JP6185927B2 - 電磁的トラッキング補正、検出及びエラー訂正のための歪みフィンガープリンティング - Google Patents

Description

本開示は電磁的（ＥＭ）トラッキングに関し、より具体的には電磁的トラッキング精度を向上する歪みフィンガープリンティングシステム及び方法に関する。

電磁的トラッキングは、空間的に変化する磁場を発生する磁場ジェネレータを利用して、その磁場がセンサコイルに電流を誘導する。測定システムを用いて、測定した電圧に基づき位置と方向を計算する。電磁的トラッキング法は、３次元空間においてリアルタイムの位置及び方向の情報を提供し、介入手順の支援に用いられる。これらのセンサコイルのサイズは非常に小さいので、これらのセンサコイルはカテーテルその他のデバイスに埋め込むことができ、誘導ナビゲーションに用いることができる。結果として、電磁的トラッキングシステムは、体内介入に非常に適している。医療機器などに強磁性導体や常磁性導体があることにより、電磁場が歪むことがあり、近くの電子機器からの電磁的干渉により電磁的トラッキングの精度が低下することが知られている。かかるシステムは特許文献１に記載されている。結果として、トラッキングされている点が正確であるか介入者が知る確実な方法は無い。

金属製の手術ツールにより電磁（ＥＭ）場に歪みが生じ、それにより電磁的トラッキング中に実現できるナビゲーションの精度が低下することがある。例えば、Ｘ線検出器により、介入ラボラトリにおける手順中に歪みが生じる。クオリティコントロールを提供する異なるアプローチは、電磁的トラッキング中に、大きな金属製歪み発生源（distorter）により生じるエラーの検出及び補正を含む。エラーコンフィデンス（error confidences）のリアルタイム推定をする一方式は、キャリブレーションワンド（calibration wands）に基づく。他の一アプローチは、患者またはイメージャのインテリジェントな配置にフォーカスする。他の手法は、キャリブレーションファントム及び既知のセンサジオメトリ、またはＥＭと他の画像化モダリティ（Ｘ線画像や超音波画像など）との間のキャリブレーションに依存して、手術中のクオリティコントロールを提供する。

米国特許出願公開第２００８／２００９２７号

本原理によると、電磁的トラッキングシステムで電磁的歪みを説明するシステムは、ターゲットボリューム中の電磁的エネルギーを検知するように構成されたセンサアレイを含む。電磁的検知訂正モジュールは、センサアレイからのデータを分析して、ターゲットボリューム中の電磁的歪みを検出するように構成されている。電磁的検知訂正モジュールは、さらに、データベースに格納された歪みフィンガープリントを比較して、歪み発生源（distortion source）を特定する。

電磁的トラッキングシステムで電磁的歪みを説明するシステムは、電磁場に歪みを生じるツール、デバイス、及びこれらの組み合わせに関連するフィンガープリントとして、複数の特性測定された歪み形態を格納することにより構成されたデータベースを含む。センサアレイは、ターゲットボリューム中の電磁エネルギーを手術中に検知するように構成されている。電磁的検知訂正モジュールは、センサアレイからのデータを分析して、ターゲットボリューム中の電磁的歪みを検出するように構成されている。電磁的検知訂正モジュールは、さらに、データベースに格納された歪みフィンガープリントを比較して、歪み発生源（distortion source）を特定し、歪み発生源（distorter）の位置と方向のうち一以上と、歪み発生源により生じたエラーを示すエラーマップまたは未知の歪み発生源のアイデンティフィケーションを出力する。

電磁的トラッキングシステムで電磁的歪みを説明する方法は、ターゲットボリューム中の電磁エネルギーを検知するように構成されたセンサアレイを用いて電磁的エラーを測定するステップと、データベースに格納された歪みフィンガープリントを比較して、前記ターゲットボリューム中の前記センサアレイからのデータを分析することにより歪み発生源を特定するステップと、歪み発生源の位置及び方向、歪み発生源により生じたエラーを示すエラーマップ、または未知の歪み発生源のアイデンティフィケーションのうちの一以上を出力するステップとを有する。

この開示は、以下の図面を参照して、詳細に好ましい実施形態の以下の説明をする。
一実施形態による電磁的トラッキング環境における歪みによる電磁的エラーを説明するシステムを示すブロック／フロー図である。 一実施形態による歪み発生源とその位置及び方向を特定する方法を示すブロック／フロー図である。 歪み発生源の３つの例（はさみ、アブレーションプローブ、Ｃアームの検出器など）により生じた歪みを示す図である。 一実施形態による歪み発生源がない（クリーンな環境における）電磁場を空間的に示す図である。 一実施形態による、クリーンな背景環境と歪み発生源とによる全体的なエラーを示すために、Ｃアーム検出器及びはさみによる歪みを有する電磁場を空間的に示す図である。 一実施形態による、ターゲットボリュームエリアにおけるＣアーム検出器による電磁場を検知し、Ｃアーム検出器の歪み形態（フィンガープリント）を特性測定するように構成されたロボットを示す図である。 一実施形態による電磁的歪み補正のためのエラーマップを生成する方法を示すブロック／フロー図である。 一実施形態による未知の電磁的歪み発生源を決定する方法を示すブロック／フロー図である。

