JP5798280B2 - マルチスケール定位方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、位置及び／または方向の測定に関する。特に、フィールドジェネレータにより生成されたフィールド内のキャプチャ範囲中のセンサーをトラッキングするトラッキング方法、フィールドジェネレータにより生成されたフィールド内のキャプチャ範囲中のセンサーをトラッキングするトラッキングシステム、及びコンピュータプログラムコード手段を有するコンピュータプログラムプロダクトに関する。

既知の位置測定用システムは、キャプチャ範囲、精度、解像度が固定された定位システムである。キャプチャ範囲が所望の大きさで固定すると解像度の精度が低下する。すると、キャプチャ範囲または精度と解像度のいずれかがユーザのニーズに合わないという２つの問題が起こり得る。

非特許文献１にはフィールドジェネレータとフィールドセンサー間の情報担体として磁場を用いるトラッキング方法が記載されている。これは非特許文献２等に記載された磁気トラッキングアプリケーションと同様である。しかし、フィールドジェネレータで生成したフィールドにより決まるキャプチャ範囲は、すべてのアプリケーションと測定において同じである。
P.G.Seiler等「原体照射方法における腫瘍位置の連続精密測定のための新しいトラッキング方法」、Phys.Med.Biol.45(2000)N103-N110 Wynn等「進歩した超伝導傾斜計／磁力計アレイおよび新しい信号処理方法」IEEE Trans.Magn.11 701-7 本発明の目的の一つは、センサーの定位とトラッキングの精度と解像度を高くすることである。

本発明の一実施形態によると、この目的は、フィールドジェネレータにより生成されたフィールドのキャプチャ範囲中のセンサーをトラッキングするトラッキング方法により解決することができる。フィールドは、キャプチャ範囲を決めるフィールドジェネレータにより生成される。センサーを含む関心領域（region of interest）をキャプチャ範囲内に特定し、フィールドジェネレータによりフィールドを狭めることにより、キャプチャ範囲を反復的に狭め、関心領域を含める。

言い換えると、本発明の本実施形態による定位およびトラッキングは、粗いレベルから開始し、このレベルで関心領域を特定しナビゲートする。次の反復プロセスにおいて、定位・トラッキングシステムのキャプチャ範囲を段階的に狭め、精度を高くする。各ステップの間、関心領域の位置は、精度をより高くし、取得フレームレートを高く一定にして測定できる。その理由は、システムが一度にトラックするターゲットは一つだけだからである。複数のターゲットをトラッキングすると、フレームレートは下がってしまう。本出願において、「狭める」という用語は、キャプチャ範囲の調節、シフト、及び／または移動をするために、キャプチャ範囲のサイズ及びオリエンテーション（orientation）の少なくとも１つを調節することを含むと解釈しなければならない。反復は、ユーザにより与えられたか、またはシステムにより制限された、所望の精度と解像度のレベルで位置を測定できた時に終了する。

請求項２、３、４に記載した本発明の他の実施形態によると、キャプチャ範囲を狭めるために、フィールドジェネレータの少なくとも１つのコイルの位置を調節するか、フィールドジェネレータ自体を調節するか、またはフィールドジェネレータの少なくとも１つのコイルのオリエンテーションを調節する。本発明のこれらの実施形態によると、キャプチャ範囲を狭める非常に簡単で効果的な方法が提供され、キャプチャ範囲を高い精度で調節することができる。

好ましくは、本発明による方法は、「スケーラブル定位システム」によりサポートされている。そのスケーラブル定位システムは、ボックスオブモーション（box of motion）すなわちキャプチャ範囲のサイズおよび位置、および精度と解像度についてスケーラブルである。

請求項５に記載した本発明の他の実施形態によると、フィールドジェネレータにより生成されたフィールド内のキャプチャ範囲中のセンサーをトラッキングするトラッキングシステムが提供され、前記フィールドジェネレータは前記キャプチャ範囲のサイズ、向き、方向のうち少なくとも１つを調節するように構成されている。有利にも、本発明の本実施形態によるトラッキングシステムは、異なるアプリケーションに対してユーザが必要とする精度と解像度を満足することができる。

