(57)【要約】システム（１００）は、針などの器具を物理的に移動するための外科手術ロボット（１０２）と、画像処理およびロボット制御を実行するためのＰＣ（１０４）と、蛍光透視ユニット（１０８）に連結されたＣ−Ａｒｍ画像装置（１０６）と、手術室テーブル（１１０）とを有するものであってよい。ＰＣ（１０４）は、前記Ｃ−Ａｒｍ画像装置（１０６）からの放射線フィードバックに基づき針の向きを制御する蛍光サーボアルゴリズムを含むものであってよい。
2005529630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
器具に連結されたロボット部と、
画像処理部と、
前記ロボット部および前記画像処理部に連結された第１制御部と、を含み、前記制御部は、ターゲットに関する画像処理情報と前記器具に関する画像処理情報とを前記画像処理部から入力し、前記ロボット部が前記画像処理データに基づいて前記器具を適切な向きに配置するよう制御する、画像誘導式器具ターゲティングシステム。
【請求項２】
手術室テーブルをさらに含む前記システムにおいて、
前記器具は、針を含み、
前記ロボット部は、前記テーブルに連結されており、ロボット制御部と、受動アームと、能動アームと、持針器と、を有し、前記ロボット制御部は、前記第１制御部に連結されており、該第１制御部からの命令に基づき前記ロボット部の動きを制御し、
前記画像処理部は、Ｃ−ａｒｍ画像装置を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１制御部は、前記画像処理部および前記ロボット部が画像サーボを行なうよう制御し、前記器具を所望の位置と向きに向けて配置する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１制御部は、前記画像処理部および前記ロボット部が画像サーボを行なうよう制御し、前記器具を所望の位置とアラインメントに向けて配置する、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１制御部は、Ｃ−Ａｒｍの任意の２つの向きにおいて前記画像処理部から取得した２つの異なるビューにおいてアラインメントを行なうことにより、前記針の前記所望のアラインメントを計算する、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記ロボット部は、エンドエフェクタ上に配置されたマーカーを含み、前記画像処理データは、前記マーカーの位置データを含み、前記器具の向きを該位置データにさらに基づくものとする、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ロボット部は、エンドエフェクタ上に配置されたマーカーを含み、前記画像処理データは、前記マーカーの位置データを含み、前記器具の向きを該位置データにさらに基づくものとする、請求項２に記載のシステム。
【請求項８】
画像処理部は、携帯型Ｃ−ａｒｍ蛍光透視ユニットである、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
画像処理部は、携帯型Ｃ−ａｒｍ蛍光透視ユニットである、請求項２に記載のシステム。
【請求項１０】
画像処理部は、携帯型Ｃ−ａｒｍ蛍光透視ユニットである、請求項５に記載のシステム。
【請求項１１】
前記画像サーボは、持続的画像処理により実行される蛍光サーボを含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記画像サーボは、ストロボ照射画像処理により実行される蛍光サーボを含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記針は、前記器具の円錐軌道の軸と稜との間の角度である誤差角度にさらに基づいて所望の位置とアラインメントに配置する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
画像装置を、ターゲットと器具とを画像化するために画像装置の第１の向きに配置し、前記ターゲットと前記器具に関する第１の画像処理データを生成するステップと、
前記第１の画像処理データに基づいて、前記器具の第１のビューにおけるアラインメントを行なうステップと、
前記画像装置を、前記ターゲットと前記器具とを画像化するために画像装置の第２の向きに配置し、前記ターゲットと前記器具に関する第２の画像処理データを生成するステップと、
前記第２の画像処理データに基づいて、前記器具の第２のビューにおけるアラインメントを行なうステップと、
を含む方法であって、
前記第１の向きと前記第２の向きが異なっている、器具をターゲット位置に誘導する方法。
【請求項１５】
