(57)【要約】  手術装置の位置を測定し、ＣＴ画像又はＭＲＩ画像における対応する位置に前記手術装置を表示する位置検出システムを含む画像誘導手術システムが開示される。位置検出システムは、該位置検出システムが感知可能である領域を示すインジケータシステムを備える。好ましくは、位置検出システムのカメラユニットは、少なくとも２つのカメラと、交差するとともに、前記領域内に視覚的マーカを生成する別個のレーザビームを放出する２つの半導体レーザとを含み、前記半導体レーザの各々は、レーザビームの各々が、各カメラの光軸を実質的にトラッキングするように、カメラユニットに取り付けられる。
2009531113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号をピックアップするレセプタ手段と、患者の画像を記憶するメモリユニットと、手術器具の位置を検出するため、前記レセプタ手段からの信号を処理するとともに、前記患者の記憶された画像に、前記手術器具の検出された位置を重ねるデータプロセッサ手段とを有する、手術される患者の手術領域において手術器具の位置を検出する位置検出システムと、
前記手術領域の測定領域をマーキングするインジケータシステムであって、前記位置検出システムが前記測定領域において感知可能であり、前記インジケータシステムが、前記測定領域において交差して、視覚的マーカを生成する別個のレーザビームを放出する２つの半導体レーザを有し、前記半導体の各々は、前記レーザビームの各々が前記レセプタ手段の信号受信軸を実質的にトラッキングするように、前記レセプタ手段に近接して取り付けられる、インジケータシステムと、
前記手術器具の前記検出されて重ねられた位置とともに、前記患者の前記記憶された画像を表示するディスプレイと
を有する画像誘導システム。
【請求項２】
画像信号をピックアップする少なくとも２つのカメラを有するカメラユニットと、患者の画像を記憶するメモリユニットと、手術器具の位置を検出するため、前記カメラユニットからの画像信号を処理するとともに、前記患者の記憶された画像に、前記手術器具の検出された位置を重ねるデータプロセッサ手段とを有する、手術される患者の手術領域において手術器具の位置を検出する位置検出システムと、
前記手術領域の測定領域をマーキングするインジケータシステムであって、前記位置検出システムが前記測定領域において感知可能であり、前記インジケータシステムが、前記測定領域において交差して、視覚的マーカを生成する別個のレーザビームを放出する２つの半導体レーザを有し、前記半導体レーザの各々は、前記レーザビームの各々が各カメラの前記光軸を実質的にトラッキングするように、前記カメラに取り付けられる、インジケータシステムと、
前記手術器具の前記検出されて重ねられた位置とともに、前記患者の前記記憶された画像を表示するディスプレイと
を更に有する、請求項１に記載の画像誘導システム。
【請求項３】
前記視覚的マーカが、前記測定領域の中心に生成される、請求項１に記載の画像誘導システム。
【請求項４】
前記データプロセッサ手段が、前記測定領域の中心を示すサインも前記患者の前記記憶された画像に重ねる、請求項１に記載の画像誘導システム。
【請求項５】
前記データプロセッサ手段が、前記測定領域の境界を示す輪郭も前記患者の前記記憶された画像に重ねる、請求項１に記載の画像誘導システム。
【請求項６】
前記インジケータシステムが、前記患者の現在の画像を検出する手段を更に有し、前記データプロセッサ手段は、前記患者の前記現在の画像も前記患者の前記記憶された画像に重ねる、請求項１に記載の画像誘導システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、有利な位置検出システムを含む画像誘導（イメージガイド）手術システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
画像誘導手術システムは、米国特許ＵＳ５３８９１０１から知られる。
【０００３】
画像誘導手術システムは、通常、手術の間に外科医が手術器具を位置するのを支援するために使用される。複雑な手術の間、患者の内部において外科医が手術器具を動かす場所を直接見ることは、該外科医にとってしばしば非常に困難であるか、又は不可能である。画像誘導手術システムは、ディスプレイ装置上で、外科手術が実施される領域に対する手術器具の位置を外科医に示す。したがって、画像誘導手術システムは、外科医が、生体の部分に損傷を与えるリスクなく、患者の内部において直視の範囲を超えて手術器具を動かすことを可能にする。
【０００４】
