JP6813592B2 - 臓器の動作補償 - Google Patents
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Description
本出願は、2016年4月12日に出願された同時係属中の米国仮出願第62/321,495号と2016年8月9日に出願された同時係属中の米国仮出願第62/372,541号とについて優先権を主張し、その個々の内容については、参照によりその全体を本明細書に組み込む。
政府は、受賞番号P41EB015898の下で国立衛生研究所の国立生物医学画像・生物工学研究所に従ってこの発明における権利を所有することがある。
追跡針40に取り付けられるセンサ要素50は、臓器動作を決定するために使用される場合がある。先ず、少なくとも1つの画像は、臓器内の追跡針から取得される。この画像は、ターゲット位置の場所を決定するために臨床医が使用することがあり、そこではターゲット位置が、例えば、生検がそこから行われるであろう点、あるいは、アブレーションが必要とされる点であることがある。代替的に、ターゲット点の場所は、前の画像からあるいは他の手段を介して取得されることがある。
データ処理システムは、針の向き情報をターゲット位置に関連付けするために使用される。これは、例えば、補間法によって、データを呼吸位相にマッピングすることによって、行われることがある。代替的に、関連付けは、機械学習を用いて行われることがある。
幾つかの適用例が存在し、そこではターゲット位置のある瞬間の場所(例えば、推定した場所)が使用される場合がある。呼吸動作中のターゲット位置のある瞬間の場所は、臨床医にリアルタイムに表示される場合がある。これは、例えば、患者の3Dモデルの内側のターゲットの表示を配置すること、および、それを絶えず推定場所に更新すること、によって、実質的に実行される場合がある。患者の3Dモデルは、患者の医用画像から作り出される場合があり、また、中空(皮膚表面だけを視覚化する)である場合や解剖学的構造のすべてを示す場合がある。(しかしながら、解剖学的構造のすべてを示すことは、推定ターゲットだけが動くであろうことから、紛らわしいかもしれない)。
本明細書で説明するような方法およびシステムは、例えば、生検、アブレーション、または、注入などの医療手順で使用されることがある。これらや他の手順では、臓器位置情報は、臨床手順を再計画すること、臨床手順を中止すること、もとのままの臨床手順の継続を決定すること、および、臓器の動きを推定すること、を含む幾つかのやり方で使用される場合がある。
本発明の実施形態は、動作追跡装置を含むシステムやワークステーションなどのデータ処理システムも含む。データ処理システムは、変換ソフトウエアを含み、また、視覚化ソフトウエア、データロギングソフトウエア、および/または、リサーチソフトウエアを含むこともある。
説明を参照すると、具体的な細部は、開示した例の完全な理解を提供する目的で、記載している。他の例では、公知の方法、手順、構成要素および回路については、本開示を無用に長くさせないように、詳細には説明していない。
例1(Example 1)
1つの例では、1セットの断面画像は、撮影されて介入計画用の外部コンピュータに記憶されるであろう。ターゲット場所および皮膚エントリ点ならびにこれらの2つの制御点を連結するアプローチ線は、コンピュータでマーキングされてデジタル化される。医師は、介入デバイスに取り付けられた位置追跡センサ要素の助けを借りて、介入デバイスを計画したアプローチ線に整列させることを指図されるであろう。代替的に、定位フレームは、皮膚エントリ点の近くに配置されるであろうし、アプローチ経路は、介入ツールホルダを望ましいツールアプローチ経路に整列させることによって提供される。定位フレームは、動力化される場合がある。
肝臓の場所Bおよび針の向きBは、記録される。
患者は、撮像用のMRIに戻される。
肝臓の場所Cおよび針の向きCは、記録される。
ターゲットの場所C1は、記録される。
患者は、MRIの外側に移動して、息を止めることを指図される。
肝臓の場所Dおよび針の向きDは、記録される。
新しい第2の針は、位置D+(C−C1)に挿入されなければならない。