前記器具の前記第１のビューおよび第２のビューにおけるアラインメントは、持続的画像処理により実行される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記器具の前記第１のビューおよび第２のビューにおけるアラインメントは、ストロボ照射画像処理により実行される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記画像装置は、携帯型Ｃ−ａｒｍ蛍光透視鏡である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記器具の前記第１のビューおよび第２のビューにおけるアラインメントは、前記第１および第２の画像処理データのフィードバックを用いる蛍光サーボにより実行される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記蛍光サーボ中に、前記器具の円錐軌道の軸と稜のなす角度に基づく方向誤差を計算するステップをさらに含み、前記器具の前記第１のビューおよび第２のビューにおけるアラインメントは該方向誤差にさらに基づくものとする、クレーム１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記画像装置の第２の向きに前記画像装置を配置する前に、前記器具のサーボ面を補正するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１のアラインメントステップおよび前記第２のアラインメントステップは、前記方向誤差に比例した増分階梯により、前記円錐軌道上に、漸増的に前記器具を動かすことを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
器具を把持および位置決めするロボット手段と、
領域を画像化して画像処理データを提供する画像処理手段と、
前記ロボット手段および前記画像処理手段に連結されており、ターゲットに関する画像処理データと前記器具に関する画像処理データを前記画像処理手段から入力して、前記ロボット手段が前記画像処理データに基づいて前記器具を適切な向きに配置するよう制御する、第１制御手段と、を含む画像誘導式器具ターゲティングシステム。
【請求項２３】
手術室テーブルをさらに含む前記システムにおいて、
前記器具は、針を含み、
前記ロボット手段は、前記テーブル手段に連結されており、ロボット制御手段と、前記針を正確に位置決めする能動アーム手段と、該能動アーム手段を位置決めする受動アーム手段と、前記針を把持して挿入する持針器手段と、を有し、前記ロボット制御手段は、前記第１制御手段に連結されており、該第１制御手段からの命令に基づき前記ロボット手段の動きを制御し、
前記画像処理手段は、Ｃ−ａｒｍ画像装置を含む、
請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記第１制御手段は、前記画像処理手段および前記ロボット手段が画像サーボを行なうよう制御し、前記器具を所望の位置と向きに向けて配置する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記第１制御手段は、前記画像処理手段および前記ロボット手段が画像サーボを行なうよう制御し、前記器具を所望の位置とアラインメントに向けて配置する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第１制御手段は、Ｃ−Ａｒｍの任意の２つの向きにおいて前記画像処理部から取得した２つの異なるビューにおいてアラインメントを行なうことにより、前記針の前記所望のアラインメントを計算する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記ロボット手段は、画像処理中にエンドエフェクタをマークするマーカー手段を含み、前記画像処理データは、前記マーカー手段の位置データを含み、前記器具手段の向きを該位置データにさらに基づくものとする、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２８】
前記ロボット手段は、画像処理中にエンドエフェクタをマークするマーカー手段を含み、前記画像処理データは、前記マーカー手段の位置データを含み、前記器具手段の向きを該位置データにさらに基づくものとする、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２９】
画像処理手段は、携帯型Ｃ−ａｒｍ蛍光透視ユニットである、請求項２２に記載のシステム。
【請求項３０】
画像処理手段は、携帯型Ｃ−ａｒｍ蛍光透視ユニットである、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３１】
