JP6623166B2 - 超音波ガイド処置に対するゾーン視覚化 - Google Patents
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Description
本発明は、広くは、超音波ガイド処置（ultrasound-guided procedure、例えば、前立腺生検）中の視覚的ガイダンスに対する解剖学的構造の特定のゾーンの自動位置特定に関する。本発明は、特には、超音波ガイド処置中のゾーンによってガイダンスを視覚化する基準として解剖学的構造の三次元（３Ｄ）モデルのゾーンラベル付け（zone labeling）に関する。
術中解剖学的画像に対する術前解剖学的画像の医療画像位置合わせは、画像ガイドインタベンション／手術／診断処置を容易化するのに使用されている。医療画像位置合わせに対する主要なゴールは、同じ又は異なる撮像モダリティ内の同じ解剖学的構造の同じ又は異なるビューをアライン（align）する幾何学的変換を計算することである。
より具体的には、前立腺がんは、西欧諸国において６人に１人の男性を侵し、アメリカ人のがん死亡の２番目の主な原因である。異なるスキーム（例えば、六分儀、拡張１２コア等）を用いる経直腸的超音波（ＴＲＵＳ）ガイド系統的生検は、臨床診療におけるケアの標準であると見なされる。しかしながら、二次元（２Ｄ）超音波撮像が、通常は使用されるので、視野は限定的である。更に、超音波撮像下の前立腺内のランドマークの欠如により、超音波ベースの前立腺撮像は、生検に対する所望の場所に正確にナビゲートするにはかなりの量の訓練及び経験を必要とする。
重要なことは、前立腺生検に関する泌尿器学の文献によると、がんの場所が、前立腺内に一様に分布していないことである。研究は、がんを検出するより高い可能性を持つ前立腺内の高リスク領域が存在することを示している。既知の系統的生検スキームは、特定数の生検で最大のがん検出率を達成するようにこれらの高リスク領域をカバーするように特別に設計されている。しかしながら、現在の超音波撮像ガイダンスの限界により、いくつかのゾーン（例えば、前立腺のケラチン（horns））が、多くの場合に見逃される傾向にあるという傾向が存在する。これは、より高い偽陰性生検の結果となりえ、一部のがんは見逃されるかもしれない。
要約すると、前立腺の一部の高リスク領域は、撮像ガイダンス技術の限界により生検中に大幅にアンダーサンプリングされることができることが知られている。このような限界は、医師の経験により補償されうるのに対し、本発明は、自動ゾーン識別で医師を援助することにより一貫して生検の結果を改良する系統的な技術的アプローチを提供する。より具体的には、解剖学的構造の超音波モデルは、前記解剖学的構造に対する超音波ガイド処置を最適化するように設計されたスキームから得られる２以上の手続的に定義された（procedurally-defined）ゾーンに対してラベル付けされる。例えば、前立腺の超音波モデルは、前立腺の超音波ガイド生検サンプリングの既知のスキーム、特に臨床診療におけるケアの標準であると見なされるスキーム（例えば、六分儀、拡張１２コア、飽和サンプリング、前方サンプリング等）と関連付けられた手続的に定義されたゾーンによりラベル付けされうる。
本発明の一形式は、超音波プローブ及び超音波撮像ワークステーションを採用する自動ゾーン視覚化に対するシステムである。動作において、超音波プローブは、解剖学的領域をスキャンし、前記超音波撮像ワークステーションは、前記超音波プローブによる前記解剖学的領域のスキャンに応答して患者空間内の解剖学的構造の超音波体積の生成を追跡する。前記超音波撮像ワークステーションは、手続的に定義されたゾーンでラベル付けされた前記解剖学的構造の超音波体積モデルから得られた前記超音波体積内の前記解剖学的構造の前記手続的に定義されたゾーンのラベル付けを更に追跡し、これにより前記解剖学的構造の超音波ガイド視覚化を容易化する。
