JP5820405B2 - 電磁式追跡システムにおける局所的誤差補償システム - Google Patents

Description

本開示は、医療装置のための電磁式追跡システム（ＥＭＴＳ）に関し、より具体的には、金属歪み誤差補償システム並びに医療環境における正確な追跡のための方法に関する。

最少侵襲医療処置の結果は、医療器具の場所を追跡し、且つ、この情報を医療画像上に表示し、それによって、医療器具を解剖学的構造内の標的場所に案内する、電磁式追跡システム（ＥＭＴＳ）を使用することによって改良され得る。ＥＭＴＳは、一般的に、処置の現場で局所的な電磁場を生み出す電磁場生成器、及び、適切なセンサコイルを包含する医療器具又は装置を使用する。電磁場生成器に対するセンサコイルの位置及び向きの関数である電流が、センサコイル内で誘起される。ＥＭＴＳは、誘起電流に基づいて、センサコイルの位置、よって、医療器具の位置を演算する。ＥＭＴＳの具体的な利点は、器具の場所又は動作を決定／監視するために照準線が必要とされず、それによって、それを解剖学的構造内部のニードル又はカテーテルを追跡するのに特に適したものにすることである。

医療環境でＥＭＴＳを使用することの主要な問題の１つは、電磁場の近傍に金属伝導性或いは強磁性の物体が存在することである。これらの物体は、歪み又は金属アーチファクトを生み、それらは医療器具（複数の医療器具）の位置及び向き追跡における誤差を生む。医療措置を維持し得るテーブル又はプラットフォームは、普通、金属歪みの主要源である。しかしながら、ＣＴガントレ、Ｘ線又はＣアームのような他の物体も、歪みを引き起こし且つ／或いは歪みに寄与し得る。臨床医の器具位置決めの評価／理解におけるそのような歪み及び関連する誤差は、ＥＭＴＳを使用する医療措置の結果に直接的に且つ否定的に影響を及ぼし得る。現在、ＥＭＴＳの臨床的実用性は限定的である。何故ならば、ＥＭＴＳの位置的並びに向き的な精度は、金属歪みが存在する中で保証され得ないからである。

Ｋｈａｌｆｉｎ ｅｔ ａｌ．に発行された米国特許第６，４００，１３９号は、歪み補償機能性を備える電磁式位置及び向き追跡のための方法／装置を開示している。より具体的には、Ｋｈａｌｆｉｎ第１３９号特許は、電磁的歪みを計上するために容積付近又は容積内に固定的な位置及び向きを有する、「証言センサ」と呼ばれる、少なくとも１つの固定センサを利用する方法／装置を開示している。１つ又はそれよりも多くのプローブセンサが、容積内で追跡されるべき物体の上に配置され、各証言センサの出力は、非現実的有効電磁源のパラメータを演算するために使用される。有効源のパラメータは、あたかも物体が有効源又は複数の有効源によって生成される非歪み電磁場内にあるかのように、各プローブセンサによって測定される位置及び向きの演算に対する入力として使用される。

今までの努力にも拘わらず、金属歪みを効果的に補償し、それによって、医療／臨床環境におけるＥＭＴＳの精度及び／又は確実性を改良するシステム及び方法が必要である。加えて、心臓及び導管用途、針生検、無線周波数切除、クライオ切除、前立腺ガン療法等のような腫瘍用途におけるカテーテル追跡が効率的且つ確実に達成されるようＥＭＴＳ性能を改良するシステム／方法が必要である。

本開示は、電磁式追跡システム（ＥＭＴＳ）を使用するときに、例えば、医療及び／又は外科措置中に存在し且つ／或いは直面する金属歪みに対処するための誤差補正システム及び装置に向けられている。例示的な実施態様によれば、開示のＥＭＴＳは、電磁場を生成するよう構成される電磁場生成器を含む。電磁場生成器は、それによって生成される電磁場が電磁場センサ及び適切な電磁式センサコイル（複数の電磁式センサコイル）からのセンサデータを追跡するために使用され得るよう、医療／外科／臨床環境に位置付けられるよう概ね構成される。開示のセンサコイル（複数のセンサコイル）は、典型的には、医療装置又は臨床環境に導入されるべき他の構造／素子内に埋設され、それによって、医療装置又は他の構造が全体的に或いは部分的に解剖学的構造内に位置付けられる間に、位置及び向きデータが追跡されることを許容する。誤差補正関数が、開示のシステム／方法と関連付けられる誤差補正ツールから生成され、それによって生成される誤差補正が、正確な追跡のために医療装置又は他の構造に関連付けられる位置及び向きデータに適用される。誤差補償情報は、画像化システム上に表示され、コンピュータメモリ内に記憶され、且つ／或いは、印刷され得る。

