(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ字アームで使用される電磁的遮蔽アセンブリのためのシステム（３００）であって、
電磁場（２４０）を生成する電磁波送信器（２１０）と、
前記電磁場（２４０）に基づいて医療器具（２２０）の位置を検出するセンサ（１５０）と、
Ｘ線検出器を取り囲むように構成されており、Ｘ線を受け取るための第１のウィンドウ開口部（３１５）を有する電気伝導性のリング遮蔽（３１０）と、
前記リング遮蔽（３１０）の前記第１のウィンドウ開口部を遮蔽するように構成されている、電気伝導性でありかつＸ線透過性のウィンドウ遮蔽（３２０）と、
を備え、
前記リング遮蔽（３１０）と前記ウィンドウ遮蔽（３２０）は、前記センサ（１５０）を前記Ｘ線検出器が生成する２次的電磁場から遮蔽し、
前記リング遮蔽（３１０）が前記ウィンドウ遮蔽と電気的接触状態にあり、
更に、
前記リング遮蔽（３１０）と前記ウィンドウ遮蔽（３２０）に誘導されたにうず電流により形成される２次的磁場を歪みマップの形でモデル化する手段と、
該歪みマップを使用して前記センサ（１５０）が出力する信号を補正する手段と、
を備える、
システム。
【請求項２】
前記電磁波送信器（２１０）は、ＡＣ電流信号により駆動され、前記Ｃ字アームの両端間に双極子場を形成するコイルを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記センサ（１５０）に電子的に連絡するコンピュータユニット（１２０）と、
前記コンピュータユニット（１２０）に接続する表示ユニット（１３０）と、
を備える請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ウィンドウ遮蔽（３２０）はさらに高透磁率層を含む、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
前記ウィンドウ遮蔽（３２０）がミューメタルから製作されている、請求項１乃至４のいずれかにに記載のシステム。
【請求項６】
放射線透過性の較正ターゲット（２３０）を備える請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
前記ウィンドウ遮蔽（３２０）が散乱防止グリッド内に組み込まれている、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的には、医学的用途で使用するための電磁的ナビゲーションシステムの確度を向上させるためのシステム及び方法に関する。具体的には本発明は、Ｃ字アーム上で使用するための電磁的遮蔽アセンブリの有効性を向上させるためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁方式のナビゲーションシステムは、数多くの用途で有用である。具体的な利用用途の１つが医学的用途（より具体的には、画像ガイド下外科手技）である。典型的な画像ガイド下外科システムは、患者の身体の手術領域に対する１組の画像を収集し、１つまたは複数の座標組に関して外科用ツールまたは器具をトラッキングする。現時点においてこうしたシステムは、脳手術や膝、手首、肩または脊柱に対する関節鏡手技など多くの外科処置、並びにある種のアンギオグラフィ、心臓その他の介入的放射線学的手技やバイオプシーについて開発されたり提唱されたりしている。こうした手技ではまた、関心対象の解剖学的フィーチャを基準としたその手技に関わる位置補正あるいはツールや器具のナビゲーションのために、術前や術中にＸ線画像の撮像を要とすることがある。例えばこうしたトラッキングは、内部の組織や骨の中にあるか、直接の観察が困難な箇所に位置決めされている細長い探触子、放射線針、固定具あるいは別の物体を配置するのに有用となり得る。
【０００３】
電磁的トラッキングシステムは、Ｘ線システムと連係して使用されることがある。例えば電磁的トラッキングシステムがＣ字アーム蛍光透視と連係して使用されることがある。Ｃ字アーム蛍光透視は、Ｃ字アームの一方の端部でＸ線源を、かつＣ字アームのもう一方の端部でＸ線検出器を利用することがある。患者は、Ｘ線源とＸ線検出器の間に配置させることができる。Ｘ線は、Ｘ線源から患者を通過してＸ線検出器に至り、ここで像が取り込まれることがある。電磁的トラッキングシステムは、外科処置中にトラッキングを継続できるようにＣ字アームの両端間に電磁場を発生させ、身体内を最小の減衰または変化で貫通させることができる。
