(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カテーテル案内システムを３次元イメージに統合するシステムであり、
心臓の少なくとも一部の３次元イメージであり、心臓の表面に位置している複数個所の位置情報を含んでいる前記３次元イメージを取得する手段と、
心臓の第１表面位置Ｘ１にツールを置く手段と、
前記第１表面位置Ｘ１の位置情報を計測する手段と、
前記３次元イメージ上で特定された対応第１位置Ｙ１を取得する手段と、
前記カテーテル案内システムで計測された前記第１表面位置Ｘ１の前記位置情報と前記３次元イメージ上の前記対応第１位置Ｙ１の位置情報を組み合わせて、基準ペア（Ｘ１，Ｙ１）を作る手段と、
少なくとも一つの前記基準ペアを使って、前記カテーテル案内システム内の位置を前記３次元イメージ上の位置に変換するとともに、個々の前記基準ペアにおいてエラー関数がほぼゼロのマッピングエラーを算出することになる歪みアルゴリズムであって、薄板スプラインアルゴリズム、平均座標値アルゴリズム及び放射基底関数ネットワークアルゴリズムからなる群から選択されるいずれかの歪みアルゴリズムを用いた非剛体位置合わせによるマッピング関数を生成する手段と
を備えるシステム。
【請求項２】
心臓の少なくとも一部の３次元イメージを取得する前記手段が、ＣＴイメージ、磁気共鳴イメージ、超音波イメージ、Ｘ線イメージ、透視イメージ、イメージテンプレート、ローカライゼーションシステムが生成したイメージ、上記のいずれかを分解したモデル、あるいは前記の組み合わせ、で構成されるグループのなかから、心臓の少なくとも一部の３次元イメージを選択する、請求項１のシステム。
【請求項３】
３次元イメージ上で特定された対応第１位置Ｙ１を取得する前記手段は、３次元イメージの形状をディスプレイ装置に表示するとともに、入力装置を用いて３次元イメージの形状上において特定された対応第１位置Ｙ１を取得することを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項４】
前記カテーテル案内システムで計測された第１表面位置Ｘ１の位置情報と３次元イメージ上の対応第１位置Ｙ１の位置情報を組み合わせる前記手段は、前記カテーテル案内システムで計測された第１表面位置Ｘ１の位置情報を前記３次元イメージの形状上で特定された前記対応第１位置Ｙ１の位置情報と自動的に組み合わせて前記基準ペア（Ｘ１，Ｙ１）を作ることを特徴とする、請求項３のシステム。
【請求項５】
前記マッピング関数を生成する前記手段は、少なくとも３対の基準ペア（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２），（Ｘ３，Ｙ３）を使って、前記マッピング関数を生成することを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項６】
前記マッピング関数を生成する前記手段は、少なくとも４対の基準ペア（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２），（Ｘ３，Ｙ３），（Ｘ４，Ｙ４）を使って、前記マッピング関数を生成することを特徴とする請求項５のシステム。
【請求項７】
前記マッピング関数を生成する前記手段は、薄板スプラインアルゴリズムを使ってマッピング関数を生成するものであり、
前記薄板スプラインアルゴリズムは、重みづけられた基底関数の固定数を合計することを含んでおり、
前記重みづけられた基底関数の前記固定数は前記基準ペアの数に等しく、
前記マッピング関数は前記カテーテル案内システムの不均質性を補償し、個々の前記基準ペア（Ｘｉ，Ｙｉ）においてエラー関数がほぼゼロのマッピングエラーを算出する
ことを特徴とする請求項１のシステム。
【請求項８】
規格化パラメータを用いて前記マッピング関数を平滑化する手段をさらに備えることを特徴とする、請求項７のシステム。
【請求項９】
前記規格化パラメータはほぼゼロである、請求項８のシステム。
【請求項１０】
前記マッピング関数を生成する前記手段は、平均座標値アルゴリズムを使って前記マッピング関数を生成するものであり、
前記平均座標値アルゴリズムが前記カテーテル案内システムの不均質性を補償し、個々の前記基準ペア（Ｘｉ，Ｙｉ）においてエラー関数がほぼゼロのマッピングエラーを算出する
ことを特徴とする請求項１のシステム。
【請求項１１】
前記第１表面位置Ｘ１の位置情報を計測する前記手段と、前記対応第１位置Ｙ１を取得する前記手段と、前記基準ペア（Ｘ１，Ｙ１）を作る前記手段とによって、少なくとも４対の基準ペアが得られ、
前記マッピング関数を生成する前記手段は、心臓の少なくとも一部についての閉じられた三角形の表面モデルを生成する手段
をさらに備えており、
前記閉じられた三角形の表面の頂点が、少なくとも４対の前記基準ペアに対応している、請求項１０のシステム。
【請求項１２】
前記マッピング関数を生成する前記手段は、少なくとも３対の基準ペアと平均座標値アルゴリズムを使って前記マッピング関数を生成するものであり、
前記平均座標値アルゴリズムが前記カテーテル案内システムの不均質性を補償し、個々の前記基準ペア（Ｘｉ，Ｙｉ）において前記エラー関数がほぼゼロのマッピングエラーを算出する
ことを特徴とする請求項１のシステム。
【請求項１３】
前記マッピング関数を生成する前記手段は、放射基底関数ネットワークアルゴリズムを使って前記マッピング関数を生成するものであり、
前記放射基底関数ネットワークアルゴリズムが前記カテーテル案内システムの不均質性を補償し、個々の前記基準ペア（Ｘｉ，Ｙｉ）において前記エラー関数がほぼゼロのマッピングエラーを算出する
ことを特徴とする請求項１のシステム。
【請求項１４】
前記第１表面位置Ｘ１の位置情報を計測する前記手段は、少なくとも前記第１表面位置Ｘ１で電場の特性値を検出することを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項１５】
前記第１表面位置Ｘ１の位置情報を計測する前記手段は、少なくとも前記第１表面位置Ｘ１で磁場の特性値を検出することを含む、請求項１のシステム。
【請求項１６】
前記マッピング関数を生成する前記手段は、少なくとも一つの前記基準ペアを使って前記マッピング関数を生成するに先立って、その少なくとも一つの前記基準ペアを平滑化する手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１のシステム。
【請求項１７】
少なくとも一つの前記基準ペアを平滑化する前記手段が、カーネル平滑化法を使って少なくとも一つの前記基準ペアを平滑化することを特徴とする、請求項１６のシステム。
【請求項１８】
少なくとも一つの前記基準ペアを平滑化する前記手段は、
少なくとも一つの前記基準ペアを使って、少なくとも一つの前記基準ペアにおいて要素と要素の間にエラーベクトルをもたらす剛性統合を計算し、
前記剛性統合がもたらすエラーベクトルに沿って前記基準ペアの要素と要素が接近する向きに移動させることによって、前記基準ペアを再定義し、
前記マッピング関数を生成する前記手段では、再定義された少なくとも一つの前記基準ペアを使って、前記マッピング関数を生成する
ことを特徴とする、請求項１６のシステム。
【請求項１９】
カテーテル案内システムを心臓の少なくとも一部のイメージに統合するシステムであり、
心臓の少なくとも一部に挿入されるカテーテルと、
心臓の少なくとも一部の表面上に位置している位置Ｘにカテーテルを置き、心臓の少なくとも一部の表面上に位置している位置Ｘの位置情報を計測するカテーテル案内システムと、
