JP5844732B2 - インターベンション装置を観察するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本開示は医用画像に関し、より具体的には走査画像中の特徴の可視化及びデータ収集を改良するように放射線量を減らすためのシステム及び方法に関する。

コンピュータ断層撮影（ＣＴ）ガイド下インターベンションは、生検、カテーテル法、又は異なる機械的若しくは電気機械的装置を使用する他のインターベンションなどの手術を実行するために利用され得る。ＣＴガイド下インターベンションはほとんどリアルタイムに解剖学的ロードマップとして使用されているボリューム情報を継続的に更新する機会を与える。しかしながら、この種の走査モードに付随する放射線量は高いことが多く、推奨されない可能性がある。かかる手術はインターベンション放射線学、心臓病学、若しくは腫瘍学におけるより大きな応用範囲が考慮されるためにはあまりにも高過ぎる放射線量を提供し得る。

従って、ＣＴスキャンの利点を伴い、ただし低放射線量のインターベンションガイダンスのための画像法を提供することが有利であろう。

本発明の原理によれば、ガイド下インターベンション装置を観察するためのシステム及び方法は、インターベンション装置を撮像するために放射線源を用いて対象の内部のインターベンション装置の位置を決定するステップを含む。インターベンション装置の位置を更新するために円形収集が実行され、収集は所定角度位置において放射線源をオフにすることによってビュー角度をスキップするステップを含む。対象の背景に対してインターベンション装置の仮想画像を提供するためにインターベンション装置のモデルが生成される。装置は新たな角度／投影が測定されるたびにモデル化されることができる。そして、ボリュームに重ね合わせることができる３Ｄモデルが得られる。

ＣＴを用いるガイド下インターベンション装置を観察するための別の方法は、ＣＴスキャンによって患者の画像ボリュームを構成するステップ、インターベンション装置の位置を更新するために円形収集を実行するステップであって、収集は所定角度位置において放射線源のｘ線管を完全にオフにすることによってビュー角度をスキップするステップを含む、ステップ、並びに、画像ボリュームの背景に対してインターベンション装置の仮想画像を提供するためにインターベンション装置のモデルを生成するステップを含む。インターベンション装置はインターベンション装置の追跡を提供するためにスキップされたビュー角度の少なくとも１つの間にモデル化される。

インターベンション装置を観察するためのシステムは、対象の画像ボリュームを撮像し、放射線源を用いて対象の内部のインターベンション装置の位置を決定するように構成される画像スキャナを含む。画像スキャナはインターベンション装置の位置を更新するために円形収集を実行するように構成され、収集は所定角度位置において放射線源をオフにすることによって周期的ビュー角度において画像を取得する。記憶貯蔵装置は対象の画像ボリュームの背景に対してインターベンション装置の仮想画像を提供するためにインターベンション装置のモデルを記憶するように構成される。モデルはインターベンション装置の追跡を提供するために周期的ビュー角度の間にインターベンション装置の動きを提供するように構成される。ディスプレイはモデル化されたインターベンション装置の動きを受信し、画像ボリュームの最終投影画像に対してモデル化されたインターベンション装置を表示するように構成される。

本開示のこれらの及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面と関連して読まれるものである、その実施形態の以下の詳細な説明から明らかとなる。

本開示は以下の図面を参照して好適な実施形態の以下の記載を詳細に提示する。

本発明の原理にかかる低放射線量のガイド下インターベンションのためのデータ収集及び可視化のためのシステムを示す図である。 本発明の実施形態にかかるアブレーション手術用のカテーテルを用いるガイド下インターベンションのためのデータ収集及び可視化のためのシステム／方法を示すブロック／フロー図である。