この例では、追跡針に取り付けられたセンサ要素は、9自由度(9DOF)センサである。位置情報に加えて、このセンサは、3軸ジャイロスコープ、3軸加速度計、および、3軸磁気計を備えた慣性測定ユニットを含む。米国仮出願第62/268,378号に記載されたようなセンサ、デバイス、および、方法は、参照によりその全体を本明細書に組み込む。
肝臓内の病変部の動作(Lesion Motion in Liver)。
この例では、臨床データは、呼吸中の肝臓内の病変部動作を測定するために使用された。4人の患者から取得した64スキャンのうちの肝臓CT画像は、肝臓内のターゲット動作を測定するために使用された。スキャンは、肝生検ケースとアブレーションケースの期間に取得された。患者は、手順中に動かず、肝臓内の動作の主たる原因は、呼吸であった。病変部に似ている構造体は、フリーオープンソース医用画像コンピュータ計算ソフトウエア3D Slicerを用いて、CTスキャン(図7)ごとの各画像フレームに手動でローカライズされた。ローカライズ方法は、経皮的アブレーション治療において経験年数5年の一般外科のボード認定放射線科医によって検査されて検討された。結果が示していることは、ターゲット最大絶対変位が12.56mmであったということである。この動作の主要な構成要素は、上位−下位シフト5.5±3.84mmであった。肝臓は、前−後3.77±2.07mm、左−右方向(3.14±0.68mm)の動作を追加的に示した。これらの結果は、肝臓動作を擬態するように設計されたファントムを動かすことへの入力として使用された。
ターゲット位置(EMセンサから取得される)と針の向き(針に取り付けられた向きから)とを含むトレーニングデータは、20秒(約4呼吸サイクル)の期間の間、記録される。測定したデータは、同期化されて分割され、収集されたデータの66%がトレーニングのために使用され、34%が対応モデルの試験(関連付け)のために使用された。ランダムkラベル集合法は、分類(多変量回帰)のために使用される。Disjoint labelset construction version RAkELdは、現スタディで使用された。Tsoumakas G et al.,(IEEE TKDE 23(7),1079−1089(2011)and Proc.ECML vol.4701,pp.406−417.Warsaw,Poland(Sept.2007))を参照のこと。
この実験について理解されるような呼吸に起因する最も有意なターゲット動作は、上位−下位方向にある。呼吸サイクルは、1.5〜2秒の吸気、1.5〜2秒の呼気、および、その後の約2秒のポーズ、から構成される。この動作パターンは、展開した設備においてシミュレートされた。課せられるターゲット変位は、CTデータから測定された。ターゲット動作の20秒は、EMトラッカを用いて記録され、針の向きは、EMトラッカと方位センサの双方を用いて記録された。針は、ターゲットに対する近接性を変えて配置された。2呼吸サイクル持続期間は、ターゲット動作の大きさが12.56mmの浅い呼吸を擬態するために使用された。
ターゲット動作を推定するために使用される代理信号および対応モデル、そして、同じく呼吸動作中の人間の対象者の肝臓MRデータについては、説明する。動作データは、確認研究のために使用される実験プラットフォームに対する入力として使用された。
ターゲット動作を推定するために、代理信号として、動いている臓器の中に挿入された針の外部動作を使用した。代理信号は、測定可能かつアクセス可能な信号であり、現実のターゲット/臓器の動作を推定するために使用される場合がある。代理信号は、例えば、ターゲット場所が、リアルタイム(許容できる遅延の範囲内)に測定できない場合に、または、画像の呼吸動作アーチファクトひいては不正確なターゲット動作推定のせいで正確に位置できない場合に、使用される。このスタディでは、動いている臓器の中に挿入された針の外部動作は、その呼吸動作を、その結果として、肝臓の中に位置するターゲット動作を、指示するために、仮説立てされた。肝臓の中のターゲット動作を推定するために、代理信号として、動いている臓器の中に挿入された針の動作を使用する概念は、IMUセンサを用いて査定された。センサは、患者のボディの外側の針ハブに取り付けられた。IMUセンサ(BNO055,Bosch Sensortec GmbH,Reutlingen,Germany)は、3軸16ビットのジャイロスコープ、3軸14ビットの加速度計、および、地磁気センサから構成された。