心臓の少なくとも一部のイメージであり、心臓の少なくとも一部の表面上に位置している複数個所の位置情報を含んでいるイメージと、
心臓の少なくとも一部のイメージに接続されており、カテーテルが置かれた心臓の少なくとも一部の表面上の位置Ｘに対応するイメージ上の位置Ｙをユーザが選択することを許容する入力装置と、
カテーテルが置かれた心臓の少なくとも一部の表面上の位置Ｘの計測された位置情報と、選択された位置Ｙの位置情報を組み合わせて、基準ペア（Ｘ，Ｙ）を作る組み合わせ処理装置と、
カテーテル案内システムのｎ次元空間内における位置を、イメージのｎ次元空間内における位置に変換するマッピング関数ｆであり、個々の基準ペアにおいてｆ（Ｘ）の値とＹの値の差がほぼゼロとなる歪みアルゴリズムであって、薄板スプラインアルゴリズム、平均座標値アルゴリズム及び放射基底関数ネットワークアルゴリズムからなる群から選択されるいずれかの歪みアルゴリズムを用いた非剛体位置合わせによるマッピング関数ｆを生成するようにプログラムされている変換処理装置
を備えるシステム。
【請求項２０】
変換処理装置が薄板スプラインアルゴリズムでプログラムされている、請求項１９のシステム。
【請求項２１】
変換処理装置が平均座標値アルゴリズムでプログラムされている、請求項１９のシステム。
【請求項２２】
変換処理装置が放射基底関数ネットワークアルゴリズムでプログラムされている、請求項１９のシステム。
【請求項２３】
カテーテル案内システムが、心臓の少なくとも一部に局所的電場を生成し、カテーテルが遭遇する局所的電場の特性値に基づいて、心臓の少なくとも一部の表面にある位置Ｘの位置情報を計測する、請求項１９のシステム。
【請求項２４】
カテーテル案内システムが、心臓の少なくとも一部に局所的磁場を生成し、カテーテルが遭遇する局所的磁場の特性値に基づいて、心臓の少なくとも一部の表面にある位置Ｘの位置情報を計測する、請求項１９のシステム。
【請求項２５】
カテーテル案内システムを心臓の少なくとも一部のイメージに統合するシステムであり、
心臓の少なくとも一部のイメージであり、心臓の少なくとも一部の表面上に位置している複数個所のｎ次元の位置情報を含んでいるイメージと、
心臓の少なくとも一部のモデルであり、心臓の少なくとも一部の表面上に位置しているともにカテーテル案内システムに対して計測されている複数個所のｎ次元の位置情報を含んでいるモデルと、
ユーザが、心臓の少なくとも一部のイメージ上において位置Ｙを選択し、心臓の少なくとも一部のモデル上において位置Ｘを選択することを許容する入力装置と、
心臓の少なくとも一部のイメージ上で選択された位置Ｙの位置情報と、心臓の少なくとも一部のモデル上で選択された位置Ｘの位置情報を組み合わせて、基準ペア（Ｘ，Ｙ）を作る組み合わせ処理装置と、
カテーテル案内システム内の位置を、イメージ内の位置に変換するマッピング関数ｆであり、個々の基準ペア（Ｘ，Ｙ）において、ｆ（Ｘ）の値とＹの値の差がほぼゼロとなる歪みアルゴリズムであって、薄板スプラインアルゴリズム、平均座標値アルゴリズム及び放射基底関数ネットワークアルゴリズムからなる群から選択されるいずれかの歪みアルゴリズムを用いた非剛体位置合わせによるマッピング関数ｆを生成するようにプログラムされている変換処理装置
を備えるシステム。
【請求項２６】
心臓の少なくとも一部のイメージ上において選択される位置Ｙと、心臓の少なくとも一部のモデル上において特定される位置Ｘが、心臓の少なくとも一部の表面上の共通位置に対応している、請求項２５のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００７年３月９日に出願された米国出願第１１／７１５９２３号に基づく優先権を主張する。本出願は、２００７年３月９日に出願された米国出願第１１／７１５９１９号の関連出願でもある。これらの出願の全部は、参照することによって本明細書に援用される。
【０００２】
本発明は、心臓の診断と治療処置などに用いられるローカライゼーションシステムに関する。特に本発明は、ローカライゼーションシステムの座標系を外部で作成されたモデル又はイメージデータセットの座標系に統合するためのシステムと方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
心臓の診断あるいは治療処置の準備のために、心臓の室の幾何学的形状を生成することが知られている。しばしば、多数の参照点を捕捉するために、地図作成用のカテーテルが目的の心臓の室に導入され、その室の中で、不規則に、擬似的に不規則に、あるいは１またはそれ以上の所定のパターンに従って動かされる。地図作成用のカテーテルの３次元の座標値が、典型的にはローカライゼーションシステム（しばしば、地図作成システム、案内システム、あるいは位置のフィードバックシステムと称されることがある）を利用して計測される。ローカライゼーションシステムは、ローカライゼーション場内における地図作成用のカテーテルの座標値を計測する。典型的には、例えば、地図作成用のカテーテルに作用する電圧といったローカライゼーション場の特性値を、その場内におけるカテーテルの位置に関連づけることによって、地図作成用のカテーテルのローカライゼーション場内における座標値を計測する。多数の参照点を周囲を包囲する表面によって、心臓の室の幾何学的形状に関する表面モデルが作成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
いくつかの局面では、心臓の室の形状に関するローカライゼーションシステムのモデルと、心臓の室に関する外部イメージ又は分割されたモデルとを組み合わせることが好ましい。例えば、心臓の専門家またはその他の医療関係者が電気生理解析や心臓の一部切除処置を実施するのを補助するために、患者の心臓のＣＴまたは磁気共鳴イメージを利用することが知られている。これらの心臓に関する３次元イメージは、例えば切除用カテーテルといった医療用具が患者の心臓内のどこにあるのかを医療関係者に視覚的に分らせることを助け、処置の有効性を高める。さらに、そのような３次元イメージは、有利なことに、心臓の室の形状に関して、ローカライゼーションシステムだけで作成したモデルからでは得られない詳細をさらに提供する。
【０００５】
ローカライゼーションシステムは、電気生理学用または切除用カテーテルといったその他の物体の、ローカライゼーション場内における位置を検出するためにも用いられる。ローカライゼーションシステムで計測された物体の位置を、３次元のイメージ上に記述することが好ましいことがある。しかしながら、３次元イメージは、通常の場合、ローカライゼーションシステムの座標系と同じ座標系を利用していない。従って、ローカライゼーションシステムで計測された物体の位置を、３次元のイメージ上に直接的に表示することができない。さらに、ローカライゼーションシステムで計測された物体の位置を３次元イメージ上での位置に変換するためにアフィン変換を採用した場合、ローカライゼーション場の非線形性と不均一性が誤差をもたらすおそれがある。
【０００６】
心臓の幾何学的形状に関する外部の３次元モデルをカテーテル案内システムに統合できることが好ましい。
【０００７】
さらに、カテーテル案内システムによる測定値を、外部モデルにおける位置に正確に変換する変換技術を提供できることが好ましい。
【０００８】
さらに、その変換技術が、カテーテル案内システムの非線形性と不均一性を反映することが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下では、例えば、電場によるローカライゼーションシステム又は磁場によるローカライゼーションシステムといったカテーテル案内システムを、３次元イメージに統合する方法が開示される。その方法は下記のステップを備えている。
