JP6623226B2 - 顎の動きの追跡 - Google Patents

Description

本発明は、人の顎の硬組織の動き追跡するための、および、人の顎の硬組織の動きを可視化するデジタルモデルを生成するための装置および方法に関する。

人の顎の運動を記録することに関して、例えば、機械的技術、電子工学技術、超音波技術、電磁気技術、または光学技術を用いる様々なシステムが使用されてきた。典型的なソリューションの１つに、上顎および下顎のそれぞれに物理的マーカを取り付け、これら物理的マーカそれぞれの相対的な動きを記録するものがある。上記のようなシステムには、計測または検出された運動のディスプレイ上への可視化であって、場合によっては頭蓋硬組織のデジタル表層モデル等に適用された可視化が含まれることが知られている。

科学技術にもかかわらず、これらの各手順に関連するワークフローは、時間を浪費するものであり、労力がかかるものである場合が多い。このワークフローにおいて、別々の機器を使用することや諸作業過程を個々に、またそれぞれ別々に行うことがありうるからである。これら作業過程には、解剖学的構造（anatomy）にマーカを取り付けること、顎を動かすこと、マーカの運動を検出および記録すること、ならびに顎の運動を可視化するモデルを生成すること（顎の運動は後に、ディスプレイに表示されうる）が含まれうる。例えば、後から個別のプロセスとして顎の運動のモデルが可視化される場合であって、この時になってはじめて、動きのデジタルモデルの精度を高めるために追加の運動情報が必要であるか、または望ましいことに気付く場合、この情報は、患者にマーカを付けることができ、新たに顎の運動を検出・記録することができる次の機会まで得ることができない。

顎の動き追跡の先行技術の例として、特許文献１〜４に記載のシステムが挙げられる。

米国特許第４，８３６，７７８号明細書 米国特許第４，８５９，１８１号明細書 米国特許出願公開第２０１３／０１５７２１８号明細書 国際公開第２０１３／０１７５０１８号

本発明、および本発明の好ましい実施形態は、頭蓋硬組織の解剖学的構造の表層モデルを生成するための画像情報を取得するように配置されたＣＴ機器等の医療用Ｘ線撮像機器と関連して、人の顎の動きを表すデジタルモデルが生成される装置および方法を含む。これにより、Ｘ線画像データと、顎の動きのデータとを同一機器で取得することができる。画像処理手段と、頭蓋の解剖学的構造に取り付けられた参照物体の動きの撮影が行われる場面と同じ場面で、硬組織のモデル化された動きが可視化されるディスプレイと、を上記医療用Ｘ線撮像機器に装備することによって、本発明の諸実施形態において、患者がモデル化対象の任意の所望の咀嚼または他の動きを行なっている間にリアルタイムで硬組織の運動を追跡することができる。

一実施形態によれば、本発明に係る方法は、ＣＴ撮像機器に物理的に接続して配置された少なくとも１つのカメラを設けるステップを含む。本方法は、第１の追跡用アイテムを人の下顎に取り付け、かつ第２の追跡用アイテムを人の上顎に、または上顎に動かない状態で結合している、人の解剖学的構造の一部に取り付けるステップを含む。人の解剖学的構造の硬組織のＣＴ再構成像が生成され、各追跡用アイテムの硬組織の解剖学的構造に対する位置が特定される。一実施形態では、患者が顎を動かしている間に、少なくとも１台のカメラを使用して各追跡用アイテムの一連の画像が捕捉され、画像内の各追跡用アイテムの位置が決定される。次いで、硬組織の解剖学的構造の姿勢が、各追跡用アイテムと解剖学的構造の関係性の知識を使用して求められ、硬組織の解剖学的構造の姿勢は、顎の咀嚼の動きのデジタルモデルを表示する可視化システムに転送される。

