JP5410021B2

JP5410021B2 - 医用画像診断装置

Info

Publication number: JP5410021B2
Application number: JP2008011734A
Authority: JP
Inventors: 秀和仲本
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2008-01-22
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2028-01-22
Also published as: JP2009172050A

Description

本発明は、磁気共鳴イメージング装置、ＣＴ装置等の医用画像診断装置に関する。

患者による医療機関の選別及び治療方法の選択肢の広がりにより、低侵襲治療が普及しつつあり、外科手術手技は大切開手術から内視鏡下手術への移行が加速している。一方で内視鏡下手術では、限定された視野と手術空間により手技・適応の制約や術者ストレスの増大という問題を生じている。

その解決方法として、内視鏡映像上にセグメンテーション特定領域を表示する機能が特許文献１に提案されているが、手術に必要な情報は不足している。また、腹部一般の内視鏡外科手術では腹部臓器が術中に変形・移動するため、直視不可能な部位では腫瘍の位置を常に把握することが難しく、術具を腫瘍の位置に誘導するのに多くの時間を要することがあった。

近年、術中の磁気共鳴イメージング画像（ＭＲＩ画像）を用いて穿刺針などの術具を目標部位に到達させるＩ−ＭＲＩ（Interventional MRI）システムが登場し、いくつかの報告がなされている。具体的には、グラフィカルユーザインタフェースにＭＲＩ画像を表示して、画面上のボタンをクリックして、次に撮像する断層面を決定する方法（非特許文献１）や、３次元マウスなどを使う方法（特許文献２）などが提案されている。

これらの方法では、撮像する断層面の位置や向きをマウスなどの入力手段で調整、設定しなければならず煩雑なので、ＭＲＩ装置としては、より簡便に撮像する断層面の位置や向きを調整、設定できることが望ましい。その手法として、特許文献３や特許文献４などの断層面指示デバイス（ポインタなど）を用いて撮像する断層面を決定するＭＲＩ装置が提案されている（ＩＳＣ）。

特許文献３に記載の技術は、断層面指示デバイスであるポインタに発光ダイオードが設けられ、操作者がポインタで指し示した位置を赤外線カメラで検出したり、関節にセンサが備えられたアームの先端部にポインタを設け、アームの関節の角度などでポインタの位置を検出し、これに基づいて、断層面を自動的に調整するものである。また、特許文献４に記載の技術は、２個の赤外線カメラと３個の反射球を備えたポインタとを使って指示した断層面を自動的に決定して撮像するものである。

また、位置検出装置と過去に撮像したボリュームデータを用いた手術ナビゲーションシステムが知られている。このシステムは、手術時に患者に対してポインタなどにより指定される位置を、この位置を含む患者の直交３平面それぞれを断面とする断層画像上に表示することにより手術操作をナビゲーションするシステムであり、脳神経外科手術などの高精度の外科手術に適用されている。

ここで、このような手術ナビゲーションシステムにおける患者の断層画像は、予め、ＭＲＩ装置によって撮像した３次元のデータであるボリュームデータにより生成される。

一方、ポインタによる指定位置を定めるために必要とされるポインタの位置検出の方式には、機械式、光学式、磁気式、超音波式などの方式がある。ポインタで検出した術具位置は検出装置毎の装置座標を持っており、ＭＲＩ装置に組み込むには座標変換・統合機能が必要となる。Ｉ−ＭＲＩにおけるＭＲＩ装置と他の術具位置座標を統一するためのレジストレーションに関しては、特許文献５に記載されている。

特開２００７−７０４１号公報米国特許第５５１２８２７号明細書米国特許第５３６５９２７号明細書米国特許第６０２６３１５号明細書特開２００５−３１２６９８号公報 Magnetic Resonance in Medicine: Real-time interactive MRI on a conventional scanner; AB，Kerr他、３８巻、ｐｐ．３５５−３６７（１９９７）

