JP2010522573A5 - 光学的位置測定ならびに剛性または半可撓性の針の標的への誘導のためのシステム - Google Patents

Description

本発明は、光学的追跡システムに関し、特に、光学的位置測定ならびに剛性または半可撓性のツールの標的への誘導のためのシステムおよび方法に関する。

本発明は、光学的位置測定ならびに剛性または半可撓性のツールの標的への誘導のためのシステムおよび方法である。
本発明の教示によると、少なくとも５つの自由度で身体に対して手持ち式の針の位置を測定するシステムが提供され、このシステムは、（ａ）身体の内部に挿入する遠位端を有する剛性または半可撓性のツール、および身体の外部で手動操作する近位部、（ｂ）画像を生成するカメラ、（ｃ）（ｉ）カメラがツールの近位部とともに移動し、（ｉｉ）カメラがツールの遠位端の少なくとも一部を含む視野を有しながら導かれるようにカメラをツールに取り付ける機械的リンク機構、ならびに（ｄ）カメラとデータ通信し、カメラの画像を処理し、ツールの少なくとも一部分の位置を決定するように構成された処理システムを備える。
本発明のさらなる特徴によると、複数の基準点を備えるために身体の外面に貼付されるように構成されたマーカー配列もまた備えられ、処理システムは、基準点に対する位置を決定する。
本発明のさらなる特徴によると、マーカー配列は、複数の基準点を担持する単一パッチとして実装される。
本発明のさらなる特徴によると、複数の基準点は、４つ１組の基準点を少なくとも１組含み、パッチは、この４つ１組の基準点を実質的に共通平面内に保持するように構成される。
本発明のさらなる特徴によると、パッチは、非光学的画像システムによって容易に検出されるように構成された複数のマーカーを含む。

本発明のさらなる特徴によると、マーカーは、パッチ上の基準点と一致する。
本発明のさらなる特徴によると、パッチは、ツールの遠位端の身体内への穿通点を示すように構成される。
本発明のさらなる特徴によると、複数の基準点は、第１の組の基準点と第１の組の基準点から光学的に識別可能な第２の組の基準点とを含み、第１の組の基準点は、第２の組の基準点よりもさらに狭い間隔で配置される。
本発明のさらなる特徴によると、処理システムは、さらにツールの遠位端の現在の先端位置を導出するように構成され、この導出は、ツールの屈曲を概算するステップと、現在の先端位置を決定するための屈曲の概算を採用するステップを含む。
本発明のさらなる特徴によると、カメラと処理システムの少なくとも一部分とは、共通のプロセッサーチップ上に実装される。

また、本発明の教示によると、身体内の標的に剛性または半可撓性のツールの遠位端を誘導する方法が提供され、そのツールは、身体外から手動操作する近位部を有し、その方法は、（ａ）身体の外面と標的とで規定される複数の光学的に識別可能な基準参照点（ｆｉｄｕｃｉａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｐｏｉｎｔｓ）間の空間的関係を決定するステップと、（ｂ）ツールの近位部に機械的に取り付けられるカメラを備えるステップと、（ｃ）ツールを身体内に挿入する間に（ｉ）複数の基準点を含む身体の外面の画像をカメラから得るステップと、（ｉｉ）遠位端の指示方向に導かれるツールの遠位端からの外挿（ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｉｏｎ）と、標的を含みツールの遠位端の指示方向に実質的に垂直な平面との交点に実質的に対応する現在の先端の投影（ｔｉｐ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）を、画像内の基準点の位置から導出するステップと、（ｉｉｉ）少なくとも標的の位置と現在の先端の投影のグラフィック表現を表示するステップとを含む。
本発明のさらなる特徴によると、身体の外面上にある複数の基準点は、マーカー配列を身体の外面に貼付することによって規定される。
本発明のさらなる特徴によると、マーカー配列は、複数の基準点を担持する単一パッチとして実現される。
本発明のさらなる特徴によると、複数の基準点は、４つ１組の基準点を少なくとも１組含み、パッチは、この４つ１組の基準点を実質的に共通平面内に保持するように構成される。
本発明のさらなる特徴によると、基準参照点と標的の空間的関係は、非光学的画像システムを使用して決定され、パッチは、非光学的画像システムによって容易に検出されるように構成された複数のマーカーを含む。