センサは、周波数100Hzで、針の3Dの向き、直線加速度、および、そのピッチ、ロール、ヨーの軸まわりの角速度、を測定する。IMUセンサは、マイクロコントローラボード(Arduino MICRO,Arduino,Italy)によって、インターインテグレーテッド回路モジュールを介して、給電されて制御された。シリアル通信は、測定したデータを記録する目的で、マイクロコントローラボードをコンピュータに連結するために、使用された。記録されたデータは、呼吸中の肝臓の中のターゲット動作を推定するために、学習に基づくアルゴリズムに対する入力として、使用された。
対応モデルは、肝臓の中のターゲット動作と代理信号(IMUセンサデータ)の関係をモデル化することを試みている。この関係は、代理データのその後の取得に基づいてターゲット動作を推定するために使用された。この特定のスタディでは、対応モデルは、機械学習アルゴリズムを用いてトレーニングされた。現実のターゲット位置は、対応モデルのトレーニングおよび同じく評価のための黄金標準を代表する。対応モデルをトレーニングするために、記録した代理信号およびターゲット動作データは、同期化され、次いで、機械学習アルゴリズム(図9参照)の教師付きトレーニングのために使用される。機械学習方法は、分類(多変量回帰)のためのランダムkラベル集合(RAkEL)法に基づいている。kは、ラベル集合のサイズを特定するパラメータである。この方法の態様は、ラベルの大集合を幾つかの小サイズのラベル集合にランダムに割ること、そして、ラベル集合の個々のために、label powerset法を用いて、マルチラベル分類器をトレーニングすることである。Disjoint labelset construction version RAkELd presented by G.Tsoumakas,et al.,(IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering,vol.23,no.7,pp.1079−1089,2011)は、多数の数値入力(代理データ)および数値出力(ターゲット位置)を比較的短い処理時間内に処理できるので、使用された。(マルチラベルおよびマルチターゲット)学習に基づくアルゴリズムは、データをトレーニング点および試験点に分割することによって評価された。トレーニング後に、出力対応モデルは、呼吸中の或る時機のターゲットの3次元位置を推定するために、IMUセンサからの代理信号だけを用いる。対応モデルのトレーニングおよび試験のために、我々は、ニュージーランド国ハミルトンのワイカト大学の機械学習グループで開発されたWEKAのマルチラベル版であるオープンソースのMEKAソフトウエアを使用した。マルチラベル学習に基づく分類ソフトウエアは、対応モデルを生成し、次いで、3D空間の中のターゲット位置を推定するために使用された。
人間対象者の肝臓MRデータは、呼吸中の肝臓内のターゲット動作プロファイルを決定するために使用された。8人の対象者は、募集されて、次のインフォームドコンセントをイメージ喚起された。人間対象者から得られるMR肝臓サジタルスキャンは、肝臓呼吸動作を測定するために使用された。対象者は、手順中に動かず、肝臓内の動作の主たる原因は、呼吸であった。対象者は、3TワイドボアMRIスキャナ(MAGNETOM Verio 3T,Siemens,Erlangen,独国)のスキャナであった。画像スライス厚、フリップ角、マトリックスサイズ、および視野は、それぞれ5mm、30度、192×192、38×38cm2であった。取得する画像の周波数は、1Hzであった。各スキャンの持続時間は、140.27±51.10秒であった。スキャン毎に、122±45.86画像が取得された。MR画像は、ボード認定放射線科医によって取得された。肝臓MR画像では、病変部に似ている3つの構造体の動作が、各MR画像フレームで追跡された。これらの構造体は、各画像フレームで手動で位置していた。測定した肝臓動作プロファイル(ターゲット変位および速度からなる)は、肝臓の動作を擬態するように設計された実験プラットフォームへの入力として使用された。