（ａ）  心臓の少なくとも一部の３次元イメージを取得する。その３次元イメージは、心臓の表面に位置している複数の参照点の位置情報を含んでいる。
（ｂ）  ツールを心臓の表面にある第１表面位置Ｘ１に置く。
（ｃ）  第１表面位置Ｘ１の位置情報を測定する。
（ｄ）  ３次元イメージ上において対応する第１位置Ｙ１の位置情報を特定する。
（ｅ）  カテーテル案内システムで測定された第１表面位置の位置情報Ｘ１と、３次元イメージ上の第１位置の位置情報Ｙ１を組み合わせて、基準ペア (Ｘ１，Ｙ１)を作る。
（ｆ）  それぞれの基準ペア(Ｘｉ，Ｙｉ)において、誤差関数がほぼゼロの位置ずれ誤差を計測するように、少なくとも一つの基準ペアを用いて、カテーテル案内システムにおける位置を３次元イメージにおける位置に変換するマッピング関数を作り出す。
３次元イメージは、ＣＴイメージ、磁気共鳴イメージ、超音波イメージ、Ｘ線イメージ、透視イメージ、イメージテンプレート、ローカライゼーションシステムで作られたイメージ、前記のいずれかの分割されたモデル、あるいは前記のいずれかの組み合わせから選択されたものであってもよい。
【００１０】
本発明のいくつかの実施形態では、３次元イメージ上での対応第１位置Ｙ１を特定するステップが、ディスプレイ装置に３次元イメージの形状を表示することと、表示された３次元のイメージの形状上において入力装置を利用して対応第１位置Ｙ１を特定することを含んでいる。カテーテル案内システムで計測された第１表面位置の位置情報Ｘ１は、自動的に対応第１位置の位置情報Ｙ１と対応づけられ、基準ペア (Ｘ１，Ｙ１)とされる。少なくとも３対の基準ペアが作成されるが、いくつかの実施例では４対の基準ペアが作られる。
【００１１】
薄板スプラインアルゴリズム（thin plate splines algorithm）が、マッピング関数を生成するのに利用されてもよい。典型的には、薄板スプラインアルゴリズムは、複数個の重みづけられた基底関数（weighted basis functions）の固定値を合計することを含んでいる。ここで重みづけられた基底関数の数は、作成された基準ペアの数に等しい。必要であれば、得られたマッピング関数は、好ましくはほぼゼロである規格化パラメータ（regularization parameter）を用いて平滑化されてもよい。それに代えて、マッピング関数を生成するのに、平均座標値アルゴリズム（mean value coordinate algorithm）を使うこともできる。さらに他の実施形態では、マッピング関数を生成するのに、放射基底関数ネットワークアルゴリズム（radial basis function networks algorithm）を使うこともできる。有利なことに、利用されるアルゴリズムは、カテーテル案内システムの不均一性を補償し、それぞれの基準ペアにおいて、マッピング誤差をほぼゼロとすることができる。
【００１２】
不可欠ではないが、少なくとも一つの基準ペアは、その基準ペアを用いてマッピング関数を生成するのに先立って平滑化されてもよい。少なくとも一つの基準ペアは、カーネル平滑化法（kernel smoothing function）で平滑化することができる。それに代えて、基準ペアは、以下の工程を含む手法によって平滑化することもできる。この手法は、その基準ペアを用いて、少なくとも一つの基準ペアの要素(member)と要素(member)の間に誤差ベクトルを生じさせる剛体位置合わせを計算することと、その剛体位置合わせから得られる誤差ベクトルに沿って基準ペアの要素同士が接近する向きに移動するように基準ペアを再定義することと、そうして再定義した少なくとも１つの基準ペアからマッピング関数を生成することを含む。
【００１３】
さらに、カテーテル案内システムを患者の身体の一部に関するｎ次元のイメージに統合する方法も開示されている。その方法は、
（ａ）  患者の身体の一部に関するｎ次元のイメージを取得する。そのｎ次元イメージは、身体の一部の表面に位置している複数の参照点の位置情報を含んでいる。
（ｂ）  ツールを身体の一部の表面にある表面位置Ｘに置く。
（ｃ）  表面位置Ｘの位置情報を測定する。
（ｄ）  ｎ次元イメージにおける対応する位置Ｙの位置情報を特定する。
（ｅ）  測定された表面位置Ｘの位置情報と、ｎ次元イメージ上の対応位置Ｙの位置情報を組み合わせて、基準ペア(Ｘ，Ｙ)を作る。
（ｆ）  （ｂ）〜（ｅ）を繰返して複数個の基準ペア(Ｘｉ，Ｙｉ)を作成する。
（ｇ）  カテーテル案内システムのｎ次元空間内におけるポイントを、ｎ次元イメージのｎ次元空間にマップする関数ｆを作り出す。ここでは、複数個の基準ペアの各々について、ｆ（Ｘｉ)−Ｙｉがほぼゼロとなる関数ｆを作り出す。その関数ｆは、薄板スプラインアルゴリズム、平均座標値アルゴリズム、放射基底関数ネットワークアルゴリズム、その他の適切なひずみアルゴリズム（warping algorithm）によって生成される。
【００１４】
本発明の別の態様では、カテーテル案内システムを心臓の少なくとも一部を含むイメージに統合する方法が、下記の工程、すなわち、位置Ｘのカテーテル案内システムにおけるｎ次元空間に対する位置情報を決定し、心臓の少なくとも一部のイメージにおけるｎ次元空間に対する対応位置Ｙの位置情報を決定し、位置Ｘの位置情報と対応位置Ｙの位置情報を組み合わせて基準ペアとし、カテーテル案内システムにおけるポイントをイメージ内におけるポイントに変換するマッピング関数ｆを生成する各工程を備えている。上記では、それぞれの基準ペアにおいてｆ（Ｘ）とＹの差がほぼゼロとなる関数ｆを求める。
【００１５】
位置Ｘのカテーテル案内システムに対する位置情報を決定する工程は、下記の工程、すなわち、心臓の少なくとも一部のモデルであって、カテーテル案内システムに対して測定されている心臓の表面に位置する複数個の参照ポイントの位置情報を含んでいるモデルを取得し、ディスプレイ装置に心臓の少なくとも一部のモデルの形状を表示し、入力装置を用いて心臓の少なくとも一部のモデルの形状上において位置Ｘを特定し、心臓の少なくとも一部のモデルの形状上において特定された位置Ｘの位置情報を決定する各工程を含んでいてもよい。同様に、対応位置Ｙの心臓の少なくともの一部のイメージに対する位置情報を決定する工程は、下記の工程、すなわち、心臓の少なくとも一部のイメージであって、イメージに対して測定されている心臓の表面に位置する複数個の参照ポイントの位置情報を含んでいるイメージを取得し、心臓の少なくとも一部のイメージの形状を表示し、入力装置を用いて心臓の少なくとも一部のイメージの形状上において位置Ｙを特定し、心臓の少なくとも一部のイメージの形状上において特定された位置Ｙの位置情報を決定する各工程を含んでいてもよい。上記において、心臓の少なくとも一部のモデルの形状上において特定された位置Ｘと、心臓の少なくとも一部のイメージの形状上において特定された位置Ｙは、心臓の表面上の共通点に対応している。
【００１６】
上記に代えて、位置Ｘのカテーテル案内システムに対する位置情報を決定する工程は、
カテーテルを位置Ｘに置き、カテーテル案内システムによって位置Ｘの位置情報を計測してもよい。カテーテル案内システムは、位置Ｘにおける電場の少なくとも一つの特性値、あるいは位置Ｘにおける磁場の少なくとも一つの特性値に基づいて、位置Ｘの位置情報を計測するものであってもよい。
【００１７】