本発明の前述の形式及び他の形式並びに本発明の様々なフィーチャ及び利点は、添付の図面と併せて読まれる本発明の様々な実施例の以下の詳細な記載から更に明らかになる。詳細な記載及び図面は、本発明を限定するのではなく、単に説明し、本発明の範囲は、添付の請求項及びその同等物により規定される。
本発明の目的に対して、用語「手続的に定義されたゾーン」は、解剖学的構造に対する超音波ガイド処置を最適化するように設計されたスキームから得られる解剖学的構造のゾーンとして広く定義される。例えば、前立腺の超音波ガイド生検サンプリングに対する既知の又は提案されたスキーム、特に臨床診療におけるケアの標準であると見なされるスキーム（例えば、六分儀、拡張１２コア、飽和サンプリング、前方サンプリング等）と関連付けられる手続的に定義されたゾーンによりラベル付けされうる。
また、本発明の目的に対して、用語「追跡」、「再構成」、「セグメント化」及び「位置合わせ」並びに関連する用語は、本発明の技術分野において知られているように広く解釈されるべきである。
実際に、本発明は、いかなる解剖学的領域（例えば、頭部、胸部、骨盤等）及び解剖学的構造（例えば、骨、器官、循環系、消化系等）にも適用する。
本発明の理解を容易化するために、前立腺の超音波撮像の自動ゾーン視覚化を対象にする、本発明の典型的な実施例が、ここで提供される。それでも、当業者は、どのように全ての解剖学的領域及び構造に対する超音波撮像の自動ゾーン視覚化を実行するかを理解する。
図１を参照すると、術前超音波システム２０は、対象１０が２Ｄ超音波プローブ２１によりスキャンされると、対象１０の前立腺１１の解剖学的組織の超音波画像２３のストリームを生成するように２Ｄ超音波プローブ２１及び超音波撮像ワークステーション２２を採用する。図２及び３と併せて更に説明されるように、術前超音波システム２０は、前記超音波画像から再構成された前立腺１１のＸ個の超音波体積を取得するようにＸ個の対象１０をスキャンし、これによりドットのマトリクスにより象徴的に示されるように手続的に定義されたゾーンでラベル付けされた前立腺１１の体積モデル４１ｚを構築するのに使用される。代わりに、システム２０は、３Ｄ超音波プローブ（図示されない）を採用してもよい。
術中超音波システム３０は、患者が２Ｄ超音波プローブ３１によりスキャンされると、患者１２の前立腺１３の解剖学的組織の超音波画像３３のストリームを生成するように２Ｄ超音波プローブ３１及び超音波撮像ワークステーション３２を採用する。図２及び３と併せて更に説明されるように、術中超音波システム３０は、前立腺１３の超音波体積４２ｚを取得するように患者１２をスキャンし、超音波体積４２ｚに対するゾーンラベル付け体積モデル４１ｚの位置合わせを追跡し、これによりドットのマトリクスにより象徴的に示されるように前記手続的に定義されたゾーンで超音波体積４２ｚをラベル付けするのに使用される。
モデル４１及び体積４２内のゾーンラベル付け前立腺の画像が、解剖学的に正確であることを意図されないが、ここで提供されるゾーンラベル付けモデル４１ｚ及び体積４２ｚに基づく本発明の自動ゾーン視覚化の説明を容易化する目的でゾーンラベル付け前立腺の単純化された例としてのみ役立つことに注意されたい。
図２及び３を参照すると、フローチャート５０（図２）のワークフローは、様々なリソース入力６０、追跡される画像位置合わせ６１、及び追跡される出力視覚化６２を含む３つの重要な側面を包含する。
一般に、術前リソース６０ｐは、各対象１０（図１）に対する前立腺１１のスキャンされた超音波画像２３（又は代わりに１以上の対象１０の前立腺１１の３Ｄ超音波画像）のストリームを含む。術中リソース６０ｉは、患者１２（図１）の前立腺１３のスキャンされた超音波画像３３（又は代わりに患者１２の前立腺１３の３Ｄ超音波画像）のストリーム及び患者１２がスキャンされる２Ｄ超音波プローブ３１（図１）の追跡データＴＤを含む。出力視覚化６２は、前記ゾーンを差別化する視覚化ストラテジ（例えば、色符号化、テキストラベル及び／又はオーディオフィードバック）によってリアルタイムで超音波画像３３のリアルタイムストリームにおける前記ゾーンを象徴的に示す。
