JP2013542768A - 動的な器具追跡のための一体化されたセンサを持つ柔軟な綱 - Google Patents

Abstract

介入的な手順の間、器具の機能的部分を追跡し、上記器具の機能的部分に対応する動的な撮像を表示するシステム及び方法が提供される。このシステムは、少なくとも１つの器具と、上記器具を誘導することに関連する生体構造画像を取得するシステムと、固定された端部で上記撮像システムに接続され、遠位端部で上記器具に接続される綱であって、複数の光学形状センサを備える少なくとも１つの長手方向の光学ファイバーを含む、綱と、上記センサに問い合わせ、及び反射された光を検出する光学端末と、各センサ位置で局所曲率を計算し、上記綱の３次元形状を決定し、上記綱の局所曲率及び上記綱の上記固定された端部の位置を用いて上記画像に対する上記器具の位置及び方向を決定するプロセッサとを有する。

Description

本発明は、医学撮像の分野に関し、より詳細には、器具の機能的部分を追跡し、器具の機能的部分に対応する動的な撮像を提供することに関する。

介入手順の間、器具を誘導するために、撮像システムがますます用いられる。現在の慣例において、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）、コンピューター断層撮影法（ＣＴ）又はＸｐｅｒＣＴといったモダリティを用いて実行されるボリュメトリック撮像（例えば、フラットディテクタＣＴ画像と位置あわせされる生の蛍光透視画像）が、副次的な組織損傷から生じる合併症を最小化するため、手順の前に組織ターゲットの位置を特定し、ターゲットを囲む敏感な組織を特定するために用いられることができる。これらの画像ボリュームは、手順においてリアルタイムに使用される器具を誘導するために使用されるモダリティとは異なるモダリティを用いて取得されることができる。例えば、ＣＴは、手術前撮像に関して用いられることができ、超音波は、リアルタイム画像誘導に関して用いられることができる。

手術前画像において特定された構造に対する器具（例えば外科用メスのブレード）の機能的部分の正確なローカライゼーション（位置の特定）は、医師にとって重要である。しばしば、リアルタイム画像誘導で利用可能な情報には限界がある。利用可能な情報は限定される場合がある。なぜなら、撮像技術の使用が、（例えば、Ｘ線蛍光透視を用いるとき、電離放射線への患者の露出を減らすため）最小に保たれるからである。利用可能な情報は、撮像技術の固有の制限（例えば超音波に関する、いくつかの病巣に対するコントラストの欠如）によっても、限定される場合がある。従って、医師はしばしば、画像ボリュームにより現される生体構造に対する器具の位置に関する不確実さを経験する。これらの不確実さは、患者リスクを増加させるだけでなく、手術経費を上昇させる可能性がある。

器具追跡に関するマーカーベースの手法が複数提案されてきた。そのようなマーカーベースの手法の１つが光学追跡である。光学追跡では、光学検出器を用いて視認可能なマーカーが器具上に配置される。この方法において、検出器の撮像野及び照準線をブロックする、おおい隠す、又は他の態様で制限する対象物が、アルゴリズムを無効にする、又はその追跡性能を劣化させる可能性がある。

別のマーカーベースの手法は、電磁気（ＥＭ）誘導である。この方法は、器具上にＥＭセンサを配置することを必要とする。光学追跡で遭遇する照準線問題はこの方法では生じないものの、追跡精度及び適合度は、ＥＭ環境における時空的な変動によって、外部ＥＭ場により劣化される可能性がある。

上述のマーカーベースの追跡手法の両方において、マーカーの位置は、画像ボリュームの座標系に対して位置合わせされなければならない。これらの座標系の間でミスレジストレーションがある場合、過誤が生じる可能性がある。例えば、ＥＭ系が部屋の中でわずかに移動するとき、ミスレジストレーションが生じる可能性がある。

別の手法は、例えば生体構造内のカテーテルといった細長い柔軟な器具の形状を決定するために光学形状センシングを使用することである。本書において、光学形状センシングは、器具に配置される光学ファイバーコアへの光の供給、及び器具に配置される光学ファイバーコアからの光の収集を意味する。収集された光に関する信号は、この器具の形状又は側面を推定するために処理される。光学形状センシングは、例えば、ファイバー・ブラッグ・グレーティング（「ＦＢＧ」）からの後方散乱だけでなく、光学ファイバーのコア又は外装材におけるレイリー散乱体も含むことができる。この形状センシングは、マーカーベースの手法と連動して説明される。この手法において、マーカーは、器具の位置を追跡するため器具上に配置され、光学形状センシングは、生体構造に含まれる器具の形状を決定するために用いられる。

撮像システムに対して器具を接続する綱の３次元形状を決定することにより、介入手順の間、器具の機能的部分を追跡し、器具の機能的部分に対応する動的な撮像を表示するシステム及び方法が提供される。