実験プラットフォーム(図8参照)は、肝臓の動作を擬態するために設計された。実験を実行する意図は、提案された代理信号および対応モデルを、様々な呼吸動作プロファイル、ならびに、ターゲット深さ、動作速度、針挿入角度、および、ターゲットに対するその近接性などの条件で、確認することである。1)ファントム:ゼラチンベースのファントム130は、人間の肝臓の弾力性を擬態するために使用された。15%(重量比)のゼラチン対水混合物(1.6L)(KnoxR gelatin, Kraft Foods Group, Inc.,イリノイ州,米国)が使用された。ファントムは、容器140の中に配置され、皮膚を擬態するために厚さ0.5mmの耐摩耗性の天然ゴムラテックス層150(McMaster−Carr,イリノイ州,米国)によってカバーされた。呼吸動作をシミュレートするために、皮膚層とゼラチンファントムの上部部分(2cm)は、x−y方向160にクランプされたが、z方向170(上昇および下降)には動くことができる。
ファントム130は、肝臓内の呼吸ターゲット動作をシミュレートするために、ステッパモータで作動する2つの動力化されたステージ170(XZ)(タイプeTrack ET−100−11,Newmark Systems Group Inc.カリフォルニア州,米国)に取り付けられた。両モータは、NewmarkコントローラNSC−A2Lシリーズ(図8)を用いて制御された。現実のターゲット位置は、ターゲットサイトで電磁(EM)センサ(Northern Digital Inc.,Waterloo カナダ国)を用いて測定され、黄金標準180として使用された。別の5自由度(DoF)EMセンサ50は、針およびターゲット間の距離を測定するため、また、針挿入角度も測定するため、ファントム130の中に挿入される基準針40の中に同じく埋め込まれた。ターゲットの場所、針およびターゲット間の距離、および、針挿入角度は、表示されて、フリーオープンソース医用画像コンピュータ計算ソフトウエア3D Slicerを用いて算出された。IMUセンサは、ファントムの外側の針ハブに取り付けられた。EMセンサデータおよびIMUセンサ測定値は、同期化されて、学習に基づくアルゴリズム(対応モデル)への入力として使用された。電磁界発生器190は、ファントムの外側に位置する。
実験は、異なった挿入角度、ターゲット深さ、ターゲット動作速度、および、針に対するターゲット近接性で、開発した設計の精度を決定するために、実行された。当初のパラメータは、60度の挿入角度、8cmのターゲット深さ、3.5mm/秒の動作速度、1〜2cmの針およびターゲット間の距離である。ターゲット動作範囲および速度は、MR画像から得られた結果に基づいて選択された。ターゲット動作の範囲は、呼吸MR動作データから得られた範囲の中でランダム化された。実験プロトコルは、表1に提示されている。各実験は、7度繰り返された。ターゲット変位の範囲と速度の双方が、MR臨床データで測定された範囲内でランダム化される特別な実験が実行された。この動作パターンは、動力化されたステージを用いる実験設備でシミュレートされた。各実験の持続時間は、呼吸ターゲット動作の20秒であった。各実験では、ターゲット変位は、EMトラッカを用いて測定され、針動作は、方位センサを用いて測定された。各実験は、7度実行された。
開発した設計およびアルゴリズムを評価する目的で、挿入角度、ターゲット深さ、ターゲット動作速度、および、針に対するターゲット近接性を含む、幾つかのパラメータは、確認のために選択された。ターゲットの推定位置の精度と、データを処理するのに要する時間は、パラメータであって、呼吸動作中のターゲット位置を推定するために針の撓み(IMUデータ)を用いるという提案する概念を確認するために使用された。
この例は、動力化されるファントムの動作プロファイルを生成するために使用されるMR画像のターゲット追跡の結果を提示する。対応モデルの確認研究の結果は、同じく提示されている。
MR画像での追跡されたターゲット動作は、この例の動作が、主として鉛直軸および矢状軸でそれぞれ8.10±4.71mm、2.53±1.60mmである、ということを示した。ターゲット動作の平均速度は、鉛直軸および矢状軸でそれぞれ3.54±1.04mm/秒、1.11±0.33mm/秒であった。
学習アルゴリズムから得られた結果は、表2に提示され、各実験は、7度繰り返されたのであり、推定誤差は、呼吸中の或る時点における現実のターゲット位置とその推定位置との間の絶対距離である。
