JP7093801B2 - 手術中の位置調整および誘導を容易にするシステム - Google Patents
手術中の位置調整および誘導を容易にするシステム Download PDFInfo
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Description
様々な身体部位にアクセスする低侵襲技術は、診断、治療、およびその他の外科的目的で一般的な方法になっている。たとえば、医療提供者は、胃腸管、気道、尿路、脈管構造に経皮的にアクセスすることができる。場合によっては患者に挿入される物体は直接可視とすることができるが、別の状況では直接的な見通しが利かない場合がある。
一例として、方法は、追跡データをメモリに記憶する工程を含むことがあり、前記追跡データは、追跡システムにより生成されて前記追跡システムの追跡座標系における物体の位置を表す。前記方法は、患者固有の陰関数モデルをメモリに記憶する工程を含むことがあり、患者固有の前記陰関数モデルは、患者に関して取得される画像データに基づいて生成されて患者の解剖学的構造の幾何学形状を定義する。また、前記方法は、前記追跡データおよび患者固有の前記陰関数モデルを共通の三次元座標系に登録する工程を含むことがある。また、前記方法は、前記共通座標系における患者の前記解剖学的構造の幾何学形状に対する前記物体の位置を表す出力画像を生成する工程を含むことがある。
本願に開示するアプローチは、追跡データを受信してメモリに記憶する。追跡データは、患者の身体の解剖学的構造(たとえば、管状構造)内で移動中の物体の位置を表すことができる。追跡データは、電離放射線を使用せずに物体の位置を表すことができる。たとえば、1つまたはそれ以上のセンサが追跡中の物体に接続されることがあり、それは追跡システムにより提供される場に応答して感知信号を提供することができる。追跡システムは、追跡データを決定して追跡システムの座標系において物体の三次元位置および向きを示すことができる。追跡データは、患者固有の陰関数モデルも登録されている三次元座標系に登録することができる。患者固有の陰関数モデルは、患者の解剖学的構造の幾何学形状を定義する、患者に関して取得される画像データに基づいて生成することができる。患者固有の陰関数モデルの生成に使用される画像データは、追跡システムにより追跡される手術時処置の前に取得することができる。たとえば、画像データは、手術前の計画段階の一環として取得することができる。
v=Sv刻みで0~1
点1=表面(u,v)
点2=表面(u+Su,v)
点3=表面(u+Su,v+Sv)
点4=表面(u,v+Sv)
三角形(点1、点2、点3)
三角形(点3、点4、点1)
三角形を上述したが、他の多角形状を使用することもできる。
追跡データをメモリに記憶する工程であって、前記追跡データは、追跡システムにより生成されて前記追跡システムの追跡座標系における物体の位置を表すことと、
患者固有の陰関数モデルをメモリに記憶する工程であって、患者固有の前記陰関数モデルは、患者に関して取得される画像データに基づいて生成されて患者の解剖学的構造の幾何学形状を定義することと、
前記追跡データおよび患者固有の前記陰関数モデルを共通の三次元座標系に登録する工程と、
前記共通の座標系における患者の前記解剖学的構造の幾何学形状に対する前記物体の位置を表す出力画像を生成する工程とを備える方法。
前記追跡データは、前記追跡座標系における前記物体の位置および向きを含む、付記1に記載の方法。
付記1または2に記載の方法は、前記追跡システムにより電磁場を生成する工程をさらに含み、前記物体は、前記追跡システムにセンサ信号を提供する少なくとも1つのセンサを備え、前記追跡システムは、前記センサ信号に基づいて前記追跡データを生成する、方法。
付記1に記載の方法は、出力サンプルレートに従って前記追跡システムにより経時的に生成される複数のフレームとして前記追跡データを受信する工程をさらに含み、前記複数のフレームのそれぞれの追跡データは、追跡座標系における前記物体の位置および向きを含み、前記登録する工程および前記生成する工程は、追跡データの前記複数のフレームのそれぞれに対して繰り返される、方法。
前記画像データは、前記追跡データの生成に先立って取得される患者の手術前画像データであり、
手術時撮像装置により取得される手術中画像データを記憶する工程であって、前記手術中画像データは、前記解剖学的構造と、前記手術時撮像装置により検出可能な画像マーカーおよび前記追跡システムにより検出可能な別のマーカーを含んだ少なくとも1つの組み合わせマーカーとを表すことと、