ある実施形態によれば、このシステムは、少なくとも１つの器具と、上記器具を誘導することに関連する生体構造画像を取得するシステムと、固定された端部で上記撮像システムに接続され、遠位端部で上記器具に接続される綱であって、例えばファイバー・ブラッグ・グレーティング又はレイリー散乱体といった散乱源を備える光学ファイバーコアを持つ複数の光学センサと共に、少なくとも１つの長手方向の光学ファイバーを含む、綱と、上記センサに問い合わせ、反射された光を検出する光学端末と、上記綱の３次元形状を決定するため、上記センサの長さに沿って局所曲率を計算し、上記綱の３次元形状及び上記綱の上記固定された端部の位置を用いて、上記画像に対する上記器具の位置及び方向を決定するプロセッサとを有する。ある実施形態において、４つのファイバーコアが存在し、１つのファイバーコアは、軸上にあり、他のコアは、この軸上ファイバーコアの周りでヘリカル態様において構成される。本発明は、本書においてＦＢＧに関して説明されるが、一般に、形状センシング又はローカライゼーションのための光ファィバを含む点を理解されたい。例えば、ＦＢＧ又は他の光学機器の存在の有無にかかわらず、後方散乱、光学ファイバー力センシング、ファイバー位置センサ又はレイリー散乱を用いて、ファイバーにおける１つ又は複数の断面における変動の検出に基づかれるセンシング又はローカライゼーションを含む。

ある実施形態によれば、上記撮像システムが、３次元画像空間を構築し、上記器具に関する上記画像空間の適切な表示を示し、この表示は、上記画像空間において上記器具の上記機能的部分を示す。

ある実施形態において、器具は、複数の器具から選択される。この実施形態において、上記システムは更に、複数の器具の選択された１つを特定する器具識別ユニットを有する。上記識別ユニットは、ＲＦＩＤ受信機とすることができる。この場合、上記器具を識別するＲＦＩＤ送信機は、上記器具又は上記器具に関する包装に配置される。代替的に、上記識別ユニットは、バーコードリーダとすることができる。この場合、上記器具を識別するバーコードは、上記器具又は上記器具に関する包装に配置される。別の実施形態によれば、上記識別ユニットは、電気センサであり、上記器具を識別する電気信号は、上記器具又は上記器具に関する包装により提供される。更に別の実施形態において、上記識別ユニットは、識別表示の手動の入力のためのキーパッドである。

ある実施形態によれば、上記プロセッサが、上記撮像システムの画像プロセッサである。

ある実施形態によれば、上記器具が、例えばカラー又は螺合といった機械的な接続により上記綱の遠位端部に着脱自在に接続される。代替的に、上記器具が、磁気接続又は粘着剤により上記綱の遠位端部に着脱自在に接続されることができる。

上記撮像システムは、ＸｐｅｒＣＴシステムとすることができる。この場合、上記綱は、上記ＸｐｅｒＣＴシステムのＣアーム本体に接続される。代替的に、上記撮像システムが、組み合わされたＸ線胸部マンモグラフィ及び生検システムとすることができる。この場合、上記綱は、Ｘ線源、Ｘ線検出器又は生検システムに接続される。

ある実施形態によれば、少なくとも２つの綱が、撮像システムに接続される。これは、２つの器具を同時に追跡することを可能にする。

ある実施形態によれば、少なくとも１つのマーカーが、上記綱の上記形状を計算するためのリアルタイム参照点を提供するよう、上記綱又は上記器具に配置される。マーカーは、放射線不透過性マーカーとすることができる。代替的に、マーカーは、電磁気又は光学マーカーとすることができる。光学ファイバーコアは、綱に一体化される。好ましくは、４つのファイバーコアが存在し、１つのファイバーコアは、軸上にあり、他のコアは、この軸上ファイバーコアの周りでヘリカル態様において構成される。４つのコアが、単一のファイバー（これにより、外装材を共有する）に含まれるか、又は機械的に接続される（例えば、接着される）別々のファイバーに含まれることができる点に留意されたい。

ある実施形態によれば、器具の機能的部分を追跡し、上記器具の機能的部分に対応する動的な撮像を表示する方法が提供される。この方法は、撮像機械からの撮像データを受信するステップと、画像ボリュームを構築するステップと、上記撮像機械に対する既知の位置で固定された１つの端部を持ち、対向する端部に配置される器具コネクタを持つ、柔軟な綱の３次元形状を決定するステップと、上記綱の固定された端部の上記既知の位置、上記綱の３次元形状、並びに上記器具の所定のサイズ及び形状を用いて、上記器具の機能的部分の位置を決定するステップと、上記器具に対応する動的な画像を表示し、上記画像ボリュームにおいて上記選択された器具の機能的部分を示すステップとを有する。

ある実施形態によれば、上記柔軟な綱が、上記綱において長手方向に配置される光学コアを有する。複数の光学散乱体（例えばファイバー・ブラッグ・グレーティング又はレイリー散乱体）が、光学ファイバーコア又は外装材に配置される。綱に沿った異なる位置での反射率が測定される。これらの長さ分解能のある反射率測定から、長さ分解能のある圧力及び曲率計算がなされる。後者から、綱の３次元形状が計算される。

