JP7049325B2 - 体外画像における器具に関連する画像オブジェクトの可視化 - Google Patents

Description

本発明は、体外画像内の器具に関する画像オブジェクトを視覚化する装置、システム、及び方法に関する。更に、本発明は、処理ユニットを用いてこの方法を実行するためのコンピュータプログラムに関する。

医療の介入（インターベンション）では、患者の体内の関心領域に挿入される器具の位置及び向きを追跡するために蛍光透視法がしばしば使用される。蛍光透視法では、関心領域のＸ線画像が、（ほぼ）連続的に取得され、その結果、Ｘ線動画像が生成され、これは、医師が、関心領域の周囲身体構造に関連して器具をほぼリアルタイムに追跡することができる。

更に、蛍光透視法は、超音波撮像などの他の撮像モダリティと関連して使用されることがある。追加の超音波画像は特に、関心領域内の軟組織を見ることを可能にし、かかる軟組織は、蛍光透視Ｘ線画像においてはほとんど可視でない。

これに関して、国際公開第2011/070477号パンフレットは、Ｘ線画像が超音波画像と重なるように、超音波画像が蛍光透視Ｘ線画像と融合されるシステムを開示している。超音波画像をＸ線画像に対して適切に配置するために、システムは、蛍光透視画像内の超音波プローブの位置及び向きを追跡し、超音波プローブの検出された位置及び向きに基づいてＸ線画像と超音波画像とを融合する。

欧州特許出願公開第1504713A1号公報は、Ｘ線撮像装置が患者の領域の画像を生成し、追跡装置が患者の領域内の器具の位置を追跡し、コントローラが、器具の位置に基づいて、撮像装置から生成された画像に、器具を表すアイコンを重ね合わせる、という画像ガイドナビゲーションシステムを開示している。患者上の器具の位置を診断画像又は事前取得画像上の位置にどのように相関させるかを決定する患者位置合わせ（レジストレーション）は、医師又はユーザが、事前取得画像から特定の点を選択し記憶し、次いで、患者の解剖学的構造上の対応する部分にポインタプローブで触れることによって、実施される。ナビゲーションシステムは、選択された２組の点の間の関係を分析し、画像データ内の各点を患者の解剖学的構造又は患者空間上の対応する点と相関付ける合致を計算する。位置合わせを実行するために選択される点は、画像上で識別可能であり及び患者上で識別可能かつアクセス可能な基準アレイ又はランドマークであり、ここで、ランドマークは、患者上に位置する人工ランドマーク、又は画像データ内において容易に識別可能な解剖学的ランドマーク（例えば椎骨、血管）でありうる。

米国特許出願公開第2003/0130576号公報は、トラッカと、及び固定されたパターンで配置される、又は各ショットにおいて撮像される蛍光透視キャリブレーション固定具にセットされる、１組の実質的に非遮蔽の点マーカを使用する蛍光透視追跡及び可視化システムを開示する。固定具は、好適には、フルオロスコープの画像検出器に取り付けられ、追跡素子は、磁界を用い、固定具と、ツール及び患者の少なくとも一方と、に対して固定され、運動に関係ないそれぞれの位置データを提供する。マーカ検出モジュールは、各ショットにおいて撮像されたマーカを識別し、プロセッサは、既知のマーカ位置を適用して、当該ショットについて例えばカメラ軸及びフォーカスのような投影ジオメトリをモデル化し、追跡されたツール位置と共に、補正されたツールナビゲーション画像を形成する。

米国特許出願公開第2008/0300478号公報は、蛍光透視撮像装置を有する電磁手術ナビゲーションシステムを開示しており、電磁手術ナビゲーションシステムにおいて、少なくとも１つの追跡素子は、関心のある手術野において患者又は患者近傍のテーブルに取り付けられるナビゲーション基準として働く。ナビゲーション基準は、関心のある外科手術野における患者の解剖学的構造の周囲に、外科手術ナビゲーションシステム用のナビゲーション基準フレームを生成する。外科手術ナビゲーションシステムによって使用されるナビゲーション基準は、画像誘導手術又は外科手術ナビゲーションを実施する前に患者の解剖学的構造に対し位置合わせされる。位置合わせは、追跡システムを使用して追跡されることができる、さまざまな画像上の共通の１組の座標位置合わせ点を識別することによって規定される。基準を使用する代わりに、追跡システムは、外科医が、患者の解剖学的構造に対し外部座標系を規定し追跡を開始するために患者の解剖学的構造上のいくつかの点に触れる初期化プロセスを用いることができる。手術ナビゲーションシステムは、進行中の身体活動に関連付けられるゲート信号を使用して、取得された画像シーケンスの中のどの画像が、所与の時点に撮像された解剖学的構造の状態を最も良く表現するかを決定し、当該時点の画像において、ナビゲートされる外科器具を表示する。

前述したタイプのアプリケーションでは、例えば移動する器具又は変化する超音波画像のような変化するオブジェクトをリアルタイムで視覚化するために、Ｘ線蛍光透視画像が、（ほぼ）連続的に取得される。これは更に、これらのアプリケーションにおいて、患者及びスタッフが連続的に電離Ｘ線放射線に曝されることを意味する。これは、患者とスタッフの健康に悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明の目的は、身体の関心領域の体外画像において、変化するオブジェクトの直感的な視覚化を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、体外画像において器具に関連する画像オブジェクトを視覚化する装置であって、体外画像取得システムから、体外画像フレームに関して撮像面上への器具の投影を含む関心領域の少なくとも１つの体外画像を受け取るステップと、器具のグラフィックモデルの投影を、撮像面への器具の投影と一致させることによって、体外画像フレーム内の器具の位置及び／又は向きを決定し、追跡装置から、追跡フレームに対する関心領域内の器具の位置及び／又は向きの一次的情報を受け取るステップと、初期の時点に、体外画像フレーム内の器具の位置及び／又は向きを、追跡フレームに関する関心領域内の器具の位置及び／又は向きと位置合わせするステップと、変換を使用して、器具の位置及び／又は向きを追跡フレームから体外画像フレームに変換するステップと、変換に基づいて、少なくとも１つの体外画像内の画像オブジェクトの視覚化を出力するステップであって、前記画像オブジェクトは、少なくとも１つの体外画像が取得されるときよりも後の時点における器具の位置及び／又は向きに関連する、ステップと、を実行する装置が提供される。