上記Ｉ−ＭＲＩにおける内視鏡画像重畳や各種ナビゲーションを併用した方法は有効な手段であり、術者の要望に応じた情報を提供することができる。

しかし、複数のディスプレイが配置され、各ディスプレイに、それぞれ異なる情報が表示されていた。例えば、一つのディスプレイには目的部位に対する未治療領域が表示され、他のディスプレイには目的部位に対する針や術具の位置が表示され、さらに、その他のディスプレイにその他の情報が表示されていた。

このため、術者にとっては、繁雑化された情報が表示されている状況となっており、必要な情報を瞬時に得ることができなかった。

また、作業状況に応じて、その状況に応じた表示を行っているディスプレイを見分けなければならないため、手術の支援手段として改善すべき点があった。

本発明の目的は、各種のナビゲーション情報や手術情報を一画面に集約して表示し、向上した手術支援が可能な医用画像診断装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。

本発明の医用画像診断装置は、被検体内を撮像する撮像手段と、術具の位置を検出する術具位置検出手段と、前記撮像手段により取得した画像を表示する表示手段と、を有し、前記画像を用いて抽出された前記被検体内の特定領域を、未治療領域と治療領域に識別すると共に、前記術具位置検出手段によって検出された前記術具の位置と対応する前記被検体内の領域として予想される予想治療領域と、前記未治療領域と予想治療領域に基づいて前記術具位置検出手段によって検出された前記術具の位置では未治療と予想される予想未治療領域と、前記未治療領域に対応する術具までの予想経路と、を算出し、前記未治療領域、治療領域、予想治療領域、予想未治療領域、及び予想経路を、前記表示手段の一画面上に表示する。

各種のナビゲーション情報や手術情報を一画面に集約して表示し、向上した手術支援が可能な医用画像診断装置を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

なお、以下の実施形態は、本発明による医用画像診断装置を磁気共鳴メージング装置（ＭＲＩ装置）に適用した場合の例である。

まず、本発明が適用されるＭＲＩ装置の全体概略構成について、図８を参照して説明する。図８において、ＭＲＩ装置１は、例えば、垂直磁場方式０．３Ｔの永久磁石式である。ＭＲＩ装置１は、垂直な静磁場を発生させる上部磁石３と、下部磁石５と、これら磁石３、５を互いに連結するとともに上部磁石３を支持する支柱７と、位置検出デバイス９と、アーム１１と、モニタ１３、１４と、モニタ支持部１５と、基準ツール１７と、キーボード及びマウス等の操作手段やディスプレイ等を備えたパーソナルコンピュータ１９と、ベッド２１と、制御部２３とを備えている。

ＭＲＩ装置１の図示しない傾斜磁場発生部は、領斜磁場をパルス的に発生させ、最大傾磁場強度１５ｍＴ／ｍで、スルーレート２０ｍＴ／ｍ／ｍｓである。更に、ＭＲＩ装置１は、静磁場中の被検体２４に核磁気共鳴を生じさせるための図示しないＲＦ送信器、被検体２４からの核磁気共鳴信号を受信する図示しないＲＦ受信器を備え、これらは１２．８ＭＨｚの共振型コイルである。

位置検出デバイス９は、２台の赤外線カメラ２５と、赤外線を発光する図示しない発光ダイオードを含んで構成され、断層面指示デバイスであるポインタ２７の位置及び姿勢を検出するものである。また、位置検出デバイス９は、アーム１１により移動可能に上部磁石３に連結され、図８に示すように、ＭＲＩ装置１に対する配置を適宜変更することができる。

また、モニタ１３、１４は、図８に示すように、操作者２９が把持するポインタ２７により指示された被検体２４の断層面の画像や内視鏡３６の映像等を表示するもので、モニタ支持部１５により、赤外線カメラ２５と同様に、上部磁石３に連結されている。基準ツール１７は、赤外線カメラ２５の座標系とＭＲＩ装置１の座標系をリンクさせるもので、３つの反射球３５を備え、上部磁石３の側面に設けられている。

パーソナルコンピュータ１９には、赤外線カメラ２５が検出し算出したポインタ２７の位置が、位置データとして、例えば、ＲＳ２３２Ｃケーブル３３を介して送信される。制御部２３は、ワークステーションで構成され、図示しないＲＦ送信器、ＲＦ受信器などを制御する。