以下の図が、本発明の様々な実施形態のいくつかの態様を提示するために使用される。

本発明に係る１つの好ましい装置の基本的部分の図である。 本発明に関連する用途に適用可能な１つのシステムに係る、顎の動きを検出するための原理構成の図である。 本発明に関連する用途に適用可能な構成部品を有する、医療用Ｘ線機器に取付可能な検出器モジュールの図である。 ２台のカメラの視界内において追跡デバイスが下顎に取り付けられている、動き追跡撮像のための装置の図である。 図４の動き追跡撮像のための装置であって、追跡デバイスの参照物体の一部のみが２台のカメラのいずれかの視界内に入っている、装置の図である。 顎の動きを可視化するデジタルモデルを生成するための、本発明で用いることができる手順を示す（フローチャートによる）図である。 顎の動きを可視化するデジタルモデルを生成するための、本発明で用いることができる手順を示す（フローチャートによる）図である。

図１は、本発明に係る１つの好ましい装置の基本的部分を示す。図１の装置は、直立支持構造（１１）と、アーム部（１３）と、を備える医療用Ｘ線撮像機器（１０）を備える。直立支持構造（１１）からは、アーム（１２）が水平に伸長しており、アーム（１２）は、患者支持手段（１７）を支持している。アーム部（１３）は、上記Ｘ線撮像機器の撮像手段を支持しているアーム部（１４）を支持している。撮像手段を支持しているアーム部（１４）は、回転可能に配置されている。上記Ｘ線撮像機器の撮像手段は、互いに離間して配置されたＸ線源（１５）およびＸ線画像情報受信部（２１）を含む。撮像手段は、Ｘ線源（１５）とＸ線画像情報受信部（２１）との間の領域内に撮像ステーション（１８）が設けられるように、患者支持手段（１７）に対して位置している。撮像ステーション（１８）は、Ｘ線源（１５）によって生成されたビームがこの撮像ステーション（１８）を通ってＸ線画像情報受信部（２１）の方向に向けられるように設けられている。上記Ｘ線撮像機器は制御手段を有しており、図１は、この制御手段の、患者支持手段（１７）を支持しているアーム（１２）に配置されたユーザインタフェース（１６）と、ユーザインタフェース（１６）内に存在する操作モード選択手段（１９）と、を示す。図１に係る上記Ｘ線撮像機器では、Ｘ線画像情報受信部（２１）は、コンピュータ（３０）に動作可能に接続した状態で配置された検出器モジュールである画像情報受信部モジュール（２０）の一部として配置されている。画像情報を処理するための手段は、コンピュータ（３０）に配置されており、コンピュータは、ディスプレイ（３１）に動作可能に接続した状態で配置されている。ユーザインタフェース（１６）もディスプレイを備えていてもよく、同様にＸ線撮像機器の他の構造に配置されるディスプレイも存在しうる。制御システム（ＣＳ）の物理的な構成要素およびサブシステムが、本装置の様々な場所に配置されうる（コンピュータ（３０）の中に含まれうるものもあり、また、例えば直立支持構造（１１）の中、または本装置の制御対象の構成要素の近傍に配置されうるものもあり、本装置の制御対象の構成要素と一体化されうるものもある）。

図２は、本発明に関連する用途に適用可能な一システムに係る、顎の動きを検出するための原理構成を示す。この装置は、互いに離間して配置された２台のカメラ（２２）であって、追跡手段（５０）が接続された人の頭部を撮影することを目的とした２台のカメラ（２２）を備える。図２の装置では、追跡手段（５０）は、光反射物体（５２）等の参照物体のための２つの個別の支持構造（５１）からなる。支持構造（５１）の一方は、人の額に接続され、他方は、人の下顎に接続されている。また、図２の装置は、カメラ（２２）の非常に近傍に配置された光源（２３）を備える。光源（２３）は、実質的に、近傍のカメラ（２２）が向けられている方向に光を出射するように配置されている。

図３は、本発明に関連する用途に適用可能な構成要素を含む医療用Ｘ線機器に取付可能な検出器モジュール（２０）を示す。図２で提示したものとは異なり、各カメラ（２２）は、互いに鉛直方向ではなく水平方向に離間してモジュール（２０）に配置されており、光源（２３）がカメラ（２２）の上方と、下方とに存在している。また、Ｘ線画像検出部（２１）が、このモジュールの中に配置されている。モジュール（２０）の医療用Ｘ線機器への取付けは、Ｘ線画像検出部（２１）が、Ｘ線機器の撮像ステーション（１８）に位置合わせされているように、または位置合わせ可能であるように実現される。