画像空間変換を算出して前記手術中画像データを前記共通の座標系に登録する工程とをさらに含む付記1~4のいずれか一項に記載の方法。
前記共通の座標系は、前記手術前画像データの座標系を含む、付記5に記載の方法。
[付記7]
前記手術中画像データに基づいて前記画像マーカー用のマーカー座標系を算出する工程と、
前記画像マーカー座標系に基づいて画像マーカー変換行列を算出する工程と、
前記画像マーカー変換行列および前記画像空間変換に基づいて放射線変換行列を算出する工程とをさらに含む付記5に記載の方法。
手術中に取得される追跡データに基づいて各組み合わせマーカー用の追跡マーカー座標系を決定する工程と、
前記追跡マーカー座標系を前記放射線変換に適用することに基づいて登録行列を、前記登録行列により前記追跡システムの座標系から前記共通の座標系への変換が得られるように算出する工程と、
手術中に取得される追跡データに前記登録行列を適用して前記共通の三次元座標系に前記追跡データを登録する工程とをさらに含む付記7に記載の方法。
前記共通の座標系は、患者の前記手術前画像データの座標系を含む、付記8に記載の方法。
前記追跡データは、前記追跡システムが患者に非電離放射線を当てることに応答して生成される、付記8に記載の方法。
前記少なくとも1つの組み合わせマーカーは複数の組み合わせマーカーをさらに含み、各追跡マーカー座標系は、手術中に取得される追跡データに基づいて前記組み合わせマーカーのそれぞれに対して決定されており、
前記各追跡マーカー座標系を前記放射線変換に適用することに基づいて、前記複数の組み合わせマーカーのそれぞれの合成変換行列が算出され、
算出された前記合成変換行列のそれぞれを合計して前記登録行列を提供する工程をさらに含む付記8に記載の方法。
前記追跡データは、前記追跡システムにより経時的に生成される前記追跡データの複数のフレームを含み、前記複数のフレームのそれぞれの追跡データは、前記追跡座標系における前記物体の位置および向きを含み、
前記追跡マーカー座標系を決定する工程および前記登録行列を算出する工程は、前記出力画像が経時的に動的な変化をするように、追跡データの前記複数のフレームのそれぞれに対して繰り返される、付記8に記載の方法。
患者固有の前記陰関数モデルは、前記解剖学的構造の幾何学形状の表面および中心線を表すパラメータを含んだロフト型の基底スプラインを有する、付記1~12のいずれか一項に記載の方法。
患者の前記解剖学的構造は、管腔を含んだ細長の管状構造を有する、付記13に記載の方法。
患者の前記解剖学的構造は、少なくとも1つの血管、胃腸管の一部、気道の一部、または生殖管の一部を含む、付記13に記載の方法。
前記出力画像を生成する工程は、患者固有の前記陰関数モデルおよび登録された前記追跡データに基づいて、患者の前記解剖学的構造の幾何学形状に対する前記物体の複数の異なる同時ビューを同時にレンダリングする工程をさらに含む、付記1~15のいずれか一項に記載の方法。
前記物体には複数のセンサが取り付けられており、前記追跡データは、前記出力画像が前記複数のセンサから得られる前記物体の形状を表すように、前記複数のセンサの各位置を特定する追跡データを含む、付記1~16のいずれか一項に記載の方法。
付記1~17のいずれか一項に記載の方法を実行するようにプログラミングされた命令を有する1つまたはそれ以上の機械可読媒体。
追跡データを記憶するメモリであって、前記追跡データは、追跡システムにより生成されて追跡座標系における物体の位置を表すことと、
患者固有の陰関数モデルを記憶して患者の解剖学的構造の幾何学形状を画像座標系において定義するメモリと、
前記追跡データおよび画像データに基づいて登録行列を算出するようにプログラミングされた登録エンジンであって、前記登録エンジンは、前記登録行列を前記追跡データに適用して前記追跡データを前記追跡システムの座標系から前記画像座標系に変換するようにプログラミングされていることと、
前記画像座標系における患者の前記解剖学的構造の幾何学形状に対する前記物体の位置を表すグラフィカル画像を生成する出力ジェネレータとを備えるシステム。
付記19に記載のシステムは、非電離電磁場を生成するように構成された前記追跡システムをさらに備え、前記物体は、前記追跡システムにセンサ信号を提供する少なくとも1つのセンサを備え、前記追跡システムは、前記センサ信号に基づいて前記追跡データを生成する、システム。