本発明は、体外画像の取得を必要とせずに、以前に取得された体外画像上に、器具の取得された位置及び／又は向きの直感的な視覚化を提供する。体外画像は、蛍光透視画像、磁気共鳴画像、超音波画像、及びコンピュータトモグラフィ画像のうちの１つでありうる。

一実施形態において、装置は更に、器具の撮像プローブから体内画像を受け取るステップを実行し、画像オブジェクトは、撮像プローブを使用して取得された体内画像に対応する。本実施形態の利点は、関心領域内の器具の位置及び／又は向きに関連する特定の位置についてより高い解像度の体内画像が提供され、体外画像内で関心領域がより低い解像度で表現されることである。

他の実施形態において、視覚化は、体外画像上に画像オブジェクトを重ね合わせることを含み、装置は、体外画像フレーム内の撮像プローブの位置及び／又は向きに従って体外画像に対し画像オブジェクトを配置するように構成される。この実施形態の利点は、体外画像に対する器具の実際の位置及び向きにおいて画像オブジェクトを提供することであり、ユーザは、体外画像における器具の投影を確認するための体外画像の取得に時間を費やすことなく、より古い体外画像を使用することによって身体内の関心領域内の器具をナビゲートすることができる。

更に別の実施形態において、体内画像は、超音波画像及び光コヒーレンストモグラフィ画像の一方である。本実施形態の利点は、関心領域内の特定ロケーションの高解像度の体内画像を提供することであり、ユーザは、体外画像上でより低い解像度で視覚化された解剖学的構造に関連する診断又は治療の決定を、前記特定ロケーションの体内画像に基づいて実施することができる。

一実施形態において、画像オブジェクトは、器具の表現を含み、器具の表現は、器具の予め決められた点、器具のモデルの投影、及び器具の拡張されたグラフィカルモデルのうちの１つを表現するマークを有する。本実施形態の利点は、体外画像における器具の投影に関連するあまりに多くの詳細によって邪魔されることなく、器具の一部の位置変化をユーザが追跡できることである。

本発明の第２の態様において、本発明による装置、体外画像取得システム、追跡装置及び器具を有するシステムが提供される。

システムの一実施形態において、体外画像取得システムはＸ線に基づく。本実施形態の利点は、最も多く受け入れられる臨床条件において器具の直感的なナビゲーションを可能にすることである。患者及び医師のＸ線放射線に対する曝露は、古いＸ線画像上で器具の実際の位置を視覚化することによって低減される。

本システムの別の実施形態において、体外画像が、関心領域の動きの複数の異なるフェーズ中に取得された関心領域の複数の記憶されたＸ線画像から選択され、選択される画像は、追跡装置を使用して器具の位置及び／又は向きが決定される際に生じた関心領域の動きのフェーズ中に取得されたものである。本実施形態の利点は、周期的な動き（心臓の動き、呼吸によって引き起こされる固有の動き）に起因する器具の位置及び／又は向きの変化と、関心領域内の或るロケーションの診断又は治療を目的とする血管を通じたナビゲーションのようなユーザの行動に応じた器具の位置及び／又は向きの変化とを、視覚化において区別することである。

更なる実施形態において、システムは、関心領域の動きのフェーズを示す少なくとも１つの測定信号を取得するように構成される監視装置を有し、装置は、器具の変更された位置及び／又は向きが測定信号に基づいて決定される際に生じる関心領域の動きのフェーズを識別するように構成される。本実施形態の利点は、関心領域内の固有の動きによる器具の位置及び／又は向きの変化を、周期的動きのフェーズに関する情報を提供する信号に関連付けることである。

第３の態様によれば、本発明は、体外画像において器具に関連する画像オブジェクトを視覚化する方法であって、体外画像フレームに関する撮像面への器具の投影を含む、関心領域の少なくとも１つの体外画像を受け取るステップと、器具のグラフィックモデルの投影を撮像面への器具の投影と合致させることによって、体外画像フレーム内の機器の位置及び／又は向きを決定するステップと、追跡フレームに関する関心領域内の器具の位置及び／又は向きの一時的情報を受け取るステップと、初期の時点で、体外画像フレーム内の器具の位置及び／又は向きを、追跡フレームに関する関心領域内の器具の位置及び／又は向きと位置合わせするステップと、変換を使用することによって、器具の位置及び／又は向きを追跡フレームから体外画像フレームに変換するステップと、前記変換に基づいて少なくとも１つの体外画像における画像オブジェクトの視覚化を出力するステップであって、画像オブジェクトは、少なくとも１つの体外画像が取得されるときよりも後の時点における器具の位置及び／又は向きに関する、ステップと、を有する方法が提供される。

本発明の実施形態は更に、従属請求項又は上述の実施形態とそれぞれの独立請求項との任意の組み合わせでありうることを理解されたい。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかになり、それらを参照して説明される。

図１は、本発明によるシステムの第１の実施形態の構成要素を概略的かつ例示的に示す図。 図２は、本発明によるシステムの第２の実施形態の構成要素を概略的かつ例示的に示す図。 図３Ａ－Ｃは、本発明による視覚化の例示的な実施形態を示す図。 図４Ａ－Ｃは、器具によって取得された体内超音波画像を含む、本発明による視覚化の例示的な他の実施形態を示す図。 図５Ａ－Ｃは、器具のグラフィカルモデルの投影を含む、本発明による視覚化の実施形態を示す図。