画像処理手段は、携帯型Ｃ−ａｒｍ蛍光透視ユニットである、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３２】
前記画像サーボは、持続的画像処理により実行される蛍光サーボを含む、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記画像サーボは、ストロボ照射画像処理により実行される蛍光サーボを含む、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３４】
前記針は、前記器具の円錐軌道の軸と稜との間の角度である誤差角度にさらに基づいて所望の位置とアラインメントに向けて配置する、請求項３１に記載のシステム。
【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、「ア・フルオロ−サーヴィング・メソッド・フォー・ロボティック・ターゲティング・オブ・サージカル・インストゥルメンテーション（A FLUORO-SERVING METHOD FOR ROBOTIC TARGETING OF SURGICAL INSTRUMENTATION）」という名称で２００１年１１月８日付出願された仮出願第６０／３３６，９３１号に基づく優先権を主張するものであり、その内容を引用によりここに組み込むものとする。
【０００２】
発明の背景：
発明の分野：
本発明は、器具のターゲティング用ロボット装置および方法に関する。特に、本発明は、画像サーボに基づき携帯型Ｘ線蛍光透視法によりコンピュータ援用画像基盤器具ターゲティングを行うシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明：
主に患者への外傷低減と回復時間の改善への期待から、低侵襲性および非侵襲性の外科的処置が注目されつつある。低侵襲性の処置に伴う主要な問題のひとつに、開腹して外科的処置を行う場合に比べ、外科医の視認能力が大幅に制約されることがあげられる。そのため、外科手術の処置中に解剖学的配置をマッピングするための放射線式や超音波式や磁気共鳴式による画像化技術が用いられている。
【０００４】
画像誘導式の器具ターゲティングのためのシステムおよび方法が知られている。マニュアル操作による器具ターゲティングおよびコンピュータ援用型器具ターゲティングが知られている。蛍光透視法によるコンピュータ援用型の器具ターゲティングのための既存の方法には、複雑なロボット−画像レジストレーションアルゴリズムを用いるものがある。もっとも、これらの手法は、基準マーカーの静止画像を用いて、ロボット−画像座標マッピングを推定し、それをターゲティングに用いるものである。
【０００５】
マニュアル操作による蛍光透視法誘導式インターベンションは、通常、試行錯誤に基づくものなので、相当の外科施術技能と手術訓練を必要とする。自動ターゲティングにより、この種の処置をとりおこなう際の、外科手術経験の要求水準や外科医師間のばらつきを低減することができる可能性がある。
【０００６】
携帯型の超音波式および蛍光透視ユニット（普通、Ｃ−Ａｒｍｓと呼ばれる）が、現代の手術室に広く普及している。これらの入手可能な画像装置は、ともに、リアルタイムで２次元（２Ｄ）の視覚化を実現するものである。一般に、これらの２Ｄ画像装置の利用の障害になっているのが、体積を有する表現の欠如であり、そのため正確な３Ｄの解釈に広範な外科手術訓練が必要とされる。コンピュータ画像基盤３Ｄナビゲーションシステムを普及型のＣ−ａｒｍに「後付け」することの問題は、大部分の携帯型蛍光透視システムがＣ−Ａｒｍの位置と向きの符号化をサポートしないことから錯綜をきわめている。そのため、画像装置の患者に対する向きを推定することが困難となり、この画像情報を利用してのコンピュータ援用型処理が複雑化してしまうのである。蛍光透視法式の誘導を行うことにより外科手術を支援するため、多くの解決法が提案されている。Desbat L., Champleboux g., Fleute M., Komarek P., Mennessier C., Monteil B., Rodet T., Bessou P., Coulomb M., Ferretti G.共著「３Ｄ・インターベンショナル・イメージング・ウィズ・２Ｄ・Ｘ−レイ・ディテクターズ（3D Interventional Imaging with 2D X-Ray Detectors）」、メディカル・イメージ・コンピューティング・アンド・コンピュータ−アシステッド・インターベンション（Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention）、１９９９年９月、ケンブリッジ、イングランド：レクチャーノーツ・イン・コンピュータ・サイエンス（Lecture Notes in Computer Science）、スプリンガー−フェアラーク社（Springer-Verlag）、第１６７９巻、９７３〜９８０頁、１９９９年、Gueziec A., Kazanzides P., Williamson B., Taylor R.H.