本発明のさらなる特徴によると、マーカーは、パッチ上の基準点と一致する。
本発明のさらなる特徴によると、ツールの身体内への挿入は、パッチを通じて行われる。
本発明のさらなる特徴によると、パッチは、ツールの遠位端の身体内への穿通点を示すように構成される。
本発明のさらなる特徴によると、ツールの遠位端の身体内への穿通点は、その方法の実行中にカメラ画像を処理することによって導出される。
本発明のさらなる特徴によると、複数の基準点は、第１の光学的に明確なマーキングを含む第１の組の基準点と、第１の光学的に明確なマーキングから光学的に識別可能な第２の光学的に明確なマーキングを含む第２の組の基準点とを含み、第１の組の基準点は、第２の組の基準点よりも穿通点により近い。
本発明のさらなる特徴によると、非光学的画像システムは、コンピュータ断層撮影システムである。
本発明のさらなる特徴によると、非光学的画像システムは、磁気共鳴画像システムである。

また、本発明の教示によると、身体内の標的に剛性または半可撓性のツールの遠位端を誘導する光誘導システムとともに使用する身体の皮膚に貼付するパッチが提供され、ツールは、身体外から手動操作する近位部を有し、そのパッチは、（ａ）皮膚に一時的に貼付する下面、（ｂ）１組の少なくとも４つの光学的に検出可能な基準点が備えられた上面、（ｃ）非光学的画像システムを使ってパッチの位置確認を容易にする非光学的画像システムの動作の下で高コントラスト点を備えるように構成された複数のコントラスト生成機能、および（ｄ）身体内へのツールの遠位端の穿通点を示すように構成された挿入形態を備える。
本発明のさらなる特徴によると、コントラスト生成機能は、Ｘ線を通さない機能として実装される。
本発明のさらなる特徴によると、Ｘ線を通さない機能は、基準点を形成するために採用されるダイ（ｄｉｅ）に添加されたＸ線を通さない物質として実装される。

本発明は、本明細書で添付図面を参照して、単なる一例として説明される。
本発明は、光学的位置測定ならびに剛性または半可撓性のツールの標的への誘導のためのシステムおよび方法である。
本発明によるシステムおよび方法の原理と操作は、図面および付随する説明を参照すると、よりよく理解される。

一般に、本発明は、少なくとも５つの自由度で身体に対する手持ち式のツールの位置を測定するシステムを提供する。このシステムは、身体内に挿入する遠位端を有する剛性または半可撓性のツールと、身体外から手動操作する近位部とで作動する。カメラがツールの近位部とともに移動し、かつカメラがツールの遠位端を含む視野で導かれるように、画像を生成するカメラが機械的リンク機構を介してツールに取り付けられる。処理システムが、カメラとデータ通信しており、カメラの画像を処理してツールの少なくとも一部分の位置を決定するように構成される。
また、本発明は、身体内の標的に剛性または半可撓性のツールの遠位端を誘導する方法を提供する。一般に、この方法は、身体の外面と標的に関して規定された複数の光学的に識別可能な基準参照点間の空間的関係を決定するステップを含む。ツールの近位部に機械的に取り付けられたカメラは、この場合、複数の基準点を含む身体の外面の画像を得るためにツールを身体内に挿入している間に使用される。この後、画像が処理されて、遠位端の指示方向に導かれるツールの遠位端からの外挿と、標的を含みツールの遠位端の指示方向に実質的に垂直な平面との交点に実質的に対応する現在の先端の投影を基準点の位置から導出する。この後、少なくとも標的の位置、および現在の先端の投影を示すグラフィック表現が表示され、それによって、標的へのツールの誘導が容易になる。
この段階において、本発明のシステムおよび方法は、前述の先行技術に比べて十分な利点を提供することが既に明らかである。具体的に、カメラをツールに直接取り付けることによって、ツールと身体の両方に対して外部に新たな基準系を使用することが回避される。本発明のこのような利点と他の利点は、以下の詳細な説明からさらに明らかになる。