図１は、診断目的で及び／又は外科的介入（特に低侵襲の外科的介入）中に人間又は動物の患者体内の関心領域の画像を提供するために使用される体外画像取得システム１を有するシステムの第１の実施形態を概略的かつ例示的に示す。関心領域は、本明細書で後述する一実施形態の例のように患者の心臓を含みうる。しかしながら、このシステムは他の身体領域を撮像するために同様に使用されることができる。

体外画像取得システム１は、患者身体の内部の画像を提供することができる、Ｘ線ベースの撮像装置、磁気共鳴撮像装置、又は超音波撮像システムのうちの１つでありうる。

以下では、本発明を説明するために、Ｘ線装置が、体外画像取得システムとして使用されているが、身体領域のＸ線画像が身体領域の磁気共鳴画像又は超音波画像と置き換えられることができることが当業者によって理解されうる。

図１のシステムは更に、関心領域において使用される特に医療器具である器具３の位置及び／又は向きを追跡するように構成される追跡装置２を有する。撮像システム内でその位置及び／又は向きが追跡可能である器具３は、それら器具がＸ線画像において可視であるように十分に高いＸ線減衰係数を有する任意の器具３を含む。このような器具３の例は、例えばカテーテル、シース、ニードル及びガイドワイヤのような低侵襲外科介入のための器具を含み、それらは適切なＸ線減衰特性を有する材料から作られる。本明細書で再び参照される他の例は、Ｘ線画像に加えて更なる画像情報を得るために、超音波プローブ、内視鏡、及び光干渉断層法（ＯＣＴ）カテーテル等の、Ｘ線装置１によって撮像される関心領域内の特定のロケーションに案内される撮像プローブを含む。

Ｘ線装置１は、具体的には、Ｘ線源４、及びＸ線源４と向き合うＸ線検出器５を有する。Ｘ線源４は、Ｘ線源４とＸ線検出器５との間に配される検査領域６を横切るＸ線放射線を放出するように構成される。Ｘ線放射線を生成するために、Ｘ線源４は特にＸ線管を有することができる。Ｘ線検出器５は、検査領域６内の物体の投影値を取得するように構成され、かかる投影値は、物体による減衰の際に放射線検出器５に達するＸ線放射線強度に対応する。Ｘ線検出器は、検出器素子の２次元アレイを有するデジタル放射線検出器を含むことができ、各検出器素子は、生成されるＸ線画像のピクセルに対応する。Ｘ線検出器５により取得された投影値は、投影値に基づいて２次元電子画像を生成する画像生成ユニット７に供給される。これらの画像は特に、１又は複数のモニタスクリーンを含み得る表示ユニット８に表示されることができる。

撮像システムの使用の際、患者身体の関心領域（図示せず）は、患者テーブルのような適切な支持体上の検査領域６内に位置付けられ、それにより関心領域は、ある角度で撮像されることができる。更に、Ｘ線源４及びＸ線検出器５は、任意に、Ｘ線源４及びＸ線検出器５を検査領域６の周りで同時に回転させることを可能にするＣアームガントリのようなガントリに取り付けられることができる。これにより、関心領域を複数の異なる角度で撮像することが可能になる。

Ｘ線装置１は蛍光透視装置として構成される。これは、Ｘ線装置１が複数の短い時間間隔中にＸ線画像をほぼ連続的に取得して、関心領域及び関心領域内で使用される器具３のＸ線動画像を生成することができるように構成されることを意味する。追跡装置２が、器具３の位置及び／又は向きを追跡するために適用される場合、Ｘ線画像は取得されない。これまでのところ、器具３の動きの追跡を可能にするために、Ｘ線装置１が蛍光透視Ｘ線画像を生成する能力をもつことは必要ではない。しかしながら、追跡装置２は、撮像装置内で一時的に使用されるだけでよく、追跡装置２が使用されないとき、器具３の動きを追跡することを可能にするために蛍光透視動画が取得されることができる。更に、本明細書において以下により詳しく説明されるように、Ｘ線装置１は、追跡装置２による器具３の追跡の前に、呼吸動き及び／又は心臓動きのような関心領域の周期的動きの１又は複数の期間に動画像を取得するように制御されることができる。これらの画像は、追跡装置２を使用して追跡される場合、器具３の位置及び／又は向きを視覚化するために記憶され使用されることができる。

一実施形態において、追跡装置２は、器具３の点の位置を追跡するように構成される。この場合、物体の向きは、点同士の相対的な配置によって示され、直接的に測定されることはできない。他の実施形態において、追跡装置２は、器具３の１又は複数の点の位置に加えて、器具３の向きを直接追跡するように構成される。この目的のために、追跡装置２は、例えば磁界センサのような方位感知センサを有することができる。

これらの実施形態を実現するために、当業者に知られている任意の適切な追跡技術が使用されることができる。ほんの一例として、以下に、追跡装置２のいくつかの適切な追跡技術及び対応する構成を説明する。

一例によれば、電磁追跡が適用されることができる。この例の一実現例において、追跡装置２は、追跡領域、すなわち器具３の位置及び／又は向きが追跡されることが可能な領域に、知られている幾何学形状を有する不均一磁界を生成するように構成される磁界生成器を有する。更に、器具３は、磁界を測定するための１又は複数の磁界センサを有し、追跡装置２は更に、例えば有線接続を通じて磁界センサに結合される評価ユニットを有する。センサ信号は評価ユニットに送信され、評価ユニットは、磁界の知られているジオメトリに基づいて、センサ信号から、磁界センサの、従って器具３の、位置及び／又は向きを決定する。

この例の他の実現例において、器具３は、特に永久磁石であり得る１又は複数の磁石を有し、追跡装置２は、患者の体外で、これらの１又は複数の磁石によって生成された磁界を測定する磁界センサを有する。磁界測定値に基づいて、追跡装置２は、磁石の、ゆえに器具３の位置及び／又は向きを決定する。