本原理によれば、電磁的歪みフィンガープリントを利用して、トラッキングボリューム中におけるエラーが小さい及び大きい領域を可視化できるリアルタイムエラーマップを生成する。さらに、歪み発生源（distorter）とその位置及び生じるエラーを特定することにより、システムは、分かっている歪み発生源によるエラーを補正して、トラッキング時の精度を高めることができる。一実施形態では、歪みフィンガープリンティングを利用して、エラーマップを作成し、手術中のトラッキングボリューム内の精度が高い領域及び低い領域を可視化する。実施形態では、ツールにセンサを取り付けることにより、全体的なエラーマップに既知のツールの歪み形態（distortion morphologies）を加え、既知の歪み発生源により生じるエラーを補正することができる。

手術中に、全体領域にわたるエラーマップを作成して、エラーが小さい領域及び大きい領域を可視化できる。手術中に見ていると、例えば、歪み発生源が電磁場中を動いているとき、エラーマップと、精度が高い領域及び低い領域も変化する。歪み発生源（distorter）のアイデンティティと位置、及びそのフィンガープリントが分かれば、全体的エラーに対するその歪みの貢献を計算して、既知の歪み発生源により生じるエラーを補正することができる。

他の一実施形態では、（検出器や外科プローブなどの）歪み発生源は、歪みフィンガープリントを用いて手術中に特定される。フィンガープリントをデータベースと比較して最適化スキームを実行することにより、歪みの原因となっているツールやその組み合わせを特定できる。システムは、エラーを動的に測定する事前較正されたセンサと共に用いて、未知の歪み発生源の存在を検知して、未知の歪み発生源（source）が発見されたら、フラグを立てる。電磁場において歪みを発生するツールの能力は変化し、その大きさ、形状、組成材料に依存する。各歪み発生源は一意的な歪み形態（distortion morphology）を有する。例えば、Ｃアーム検出器による歪みパターンはアブレーションカテーテルによる歪みパターンとは大きく異なることが知られている。データベースを作成して様々な既知のオブジェクトの歪みフィンガープリントを格納する。事前較正された電磁的センサの粗セットを用いて、手順中に「クリーンな」環境における予想される歪みを、センサに誘導される動的な歪みと比較する。最適化スキームを用いて、測定点におけるエラーへの貢献を計算することにより、電磁場における歪みの存在を特定する。エラー量を、予想される歪み発生源と全体的歪みとの間で区別して、電磁場中に既知の歪み発生源があるか特定する。未知の歪み発生源による歪みが検出されたら、フラグまたは警告を発する。

他の一実施形態では、歪みフィンガープリンティングを利用して、既知のオブジェクトの歪み形態を特性測定する。初期較正後、本システムは、エラーを動的に測定する事前較正されたセンサと共に利用され、歪み発生源のアイデンティティと位置を特定する。すべての歪み発生源は一意的な形態と、（可変な形態により）歪み発生源が歪ませる可変リーチを有する。この可変リーチと可変歪み形態をレバレッジして、歪み発生要素の位置を手術中に検出してもよい。事前較正された電磁的センサの粗セットを用いて、手順中に「クリーンな」環境における予想される歪みと、センサに誘導される動的な歪みとを用いて、エラー貢献を計算する。事前に計算した、歪み発生源（distorter）（例えば、検出器）の形態は、測定点において計算されるエラー「貢献」を有する。その貢献が許容できる閾値を超えているとき、警告を発しても良い。「予想される」歪み発生源からのエラー量は、全体の歪みの歪み量と区別できる。

言うまでもなく、本発明は、医療用機器に関して説明されるが、本発明の教示はそれよりも広く、複雑な生物学的または機械的システムをトラッキングまたは分析する際に利用される任意の機器に適用可能である。具体的に、本原理は、生物学的システムの内部トラッキング行為に適用可能であり、肺、消化管、排泄器官、血管などの人体のすべてのエリアにおける行為に適用可能である。図面に示した要素は、ハードウェアとソフトウェアの様々な組合せで実施でき、複数の機能を提供でき、これらの機能は、単一の要素または複数の要素に組み合わせできる。