ある実施形態によれば、器具は、複数の器具から選択される。この実施形態の方法は、複数の器具から選択され、上記器具コネクタに取り付けられる選択された器具の識別を受信するステップを更に有する。ある実施形態では、器具が除去され、新しい器具が綱に対して取り付けられ、新しい器具が器具識別ユニットにより識別される。

ある実施形態によれば、この方法は更に、リアルタイム撮像を用いて、上記綱に関する上記形状計算を洗練するステップを有する。

本発明の実施形態によるマーカーレス追跡システムの側面図である。 本発明の実施形態によるマーカーレス追跡システムの綱に対して器具を取り付けるコネクタの断面図である。 本発明の実施形態によるマーカーレス追跡システムの綱の断面図である。 本発明の実施形態による４つの光学コアを示す光学ファイバーの断面図である。 本発明の実施形態によるファイバー・ブラッグ・グレーティングに関するスペクトル反応のグラフである。 本発明の実施形態によるファイバー・ブラッグ・グレーティングに関するスペクトル反応のグラフである。 本発明の実施形態によるファイバー・ブラッグ・グレーティングに関するスペクトル反応のグラフである。 本発明の実施形態による曲率測定センサを示す綱の断面の等角図である。 本発明の実施形態によるマーカーレス器具追跡システムのブロック図である。 本発明の実施形態によるマーカーなしに画像空間における器具を追跡する方法のフロー図である。 本発明の別の実施形態によるマーカーレス追跡システムの側面図である。

本発明の特徴及び利点は、添付の図面に関連して読み出されるとき、以下の好ましい実施形態の詳細な説明からより明確に理解されるであろう。

本発明は、介入手順の間、器具をマーカーなしで追跡し、選択された器具に対応する画像空間を表示し、この画像空間において選択された器具の機能的部分を示す方法及びシステムを提供する。

本発明のある実施形態によれば、器具追跡システム１０は、実行される介入手順に近接する生体構造を示す画像空間を取得及び表示するために使用される撮像システム１００を有する。撮像システム１００は、図１に示されるようにＣアームのフラットディテクタＣＴ撮像システムとすることができる。代替的に、撮像システムは、ＭＲＩ、ＣＴ、Ｘ線、超音波又は介入手順の間、器具を誘導するのに使用される生体構造の画像を取得するのに適した他の任意のタイプの撮像システムとすることができる。ある実施形態によれば、撮像システム１００は、３次元画像ボリュームを提供することができる撮像システムである。

器具追跡システム１０は、介入手順に用いる器具２００を有する。器具は、介入の間に使用される任意の器具を含み、以下に限定されるものではないが、機械的な外科用メス（ランセット）、レーザーメス、内視鏡、顕微鏡的な撮像プローブ、手術ホッチキス、開創器、焼灼デバイス（電気又は光学）、カテーテル、のみ、クランプ、プローブ、トロカール、はさみ等を含む。器具２００は、介入手順を実行するため、医師により操作される。多くの介入手順において、医師は、１つ以上の器具を用いる。従って、ある実施形態によれば、器具追跡システムは、１つ以上の器具を有する。

器具２００（又は、器具の１つ）は、綱３００により撮像システム１００上の接続点１０１に接続される。接続点１０１は、撮像システム１００の画像空間の座標に位置合わせされることができる点である。ある実施形態によれば、接続点は、光学コネクタ１１０である。図示される実施形態において、光学コネクタ１１０は、ＣＴ撮像システムのＣアーム本体上に固定される。

器具２００は、コネクタ３１０により綱３００に接続される。ある実施形態によれば、コネクタ３００は、クランプ力を用いて、しっかりと器具を適所に保持する。コネクタ３１０は、圧着手段、粘着剤又は他の任意の適切な固定方法により綱３００に固定して接続されるシリンダー３１１を有する。シリンダーは、プラスチック又は他の任意の適切な放射線透過性の構造物質とすることができる。シリンダー３１１は、カラー３１２上で内部スレッドと係合する外部スレッドを持つ。カラーも、プラスチック又は他の任意の適切な放射線透過性の構造物質とすることができる。テーパー状の柔軟なラップ３１３は、綱３００の反対側のカラーに延在し、粘着剤、クランプ又は他の任意の適切な固定方法によりシリンダー３１１につけられる。柔軟なラップは、器具を変形及びクランプするのに適したゴム又は他の任意の放射線透過性の柔軟な物質とすることができる。器具２００は、オープンテーパー状の柔軟なラップ３１３に入れられ、綱３００に対する器具２００の正確な配置のため、シリンダー３１１上のフランジに対して当接されることができる。カラー３１２は、シリンダー３１１の周りで回転される。このシリンダーは、綱３００から間隔をおいて配置されるその軸に沿ってカラー３１２を前進させ、及び器具２００を適所に確実に保つためにテーパー状の柔軟なラップ３１３上で押圧する。