他の例において、追跡装置２は、インピーダンスに基づく追跡システムを有する。この例では、追跡装置２は、患者身体の表面に配置される複数の電極を有する。更なる電極が器具３上に配置され、電流が、これらの電極と体表面に配置された電極との間で駆動される。追跡装置２は、器具３の電極と各体表面電極との間のインピーダンスを測定し、これらのインピーダンス測定値に基づいて器具３の電極の位置を決定する。対応する例示的なインピーダンスベースの追跡システムは、例えば米国特許第7,756,576号に記載されている。

更なる代替例として、追跡構成２は、器具３の位置及び向きを追跡するために光学的形状検知を使用する。この場合、器具３は、管体を有し、又は既知の空間基準点に固定される管体の遠位端に取り付けられる。管体の中には、管体の長手方向の延長線に沿って延びることができる光学形状検知ファイバが組み込まれ、追跡装置２は、形状検知ファイバの形状を決定するように構成される光学形状検知装置を有する。この目的のために、形状検知ファイバは、歪み検知センサを具備し、光学形状検知装置は、形状検知ファイバに光を注ぎ、センサによって反射された光から光学形状検知ファイバの形状を決定することができる。このようにして光ファイバの形状を決定する適切な技術の一例は、国際公開第2013/136247号公報に開示されている。決定された形状及び基準点の既知の位置に基づいて、追跡装置２は、器具３の当該位置及び／又は向きを決定することができる。

更に、他の例によれば、追跡装置２は、ナビゲーション衛星システムによって器具３の位置及び／又は向きを決定することができる。この例では、機器３は、ナビゲーション衛星の信号を受信する受信機を装備することができる。これらの信号に基づいて、受信機の位置は、当業者に知られているやり方で決定されることができる。この目的のために、受信機は、例えば有線接続を通じて、受信された信号を、患者身体の外部の評価装置に転送することができる。

システムの一実施形態において、追跡装置２によって決定された器具３の位置及び／又は向きに関する情報が、１又は複数のＸ線画像において器具３の表現を表示するために使用される。この実施形態において、システムは、Ｘ線装置１から１又は複数の画像を取得し及び追跡装置２から器具３の位置及び／又は向きに関する情報を受け取る位置合わせユニット９を有する。器具３の位置及び／又は向きに関する情報に基づいて、位置合わせユニット９は、Ｘ線画像フレーム内において器具３のモデルの位置及び／又は向きを決定し、モデルの決定された位置及び／又は向きに従って、１又は複数の記憶されたＸ線画像に器具３の表現を位置付ける。

位置合わせユニット９は、特にＸ線装置１からＸ線画像を受け取り、追跡装置２から器具３の位置及び／又は向きに関する情報を受け取り、器具３の表現を重ね合わせられたＸ線画像を表示ユニット８に出力するインターフェースを有する、コンピュータ等のデータ処理装置として構成されることができる。更に、位置合わせユニット９は、Ｘ線画像に器具３の表現を重ね合わせるためのプロシージャ及び機能を実行するようにプログラムされた処理ユニットを有する。器具３が、撮像プローブである場合、位置合わせユニット９は、撮像プローブを使用して取得された画像を受け取るための他のインターフェースを有することができ、処理ユニットは、以下に更に説明されるようにこれらの画像を処理するようにプログラムされる。

器具３の表現をＸ線画像において視覚化するために、位置合わせユニット９は、Ｘ線画像２０を器具３の表現と重ね合わせる。表現は、不透明でありえ、従って、表現によって覆われるＸ線画像の部分は見ることができない。しかしながら、表現とＸ線画像の覆われた部分との両方を見ることができるように、表現がある程度の透明度を有することも同様に可能である。更に、器具３の表現は、器具又はその一部の位置及び／又は向きをＸ線画像内で視覚化することを可能にする任意の形態を有することができる。

一実現例において、図３Ｂ及び図３Ｃを参照すると、表現は、Ｘ線画像における器具３の特定の点の位置をマーキングするドットのようなマーク３０でありうる。通常、外科手術においては、撮像された関心領域内に器具３の先端を正確に位置付けることが重要であるので、この点は、特に器具３の先端でありうる。（複数の）Ｘ線画像内にマークを配置するために、追跡装置２を使用して器具３の関連する点の位置を追跡することだけが必要である。器具３の向きに関する情報は、Ｘ線画像内にマークを位置付けるためには必要とされない。図３Ｂにおいて、追跡フレームからの位置及び／又は向きが、体外画像フレームに変換されると、器具３の遠位部分の位置が、マーク３０によって表現される。図３Ｃに示される更なるステップにおいて、Ｘ線画像が保存され、Ｘ線画像上の器具の投影位置は変化しないが、臨床プロシージャ中の器具の位置の変化が、器具３の遠位先端の実際の位置を表すマーク３０の変位によって視覚化される。その結果、追跡装置２によって追跡される器具３の一部のリアルタイム位置が、過去に取得されたＸ線画像２０の上に重ねられる。医師は、器具の投影を含むＸ線画像を取得することによる器具の位置の確認を必要としないので、これは患者及び医師に対するＸ線線量を低減することにおいて重要な利点を示す。

更なる実現例において、器具３の表現は、器具３の拡張されたグラフィカルモデルから導出されうる。そのようなモデルは、器具３の２つの特定の点の間の接続を表す線に対応することができ、これらの点のうちの１つは、好適には器具３の先端に対応する。器具３が、例えば器具３の複数の先端部を提供し得るいくつかの区画に分岐する場合、モデルは、いくつかの線を有することができ、例えば各区画に対して１つの線を有しうる。他の実現例において、例えば器具３の実際の形状を実質的に有するモデルなど、より現実的な３次元モデルが使用されることができる。そのようなモデルは、例えばワイヤフレームモデル又はポリゴンメッシュとして構成されることができる。

Ｘ線画像フレームは、放射線検出器４に対して特定の固定位置にかつ特定の固定方向に配置される３次元座標系に対応する。これは特に、Ｘ線画像フレームのオリジナルが放射線検出器４に対して定められたロケーションに配置され、座標軸が放射線検出器４に対して定められた向きを有することを意味する。従って、Ｘ線画像の各ピクセル、又は等価的に放射線検出器４の各検出器素子は、Ｘ線画像フレーム内の固定位置（すなわち固定のｘ、ｙ及びｚ座標）に対応する。例えば、Ｘ線画像フレームは、そのＸ－Ｙ平面が放射線検出器４の表面に一致するように規定されることができる。しかしながら、他の選択肢も同様に可能である。