図示した様々な要素の機能は、専用ハードウェアを用いても、ソフトウェアを実行可能なハードウェアと適当なソフトウェアとを組み合わせても提供できる。プロセッサにより提供される場合、機能を単一の専用プロセッサで提供してもよいし、共有された単一のプロセッサで提供してもよいし、一部が共有された複数の個別プロセッサで提供してもよい。さらに、「プロセッサ」または「コントローラ」という用語を明示的に使用した場合、ソフトウェアを実行できるハードウェアのみをいうと解釈してはならず、限定はされないが、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、ソフトウェアを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性記憶装置等を黙示的に含んでもよい。

さらに、本発明の原理、態様、実施形態、及びその実施例のすべての記載は、その構成的等価物及び機能的等価物の両方を含むものである。また、かかる均等物は、現在知られている均等物及び将来開発される均等物を含み、すなわち、構成にかかわらず同じ機能を発揮する開発されるすべての要素を含む。このように、例えば、当業者には言うまでもなく、ここに説明したブロック図は本発明の原理を化体するシステムコンポーネント及び／または回路を概念的に示すものである。同様に、言うまでもなく、フローチャート、フロー図等は、様々な方法（processes）を表し、これらの方法をコンピュータ読み取り可能記憶媒体に実質的に表しても、明示的に示していようがいまいがコンピュータやプロセッサで実行してもよい。

さらに、本発明の実施形態は、コンピュータや命令実行システムにより使用されるプログラムコードを提供するコンピュータ利用可能媒体またはコンピュータ読み取り可能媒体からアクセスできるコンピュータプログラム製品の形体を取りうる。本開示の目的では、コンピュータ使用可能またはコンピュータ読み取り可能媒体は、命令実行システム、装置、またはデバイスにより、またはそれらに関して使用される、プログラムを包含、格納、伝達、伝送、搬送できる任意の装置である。 この媒体は、電子的媒体、磁気的媒体、光媒体、光磁気媒体、赤外線媒体、半導体システム（または装置やデバイス）、伝達媒体などである。コンピュータ読み取り可能媒体の例としては、半導体または固体メモリ、磁気テープ、リムーバブルコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、固定磁気ディスク、光ディスクなどがある。光ディスクの例としては、コンパクトディスク−リードオンリメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクトディスク−リード／ライト（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）、及びＤＶＤなどがある。

ここで図面を参照するが、図面では同じ数字は同じまたは同様の要素を表し、最初に図１を参照し、医療手順を実行するシステム１００を示す。システム１００は、手順を管理するワークステーションまたはコンソール１１２を含む。ワークステーション１１２は、電磁的歪み発生源を特性測定するため、電磁的形態を収集する装置も含む。ワークステーション１１２は、好ましくは、一または複数のプロセッサ１１４と、プログラムとアプリケーションを記憶するメモリ１１６とを含む。メモリ１１６は、電磁的検知／トラッキングデバイス１０４からのフィードバック信号を解釈するように構成されている電磁検知モジュール１１５を記憶している。一実施形態では、検知モジュール１１５は、電磁的検知デバイス１０４からの電磁的信号フィードバックを用いて、電磁空間を再構成し、医療器具またはデバイス１０２を追跡するように構成されている。医療デバイスまたはツール１０２は、その上またはその中に取り付けられた電磁的トラッキングセンサ１０４を有する器具を含む。装置１０２は、カテーテル、ガイドワイヤ、内視鏡、プローブ、ロボット、電極、フィルタ装置、バルーン装置その他の医療用コンポーネントなどを含む。ワークステーション１１２は、画像化システム１１０を利用するとき、被験者の内部画像を見るディスプレイ１１８を含む。画像化システム１１０は、磁気共鳴画像化（ＭＲＩ）システム、蛍光透視システム、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム、超音波（ＵＳ）などを含む。また、ディスプレイ１１８により、ユーザは、ワークステーション１１２及びそのコンポーネント・機能とインターラクトできる。これは、さらにインタフェース１２０により促進される。インタフェース４２０は、キーボード、マウス、ジョイスティック、その他の、ユーザがワークステーション１１２とインターラクトできるようにする周辺機器やコントロールを含み得る。ディスプレイ１１８により、ユーザは、エラーマップ、警告（warning alerts）、歪みフィンガープリントなどを見ることができる。

場発生器１２４は、好ましくは患者またはターゲットボリューム１５０の近くに取り付けられ、発生器と電磁センサ１０４が同じ環境を占めるようになっている。検知デバイス１０４は、好ましくは、その動きによる電磁場の変化を検出するために用いる一以上のコイルを含む。このように、センサ１０４のコイルにより、患者及び／またはトラッキングボリューム１５０に対する器具またはデバイス１０２のトラッキングができる。