請求項６から８の本発明の実施形態に記載したように、キャプチャ範囲は、フィールドジェネレータの少なくとも１つのコイルの位置を調節することにより調節することができ、フィールドジェネレータを移動可能として適宜移動することにより調節することができ、または、フィールドジェネレータの少なくとも１つのコイルの方向を調節することにより調節することができる。

請求項９に記載した本発明の他の実施形態によると、コンピュータ化されたトラッキングシステムで実行された時に本発明による方法を実行するコンピュータプログラムコード手段を備えたコンピュータプログラムプロダクトが提供される。有利にも、本発明によるコンピュータプログラムプロダクトは、容易に実行可能な反復的方法を提供することにより、トラッキングシステムで必要とされる計算パワーを最小化することができる。

本発明による一実施形態の要点は、特定のアプリケーションで必要とされる精度と解像度を満たすレベルに、キャプチャ範囲を反復的に調節することと見ることができる。キャプチャ範囲が大きい時、必要とされる精度と解像度は低い。そのため、ターゲットエリアを特定して、標的とすることができる。こうして特定してから、キャプチャ範囲の焦点を絞り、関心領域を中心とする。これにより、精度、解像度、およびフレームレートを上げることができる。このプロセスを繰り返して、キャプチャ範囲を小さくし、精度と解像度を高くすることができる。

本発明の上記その他の態様は、以下に説明する実施形態を参照して明らかとし、詳しく説明する。

本発明の実施形態は図面を参照して説明する。

図１は、本発明による定位・トラッキングシステムの一実施例を示す。参照符号２はフィールドジェネレータを指し、そのフィールドジェネレータは計算部４に接続されている。計算部４はセンサー６に接続されている。計算部４は、フィールドジェネレータ２を制御してキャプチャ範囲の大きさが異なるフィールドを生成するように構成されている。参照符号８は、ターゲットエリア、すなわちセンサー６の位置を特定し、それを標的とするフィールドジェネレータ２により生成されたキャプチャ範囲を指す。計算部４は、フィールドジェネレータ２を制御してキャプチャ範囲１０が狭められた「狭められたフィールド」を生成する。そのキャプチャ範囲１０には関心領域、すなわちセンサー６が含まれる。キャプチャ範囲１０はキャプチャ範囲８よりも焦点を絞られているので、キャプチャ範囲１０の精度と解像度はキャプチャ範囲８のそれよりも高い。計算部４は、フィールドジェネレータ２を制御して、センサー６を含む別のキャプチャ範囲１２のフィールドを生成する。キャプチャ範囲１２はキャプチャ範囲１０よりも焦点が絞られているので、キャプチャ範囲１２の精度と解像度はキャプチャ範囲１０の精度と解像度よりもよい。

計算部４とセンサー６は、以下に示すフィールドジェネレータ２の実施形態において、さらに詳細に説明する。

フィールドジェネレータ２は、好ましくは磁場ジェネレータであり、６つの差動コイルを有する。この６つの差動コイルは４面体形状のアセンブリーのエッジを形成する。各差動コイルは、極性が反対の２つのコイルを有し、同一軸上に配置されている。それゆえ、交互のフィールドの周期の半分では、コイルにより生成される磁極アレイはS-N-N-SからN-S-S-Nに変わる。ここでSはS極を意味し、NはN極を意味する。コイルをこのように構成することにより、四重極主成分を有する多極磁場が生成される。各コイルは、合成物質でできたコアに銅線を８３回巻き付けてある。差動コイルは相互接続するプラスチックの部品により組み合わされており、辺の長さが約１６ｃｍの４面体を形成する。

センサー６としては、小型化したインダクションコイルを使用する。このようなインダクションコイルは、直径が２０μｍの絶縁銅線を軟鉄に１０００回巻き付けてある。これにより、外形寸法が８ｍｍ×直径０．８ｍｍのセンサーを製造することができる。好ましくは、合成物質の薄膜によりコーティングする。フィールドジェネレータ２により生成される交流磁場により、センサー内に交流電圧が誘導され、センサー６に接続された計算部により測定される。