図４は、２台のカメラの視界内で追跡手段が下顎に取り付けられた、動き追跡撮像のための装置を示す。図４の追跡手段（５０）は、５つの光反射性の参照物体（５２）のための支持構造（５１）を備える。この装置の２台のカメラ（２２）は、光反射性の参照物体（５２）に対して、これら参照物体（５２）の５つがすべて、２台のカメラ（２２）の視界内に入るように位置しており、方向付けられている。この装置は、２台のカメラ（２２）の非常に近傍に光源（２３）を有する。各光源（２３）は、実質的に、近傍のカメラ（２２）が向けられている方向に光を出射するように配置されている。

図５は、図４と同様の動き追跡撮像のために装置であって、カメラ（２２）が互いにより大きく離間して位置している装置を示す。上記装置は、例えば、図３に示した、カメラ（２２）が検出器モジュール（２０）のＸ線画像検出器（２１）の両側に位置している装置に関連して適用されうる。

図５の装置では、追跡手段（５０）の参照物体（５２）の一部のみが２台のカメラ（２２）のそれぞれの視界内に入っている。そのような装置との関連においても、参照物体（５２）の少なくとも１つが両方のカメラ（２２）の視界内に入っていれば追跡手段（５０）の姿勢を求めることができる。そのように、追跡手段（５０）の姿勢を求めることには、最初に、両方のカメラの視界内に入っている１つの参照物体（５２）の３次元位置を求めることが含まれる。３次元位置を求めることは、例えば、カメラ較正情報および参照物体（５２）の検出位置を用いて三角測量で位置を決定し、次いで、追跡デバイスモデルにおける対応する点を、求めた位置に並進させることによって行うことができる。次いで、追跡デバイスモデルをこの点を中心に回転する。それにより、追跡デバイスモデルが両方のカメラビューに投影された場合に、投影された点の位置と、対応する検出された参照物体の位置との間の二乗された距離が最小化される。上記回転および並進によって、追跡モデルの姿勢が定義される。

上述の、頭蓋硬組織の解剖学的構造の動きを表すデジタルモデルの生成のために情報を取得するための各装置は、２台のカメラの使用に基づいている。しかし、本発明は、任意の台数のカメラの使用に基づいた装置を用いて実施可能である。

図６は、本発明の装置における用途に適用可能な、顎の動きを可視化するための一手順を示す。医療用Ｘ線撮像機器に配置された少なくとも１台のカメラによる撮像のために位置決めされた人が顎を動かし始めるときに、動きの追跡は、少なくとも１つの追跡用アイテム（上記の、光反射性の参照物体を備える顎追跡手段に関する）の写真を撮ることによって開始される。次いで、本装置の制御システムは、写真の中に上記少なくとも１つの追跡用アイテムを検出し、追跡用アイテムの参照モデルおよびカメラ較正情報に基づいて追跡用アイテムの姿勢を求める。そうして、求めた追跡用アイテムの姿勢を解剖学的構造のデジタルモデルに繰り返し変形することにより、モデル化された顎の運動をリアルタイムでディスプレイ上に可視化することができる。

追跡手段の参照モデルを作るための一方法には、最初に、医療用Ｘ線撮像機器を使用して下顎と参照物体を含む追跡手段とのＣＴ再構成像を生成することが含まれ、次いで、この再構成像の可視化像がディスプレイ上に提示される。本装置のユーザインタフェースが、表示された可視化像の上の参照物体の位置を指示する手段を含んでいる場合、本装置の画像処理ソフトウェアによって、参照物体と解剖学的構造の再構成像との空間的関係を定義する参照モデルの生成が可能である。

図６に記載のカメラ較正情報には、本装置の１台以上のカメラの内部パラメータおよび外部パラメータが含まれる。そのような較正情報は、当業者に既知の標準的なコンピュータビジョンカメラ較正方法を使用して取得可能である。