コネクタ３１０は、医師が、複数の器具２００の任意の１つを綱３００に取り付けることを可能にする。更に、後述するように、コネクタ３１０は、医師が、介入手順の間、器具を変更することを可能にする。

別の実施形態によれば、器具２００は、粘着剤、磁気接続、綱３００への器具の直接的な螺合、又は綱に取り付けられるねじ部材、又は他の任意の適切な接続方法により、綱３００に接続されることができる。

綱３００は、光学ファイバーコア３２４（図３）を有する。これは、光学端末４００（図１）と共に、圧力情報を提供する形状検出システム３２０を形成する。この圧力情報は、器具２００の正確な位置を決定する及び撮像システム１００からの画像上で器具の位置を表示するために用いられることができる。

綱３００において、少なくとも１つ及び好ましくは４つの光学ファイバー３２４が、図３に示されるように綱軸３２５に沿って延在する。好ましくは１つのファイバーコアは、軸上にあり、他は、軸上にあるファイバーコアの周りでヘリカル態様において構成される。４つのコアが、単一のファイバー（これにより、外装材を共有する）に含まれるか、又は機械的に接続される（例えば、接着される）別々のファイバーに含まれることができる点に留意されたい。ある実施形態によれば、光学ファイバー３２４は、綱軸３２５の周りに対称的に構成される。複数の光学散乱体が、綱３００の長さに沿って、複数の位置において、光学ファイバーコア又は外装材において提供される（単一のファイバー・ブラッグ・グレーティングが、図４に示される）。

ファイバー・ブラッグ・グレーティングは、光の特定の波長を反射し、光の他の全ての波長を透過する光学ファイバーのセグメントである。これは、ファイバーコアにおいて屈折率の周期変化を加えることにより実現される。これは、波長特有の誘電体ミラーを生成する。ファイバー・ブラッグ・グレーティングは、従って、特定の波長をブロックするインライン光学フィルタとして、又は波長特有の反射器として用いられることができる。

図４に示されるように、光学ファイバー３２４のコアは、その長さの大部分に沿ってｎ_２の屈折率を持つ。しかしながら、屈折率は、

（ここで、ｎ_ｅｆｆは、光学モードの有効な屈折率である）の間隔で異なる屈折率ｎ_３へと周期的に変化される。図５Ａ〜５Ｃは、ブラッググレーティングに対するブロードバンド光信号のスペクトル反応を示す。図５Ａに示されるように、ブロードスペクトル光信号が、光学ファイバー３２４に入力される。光は、ブラッググレーティング（図５Ｂに示される）を通り透過される波長λ_Ｂでない光と、ブラッググレーティング（図５Ｃに示される）により反射される波長λ_Ｂの光とに分割される。

ファイバー・ブラッグ・グレーティングは、屈折率が変化する各々のインタフェースでのフレネル反射を含む。いくつかの波長に対して、様々な期間の反射光が、互いに同相である。その結果、強め合う干渉が反射に関して存在し、結果的に、透過に関して弱め合う干渉が存在する。

ブラッグ波長は、温度に対してだけでなく、圧力に対しても敏感である。これは、ブラッググレーティングがファイバー光学センサにおいてセンシング要素として用いられることができることを意味する。ＦＢＧセンサにおいては、測定量によって、ブラッグ波長λ_Ｂにおけるシフトが生じる。印加圧力（ε）及び温度における変化（ΔＴ）が原因による、ブラッグ波長における相対的なシフト

は、およそ

で与えられる。係数Ｃｓは、圧力の係数と呼ばれ、その大きさは、通常約

（又は、絶対的な量においては約

）である。係数Ｃ_Ｔは、センサの温度感度を表す。それは、熱拡張係数及び熱光学効果から形成される。その値は、約７Ｘ１０^−６／Ｋ（又は、絶対的な量において、１３ｐｍ／Ｋ）である。

複数の光学散乱体３３０（例えばファイバー・ブラッグ・グレーティング又はレイリー散乱体）が、圧力を測定するためのセンサ又はゲージを形成するよう、コア又は外装材において光学ファイバーの長さにわたり分散されることができる。ある構造に埋め込まれるファイバーの長さに沿って様々なセンサ（ゲージ）に少なくとも４つの光学ファイバーコアを組み込むことは、この構造の３次元フォームが正確に決定されることを可能にする。図６に示されるように、散乱体３３０は、綱３００の長さに沿って複数の位置の各々に配置される。綱３００の局所曲率は、綱３００から取得される長さ分解能のある圧力及び曲率測定から決定されることができる。綱３００の総３次元フォームは、複数の圧力及び曲率測定から決定される。