上記の通り、金属オブジェクト及び電子機器は、局所的な磁場に歪みを生じさせ、電磁センサ１０４の読みに影響を与える。本原理により、トラッキングボリューム１５０を取り囲む環境において歪みを低減する一以上の機能を含む電磁検知モジュール１４０が提供される。モジュール１４０は、ターゲットボリューム１５０中またはその近くでツールまたはオブジェクトにより生じるフィールド歪みのシグネチャまたはフィンガープリントの測定として、歪みを特性測定するように構成されている。これらのフィンガープリントの特性測定は、どの手順の前に実行され、フィンガープリントまたは歪み形態はデータベース１４２に記憶される。リアルタイムで測定されたフィンガープリントは、それを生じたオブジェクトのアイデンティティと関連付けされる。モジュール１４０は、歪み発生源（オブジェクト）の特定、歪みを最適化またはフィルタして電磁放射をより正確にトラッキングまたは検知、電磁場の変化の検知、電磁場の変化の警報などのタスクのうち一以上を提供するように構成されている。これらの機能は後で詳細に説明する。モジュール１４０は、メモリ１１６の一部を含むデータベース１４２の情報を参照・格納する。データベース１４２は、環境中の歪み要素のシグネチャを格納でき、または環境で利用される一般的なツール及び／または器具のシグネチャを格納できる。

システム１００は、トレーニングを受け、モジュール１４０を利用してすべての既知のオブジェクトの歪み形態（またはリーチ）を特性測定する。各オブジェクトは、そのシグネチャやフィンガープリントを測定するように特性測定され、より一般的な電磁場において特定できるようにする。これは、手順中にデバイスをより正確に電磁的トラッキングをするために、システム１００の使用とは別にまたは離れて行っても良い。一例では、電磁センサ１４６を有するロボット１３０を利用して空間を特性測定する。ロボット１３０は、座標１４８で示したように、ターゲットボリューム１５０または環境を動き、その領域の電磁場を測定する。ロボット１３０を利用して、基準として背景電磁場（クリーンな環境）を特性測定し、手順中に展開されるオブジェクトの周りの場を特性測定してもよい。ロボット１３０により収集されるデータは、データベース１４２に格納された歪み形態のツールを特性測定するために用いることができる。手順中、ロボット１３０を利用して電磁場の動的な変化を測定してもよい。初期特性測定は事前に行われるので、ロボット１３０は手順中には必要ないかも知れない。

環境中、事前較正されたセンサ１４４を利用してエラーを動的に測定してもよい。これらのセンサ１４４は、アレイまたはグリッドで構成され、ロボット１３０を用いるまたは用いない特性測定プロセスで利用され、及び／またはロボット１３０を用いるまたは用いない歪みの電磁的測定をする手順中に利用できる。歪み発生源の貢献がセンサ１４４により測定され、全体的エラーにおけるその貢献が決定される。手術中に、このエラー貢献から、歪み発生源の近似的位置も推定できる。

他の一実施形態では、センサ１４４を利用して、モジュール１４０を用いてエラーマップを作成する。エラーマップは、環境中の既知の歪み発生源のアイデンティティと位置を提供する歪みフィンガープリンティング手法を用いて、トラッキングボリューム全体に対して提供される。エラーマップは、大小のエラーを有する領域の手術中のビューを提供する。ツールがトラッキングボリューム中を動くにすれてエラー可視化をするために、変化するエラーをリアルタイムでマップを更新してもよい。エラーマップ全体のツールまたはその他の歪み発生器具のエラー形態の動的変化を、ツール上の電磁センサなどのトラッキングデバイスにその位置をトラッキングさせて、トラッキングしてもよい。検出されマッピングされたエラーを、既知の歪み発生源についてエラー補正できる。

他の一実施形態では、データベース１４２は、任意の既知のオブジェクトまたはデバイスの歪み形態を、特性を示すフィンガープリントを格納している。事前較正されたセンサ１４４は、クリーンな環境（基準）において予想される歪みを、手順中に動的に測定されるエラーと比較する。歪み発生源またはその組み合わせ及びその貢献が、エラー全体において識別される。未知の歪み発生源があるか検知される。新しい歪みが検知された場合、ディスプレイ１１８上またはインタフェース１２０に警告が表示される。

術前画像化データまたはリアルタイム術中画像化データを収集する画像化システム１１０を任意的に設けてもよい。術前画像化は、他の施設、ロケーションなどで、すべての手順に先立って行われてもよい。画像１１１は、メモリ１１６に格納され、必要に応じて、ターゲットボリューム１５０の手術前３次元画像ボリュームを含む。