図７は、本発明に係る実施形態を提示する他の過程を示す。図７によれば、参照物体を備える追跡用アイテムが人の下顎に取り付けられ、他の１つの追跡用アイテムが、人の上顎に動かない状態で結合している、人の解剖学的構造の一部に取り付けられる。次いで、追跡用アイテムが取り付けられた解剖学的構造の硬組織を含むＣＴ再構成像が生成され、硬組織の解剖学的構造に対する参照物体の位置が決定される。人が顎を動かすときに、ＣＴ撮像機器に配置された１台以上のカメラを使用して、顎が動いている間の参照物体の一連の画像が捕捉され、捕捉した画像から参照物体の位置が検出される。次いで、参照物体の検出位置、および、参照物体と硬組織の解剖学的構造との決定された位置関係を使用して、硬組織の解剖学的構造の姿勢が求められ、人の顎の動きに応じた硬組織の解剖学的構造の動きのデジタルモデルを表示するために、求めた姿勢が可視化システムに転送される。

当業者にとっては、本発明の詳細事項について、本発明が、本発明の上述の実施形態に係る方法とは異なる方法でも実施されうること、また、上記実施形態の様々な詳細事項が、上述のとおりの組合せとは異なる他の組合せでも実現されうることが明らかである。一例を挙げると、医療用Ｘ線撮像機器は、正確に図１に示したものである必要はない。医療用Ｘ線撮像機器のＸ線撮像手段は、支持アームに配置される代わりに、例えば、リング状ガントリ内に配置されていてもよい。

要約すると、追跡用アイテムの運動を撮影するように構成された少なくとも１台のカメラによる人の顎の動きの追跡であって、追跡用アイテムは、参照物体を備え、人の下顎と、人の上顎または上顎に動かない状態で結合している、人の解剖学的構造の一部と、に取り付けられている、人の顎の動きの追跡を含む、本発明の様々な態様が考えられる。追跡用アイテムの運動を撮影する少なくとも１台のカメラの動作を制御するための第１のサブシステムと、少なくとも１台のカメラによって捕捉された画像の中の追跡用アイテムの投影を検出しかつ当該追跡用アイテムの姿勢を求め、この情報を、少なくとも下顎の硬組織を表すデジタルモデルに適用し、ディスプレイに表示される動くデジタルモデルであって、参照物体の撮影された運動に応じた下顎の硬組織の運動を可視化する動くデジタルモデルを生成する画像情報処理手段を含む第２のサブシステムと、を含む制御システムを備える装置が使用可能である。本装置は、さらに、Ｘ線源およびＸ線画像検出部（２１）を有する医療用Ｘ線撮像機器を備えることができ、本装置の制御システムは、さらに、第３のサブシステムを含み、第３のサブシステムは、医療用Ｘ線撮像機器（１０）の動作を制御して頭蓋のＸ線画像情報を取得することに関する制御機能であって、頭蓋の解剖学的構造のＣＴ再構成像を生成するための制御機能を含む。追跡用アイテムの運動を撮影する少なくとも１台のカメラは医療用Ｘ線撮像機器の物理的な部分として配置することができる。

医療用Ｘ線機器は、Ｘ線源およびＸ線画像検出部を支える第１の構造、および第１の構造を支持する第２の構造を有することができる。少なくとも１台のカメラは、第１の構造と第２の構造のいずれに接続されることもできる。好ましくは、本装置は、Ｘ線源およびＸ線画像検出部を支える第１の構造に、互いに離間して配置された２台のカメラを備える。さらに、医療用Ｘ線撮像機器は、この少なくとも１台のカメラの非常に近傍に配置された光源を有することができ、この光源（２３）は、実質的に、少なくとも１台のカメラが向けられている方向に光を出射するように配置されている。

本装置のディスプレイは、医療用Ｘ線撮像機器の諸構造に接続されることができ、制御システムは、少なくとも１台のカメラによって検出された、撮影された運動に応じた硬組織の運動を表すデジタルモデルをディスプレイ上に可視化するように構成されることができる。好ましくは、制御システムは、第１のサブシステムが少なくとも１台のカメラを動作させて参照物体の運動を撮影している間に実質的に同時に、第２のサブシステムによって生成されたデジタルモデルの運動を可視化するように構成されている。硬組織を表すデジタルモデルは、医療用Ｘ線撮像機器のＸ線画像検出部によって検出された画像データに基づいて生成された人の下顎もしくは上顎または上下両方の顎のＣＴ再構成像の可視化像であることができる。