本発明の他の実施例によると、カテーテル案内システムを心臓の少なくとも一部のイメージに統合するシステムが、下記の構成、すなわち、心臓の少なくとも一部に挿入されるカテーテルと、そのカテーテルを心臓の少なくとも一部の表面に位置している位置Ｘに置くとともに心臓の少なくとも一部の表面に位置している位置Ｘの位置情報を計測するカテーテル案内システムと、心臓の少なくとも一部のイメージであって、心臓の少なくとも一部の表面に位置している複数個の参照ポイントの位置情報を含んでいるイメージと、心臓の少なくとも一部のイメージに結合しているとともにユーザがイメージ上で位置Ｙ（位置Ｙは心臓の少なくとも一部の表面上の位置であってカテーテルが置かれている位置Ｘに対応している）を選択するための入力装置と、カテーテルが置かれている心臓の少なくとも一部の表面上に位置している位置Ｘに関して計測された位置情報と、選択された位置Ｙの位置情報を組み合わせて基準ペア（Ｘ，Ｙ）を作るようにプログラムされている組み合わせ処理装置と、カテーテル案内システムにおけるｎ次元空間内の位置をイメージにおけるｎ次元空間内の位置に変換するマッピング関数ｆを生成するようにプログラムされている変換処理装置を備えている。変換処理装置は、個々の基準ペア（Ｘ，Ｙ）において、ｆ（Ｘ）とＹとの差がほぼゼロとなるマッピング関数を生成する。変換処理装置は、薄板スプラインアルゴリズム、平均座標値アルゴリズム、放射基底関数ネットワークアルゴリズム、あるいはその他の適切なひずみアルゴリズムによってプログラムされていてもよい。
【００１８】
本発明のさらに他の実施例では、カテーテル案内システムを心臓の少なくとも一部のイメージに統合するシステムが、心臓の少なくとも一部のイメージであって、心臓の少なくとも一部の表面に位置している複数個の参照ポイントのｎ次元の位置情報を含んでいるイメージと、心臓の少なくとも一部のモデルであって、心臓の少なくとも一部の表面に位置している複数個の参照ポイントであるとともにカテーテル案内システムに対して計測されている複数個の参照ポイントのｎ次元の位置情報を含んでいるモデルと、ユーザが、心臓の少なくとも一部のイメージ上における位置Ｙを選択するとともに心臓の少なくとも一部のモデル上における位置Ｘを選択するための入力装置と、心臓の少なくとも一部のイメージ上において選択された位置Ｙの位置情報と、心臓の少なくとも一部のモデル上において選択された位置Ｘの位置情報とを組み合わせて基準ペア（Ｘ，Ｙ）を作るようにプログラムされている組み合わせ処理装置と、カテーテル案内システムにおける位置をイメージにおける位置に変換するマッピング関数ｆを生成するようにプログラムされている変換処理装置とを備えている。変換処理装置は、個々の基準ペア（Ｘ，Ｙ）において、ｆ（Ｘ）とＹとの差がほぼゼロとなるマッピング関数ｆを生成する。上記において、心臓の少なくとも一部のイメージ上において特定された位置Ｙと、心臓の少なくとも一部のモデル上において特定された位置Ｘは、心臓の少なくとも一部の表面上に位置している共通点に対応していることが好ましい。
【００１９】
本発明の有利な点は、カテーテル案内システムを外部モデルに統合できることであり、カテーテル案内システムによって得られた計測値に、外部モデルに対応する意味が与えられることである。
【００２０】
本発明の有利な他の点は、カテーテル案内システムの外部モデルへの局所的な非剛体位置合わせを許容することであり、カテーテル案内システムの非線形性と非均質性を補償することができることである。
【００２１】
本発明の上記特徴ならびに上記されていない観点、特徴、詳細、使用方法、利点は、下記の記載とクレームを読み、図面を検討することによって明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】電気生理解析に使用するローカライゼーションシステムの模式図。
【００２３】
【図２】電気生理解析に使用するカテーテルを例示する図。
【００２４】
【図３】カテーテル案内システムを３次元イメージに統合するシステムを模式的に示す図。
【００２５】
【図４】カテーテル案内システムを３次元イメージに統合するために用いられるグラフィック・ユーザ・インターフェースを例示する図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明は、カテーテル案内システムの外部モデル又は外部イメージデータへの局所的非剛体位置合せのためのシステム及び方法を提供する。すなわち、本発明は、カテーテル案内システムにおける座標系を、外部モデルまたは外部イメージデータの座標系に変換する方法とシステムを提供する。ここでいう「外部」とは、カテーテル案内システムとは異なる座標系を用いているモデルまたはイメージデータのことをいう。「外部イメージ」という用語は、本明細書では、カテーテル案内システムが統合される外部モデルまたは外部イメージデータのことを意味する。好ましくは、外部イメージが、複数個の参照点の位置情報を含んでいる。典型的には、位置情報は、外部イメージの座標系におけるカーテシアン座標で与えられている。その他の座標系、例えば極座標系、球座標系、円筒座標系等であってもよい。
【００２７】
典型的な外部イメージは、それに限定されるものでないが、ＣＴイメージ、磁気共鳴イメージ、超音波イメージ、Ｘ線イメージ、透視イメージ等である。外部イメージは、特定の患者のイメージでなく、イメージの標本（テンプレート）であってもよい。さらに、外部イメージがローカライゼ―ションシステムで取得された位置情報から生成されたイメージであってもよく、その場合も本発明の範疇である。当業者が理解するように、もしも異なる原点に対して計測されれば、本明細書の用法によると、そのデータも外部である。従って、外部イメージは、異なるローカライゼーションシステムから提供されることもあれば、参照点を異にする同じローカライゼーションシステムから提供されることもある（例えば、前に行った処置の間に収集されたローカライゼーションシステムのデータ、または、異なる電極に対して計測されたローカライゼーションシステムのデータが外部イメージであることもある）。外部イメージは、部分に分割されていてもよいし、分割されていなくてもよい。外部イメージは、他の適切な提供源から入手したものであってよい。
【００２８】
以下では、本発明が、心臓処置、特に、心室内で実行される処置との関係で説明されるが、本発明は、他の用途において用いられても、有用な結果をもたらすものである。さらに、以下では、本発明が３次元空間の場合について説明されるが、当業者であれば、ここで開示されている原則を、任意の次元数に対して如何に適用するかを理解することに留意すべきである。
【００２９】
図１は、心臓用カテーテルを案内することによって心臓の電気生理解析を実施し、患者１１の心臓１０に生じている電気的活動を計測し、計測された電気的活動、および／または、そうして計測された電気的活動に関連する、又はそのような電気的活動を示す情報を、３次元の地図上に表示するローカライゼーションシステム８を模式的に示している。システム８は、一つ又は複数個の電極を利用して患者の心臓１０の解剖学的モデルを生成するために利用することができる。システム８は、心臓表面の複数個所における電気生理解析データを計測し、計測されたデータを、電気生理解析データが測定された計測点の位置情報に対応付けて記憶し、例えば患者の心臓１０の診断用のデータマップを生成するために用いることができる。当業者が理解するように、また以下で詳細に記載されるように、ローカライゼーションシステム８は、例えば３次元空間内における物体の位置を決定し、それらの位置を少なくとも一つの基準に対して決定された位置情報として表示する。