【０００４】
電磁場を発生させるための一技法は、時間変動する双極子場を用いることを必要とする。例えば双極子場は、場生成用コイルをＡＣ電流信号によって駆動することによって確立される。この方式によれば、誘導された信号を同期復調し、これにより検出された信号値を積算して感度を増強することが可能となる。さらに、Ｘ、Ｙ及びＺの場成分を異なる周波数で確立させ、これによって検出されたセンサ出力信号を別々にすること、あるいは同時に復調するという機能が可能となる。しかしこの方式は、場の内部にある導電性構造内に磁場の変動によってうず電流が誘導されるという欠点を有する。誘導された電流自体が２次的な磁場を発生させ、これによって期待される分布内に歪みが導入される。導電性または強磁性の金属構造は、医用トラッキング環境において一般によく存在するものである。
【０００５】
Ｃ字アーム環境内における電磁的歪みの発生元の１つがＸ線検出器である。歴史的に見て、Ｘ線検出器からの歪みに対処するための技法の１つはＸ線検出器の周りに導電性の構造を装着することである。導体は遮蔽内部に発生する外乱に対する遮蔽として動作する。この遮蔽（典型的には、その最上部と最底部に開口部を備えた金属缶として構築される）はしたがって、コイルアセンブリのうちの１つに対して固定の位置を有すると共に、有効にモデル化させることができる。送信器アセンブリからの磁場によりシート状の金属円筒内に誘導されたにうず電流、並びにこれら誘導された電流により形成される２次的磁場は、歪みマップの形でモデル化し説明することができる。
【０００６】
しかし電流遮蔽は、例えば継ぎ目、ジョイント及びＸ線検出器ウィンドウを通過する信号リークを許容することがある。信号リークによって遮蔽の有効性が低下する。較正用の歪みマップを作成する際に、遮蔽の信号リークを考慮に入れることがある。しかしＣ字アームにサービス用または交換用部品が必要となるような状況では、こうした部品によって遮蔽を通過する信号リーク特性が変化すること（例えば、信号リークが増加または減少すること）があり得る。例えばイメージインテンシファイアやフラットパネル検出器が交換されると、その信号リーク特性が変化することがある。信号リーク特性が変化すると、歪みマップの較正誤りが生じ、このためにトラッキングシステムの動作が不適正となることがある。
【特許文献１】米国特許第７０９６１４８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
歪みマップの作成は典型的には、製造中にロボット工学システムを用いて実行されており、時間がかかる処理過程である。歪みマップを作成する処理過程が複雑で時間がかかるものであるため、新たな部品の較正のための現地歪みマップピングを実行するために金銭面と時間の両者において極めて高コストとなる可能性がある。したがって、電磁的遮蔽からの信号リークを最小限にするためのシステム及び方法が必要とされている。こうしたシステム及び方法は、歪みマップを再度生成する必要性を最小限にし、装置のダウンタイムを最小限にし、かつ交換部品の互換性を促進させることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある種の実施形態は、Ｃ字アームで使用される電磁的遮蔽アセンブリのためのシステムを含むことがある。本システムは、Ｘ線検出器を取り囲むように構成されたリング遮蔽を含むことがある。このリング遮蔽は、Ｘ線を受け取るための第１のウィンドウ開口部を有することがある。本システムは、リング遮蔽の第１のウィンドウ開口部を遮蔽するように構成されたウィンドウ遮蔽を含むことがあり、該ウィンドウ遮蔽は電気伝導性でありかつＸ線透過性である。このリング遮蔽は電気伝導性とし、またウィンドウ遮蔽と電気的接触状態とすることやウィンドウ遮蔽から電気的に絶縁させることのいずれとすることもできる。一実施形態ではそのウィンドウ遮蔽は、アルミニウムまたは銅とすることがある。ウィンドウ遮蔽は散乱防止グリッド内に組み込まれることがある。ウィンドウ遮蔽はさらに高透磁率層を含むことがある。
【０００９】