前記追跡システムは、前記少なくとも1つのセンサの位置を別々の時点で表す複数のフレームとして前記追跡データを提供し、前記複数のフレームのそれぞれの追跡データは、前記追跡座標系における前記物体の位置および向きを含み、前記登録エンジンは、前記複数のフレームのそれぞれに対して、登録される追跡データを生成する、付記20に記載のシステム。
手術時撮像装置により取得される手術中画像データを記憶するメモリであって、前記手術中画像データは、患者の前記解剖学的構造と、前記手術時撮像装置により検出可能な画像マーカーおよび前記追跡システムにより検出可能な別のマーカーを含んだ少なくとも1つの組み合わせマーカーとを表すことと、
画像空間変換を算出して前記手術中画像データを前記画像座標系に登録するようにプログラミングされた画像空間変換カリキュレータとをさらに備える付記19または20に記載のシステム。
前記手術中画像データに基づいて前記画像マーカー用の画像マーカー座標系を算出するようにプログラミングされたマーカー登録エンジンであって、前記マーカー登録エンジンは、前記画像マーカー座標系に基づいて画像マーカー変換行列を算出するようにプログラミングされていることと、
前記画像マーカー変換行列および前記画像空間変換に基づいて放射線変換行列を算出するようにプログラミングされた変換カリキュレータとをさらに備える付記22に記載のシステム。
前記登録エンジンは、
手術中に取得される追跡データに基づいて各組み合わせマーカー用の追跡マーカー座標系を決定するようにプログラミングされたマーカー特定機能と、
前記追跡マーカー座標系を前記放射線変換に適用することに基づいて登録行列を、前記登録行列により前記追跡システムの座標系から前記画像座標系への変換が得られるように算出するようプログラミングされた変換カリキュレータとをさらに備える、付記23に記載のシステム。
前記少なくとも1つの組み合わせマーカーは複数の組み合わせマーカーをさらに含み、各追跡マーカー座標系は、手術中に取得される追跡データに基づいて前記組み合わせマーカーのそれぞれに対して決定されており、
前記変換カリキュレータは、前記各追跡マーカー座標系および前記放射線変換に基づいて、前記複数の組み合わせマーカーのそれぞれの合成変換行列を算出するようにプログラミングされており、
前記登録エンジンは、前記合成変換行列のそれぞれを結合して前記登録行列を提供する総計部をさらに備える、付記24に記載のシステム。
付記24に記載のシステムは、前記少なくとも1つのセンサの位置を別々の時点で表す複数のフレームとして前記追跡データを生成するように構成された前記追跡システムをさらに備え、前記複数のフレームのそれぞれの追跡データは、前記追跡座標系における前記物体の位置および向きを含み、
前記マーカー特定機能および前記変換カリキュレータは、前記追跡データの前記複数のフレームのそれぞれについての各登録行列を算出するようにプログラミングされており、前記出力ジェネレータは、対応するフレームの各登録行列を対応するフレームの前記追跡データに適用することに基づいて、前記出力画像が経時的に動的な変化をするように前記グラフィカル画像を生成するようプログラミングされている、システム。
患者固有の前記陰関数モデルは、患者の解剖学的構造の幾何学の表面および中心線を表すパラメータを含んだロフト型の基底スプラインを有する、付記19,20,21,24,25または26に記載のシステム。
患者の解剖学的構造は、管腔を含んだ細長の管状の解剖学的構造を有する、付記27に記載のシステム。
前記追跡データは、追跡座標系における前記物体に設けられた複数のセンサの位置および向きを表すマルチセンサ追跡データを含み、前記登録エンジンは、前記画像座標系に登録された前記マルチセンサ追跡データを登録して、登録されたマルチセンサ追跡データを提供するようにプログラミングされており、
前記出力ジェネレータは、登録された前記マルチセンサ追跡データに基づいて、前記出力画像における前記物体の形状をレンダリングするようにプログラミングされた物体レンダリング機能をさらに備える、付記19,20,21,24,25,26,27または28に記載のシステム。
Claims (14)
- システムであって、
データおよび機械可読命令を格納するように構成された非一時的メモリであって、前記データは、
患者の解剖学的構造の幾何学形状を定義するパラメータを含む患者固有のモデルと、