引き続き参図１を参照しつつ図２を参照して、ツール、器具またはデバイスなどの歪み発生源を特性測定して、歪み発生源に関連するフィンガープリントまたは電磁的シグネチャを生成するブロック／フロー図が示されている。好ましくは、歪み発生源の位置と方向を推定するためにフィンガープリントを利用する。ブロック２０２において、既知のオブジェクトの歪み形態（またはリーチ）を特性測定する（フィンガープリント）。電磁発生器１２４を用いて電磁的シグネチャを発生し、オブジェクトによりゆがめられる場を発生する。図３は、はさみ２４０、アブレーションプローブ２４２、及びX線装置のCアーム検出器２４４による電磁場の歪み２５０の例を示す。ブロック２０４において、センサ１４４（及び／またはロボット１３０）を用いて手術中に電磁場中のエラーを測定する。図４は、「クリーンな」環境における電磁的空間のエラーマップ２４８を示す。クリーンな環境は、歪み発生源が無い基準電磁場を表す。ブロック２０６において、クリーンな環境において測定されたエラーを、一以上の歪み発生源を有する全体的なエラー（すべての歪み発生源からのを合わせたエラー）と比較する。手順中に測定されたエラー（検出器、テーブル、ツールなどから生じるすべての歪みを含む）を、（歪みの無い）「クリーンな環境」で測定されたものと比較する。これらの２つのエラーマップ間の変化により、全体的エラーのどの部分が歪み発生源により生じたか発見することができる。

ブロック２０８において、エラー全体における各歪み発生源の貢献を識別できる。ブロック２１０において、このエラー貢献から、歪み発生源の近似的な位置と方向を推定できる。図５は、電磁的環境中におけるＣアーム検出器２４４の近くにあるはさみ２４０を示す。基準ベースライン（２４８）を測定されたエラーから減算し、残りのシグネチャをデータベース（１４２）に格納された歪み形態と比較することによって、電磁場シグネチャ２４９全体におけるはさみのシグネチャと検出器のシグネチャを識別できる。

このようにして、電磁場中、電磁的トラッキングにおいてエラーを生じる金属歪み発生源（手術ツールなど）または電子デバイスを識別できる。歪みのタイプが分かれば、システムは、歪みを生じているツールの位置と方向を特定することができる。これにより歪み発生源を説明（account for）し、電磁的トラッキング測定をより正確にでき、または歪み発生源を識別して環境から無くすことができる。

図６を参照するに、一実施形態による、オブジェクトを特性測定する他のシステム２００を示す。図１に示して説明したワークステーション１１２を利用するものと仮定する。しかし、電磁的歪み形態の特性測定する別のセットアップ（システム２００）を利用してもよい。図１に示したように、コンソール、センサ、場発生器を含む電磁的トラッキングシステムが含まれ、リアルタイムデータ処理を実行するコンソールユニット（例えば、コンピュータ）も利用する。様々なツールの歪みフィンガープリントを記録するため、３次元電磁センサグリッド２７０を利用することが好ましい。このセンサグリッド２７０は、電磁的トラッキングが利用される領域またはターゲットボリュームの周りの固定位置に設けられてもよいし、ロボットその他のメカニズム２７２に取り付けられて、必要に応じて動かしてもよい。

ロボット２７２は電磁的センサ２７４と合わせられ得る。ロボット２７２は、様々なツールの歪みフィンガープリントを記録するため、３次元空間を移動できる。介入ラボで見られるのと同様な金属製手術ツールや電子デバイス２７６が、ロボット２７２の近くのターゲット領域に置かれている。ロボット２７２は任意の方向に動かされ、（クリーンな）環境の及び／または歪み発生源（例えば、検出器２８２）を有する環境の電磁的シグネチャ（フィンガープリント）データを収集する。この例では、Ｃアーム２７８が異なる姿勢で異なる対画像距離（ＳＩＤ）にあるときに、歪みフィンガープリントを記録するために、Ｘ線ユニット２８０がＣアーム２７８に設けられている。

一実施形態では、電磁場測定をするため、グリッド２７０の形式で電磁場内の３次元空間に配置された一組の電磁センサを用いることができる。これは、ロボット２７２を用いる代わりに用いても、またはロボット２７２に加えて用いてもよい。ツール２７６や、電磁場を歪める異なる材料でできた様々な金属製ツールを、このセンサ構成またはグリッド２７０の近くに持ってきて、センサグリッド２７０とは異なる方向及び異なる距離で配置してもよく、ツール２７６による歪みフィンガープリントを調べてデータベース（１４２、図１）に格納することもできる。例えば、一例では、Ｃアーム２７８の検出器２８２は、歪みを生じるツールであってもよく、既知の位置（既知のＳＩＤ及び方向に、例えば前後方向（ＡＰ））に配置してもよく、センサ構成２７０を患者テーブルに配置してもよい。場発生器（１２４、図１）の位置と患者テーブルの高さが変わらないと仮定すると、ある距離及び方向におけるＣアーム２７８の検出器２８２による歪みフィンガープリントは、システム２００により格納され、学習される。他の一例では、ツール２７６は、ロボット２７２またはその他のデバイスに取り付けられ、グリッド２７０により検知された場での動きにより特性測定される。