ある実施形態によれば、撮像システム１００から取得される画像ボリュームの座標において複数の器具を同時に追跡するために、複数の綱が用いられることができる。

図１に戻ると、光学端末４００は、接続点１０１で、綱３００の光学ファイバーコア３２４に接続される。図示される実施形態において、光学端末は、撮像システム１００のＣアーム本体内に取り付けられる。光学端末４００は、光学ファイバー及び／又は光学ファイバーコアに対して光を供給し、それらから光を受信する。ファイバー・ブラッグ・グレーティングが利用される場合、光学端末４００は、各ファイバー・ブラッグ・グレーティング３２２の異なる部分に対して、ブラッグ波長λ_Ｂを決定することができる。

ある実施形態によれば、アタッチメント手段１５０が、回転スキャンの間、綱３００のゆるい端部を固定するため、撮像システム１００のＣアームに配置される。アタッチメント手段は、綱３００を固定するのに適した任意の機械的な接続デバイスとすることができる。

図７は、図１に示される器具誘導システム１０のブロック図である。処理ユニット５００は、メモリ５２０に動作可能に接続されるプロセッサ５１０を有する。ある実施形態によれば、それらは、バス５３０を介して接続される。プロセッサ５１０は、例えば１つ又は複数のマイクロプロセッサといった、プログラム命令を実行することができる任意のデバイスとすることができる。メモリは、例えばリムーバブルディスク、ハードドライブ、ＣＤ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）等の任意の揮発又は不揮発メモリデバイスとすることができる。

ディスプレイ５４０も、プロセッサ５１０に動作可能に接続される。ディスプレイは、医学画像を示すことができるグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）を提示するのに適した任意のモニタ、スクリーン等とすることができる。

例えば撮像システム１００のＣアーム１０２（図１）といった撮像ユニット１２０が、プロセッサ５１０に動作可能に接続される。撮像ユニットは、生体構造特徴の画像ボリュームを作成するための処理を行うプロセッサ５１０に対して撮像データを提供する。画像ボリュームは、ディスプレイ５４０に示される。処理ユニット５００及び撮像ユニット１２０は、一緒に撮像システム１００を形成する。

形状決定ユニット５５０は、綱３００からプロセッサ５１０へと圧力及び曲率データを提供する。形状決定ユニットは、光学形状センサ（その長手軸３２５に沿って綱３００に配置される光学ファイバーコア３２４を含む）を有する。形状決定ユニット５５０は更に、光学端末４００を有する。この端末は、各光学ファイバーコアにおいて長さ分解能のある圧力及び曲率を決定するため、光学ファイバーコアに問い合わせる。光学ファイバーコアは、各光学ファイバーコアに沿ってブロードバンド光信号を送信し、反射された波長を測定する。代替的に、反射スペクトルは、ナローバンド光源から得られることができる。これにより、波長が時間においてスイープされる。局所化された曲率は、画像空間に含まれる綱３００の形状を決定するために用いられる。

光学端末４００は、処理ユニット５００におけるプロセッサ５１０とは分離するプロセッサ（図示省略）を持つことができる。更に、光学モジュール４００は、波長シフト、圧力及び曲率に関する一部又は全部の計算を実行し、プロセッサ５１０に対して波長測定、シフト計算、圧力計算又は曲率データを提供することができる。プロセッサ５１０は、ディスプレイ５４０上に示される画像空間を形成するため、撮像データを処理する。必要に応じて綱３００の長さにわたり曲率を計算するため、形状決定ユニット５５０からのデータが処理される。接続部３１０での綱３００の位置及び方向、及び従って、画像空間における器具２００の位置及び方向を決定するため、綱３００（図１）の固定された端部での既知のレジストレーション点１０１と共に、この形状データが、プロセッサ５１０により用いられる。

器具識別ユニット（ＩＩＵ）５６０は、処理ユニット５００においてプロセッサ５１０に動作可能に接続される。ＩＩＵ５６０は、介入手順の間、医師により使用される複数の器具２００の１つを識別する手段を有する。この識別手段は、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）受信機を含むことができる。ここで、各器具２００又はその包装は、それに付けられるＲＦＩＤ送信機を持つ。代替的に、識別手段は、バーコードリーダとすることができる。ここで、各器具２００又はその包装は、その上にプリントされるバーコードを持つ。別の実施形態によれば、抵抗コード又はマイクロチップが、各器具２００に埋め込まれる、又は取り付けられることができる。更に別の実施形態によれば、識別手段は、キーボード又はキーパッドとすることができる。ここで、医師は、例えばコードといった識別指示を手動で入力するか、又はメニューから選択する、等を行う。識別情報が綱３００を通り送信されるよう、識別手段は、コネクタ３１０に一体化されることができる。代替的に、識別手段は、識別のため識別手段にもたらされる器具２００と共に、例えば処理ユニットといった別の位置に配置されることができる。