ここで図面を参照すると、本発明による装置の基本的なセットアップが図１に示される。手持ち式のツール１００は、近位端１１０と遠位端１２２を有する。その遠位端は、標的１５０でのツールによって処置されるためにこの標的１５０に誘導される。追跡モジュール１１０は、ツールの近位端、好ましくはこの近位端のハンドルに固定状態に取り付けられる。追跡モジュールは、少なくとも適所にある、好ましくは標的１５０に対する方向でもあるツール１２０の遠位先端１２２の位置を示す。身体に対するツールの位置の決定は、追跡モジュールと身体の間で直接的に行われ、ツールと中間参照システムの間で中間測定を行う必要がない。追跡モジュール１１０の第１の好ましい実施形態において、追跡モジュールは、単一のカメラ１１５を含む。追跡モジュールの第２の好ましい実施形態において、追跡モジュールは、さらに第２のカメラ１１６を含む。これらのカメラは、標的１５０の一部分であり、あるいは定位置で標的１５０に隣接している複数の参照マーク１５５を画像化し、明確に識別するために使用される。同時に、カメラは、ツール１２０の少なくとも一部分も画像化する。
カメラ１１５および１１６は、カメラと処理システムの少なくとも一部とが共通のプロセッサーチップに実装されうるＣＭＯＳカメラなどの、自律単一チップ型のものが好ましい。この場合、チップは、典型的にはクロック発生器、タイミング発生器、行列セレクター、および／または シフトレジスター、出力ドライバー、必要に応じて露出補正機構、必要に応じて利得およびオフセット制御、ならびにビデオ信号をこの単一チップカメラに独立に生成させるために必要なその他の電子回路を含む、ビデオ信号の生成に必要なすべての電子回路を内蔵することが好ましい。ビデオという用語は、アナログ出力、デジタル出力、圧縮デジタル出力などを含む画像の流れを供給するいずれかのタイプのカメラ出力を表すために本明細書ではより広い意味で使用され、一般に考えられる連続ビデオのフレームレートでの出力を必ずしも意味しない。カメラは、周辺電子回路によって支えられるＣＣＤ技術で設計されて製造されうるが、論理セルと検出セルを同じ物理的なダイ内で結合することができるため、ＣＭＯＳ技術で製造されることが好ましい。カメラレンズは、単一のプラスチック成形レンズであることが好ましい。

システムは、ニードル、ポインターなどの細長いツールを導くために使用されてもよい。ツールは、剛性または半可撓性であってもよい。これに関連して、「剛性」という用語は、標的へのツールの誘導精度に著しい影響を与える程度まで通常の使用状態で屈曲しないツールを表すために使用される。これに関連して、「半可撓性」という用語は、通常の使用状態で、際立った形状の変化なしで撓むツールを表すために使用される。数値的には、「半可撓性」という用語は、通常の使用においてツールの長さの２倍よりも大きい、そして典型的にはツールの長さの少なくとも３倍の、屈曲に起因する曲率半径を維持するいずれかの細長いツールを表すために使用されてもよい。
本発明の一実施形態において、ツールの形状は、事前に分かる。別の実施形態において、ツールの形状は、画像による治療処置の間に決定される。前述の実施形態では、ツールの遠位部は、一部分に隠れているが、本発明は、遠位部がすべての操作において見える場合の用途にも適用可能である。このような実施形態において、ツールの遠位先端の位置は、ビデオ画像から直接随意的に決定される。

選択された標的に針をナビゲートする過程の例が図７〜図１０に示される。空のプラスチック製ボックスが身体として使用され、標的はその底面に接着され、調整ステッカーは、そのカバーに貼付される。まず、身体（ボックス）がＣＴスキャナーによってスキャンされる。スキャンされたデータは、コンピュータプログラムに供給される。このプログラムを使って、基準点の位置（図７ａ）と標的の位置（図７ｂ）がマークされる。図８に例が示されるように、小型カメラが簡単なアダプターによって針に取り付けられる。多くの場合、使用されるカメラのレンズは、図９ａに見られるように画像をゆがめており、図９ｂに示されるように補正される必要がある。図１０ａ〜図１０ｄは、システムのナビゲーション画面を示す。情報は、カメラの原画像１３００の上方に表示される。調整ステッカー１３３０は、８つの印刷されたマーカー、４つの緑色マーカー１３１０、および４つの青色マーカー１３１４を含む。原色を使用すると、画像処理中にマーカーの識別が容易になり、少なくとも医学的応用の場合、視野内の血液の存在に起因する混乱を避けるために赤色は使用しないことが好ましい。前述のように、他の種類の光学的に明確なマーキングは使用してもよい。青色マーカーは、緑色マーカーが広がる比較的広範な領域内に比較的狭い間隔で配置される。所定の孔１３２０には調整ステッカーを通して入る針のシャフト１１２０が示される。図１０ａでは針が屈曲しておらず、したがって、その軸１３２２は、針のシャフト１１２０と一致する。標的１３０２は、標的面において測定された直径が１０ｍｍのディスクを表示するように較正された青色の外側リングと、直径５ｍｍのディスクの緑色の内側ディスクとの、いずれも標的に中心がある２つの着色された同心ディスクによって示される。また、針の先端と標的との間の距離は、テキストボックス１３３２内に表示される。