他の一実施形態では、多数の電磁的センサを必要とする３次元空間中の電磁的センサグリッド構成を用いる代わりに、位置をトラッキングするために、一以上の電磁的センサ２７６をロボット２７２に取り付けることができる。ロボット２７２は、電磁場中の３次元空間を移動して、ロボット２７２が通ったボリュームの周りに歪み発生源（例えば、Ｃアーム２７８の検出器２８２）があれば、時間的に歪みフィンガープリントを検知して格納する。

ロボット２７２に一以上のセンサを取り付けるのに加えて、またはそれに替えて、他のトラッキングデバイスを利用してもよい。他のトラッキングデバイスには、受動的マーカを用いる光学的トラッキング、能動的な発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いる光学的トラッキング、ファイバーブラッグ格子（ＦＢＧ）または複数のＦＢＧに基づく光学的形状センシング、屈折及び／またはスキャタまたはバックスキャタパターンに基づく光学的形状センシングを用いるマーカ、Ｘ線または蛍光透視画像かで見られるヨウ素ベースマーカのような画像化モダリティにおいて見られるマーカ、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）及び／または単一光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）などの各画像化手法で見られる放射性または放射線不透過マーカ、磁気共鳴画像化（ＭＲＩ）、超音波または高周波超音波、コンピュータ断層撮影、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）またはその他の画像化モダリティの内の一以上を含む。

治療現場では、電磁的トラッキングは誘導的ナビゲーションのために用いられ、システム２００を用いて、限定された電磁センサ一における歪みのデータベース（１４２，図１）に保存された術前の形態またはパターンとの比較を実行し、歪みを生じているツールを識別する。例えば、介入ラボにおいて実行される電気生理学的手順の間に、システム２００が電磁センサの測定値を用いて、患者の近くにあるＣアーム２７８の検出器２８２により生じた歪みを識別する。

システムを用いて、データベース（１４２）に保存された術前パターンとの比較を行うことにより、歪み発生源のエラー全体に対する貢献を識別する。例えば、Ｃアーム２７８の姿勢と検出器の距離が分かっていれば、本手法により、検出器２８２により生じたエラーを識別して、それをエラー全体と比較することができる。治療現場では、歪みの発生源が分かれば、本システムを利用してこの歪みの発生源の位置を知ることができる。言い換えると、歪みを生じるツールがＣアーム２７８の検出器２８２であるとき、保存された歪みフィンガープリントとの比較に基づき、検出器２８２とＣアーム２７２の位置と方向を予測できる。

歪みフィンガープリントを利用して、トラッキングボリューム中の歪み発生源になっているツールを検出し、識別し、位置特定できる。本方法を利用して、クリーンな環境からの予想エラー情報、及び識別され位置特定された歪み発生源を有する事前較正されたセンサからの予想エラー情報を用いて、それらの歪み形態を全体的なエラーマップに加えて、ボリューム全体の予想エラーマップを作ることができる。

図７を参照して、エラーマップを作成する方法を示す。ブロック３０２において、歪み発生源が無いクリーンな環境の予想エラーマップ３０３が生成される。ブロック３０４において、既知の歪み発生源のアイデンティティと位置を提供する歪みフィンガープリンティング手法を用いて、トラッキングボリューム全体に対するエラーマップ３０５を作成する。ブロック３０６において、クリーンなマップ３０３に歪み形態を加え、リアルタイムで全体マップ３０７を作る。異なるエラーを有する領域を有するエラーマップが手術中に可視化され生成される。これにより、全体的エラーマップ３０７が提供される。これは、クリーンな環境のエラーマップからのセンサデータと、歪み発生源の歪み形態とを結合したものである。ツール（例えば、検出器３２０）がトラッキングボリューム中を動きエラーが変化するにつれて、エラー可視化情報がリアルタイムで更新される。このように、ツール上の電磁センサ（例えば、検出器３２０）のようなトラッキングデバイスを有することにより、全体的エラーマップに、ツールのエラー形態（error morphology）を動的に加算することができ、その位置をトラッキングできる。ブロック３０８において、ディスプレイ上のグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）を設けて、エラーマップ３０９上のエラーが大きい及び小さい領域を表示する。システム１００は、例えば、電磁的トラッキング検知データ中の既知の歪み発生源により生じたエラーを補正する。