本開示の例示的な実施態様によれば、開示の誤差補正ツールは、既知の／所定の幾何学的構造に固定される複数の電磁式センサを含む。好ましくは、誤差補正ツールは、局所的な関心地域、即ち、医療的、外科的、及び／又は、診断的措置が行われるべき臨床的／解剖学的領域を取り囲むように位置付けられ或いは向けられる。好適な実施態様では、光学式追跡センサが、より高い精度のために誤差補正ツールに取り付けられる。光学式追跡センサは、一般的に、金属歪みによって影響されず、その位置及び向きは、誤差補正ツール上の少なくとも１つの電磁式センサに対して固定的であり且つ既知である。

本開示のさらなる例示的な実施態様において、従来技術のＥＭＴＳに関連する問題は、生成器及び／又はテーブルの自由な移動を許容する歪みマッピングを生成することによって克服される。この実施態様は、医療／外科措置において使用される電磁場生成器及びテーブル上に配置される光学式センサからの位置データを追跡するよう構成される光学式追跡システムを利用する。歪みデータのマッピングを促進するようＥＭＴＳセンサを異なる場所に移動するために、位置決めシステムが使用される。これは、互いに対するテーブル及び場生成器の異なる位置のために幾つかの可能な歪みマップを創成する。よって、単一の網羅的なマッピングが得られ、本開示によれば、措置中の及び／又は措置の間のテーブル及び／又は場生成器の後続の移動は、開示のＥＭＴＳの確実性及び／又は精度に否定的な影響を及ぼさない。実に、本開示によれば、歪みマッピングによって有利に補償される医療装置又は他の構造のための追跡情報を表示するよう構成される画像化システムが提供される。

開示のシステム及び方法に関連する追加的な特徴、機能、及び、利点は、特に付属の図面と共に読まれるとき、後続の記載から明らかであろう。

当業者が開示のシステム及び方法を作成し且つ使用することを助けるために、付属の図面が参照される。

本開示の第一の例示的な実施態様を示す概略図である。 本開示の第二の例示的な実施態様を示す概略図である。 本開示の第三の例示的な実施態様を示す概略図である。

本開示は、医療装置及び他の構造のための有利な電磁式追跡システム（ＥＭＴＳ）を提供する。開示システム／方法は、金属歪み誤差補償を提供し、それによって、医療／外科環境におけるそのような装置／構造の正確な追跡を促進する。金属歪みを効果的に補償することによって、開示システム及び方法は、医療／臨床環境におけるＥＭＴＳの精度及び／又は確実性を改良する。例えば、改良されたＥＭＴＳ性能は、心臓及び導管用途、針生検、無線周波数切除、クライオ切除、前立腺ガン療法等のような腫瘍用途における効果的且つ確実なカテーテル追跡が達成されるように提供される。

先ず図１を参照すると、例証されているのは、電磁場生成器１１を有する電磁式追跡システム（ＥＭＴＳ）１０である。第一実施態様において、生成器１１は、電磁式センサ１３及び医療装置１４からセンサデータを追跡し得る局所的な電磁場を生み出す。医療／外科措置の間、装置１４は、典型的には、皮膚の下の解剖学的構造(anatomy)を貫通し標的場所に至る。電磁式センサコイルが、装置１４上に埋設される。電磁場生成器１１に対するセンサコイルの位置及び向きの関数である電流が、センサコイル内に誘起される。センサコイルは、生成器１１によって生成される局所的な電磁場によって検出される。センサコイルからのセンサデータは、画像化システム１６上に表示される。画像化システム１６は、医療環境に典型的なコンピュータを備えるモニタを含み得るが、それに限定されない。このデータは、センサコイルの位置及び向きから成り、よって、医療装置１４の位置及び向きが決定され得る。医療装置は、ニードル、カテーテル、又は、解剖学的構造内を通じて移動する如何なる装置でもあり得る。