一実施形態によれば、制御システムに接続して配置されたユーザインタフェースが、硬組織を表すデジタルモデル上の関心を持った特徴にしるしを付すことを可能化するように、また、このしるしが動くデジタルモデルに含まれるように構成されている。制御システムは、さらに、人の頭蓋の解剖学的構造の少なくとも一部のＣＴ再構成像の可視化像である画像を、この再構成像のための画像情報が取得されたときの人に取り付けられていた、参照物体を有する追跡用アイテムと共にディスプレイに提示するように、また、当該画像における上記追跡用アイテムの参照物体の位置を指示するユーザの入力への応答として上記参照物体とＣＴ再構成像との空間的関係を定義する参照モデルを生成するように構成されている。

本開示では、有利なことに、Ｘ線撮像機器と、このＸ線撮像機器に物理的に配置された、顎の運動を追跡するためのカメラシステムと、が組み合わされている。これにより、撮像手順のワークフローが改善され、また、同じ制御システムによる、ＣＴ機器および動き追跡カメラシステムの制御が可能になる。

Ｘ線撮像機器自体に顎の動きのカメラシステムを配置することによって、解剖学的構造および追跡用アイテムを含むＣＴ再構成像を生成すること（すなわち、追跡用アイテムが人に取り付けられている間に解剖学的構造を走査すること）、および、人がＸ線撮像機器の場所にいて撮像を行うことができる間に同じ手順内で顎の動きを追跡することが両方可能になる。したがって、例えば、撮り直しのため、または顎の追加的な動きを行うために人がまだ居合わせているときにプロセスに不備があったり、画像品質に問題があることに気付いた場合に、その人を撮像のために呼び戻したり、追跡用アイテムを取り付け直したりする必要が無い。

Claims (19)