【００３０】
図示の簡単化のために、患者１１は模式的に楕円で示されている。表面電極（パッチ電極）の３セットが患者１１の表面に貼られている様子が示されており、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸という、３つの概ね直交する３軸を定義している。Ｘ軸の表面電極１２，１４は、患者の胸部の側方（例えば患者の脇下の皮膚に貼られている）を向いている第１軸に沿って患者に貼られており、左電極と右電極といわれる。Ｙ軸の表面電極１８，１９は、患者の内腿と首部を通る第２軸（Ｘ軸にほぼ直交している）に沿って患者に貼られており、左脚電極と首電極といわれる。Ｚ軸の表面電極１６，２２は、患者の胸部の胸骨と脊柱を通る第３軸（Ｘ軸とＹ軸の両者にほぼ直交している）に沿って患者に貼られており、胸電極と背中電極といわれる。心臓１０は、３対の表面電極１２／１４、１８／１９、１６／２２の間に位置している。
【００３１】
追加の表面電極(例えば腹部パッチ)２１は、システム８の基準および／または接地電極を提供する。腹部電極２１は、後で詳述する心臓内に固定された電極３１に代わるものであってもよい。さらに患者１１には、既知の心電計（ＥＣＧ）にほぼ全部の電極が所定の位置に取り付けられていてもよい。図１には示されていないが、システム８にはＥＣＧ情報が提供される。
【００３２】
実施例のカテーテル１３は、少なくとも一つの電極（例えば先端電極）を備えており、それが図示されている。この実施例のカテーテル１７は、本明細書において、可動電極、移動電極、あるいは計測電極と称する。典型的には複数個の電極を持つカテーテル１３または、そのようなカテーテルの複数本が使用される。一つの実施例では、例えば、ローカライゼンーションシステム８は、患者の心臓と導管に挿入される最大で１２本のカテーテルと、そのカテーテルに設けられている最大で６４個の電極を備えていることがある。もちろん、この実施例は例示に過ぎない。本発明では、任意の数の電極とカテーテルが利用できる。
【００３３】
開示の目的のために、図２にカテーテル１３の例が示されている。図２において、カテーテル１３は患者の心臓の左心室５０内に伸びている。カテーテル１３は、先端に配置されている電極１７と、長さ方向に離反して配置されている追加の測定用電極５２，５４，５６を備えている。これらの電極１７,５２,５４,５６は、患者の体内に置かれているために、ローカライゼーションシステム８によって個々の電極の位置が同時に計測される。
【００３４】
患者１１の体内をカテーテル１３を案内する好適なシステムの一つは、２００６年１２月２９日に出願された米国特許出願１１／６４７２７２（‘２７２出願）に開示されているロボット外科システムである。その出願の内容は、引用することによって、本明細書に全部の内容が記載されているように明示的に組み込まれる。もちろん、本発明の範疇または範囲を超えることなく、それ以外の、機械的、電気―機械的、あるいはロボットによるシステムがカテーテル１３を患者１１の体内を案内するために利用することもできる。さらに、本発明のいくつかの実施例では、カテーテル１３が患者１１の体内で人手によって操作される。
【００３５】
図１に戻ると、オプションの固定参基準電極３１（心臓１０の壁に固定されている）が、第２カテーテル２９に配置されている。補償の目的のために、この電極３１は静止していてもよいし（例えば心臓の壁またはその近傍に固定されている）、あるいは移動電極（電極１７，５２，５４，５６）に対して一定の空間的位置関係を維持するように配置されていてもよい。そのために、電極３１は、案内基準、局所基準といわれることがある。固定基準電極３１は、前記した表面基準電極２１に追加して、又は表面基準電極２１に代えて利用することができる。多くの場合に、冠状血管洞電極、その他の心臓１０内の固定電極が、電位と変位を計測するための基準として用いることができる。すなわち、後記するように、固定された基準電極３１が座標系の原点を定義する。
【００３６】
個々の表面電極は切換えスイッチ２４に接続されており、コンピュータ２０によって実行されているソフトウエアに従って、電極対が選択される。切換えスイッチは、表面電極を信号生成器２５に接続している。コンピュータ２０は、例えば、従来の汎用コンピュータであってもよいし、専用のコンピュータであってもよいし、分散型のコンピュータであってもよいし、その他のタイプのコンピュータであってもよい。コンピュータは、一個または複数個の演算処理装置を備えていてもよく、例えば、明細書に記載されている本発明の種々の目的のための指示を実行することができる、一つの中央演算処理装置（ＣＰＵ）、又は、通常は並列処理装置といわれることが多い処理ユニットを複数個備えていてもよい。
【００３７】
一般的には、生体由来の導体のなかでカテーテルを案内することを可能とするために、駆動されて検出するために用いられる電気双極子のシリーズ（例えば、表面電極対１２/１４、１８/１９、１６/２２）によって３軸の直交座標系が生成される。それに代えて、直交座標系を分解してもよい。表面電極対の任意の組み合わせが電気双極子として駆動され、位置を検出するために有効な三角形の電極を提供してもよい。さらに、これらの非直交的方法論が、システムに柔軟性を与える。任意の軸に対して、所定の駆動配置（電流を流すもの（ソース）と吸収するもの（シンク））で生成される電位であって、移動電極で測定した電位を代数的に組み合わせることによって、３軸に沿って一様に電流を流したときに得られるであろう電位と同じ電位を得ることができる。
【００３８】
従って、表面電極１２，１４，１６，１８，１９，２２のうちの任意の２個を、腹部パッチ２１といった接地電極に対する電気双極子のプラスとマイナスに選択することができ、その状態で、選択されていない電極が接地電圧に対する電位を測定する。心臓１０内に置かれている移動電極１７，５２，５４，５６は、電流パルスで作られる場に晒され、腹部パッチ２１といった接地電極に対する電位を測定することがきる。実際には、心臓内のカテーテルが、図示されている４個よりも多くの電極を持っていることもあれば少ない電極を持っていることもあり、それぞれの位置における電極電位を検出する。前記したように、少なくとも１個の電極が心臓の内側の表面に固定され、固定基準電極３１とされる。その電極もまた腹部パッチ２１といった接地電圧に対する電位を測定し、ローカライゼーションシステム８が場所を測定するのに用いる座標系の原点を提供する。個々の表面電極、内部電極、実質上の電極からのデータ群が、移動電極１７，５２，５４，５６の心臓１０内の位置を決定するために用いられる。
【００３９】
測定された電位は、基準電極３１といった参照点に対する、移動電極１７，５２，５４，５６といった心臓内電極の３次元空間内の位置を決定するのに利用される。すなわち、基準電極３１で測定された電位は、座標系の原点位置を決定するのに用いられ、移動電極１７，５２，５４，５６で測定された電位は、その原点位置に対する移動電極１７，５２，５４，５６の位置を決定するのに用いられる。好ましくは、その座標系は３次元のカーテシアン座標系（ｘ，ｙ，ｚ）であることが好ましい。その他の座標系、例えば極座標系、球座標系、円筒座標系等を使用することも、本発明の範囲内に含まれる。
【００４０】