本開示は心房細動（ＡＦＩＢ）手術若しくは他の手術のためのＣＴガイダンスを使用する最新の解剖学的ロードマップ上の装置情報のリアルタイム更新を記載する。ＡＦＩＢ手術は限定されない実施例として記載される。しかしながら、本システム及び方法は低放射線量が望まれる任意のガイド下インターベンション手術若しくは任意の手術において利用され得る。本発明の原理はＣＴスキャンに関して記載されるが、本発明の教示はもっと広く、任意の走査技術に適用可能であることが理解されるべきである。さらに、画像走査のための惑星設定が記載され示されるが、本実施形態はＣアーム装置若しくは任意の他の種類の連続運動放射源‐検出器軌道装置（例えばサドル軌道、多重円弧など）上で実施され得る。図に描かれる要素は、ハードウェア若しくはソフトウェア要素を持つハードウェアの様々な組み合わせで実施され得、単一要素若しくは複数要素において組み合わされ得る機能を提供する。

図面において類似する数字は同じ若しくは同様の要素をあらわし、最初に図１を参照すると、インターベンションガイダンスを持つ走査システム１００が本発明の原理に従って例示的に示される。走査システム１００はＣＴスキャン設定を含むが、他の画像法もまた利用され得る。システム１００はｘ線源（例えばｘ線管）１０４とｘ線検出器１０６を支持するガントリ１０２を含む。ｘ線源は対象若しくは患者１１０をさらすための放射線のコーン１０８を提供する。ガイド下インターベンション装置１１８は、針、プローブ、トロカール、カテーテル又は任意の他の医療機器若しくは器具、例えば、身体の外側に機械的に接続されるか又は接続されない、受動的に若しくは能動的に駆動され得る、身体の内部で動くインターベンション装置などを含み得る。装置１１８はＣＴスキャン画像からのフィードバックに従ってガイドされ得る。装置１１８はガイダンスコントローラ１１２を用いてガイドされ得る。ガイダンスコントローラ１１２は手動制御を含み得るか、又はソフトウェアプログラムを用いて自動的に制御され得る。コントローラ１１２は複数の源からのフィードバックを使用し、例えばコンピュータシステム１３０によって提供される、又はコントローラ１１２に記憶される設定を使用し得る。ガイダンスは自動的に若しくは手動で実行され得る。

ガントリ１０２はモータ１１４を用いて回転する。ｘ線検出器１０６もまた回転し、ｘ線源１０４からガントリ１０２の反対側に配置される。このようにして、ｘ線は対象１１０を通して透過され、検出器１０６によって検出される。ｘ線を利用してＣＴスキャン画像が生成され、これはメモリ１３２に記憶され、ディスプレイ１４６上に表示され、記憶媒体装置若しくはフィルムなどの携帯媒体上に記憶され、又は画像レンダリング及び記憶の任意の組み合わせが実行され得る。

特に有用な実施形態において、収集画像はメモリ１３２に記憶される。画像若しくはスライスは、異なる放射角に対象１１０をさらすようにガントリ１０２を回転させることによって得られる。各テーブル位置における画像は合成されてボリューム画像１４４と呼ばれる３次元解剖学的マップをもたらす。好適な実施形態においては、コーンビームＣＴが利用され、所定テーブル位置においてボリュームが直接再構成される。患者の解剖構造を正確に描写するためにボリューム画像１４４において断面画像が収集される。テーブル１１６はガントリ１０２の中へ平行移動され得る。撮像中にテーブル１１６は静止している。ボリューム画像を生成するために、インターベンションボリュームをカバーするように単純円形走査が利用される。