また、制御部２３は、パーソナルコンピュータ１９と接続されている。パーソナルコンピュータ１９では赤外線カメラ２５が検出し算出したポインタ２７の位置をＭＲＩ装置１で利用可能な位置データに変換し制御部２３へ送信し、映像記録装置３４で記録する。

位置データは、撮像シーケンスの撮像断面へ反映される。新たな撮像断面で取得された画像は液晶モニタ１３、１４に表示される。例えば、断層面指示デバイスであるポインタ２７を穿刺針などにとりつけ、穿刺針のある位置を常に撮像断面とする様に構成した場合、モニタ１３、１４には針を常に含む断面が表示されることになる。

次に、上記構成のＭＲＩ装置において、手術支援動作の全体フローについて説明する。この手術支援動作はパーソナルコンピュータ１９が予めメモリに記憶されたプログラムに従って、制御部２３を介して実行される。

図１は、上記手術支援動作の全体動作フローチャートである。また、図２は、治療領域シミュレーションの動作フローチャートである。

図１において、患者をＭＲＩ装置内部へ搬入後、３Ｄボリューム撮像を行い（ステップ１０１）、得られたボリューム画像を用いてターゲット（治療領域）について特定領域抽出（セグメンテーション）を行なう（ステップ１０２）。更に、既存技術の方法にてレジストレーションを行った後（ステップ１０３）、手術が開始される（ステップ１０４）。ここでは、術中ガイド機能を併用することを前提としていることから、術具追随を開始する。

手術の状況に応じて、各種設定変更を行う（ステップ１０５）。ここで、アラームを発する閾値を予め設定しておく。実際に術具追随をすることで、内視鏡、各セグメンテーション領域、各術具の位置が把握できることから、それぞれの距離が明確となり、閾値に応じて警告を発することができる。内視鏡−各セグメンテーション領域間の距離Ａ_１〜Ａ_ｉを算出し（ステップ１０６）、内視鏡と各セグメンテーション領域との距離が予め規定した距離よりも下回った場合にはアラーム及び警告表示を行う（ステップ１０７）。

各術具−各セグメンテーション領域間の距離Ｂ_１〜Ｂ_ｉを算出し（ステップ１０８）、術具と各セグメンテーション領域との距離が予め規定した距離よりも下回った場合にはアラーム及び色分け警告表示を行う（ステップ１０９）。

内視鏡−各術具間の距離Ｃ_１〜Ｃ_ｉを算出し（ステップ１１０）、内視鏡と術具との距離が予め規定した距離よりも下回った場合にはアラーム及び色分け警告表示を行う（ステップ１１１）。これより、各種アラームを視覚又は聴覚で得ることができる。

次に、治療領域シミュレーション（ステップ１１２）の機能について図２を参照して説明する。図２において、治療領域シミュレーションは、術具位置から推定することができるので、現在の術具位置における治療領域シミュレーションを行い（ステップ１１３）、そのシミュレーション結果からセグメンテーション領域（手術対象領域）を減算し、治療領域と未治療領域（残治療領域）を予測する（ステップ１１４）。

治療領域（予測）を色分け表示し（ステップ１１５）、未治療領域（予測）を色分け表示する（ステップ１１６）。この色分け表示により、術者に対して、状況を視覚的に伝えることができる。更なる機能として、現針位置・方向から未治療領域までの経路を計算する機能を有しており（ステップ１１７）、ＧＵＩ上に求めた経路（数値座標、経路）を表示する（ステップ１１８）。

ここで、表示する経路は２通りあり、ターゲット全体が治療できるように針位置を修正する経路（ルート）と、未治療領域のみを新たなターゲットとして別ルートからアクセスする経路とがある。術者は必要に応じて経路を選択し、針位置の修正を行うこととなる（ステップ１１９）。