前記した説明から明らかであるように、電極の心臓内の位置を決定するのに利用するデータは、表面電極の対が心臓に電場を加えている状態で測定される。電極で測定されたデータは、米国の特許公開公報２００４／０２５４４３７に記載されているように、電極位置を示す生の位置データを改善するための呼吸補償値を生成するのにも用いられる。米国特許公開公報２００４／０２５４４３７の開示内容の全部が、引用することによって本明細書に組み込まれる。電極で測定されたデータは、２００５年９月１５日に出願された継続中の米国特許出願１１／２２７５８０に開示されているように、患者の体内におけるインピーダンスの変化を補償するためにも用いられる。米国特許出願１１／２２７５８０の開示内容の全部が、引用することによって本明細書に組み込まれる。
【００４１】
要するに、システム８は、最初に表面電極の対の一つを選択し、次に電流パルスを加える。電流パルスが加えられている間に、電気的活動、例えば、少なくとも一つの他の表面電極と生体内電極によって測定された電位が、測定されて記憶される。人為的な補償、例えば、呼吸やインピーダンスの変化の補償が、上記のように実行されることがある。
【００４２】
好ましい実施例では、ローカライゼーション／マッピングシステムが、セント・ジュード・メディカル・エイトリアル・フィブリレーション・ディヴィジョン・インコーポレーテッドの案内・可視化システムＥｎＳｉｔｅ  ＮａｖＸ（登録商標）である。そのシステムは、前記した電場を作り出す。しかしながら、本発明のために、バイオセンス  ウエブスター社のＣＡＲＴＯという案内・位置計測システム、あるいは、ノーザン  ディジタル社のＡＵＲＯＲＡ（登録商標）システムといった、他のローカライゼーションシステムも利用可能である。どちらのシステムも、局所的電場に代えて局所的磁場を用いる。米国特許第６９９０３７０号、第６９７８１６８号、第６９４７７８５号、第６９３９３０９号、第６７２８５６２号、第６６４０１１９号、第５９８３１２６号、第５６９７３７７号等に開示されているローカライゼーション／マッピングシステムも利用可能である。上記特許の開示内容の全部が、引用することによって本明細書に組み込まれる。
【００４３】
ローカライゼーションシステム８で生成された場は、ＥｎＳｉｔｅ  ＮａｖＸ（登録商標）の場合のように電場であれ、ＣＡＲＴＯの場合のように磁場であれ、あるいはその他の場であれ、一般的にローカライゼーション場と総称される。例えば電極１２，１４，１６、１８、１９、２２のように、場を生成する手段は、一般的にローカライゼーション場の生成器といわれる。上記のように、表面電極１２，１４，１６，１８，１９，２２は、ローカライゼーション場の特性値（例えば移動電極１７，５２，５４，５６で測定される電位）を測定する検出器としても機能し、移動電極１７，５２，５４，５６の位置情報を決定する。以下では、本発明が、主として電場を生成するローカライゼーションシステムの場合に即して説明されるが、当業者であれば、例えば電極１７，５２，５４，５６を磁場の異なる要素を検出するコイルに置き換えたような他のローカライゼーション場において、本発明の原理をどのように適用するかを理解することができる。
【００４４】
前記の説明から明らかであるように、ローカライゼーションシステム８で計測された位置情報は、ローカライゼーションシステム８に固有のものである。すなわち、その位置情報は、ローカライゼーションシステム８の座標系に対する移動電極１７，５２，５４，５６の位置を記述する。ローカライゼーションシステム８で計測された位置情報を外部イメージに統合し、ローカライゼーションシステム８で計測された位置情報を外部イメージに合わせてマッピングできるようにすることが好ましい。その場合、外部イメージは、前記したように、ローカライゼーションシステム８と異なる座標系を利用している。このことを、ローカライゼーションシステム８を外部イメージに「統合」するという。ローカライゼーションシステム８が外部イメージに統合されれば、ローカライゼーションシステム８の座標系でローカライゼーションシステム８で計測された電極１７,５２,５４,５６の位置が、精密かつ正確に、外部イメージ上に表示される。電極１７,５２,５４,５６の位置が、外部イメージの座標系に基づいて表示される。
【００４５】
カテーテル案内システム（ローカライゼーションシステム８）を３次元イメージに統合する方法が、図３を参照して説明される。図３は、カテーテル案内システムを３次元イメージに統合するシステム１００を模式的に示している。心臓の室の３次元の外部イメージは、例えば、コンピュータシステム２０の一部であることがあるハードディスク、オプティカルディスク、または記憶装置等の記憶媒体から、外部イメージを取出すことによって取得される。上記したように、外部イメージは、ＣＴ、磁気共鳴、超音波、Ｘ線、透視、あるいは他の適切なイメージングまたはモデリング方法から生成することができる。外部イメージは、特定の患者の固有のイメージに代えて、イメージのテンプレート(標準)であってもよい。好ましくは、外部イメージが、心臓の室の表面に位置している複数の参照ポイントの位置情報を含んでいる。外部イメージが取得されると、ディスプレイ装置２３にその形状１０２が表示される。
【００４６】
ついで、例えば‘２７２出願で開示されている接触の有無を検出するロボット外科システムを利用して、カテーテル１３を心臓の室の表面に接触するようにロボットで案内すること、あるいは、カテーテル１３が心臓の室の表面に接触するように人手によってカテーテル１３を操作することによって、カテーテル１３といったツールが心臓の室の第１表面位置Ｘ１に置かれる。上記したようにして（例えば第１表面位置Ｘ１における電場または磁場の少なくとも一つの特性値を測定することによって）、第１表面位置Ｘ１の位置情報が、ローカライゼーションシステム８によって計測される。この位置情報は、好ましくは、ローカライゼーションシステム８の原点（基準電極３１）に対する座標値（ｘ，ｙ，ｚ）で表現される。
【００４７】
ついでユーザは、心臓の室の第１表面位置Ｘ１に対応する３次元の外部イメージ上の位置Ｙｉを特定する。様々な視覚化技術、例えば透視法や心臓内エコー技術（ＩＣＥ）が、心臓の室の表面に位置しているカテーテル１３の位置をユーザーが理解する作業を補助するために利用される。その結果、外部イメージ上で位置Ｙ１を特定する作業が容易化される。明瞭な解剖学的な特徴、および／または医師の経験と体験が、Ｘ１とＹ１が対応しているか否かを確認するために利用される。たとえば、医師の経験上、心臓の室の表面に位置している第１表面位置Ｘ１が僧帽弁の近傍であると認識されれば、その医師は３次元の外部イメージ上で僧帽弁に近接している位置をＹ１として指定する。
【００４８】
いくつかの実施例では、入力装置を利用して、ディスプレイ装置２３に表示されている外部イメージの３次元形状の上で、第１位置Ｙ１を特定または指すことによって、第１位置Ｙ１が特定される。好ましい入力装置は、それに限定されないけれども、キーボード、キーパッド、マウスやトラックボールやトラックパッドといった位置を指すための装置、２次元または３次元のジョイスティック、能動型または受動型の接触検知型のディスプレイ装置である。好ましくは、第１位置Ｙ１は、３次元外部イメージに対して測定された座標値（ｘ、ｙ、ｚ）で表現されている位置情報を備えている。
【００４９】