フィールドジェネレータ２のコイルは、測定サイクルの間に、１２ｋＨｚ、±２Ａの交流電圧で３．３ｍｓずつ順々に励起される。各サイクル中に、センサー６により検出された対応誘導電圧が測定され、計算部４により評価される。

フィールドジェネレータ２の６つの差動コイルによりセンサーに誘導される６つの誘導電圧を用いて、３つのカーテシアン座標軸と２つの角度を特定することができる。

キャプチャ範囲の空間内でセンサー６の位置を計算するアルゴリズムは、上記非特許文献１に記載されている。この文献はここに参照により援用する。計算部４は、デジタルシグナルプロセッサ（DSP）とデジタル・アナログコンバータ（DAC）を有する。さらにまた、計算部４は定位システムを有する。

図２ａないし２ｃは、位置測定に関して図１に示した定位・トラッキングシステムの、本発明の一実施形態による動作をさらに説明するための概略図である。通常、図２ａに示したように、システムは、所定のボックスオブモーション（BOM）内で所定の精度と解像度を保証するように構成されている。言い換えると、フィールドジェネレータＦＧは所定のキャプチャ範囲１４を生成するように制御される。しかし、所定の精度と解像度ではすべてのアプリケーションには対応できない。本発明によると、トラッキング及び／または定位の実行中に、BOMのサイズ／大きさと解像度との間のトレードオフを調節可能とすることにより、この限界を避けることができる。

本方法の開始において、BOMすなわちキャプチャ範囲１４は大きい。このキャプチャ範囲１４では、精度と解像度は低い。図２ａに示したこの段階では、システムにより決定される他のパラメータの位置は非常に粗いスケールr_a=r₀±dr₀でのみ与えられる。しかし、ここで、関心領域、すなわちａ、ｂ、およびｃを容易に特定することができる。そして、図２ｂに示したように、定位する関心領域（ここではリージョンａ）を知った上で、BOMをキャプチャ範囲１６に調節することができる。図２ａと２ｂから明らかなように、キャプチャ範囲１６はキャプチャ範囲１４よりも焦点が絞られている。

キャプチャ範囲１６の位置とサイズを制御して、関心領域ａの中央に来るようにする。キャプチャ範囲１６は焦点がより絞られているので、精度がより高く解像度がよりよい測定が可能である：r_a=r₁±dr₁、ここでdr₁＜dr₀（dr₀とdr₁は位置の不確定性）である。キャプチャ範囲の大きさは小さくなっているので、フレームレートをより高くすることができるが、その理由はシステムが一度に３つのターゲットａ、ｂ、およびｃすべてではなく、一度に１つのターゲットすなわち関心領域のみをトラックすればよいからである。このキャプチャ範囲のセンタリングとサイズの縮小を繰り返して、段階的により小さなボックスオブモーションおよびキャプチャ範囲を用い、正確性と精度をより一層高くすることができる。そして、最終的には、所望の精度と解像度、またはシステムの最高度の精度と解像度を達成することができる。

図２ｃに示したように、キャプチャ範囲１４内のすべての関心領域（ａ、ｂ、およびｃ）のパラメータを粗いスケールで測定することができる。これらのパラメータには、例えば、位置、速度、動きの方向等が含まれ、計算部４に保存される。

１つの関心領域に関してキャプチャ範囲すなわちBOMを改良した後、他の関心領域がBOMの外側にあるとき（例えば、図２ｂの関心領域ｂ）、その関心領域について保存したパラメータを使用して、その周りのBOM／キャプチャ範囲を改良することができる。このため、本システムは、すべての定位可能関心領域（ａ、ｂ、およびｃ）の間をスイッチし、最高の精度と解像度で定位およびトラッキング情報を提供することができる。