ここで、修正後の位置で再度シミュレーションを行い（ステップ１２０）、シミュレーション領域がターゲット位置を覆ったか否かを判定し（ステップ１２１）、覆っている場合にはその位置で実際の治療を開始し（ステップ１２１）終了となる。ステップ１２１で、シミュレーション領域がターゲット位置を覆っていないと判定した場合は、手術の間、上記術具再描写が連続して行われることとなる。つまり、図１に示したステップ１０５に戻る。

次に、実空間と内視鏡映像とを対比して示す図３を参照して、セグメンテーション画像の重畳機能仕様について説明する。図３において、術者３０１は内視鏡映像３０２を用いて手術を行う。つまり、内視鏡映像３０２を中心とすることから、周りの術具（術具１（３０５）、術具２（３０６））が画像上に表示されることとなる。同様に、セグメンテーション画像３０３、３０４も内視鏡映像の相対位置に重畳される。セグメンテーション内部の透明度についてはユーザが適切な値に設定可能とする。

図４は、内視鏡位置と画像重畳表示の相対関係についての説明図である。図４において、患者４０１のターゲット領域４０２となる部位に内視鏡３０２を設置するが、内視鏡３０２とセグメンテーション画像４０３の関係はＭＲＩ装置座標にて一義的に定義され、重畳映像として表示される４０４（ＣＡＳＥ１）。

一方、患者４０１に対して内視鏡３０２をＣＡＳＥ１とは逆側に設置し、ターゲット４０２を描出すると、実空間上において内視鏡座標も変更され、重畳映像上にはセグメンテーション画像位置が相対的に変更されたものが再描写されることとなる（ＣＡＳＥ２）。

図５は、セグメンテーション機能についての説明図である。図５において、３Ｄボリューム画像は、医療用のデジタル画像と通信に関する標準規格であるＤＩＣＯＭデータとしてパーソナルコンピュータ１９内に記憶手段に保存されており、必要に応じてセグメンテーションを行う。

ここで、セグメンテーションを３つ行うこととすると、セグメンテーション５０４に対してＤＩＣＯＭデータ５０１を１ボリュームデータとして保存する。同様に各セグメンテーション５０５、５０６に対して各ＤＩＣＯＭデータ５０２、５０３をそれぞれ保存する。ここで、ＤＩＣＯＭデータはＭＲＩ装置１に準拠した座標を持っているので、手術支援に適用した場合に内視鏡３０２の位置座標に対して、各セグメンテーション画像５１０、５１２、５１１（セグメンテーション５０４、５０５、５０６に対応する）も座標を統合でき、内視鏡映像５０７にそれぞれ重畳表示可能となる。

図６は、画像重畳ソフトＧＵＩの基本構成例を示す図である。図６において、手術はディスプレイ６０１に表示された３Ｄ撮像ボタン６１１、セグメンテーションボタン６１２、レジストレーションボタン６１３を操作して開始する。

ディスプレイ６０１は内視鏡映像を表示する場所６０２、メッセージを表示する場所６０３、術具間の距離や各種情報を表示する場所６０４、セグメンテーションと術具を三次元表示する場所６０５、操作を行う場所６０６、セグメンテーション領域の表示／非表示を選択する場所６０７で構成されている。

ここで、内視鏡映像表示部６０２は、常に内視鏡を中心（正面）に表示するものとし、術具６３０の位置を投影表示し、セグメンテーション画像６０８、６０９、６１０についても相対位置に投影表示する。但し、セグメンテーション画像６０８、６０９、６１０は場所６０７にて表示／非表示を選択することができ、術者の好みに応じてカスタマイズすることができる。

メッセージ６０３は状況に応じて変更され、危険度の高い警告時は、表示の他に音による通知機能も有している。また、距離情報も必要に応じて表示でき、距離Ａ表示ボタン６１４を押下げると、距離情報表示部６０４に距離Ａに関する情報が表示され、距離Ｂ表示ボタン６１５を押下げると、距離情報表示部６０４に距離Ｂに関する情報が表示される。

ここで、設定変更ボタン６２２により予め閾値を設定することにより、閾値よりも低い値になった場合には警告表示部６４０で赤色による警告表示が行われる。図示した例では閾値を１５ｍｍと指定してある。また、アラームボタン６２１を予め押下しておくことで、警告音による通知もすることができる。