入力６０と出力６２との間で、画像位置合わせ６１は、前立腺体積モデル４１ｚを構築するプロセス、超音波画像ストリーム３３から体積画像４２の再構成を追跡するプロセス、体積画像４２から体積モデル４１ｚにセグメント化された前立腺をマッピングするプロセスを含む。これらの態様を行うことにより、前記ゾーンは、装置追跡データＴＤを使用することによりリアルタイム超音波ストリーミング３３ｚにマッピングされることができる。
より具体的には、超音波システム３０（図１）は、超音波撮像ワークステーション３２の画面表示をキャプチャすることにより、又は内部転送モードにおいて超音波撮像ワークステーション３２の出力ポートから直接的にのいずれかで超音波画像３３をストリーミングしうる。２Ｄ超音波プローブ３１の代わりに、３Ｄ超音波プローブが、２Ｄ画像から体積を再構成する必要なしに前立腺の３Ｄ画像を得るのに使用されることができる。
超音波システム３０は、３Ｄ患者空間に対して超音波画像ストリーム３３（又は３Ｄ画像）をマッピングするためにリアルタイムで２Ｄ超音波プローブ３１の姿勢及び位置を得るのに追跡システムを採用する又は追跡システムと協働する。超音波プローブ３１の姿勢及び位置は、いかなる既知の装置追跡技術（例えば、電磁追跡又は光学センサ追跡）でも使用することにより得られうる。
フローチャート５０は、４つの主な段階Ｓ５１乃至Ｓ５４を持つ。フローチャート５０の段階Ｓ５１は、ワークステーション２０（図１）が、手続的に定義されたゾーンを持つ前立腺体積モデル４１を構築することを含む。特に、前立腺の統計的形状モデルが、対象１０（図１）から遡及的に得られた形状を持つ訓練データセットを使用するワークステーション２０により構築される。各形状に対して、対応する関心ゾーンは、ラベル付けされる。前記ゾーンは、前立腺の超音波ガイド生検サンプリングに対する既知の又は提案されたスキーム、特に臨床診療におけるケアの標準であると見なされるスキーム（例えば、六分儀、拡張１２コア等）と関連付けられた手続的に定義されたゾーンである。統計的形状分析（例えば、主成分分析）を適用することにより、ラベル付けされた手続的に定義されたゾーンを持つ前立腺体積モデル４１は、ワークステーション２０により構築される。
一実施例において、好適な生検サンプリングスキームは、前立腺内の場所の個数Ｎ（典型的にはＮ≧１０）を識別することにより前立腺体積モデル４１に加えられる。各場所は、前立腺体積モデル４１内の幾何学的対象（例えば、点、小さな球又は他の単純な形状（例えば、楕円体））として識別されることができる。これらの場所は、所望のスキームによって前立腺の系統的サンプリングをガイドするのに後で役立つことができる。
フローチャート５０の段階Ｓ５２は、ワークステーション３０（図１）が超音波体積４２を再構成することを含む。特に、患者１２の前立腺１３をスキャンする間に超音波プローブ３１が追跡されると、超音波プローブ３１の姿勢及び位置が既知である。この追跡データＴＤを使用することにより、ストリーム３３の超音波フレームは、３Ｄ患者空間に変換される。全体的な前立腺１３をカバーする超音波画像ストリーム３３を得るように前立腺全体を通るスイープを実行することにより、前立腺を含む超音波体積４２が、再構成される。代わりに、３Ｄプローブが取得に対して使用される場合、超音波ワークステーション３２は、３Ｄ体積画像を直接的に提供するので、段階Ｓ５２の再構成は、省略されてもよい。それでも、前記３Ｄプローブは、３Ｄ患者空間に対して超音波体積４２を変換するために追跡される。