図４は、本発明を実行するために利用されるグラフィック・ユーザ・インターフェース（ＧＵＩ；システムとユーザの間で情報交換を可能とする画面）の一例を示している。３次元の外部イメージの形状１０２が、窓１０４に表示されている。３次元のジョイスティック１０６（３つの入力軸を持つジョイスティック）が、形状１０２の上で、第１位置Ｙ１を指してクリックするために利用される。ユーザがＸ１とＹ１の対応関係を視覚的に理解するのを助けるために、第２の窓１０８に、例えば、透視画像、ＩＣＥ画面、あるいはローカライゼーションシステム８で得られたデータから生成されたモデルを表示すること等によって、心臓の室内にあるカテーテル１３を表示してもよい。第２の窓１０８の心臓の室内にあるカテーテル１３の位置を観測することによって、ユーザは窓１０４に表示されている形状１０２上における対応位置Ｙ１を特定することができる。しかしながら、窓１０４に形状１０２のみを表示し、映像に代わる医師の経験と体験によって、第１表面位置Ｘ１を特定することも、本発明の範囲または範疇に含まれる。
【００５０】
ついで、ローカライゼーションシステム８で計測された第１表面位置Ｘ１と、３次元の外部イメージ上における対応位置Ｙ１を組み合わせることによって、基準ペア（Ｘ１、Ｙ２）が作られる。本発明のいくつかの実施例では、コンピュータシステム２０に組み込まれているペアリング処理装置が、自動的に、第１表面位置Ｘ１の計測された位置情報と、指定された位置Ｙ１の位置情報を組み合わせる。基準ペア（Ｘ１、Ｙ１）は、座標値（ｘ，ｙ，ｚ）の対である。一方の座標値は、ローカライゼーションシステム８の原点に対するものであり、他方の座標値は、３次元の外部イメージの原点に対するものである。カテーテルを置いて対応位置を指す過程を繰返すことによって、複数個の基準ペアが組み合わされる。
【００５１】
上記した方法は、システム１００のユーザが外部イメージ（例えば窓１０４内の形状１０２）の上で、ポイントＹｉを指すことだけが求められることから、一般的に、「単純ピック方法」といわれている。基準ペアの他の要素の位置情報、すなわち表面位置Ｘｉは、ローカラーゼーションシステム８に対するカテーテル１３の位置を計測することで決定され、ユーザによって指された対応位置Ｙｉの位置情報と自動的に組み合わされる。
【００５２】
しかしながら、「２回ピック方法」も可能である。すなわち、ポイントＸｉの位置情報を決定するためにローカライゼーションシステム８に対するカテーテル８の位置を計測することに代えて、ローカライゼーションシステム８に対する位置Ｘｉを選択するためにピックプロセス(指し示す処理)を利用することができる。例えば、再び図４を参照すると、第２の窓１０８では、ローカライゼーションシステム８によって生成された心臓の室の表面モデルを表示するようにしてもよい。そのモデルは、ローカライゼーションシステム８に対して計測された、心臓の表面に位置している複数個の参照ポイントの位置情報を含んでいる。カテーテル１３を所定の位置に操作するのに代えて、あるいはそれに加えて、ユーザ１０６が３次元ジョイスティックを利用して、位置Ｘｉ、例えば第２の窓１０８に表示されている形状において僧帽弁に近接する位置を指してもよい。ユーザはついで、窓１０４に移動し、外部イメージの形状１０２上で対応する位置Ｙｉをピックする。位置ＸｉとＹｉの位置情報は、それぞれ、表面モデルと外部イメージから決定され、基準ペア（Ｘｉ、Ｙｉ）に組み合わされる。もちろん、この２回ピック方法は、多数個の基準ペアを得るために、多数回に亘って繰返すことができる。
【００５３】
当業者であれば理解するように、複数個の基準ペアは、ローカライゼーションシステム８を３次元イメージに統合させるマッピング関数ｆを生成するのに利用される。すなわちマッピング関数ｆは、ローカライゼーションシステム８の座標系に従って記述されている位置情報を、３次元イメージの座標系に従って記述される位置情報に変換する。
【００５４】
ローカライゼーションシステム８が線形で均質であれば、原点移動、回転、そして拡大・縮小といったアフィン変換が好ましい。この場合、平均自乗誤差を最小とする方法に従って算出されるアフィン変換を用いることが好ましい。しかしながら、多くのローカライゼーションシステムは、非線形であるとともに非均質であり、アフィン変換では、ローカライゼーションシステムでの座標値を外部イメージでの座標値に正確に対応させることができない。従って、ローカライゼーションシステム８の座標系を局所的に歪ませて、それぞれの基準ペアの位置において、３次元の外部イメージの座標値に強制的に合わせてしまうマッピング関数を用いることが好ましい。それによると、ローカライゼーションシステム８の非線形性と非均質性を補償することができる。すなわち、個々の基準ペア（Ｘｉ，Ｙｉ）において、例えば、ｆ（Ｘｉ）とＹｉの差分であるマッピングエラーを計測するエラー関数ｅの値が、ほぼゼロとなることが好ましい。このことは、ｅ＝{ｆ（Ｘｉ）−Ｙｉ}の絶対値がほぼゼロに等しいという式で表現できる。この発明のいくつかの実施例では、コンピュータ２０に組み込まれているところの適切にプログラムされている変換用処理装置が、マッピング関数を導出する。
【００５５】
マッピング関数ｆを導出するために適切に歪ませるアルゴリズムが複数個存在している。一つの好ましいアルゴリズムは、薄板スプラインアルゴリズムである。このアルゴリズムは、例えばＰＥＴとＣＴといったように、異なる様式から得られる複数個のイメージを融合するために、あるいは既存のイメージ集に新規なイメージデータを統合するために使用することが知られている。一般的に、薄板スプラインアルゴリズムは、複数個の重みづけられた基底関数の固定値を合計することを含んでいる。典型的には、重みづけられた基底関数の数は、基準ペアの数に等しい。以下に示す論文が、薄板スプラインアルゴリズムの詳細を説明している。その論文は、引用することによってこの明細書に組み込まれる。
【００５６】
Bookstein, FL. 著、Principal Warps: Thin Plate Splines and the Decomposition of Deformations.（IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 1989. 11 :567-585.）
【００５７】
Bookstein, FL. 著、Thin-Plate Splines and the Atlas Problem for Biomedical Images. （Proceedings of the 12' International Conference on Information Processing in Medical Imaging. July, 1991.）
【００５８】
薄板スプラインアルゴリズムは、得られるマッピング関数を平滑化するために、その値がほぼゼロに等しい規格化パラメータλを用いてもよいことを理解するべきである。当業者であれば、マッピング関数を平滑化するために規格化パラメータをどのように適用すべきかを認識し、理解するであろう。
【００５９】
他の適切な歪みアルゴリズムは、平均座標値アルゴリズムである。平均座標値アルゴリズムは、一般的に、３次元における複数個の独立ポイントを、「コントロールメッシュ」として知られている３次元の閉じられた三角形表面に変換する。平均座標値アルゴリズムは、コントロールメッシュが変形するときに、コントロールメッシュから離れた領域において粗く外挿することなしに頂点と三角形を厳密に変形させる３次元空間を通して、平滑化された内挿関数を計算することができる。以下に示す論文が、平均座標値アルゴリズムの詳細を説明している。その論文は、引用することによってこの明細書に組み込まれる。
Ju T, Schaefer S, Warren J著、Mean Value Coordinates for Closed Triangular Meshes. （ACM Transactions on Graphics. July 2005. 24(3):561-66.)