追跡装置２は、それ自身の３次元追跡フレームに対して位置及び／又は向きを決定する。１つのセッション（すなわち、特定の患者についての１つの中断されない使用）の間、追跡フレームは、原則としてＸ線画像フレームに対し固定の位置及び方向に配置される。電磁追跡又は光学的形状検知を使用する実現例のような追跡配置２のいくつかの実現例において、これは、例えば、セッション中に患者身体の外側の構成素子を同じ場所に保つことによって達成されることができる。しかしながら、Ｘ線画像フレームに対する追跡フレームの相対位置及び／又は向きは、セッションとセッションの間に変化しうる。そのような変化は、患者身体の外側の追跡装置２の構成要素の位置及び／又は向きの変化から、及び／又は例えばガントリの移動による放射線検出器４の位置の変化から起こりうる。

更に、追跡装置２によって取得された測定信号は、系統的誤差を含むことがある。そのような誤差は、効果的に、追跡フレームの知られていない変位及び／又は回転と見なすことができる。例えば、金属が追跡領域に存在する場合、そのような誤差は、電磁追跡において生じる。

器具３の位置及び／又は向きが追跡装置２を使用して追跡されるとき、位置合わせユニット９は、器具３の表現が、放射線検出器４によって撮像された器具３の投影が有するのと実質的に同じ位置を有するように、Ｘ線画像において器具３の表現を視覚化する。この目的のために、位置合わせユニット９は、追跡装置２によって追跡フレーム内で決定された器具３の位置及び／又は向きに基づいて、Ｘ線画像フレームにおける器具３のモデルの位置及び／又は向きを決定することができる。次に、位置合わせユニット９は、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、器具３のグラフィックモデル３１のＸ線画像平面への投影を決定し、この投影をＸ線画像内で視覚化することができる。

更に、位置合わせユニット９は、追跡装置２によって提供される器具３の位置及び／又は向きに関する情報を監視する。器具３の位置及び／又は向きが変化したと位置合わせユニット９が判断したとき、位置合わせユニット９はそれに応じて現在表示されているＸ線画像内の表現を更新する。この目的のために、位置合わせユニット９は、器具３の変更された位置及び／又は向きにについて上述のステップを再び実行することができる。

追跡装置２によって提供される追跡フレーム内の器具３の位置及び／又は向きに関する情報に基づいて、Ｘ線画像フレーム内のモデルの位置及び／又は向きを決定するため。変換が使用される。Ｘ線画像フレーム及び追跡フレームが互いに対して知られている位置及び向きを有する場合、変換は、フレームの相対的な位置及び向きに基づいて事前に生成され、位置合わせユニット９に記憶されることができる。しかしながら、上述したように、Ｘ線画像フレームと追跡フレームとの相対位置は、多くの場合、先験的には知られていない。これらの場合、変換を決定するために初期化プロシージャが実行される。初期化プロシージャは、追跡装置２によって器具３の位置及び／又は向きを監視する前に実施される。この初期化プロシージャにおいて、Ｘ線画像フレームと追跡フレームとの間のマッピングを達成するために、Ｘ線画像フレーム内の器具３の位置及び／又は向きが一度決定される。このマッピングに基づいて、追跡装置２によって決定される後続の位置及び／又は向きにおける器具３の表現が、１又は複数のＸ線画像において視覚化される。

初期化プロシージャによって、追跡フレームの絶対位置及び向きを知る（又は決定する）必要なしに、追跡フレームをＸ線画像フレームと位置合わせすることが可能である。更に、追跡装置２の測定信号の系統誤差が補償されることができる。この点に関して、初期化プロシージャは、追跡装置２の較正に対応する。

初期化プロシージャにおいて、器具３のＸ線画像平面への投影を示す少なくとも１つのＸ線画像を生成するために、器具３が、Ｘ線装置１を使用して撮像されることができる。図３Ａは、初期化プロシージャ中の器具３の遠位部分の位置がＸ線画像２０上に見えている例を示す。

更に、器具３の拡大されたグラフィックモデルのＸ線画像平面への投影が、Ｘ線画像フレーム内で決定されることができ、これは、器具３の投影と合致する。この目的のために、同じグラフィカルモデルが使用されることができ、それに基づいて、器具３の表現が、Ｘ線画像内に生成される。図５Ａにおいて、器具３のグラフィックモデル３１の投影が、Ｘ線画像２０上に重ねられている。Ｘ線画像における器具３のグラフィックモデル３１の投影の表現は、体外画像フレームに変換される追跡フレームからの器具の遠位部分の位置及び／又は向きに従う。他のモデルを使用することも可能である。別のモデルが初期化プロシージャに使用される場合、このモデルは、器具３の表現が初期化プロシージャの完了時に生成される際の基礎となるモデルと交換される。

初期化プロシージャにおいて、Ｘ線画像フレーム内のモデルの初期位置及び向きは、Ｘ線画像平面上へのモデルの投影が、取得されたＸ線画像内の医療機器の投影と一致するように決定される。初期位置とＸ線画像平面との間の距離は、位置合わせユニット９に記憶されている任意のデフォルト値に従って、位置合わせユニット９によって選択されることができる。他の全ての点において、初期位置は、モデルの複数の異なる位置についてモデルの投影を計算することによって、及び最も良く一致する投影が計算された位置を選択することによって、決定されることができる。複数の異なる位置の選択は、位置合わせユニット９によって自動的に行われることができ、又は位置は、撮像システムのオペレータによって指定されることもできる。後者の場合、オペレータは具体的には、Ｘ線画像フレーム内でモデルをＸ線画像平面に平行に変位させ、Ｘ線画像フレーム内でモデルを回転させることが可能である。変位及び／又は回転の間に、Ｘ線画像平面上へのモデルの投影が、計算され表示されることができ、その結果、計算された投影がＸ線画像内の（実際の）器具３の投影と合致するまで、オペレータがモデルを変位させ及び／又は回転させることができる。