エラーが大きい及び小さい領域が、全体的エラーマップを用いて可視化される。例えば、臨床医が見る領域はエラーが２ｍｍ未満であることが望ましい。モジュール１４０（図１）は、小さい（２ｍｍ未満の）エラーに対応する領域をマークし、それを臨床医に対してディスプレイ１１８上に表示する。システム１００は、リアルタイムでエラーマップを計算して可視化でき、手術ツールなどの歪み発生源が操作され、関心体積中を動的に動く時、マップが手術中に利用できるようにする。別の一実施形態では、トラッキングセンサ３２２、例えば電磁センサその他のセンサを既知のツールに取り付けて、その位置をリアルタイムで決定できる。このように、臨床医が手術中にそのツールの格納された歪み形態を全体的エラーマップに動的に加えて、可視化できる。また、既知の歪み発生源によりトラッキングボリュームに生じるエラーを知ることにより、エラーマップを利用して、これらの既知のエラーを補正して、精度を向上し、手順実行中の臨床医の自信を向上させることができる。

図８を参照して、システム１００は、すでに説明したタスクや機能に加えてその他のタスクや機能を実行できる。一実施形態では、電磁場中の未知の歪み発生源について警告する方法が提供される。ブロック４０２において、手順中に、既知のオブジェクトまたは潜在的に利用されるオブジェクトの歪み形態を特徴付けるフィンガープリントを格納する、上記のデータベースが構成される。データベース（１４２，図１）からの入力は、既知のツールの歪み形態を特徴付ける様々な格納された歪みフィンガープリントを含む。この歪みフィンガープリントは、図３の例に示し上で説明した方法により実行される。ブロック４０４において、事前較正されたセンサは、クリーンな環境において予想される歪みを、手順中に動的に測定されるエラーと比較する。事前較正されたセンサ（１４４，図１）は、センサのグリッドを含み、クリーンな環境中の予想される歪みを、手順中に、動的に測定されたエラーと比較できる。

ブロック４０６において、歪み発生源またはその組み合わせを分析及び／または最適化し、そのフィンガープリントをデータベースと比較して、測定された全体的エラーにおける貢献を特定する。最適化アルゴリズム／オブジェクティブ関数を手術中に利用して、術前に格納された歪みマップを測定結果で更新できる。最適化により、データベースに対する歪み形態のベストマッチを探し、歪みが既知の歪み発生源によるものか未知の歪み発生源によるものか決定する。ここで説明する比較は、エラーマップの画素マップレンディション、歪み場などを利用するものであってもよい。画像またはレンダリングの画素値を比較に利用できる。かかる比較手法では、既知の画像比較方法などを利用できる。

ブロック４０８において、測定された歪みが、格納された歪みフィンガープリントとマッチした場合、ブロック４１２において、歪み発生源のアイデンティティを返す。そうでなければ、歪みが未知の発生源によるものである場合、警告をする（フラグを立てる）。歪みが何らかの未知の発生源によるものでることを検出すると、電磁的トラッキング中に高いエラーレートを示す。言うまでもなく、歪みパターンの任意の変化を検出し、歪みパターンの変化にフラグを立てるように、システム１００を調整してもよい。

システム１００により実行される機能／方法は、手術中に、電磁場に歪みを生じているツールまたはその組み合わせを識別できる。システム１００は、電磁的トラッキング中に未知の歪み発生源の存在を検出して、警告を発することができる。歪みを生じている電磁場中のツールまたはその組み合わせを、出力として、識別することができる。

ここに説明したシステムと方法は、電磁的トラッキング手法を利用する最小侵襲的手術の手順で、特に画像誘導介入及び治療の領域で利用できる。しかし、本原理は、医療その他の分野における、電磁場トラッキングを利用する他のエリアにも適用可能である。

添付した請求項の解釈において、以下のことを理解すべきである：
ａ）「有する」という用語は、請求項に上げられたもの以外の構成要素やステップの存在を排除するものではない；
ｂ）構成要素に付された「１つの」、「一」という用語は、その構成要素が複数あることを排除するものではない；
c）請求項中の参照符号はその請求項の範囲を限定するものではない；
ｄ）同一のアイテム、ハードウェアまたはソフトウェアにより実施された構造、もしくは機能により、幾つかの「手段」を代表してもよい；
ｅ）特に断らなければ、動作（act)の順序を指定するものではない。

電磁的トラッキング補正、検出、及びエラー訂正のための歪みフィンガープリンティングの好ましい実施形態（これらは例示であって限定ではない）を説明したが、当業者は上記の教示を考慮して修正や変形をすることができることに留意すべきである。それゆえ、当然のことながら、添付した請求項により規定されるここに開示した実施形態の範囲内における、開示した開示の実施形態を変更することができる。特許法により要求される詳細と具体性をもって説明した。特許証により請求され保護を求めるものは、添付した請求項に記載されている。

Claims (15)