本発明の原理によれば、装置１１８に対し外科装置情報のリアルタイム更新のために低侵襲インターベンション中に解剖学的ロードマップが提供される。画像が収集されるビュー角度の数を減らすことによって、ＣＴガイド下インターベンションにおいて著しい線量減少が達成される。これはさらにｘ線源１０４のｘ線管を完全にオフにすること若しくは再調整することを含む（例えば線量調節が利用され得るが、有利には本発明の原理はｘ線を完全にオフにすることを可能にする）。一実施形態において、５以上の投影が１８０°走査においてとられる。これはインターベンション装置１１８と対象１１０の幾何学的位置にいくらかの不一致があるかもしれない（呼吸、心臓の動きなど）という事実を踏まえると十分な結果をもたらす。ｘ線源１０４のｘ線管スイッチングの電流タイミングは、管に印加されるｋＶ及びｍＡに応じて約１‐２ｍ秒のオーダーである（例えばシャットダウンに３００‐５００マイクロ秒及び立ち上がりに３００マイクロ秒‐これは低電流では遅くなり得る）（より低い若しくは高いスイッチングタイムも可能であり得る）。１００マイクロ秒のビュー統合時間、及び５‐１０ｍ秒スイッチングタイムを加えてサンプルあたり１０ビューを測定すると仮定すると、全ビュー角度に対しＣＴスキャナ上の全ハーフスキャンに必要な約１５０ｍ秒照射の代わりに、半回転あたりおおよそ２５乃至５０ｍ秒の総照射が達成される。加えて、管をオフにする過程において（例えば５‐１０ｍ秒）、この時間間隔における線量は標準ビュー照射よりもはるかに低いことに留意すべきである。従ってこの実施形態によれば約１０倍の線量減少が達成される。これは外科手術を実行する時間の延長及び／又は患者への照射線量の低下をもたらす。

本発明の原理によれば、インターベンション装置１１８は事前にとられた画像を用いてモデル化される。装置１１８のモデル化は投影フィルタリングとセグメンテーション及びエピポーラ幾何学を用いて実施され得る。投影フィルタリングとセグメンテーションを使用して投影画像から２Ｄ装置モデルを検出し抽出する。エピポーラ幾何学は立体視の幾何学をあらわす。２つ（又はそれ以上）の視点が２つ（又はそれ以上）の個別位置から３次元（３Ｄ）シーン又は物体を見るとき、３Ｄ点とそれらの２Ｄ像への投影との間に複数の幾何学的関係があり、これは画像点間の制約につながる。これらの関係は、視点が単一点視点（例えばピンホールカメラモデル）によって近似されることができるという仮定に基づいて得られる。エピポーラ幾何学は２Ｄ投影に基づくインターベンション装置セグメンテーションを３Ｄ空間に転写するために使用される。２つより多くの投影が含まれることができる。小さな運動状態においては、３Ｄモデル化処理のために使用される後続投影間の不一致があり、２投影において見えるカテーテル上の同一点は３Ｄモデルにおいて正確に一致しない可能性がある。これを克服するために、最新の測定に最もよく一致する３Ｄモデルを生成するために最短距離基準が適用されることができる。加えて、利用可能な前インターベンション装置モデルが３Ｄモデル化処理に統合されることができる。これは例えば装置のＸ線吸収係数などの材料特性、及びインターベンション中の考えられる変形を含む機械特性を含む幾何学モデルを含み得る。

このように、モデル化された装置１１８は放射線画像を収集することなく装置の漸進的運動で画像を更新するために画像において利用されることができる。これは患者１０８及び周辺領域に加えられる放射線量を著しく削減し、ｘ線源に対する管活性化回数を減らし、リアルタイム又はリアルタイムに近いインターベンション装置情報を可能にする。

部分（例えばハーフ）スキャン若しくはフルスキャンがＣＴスキャナ１００で実行され、これはコーンビーム１０８を生成する。対応する画像ボリューム１４４は、画像を合成して３次元画像ボリュームを作る再構成ソフトウェア１３８を用いて検出ｘ線から再構成される。外科装置１１８が画像中に位置するとき（ハーフ若しくはフルスキャンの結果として）、円形収集（ｘ線源１０４をガントリ１０２上で回転させる）がＣＴシステム１００で実行されるが、投影は２〜３のビュー角度ごとにしか測定されず（例えば１００ビュー角度ごと）、この間隔は、手術、及びこれらのビュー角度において十分な情報が得られるという技術者の安心感に応じてより長く又は短くなり得る。ビュー角度はまた数度ごと、例えば２０°若しくは５０°間隔とも規定され得る。これらの投影内で、装置１１８は、スケールスペースラインフィルタ及び閾値化法を用いて全自動イメージングソフトウェア１３６で検出される。フィルタリング、コントラスティングなどといった他の画像法もまた装置検出を改良するために利用され得る。インターベンション装置１１８の追加画像は、解剖学的ロードマップ生成のために使用される投影から消去される必要があるかもしれない。これらの装置画像を持つことは、装置１１８が収集のこの部分の間に既に体内にある場合、解剖学的ロードマップにおいて動き／金属／又は他のアーチファクトを生じ得るためである。