本発明のある種の実施形態は、Ｃ字アームで使用される電磁的遮蔽アセンブリのためのシステムを含むことがある。本システムは、Ｘ線検出器を取り囲むように構成されたリング遮蔽を含むことがある。このリング遮蔽は、Ｘ線を受け取るための第１のウィンドウ開口部を有することがある。本システムは、リング遮蔽の第１のウィンドウ開口部を遮蔽するように構成されたウィンドウ遮蔽を含むことがあり、該ウィンドウ遮蔽は高透磁率を有しかつＸ線透過性である。このリング遮蔽は電気伝導性であり、またウィンドウ遮蔽と電気的接触状態とすることや、ウィンドウ遮蔽から電気的に絶縁させることのいずれとすることもできる。ウィンドウ遮蔽は散乱防止グリッド内に組み込まれることがある。一実施形態ではそのウィンドウ遮蔽はｍｕ金属またはニッケルから製作されることがある。ウィンドウ遮蔽はさらに、電気伝導層を含むことがある。
【００１０】
本発明のある種の実施形態は、ユニバーサルナビゲーションターゲットのためのシステムを含むことがある。本システムは、放射線透過性の較正ターゲットを含むことがある。本システムはさらに、Ｘ線を受け取るための第１のウィンドウ開口部を有するリング遮蔽と該リング遮蔽の第１のウィンドウ開口部を遮蔽するように構成されたウィンドウ遮蔽とを含んだ電磁的遮蔽を含むことがある。ウィンドウ遮蔽は電気伝導性でありかつＸ線透過性とすることがある。ウィンドウ遮蔽は高透磁率を有しかつＸ線透過性とすることがある。ウィンドウ遮蔽は高透磁率を有し、電気伝導性であり、かつＸ線透過性とすることがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
上述した要約、並びに本発明のある種の実施形態に関する以下の詳細な説明は、添付の図面と共に読むことによってさらに十分な理解が得られよう。本発明の例証を目的として、図面ではある特定の実施形態を示している。しかし本発明は、添付の図面に示した配置や手段に限定するものではないことを理解すべきである。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態による画像ガイド下外科手技に使用できるシステム１００を表している。システム１００は、医用撮像ユニットの一例としてＣ字アームユニット１１０を表している。しかし医用撮像ユニットは例えば、超音波ユニットなどの別の医用撮像装置とすることができる。したがって、任意の移動式医用撮像装置を使用することができる。
【００１３】
Ｃ字アームユニット１１０はコンピュータユニット１２０に接続されている。Ｃ字アームユニット１１０とコンピュータユニット１２０の間の接続は有線式やワイヤレス式とすることができる。コンピュータユニット１２０は、例えばＸ線、超音波、ＣＴ、ＭＲＩ、ＥＢＴ、ＭＲ、核医学など電子医用画像の観察及び操作のために電子的に収集、保存または送信することを可能にさせる任意の装置やソフトウェアとすることがある。コンピュータユニット１２０はユーザから入力を受け取ることがある。コンピュータユニット１２０は一般に、装置及びソフトウェアを意味している。実際の物理的なコンピュータユニットは、単独のユニット、単一ユニットの一部、コンピュータシステム、あるいはコンピュータシステムの一部とすることがある。
【００１４】
コンピュータユニット１２０は、電子ネットワークを介して別のデバイスに接続されることがある。電子ネットワークへのコンピュータユニット１２０の接続を線１４０で表している。ネットワーク１４０とコンピュータユニット１２０の間の接続は有線式やワイヤレス式とすることができる。コンピュータユニット１２０はさらに、表示ユニット１３０に接続されることがある。コンピュータユニット１２０と表示ユニット１３０の間の接続は有線式やワイヤレス式とすることができる。表示ユニット１３０は単一表示ユニットとすることや、複数の表示ユニットとすることができる。さらに表示ユニット１３０は例えば、２次元表示ユニットとすることや３次元表示ユニットとすることができる。したがって本発明では、任意の表示ユニットを使用することができる。
【００１５】