図１０ｂに示されるように、標的の１つに針の照準を合わせると、この標的が自動的に選択され、この選択は、緑色から黄色への変化によって示される。誘導中に、システムは、針のシャフトの撓みを測定する。図１０ｃは、シャフト１１２０が撓んでいる場合を示す。この撓みがあるため、針１３２２の予測される経路（破線で示される）は、シャフトの画像と一致しない。十字レチクル１３０１は、距離に依存したサイズで表示され、それによって、奥行き感を与えることが好ましく、すなわち、先端から標的間の距離が減少するとレチクルのサイズが増加する（逆の場合も同様である）。ニードルを身体内に押し込むと、カメラと調整ステッカー間の距離が減少し、視野によってカバーされるステッカーの領域が減少する。その結果、図１０ｄに見られるように、緑色のマーカーがカメラ視野の外側で消えて、ツールを誘導する青色マーカーのみが残る。針の先端が標的の平面に達すると、十字レチクルが星形レチクル（図１０ｄの１３４１）に変化して、それ以上の前進が不要であることを通告する。
針の撓みを推測する際、典型的には、実際の入口点と理論上は撓みのない入口点との差の計算に基づく同様の概念的アプローチによって前述の光学追跡装置以外の追跡技術も使用されてもよい。このような技術は、ツールの近位端に位置センサーと、身体内へのツールの実際の入口点に隣接した別の位置センサーとを埋め込むことを含むが、これらに限定されない。もう１つの方法は、身体外の針のシャフトに沿ってマークされた座標をスキャンし、さらに、その座標から身体内の経路を予測することによって身体外の撓みを予測することである。このようなスキャニング過程は、光学式立体スキャナーなどのスキャナーによって実行されてもよい。
身体内の針の経路を予測する際、ＣＴデータは、予測経路に沿った組織の可撓性と密度など、一部の組織の機械的パラメーターを評価し、このパラメーターを使って針の撓みを予測するために使用されてもよい。

本発明によるシステムの基本原理を示す略等角図である。 本発明の教示によって構成され動作する追跡システムの好ましい実施形態の 略等角図である。 針の屈曲がない場合に標的への針の誘導方法を示す略側面図 である。 針の屈曲がない場合に標的への針の誘導方法を示す図３ａの 略側面図に対応するカメラ画像を示す図である。 針の屈曲から生じる誤差を示す略側面図である。 針の屈曲から生じる誤差を示す図４ａの略側面図に対応するカメラ画像を示す図である。 屈曲に起因する誤差の補償を示す、図４ａと同様の略側面図である。 屈曲に起因する誤差の補償を示す、図４ｂと同様の、図５ａに対応するカ メラ画像を示す図である。 本発明の好ましい実施に採用された数値計算の説明に使用される座標系の略 図である。 サンプル対象としてプラスチック製ボックスを使って示される手順の計画 段階の局面を例示するスクリーンショットを示す図である。 サンプル対象としてプラスチック製ボックスを使って示される手順の計画 段階の局面を例示するスクリーンショットを示す図である。 本発明による小型カメラを備えた２本の針の側面図である。 補正されていない、ひずんだ視野を示す本発明の小型カメラからのサンプ ル画像を示す図である。 図９ａの補正版を示す本発明の小型カメラからのサンプル画像を示す図で ある。 図７ａおよび図７ｂのサンプル対象で実行される例示的な手順の実行中 の異なる段階における本発明の表示を示す図である。 図７ａおよび図７ｂのサンプル対象で実行される例示的な手順の実行中 の異なる段階における本発明の表示を示す図である。 図７ａおよび図７ｂのサンプル対象で実行される例示的な手順の実行中 の異なる段階における本発明の表示を示す図である。 図７ａおよび図７ｂのサンプル対象で実行される例示的な手順の実行中 の異なる段階における本発明の表示を示す図である。 本発明の教示による、ツールの遠位先端の指示方向の好ましい補正技法を 示す略側面図である。