装置１１８の既知のシステム幾何学１４２及び患者１１０の画像ボリューム１４４を用いて、投影間の収集時間における比較的短い差が装置１１８の３Ｄモデル１４０を作るために利用されることができる。装置１１８のモデル１４０はメモリ１３２に記憶される収集のエピポーラ幾何学を用いて生成され得る。モデル１４０は収集された最後の数投影（例えば少なくとも最後の２投影）から生成される。３Ｄ装置モデル１４０は最新解剖学的ロードマップ上に低レイテンシでほとんどリアルタイムにディスプレイ１４６上に表示される。インターベンション装置１１８は既知の進行速度（コンピュータによって又は手動でも制御される）に従い、患者１１０の解剖学的幾何学は既知であるため、装置１１８の正確なモデル１４０が生成されることができる。

特に有用な実施形態において、インターベンション装置１１８の画像は装置１１８の動きを追うように作成されるモデル１４０を用いて仮想的に更新される。動きは患者１１０の画像ボリューム１４４の最新画像若しくは画像群の上に提供されるか又は重ね合わされ、ディスプレイ１４６上に表示される。仮想更新は好適には、円形収集中に除去された、スキップされたビュー角度投影を埋めるために提供される。仮想装置画像の更新速度は、手術の精度若しくは他の因子がこの速度を決定することができるので、必ずしも見逃したビュー角度ごとに実行される必要はない。

コンピュータシステム１３０はプロセッサ若しくはプロセッサ群１３４を含み、これは本発明の原理に従って複数の動作及びタスクを実行するためにメモリ１３２と連動して動作する。コンピュータシステム１３０は、ガントリ１０２、ｘ線源１０４、検出器１０６、テーブル１１６、コントローラ１１２及び任意の他のシステム若しくは装置を制御するために利用され得る。

さらに、システム１３０は画像データをレンダリング及び処理するように構成される。例えば、インターベンション装置１１８が解剖学的ロードマップを生成するために投影の収集中に既に視野内にある場合、装置１１８は画像の再構成の前に投影から検出され消去される必要がある。これは特に解剖学的ロードマップがインターベンション中に更新されるときに当てはまる。加えて、未取得ビューにおけるインターベンション装置１１８の動きが一部の用途において必要とされ得る。多重ビュー角度を用いて、３次元モデルが生成され、上記と同様の方法でボリューム画像１４４上に投影されることができる。他の画像処理もまたコンピュータシステム１３０によって実行され得る。コンピュータシステム１３０はネットワーク若しくはインターネット上に配置若しくは接続され得る１つ以上の分散コンピュータを含み得ることが理解されるべきである。

図２を参照すると、ＡＦＩＢ手術におけるガイド下インターベンションのための方法が例示的に記載される。左心房のロードマップを生成するために（ここでアブレーション手術が行われる）、部分（例えばハーフ）スキャン若しくはフルスキャンがコーンビームＣＴスキャナで実行され、対応する画像ボリュームがブロック３０２において構成若しくは再構成される。ブロック３０４において、カテーテル若しくは他のインターベンション装置が右心房（若しくは他の身体部分）の内部に位置するとき、円形収集がＣＴシステムで実行されるが、ただし例えば１００ビュー角度ごと（２０°ごと又は他の角度ごとでもあり得る）にしか投影は測定されない。ブロック３０６において、これらの投影内で、スケールスペースラインフィルタ及び閾値化法を用いて全自動ソフトウェアでカテーテルが検出される（これは例えば画像中の特徴を発見及び位置付けるために画素強度及び／又はコントラストを使用する）。