要素１０５は患者を意味しており、また要素１０７は患者をその上に横たえさせるテーブルを意味している。要素１５０、１６０及び１７０は、基準フレームを基準として並びに互いを基準としてその箇所を特定できる電子センサである。３つのセンサ１５０〜１７０を図示しているが、任意の数のセンサを使用することができる。センサ１５０〜１７０は一般にコンピュータユニット１２０と電子的に連絡している。要素１１２はＸ線源を意味しており、また要素１１５はＸ線検出器を意味している。Ｘ線検出器１１５は例えば、イメージインテンシファイアやフラットパネル検出器とすることがある。要素１１８は電磁的遮蔽を意味している。電子的連絡はワイヤを介することがあり、あるいはワイヤレス方式の送信のこともある。システム１００の構成要素は、単一ユニット、単独のユニットとすることがあり、様々な形態で組み込まれることがあり、またハードウェアの形及び／またはソフトウェアの形で実現されることがある。
【００１６】
図２は、本発明の一実施形態による画像ガイド下外科手技で使用できるシステム２００を表している。システム２００はシステム１００の断面像である。Ｃ字アーム１１０、Ｘ線源１１２及びＸ線検出器１１５を図示している。さらに、電磁的遮蔽１１８、センサ１５０、患者１０５及びテーブル１０７も図示している。さらに医療器具２２０、電磁波送信器２１０及び放射線透過性の較正ターゲット２３０も図示している。電磁場２４０はＸ線２５０であるとして図示している。医療器具２２０は、医療器具２２０に取り付けられたワイヤによって示したように別の医療器具に接続されることがある。電磁波送信器２１０は電磁波送信器２１０に取り付けられたワイヤによって示したように別の装置に接続されることがある。
【００１７】
動作時において電磁波送信器２１０は、例えば医療器具２２０をトラッキングするために電磁的トラッキングシステム向けの電磁場２４０を生成する。電磁場２４０は、電磁場２４０内部に見出される導電性構造内にうず電流を誘導することがある。例えば電磁場２４０はＸ線検出器１１５内にうず電流を誘導することがある。この誘導された電流は次いで、２次的電磁場を生成することがある。２次的電磁場によって期待される分布内に歪みが導入されることがある。
【００１８】
電磁的遮蔽１１８はセンサ１５０〜１７０をこの２次的電磁場から遮蔽することができる。電磁的遮蔽１１８は、Ｘ線検出器１１５を取り囲むように構成された導電性リング遮蔽を含むことがある。導電性リング遮蔽はその側面でＸ線検出器１１５を取り囲むことがある。一実施形態ではその導電性リング遮蔽は、Ｘ線検出器１１５の底部の一部分を若干覆うことがある。別法としてその導電性リング遮蔽は、Ｘ線検出器１１５の底部を覆わないことがある。導電性リング遮蔽は、Ｘ線２５０がＸ線検出器１１５に到達できるようにするためのウィンドウ開口部を有することがある。電磁的遮蔽１１８はさらに導電性ウィンドウ遮蔽を含むことがある。導電性ウィンドウ遮蔽は、導電性リング遮蔽のウィンドウ開口部を遮蔽するように構成される。一般に導電性ウィンドウ遮蔽は、Ｘ線２５０が導電性ウィンドウ遮蔽を最小のＸ線減衰で通過できるようにするゲージから形成されている。
【００１９】
図３は、本発明の一実施形態によるシステム２００の一部を抜き取って表したものである。図３は、放射線透過性の較正ターゲット２３０、センサ１５０及び電磁的遮蔽１１８を表している。電磁的遮蔽１１８は、導電性リング遮蔽３１０及び導電性ウィンドウ遮蔽３２０を含む。導電性リング遮蔽３１０は、Ｘ線源１１２からのＸ線２５０を最小減衰によらずに受け取るためのウィンドウ開口部３１５を含む。
【００２０】
一般に遮蔽の有効性は、動作周波数、並びに継ぎ目、ジョイントまたは穴を通る信号リークに依存することがある。信号リークは遮蔽有効性を低下させることがある。図３の実施形態において導電性ウィンドウ遮蔽３２０がないと、信号リークがウィンドウ開口部３１５を通ることになりかねない。遮蔽上に半波長と等しいかこれより小さい寸法を有するアパーチャがある場合、デシベルを単位としたその遮蔽有効性は次式で記述される。
【００２１】
Ｓ＝２０ｌｏｇ（λ／２Ｄ）        （式１）
上式において、λは波長であり、かつＤはアパーチャの直径である。リーク穴のサイズが大きくなるに連れて、遮蔽有効性はこれに応じて低下する。一実施形態では、遮蔽の全体的な有効性を向上させるためにウィンドウ開口部３１５を完全に覆う導電性ウィンドウ遮蔽３２０を備えることが望ましい。一実施形態では、その導電性リング遮蔽３１０と導電性ウィンドウ遮蔽３２０を互いに電気的に絶縁させることがある。別の実施形態では、その導電性リング遮蔽３１０と導電性ウィンドウ遮蔽３２０を互いに電気的接触状態とすることがある。