共著「アナトミー−ベースト・レジストレーション・オブ・ＣＴ−スキャン・アンド・イントラオペラティブ・Ｘ−レイ・イメージズ・フォー・ガイディング・ア・サージカル・ロボット（Anatomy-Based Registration of CT-Scan and Intraoperative X-Ray Images for Guiding a Surgical Robot）」、ＩＥＥＥ  トランザクションズ・オン・メディカル・イメージング（IEEE Transactions on medical Imaging）、１７（５）：７１５〜７２８頁、１９８８年、を参照されたい。なお、上記文献の内容は、引用によりここに組み込むものとする。
【０００７】
例えば、複数の２Ｄ画像を用いて体積を有する解剖学的構造の完全な再構成を可能とする効率的なアルゴリズムが、Navab, N., Bani-Hashemi, A., Nadar, M.S., Wiesent, K., Durlak, P., Brunner, T., Barth, K., Graumann, R.共著「３Ｄ・レコンストラクション・フロム・プロジェクション・マトリスィーズ・イン・ア・Ｃ−Ａｒｍ・ベースト・３Ｄ−アンジオグラフィ・システム（3D Reconstruction from Projection Matrices in a C-Arm Based 3D-Angiography system）」、１９９８年度ＭＩＣＣＡＩ、レクチャーノーツ・イン・コンピュータ・サイエンス（Lecture Notes in Computer Science）、スプリンガー−フェアラーク社（Springer-Verlag）、第１６７９巻、６８８〜７０５頁、１９９９年、に提案されている。なお、この文献の内容は、引用によりここに組み込むものとする。
【０００８】
同時に、様々な蛍光透視法式誘導によるインターベンションのための画像誘導法およびレジストレーション法の開発に注力した研究者もあった。Desbat 外による前掲論文、Gueziec 外による前掲論文、Potamiakos, P., Davies, B.L. Hilbert R. D.共著「イントラ−オペラティブ・イメージング・ガイダンス・フォー・キーホール・サージャリー・メソドロジー・アンド・キャリブレーション（Intra-operative imaging guidance for keyhole surgery methodology and calibration）」、プロシーディングズ・ファースト・インターナショナル・シンポジウム・オン・メディカル・ロボティクス・アンド・コンピュータ・アシステッド・サージャリー（Proc. First Int. Symposium on Medical Robotics and Computer Assisted Surgery）、ピッツバーグ、フィラデルフィア、９８〜１０４頁、Stoianovivi, D., Cadedu, J.A., Demaree, R.D., Basile H.A., Taylor, R. Whitcomb, L.L., Sharpe, W.N.Jr., Kavoussi, L.R.共著「アン・エフィシャント・ニードル・インジェクション・テクニック・アンド・ラジオロジカル・ガイダンス・メソッド・フォー・パーキュテイニァス・プロセジャーズ（An efficient Needle Injection Technique and Radiological Guidance Method for Percutaneous Procedures）」、１９９７年ＣＶＲＭｅｄ−ＭｒＣａｓ、レクチャーノーツ・イン・コンピュータ・サイエンス（Lecture Notes in Computer Science）、スプリンガー−フェアラーク社（Springer-Verlag）、第１２０５巻、２９５〜２９８頁、１９９７年、を参照されたい。なお、これらの文献の内容は、引用によりここに組み込むものとする。
【０００９】
経皮針穿刺、放射線および超音波による切除などの画像誘導式器具ターゲティング処置には、ほとんどの場合、特定の器具／プローブを正確な器官位置にターゲティングすることが必要である。この種の処置の臨床結果は、ターゲティングの正確性に多くを依存する。
【００１０】