ブロック３０８において、カテーテルの既知のシステム幾何学及び患者の解剖構造を用いて、収集時間における比較的短い差が利用される。収集のエピポーラ幾何学を用いてカテーテルの３Ｄモデルが生成される。モデルは取得された（少なくとも）最後の２投影から生成される。カテーテルモデルは幾何学的可能性のために針よりも複雑になり得る。ここで、カテーテルは心房の内部にあるため、自由に動くことができるが、モデル化はカテーテルからわかる解剖学的制約若しくは機械的制約によってサポートされ得る。モデルは各ビュー角度において更新される必要がない。例えばモデルは、２０°ごとに１ビューが収集され、２７０ｍ秒の回転時間を持つときに更新され得る。これは１回転あたり１８、１秒あたり約６０の更新をもたらし、これは標準ビデオ速度を上回る。従ってより少ない更新が望ましい。

ブロック３１０において、最新の解剖学的ロードマップ上に低レイテンシで（レイテンシはインターベンション装置画像の処理時間に主に起因する）実質的にリアルタイムに（例えば必要であれば標準ビデオよりも速い速度で）３Ｄカテーテルモデルが表示される。本明細書に記載の方法はインターベンションＣＴにおいて著しい線量減少を可能にする。同じシナリオは他のＣＴガイド下インターベンション（ＡＦＩＢ以外）にも移されることができる。

ブロック３１２において、モデルは調節されるか又は除去される必要があるかもしれない。例えば、解剖学的ロードマップを生成するために投影の収集中にインターベンション装置が既に視野内にある場合、装置は画像の再構成の前に投影から検出され消去される必要がある。これはインターベンション中に解剖学的ロードマップが更新されるときに特に当てはまる。

添付の請求項を解釈する上で以下のことが理解されるべきである。
ａ）"有する"という語はある請求項に列挙されたもの以外の要素又は動作の存在を除外しない。
ｂ）ある要素に先行する"ａ"若しくは"ａｎ"という語はかかる要素の複数の存在を除外しない。
ｃ）請求項における任意の参照符号はその範囲を限定しない。
ｄ）複数の"手段"は同じ項目又はハードウェア若しくはソフトウェア実装構造若しくは機能によってあらわされ得る。
ｅ）明示されない限り動作の特定の順番が必要とされることは意図されない。

システム及び方法に対して好適な実施形態が記載されているが（これらは例示であって限定ではないことが意図される）、修正及び変更が上記教示を踏まえて当業者によってなされることができることに留意されたい。従って、添付の請求項によって概説される通り本明細書に開示される実施形態の範囲及び精神の範囲内にある、開示された開示の特定の実施形態において変更がなされ得ることが理解される。特許法で義務付けられる詳細及び特異点をこのように記載したが、請求され特許証によって保護されることが望まれるものは添付の請求項に明記される。

Claims (18)