電磁式センサ１３を有する誤差補正ツール１２が、典型的には、医療措置の場所の上で、関心現場の周りに配置される。補正ツール１２上のセンサ１３の位置読取りを監視することによって、補正関数が導出され、センサコイル位置及び向きデータに適用される。よって、補正ツールは、環境内に存在する金属歪みのための局所的な誤差補償を達成する。これらの歪みは、ＣＴ、Ｘ線、及び、超音波環境において一般的である。

誤差補正ツール１２は、典型的には、固定的な既知の幾何構造に配置される多数の電磁式センサを有する。図１は、例えば、正方形構造に配置された４つのセンサを示している。例示的な実施態様において、電磁式センサは、１０ｃｍ×１０ｃｍの正方形に配置され得る。代替的な例示的な構造では、３つのセンサだけが、既知の寸法の三角形に配置される。好適な実施態様では、互いに対するセンサの正確な位置は既知であるべきである。措置のための関心場所がセンサによって取り囲まれるようにセンサを配置することが特に有用である。

開示のシステム及び方法の例示的な実施態様によれば、位置読取りは、ツール１２が生成器１１の視野内に配置されるときに、センサ１３から取られる。もし金属歪みが存在し（且つここに開示されるような補正機能性がない）ならば、１つ又はそれよりも多くのセンサの位置は間違っており、ＥＭＴＳ１０は幾何学的配置を正しく認識／変換(translate)しない。しかしながら、センサ１３の相対位置は、本開示に従って固定され且つ既知であるので、開示システム及び方法は、ＥＭＴＳ読取りの補正（即ち、非歪み）を促進し、それによって、正しい幾何学的形状をもたらす。次に、この補正は、医療装置１４の位置読取りに適用され得るし、このようにして、ツールに局所的な場は、金属歪みによって引き起こされる誤差のために補償される。

電磁式センサを使用することだけで誤差補正を遂行することは可能であるが、ＥＭＴＳによって読み取られるセンサの絶対位置は金属歪みの存在下で既知ではないので、誤差は依然として存在し得る。本開示の好適な実施態様では、センサの少なくとも１つの絶対位置を特定するための手段が、全てのセンサ２３の絶対位置が知られること／決定されることを可能にする。図２は、光学式追跡センサ２６が誤差補正ツール２２に取り付けられる例示的な実施態様を例証している。光学式追跡センサ２６は、一般的には、電磁式センサ２３の少なくとも１つに対して固定的且つ既知の位置にある。光学式追跡空間及び電磁式追跡空間は、画像化システム２７に対して位置合わせされ、よって、補正ツール２２のための絶対位置基準をもたらし得る。画像化システム２７は、医療／臨床環境における使用のために既知であるようなコンピュータ／中央処理装置を備えるモニタを含むが、それに限定されない。この好適な実施態様において、電磁式センサ２３の絶対位置は、補正ツールに対して局所的なより正確な歪み補正関数を生成する。

図２によれば、ＥＭＴＳ２０が概略的に例証され、電磁場生成器２１を含む。この例示的な実施態様において、生成器２１は、電磁式センサ２３及び医療装置２４からのセンサデータを追跡し得る局所的な電磁場を生み出す。医療／外科措置中、装置２４は、典型的には、皮膚の下の解剖学的構造を貫通して標的場所に至る。電磁式センサコイルが、装置２４上に埋設される。電磁場生成器２１に対するセンサコイルの位置及び向きの関数である電流が誘起される。センサコイルは、生成器２１によって生成される局所的な電磁場によって検出される。センサコイルからのセンサデータは、画像化システム２７上に表示される。このデータは、センサコイルの位置及び向き、よって、医療装置２４の位置及び向きから成る。医療装置は、ニードル、カテーテル、又は、解剖学的構造を通じて移動する如何なる装置でもあり得る。