移動するターゲットがボックスオブモーションを出てしまい、もはやトラック不能となったとき、ボックスオブモーションをより大きく切り替えることができる。こうすると、キャプチャ範囲が広がり、ターゲットを再び標的とし、中心にすえて、トラックすることができる。

図３は、本発明によるフィールドジェネレータ２の一実施形態を示しており、そのフィールドジェネレータ２は図１の定位・トラッキングシステムに使用することができる。フィールドジェネレータ２は、キャプチャ範囲２０に対応する磁場を生成する。図３に矢印２２で示したように、フィールドジェネレータ２は移動可能である。フィールドジェネレータを移動させることにより、つまり環境との関係でその位置を変化させることにより、キャプチャ範囲２０の方向と位置を調節することができる。フィールドジェネレータ２は電気的アクチュエータ（図３には示さず）により動かされる。しかし、フィールドジェネレータ２はレールシステムにマウントし、マニュアルで操作してもよい。

図４は、フィールドジェネレータ２の他の実施形態を示しており、そのフィールドジェネレータ２は、本発明による図１に示した定位・トラッキングシステムに使用することができる。図４に示したフィールドジェネレータ２は、２つのエミッタまたはコイル３０、３１を有する。エミッタまたはコイル３０、３１は、フィールドジェネレータ２中に、その方向及び／または位置をアクチュエータ３２および３４により変更または操作できるように、構成されている。エミッタまたはコイル３０、３１の各々はビーム３６または３８を発する。本発明のこの実施形態によると、エミッタまたはコイル３０、３１の位置及び／または方向を調節することにより、ビーム３６、３８の方向と位置を調節することができ、BOM４０のキャプチャ範囲のサイズ及び／または方向を調節することができる。あるいは、コイル３０と３１のセットを複数用意して、各セットの向きと方向を異ならせ、それにより異なるキャプチャ範囲４０を提供することもできる。そして、コイルのセットをそれぞれ選択することにより、所望のキャプチャ範囲を選択することができる。また、適応的なコイル構成を用いることもできる。

図５は、本発明による、図１に示した定位・トラッキングシステムを動作させる方法の一実施形態を示している。ステップＳ１で開始し、ステップＳ２に進み、フィールドジェネレータ２によりキャプチャ範囲８を決める磁場を生成する。上で説明したように、キャプチャ範囲８は大きく、センサー６で関心領域を定位できるが、非常に粗いレベルである。そして、その後のステップＳ３で、キャプチャ範囲８内にセンサー６を含む関心領域を特定する。複数のセンサーが有る場合、トラックするセンサーをマニュアルで、または好適な自動手段により選択しなければならない（例えば、所定の解剖学的構造に最も近いセンサーを選択する）。そして、ステップＳ４に進み、キャプチャ範囲を狭くする。ステップＳ３で特定した関心領域がサイズを小さくしたキャプチャ範囲の中心に来るように、キャプチャ範囲を狭くする。図１に示したように、ステップＳ４において、キャプチャ範囲８から１０にキャプチャ範囲を小さくする。フィールドジェネレータ２中の少なくとも１つのエミッタ／コイルの位置を調節、フィールドジェネレータ２を移動、またはフィールドジェネレータ２の少なくとも１つのエミッタ／コイルの方向を調節することのいずれかにより、キャプチャ範囲を狭くすることができる。そして、その後のステップＳ５において、キャプチャ範囲１０内の精度と解像度は十分かどうか問い合わせる。オペレータにより、または事前設定された閾値との比較により、精度と解像度が十分でないと判断された場合、ステップＳ２に戻り、小さくしたキャプチャ範囲に対応するフィールドを生成する。そして、ステップＳ３において、キャプチャ範囲１０内でセンサー６を含む関心領域を特定する。そして、その後のステップＳ４において、キャプチャ範囲１２に狭める。精度と解像度が十分な場合、ステップＳ５からステップＳ６に進み、終了する。