既知の画像誘導手術システムの位置検出システムは、異なる方向から手術器具の画像をピックアップする２つのカメラを含む。画像誘導外科システムは、両方のカメラからの画像信号から手術器具の空間的位置を得るデータプロセッサを含む。より早くに集められている手術画像は、外科医に見せられる。例えば、手術の前に形成されるコンピュータ断層撮像（ＣＴ）画像、又は磁気共鳴（ＭＲＩ）画像は、モニタ上に表示され得る。データプロセッサは、画像における手術器具の対応する位置を計算する。表示される画像において、手術器具の実際の位置は、手術器具が使用される領域の画像とともに示される。
【０００５】
このような画像誘導手術システムは、好ましくは、手術をされる患者の脳内の手術器具の位置を外科医に示すため、神経外科に使用される。
【０００６】
既知の画像誘導手術システムの欠点は、手術器具が測定領域を超えて移動した場合に知ることが困難になることである。器具が測定領域の外に移動される場合、位置検出システムは、もはや手術器具の位置を検出することができなくなるであろう。
【０００７】
この問題を克服しようとする試みでは、米国特許ＵＳ５９５４６４８は、例えば半導体レーザから光源を生成することができるインジケータシステムを含む改善された画像誘導手術システムを開示する。
【０００８】
しかしながら、問題は依然として残る。位置検出システム、又は光学トラッキングのカメラは、自身の光軸がカメラからわずかに離れた位置に集束するように通常事前設定される。この集束点は、光学トラッキングシステムの視野の中心（「スイートスポット」）を近似的に規定する。光学トラッキングシステムの視野の中心の位置を決定することが困難であるので、手術環境においてカメラシステムを最適に位置することは困難である。
【０００９】
実際に、光学トラッキングシステムは、初期の方向を所望の作業場（すなわち手術領域）に向けて、おおよその位置にまず手動で位置される。それからユーザ（例えば外科医）は、作業場が光学トラッキングシステムの視野（すなわち測定領域）に含まれるかどうかをテストするため、所望の作業場における物体をトラッキングしようとする。含まれない場合、ユーザはトラッキングシステムの位置及び／又は方向の調整をし、もう一度テストを実行する。これらの反復は、光学トラッキングシステムの方向及び位置が満足のいくものであるとわかるまで続く。
【００１０】
また、2005年1月20日に公開された米国特許出願公開ＵＳ２００５／００１５０９９  Ａ１は、手術道具の位置を決定する少なくとも２つのレーザビームを含む手術位置測定装置を開示する。しかしながら、手術の間に実質的に同時にカメラの視野と手術領域とをすばやく確かにするという問題を克服することは開示されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本開示の目的は、とりわけ、手術領域に正確に向けられ得る位置検出システムを含む画像誘導手術システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的は、位置検出システムが感知する領域をマーキングするため、複数の半導体レーザ、例えば２つの半導体レーザを有するインジケータシステムを備えることを特徴とする本開示による画像誘導手術システムにより達成される。
【００１３】
手術領域は、手術の間に手術器具が移動される空間である。インジケータシステムは、手術領域に対して、位置検出システムが感知する空間の部分、すなわち位置検出システムの測定領域を示す。測定領域は、カメラユニットが画像をピックアップする空間の一部である。位置検出システムは、カメラユニットと検査領域を互いに対して配置することにより、方向付けられる。
【００１４】
好ましくは、カメラユニットは、手術領域に向けられるが、手術される患者は、位置検出システムの測定領域において、手術領域を移動するようにも移動され得る。インジケータシステムは、測定領域が手術領域と十分に対応するかどうかを示す。位置検出システムのカメラユニットは、位置検出システムが感知する領域に容易に正確に向けられ、すなわち、その結果測定領域は実質的に手術領域と対応する。したがって、手術器具が測定領域から離れることにより生じ得る複雑さは、容易に回避される。これは、込み入った手術をする外科医へのストレスを低減する。更に、本開示による画像誘導手術システムは、実際の手術が開始され得る前にカメラユニットを正確に向けるための詳細なテストの実行を不要にする。本開示による画像誘導手術システムは、患者の脳又は脊髄の外科手術だけでなく、他の解剖領域及び／又は臓器に関する手術においてもこれらの利点を提供する。
【００１５】