次に図８を参照すると、画像空間において器具を動的に追跡する方法に関するフロー図が示される。患者が、撮像システム１００上に配置される（ステップ８１０）。患者の位置決めは、従来技術における既知の手順に基づき実行される。ある実施形態によれば、患者は、図１に示されるようにＣアーム本体においてＸｐｅｒＣＴ撮像システム上に配置される。

３次元回転ＸｐｅｒＣＴスキャンが、患者上で実行される（ステップ８２０）。スキャンは、従来技術における既知の手順に基づき実行される。３次元回転ＸｐｅｒＣＴスキャン以外の撮像のフォームを用いる別の実施形態が想定される点を理解されたい。更に、スキャンは、手順の前、手順の間、又はその両方において実行されることができる。

プロセッサ５１０は、スキャンデータから画像ボリュームを構築する（ステップ８３０）。画像ボリュームは、生体構造を示す従来技術において知られる手順を用いて構築される。

医師は、接続点１０１において、撮像システム１００の撮像ユニットに綱３００を接続する（ステップ８４０）。接続点１０１は、画像ボリュームに位置合わせされることができる位置である。即ち、接続点の位置は、画像ボリュームに対して既知である。光学コネクタ１１０は、接続位置１０１において提供される。ある実施形態によれば、接続点１０１は、ＸｐｅｒＣＴ撮像システムのＣアーム本体に配置される。別の実施形態では、接続点は、撮像システムに関する源又は検出器の位置とすることができる。

医師は、撮像システム１００に綱３００を接続する（ステップ８５０）。綱は、光学コネクタ１１０にインストールされる。このコネクタは、光学ファイバーにより光学端末４００に接続される。ある実施形態によれば、スキャンが実行された後、綱３００が接続される。別の実施形態によれば、綱３００は、スキャンの前に接続され、アタッチメント手段１５０を用いてその遠位端部において撮像システム１００に固定される。

器具識別ユニット５６０は、選択された器具２００を特定する（ステップ８６０）。前述したように、器具識別ユニット５６０は、ＲＦＩＤ受信機、バーコードリーダ、キーボード若しくはキーパッド、電気センサ、又は複数の器具２００の選択された１つを示すためコード又は信号を提供するのに適した他の任意の手段とすることができる。ＲＦＩＤ送信機、バーコード等は、選択された器具２００又はその包装上に提供されることができる。ＲＦＩＤの例において、医師は、ＲＦＩＤ送信機を持つ器具２００又は包装を取り、器具識別ユニット５６０のＲＦＩＤ受信機の近くにそれを配置する。器具識別ユニット５６０のＲＦＩＤ受信機は、ＲＦＩＤ信号を受信し、プロセッサ５１０に対してＲＦＩＤコードを送信する。代替的に、撮像プロセッサ５１０と別のプロセッサが、識別コードを受信することができる。別の実施形態において、医師は、キーボード、キーパッド等を用いて、器具２００識別コードを入力する。

プロセッサ５１０は、綱３００の形状を決定する（ステップ８７０）。既知の計算方法、既知の接続点１０１及び綱３００の長さに沿った各センサトリプレット（triplet）３３０からの曲率データを用いて、撮像プロセッサ５１０は、綱の完全な３次元形状を計算し、画像ボリュームに対してそれを位置合わせする。別の実施形態によれば、画像プロセッサ５１０と別のプロセッサが、綱３００の形状を決定する。また、様々な実施形態によれば、圧力計算及び曲率計算は、撮像プロセッサ５１０、別のプロセッサ又はこれらの組み合わせにより実行されることができる。代替的に、プロセッサは、臨床的に関連する綱の部分の完全な３次元形状を計算することができる。綱に配置され、本発明で説明される光学ファイバー又は光学ファイバーコアに関連しない既知の方法（例えばＥＭ追跡）を用いて追跡される１つ又は複数のマーカーを用いて、綱のこの部分は、撮像システム又は別の構造に対してローカライズされることができる。

プロセッサ５１０は、選択された器具２００の機能的部分の位置及び方向を決定する（ステップ８８０）。一旦、綱の３次元形状、接続点１０１及び選択された器具２００の識別が既知になると、画像プロセッサ５１０は、選択された器具２００の機能的部分の位置及び画像空間における選択された器具２００の方向を決定する。この決定は、選択された器具２００に関して予めプログラムされた形状及びサイズを用いて実行される。

プロセッサ５１０は、画像ボリュームにおける器具を示す選択された器具に対応する患者の画像ボリュームを表示する（ステップ８９０）。画像ボリュームの異なる表示が、異なる器具２００に対してはより適切である。例えば、針挿入を含む手順に関して、血管といった重要な構造がセグメント化され強調される画像ボリュームが、適していることがある。別の例として、外科用メス又は吸入デバイスを用いて脳腫瘍組織を除去することを含む手順に関して、腫瘍組織がセグメント化され強調される画像ボリュームが、適していることがある。プロセッサ５１０は、最も有益な画像を表示するか、又はどの器具２００が選択されるかに対応して画像を表示する。プロセッサ５１０は、画像において選択された器具２００を示す。