フローチャート５０の段階Ｓ５３は、ワークステーション３０が、超音波体積４２から前立腺をセグメント化し、前立腺体積モデル４１を前記セグメント化された前立腺と位置合わせすることを含む。特に、セグメント化を実行する主な目的は、超音波画像ストリーム３３に対して前立腺体積モデル４１を直接的にマッピングすることは非常に困難であるので、超音波体積４２に対する前立腺体積モデル４１を位置合わせすることを援助することである。前記セグメント化は、二通りに実行されうる。第１のオプションは、フレームごとに超音波スイープデータをセグメント化することである。得られた２Ｄセグメント化シーケンスは、この場合、３Ｄセグメント化を得るように再構成段階Ｓ５２と同じ変換を使用して３Ｄ空間にマッピングされる。代わりに、再構成された超音波体積４２は、モデルベースのアプローチを使用することにより３Ｄ空間において直接的にセグメント化される。超音波体積４２内の前立腺境界が、２Ｄ超音波画像ストリーム３３ほどクリアでない場合、これら２つのオプションは、より良好なセグメント化性能を達成するように組み合わせられてもよい。
一度、再構成された超音波体積４２がセグメント化されると、表面ベースの位置合わせ方法（例えば、反復的最近点ベースの位置合わせ）は、ゾーンラベル付け超音波体積４２ｚを生じるように、前立腺体積モデル４１を、再構成された超音波体積４２のセグメント化された前立腺と位置合わせするように適用される。この位置合わせを用いて、前立腺体積モデル４２ｚにおいてラベル付けされた手続的に定義されたゾーンは、患者空間にマッピングされる。利用可能なリアルタイム追跡情報を用いて、前記ゾーンは、超音波画像ストリーム３３に対して変換されうる。
フローチャート５０の段階Ｓ５４は、ワークステーション３０がリアルタイムでゾーン視覚化を表示することを含む。特に、一度、前記ゾーンが超音波画像ストリーム３３にマッピングされると、手続的に定義されたゾーンは、交差される場合に超音波画像３３ｚ上で視覚化されることができる。交差したゾーンは、ゾーンラベルを表示して強調される。加えて、異なる視覚化されたゾーンは、色符号化、テキストラベル又はオーディオフィードバックを用いて差別化されうる。例えば、ゾーンのセットが超音波画像３３ｚにより交差される間に、交差領域は、オーディオフィードバックあり又はなしで各対応する色又はラベルにおいて示される。追加又は代替アプローチとして、前記生検サンプリングスキームの場所は、超音波画像３３ｚと一緒に視覚化される。これは、生検経路が前記サンプリングスキームの場所とアラインされるまでユーザが超音波プローブ３１を見る方向を調整するのを助ける。
フローチャート５０は、前記処置を完了すると終了される。
フローチャート５０の代替実施例において、段階Ｓ５１及び段階Ｓ５３の位置合わせは、省略されてもよく、これにより前立腺体積モデル４１は、Ｘ個の前の対象を使用してモデルを構成する代わりに再構成された超音波体積４２を使用して定義されてもよい。特に、前記手続的に定義されたゾーンは、再構成された超音波体積４２の術中セグメント化の幾何学的再分割（sub-division）に基づいて作成される。このような再分割の例は、（１）再構成された超音波体積４２の術中セグメント化を正中矢状面に沿って二等分に分割し、「左」及び「右」ゾーンを作成すること、及び（２）再構成された超音波体積４２の術中セグメント化において軸切断面を使用して３分の１に分割し、ベース／中間前立腺／軸ゾーンを作成することを含むが、これらに限定されない。
図１乃至３を参照すると、当業者は、解剖学的構造の超音波撮像ガイダンスの自動ゾーン視覚化を含むが、これに限定されない本発明の多くの利益を理解するだろう。
本発明の様々な実施例が図示及び記載されているが、ここに記載された本発明の実施例が例示的であり、本発明の真の範囲から逸脱することなしに様々な変更及び修正が行われてもよく、同等物が置換されてもよいことは、当業者により理解されるだろう。加えて、多くの修正が、中心的範囲から逸脱することなしに本発明の教示を適応させるように行われうる。したがって、本発明が、本発明を実行するのに期待されるベストモードとして開示された特定の実施例に限定されないが、本発明が、添付の請求項の範囲内に入る全ての実施例を含むことが意図される。