内視鏡映像上に術具やセグメンテーション情報を重畳表示することで、手術に必要な情報量は増えるものの投影表示するため立体的な奥行き感が分からなくなる。

そこで、三次元表示部６０５には立体的な絶対空間上に内視鏡３０２、術具６３０、セグメンテーション領域６０８、６０９、６１０を配置して、立体情報（奥行き情報）を描写できるようにした。

図７は、治療領域シミュレーションによる手術経路描出の方法を示す図である。図７に示した画面は、図６に示した画面と基本構成は同等であるが、ここでは距離Ｃ表示ボタン６１６を押下して、距離情報表示部６０４に距離Ｃに関する情報７０１も表示されている。当然ながら、術具位置情報に応じて距離情報表示部６０４やメッセージ表示部６０３に表示された距離やメッセージもリアルタイムに変更される。

ここで、治療シミュレーションボタン６１７を押下げすることで、現在の針位置６３０に対する治療シミュレーションが行われる（予想治療領域７０２）。更に、治療領域表示ボタン６１８を押下げすることで治療領域７０３が表示され、未治療領域表示ボタン６１９を押下げすることで未治療領域７０４が表示される。領域７０３と７０４とは色分け表示される。

また、経路表示ボタン６２０を押下することで未治療領域７０４までの経路をシミュレーション・表示される（破線７１１）。また、計算経路の値（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向及び直線距離）も表示される（領域７２０）。必要に応じて、仮想治療領域（予想未治療領域７１２）も表示されることから、術者はシミュレーション結果を参考にして実際の治療を実施することができる。

なお、図７においては、領域７０３、７０４と領域７１２とは重ねて表示されているが、領域７１２のみ画面に表示し、他の領域７０３、７０４は表示しなうように構成することができる。

図９は、ＭＲＩガイド併用時のＧＵＩ構成を示す図である。図９に示した臨床画面９０１の構成は、画像表示部９０２、手術支援メッセージ部９０３及びボタン９０４、９０９、９１２、９１５によって成り立っている。

まず、手術前において、３ＤＳｃａｎボタン９０４を押下げて、３Ｄ撮像を行い、Ａｘｉａｌ画像９０５、Ｓａｇｉｔａｌ画像９０６、Ｃｏｌｏｎａｌ画像９０７、ＶｏｌｕｍｅＲｅｎｄｅｒｉｎｇ画像９０８が画面上に表示される。

セグメンテーションボタン９０９を押下げて、３Ｄ画像９１０及びＶｏｌｕｍｅＲｅｎｄｅｒｉｎｇ画像９０８を用いて特定領域・ターゲット９１１を設定する。

また、必要に応じて、ＩＳＣボタン９１２やナビゲーションボタン９１５を押下げすることによりこれらの機能を併用することができる。ＩＳＣボタン９１２を押下げすることにより、専用画面９１３に術具９１４を含む二次元画像が表示され、三次元画面９１０にセグメンテーション領域９１１や術具位置９１４を表示することができる。

ナビゲーションボタン９１５は、画像表示部９０２のＡｘｉａｌ画像９０５、Ｓａｇｉｔａｌ画像９０６、Ｃｏｌｏｎａｌ画像９０７、ＶｏｌｕｍｅＲｅｎｄｅｒｉｎｇ画像９０８の画面上に術具９１６を表示する機能であり、三次元的な位置構成を視覚的に判断することができる。その他、装置情報、患者情報、各種機能情報、術具情報の詳細を表示する場所もある（場所１０３０）。

上記高機能内視鏡重畳機能は、人為的な手術・ロボット手術の何れの環境においてもその効果を十分に発揮し、治療の精度を向上させることができる。また、重畳画像は保存可能なことから術後に再度見直すことも可能であり、患者への説明や記録としておくこともできる。

以上のように、本発明によれば、手術予定の予定治療領域を画面に表示し、実際に治療が終了した領域を未治療領域と区別して表示するとともに、現在の術具位置及び未治療領域に対する手術経路を一画面上に表示するように構成したので、向上した手術支援が可能な医用画像診断装置を実現することができる。