この問題に対処するため、専門の画像レジストレーションアルゴリズムに基づくコンピュータ援用型器具ターゲティングシステムが開発されている。この方法は、通常、複雑な形状の空間放射線不透過性マーカーないし定義されたパターン上に分布した一連の１次元標識の、少なくとも２つの画像を用いるものである。Bzostek, A., Schreiner, S., Barnes, A.C., Cadeddu, L.A. Roberts, W., Anderson, J.H., Taylor, R.H., Kavoussi, L.R.共著「アン・オートメイテッド・システム・フォー・プリサイス・パーキュテイニアス・アクセス・オブ・ザ・リーナル・コレクティング・システム（An automated system for precise percutaneous access of the renal collecting system）」、レクチャーノーツ・イン・コンピュータ・サイエンス（Lecture Notes in Computer Science）、スプリンガー−フェアラーク社（Springer-Verlag）、第１２０５巻、２９９〜３０８頁、１９９７年、を参照されたい。なお、この文献の内容は、引用によりここに組み込むものとする。
【００１１】
器具−画像座標マッピングを推定してターゲティングに用いるためにマーカーのＸ線投射が用いられる。これらのアルゴリズムは、ターゲットの器具に対する正確な位置と画像装置の幾何学的なパラメタ、例えば光源位置や倍率などを計算する。この方法では、通常、正確性を高めるため歪曲補正および画像較正の技術が必要となる。これらのアプローチは、「完全較正式」システムおよび方法と考えられる。Bzostek外による前掲論文、Jao J., Taylor, R.H., Goldberg, R.P., Kumar, R, Bzostek, A., Van Vorhis, R., Kazanzides, P., Guezniec, A., Funda, J.共著「ア・プログレッシブ・カット・リファインメント・スキーム・フォー・リビジョン・トータル・ヒップ・リプレイスメント・サージャリー・ユージング・Ｃ−ａｒｍ・フルオロスコーピー（A progressive Cut Refinement Scheme for Revision Total Hip Replacement Surgery Using C-arm Fluoroscopy）」、レクチャーノーツ・イン・コンピュータ・サイエンス（lecture Notes in Computer Science）、ＭＩＣＣＡＩ  １９９９、１０１０〜１０１９頁を参照されたい。なお、これらの文献の内容は、引用によりここに組み込むものとする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、一般に利用可能な画像処理技術を利用し、従来技術にともなう課題を解決する、新規で改良された画像基盤ターゲット誘導システムおよび方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明の要約：
本発明の一実施形態により、精密なカメラ／画像装置の較正なしで正確に針を配置するための、「非較正式」システムおよび方法を提供する。
【００１４】
本発明の一実施形態により、画像誘導式器具ターゲティングのためのシステムを提供する。このシステムは、器具に連結されたロボット部と、画像処理部と、前記ロボット部に連結され前記画像処理部に連結された第１制御部と、を含む。前記制御部は、前記画像処理部から、ターゲットに関する画像処理データと前記器具に関する画像処理データを入力し、その画像処理データに基づいて、前記ロボット部が器具を挿入に適した向きに向けて配置するよう制御する。
【００１５】
本発明の一実施形態により、器具をターゲット位置に誘導するための方法を提供する。この方法は、ターゲットと器具を画像化してそのターゲットと器具に関する第１の画像処理データを生成するために、画像装置の向きを画像装置の第１の向きに向けて配置するステップを含む。次に、その第１の画像処理データに基づき、第１のビューにおいて前記器具のアラインメントを行なう。そして、前記ターゲットと器具を画像化してそのターゲットと器具に関する第２の画像処理データを生成するために、前記画像装置の向きを、画像装置の第２の向きに向けて配置する。前記器具のアラインメントは、前記第２の画像処理データに基づき、第２のビューにおいて行なわれる。前記第１の向きと前記第２の向きは異なる向きである。
【００１６】
本発明の他の実施形態により、画像誘導式器具ターゲティングのためのシステムを提供する。このシステムは、器具を把持し位置決めするロボット手段と、領域を画像化して画像処理データを提供する画像処理手段と、前記ロボット手段および画像処理手段に連結されており、前記画像処理手段からターゲットに関する画像処理データと前記器具に関する画像処理データを入力し、その画像処理データに基づき、前記器具を適切な向きに向けて配置するよう前記ロボット手段を制御する、第１制御手段と、を含む。