器具３の形状に依存して、単一の角度において取得された１つのＸ線画像内の器具３の投影と合致するモデルの投影を決定することにより、機器３のモデルの位置及び向きを一意に決定することは、可能でないことがある。この場合、１又は複数の他のＸ線画像が、１又は複数の他の角度において（すなわち、Ｘ線検出器を支持するガントリの異なる複数の位置において）取得されることができ、位置合わせユニット９が更に、これらのＸ線画像のＸ線画像平面上へのモデルの投影を決定する。初期位置は、全ての計算された投影が異なる複数の画像内の器具３の投影と合致するように選択される。

Ｘ線画像フレーム内の器具３のモデルの初期位置及び向きの決定に加えて、初期化段階で使用されるＸ線画像を取得する際の器具３の位置及び向きが、追跡装置２によって決定され、それにより、追跡フレーム内における器具３の初期位置及び向きが決定される。

位置合わせユニット９は、Ｘ線画像フレーム内のモデルの初期位置及び向き、並びに追跡フレーム内の器具３の位置及び向きに基づいて、追跡フレームからの位置及び向き（例えば位置及び方向ベクトルとして表される）を、Ｘ線画像システムに変換するための変換を決定する。特に、変換は、器具３の変換された位置及び向きがモデルの位置及び向きに一致するように決定される。

変換が決定されると、初期化段階が完了されることができる。その後、Ｘ線装置１はもはや使用されず、器具３の位置及び／又は向きは、追跡装置２によって追跡され、追跡装置２によって決定される器具の位置及び／又は向きに関する情報に基づいて、器具３の表現が、位置合わせユニット９によって１又は複数のＸ線画像内において視覚化される。

最初に、位置合わせユニット９が、それが追跡装置２によって提供される情報に基づいて器具３の位置及び／又は向きの変化を決定すると、器具３のモデルの位置及び／又は向きを更新する。この目的のために、位置合わせユニット９は、初期化段階で決定された変換に基づいて、追跡フレームにおける器具３のそれぞれの新しい位置及び／又は向きをＸ線画像フレームに変換することができる。これにより、位置合わせユニット９は、器具３のモデルの更新された位置を決定することができる。次いで、位置合わせユニット９は、Ｘ線画像平面上へのモデルの投影を決定し、この投影をＸ線画像において視覚化することができる。

一実施形態において、器具３の位置及び／又は向きが追跡装置２を使用して追跡されると、１つの静止Ｘ線画像が、表示ユニット８に表示されることができ、器具３の表現が、このＸ線画像において視覚化される。ここで、初期化段階で使用されたＸ線画像が特に表示されることができる。この場合、初期化段階が完了すると、Ｘ線装置１はいわゆるフリーズモードに切り替えられることができ、このモードでは、フリーズモードがオフにされるまで最後に取得された画像が表示される。同様に、放射線検出器４に対する関心領域の同じ相対位置及び向きを有して別の時点で取得された当該領域のＸ線画像を表示することが可能である。

他の実施形態において、関心領域の動きが考慮され、これら動きのフェーズの実際の発生に従って動きの異なるフェーズを示すＸ線画像が表示される。これらのＸ線画像は、Ｘ線装置１を使用して事前に取得され、システムに記憶される。

この実施形態において、システムは、Ｘ線撮像と関係なく、動きのフェーズを識別することを可能にする測定信号を取得するよう構成される追加の監視装置１０を具備する。心臓動きのフェーズを識別するために、心電計が特に使用されることができる。呼吸動きのフェーズを識別するために、呼吸モニタが使用されることができる。例えば、そのようなモニタは、患者の呼吸気流を評価することができ、又は患者の呼吸によって引き起こされる患者の胸部の動きを光学的に検出し評価することができる。同様に、関心領域の動きが監視されることができ、かかる動きのフェーズは、例えば超音波画像などの別の撮像モダリティによって取得された関心領域の画像を使用して識別されることができる。器具３が、超音波プローブを有する場合、関心領域の動きは、特に、このプローブによって取得された超音波画像を使用して監視されることができる。

異なる動きフェーズのＸ線画像は、フェーズに割り当てられてシステムに記憶される。これは、監視装置１０によって提供される信号の値、又は動きのそれぞれのフェーズを識別することを可能にする信号の別の特性が、記憶される画像の各々に割り当てられることによって、達成されうる。器具３の位置及び／又は向きが追跡装置２を使用して監視されるとき、位置合わせユニット９は、関心領域の動きのフェーズ及びこれらフェーズ間の変化を検出するために、追加の監視ユニット１０によって提供される測定信号を評価する。検出されたフェーズごとに、位置合わせユニット９は、対応する記憶されるＸ線画像を表示するようにシステムを制御し、動きフェーズの変化が検出されると、位置合わせユニット９は、撮像を制御して、現在表示されているＸ線画像を、新たに検出されたフェーズ中に記憶されたＸ線画像と、置き換える。このようにして、一連の記憶されたＸ線画像からなる関心領域の動画像が表示される。更に、表示される各Ｘ線画像は、器具３の現在の位置及び／又は向きを視覚化するために、上で説明したように器具３の表現と重ね合わせられる。

前述の実施形態において、器具３の表現は、追跡構成２によって決定される器具３の位置及び／又は向きの情報に基づいて、１又は複数のＸ線画像内に視覚化される。図２に概略的かつ例示的に示されるシステムの更なる実施形態において、１又は複数のＸ線画像内の他の画像オブジェクトを視覚化することが可能である。これらの実施形態では、機器は特に、撮像プローブ３'として構成されることができ、画像オブジェクトは、撮像プローブ３'を使用して取得される画像に対応しうる。そのような画像は、画像内の撮像された関心領域の少なくとも一部が、Ｘ線画像の重なり合った部分に表示される撮像された関心領域の一部に対応するように、１又は複数のＸ線画像に重ね合わせることができる。さまざまな異なる撮像モダリティの画像を重ね合わせるこのような技術は、マルチモーダル画像の融合とも呼ばれる。１又は複数のＸ線画像は、上述の実施形態と同じ方法で選択されることができる。