本開示による画像誘導手術システムの好ましい実施例は、少なくとも部分的に、インジケータシステムが前記領域の中心をマーキングするように構成されることを特徴とする。
【００１６】
このような好ましい／例示的な実施例において、測定領域の実質的に中央の位置である中心を示す。位置検出システムは、インジケータシステムにより示される中心が、手術領域の中心と実質的に一緒になる場合、手術領域に正確に向けられる。代替として、インジケータシステムは、測定領域の境界を示すように構成される。後者の場合において、位置検出システムは、測定領域の境界が手術領域を含むように示される場合、手術領域に正確に向けられる。
【００１７】
本開示による画像誘導手術システムの更に好ましい実施例は、少なくとも部分的に、インジケータシステムがディスプレイ装置上に前記領域の表現を供給するように構成されることを特徴とする。
【００１８】
ディスプレイ装置の領域への前記領域の表現は、例えば測定領域の周囲を示す中心であるか、又は測定領域の中心を示すサインである。測定領域の表現は、通常手術領域とともにディスプレイ装置上に表示される。したがって、測定領域が手術領域に対応するように、位置検出システムを正確に方向付けることは容易である。すなわち位置検出システムが位置合わせされる間、実際の測定領域は、手術領域とともに表示される。したがって、ディスプレイ装置は、測定領域がどのように手術領域と一致するようにされるか示す。
【００１９】
本開示による画像誘導手術システムの更に好ましい実施例は、少なくとも部分的に、インジケータシステムが手術領域を測定するように構成されることを特徴とする。
【００２０】
このような好ましい／例示的な実施例において、インジケータシステムは、手術器具が移動されるであろう手術領域に位置される光源を検出するように構成される。このような実施例において、位置検出システムのカメラユニットは、光源も検出するように通常使用される。別個の光源を使用する代わりに、手術されるべき患者は、検出され得る。この場合において、好ましくは赤外線カメラが使用され、これは位置検出システムのカメラでもあり得る。インジケータシステムは、ディスプレイ装置に光源又は患者自身の画像を表示するように更に構成される。測定領域が手術領域に十分に対応していない場合、インジケータシステムは、光源又は患者を検出することができないであろう。測定領域の手術領域との重なりがわずかである場合、光源又は患者は、測定領域の周辺領域で検出されるであろう。
【００２１】
本発明による画像誘導手術システムの更に好ましい実施例は、少なくとも部分的に、インジケータシステムが関心領域に視覚的マーカ（すなわち２つのレーザビームの交点）を生成するように構成されることを特徴とする。
【００２２】
視覚的マーカは、どこが測定領域かを示す。特に視覚的マーカは、測定領域の中心を示す。したがって、測定領域の位置が示される。
【００２３】
本開示による画像誘導手術システムの更に好ましい実施例は、少なくとも部分的に、インジケータシステムが測定領域内で交差して視覚的マーカを生成する別個のレーザビームを放出する２つの半導体レーザを含むことを特徴とし、該半導体レーザの各々は、レーザビームの各々が各カメラの光軸を実質的にトラッキングするように、カメラユニットに取り付けられる。
【００２４】
交差するレーザ光のビームは、手術領域に向かい、光のスポットを生成し、これは視覚的マーカを形成する。好ましくは、レーザ光のビームの交差点は、測定領域の中心に位置される。光のスポットは、手術領域における測定領域の中心を示す。例えば画像誘導手術システムが脳外科に使用される場合、位置検出システムは、光のスポットが患者の頭の適切な位置に向かう場合、正確に方向付けられる。このような適切な位置は、例えば患者の頭の中央か、又は中央の少し上の位置を含む。光のスポットが向かうべき位置を選択する外科医又はアシスタントは、手術が実施される領域を考慮する。更に、カメラユニットの測定領域が、画像誘導手術システムの隣に位置されるいずれかの装置により妨害されることは、回避される。
【００２５】
半導体レーザは、光の狭ビームを放出する。更に、半導体レーザは、通常比較的安価であり、低消費電力である。好ましくは、患者及びスタッフに無害であり、可視光を放出するクラスＩ半導体レーザが使用される。
【００２６】
本開示のこれら及び他の態様は、以下の実施例及び図面を参照して詳細に説明される。
【００２７】