1. ガイド下インターベンション装置を観察するためのシステムの作動方法であって、
   画像スキャナが、所定角度位置において放射線源を完全にオフにすることによってビュー角度をスキップするステップを含む、インターベンション装置及び対象の円形画像収集を実行するステップと、
   コンピュータシステムが、前記対象のボリューム画像に対して前記インターベンション装置の仮想画像を提供するために、収集された前記インターベンション装置の投影及びエピポーラ幾何学を利用して前記インターベンション装置のモデルを生成するステップと、
   前記コンピュータシステムが、前記インターベンション装置の実質的にリアルタイム追跡を提供するために、ビュー角度からビュー角度にスキップする際に経過する時間中に前記インターベンション装置をモデル化するステップとを有する、方法。
2. 前記放射線源がｘ線管を用いて生成されるｘ線を含む、請求項１に記載の方法。
3. 円形画像収集を実行するステップがコンピュータ断層撮影スキャナを用いて前記対象を走査するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. ビュー角度をスキップするステップが周期的に投影を得るステップを含む、請求項１に記載の方法。
5. モデルを生成するステップが、前記インターベンション装置の幾何学的関係及び少なくとも収集された最後の２つの投影画像を利用して前記インターベンション装置をモデル化するステップを含む、請求項１に記載の方法。
6. モデルを生成するステップが、前記インターベンション装置の動きをモデル化するステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記コンピュータシステムが、前記モデルを作るために２Ｄ投影インターベンション装置セグメンテーションを３Ｄ空間に転写するステップをさらに有する、請求項１に記載の方法。
8. 前記コンピュータシステムが、最新測定に最もよく一致する３Ｄ空間におけるモデルを生成するために最小距離基準を適用するステップをさらに有する、請求項７に記載の方法。
9. コンピュータ断層撮影を用いてガイド下インターベンション装置を観察するためのシステムの作動方法であって、
   コンピュータ断層撮影スキャナによって患者の画像ボリュームを構成するステップと、
   前記コンピュータ断層撮影スキャナが、前記インターベンション装置の位置を更新するために円形収集を実行するステップであって、前記円形収集は所定角度位置において放射線源のｘ線管を完全にオフにすることによってビュー角度をスキップするステップを含む、ステップと、
   コンピュータシステムが、前記画像ボリュームに対して前記インターベンション装置の仮想画像を提供するために、収集された前記インターベンション装置の投影及びエピポーラ幾何学を利用して前記インターベンション装置のモデルを生成するステップと、
   前記コンピュータシステムが、前記インターベンション装置の追跡を提供するためにビュー角度からビュー角度にスキップする際に経過する時間中に前記インターベンション装置をモデル化するステップとを有する、方法。
10. ビュー角度をスキップするステップが周期的に投影を得るステップを含む、請求項９に記載の方法。
11. モデルを生成するステップが、前記インターベンション装置の幾何学的関係及び少なくとも収集された最後の２つの投影画像を利用して前記インターベンション装置をモデル化するステップを含む、請求項９に記載の方法。
12. モデルを生成するステップが前記インターベンション装置の動きをモデル化するステップを含む、請求項９に記載の方法。
13. 追跡が実質的にリアルタイムに提供される、請求項９に記載の方法。
14. 前記コンピュータシステムが、前記円形収集において得られた投影画像において前記患者の内部の前記インターベンション装置の位置を決定するステップをさらに有する、請求項９に記載の方法。
15. インターベンション装置を観察するためのシステムであって、
    対象の画像ボリュームを撮像し、放射線源を用いて前記対象の内部の前記インターベンション装置の位置を決定する画像スキャナであって、前記画像スキャナは前記インターベンション装置の位置を更新するために円形収集を実行し、前記収集は所定角度位置において前記放射線源をオフにすることによって周期的ビュー角度において画像を取得する、画像スキャナと、
    前記対象の前記画像ボリュームに対して前記インターベンション装置の仮想画像を提供するために、取得された前記インターベンション装置の投影及びエピポーラ幾何学を利用して生成される前記インターベンション装置のモデルを記憶する記憶貯蔵装置であって、前記モデルは前記インターベンション装置の追跡を提供するためにビュー角度からビュー角度にスキップする際に経過する時間中に生成され、前記インターベンション装置の動きをあらわす、記憶貯蔵装置と、
    前記インターベンション装置の動きをあらわすモデルを受信し、前記画像ボリュームの最新の投影画像に対して前記モデル化されたインターベンション装置を表示する、ディスプレイとを有する、システム。
16. 前記放射線源がｘ線管を含み、前記画像スキャナがコンピュータ断層撮影スキャナを含む、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記モデルが、前記インターベンション装置をモデル化するために前記インターベンション装置の幾何学的関係と少なくとも収集された最後の２つの投影画像を含む、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記インターベンション装置の画像が前記画像ボリュームを背景として重ね合わされる、請求項１５に記載のシステム。

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