一実施形態において、撮像プローブ３'は特に、超音波プローブ３'として構成されることができる。超音波プローブ３'は、超音波トランスデューサを有し、超音波トランスデューサは、超音波を発生し、超音波が材料によって反射（及び／又は散乱）されるときに発生される超音波エコーを（ほぼ）連続的に検出する。これに関して、超音波プローブ３'は、例えば、心臓内エコー（ＩＣＥ）プローブ、経食道エコー（ＴＥＥ）プローブ、血管内超音波（ＩＶＵＳ）プローブ、経胸壁エコー（ＴＴＥ）プローブ又は血管プローブとして構成されうる。取得されたエコー信号は、システムの表示装置８に表示することができる移動超音波画像を生成するために、当業者に知られている方法で画像構成装置１１において処理される。

更なる実施形態において、撮像プローブ３'は、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）カテーテルとして構成される。このようなカテーテルは、光、特に近赤外光を撮像領域に導き、反射光及び／又は後方散乱光を画像構成ユニット１１に戻すように導くための光ファイバを有する。画像構成ユニット１１は、反射光又は後方散乱光のエコー時間遅延に基づいて画像を構成する。エコー遅延時間を決定するために、画像構成ユニット１１は干渉計を使用することができる。この実施形態において、光源からの光は分割され、光の一部は撮像領域に進み、カテーテルを通って戻って干渉計の一方のアームを形成し、他方の部分は、基準経路を通る。撮像領域からの反射光及び／又は後方散乱光は、基準経路からの反射光と干渉し、画像を構成するために光検出器により検出される。

更なる実施形態において、撮像プローブ３'は内視鏡として構成される。この場合、撮像プローブ３'は、（ほぼ）連続的に（視覚的）画像を取得するための画像センサ、特にデジタル画像センサを有する。更に、撮像プローブ３'は、イメージセンサの視野を照明する照明ユニットを有する。センサ信号は、撮像プローブ３'に接続された画像構成ユニット１１に送信され、画像構成ユニット１１は、センサ信号に基づいて可視画像を生成し、可視画像は、表示ユニット８によって表示されることができる。

撮像プローブ３'は、撮像プローブ３'に対して既知の固定配置を有する視野内の物体の画像を取得する。従って、Ｘ線画像フレーム内の撮像プローブ３'の位置及び向きに基づいて、Ｘ線画像フレーム内において、撮像プローブ３'の視野の位置及び向き並びにプローブを用いて取得される画像の位置及び向きを決定することが可能である。

撮像プローブ３'によって取得された画像をＸ線画像上に重ね合わせるために、再構成ユニット９は、まず、Ｘ線画像フレーム内の撮像プローブ３'の位置及び向きを決定する。これは、上述した変換を使用して、追跡装置２によって決定される撮像プローブ３'の位置及び向きを、追跡フレームからＸ線画像フレームに変換することによって行われる。位置合わせユニットは、Ｘ線画像フレーム内の撮像プローブ３'の位置及び向き、並びに撮像プローブ３'に対する撮像プローブ３'の視野の知られている位置及び向きに基づいて、Ｘ線画像フレームにおける、撮像プローブ３'の視野の位置及び向き並びにそれを用いて取得される画像の位置及び向きを決定する。この場合、位置合わせユニット９は、撮像プローブ３'とＸ線画像によって取得された画像を融合するために、Ｘ線画像フレーム内において決定された画像の位置及び向きに従って、Ｘ線画像に対して撮像プローブ３'によって取得された画像を配置する。

図４Ａ－図４Ｃは、図３Ａ－図３Ｃに対応するが、図４の例では、器具３は、一例として超音波画像４０である体内画像４０を受け取るように構成される画像プローブ３'を有し、Ｘ線画像２０上に重ねられる画像オブジェクトが、超音波画像を有する。図４Ｃは、体外画像フレーム２０における撮像プローブ３'の位置及び／又は向きに従って超音波画像が体外画像２０に対して配置されることを示し、したがって、医師は、超音波プローブの位置及び向きを確認するためにＸ線画像を取得する必要なしに、体内超音波撮像プローブを用いて直観的に解剖学的構造を見つけることができる。図５Ｃは、医師が体外画像を繰り返し取得する必要なしに、体外から撮像されたより大きな関心領域に関して、局所化された高解像度体内画像の直感的解釈を更に向上させる視覚化の実施形態を示す。器具３のグラフィックモデル３１の位置及び向きは、体外Ｘ線画像２０の上に重ねられる体内超音波画像４０に対応する。一実施形態において、体内画像は、図５Ｃに示すように体外画像の上に活性化されて重ねられることができ、図５Ｂに示すように不活性化されることもできる。

上述のように、位置合わせユニット９は、１又は複数のＸ線画像の上に、撮像プローブによって（ほぼ）連続的に提供される画像を重ね合わせることができる。

全ての関連する実施形態において、位置合わせユニット９は、スタンドアロンの装置に含められてもよく、又はさまざまな機能を実行するように構成された他のユニットと組み合わせられることができる。

本明細書の冒頭で既に明らかにされているように、本開示に基づいて本発明を実施するために、身体の関心領域の体外画像を提供する他の体外画像取得システムが使用されることができる。体外超音波画像システムを用いて連続して体外超音波画像を取得することは、呼吸及び心臓の動きにより非常に困難であり、ゆえに、器具の位置及び向きを連続的に追跡することも困難である。本発明の利点は、高品質の体外超音波画像が取得されると、体外超音波システムを使用する更なる必要性がないことであり、これは、関心領域内の器具のナビゲーションが、その特定の体外超音波画像上での器具の実際の位置及び／又は向きの視覚化に基づいて、直観的にガイドされることができるからである。代替例として、磁気共鳴撮像システムが、身体内の関心領域の体外画像を提供するために使用される場合、画像を取得することは時間がかかることであり、これは、低侵襲診断及び治療プロシージャのための磁気共鳴撮像システムの使用に対する制限である。本発明は、関心領域を含むボリューム内の解剖学的構造を表す初期シーケンスの磁気共鳴画像を使用することによって、医師が、患者の身体の関心領域内で器具をナビゲートすることができるという利点を提供する。