1. 電磁的トラッキングシステムで電磁的歪みを特定するシステムであって、
   ターゲットボリューム中の電磁的エネルギーを検知するように構成されたセンサアレイと、
   前記センサアレイからのデータを分析して前記ターゲットボリューム中のトラッキングしていない電磁的歪み発生源を含む空間的な電磁的歪みを検出するように構成され、さらに前記電磁的歪みをデータベースに格納された歪みフィンガープリントと比較して歪み発生源を特定するように構成された電磁的検知訂正モジュールと
   を有するシステム。
2. 電磁センサを有し、前記ターゲットボリュームに関連する領域中で動き、前記ターゲットボリュームの電磁場の変化を決定するように構成されたロボットをさらに有する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記データベースは、ツール、デバイス、及びその組み合わせに関連する複数の歪み形態の特性を測定することにより構成される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記センサアレイは電磁的エラーを手術中に測定し、前記電磁的検知訂正モジュールはエラーマップを生成する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記電磁的検知訂正モジュールは、歪み発生源による電磁的歪みに対する貢献を推定し、測定した電磁的歪みに対する貢献を基準値と比較することにより、前記歪み発生源とその位置を識別する、
   請求項１に記載のシステム。
6. 前記電磁的検知訂正モジュールは、歪み発生源を前記データベース中の既知の歪み形態と比較することにより、未知の歪み発生源を識別する、請求項１に記載のシステム。
7. 電磁的トラッキングシステムで電磁的歪みを特定するシステムであって、
   電磁場に歪みを生じるツール、デバイス、及びその組み合わせに関連するフィンガープリントとして、複数の特徴付けられた歪み形態を格納することにより構成されたデータベースと、 ターゲットボリューム中の電磁的エネルギーを手術中に検知するように構成されたセンサアレイと、
   前記センサアレイからのデータを分析して前記ターゲットボリューム中のトラッキングしていない電磁的歪み発生源を含む空間的な電磁的歪みを検出するように構成され、さらに前記電磁的歪みをデータベースに格納された歪みフィンガープリントと比較して歪み発生源を識別するように構成され、歪み発生源の位置及び方向、歪み発生源により生じたエラーを示すエラーマップ、または未知の歪み発生源の識別情報のうちの一以上を出力するように構成された電磁的検知訂正モジュールと
   を有するシステム。
8. 電磁センサを有し、前記ターゲットボリュームに関連する領域中で動き、前記ターゲットボリュームの電磁場の変化を決定するように構成されたロボットをさらに有し、前記ロボットはトラッキングデバイスを含み、前記トラッキングデバイスは前記歪み発生源の位置と方向を決定する、請求項７に記載のシステム。
9. 前記電磁的検知訂正モジュールは、歪み発生源によるエラーに対する貢献を推定し、測定したエラーに対する貢献を基準値と比較することにより、前記歪み発生源とその位置を識別する、
   請求項７に記載のシステム。
10. 前記電磁的検知訂正モジュールは、歪み発生源を前記データベース中の既知の歪み形態と比較することにより、未知の歪み発生源を識別する、請求項７に記載のシステム。
11. 電磁的トラッキングシステムで電磁的歪みを特定するシステムの作動方法であって、
    電磁的検知訂正モジュールが、ターゲットボリューム中の電磁的エネルギーを検知するように構成されたセンサアレイからのデータを分析して前記ターゲットボリューム中のトラッキングしていない電磁的歪み発生源を含む空間的な電磁的歪みを検出するステップであって、さらに前記電磁的歪みをデータベースに格納された歪みフィンガープリントと比較して歪み発生源を特定するステップを含む、
    作動方法。
12. 前記データベースは、ツール、デバイス、及びその組み合わせに関連する複数の歪み形態を特性測定することにより構成される、請求項１１に記載の方法。
13. 出力手段が、歪み発生源の位置及び方向、または歪み発生源により生じたエラーを示すエラーマップ、及び未知の歪み発生源の識別情報のうちの一以上を出力するステップをさらに含み、
    出力するステップは、手術中にエラーマップを生成して、前記ターゲットボリューム中のエラー測定値が低い及び高い領域を識別するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
14. 出力手段が、歪み発生源の位置及び方向、または歪み発生源により生じたエラーを示すエラーマップ、及び未知の歪み発生源の識別情報のうちの一以上を出力するステップをさらに含み、
    出力するステップは、歪み発生源によるエラー貢献を推定するステップと、測定したエラーをベースライン基準と比較することにより、前記歪み発生源とその位置を識別するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
15. 出力手段が、歪み発生源の位置及び方向、または歪み発生源により生じたエラーを示すエラーマップ、及び未知の歪み発生源の識別情報のうちの一以上を出力するステップをさらに含み、
    出力するステップは、歪み発生源を前記データベース中の既知の歪み形態と比較することにより、未知の歪み発生源を識別するステップを含む、請求項１１に記載の方法。

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