また、術具と未治療領域との距離、内視鏡と術具との距離等の距離情報も表示し、その距離が一定値以下となったときには、警報を行なうように構成したので、より、手術支援の向上化が図られている。

このため、術者は、複数のディスプレイに分散して表示された画面画像重畳画面、各種ナビゲーション画面を必要に応じて見分けなければならないという労力から解放され、術者は視線を切り換えることがなく手術支援情報を得ることができ、治療時間短縮と治療精度向上が可能となる。また、術者・患者に対する負担も軽減できる。

上記実施形態は、ＭＲＩ装置を例として説明したが、本発明は、ＭＲＩ装置のみならず、ＣＴ装置等の他の医用画像診断装置に適用可能である。

本発明の一実施形態における手術支援動作の全体動作フローチャートである。本発明の一実施形態における治療領域シミュレーションの動作フローチャートである。本発明の一実施形態における内視鏡映像とセグメンテーション領域の重畳機能を説明する図である。本発明の一実施形態における内視鏡位置と画像重畳表示の相対関係についての説明図である。本発明の一実施形態におけるセグメンテーション機能についての説明図である。本発明の一実施形態におけるＧＵＩ・基本構成を示す図である。本発明の一実施形態における治療領域シミュレーションによる手術経路描出の方法を示す図である。本発明が適用されるＭＲＩ装置の概略構成図である。本発明の一実施形態におけるＧＵＩ構成を示す図である。

符号の説明

１・・・ＭＲＩ装置、３・・・上部磁石、５・・・下部磁石、７・・・支柱、９・・・位置検出デバイス、１１・・・アーム、１３・・・モニタ１、１４・・・モニタ２、１５・・・モニタ支持部、１７・・・基準ツール、１９・・・パーソナルコンピュータ、２１・・・ベッド、２３・・・制御部、２４・・・被検体、２５・・・赤外線カメラ、２７・・・ポインタ、２９・・・操作者、３３・・・ケーブル、３４・・・映像記録装置、３５・・・反射球、３６・・・内視鏡、６０１・・・ディスプレイ、６０３・・・メッセージ表示部、６０４・・・距離情報表示部、６０５・・・三次元表示部、６０６・・・操作部、６３０・・・術具位置、７０２・・・予想治療領域、７０３・・・治療領域。７０４・・・未治療領域、７１１・・・未治療領域までの経路、７１２・・・予想未治療領域

Claims

医用画像診断装置において、被検体内を撮像する撮像手段と、術具の位置を検出する術具位置検出手段と、前記撮像手段により取得した画像を表示する表示手段と、を有する医用画像診断装置であって、
前記画像を用いて抽出された前記被検体内の特定領域を、未治療領域と治療領域に識別すると共に、前記術具位置検出手段によって検出された前記術具の位置と対応する前記被検体内の領域として予想される予想治療領域と、前記未治療領域と予想治療領域に基づいて前記術具位置検出手段によって検出された前記術具の位置では未治療と予想される予想未治療領域と、前記未治療領域に対応する術具までの予想経路と、を算出し、前記未治療領域、治療領域、予想治療領域、予想未治療領域、及び予想経路を、前記表示手段の一画面上に表示すること
を特徴とする医用画像診断装置。
前記術具位置検出手段は、更に内視鏡の位置を検出し、
前記抽出した特定領域と、前記検出した術具と内視鏡の位置情報と、に基づいて、前記特定領域と前記術具、前記特定領域と前記内視鏡、前記術具と前記内視鏡、とのそれぞれの距離を算出し、該算出した値を前記表示手段の一画面上に表示すること
を特徴とする請求項１に記載の医用画像診断装置。
前記算出した距離が予め定めた値以内である場合、前記表示手段の一画面上に警報を示す表示をすることを特徴とする請求項２に記載の医用画像診断装置。
前記未治療領域と前記治療領域とは異なる色彩に表示することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の医用画像診断装置。