1. 人の顎の動きを追跡するための装置であって、
   − 人の下顎と、人の上顎または前記上顎に動かない状態で結合している前記人の解剖学的構造の一部と、に取り付けられている、参照物体を備えた追跡用アイテムの、運動を撮影するように構成された少なくとも１台のカメラと、
   − 前記追跡用アイテムの前記運動を撮影するように前記少なくとも１台のカメラの動作を制御するための第１のサブシステムを含む制御システムと、
   − 前記少なくとも１台のカメラによって捕捉された画像の中の前記追跡用アイテムの投影を検出しかつ前記追跡用アイテムの姿勢を求めることと、この情報を少なくとも前記下顎の硬組織を表すデジタルモデルに適用することと、前記参照物体の前記撮影された運動に応じた前記下顎の前記硬組織の運動を可視化する動くデジタルモデルを、ディスプレイに表示されるように生成することと、を行う画像情報処理手段を含む、第２のサブシステムと、を備え、
   − Ｘ線源およびＸ線画像検出部を有する医療用Ｘ線撮像機器をさらに備え、
   − 前記制御システムは第３のサブシステムをさらに備え、前記第３のサブシステムは、頭蓋のＸ線画像情報を取得するように前記医療用Ｘ線撮像機器の動作を制御することに関する制御機能を有し、頭蓋の解剖学的構造のＣＴ再構成像を生成し、
   − 前記追跡用アイテムの前記運動を撮影するように配置された前記少なくとも１台のカメラは、前記医療用Ｘ線撮像機器の物理的な部分であることを特徴とする、
   装置。
2. 前記医療用Ｘ線機器は、前記Ｘ線源および前記Ｘ線画像検出部を支える第１の構造と、前記第１の構造を支持する第２の構造と、を有し、前記少なくとも１台のカメラは、前記第１の構造または第２の構造に接続されている、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記装置は、前記Ｘ線源および前記Ｘ線画像検出部を支える前記第１の構造に互いに離間して配置された２台のカメラを有する、
   請求項２に記載の装置。
4. 前記医療用Ｘ線撮像機器は、前記少なくとも１台のカメラの非常に近傍に配置された光源を含み、前記光源は、実質的に、前記少なくとも１台のカメラが向けられている方向に光を出射するように配置されている、
   請求項１に記載の装置。
5. 前記ディスプレイは、前記医療用Ｘ線撮像機器の諸構造に接続されており、前記制御システムは、前記少なくとも１台のカメラによって検出された前記撮影された運動に応じた前記硬組織の運動を表す前記デジタルモデルを前記ディスプレイ上に可視化するように構成されている、
   請求項１に記載の装置。
6. 前記制御システムは、前記第１のサブシステムが前記少なくとも１台のカメラを動作させて前記参照物体の運動を撮影する間に実質的に同時に、前記第２のサブシステムによって生成された前記デジタルモデルの前記運動を可視化するように構成されている、
   請求項１に記載の装置。
7. 硬組織を表す前記デジタルモデルは、前記医療用Ｘ線撮像機器の前記Ｘ線画像検出部によって検出された画像データに基づいて生成された人の下顎もしくは上顎または上下両方の顎のＣＴ再構成像の可視化像である、
   請求項１に記載の装置。
8. 前記制御システムに接続されたユーザインタフェースをさらに備え、前記ユーザインタフェースは、硬組織を表す前記デジタルモデル上の関心を持った特徴にしるしを付すことを可能化するように構成されており、前記制御システムは、前記しるしを前記動くデジタルモデルの中に含めるように構成されている、
   請求項１に記載の装置。
9. 前記制御システムは、前記人の頭蓋の解剖学的構造の少なくとも一部のＣＴ再構成像の可視化像である画像を、前記再構成像のための画像情報が取得されたときの前記人に取り付けられていた、参照物体を有する追跡用アイテムと共にディスプレイに提示するように、また、前記画像における前記追跡用アイテムの前記参照物体の位置を指示するユーザの入力への応答として前記参照物体と前記ＣＴ再構成像との空間的関係を定義する参照モデルを生成するように構成されている、
   請求項１に記載の装置。
10. 前記第１の構造は、前記Ｘ線源および前記Ｘ線画像検出部が互いに離間して配置された回転可能アームであり、前記少なくとも１台のカメラは、前記Ｘ線画像検出部に隣接して前記回転可能アームに配置されている、
    請求項２に記載の装置。
11. 前記参照物体は、光反射性である、
    請求項１に記載の装置。
12. 人の顎の動きの追跡方法であって、
    − 参照物体を有する第１の追跡用アイテムを人の下顎に取り付け、かつ、参照物体を有する第２の追跡用アイテムを、前記人の上顎に動かない状態で結合している、前記人の解剖学的構造の一部に取り付けるステップと、
    − 前記追跡用アイテムが取り付けられた前記解剖学的構造の硬組織を含むＣＴ再構成像を生成するステップと、
    − 前記参照物体の、前記硬組織の解剖学的構造に対する位置を決定するステップと、
    − 人が顎を動かしている間に、前記参照物体の一連の画像を捕捉するステップと、
    − 前記捕捉された画像から前記参照物体の位置を検出するステップと、
    − 前記参照物体の前記検出された位置、および、前記参照物体と前記硬組織の解剖学的構造との前記決定された位置関係を使用して前記硬組織の解剖学的構造の姿勢を求めるステップと、
    − 前記求めた姿勢を可視化システムに転送して前記人の顎の動きに応じた前記硬組織の解剖学的構造の動きのデジタルモデルを表示するステップと、を含み、
    − 前記一連の画像は、ＣＴ撮像機器に配置された少なくとも１台のカメラによって捕捉されることを特徴とする、
    方法。
13. 前記硬組織の解剖学的構造の前記デジタルモデルの前記動きは、前記少なくとも１台のカメラが前記画像を捕捉している間に実質的に同時に可視化される、
    請求項１２に記載の方法。
14. 前記第２の追跡用アイテムは、前記患者の額に接続される、
    請求項１２に記載の方法。
15. 前記硬組織の解剖学的構造には、頭蓋硬組織が含まれる、
    請求項１２に記載の方法。
16. 前記少なくとも１台のカメラおよび光源が、ＣＴ撮像機器の回転アームに配置されている、
    請求項１２に記載の方法。
17. 前記画像を捕捉している間、前記第１のおよび前記第２の追跡用アイテムの前記参照物体を前記光源によって照明することをさらに含む、
    請求項１６に記載の方法。
18. ユーザインタフェースを使用して、前記ＣＴ再構成像における参照物体の位置にしるしを付すこと、および前記位置を前記画像上に表すことをさらに含む、
    請求項１２に記載の方法。
19. 少なくとも１つの追跡用アイテムが、互いに離間している少なくとも５つの光反射性物体を有する、
    請求項１２に記載の方法。

Images