【００２２】
さらに、遮蔽材料の電気的特性及び厚さも遮蔽の有効性に影響を及ぼす。遮蔽材料の有効性は材料の表皮厚（ｓｋｉｎ  ｄｅｐｔｈ）を用いることによって次式のように記述できる。
【００２３】
σ＝１／（πｆμσ）１／２        （式２）
上式において、ｆは動作周波数であり、またμ及びσはそれぞれ遮蔽の透磁率と導電率である。一般に、同じレベルの遮蔽減衰に達するように低周波数信号を遮蔽するにはより厚い材料が使用されることがある。電磁的トラッカー信号は概ね１０ｋＨｚであるため、概ね３ｍｍ厚のアルミニウムによる導電性遮蔽を利用するとかなりの（概ね２０％の）Ｘ線減衰を生じることがある。このＸ線減衰レベルでは、画質に影響を及ぼすため一般に受容不可能である。
【００２４】
導電性ウィンドウ遮蔽３２０を追加すると、Ｘ線の最小のＸ線減衰による通過が可能になることによって電磁的遮蔽１１８の有効性が向上する。例えば、０．１５ｍｍのアルミニウム厚からなる導電性ウィンドウ遮蔽３２０はＸ線画像に対して０．１％の減衰を導入することがある。
【００２５】
導電性ウィンドウ遮蔽３２０はアルミニウムや銅など導電性が高い材料、またはｍｕ金属やニッケルなど透磁率が高い強磁性材料、あるいはこれらを組み合わせた材料から製作することができる。式２に示したように、導電性が高い材料と透磁性が高い材料の両者が所与の遮蔽材料の表皮厚の増大に役立つことがある。これらの材料は、周波数が極めて高いまたは低い信号を減衰させるために使用することができる。
【００２６】
別の実施形態では、ウィンドウ遮蔽３２０は散乱防止Ｘ線用グリッドに組み込まれることがある。散乱防止Ｘ線用グリッドはＸ線検出器の前に据付られることがある。散乱防止Ｘ線用グリッドは主に、鮮鋭な画像を作成するために撮像対象内の様々な物質により生じる散乱放射線を除去するために使用される。散乱防止Ｘ線用グリッドは通常、平滑なエナメル処理アルミニウムまたは炭素繊維複合材被覆を備えた鉛ストリップとアルミニウム介在物によって製作される。ウィンドウ遮蔽３２０は薄い導電性シートや箔から製作できるため、ウィンドウ遮蔽３２０を散乱防止Ｘ線用グリッドに組み込むと、ウィンドウ遮蔽３２０をナビゲーションターゲット２３０に取り付けるための剛性で耐久性が高い構造を提供することができる。導電性リング遮蔽３１０及び導電性ウィンドウ遮蔽３２０、並びにＸ線用グリッドアセンブリを備えた一体型のナビゲーションターゲットのそれぞれについて歪みマップが作成されることがある。このマップはオンラインでの画像収集及び器具ナビゲーションの間においてＥＭセンサ位置及び方向歪みを補正するために後から使用されることがある。
【００２７】
本発明に関してある種の実施形態を参照しながら記載してきたが、本発明の趣旨を逸脱することなく様々な変更が可能であると共に等価物による置換が可能であることは当業者であれば理解するであろう。さらに多くの修正形態により、本発明の趣旨を逸脱することなく具体的な状況や材料を本発明の教示に適応させることができる。したがって、開示した特定の実施形態に本発明を限定しようという意図ではなく、本発明は添付の特許請求の範囲の域内に入るすべての実施形態を包含するように意図している。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態による画像ガイド下外科手技に使用できるシステムを表した図である。
【図２】本発明の一実施形態による図１のシステムの断面像を表した図である。
【図３】本発明の一実施形態による図２の一部を抜き取って表した図である。
【符号の説明】
【００２９】
１００  システム
１０５  患者
１０７  テーブル
１１０  Ｃ字アームユニット
１１２  Ｘ線源
１１５  Ｘ線検出器
１２０  コンピュータユニット
１３０  表示ユニット
１４０  ネットワーク
１５０  センサ
１６０  センサ
１７０  センサ
２００  システム
２１０  送信器
２２０  医療器具
２３０  較正ターゲット
２４０  電磁場
２５０  Ｘ線
３００  システム
３１０  導電性リング遮蔽
３１５  ウィンドウ開口部
３２０  導電性ウィンドウ遮蔽
【図１】
0005421552.tif 000002
【図２】
0005421552.tif 000003
【図３】
0005421552.tif 000004