略的に示す図。 図４のマックスウェルコイル対によって生成される磁界のｚ成分を示す図。 第１のモードにおいて図４のサドルコイル対によって生成される磁界のｘ成分を示す図。 第２のモードにおいて図４のサドルコイル対によって生成される磁界のｘ成分を示す図。 マックスウェルコイル対の構成を概略的に示す図。 Ｍｏｄｅ＿１において駆動されるサドルコイル対の構成を概略的に示す図。

Claims (10)

1. 視野内のオブジェクトの画像を生成するためのイメージングシステムと組み合わせて使用される磁気トラッキングシステムであって、
   少なくとも１つの第１の磁界発生器及び少なくとも１つの第２の磁界発生器であって、前記第１及び前記第２の磁界発生器の間の測定ボリュームに空間的に変化する磁界を協働して生成する、前記第１及び前記第２の磁界発生器と、
   前記測定ボリュームにおける前記磁界を測定する少なくとも１つの検出器プローブと、
   を有し、前記イメージングシステムが第１及び第２の可動イメージング素子を有し、前記少なくとも１つの第１の磁界発生器が、前記視野の一方の側における前記第１の可動イメージング素子に取り付けられ、前記少なくとも１つの第２の磁界発生器が、前記視野の反対側における前記第２の可動イメージング素子に取り付けられ、前記第１及び前記第２の可動イメージング素子の運動中、前記第１及び前記第２の可動イメージング素子に取り付けられた前記第１及び前記第２の磁界発生器が協働して、前記第１の磁界発生器と前記第２の磁界発生器の間に前記空間的に変化する磁界を生成し、前記空間的に変化する磁界の空間分布は、前記第１及び前記第２の可動イメージング素子に固定の座標系において静止したままであり、前記測定ボリュームにおいてユニークな勾配を有する、磁気トラッキングシステム。
2. 前記第１及び前記第２の磁界発生器の間の距離は、前記磁界発生器の軸方向の長さの５倍以上に対応し、好適には３０倍以上に対応し、最も好適には２００倍以上に対応することを特徴とする、請求項１に記載の磁気トラッキングシステム。
3. 前記磁界は、前記測定ボリュームにおいて空間的にユニークな勾配を有することを特徴とする、請求項１に記載の磁気トラッキングシステム。
4. 前記第１及び前記第２の磁界発生器が、相対する向きの磁気双極子であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気トラッキングシステム。
5. 前記第１及び前記第２の磁界発生器の少なくとも１つが、軸方向のアライメントにおいて同じ又は反対の極性を有して配される一対の磁気双極子を有することを特徴とする、請求項１に記載の磁気トラッキングシステム。
6. 前記磁界発生器は、電気コイルによって構成されることを特徴とする、請求項１に記載の磁気トラッキングシステム。
7. 視野内のオブジェクトの画像を生成するためのイメージングシステムであって、第１及び第２の可動イメージング素子を有するイメージングシステムと、
   磁気トラッキングシステムと、
   を有する検査装置であって、前記磁気トラッキングシステムが、
   ａ）少なくとも１つの第１の磁界発生器及び少なくとも１つの第２の磁界発生器であって、前記第１及び前記第２の磁界発生器の間の測定ボリュームに空間的に変化する磁界を協働して生成し、前記測定ボリュームが、前記視野と少なくとも部分的に重なる、前記第１及び前記第２の磁界発生器と、
   ｂ）前記測定ボリュームにおける前記磁界を測定する少なくとも１つの検出器プローブと、
   を有し、前記少なくとも１つの第１の磁界発生器が、前記視野の一方の側における前記第１の可動イメージング素子に取り付けられ、前記少なくとも１つの第２の磁界発生器が、前記視野の反対側における前記第２の可動イメージング素子に取り付けられ、前記第１及び前記第２の可動イメージング素子の運動中、前記第１及び前記第２の可動イメージング素子に取り付けられた前記第１及び前記第２の磁界発生器が協働して、前記第１の磁界発生器と前記第２の磁界発生器の間に前記空間的に変化する磁界を生成し、前記空間的に変化する磁界の空間分布は、前記第１及び前記第２の可動イメージング素子に固定の座標系において静止したままであり、前記測定ボリュームにおいてユニークな勾配を有する、検査装置。
8. 前記イメージングシステムが、前記視野の両側に配置され、好適には共通の可動部材に取り付けられる、放射線源及びＸ線検出器を備えるＸ線装置であることを特徴とする、請求項７に記載の検査装置。
9. 前記イメージングシステムが、前記視野の両側に配される放射線源及びＸ線検出器を備えるＸ線装置であり、前記第１及び前記第２の磁界発生器が、前記放射線源及び前記Ｘ線検出器にそれぞれ取り付けられることを特徴とする、請求項７に記載の検査装置。
10. 視野内のオブジェクトの画像を生成するためのイメージングシステムであって、可動イメージング素子を有するイメージングシステムと、
    請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の磁気トラッキングシステムと、を有する検査装置。

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