学習に基づくアルゴリズムから得られるターゲットの推定位置と、ターゲットサイトに埋め込まれたEMトラッカを用いて測定されたターゲットの現実の位置と、の間の絶対距離の平均誤差。学習に基づくアルゴリズムトレーニング時間は、4ミリ秒の範囲内にあり、他方、試験時間は、1ミリ秒であった。
クラスカル−ウォリス検定は、試験したパラメータの統計的有意性を決定するために実行された。結果が示していることは、40度〜90度の範囲内の挿入角度の増加がターゲティング誤差(p<0.005)を増加させ、他方、4mm〜10mmの範囲内のターゲット深さの増加がターゲティング誤差(p<0.005)を減少させた、ということである。観察されたことは、0〜1cmから2〜3cmの範囲でのターゲットおよび針先端間の距離の増加がターゲティング誤差(p<0.005)を増加させる、ということである。
Claims (17)
- 情報処理装置の作動方法であって、
前記情報処理装置が、臓器に挿入された、センサ要素が取り付けられている追跡針および前記臓器の少なくとも一部分における少なくとも1つの取得された画像を取得することと、
前記情報処理装置が、連続的な追跡針の向き情報を前記センサ要素から取得することと、
前記情報処理装置が、追跡針の向き情報を、取得された前記少なくとも1つの取得された画像内の少なくとも1つのターゲット位置と関連付けて、対応モデルを取得することと、
前記情報処理装置が、前記対応モデルに基づいて前記少なくとも1つのターゲット位置のある時点での場所を決定することと、
を含む、前記情報処理装置の作動方法。 - 少なくとも1つの取得された画像を取得することは、1呼吸サイクルの範囲内で取得された複数の画像を取得することを含む、請求項1に記載の作動方法。
- 少なくとも1つの取得された画像を取得することは、3〜30秒の期間にわたって取得された、少なくとも5つの画像を取得することを含む、請求項1に記載の作動方法。
- 前記少なくとも1つのターゲット位置は、病変部の少なくとも1つの場所に対応する、請求項1に記載の作動方法。
- 追跡針の向き情報を関連付けることは、機械学習アルゴリズムを用いることを含む、請求項1に記載の作動方法。
- 前記機械学習アルゴリズムは、ターゲット位置の情報と連続的な追跡針の向き情報とを含むトレーニングセットを使用する、請求項5に記載の作動方法。
- 連続的な向き情報は、リアルタイムに取得される、請求項1に記載の作動方法。
- 連続的な向き情報は、呼吸ポーズ中に取得される、請求項1に記載の作動方法。
- 連続的な並進情報を前記センサ要素から取得することをさらに含む、請求項1に記載の作動方法。
- 連続的な回転情報を前記センサ要素から取得することをさらに含む、請求項1に記載の作動方法。
- 前記ターゲット位置のある時点での場所を事前定義した体積と比較することと、相対位置を状態インジケータで示すことと、をさらに含む、請求項1に記載の作動方法。
- 前記取得された画像は、MRI画像またはCT画像である、請求項1に記載の作動方法。
- 追跡針と、
前記追跡針に取り付けられるセンサ要素と、
データ処理システムであって、
連続的な追跡針の向き情報を前記センサ要素から取得し、
追跡針の向き情報を少なくとも1つのターゲット位置と関連付けて、対応モデルを取得し、
前記対応モデルに基づいて前記少なくとも1つのターゲット位置のある時点での場所を決定するように構成される、データ処理システムと、
表示器または針ガイダンスデバイスを含む出力デバイスと、
を含む動作追跡システム。 - 針ガイダンスデバイスをさらに含む、請求項13に記載の動作追跡システム。
- 前記針ガイダンスデバイスは、センサ要素を含む、請求項14に記載の動作追跡システム。
- 前記針ガイダンスデバイスは、治療用の針の向きを前記ターゲット位置のある時点での場所に基づいて修正するように構成される、請求項14に記載の動作追跡システム。
- 前記針ガイダンスデバイスは、計画した針軌道を有する治療用の針を含み、針ガイダンスデバイスは、前記データ処理システムから取得された前記ある時点での場所が、前記計画した治療用の針軌道と整列すると、前記治療用の針を挿入するように構成される、請求項14に記載の動作追跡システム。
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