図６ａから６ｃは、本発明による反復マルチスケール定位・トラッキング方法を可視化したものである。図６ａ−６ｃの実施例において、センサーを含むカテーテルが動脈に挿入されている。キャプチャ範囲すなわちBOMは、図６ａから６ｃでは２次元であるが、１次元でも３次元でもよく、比較的大きい。そのため、センサー６を識別できるが、定位の精度は限定されてしまう。そこで、図６ｂにおいて、キャプチャ範囲をより小さくして、センサー６の定位とトラッキングをより正確にする。

図６ｃから分かるように、キャプチャ範囲をより一層小さくすると、センサー６を非常に正確に定位及びトラッキングできるようになる。

本発明は、カテーテルラボラトリーにおいて、定位、トラッキング、およびナビゲーションに有利に適用することができる。外科医は、本発明によるナビゲーションによる支援を受けながら、カテーテル、バルーン、ステント等のインターベンショナルデバイスを位置決めすることができる。また、有利にも、本発明は冠状動脈治療にも適用でき、電気生理学等の方法にも適用できる。有利にも、本発明を適用することにより、仮想位置情報を用いたデバイスのＸ線画像化を省略し、患者が受けるＸ線量を減らすことができる。しかし、本発明は、分子イメージングとの関連で、目標をねらったドラッグデリバリー等その他のアプリケーションにも適用することができる。分子画像化においては、薬剤の局所的投与がプロセスの基本的部分である。

本発明の一実施形態による定位・トラッキングシステムを示す概略図である。 図２ａないし２ｃは、図１に示した定位・トラッキングシステムの動作を示す図である。 図１に示した定位・トラッキングシステムにおいて使用する、本発明によるフィールドジェネレータを示す概略図である。 図１に示した定位・トラッキングシステムにおいて使用する、本発明によるフィールドジェネレータの一実施形態を示す概略図である。 本発明による、図１に示す定位・トラッキングシステムの動作方法の一実施形態を示すフローチャートである。 図６ａないし６ｃは、本発明による反復マルチスケール定位・トラッキングシステムを示す視覚化である。

Claims (5)

1. 複数のコイルを有する磁場ジェネレータにより生成された磁場内のキャプチャ範囲中のセンサーをトラッキングするトラッキングシステムであって、
   前記磁場ジェネレータの前記複数のコイルは、前記複数のコイルの相互の位置及び／または方向を調節することにより前記複数のコイルがそれぞれ発生させるビームの方向と位置を調節することにより、前記キャプチャ範囲のサイズ及びオリエンテーションのうち少なくとも一方を調節するように、前記センサーに対して可動であり、前記センサーは前記キャプチャ範囲内にあるトラッキングシステム。
2. 前記磁場ジェネレータの前記複数のコイルを、前記キャプチャ範囲のサイズを小さくするように動かす、請求項１に記載のトラッキングシステム。
3. 前記複数のコイルは前記キャプチャ範囲を狭めるために、前記磁場ジェネレータを移動させることにより移動可能である、請求項１に記載のトラッキングシステム。
4. 前記磁場ジェネレータの前記複数のコイルを、関心領域が前記キャプチャ範囲の中心になるように動かす、請求項１に記載のトラッキングシステム。
5. コンピュータ化されたトラッキングシステムに、磁場ジェネレータの複数のコイルにより生成された磁場に対応するキャプチャ範囲中のセンサーをトラッキングさせるコンピュータプログラムであって、
   （ａ）前記キャプチャ範囲を画定するために、前記磁場ジェネレータの前記複数のコイルにより磁場を生成するステップと、
   （ｂ）前記キャプチャ範囲内の前記センサーを含む関心領域を特定するステップと、
   （ｃ）前記複数のコイルの相互の位置及び／または方向を調節することにより前記複数のコイルがそれぞれ発生させるビームの方向と位置を調節することにより、前記磁場を前記関心領域に狭めることにより前記キャプチャ範囲を狭めるステップであって、前記磁場ジェネレータの前記複数のコイルを、アクチュエータにより、前記関心領域に対して動かすステップと、
   （ｄ）ステップ（ａ）から（ｃ）を繰り返すステップと、
   を実行させるコンピュータプログラム。

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