電磁追跡システムによって生成された電磁場に応答して提供されるセンサ信号に基づいて経時的に記録される追跡データであって、別々の時点での前記電磁追跡システムの追跡座標系における物体に取り付けられたセンサの位置および向きを表すために取得された複数のフレームを含む、追跡データと
を含む、非一時的メモリと、
前記メモリにアクセスし、前記機械可読命令を実行するように構成されたプロセッサであって、前記機械可読命令は、
前記患者に配置された少なくとも1つの組み合わせマーカーデバイスに対する前記追跡座標系を放射線変換行列に適用することによって前記追跡データを共通の三次元座標系で登録するようにプログラムされた登録エンジンであって、前記放射線変換行列は、前記追跡座標系から前記共通の三次元座標系への変換を提供し、前記登録エンジンは、前記患者固有のモデルを前記追跡データと共に前記共通の三次元座標系で登録する、登録エンジンと、
前記追跡データおよび前記患者固有のモデルの登録に基づいて、前記解剖学的構造の仮想レンダリングと重ねられた前記物体の仮想レンダリングを含む出力画像を生成するようにプログラムされた出力ジェネレータであって、前記出力画像は、前記患者の解剖学的構造に対する前記物体の位置を表す、出力ジェネレータと、
前記追跡データおよび前記患者固有のモデルの登録に基づいて、指定された目標の解剖学的部位の位置に対する前記物体の位置を評価するようにプログラムされた誘導ジェネレータであって、該誘導ジェネレータはさらに、評価に基づいて前記出力画像で誘導を提供するようにプログラムされている、誘導ジェネレータと
前記解剖学的構造内で移動される物体に基づいて前記解剖学的構造の変形状態を識別し、識別された変形状態に基づいて前記患者固有のモデルを修正するようにプログラムされた位置補正機能であって、前記出力ジェネレータは、修正された解剖学的モデルに基づいて前記出力画像を生成するようにプログラムされている、位置補正機能と
を含む、プロセッサと
を備えるシステム。 - 前記機械可読命令は、前記物体に沿った所定の位置と前記指定された目標の解剖学的部位との間の相対的な近接度を計算するようにプログラムされた位置エバリュエータをさらに含み、前記誘導ジェネレータは、前記指定された目標の解剖学的部位の位置、または前記指定された目標の解剖学的部位の位置に到達する軌道を含むように前記誘導を提供するようにさらにプログラムされている、請求項1に記載のシステム。
- 前記誘導ジェネレータは、前記解剖学的構造内での前記物体の移動を容易にするために、前記出力画像においてグラフィカルインジケータを提供して、前記物体の遠位先端が向く方向を示すようにさらにプログラムされている、請求項2に記載のシステム。
- 前記指定された目標の解剖学的部位は、血管への入口を含み、前記出力ジェネレータは、前記遠位先端が、前記入口から所定の距離内にあると判定することに応答して色が変化する輪を入口に表示するようにプログラムされている、請求項3に記載のシステム。
- 前記入口は、小孔である、請求項4に記載のシステム。
- 前記位置補正機能は、さらに、前記患者固有のモデルに対して前記物体についての登録された追跡データを分析して、前記変形状態が存在するか否かを判定するようにプログラムされており、
前記追跡データによって表される前記物体の位置が前記患者固有のモデルに基づいて前記解剖学的構造の体積内にあることを検出したことに応答して、前記位置補正機能は、前記患者固有のモデルが前記位置補正機能によって変更されないままであるように前記変形状態が存在しないと判定し、
前記追跡データによって表される前記物体の位置が前記患者固有のモデルによって表される前記解剖学的構造の体積外にあることを検出したことに応答して、前記位置補正機能は、変形状態が存在すると判定し、前記位置補正機能は、前記変形状態に応じて前記患者固有のモデルを修正する、請求項1または2に記載のシステム。 - 前記位置補正機能は、変形量を含むように前記変形状態を計算し、対応する調整を前記変形量に基づいて前記患者固有のモデルに実施するようにさらにプログラムされている、請求項1、2または6に記載のシステム。
- 前記位置補正機能は、前記患者固有のモデルの成分の平行移動および/または回転を実施することにより、その長さに沿って前記患者固有のモデルの形状を調整するようにさらにプログラムされている、請求項7に記載のシステム。
- 前記追跡システムは、非電離電磁場を提供するフィールドジェネレータを含み、