【００６０】
本発明のいくつかの実施例では、座標値の基準ペア（ｘ、ｙ，ｚ）は、コントロールメッシュの頂点であり、それらは、ローカライゼーションシステム８の３次元空間から外部イメージの３次元空間に変形させている。それらの頂点は、例えば、中心粒に中心を持つ球にそれらを投影して凸包を計算することによって、２次元のドロネー三角形（Delaunay triangulation）に接続されている。そのような方法は、すべての頂点を含むことができ、基準ペアが心臓の室の内側の表面上によく分布しているときに、三角網がほぼ最適化される。平均座標値アルゴリズムは、ローカライゼーションシステム８の座標系による任意の座標値(ｘ，ｙ，ｚ)を外部イメージの座標系に効率的かつ円滑に変換するために、コントロールメッシュと変形されたメッシュを用いる。
【００６１】
さらに他の適切な歪みアルゴリズムが、放射基底関数ネットワークアルゴリズムである。そのアルゴリズムは、ニュートラルネットワークにおいてよく知られている。以下に示す論文と書籍が、放射基底関数ネットワークアルゴリズムの詳細を説明している。その論文と書籍は、引用することによってこの明細書に組み込まれる。
【００６２】
J. MoodＹ and C. J. Darken著、"Fast learning in networks of locally tuned processing units," （Neural Computation, 1, 281-294 (1989).）
【００６３】
J. Park and LW. Sandberg著、"Universal approximation using radial-basis-function networks," （Neural Computation, 3(2): 246-257 (1991).）
【００６４】
A.G. Bors and I. Pitas著、"Median Radial Basis Function Neural Network," （IEEE Trans. On Neural Networks, vol. 7, no. 6, pp. 1351-1364 (Nov. 1996).）
【００６５】
Martin D. Buhmann and MJ. Ablowitz著、"Radial Basis Functions: Theory and Implementations," （Cambridge University (2003).）
【００６６】
Paul V. Yee and Simon Haykin著、"Regularized Radial Basis Function Networks: Theory and Applications," （John Wiley(2001).）
【００６７】
マッピング関数ｆを生成するために任意の個数の基準ペアを使用することができるが、マッピング関数を生成するためには、少なくとも３対の基準ペア（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２），（Ｘ３，Ｙ３）を用いることが好ましく、より好ましくは、少なくとも４対の基準ペア（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２），（Ｘ３，Ｙ３），（Ｘ４，Ｙ４）を用いる。１対、２対、または３対の基準ペアによって、ローカライゼーション８の３次元外部イメージに対する剛体位置合わせ（剛体統合）が得られる。その一方、４対またはそれ以上の基準ペアは、ローカライゼーションシステム８の３次元外部イメージへの非剛体位置合わせを許容する。ローカライゼーションシステム８が非線形である場合には、それが好ましい。さらに、追加的な基準ペアはマッピング関数ｆを改良し、ローカライゼーションシステム８を外部イメージに統合する実効性を高めることが理解される。
【００６８】
さらに、前記した各種の歪みアルゴリズムによってマッピング関数を生成するに先立って、入力データ、すなわち基準ペアを平滑化することによって、マッピング関数が規格化されることも理解される。本発明のいくつかの実施例では、入力データを平滑化するためにカーネル平滑化法が利用される。一つの適切なカーネル関数はガウス関数の導関数であり、下記一般式で示される。
【数１】
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しかしながら、本発明を実施するために、中央で最大値を取り、中央からの距離が増大するにつれてゼロに円滑に減少する任意のカーネル関数を採用することができる。カーネル関数によって平滑化される基準ペアのうちのＸの位置からの距離によって重みづけられたＹの値の合計を計算することによって、入力データを平滑化することができる。前記したように、Ｘの位置やＹの位置は、基準ペアを定義する位置である。上記の一般式において、ｘとは、個々の基準ペアのＸの位置から、平滑化される基準ペアのＸの位置までの距離である。
【００６９】
基準ポイントのペアを平滑化する他の方法も可能である。一つの方法は、基準ペアのための最適な剛性統合を最初に計算することである。計算後も、各々基準ペアにおいて、残存エラーベクトル（residual error vector）が残っている。そのベクトルに沿って元の基準ペアを基準ペア同士が接近する向きに移動させることによって、新たな基準ペアを作り出すことができる。補正された新しい基準ペアを利用することによって、非剛体位置合わせが計算される。もしも基準ペアがエラーベクトルの全長に亘って移動すれば、基準ペアの座標値は最適位置に位置することになり、結果は剛性統合に等しいことになる。もしも基準ペアが移動されなければ、元の基準ペアから直ちに非剛体位置合わせを許容する計算した場合に得られる統合と等しい結果となる。誤差ベクトルに沿って基準ペアの座標値を移動させるパーセントを調整することによって、異なるレベルの平滑化が得られる。
【００７０】
上記の方法は、一つまたの複数個のコンピュータシステムで実行することができ、ソフトウエア（例えば一つまたの複数個のコンピュータシステムまたは演算処理装置で実行される一つまたは複数個のソフトウエアプログラム）に具現化されることがあり、ハードウエア（例えば一つまたの複数個の固体装置に記憶されている指示のシリーズ）に具現化されるとがあり、あるいは、それらのコンビネーションであってもよい。前記したように、コンピュータは、従来の汎用コンピュータでもよく、専用コンピュータでもよく、分散型のコンピュータでもよく、その他のタイプのコンピュータであってもよい。さらに、コンピュータは、単一の中央処理ユニット、あるいは通常は並列処理装置といわれる複数個の処理ユニットなどのように、一つまたは複数個の処理装置を備えていてもよい。
ここでいう演算装置とは、コンピュータのマイクロプロセッサーおよび／または一つまたは複数個のコンピュータシステムで動作している一つまたは複数個のマイクロプロセッサーで実行されるように設計されているソフトウエアプログラム（ソフトウエアモジュールまたは分離されたプログラム）のことをいう。さらに他の例としては、ここで開示された処理の各々が、一つまたは複数個のコンピュータシステムで動作している一つまたは複数個のコンピュータプロセッサーを利用して実行されることがある。そのようにしても、本発明のコンピュータ化されたシステムを構成し、本発明の方法を構成することができる。
【００７１】
本発明のいくつかの実施例をある程度の具体性を持って記載したが、当業者であれば発明の主旨又は範囲内で、開示された実施例を様々に変形させることができる。例えば、本発明の範囲内で、外部モデルの形状１０２の上に表示される誘導マークにあわせて、心臓の室の表面上における対応位置にカテーテル１３を案内することによって、基準ペアを作り出すことができる。同様に、心臓の室の表面上における複数の位置のカテーテル１３を置き、その複数個の位置が心臓の室の表面モデルを生成するために使用されてもよい。複数個の位置は「プレイバック」され、それぞれの位置がプレイバックするたびに、ユーザが外部イメージの上で対応する位置を選択するようにしてもよい。イメージの複数個が、ここで開示されるシステムと方法に従って、互いに統合されてもよい（例えば、ＣＴイメージを磁気共鳴イメージに統合し、ＣＴイメージをカテーテル案内システムで生成されたモデルに統合する）。
【００７２】
上記説明に含まれるかまたは添付図面に示したすべての事項は、本発明を限定するものではなく単に例示するものであると解釈されることを意図している。添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の趣旨から逸脱することなく、詳細または構造に対する変更を行ってもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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