表示された画像は、手術前スキャン、又は手順の間、実行されるスキャンに基づかれることができる。例えば、手術前画像は、ＣＴ又はＭＲＩを用いて取得されることができる。撮像の後、患者は、手術テーブルへと移動される。ここで、ＸｐｅｒＣＴ画像が取得される（回転Ｃアームスキャン）。ＸｐｅｒＣＴ画像は、ＣＴ及び／又はＭＲＩ画像と位置合わせされる。２次元蛍光透視画像が、リアルタイムに取得され、例えば外科用メスの深度を追跡する（又は洗練する）ため、手術前のＸｐｅｒＣＴ画像と位置合わせされることができる。

別の例では、手術前画像が取得されない。患者は、手術テーブルへと移動される。ここで、ＸｐｅｒＣＴ画像が、手順開始前に取得され（回転Ｃアームスキャン）、及び可能性として手順の間の異なる時間点で取得される。オプションで、蛍光透視画像が、リアルタイムに取得され、ＸｐｅｒＣＴ画像に対して位置合わせされることができる。

別の例では、手術前画像が取得されない。患者は、オープンＭＲＩを持つ手術テーブルへと移動される。ＭＲＩ画像が、手順の前に取得され、可能性として手順の間の異なる時間点で取得される。

前述の手順の各々において、器具２００の機能的部分は、任意の取得された画像に対して位置合わせされることができる。なぜなら、綱３００は、画像に対して規定される位置に固定され（撮像装置上の固定された位置にある）、綱３００の３次元形状は、計算されることができるからである。これが、器具２００の位置を与える。選択された器具２００は、特定される。その結果、サイズ及び形状が、メモリから取得され、器具の機能的部分の正確な位置を決定するのに使用されることができる。また、選択された器具２００は、手順の間、変わる場合がある。例えば、医師は、外科用メスからホッチキスへと切り替えることができる。前述したように、新しい選択された器具２００が特定されるので、新しい選択された器具２００の機能的部分の位置が、画像空間に対して決定されることができ、新しい選択された器具２００を示す適切な画像が、示されることができる。

別の実施形態によれば、少なくとも１つの放射線不透過性マーカーが、綱３００又は選択された器具２００に配置される。放射線不透過性マーカーは、２次元蛍光透視の下で見える。２Ｄ蛍光透視が、手術介入の間、利用されるとき、ｘ線検出器−エミッタ軸に対して垂直な平面におけるマーカーの位置が、リアルタイムに決定されることができる。この決定は、科学界において既知の画像パターン認識アルゴリズムを用いて、蛍光透視画像のデジタル解析により実行されることができる。マーカー位置は、綱３００の３Ｄ形状及び器具２００の位置が計算される精度を改善する参照点として利用されることができる。

別の実施形態によれば、少なくとも１つの電磁気（ＥＭ）又は光学マーカーが、綱３００又は選択された器具２００に配置される。ＥＭ又は光学センサによって定まるマーカー位置は、綱３００及び／又は器具２００の３Ｄ形状が計算される精度を改善する参照点として利用される。

次に図９を参照すると、形状センシング綱３００が、組み合わされたＸ線胸部マンモグラフィ／生検システム９００にしっかりと取り付けられる。綱は、Ｘ線源９１０、検出器９２０、生検システム又は他の任意の剛性変態点に接続される。

胸部マンモグラフィシステムは、切断合成撮像を実行することにより腫瘍結節に関する深度情報を得ることが可能である。この撮像は、対象物（この場合胸部）の周りでカメラ及び検出器を動かすことを含む。この手順を用いて作成される画像に基づき、腫瘍位置に関する深度情報が得られる。この情報は、誘導された又は自動化された胸部生検のために後に用いられる。

形状センシング綱３００を用いて、従来のマーカーレス生検針が、以前に取得された切断合成画像に基づき、優れた精度で追跡及び配置される。綱３００が、組み合わされた撮像／生検システム９００に機械的に接続されるので、形状決定アルゴリズムを用いて計算される、器具コネクタ３１０の位置及び従って、生検針の位置が、切断合成Ｘ線画像の座標に対して自動的に位置合わせされる。

この特定の用途における光学形状センシングシステムの使用は、かなりの利点を持つ。なぜなら、ＥＭ追跡を用いるとき発生するＥＭ歪みに対してこれが鈍感だからである。ＥＭ歪みは、金属が原因で発生する。金属は、現在のＸ線マンモグラフィ／生検システムにおいてあまねく存在する。

上記の説明及び添付の図面は、本発明を説明するものとして意図され、限定するものではない。本発明の範囲は、以下の請求項の完全な範囲に対する均等な変形例及び構成を含むものとして意図される。

Claims (24)