前記センサは、前記非電離電磁場に基づいて前記センサ信号を提供するように構成された少なくとも1つのコイルを含み、前記追跡システムは、前記センサ信号に基づいて前記複数のフレームの各々に対して前記追跡データを提供して、前記複数のフレームの各々に対する前記追跡データが、前記追跡座標系での前記物体の三次元位置を含む、別々の時点での前記センサの位置および向きを表すようにする、請求項1または2に記載のシステム。 - 前記登録エンジンは、さらに前記患者について取得された手術前画像データおよび手術中画像データに基づいて前記放射線変換行列を生成するようにプログラムされており、
前記出力ジェネレータは、登録された追跡データに基づいて前記出力画像を提供して、前記共通の三次元座標系における前記患者の解剖学的構造の幾何学形状に対する前記物体の形状および三次元位置を表す、請求項1乃至9のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記少なくとも1つの組み合わせマーカーデバイスは、撮像装置により検出可能な画像マーカーと、前記追跡システムにより検出可能な別のマーカーとを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記放射線変換行列は、画像空間変換行列および画像マーカー変換行列に基づいて生成され、前記画像空間変換行列は、手術前画像データと、前記患者の前記解剖学的構造および前記患者に配置された前記少なくとも1つの組み合わせマーカーデバイスの手術中に撮影された1つまたは複数の画像を含む手術中画像データとに基づいて生成され、前記画像マーカー変換行列は、前記手術中画像データおよび追跡マーカー座標系に基づいて生成される、請求項1に記載のシステム。
- システムであって、
データおよび機械可読命令を格納するように構成された非一時的メモリであって、前記データは、
患者の解剖学的構造の幾何学形状を定義するパラメータを含む患者固有のモデルと、
電磁追跡システムによって生成された電磁場に応答して提供されるセンサ信号に基づいて経時的に記録される追跡データであって、別々の時点での前記電磁追跡システムの追跡座標系における物体に取り付けられたセンサの位置および向きを表すために取得された複数のフレームを含む、追跡データと
を含む、非一時的メモリと、
前記メモリにアクセスし、前記機械可読命令を実行するように構成されたプロセッサであって、前記機械可読命令は、
所定の変換行列に基づいて共通の三次元座標系で前記追跡データおよび前記患者固有のモデルを共に登録するようにプログラムされた登録エンジンと、
前記追跡データおよび前記患者固有のモデルの登録に基づいて、前記解剖学的構造の仮想レンダリングと重ねられた前記物体の仮想レンダリングを含む出力画像を生成するようにプログラムされた出力ジェネレータであって、前記出力画像は、前記患者の解剖学的構造に対する前記物体の位置を表す、出力ジェネレータと、
前記追跡データおよび前記患者固有のモデルの登録に基づいて、指定された目標の解剖学的部位の位置に対する前記物体の位置を評価するようにプログラムされた誘導ジェネレータであって、該誘導ジェネレータはさらに、評価に基づいて前記出力画像で誘導を提供するようにプログラムされている、誘導ジェネレータと、
前記解剖学的構造内で移動される前記物体に基づいて前記解剖学的構造の変形状態を識別し、識別された変形状態に基づいて前記患者固有のモデルを修正するようにプログラムされた位置補正機能であって、前記出力ジェネレータは、修正された解剖学的モデルに基づいて前記出力画像を生成するようにプログラムされている、位置補正機能と
を含む、プロセッサと
を備えるシステム。 - 前記位置補正機能は、さらに、前記患者固有のモデルに対して前記物体についての登録された追跡データを分析して、前記変形状態が存在するか否かを判定するようにプログラムされており、
前記追跡データによって表される前記物体の位置が前記患者固有のモデルに基づいて前記解剖学的構造の体積内にあることを検出したことに応答して、前記位置補正機能は、前記患者固有のモデルが前記位置補正機能によって変更されないままであるように前記変形状態が存在しないと判定し、
前記追跡データによって表される前記物体の位置が前記患者固有のモデルによって表される前記解剖学的構造の体積外にあることを検出したことに応答して、前記位置補正機能は、前記変形状態が存在すると判定し、前記位置補正機能は、前記変形状態に応じて前記患者固有のモデルを修正する、請求項13に記載のシステム。
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