開示されたシステムを作るとともに使用することで当業者を支援するため、添付の図面に対して参照がなされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図は、本開示による例示的な画像誘導手術システムの概略図を示す。画像誘導手術システムは、少なくとも２つのカメラ１０及びデータプロセッサ２とともにカメラユニット１を含む位置検出システムを有する。カメラは、手術器具１１の異なる方向からの画像をピックアップする。例えばカメラユニット１は、剛性フレームに取り付けられる２つのＣＣＤ画像センサを組み込む。フレームは、ＣＣＤセンサを手術領域に向けるように移動可能である。別個のカメラからの画像信号、又は前記カメラからであるが、連続したカメラ位置からの連続した画像信号が、データプロセッサ２に供給される。この目的のため、カメラユニット１は、ケーブル１７を介してデータプロセッサ２に結合される。データプロセッサ２は、画像信号に基づいて、外科手術に着手している患者１２に対する手術器具の位置を計算するコンピュータ２１を含む。画像プロセッサ２２は、データプロセッサ２に組み込まれる。手術器具は、カメラ１０が感知する放射を放出する発光ダイオード又は赤外発光ダイオード１３（ＬＥＤ又はＩＲＥＤ）で調整される。コンピュータ２１は、より早く生成された画像、例えばＣＴ画像又はＭＲＩ画像において、手術器具１１の対応する位置も計算する。ＣＴデータ及び／又はＭＲＩデータは、メモリユニット２３に記憶される。
【００２９】
画像データにおいて、患者の特定の位置に位置される基準マーカが、画像化される。例えば鉛又はＭＲの影響を受けやすいマーカは、患者の耳、鼻、及び額に位置される。手術の開始時において、基準マーカは、ＬＥＤ又はＩＲＥＤで満たされる手術器具で示され、この空間的な位置は、位置検出システムにより測定される。コンピュータ２１は、基準マーカの空間における位置を、より早く生成された画像におけるマーカの画像の対応する位置に関連させる変換マトリクスを計算する。この変換マトリクスは、実質的に、実際の手術領域の任意の空間的位置に対する画像の対応する位置を計算するように使用される。
【００３０】
メモリユニット２３からのデータは、画像プロセッサ２２に供給される。コンピュータ２１により計算される位置データは、画像プロセッサ２２にも供給される。コンピュータ２１は、固定された参照システムに対して、手術器具の位置の座標を計算するように代わりにプログラムされ得、画像プロセッサ２２は、これらの座標を画像における対応する位置に変換するように構成される。画像プロセッサは、手術器具の位置に基づいて、画像データの適切なセットを選択するように更に構成される。このような適切なセットは、例えば手術領域を通じた特定のスライスのＣＴ又はＭＲＩ画像データを表わす。画像プロセッサ２２は、より早く生成された画像データを手術器具の対応する位置と組み合わせる画像信号を生成する。より早く生成された画像情報の表現において、手術器具の対応する位置も表示される。
【００３１】
したがって、手術器具１１を扱う外科医７は、ディスプレイ装置５の上で、手術領域における手術器具１１の実際の位置を見ることができる。ディスプレイ装置５において、例えばＣＴ画像が、ＣＴ画像において対応するポジで手術器具の画像８とともに示される。したがって、手術領域における手術器具の位置は、ディスプレイ装置５に示される。ディスプレイ装置は、例えば陰極線管を含むモニタであるが、ＬＣＤディスプレイスクリーンも使用され得る。
【００３２】
カメラユニット１は、例えば２つの半導体レーザ３を含むインジケータシステムを含む。半導体レーザ３は、各々がカメラ１０に隣接するカメラユニットに取り付けられ、放出されたレーザビームが各カメラの光軸を近似及びトラッキングするように位置付られるとともに、方向付けられ、交差して、これにより交差点において、測定領域内に視覚的マーカを生成する。各半導体レーザは、カメラユニットの測定領域を通じて、細い光ビームを放出する。したがって、本開示のシステムは、医療／外科環境における位置検出システムのセットアップを簡素にする。ユーザ／外科医は、レーザビームの交差するスポットをすばやく観測し、カメラの測定領域が、手術領域に実質的に重なることを保証して、交差するスポット６が手術領域の患者の体に位置されるように、位置検出システム（すなわち光学トラッキングシステム）のカメラユニットを位置することができる。カメラユニットの測定領域が手術領域をカバーするように、カメラユニットを正確に向けるため、光のスポット６は、手術領域の中心に位置される。
【００３３】