1. 介入的な手順の間、器具の機能的部分を追跡し、前記器具の機能的部分に対応する動的な撮像を表示するシステムであって、
   少なくとも１つの器具と、
   前記器具を誘導することに関連する生体構造画像を取得するシステムと、
   固定された端部で前記撮像システムに接続され、遠位端部で前記器具に接続される綱であって、光学形状センサを含む、綱と、
   前記光学形状センサに問い合わせる光学端末と、
   前記綱に沿った異なる位置で局所曲率を計算し、前記決定された局所曲率を用いて前記綱の３次元形状を決定し、前記綱の決定された形状及び前記綱の固定された端部の位置を用いて前記画像に対する前記器具の位置及び方向を決定するプロセッサとを有する、システム。
2. 前記撮像システムが、３次元画像空間を構築し、前記器具に関する前記画像空間の適切な表示を表示し、前記表示は、前記画像空間において前記器具の前記機能的部分を示す、請求項１に記載のシステム。
3. 前記器具が、複数の器具から選択され、前記システムは更に、複数の器具の選択された１つを特定する器具識別ユニットを有する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記識別ユニットが、ＲＦＩＤ受信機であり、前記器具を識別するＲＦＩＤ送信機は、前記器具又は前記器具に関する包装に配置される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記識別ユニットが、バーコードリーダであり、前記器具を識別するバーコードは、前記器具又は前記器具に関する包装に配置される、請求項３に記載のシステム。
6. 前記識別ユニットが、電気センサであり、前記器具を識別する電気信号は、前記器具又は前記器具に関する包装により提供される、請求項３に記載のシステム。
7. 前記識別ユニットが、識別指示の手動の入力のためのキーパッドである、請求項３に記載のシステム。
8. 前記プロセッサが、前記撮像システムの画像プロセッサである、請求項１に記載のシステム。
9. 前記器具が、機械的な接続により前記綱の遠位端部に着脱自在に接続される、請求項１に記載のシステム。
10. 前記器具が、磁気接続により前記綱の遠位端部に着脱自在に接続される、請求項１に記載のシステム。
11. 前記撮像システムが、ＸｐｅｒＣＴシステムであり、前記綱は、前記ＸｐｅｒＣＴシステムのＣアーム本体に接続される、請求項１に記載のシステム。
12. 前記撮像システムが、組み合わされたＸ線胸部マンモグラフィ及び生検システムであり、前記綱は、Ｘ線源、Ｘ線検出器又は生検システムに接続される、請求項１に記載のシステム。
13. 少なくとも２つの綱が、前記撮像システムに接続される、請求項１に記載のシステム。
14. 少なくとも１つのマーカーが、前記綱の前記形状を計算するためのリアルタイム参照点を提供するよう、前記綱又は前記器具に配置される、請求項１に記載のシステム。
15. 前記マーカーが、放射線不透過性マーカーである、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記光学形状センサが、少なくとも１つの光学ファイバーを有し、前記光学ファイバーは、埋め込まれた光学散乱体を持つ少なくとも１つの光学ファイバーコアを備える、請求項１に記載のシステム。
17. 前記光学形状センサが、前記綱の長手方向軸上に１つの光学ファイバーコアと、前記長手軸周りにヘリカルパターンで構成される３つの光学ファイバーコアとを有し、各ファイバーコアは、埋め込まれた光学散乱体を持つ、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記光学散乱体は、前記コアにおける又は前記コアの外装材におけるレイリー散乱体である、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記光学散乱体が、ファイバー・ブラッグ・グレーティングである、請求項１６に記載のシステム。
20. 器具の機能的部分を追跡し、前記器具の機能的部分に対応する動的な撮像を表示する方法において、
    撮像機械からの撮像データを受信するステップと、
    画像ボリュームを構築するステップと、
    前記撮像機械に対する既知の位置で固定された１つの端部を持ち、対向する端部に配置される器具コネクタを持つ、柔軟な綱の３次元形状を決定するステップと、
    前記綱の前記固定された端部の前記既知の位置、前記綱の３次元形状、並びに前記器具の所定のサイズ及び形状を用いて、前記器具の機能的部分の位置を決定するステップと、
    前記器具に対応する動的な画像を表示し、前記画像ボリュームにおいて前記選択された器具の機能的部分を示すステップとを有する、方法。
21. 前記柔軟な綱が、前記綱において長手方向に配置された光学コアを有し、複数の散乱体は、前記光学コアに配置され、前記綱の３次元形状が、圧力測定を用いて長さ分解能のある曲率を計算することにより決定される、請求項２０に記載の方法。
22. 前記器具が、複数の器具から選択され、
    複数の器具から選択され、前記器具コネクタに取り付けられる選択された器具の識別を受信するステップを更に有する、請求項２０に記載の方法。
23. 前記器具を除去するステップと、
    前記綱に新しい器具を取り付けるステップと、
    前記新しい器具の識別を受信するステップとを更に有する、請求項２２に記載の方法。
24. リアルタイム撮像を用いて、前記綱に関する前記形状計算を洗練するステップを更に有する、請求項２０に記載の方法。

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