電磁式センサ２３を含む誤差補正ツール２２が、典型的には、医療措置の場所の上で、関心現場を取り囲んで配置される。補正ツール２２上のセンサ２３の位置読取りを監視することによって、補正関数が導出され、センサコイル位置及び向きデータに適用され、それによって、環境内に存在する金属歪みのための局所的補正補償を達成する。これらの歪みは、ＣＴ、Ｘ線、及び、超音波環境の間で一般的である。

誤差補正ツール２２は、典型的には、固定的で既知の幾何学的構造に配置される多数の電磁式センサを有する。図２は、例えば、正方向構造に配置された４つのセンサを示している。図１の実施態様を参照して付記されたように、センサは、１０ｃｍ×１０ｃｍの正方形に配置され得る。代替的な実施態様では、３つのセンサのみが、既知の寸法の三角形に配置される。好適な実施態様では、互いに対するセンサが正確な位置が既知である。措置のための関心場所がセンサによって取り囲まれ得るようにセンサを配置することが特に有用である。

ツール２２が生成器２１の視野内に配置されるとき、位置読取りはセンサ２３から取られ得る。もし金属歪みが存在するならば、１つ又はそれよりも多くのセンサの位置は間違っており、ＥＭＴＳ２０は幾何学的配置を正しく変換(translate)しない。センサ２３の相対位置は固定的であり且つ既知であるので、ＥＭＴＳ読取りを無歪みに補正し、それによって、正しい幾何学的形状をもたらすことが可能である。次に、この補正は、医療装置２４の位置読取りに適用され得るし、このようにして、ツールに対して局所的な場が、金属歪みによって引き起こされる誤差のために補償される。

図３は、電磁場生成器３４が少なくとも第一光学式追跡センサ３５ａを有する本開示の第三の実施態様を例証している。生成器３４は、医療装置又は他の構造／素子上に埋設される電磁式センサコイルからのデータを追跡し得る局所的な電磁場を生み出す。電流がセンサコイル内に誘起される。電流は、電磁場生成器３４に対するセンサコイルの位置及び向きの関数である。センサコイルからのセンサデータは、画像化システム３６上に表示される。画像化システム３６は、医療／外科環境において典型的であるような従来的なコンピュータ／中央処理装置を備えるモニタを含み得るが、それに限定されない。このデータは、医療装置の位置及び向きに変換(translate)するセンサコイルの位置及び向きから成る。医療装置は、ニードル、カテーテル、又は、解剖学的構造を通じて移動する如何なる装置でもあり得る。

図３をさらに参照すると、例示的なテーブル３３は、ＣＴテーブル、Ｘ線テーブル、又は、超音波テーブルを含む、医療／外科措置のために使用される典型的なプラットフォームの形態を取り得るが、それらに限定されない。前に付記されたように、テーブル３３を含む医療措置環境は、典型的には、従来的なＥＭＴＳの精度を変更する金属歪みを生む。これらの歪みは、図３の例示的な実施態様に従って有利に克服される。

図３中に概略的に描写されるように、少なくとも第二光学式追跡システムが、テーブル３３に有利に取り付けられる。電磁マッピングが、ＥＭＴＳセンサ３１を有する位置決めシステム３０の使用を通じて達成される。図３の例示的な実施態様において、位置決めシステム３０は、所望の空間容積内の異なる場所に移動され、その場合には、電磁式センサ３１、第一光学式センサ３５ａ、及び、第二光学式センサ３５ｂは連絡している。位置決めデータが、互いに対して全ての３つのセンサのために集められ、それによって、位置決めシステム、電磁場生成器、及び、テーブルの異なる既知の位置に対する局所的な環境によって引き起こされる如何なる局所的な歪みをもマッピング(mapping)することを許容し且つ／或いは促進する。

所望の空間容積内に高い精度を伴って少なくとも１つのセンサ３１を既知の場所に移動することによって、有用で実用的な歪み補償が本開示の例示的な実施態様に従って導出される。電磁場生成器３４及び／又はテーブル３３の多くの異なる場所及び向きのために複数のマッピングが遂行され得る。光学式追跡センサ３５ａ及び３５ｂは、金属歪みに影響されない典型的な６自由度の光学式センサであり得る。よって、異なる生成器及びテーブル位置のために網羅的なマッピング及び補償が導出される。この措置は一度行われる必要があるだけであり、それによって、例えば、医療／外科環境における開示のＥＭＴＳシステムの使用の容易さを増大する。一旦完了すると、生成器及びテーブルの双方は、実際の医療／外科措置の間に動き回らされ得るし、補償マッピングは、依然として有効である。