このように、測定領域が手術領域の中心からすべての方向にほぼ同じだけ拡大することが、達成される。したがって、手術器具がカメラユニットの測定領域を超えて移動されるリスクは、かなり低減される、及び／又は完全に排除される。更に、カメラユニットの測定領域が、画像誘導手術システムに隣接して位置されるいずれかの装置により妨害されるということは、回避される。すなわちいくつかの装置が、カメラユニットと手術領域との間に位置される場合、交差するレーザビームは、患者の上であるよりむしろ装置の上に光のスポット６を生成する。したがって、カメラユニットを方向付ける人は、装置がカメラユニットの測定領域をブロックしていることにすぐに気づき、該装置は、手術の開始前に位置を変更されるだろう。
【００３４】
更に、インジケータシステムは、手術領域に位置される放射源４を含み得る。カメラ１０で、放射源４は観測される。カメラの画像信号は、コンピュータ２１、及び画像プロセッサ２２により処理される。放射源の画像４は、ディスプレイ装置５に表示される。好ましくは、画像プロセッサ２２及びモニタ５は、カメラユニット１の測定領域の中心が、モニタ５のディスプレイスクリーンの中心に表示されるように構成される。それからカメラユニット１は、放射源４がディスプレイスクリーンの中央に画像化される場合に正確に方向付けられる。好ましくは赤外発光ダイオード（ＩＲＥＤ）が放射源として使用され、このようなＩＲＥＤは、カメラ１０が実質的に感知する赤外放射を放出する。別個のＩＲＥＤの代わりに、患者自身が使用され得る。この場合において、カメラ１０は、モニタに表示される患者の赤外画像をピックアップする。
【００３５】
位置検出システム又は光学トラッキングシステムは、物体を空間において位置させるように使用される。２又はそれより多くのカメラは、ターゲットの物体を観測し、３Ｄ空間における位置を三角測量する。商業的な製品は、Northern  Digital  Inc.,  Waterloo,  Ontarioにより作られるPolaris  and  Certus  Systemを含む。これらのシステムは、制限された視野を有する。実際に、この視野が意図された作業環境をカバーするように、トラッキングシステムをセットアップしなければならない。例えば、仮に外科室で患者の腹部に挿入される腹腔鏡及び／又は内視鏡の位置をトラッキングしたかったとする。光学トラッキングシステムは、視野が患者の腹部の周りの領域をカバーするような位置に位置されなければならないであろう。したがって、この位置の問題は、ここに開示された発明により克服される。
【００３６】
ここで、人間の肝臓における腫瘍生検に対する本発明の画像誘導システムの使用を考える。位置検出システムは、患者と、生検針の位置とをトラッキングするように使用されるであろう。ユーザは、レーザをオンにして、レーザビームが交差する点を探す。ユーザは、交差する位置が患者の肝臓の位置と一致するように、位置検出システムを方向付けるとともに、再配置するであろう。したがって、患者の肝臓は、位置検出システムの視野の中心にすばやく位置され得る。
【００３７】
本開示の画像誘導システムの使用の他の例は、医療針又はカテーテルの使用を位置決め及び／又は方向付けることを含み、ポータブル且つ回転可能なｘ線画像化システム及びハンドヘルド超音波トランスデューサとともに使用する。
【００３８】
位置検出システムは、位置がトラッキングされる物体から信号を受信するレセプタ手段の一実施例としてカメラユニットを組み込む光学システムを利用してこれまで記載されているが、従来技術で知られる他のレセプタ手段も使用され得ることが、本開示のフレームワークにおいて考慮される。例えば視覚的、又は光学的信号を受信するカメラに加えて、画像化するこのようなレセプタが、超音波信号（例えば米国特許ＵＳ５５６３３４６、及びＵＳ５５１１４２３を参照されたい）、磁気又は電気信号（例えば米国特許ＵＳ７００３３４２、ＵＳ６９９０４１７、及びＵＳ６８５６８２３を参照されたい）、並びに無線周波数（ＲＦ）信号（米国特許ＵＳ６７６２６００を参照されたい）を受信し得る。
【００３９】
本発明は、この特定の実施例に関して記載されているが、多くの修正、変形、向上、及び／又は変更が本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく達成され得ることは、当業者により認識されるであろう。それゆえ、本発明が、請求項及びその等価のものの範囲のみによって制限されることは、明白に意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本発明による画像誘導手術システムの概略的な図を示す。
【図１】
2009531113.tif 000003
【国際調査報告】
2009531113.tif 000004
2009531113.tif 000005
2009531113.tif 000006