Claims (13)

1. 少なくとも５つの自由度で身体に対する手持ち式の針の位置を測定するシステムであって、
   （ａ）身体の内部に挿入する遠位端と、前記身体の外部で手動操作する近位部とを有する剛性または半可撓性のツールと、
   （ｂ）前記身体内への針の挿入点において前記身体の外表面に適用されるように構成され、複数の基準点を定義している光学的に検出可能な特徴によってマーカー配列を担持するパッチと、
   （ｃ）画像を生成するカメラと、
   （ｄ）（ｉ）カメラが、前記針の前記近位部とともに移動し、（ｉｉ）前記カメラが、前記パッチが前記身体の外面に配される際に前記パッチの少なくとも一部と、前記身体内に挿入される際に前記針の遠位端を含む視野を有して向けられるように、前記針の近位部に前記カメラを取り付ける機械的リンク機構と、
   （ｅ）前記カメラとデータ通信し、前記基準点に対して前記針の少なくとも一部の位置を決定するために前記カメラの画像を処理するように構成された処理システムと、
   を備える、システム。
2. 前記複数の基準点は、４つ１組の基準点を少なくとも１組を含み、前記パッチは、前記４つ１組の基準点を実質的に共通平面内に保持するように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記マーカー配列は、非光学的画像システムによって容易に検出されるように構成された複数のマーカーを含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記マーカーは、前記パッチ上の前記基準点と一致する位置が位置決めされる、請求項３に記載のシステム。
5. 前記パッチは、前記針の前記遠位端の前記身体の内部への穿通点を示すように構成される、請求項１に記載のシステム。
6. 前記光学的に検出可能な特徴によって、第１の組の基準点と前記第１の組の基準点から光学的に識別可能な第２の組の基準点とが定義され、前記第１の組の基準点は、前記第２の組の基準点よりもさらに狭い間隔で配置される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記針が半可撓性の針であり、処理システムは、さらに前記針の前記遠位端の現在の先端位置を導出するように構成され、当該先端位置の導出が、現在のカメラ位置と前記身体への前記針の穿通点の組合せから前記針の屈曲の概算を算出することと、前記現在の先端位置を決定するために前記屈曲の概算を採用することを含む、請求項１に記載のシステム。
8. 前記カメラと前記処理システムの少なくとも一部とは、共通のプロセッサーチップ上に存在する、請求項１に記載のシステム。
9. 前記処理システムが、（ａ）前記遠位端の指示方向に導かれる前記針の前記遠位端からの外挿と、前記標的を含み前記針の前記遠位端の前記指示方向に実質的に垂直な平面との交点に実質的に対応する現在の先端の投影を、前記画像内に前記基準点の位置から導出し、（ｂ）少なくとも前記標的の位置と前記現在の先端の投影のグラフィック表現を提供するために表示するように構成されてなる請求項１に記載のシステム。
10. 前記処理システムが、前記針の挿入中に前記カメラ画像を処理することによって前記針の前記遠位端の前記身体の内部への穿通点を導出するように構成される、請求項１に記載のシステム。
11. 請求項１記載のシステムと共に使用するためのパッチであって、
    （ａ）前記皮膚に一時的に貼付する下面と、
    （ｂ）１組の少なくとも４つの光学的に検出可能な基準点が備えられた上面と、
    （ｃ）非光学的画像システムを使って前記パッチの位置確認を容易にする非光学的画像システムの動作の下で高コントラスト点を備えるように構成された複数のコントラスト生成機能と、
    （ｄ）前記身体の内部への前記針の前記遠位端の穿通点を示すように構成された挿入形態を備えてなるパッチ。
12. 前記コントラスト生成機能は、Ｘ線を通さない機能として実装される、請求項１１に記載の前記パッチ。
13. 前記Ｘ線を通さない機能は、前記基準点を形成するために採用されるダイに付加されたＸ線を通さない物質として実装される、請求項１２に記載の前記パッチ。