本開示の例示的な実施態様によれば、光学式追跡システム３５は、光学式追跡センサ３５ａ及び３５ｂの位置がマッピング措置の間に常に既知であるよう、光学式追跡センサ３５ａ及び３５ｂの場所を監視する。位置決めシステム３０は、ＥＭＴＳセンサ３１を空間内の既知の場所に極めて正確に位置付ける。対応する位置及び向きデータは、ＥＭＴＳ上に記録される。次に、場生成器が、テーブルに対する異なる場所に移動され、措置が繰り返される。場生成器及びテーブルは、多くの異なる場所に移動される必要がない。生成器及びテーブルの位置の範囲を補償し得るマッピングを導出するのに幾つかの場所で十分である。テーブルは、医療用途におけるＥＭＴＳの使用における金属歪みの主要源であるが、ＣＴガントリ、Ｘ線、又は、Ｃアームのような典型的な医療環境における他の物体も、歪みを引き起こし得る。この方法は、他の予期される破壊の源にも適用され得る。

誤差補償を提供することによって、ＥＭＴＳの使用は、より現実的且つ実用的であり、ひいては、医療画像化を医療装置追跡と統合するための多くの機会を許容する。技術は、医者が医療装置を解剖学的構造内の場所に案内する必要がある殆どあらゆる状況に概ね適用可能である。

本開示は、本システム及び方法の例示的な実施態様を参照して提供されたが、本開示は、そのような例示的な実施態様に限定されない。むしろ、ここの記載に基づいて当業者に直ちに明らかであろうように、本開示のシステム及び方法は、その精神及び範囲から逸脱せずに修正、変更、且つ／或いは、強化され得る。本開示は、その範囲内で、そのような修正、変更、及び、強化を明白に包含する。

Claims (17)