Claims (15)
- 自動ゾーン視覚化に対するシステムにおいて、前記システムが、
解剖学的領域をスキャンするように動作可能な超音波プローブと、
前記超音波プローブに動作可能に接続され、前記超音波プローブによる前記解剖学的領域のスキャンに応答して患者空間内の解剖学的構造の超音波体積を生成する超音波撮像ワークステーションと、
を有し、
前記超音波撮像ワークステーションが、２以上の定義されたゾーンでラベル付けされた前記解剖学的構造の超音波体積モデルから得られた前記超音波体積内の前記解剖学的構造の前記定義されたゾーンをラベル付けするように動作可能である、
システム。 - 前記超音波撮像ワークステーションが、前記生成された超音波体積における前記解剖学的構造に対して前記超音波体積モデルをマッピングする、請求項１に記載のシステム。
- 前記超音波撮像ワークステーションが、前記生成された超音波体積から前記解剖学的構造をセグメント化し、前記セグメント化された解剖学的構造に対して前記超音波体積モデルをマッピングする、請求項１に記載のシステム。
- 前記超音波撮像ワークステーションが、前記超音波体積を分割して前記定義されたゾーンを作成することにより前記超音波体積モデルを生成する、請求項１に記載のシステム。
- 前記ワークステーションが、前記定義されたゾーンを視覚化する超音波画像を生成する、
請求項１に記載のシステム。 - 前記定義されたゾーンは、前記超音波体積内の前記解剖学的構造の前記定義されたゾーンが前記超音波画像と交差する場合に、前記超音波画像上で視覚化される、請求項５に記載のシステム。
- 前記超音波撮像ワークステーションが、前記超音波画像内で視覚化された少なくとも２つの定義されたゾーンを差別化する、請求項５に記載のシステム。
- 前記超音波画像内で視覚化された前記少なくとも２つの定義されたゾーンの差別化が、色符号化、テキストラベル及びオーディオフィードバックの少なくとも１つを含む、請求項７に記載のシステム。
- 自動ゾーン視覚化に対する方法において、前記方法が、
解剖学的領域の超音波スキャンから得られた解剖学的構造の超音波体積を生成するステップと、
２以上の定義されたゾーンでラベル付けされた前記解剖学的構造の超音波体積モデルから得られた前記超音波体積内の前記解剖学的構造の定義されたゾーンをラベル付けするステップと、
を有する、
方法。 - 前記超音波体積内の前記解剖学的構造の前記定義されたゾーンのラベル付けの追跡が、
前記生成された超音波体積における前記解剖学的構造に対して前記超音波体積モデルをマッピングする、
ことを含む、請求項９に記載の方法。 - 前記超音波体積内の前記解剖学的構造の前記定義されたゾーンのラベル付けの追跡が、
前記超音波撮像ワークステーションが、前記生成された超音波体積から前記解剖学的構造をセグメント化し、前記セグメント化された解剖学的構造に対して前記超音波体積モデルをマッピングする、
ことを含む、請求項９に記載の方法。 - 前記超音波体積モデルが、前記超音波体積を分割して前記定義されたゾーンを作成することにより生成される、請求項９に記載の方法。
- 前記方法が、
前記定義されたゾーンを視覚化する超音波画像を生成する、
請求項９に記載の方法。 - 前記定義されたゾーンは、前記超音波体積内の前記解剖学的構造の前記定義されたゾーンが前記超音波画像と交差する場合に、前記超音波画像上で視覚化される、
請求項１３に記載の方法。 - 少なくとも２つの定義されたゾーンが、前記超音波画像内で差別化される、請求項１４に記載の方法。
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