特許請求の範囲において、「含む、有する（comprising）」という語は、他の構成要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は複数性を除外しない。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に又はその一部として供給される、光記憶媒体又は固体媒体などの適切な媒体に記憶／配布することができるが、インターネットあるいは他の有線又は無線の電気通信システムなどを介して他の形態で配布されることもできる。請求項中の如何なる参照符号も請求項の範囲を制限するものとして解釈されるべきでない。

Claims (15)

1. 器具に関連する画像オブジェクトを体外画像において視覚化する装置であって、
   体外画像取得システムから関心領域の少なくとも１つの体外画像を受け取るステップであって、前記体外画像は、前記体外画像取得システムの体外画像フレームに関する撮像面への前記器具の投影を含む、ステップと、
   前記器具のグラフィカルモデルの投影を前記撮像面への前記器具の投影と合致させることによって、前記体外画像フレーム内の前記器具の位置及び／又は向きを決定するステップと、
   追跡装置から、追跡フレームに関する前記関心領域内の前記器具の位置及び／又は向きの一時的情報を受け取るステップと、
   初期の時点に、前記体外画像フレーム内の前記器具の位置及び／又は向きを、前記追跡フレームに関する前記関心領域内の前記器具の位置及び／又は向きと位置合わせするステップと、
   変換を使用して、前記器具の位置及び／又は向きを、前記追跡フレームから前記体外画像フレームに変換するステップと、
   前記変換に基づいて、前記少なくとも１つの体外画像内における前記画像オブジェクトの視覚化を出力するステップであって、前記画像オブジェクトは、前記少なくとも１つの体外画像が取得されたときよりも後の時点の前記器具の位置及び／又は向きに関連する、ステップと、
   を実行する装置。
2. 前記装置は、前記器具の撮像プローブから体内画像を受け取るステップを実行し、前記画像オブジェクトは、前記撮像プローブを使用して取得される体内画像に対応する、請求項１に記載の装置。
3. 前記視覚化は、前記体外画像の上に前記画像オブジェクトを重ね合わせることを含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記装置は、前記体外画像フレームにおける前記撮像プローブの位置及び／又は向きに従って、前記体外画像に対して前記画像オブジェクトを配置するように構成される、請求項２に記載の装置。
5. 前記体内画像が、超音波画像及び光コヒーレンストモグラフィ画像のうちの一方である、請求項２に記載の装置。
6. 前記画像オブジェクトが、前記器具の表現を含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記器具の表現は、前記器具の所定の点の１つを表すマーク、前記器具のモデルの投影、及び前記器具のグラフィカルモデルを含む、請求項６に記載の装置。
8. 請求項１に記載の装置と、前記体外画像取得システムと、前記追跡装置と、前記器具と、を有するシステム。
9. 前記体外画像取得システムがＸ線に基づくものである、請求項８に記載のシステム。
10. 前記器具は、体内画像を提供する撮像プローブを有し、
    前記装置は、前記器具の前記撮像プローブから前記体内画像を受け取るように構成され、
    前記画像オブジェクトの前記視覚化は、前記少なくとも１つの体外画像内における前記体内画像に対応する、請求項８に記載のシステム。
11. 前記装置は、前記体外画像フレーム内の前記撮像プローブの位置及び／又は向きに従って、前記体外画像に対して前記画像オブジェクトを配置する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記体外画像は、前記関心領域の動きの異なる複数のフェーズ中に取得された前記関心領域の複数の記憶されたＸ線画像から選択され、前記選択される画像は、前記器具の位置及び／又は向きが前記追跡装置を使用して決定されるときに生じる前記関心領域の動きのフェーズ中に取得される、請求項９に記載のシステム。
13. 前記関心領域の動きのフェーズを示す少なくとも１つの測定信号を取得する監視装置を更に有し、前記装置は、前記器具の変化した位置及び／又は向きが前記測定信号に基づいて決定されるときに生じる前記関心領域の動きのフェーズを識別する、請求項１２記載のシステム。
14. 体外画像内に器具に関連する画像オブジェクトを視覚化する装置の作動方法であって、
    前記装置が、体外画像フレームに関する撮像面上への前記器具の投影を含む関心領域の少なくとも１つの体外画像を受け取るステップと、
    前記装置が、前記器具のグラフィックモデルの投影を前記撮像面への前記器具の投影と合致させることによって、前記体外画像フレーム内における前記器具の位置及び／又は向きを決定するステップと、
    前記装置が、追跡フレームに関する前記関心領域内の前記器具の位置及び／又は向きの一次的情報を受け取るステップと、
    前記装置が、初期の時点に、前記体外画像フレーム内の前記器具の位置及び／又は向きを、前記追跡フレームに関する前記関心領域内の前記器具の位置及び／又は向きと位置合わせするステップと、
    前記装置が、変換を使用することによって、前記器具の位置及び／又は向きを前記追跡フレームから前記体外画像フレームに変換するステップと、
    前記装置が、前記変換に基づいて、前記少なくとも１つの体外画像における前記画像オブジェクトの視覚化を出力するステップであって、前記画像オブジェクトは、前記少なくとも１つの体外画像が取得されるときよりも後の時点の前記器具の位置及び／又は向きに関連する、ステップと、
    を有する方法。
15. コンピュータ上で実行される際、請求項１に記載の装置によって請求項１４に記載の方法を実行するためのプログラムコード手段を有するコンピュータ実行可能プログラム。

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