1. 金属歪みの局所的な誤差補償のための電磁式追跡システム（ＥＭＴＳ）の作動方法であって、
   少なくとも１つの電磁場生成器から電磁場を生成するステップを含み、
   解剖学的構造内の医療装置の位置読取りを、前記電磁場によって該医療装置の少なくとも１つの電磁式センサコイルに誘起される電流を用いて監視するステップを含み、
   金属歪みを監視し得る誤差補正ツールの少なくとも３つの電磁式センサからの位置読取りを監視するステップを含み、前記誤差補正ツールは、前記医療装置の近傍内に位置付けられて、モニタされた幾何学形状を取得し、前記少なくとも３つの電磁式センサは、基準幾何学形状を形成する既知の固定的な構成で配置され、
   プロセッサによって前記モニタされた幾何学形状を前記基準幾何学形状と比較するステップを含み、
   前記プロセッサによって補正関数を導出するステップを含み、該補正関数は、前記モニタされた幾何学形状を前記少なくとも３つの電磁式センサの前記基準幾何学形状に変換するものであり、
   前記金属歪みを補償して、前記医療装置の補正された位置を指し示す補正された位置読取りを得るために、前記プロセッサによって、前記医療装置の前記位置読取りに前記補正関数を適用するステップを含む、
   方法。
2. 前記誤差補正ツールは、少なくとも４つの電磁式センサを有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記誤差補正ツールは、前記少なくとも３つの電磁式センサのうちの少なくとも１つの電磁式センサに対して固定的な既知の位置で前記誤差補正ツールに取り付けられる少なくとも１つの光学式追跡センサを含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記電流は、前記電磁場生成器に対する前記少なくとも１つの電磁式センサコイルの位置及び向きの関数である、請求項１乃至３の何れか一項に記載の方法。
5. 解剖学的構造を通じる医療装置を追跡するための電磁式追跡システムであって、
   前記医療装置のセンサコイルに電流を誘起して前記医療装置の位置読取りを生成するための電磁場を生成する電磁場生成器と、
   基準幾何学形状を形成する既知の構成で配置され、且つ前記医療装置の近傍内に位置付けられる、少なくとも３つの電磁式センサを有する誤差補正ツールであり：
   前記少なくとも３つの電磁式センサからの位置読取りを監視して、前記少なくとも３つの電磁式センサのモニタされた幾何学形状を取得し、
   前記モニタされた幾何学形状を前記基準幾何学形状と比較し、
   誤差補正関数を生成し、該補正関数は、前記モニタされた幾何学形状を前記少なくとも３つの電磁式センサの前記基準幾何学形状に変換するものであり、
   歪みを補償して、前記医療装置の補正された位置を指し示す補正された位置読取りを得るために、検出された前記医療装置の前記位置読取りに前記補正関数を適用する
   ように構成された誤差補正ツールと、
   を含む電磁式追跡システム。
6. 少なくとも１つの光学式追跡センサが、前記少なくとも３つの電磁式センサのうちの少なくとも１つの電磁式センサに対して固定的な既知の位置で前記誤差補正ツールに取り付けられる、請求項５に記載の電磁式追跡システム。
7. 前記光学式追跡センサ及び前記電磁式センサは、前記誤差補正ツールのための位置基準を提供するために画像化源に位置合わせされる、請求項６に記載の電磁式追跡システム。
8. 前記誤差補正ツールは、少なくとも４つの電磁式センサを有する、請求項５乃至７の何れか一項に記載の電磁式追跡システム。
9. 前記電流は、前記電磁場生成器に対する前記センサコイルの位置及び向きの関数である、請求項５乃至８の何れか一項に記載の電磁式追跡システム。
10. 金属歪みの局所的な誤差補償のための電磁式追跡システム（ＥＭＴＳ）の作動方法であって、
    少なくとも１つの電磁場生成器から電磁場を生成するステップと、
    解剖学的構造内の医療装置の位置読取りを、前記電磁場によって該医療装置の少なくとも１つの電磁式センサコイルに誘起される電流を用いて監視するステップと、
    前記少なくとも１つの電磁場生成器に設けられた少なくとも第一光学式センサ及び前記解剖学的構造を有する検査対象物を担持するプラットフォームに設けられた少なくとも第二光学式センサからの位置データを追跡するステップと、
    プロセッサによって、前記電磁式センサコイルにより監視される前記位置読取り、前記第一光学式センサ及び前記第二光学式センサからの位置データに基づいて、補正関数を導出するステップであり、該補正関数は、前記監視された位置読取りを変換して、補正された位置読取りを生み出すものである、ステップと、
    前記プロセッサによって、前記補正関数に基づいて、金属歪みに関して前記医療装置の前記位置読取りを補正するステップと、
    を含む方法。
11. 電流が、前記医療装置の前記電磁式センサコイル内に誘起され、前記電流は、前記電磁場生成器に対する前記電磁式センサコイルの位置及び向きの関数である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記補正された位置読取りは、画像化源上に前記医療装置を表示するために使用される、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 前記第一光学式センサは、６自由度の光学式追跡センサである、請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の方法。
14. 前記第二光学式センサは、６自由度の光学式追跡センサである、請求項１０乃至１３の何れか一項に記載の方法。
15. 前記補正関数の導出が、歪み補償マッピングに基づき、前記歪み補償マッピングは、
    少なくとも１つの電磁式追跡システムセンサを含む位置決めシステムを設けるステップと、
    前記少なくとも１つの電磁場生成器及び／又は前記プラットフォームを複数の異なる位置に移動させるステップと、
    前記複数の異なる位置の各々について、前記位置決めシステムの前記少なくとも１つの電磁式追跡システムセンサを所望の空間容積内の異なる既知の位置に移動させ、前記少なくとも１つの電磁式追跡システムセンサからの位置データを前記少なくとも１つの電磁式追跡システムセンサの前記既知の位置と比較するステップと、
    により生成される、請求項１０乃至１４の何れか一項に記載の方法。
16. 前記少なくとも３つの電磁式センサは、互いに離間されて、三角形状又は正方形状に配置される、請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法。
17. 前記少なくとも３つの電磁式センサは、互いに離間されて、三角形状又は正方形状に配置される、請求項５乃至９の何れか一項に記載の電磁式追跡システム。

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