【００１７】
本発明は、画像サーボに基づく携帯型Ｘ線蛍光透視法によるロボットターゲティングのシステムおよび方法を提供する。このシステムおよび方法は、経皮処置における針のアラインメントのための手段を提供するものとすることが可能であり、最新型のモジュラー式外科手術ロボットを用いることができる。このロボットは、受動アームと、低ＤＯＦ（自由度）能動アーム外科手術ロボットと、持針器（needle driver）と、を含むものとすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の一実施形態により、ロボット／エンドエフェクタ上に配置されたマーカーを利用することにより、直接、ターゲティングを行ない、連続画像処理により蛍光サーボを行なうシステムおよび方法を提供する。任意のＣ−Ａｒｍの向きで取得された２つの異なるビューにおいてアラインメントを行なうことにより、３次元ターゲティングが実現可能となる。
【００１９】
本発明の一実施形態により、特定ターゲットへの針の自動アラインメントが実現可能である。そして、側面視（side-view）蛍光透視のフィードバックを用いることで、針の挿入を制御することができる。本発明により、正確性と簡潔性と反復可能性の向上が提供される。
【００２０】
本発明の目的と特徴は、以下の説明と添付図面を参照して、より容易に理解されるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
好ましい実施形態の詳細な説明：
「非較正式」映像方法の強みと弱みに関する解説としては、Hager, G., Hespanha, J.,Dodds, Z., Morse, A.S.共著「ホワット・タスクス・キャン・ビー・パーフォームド・ウィズ・アン・アンキャリブレイテッド・ステレオ・ビジョン・システム？（What Tasks Can Be Performed with an Uncalibrated Stereo Vision System ?）」、ＩＪＣＶ  ３５（１）：６５〜８５頁、１９９９年１１月、を参照されたい。なお、この文献の内容は、引用によりここに組み込むものとする。
【００２２】
「非較正式」アプローチは、蛍光透視法によりマニュアル作業での針の穿刺を行なうときにベテラン外科医師が用いる技術に基づくものである。この技術に基づき、ターゲットである腎杯上への針の載置（superimposition）に基づく経皮針穿刺のためのターゲティング方法が開発された。Stoianovivi外による前掲書（１９９７年）参照。
【００２３】
この方法は、腎臓経皮穿刺（Percutaneous Access of the Kidney:ＰＡＫＹ）持針器（needle driver）により実現されたが、その後、遠隔動作センター（Remote Center of Motion：ＲＣＭ）ロボットおよびＧＲＥＹ支持アームを追加することによりバージョンアップされた。Stoianovici, D., Witcomb, L.L., Anderson, J.H., Taylor, R.H., Kavoussi, L.R.共著「ア・モジュラー・サージカル・ロボティック・システム・フォー・イメージ・ガイズ・パーキュテイニアス・プロセジャーズ（A Modular Surgical Robotic System for Image Guides Percutaneous Procedures）」、１９９８年度ＭＩＣＣＡＩ、レクチャーノーツ・イン・コンピュータ・サイエンス（Lecture Notes in Computer Science）、スプリンガー−フェアラーク社（Springer-Verlag）、第１４９６巻、４０４〜４１０頁、１９９８年、Lerner, G., Stoianovici, D., Whitcomb, L., L., Kavoussi, L., R.共著（１９９９年）「ア・パッシブ・ポジショニング・アンド・サポーティング・デバイス・フォー・サージカル・ロボッツ・アンド・インストルメンテーション（A Passive Positioning and Supporting Device for Surgical Robots and Instrumentation）」、メディカル・イメージ・コンピューティング・アンド・コンピュータ−アシステッド・インターベンション（medical Image Computing and Computer-assisted Intervention）、１９９９年９月、ケンブリッジ、イングランド、レクチャーノーツ・イン・コンピュータ・サイエンス（Lecture Notes in Computer Science）、スプリンガー−フェアラーク社（Springer-Verlag）、第１６７９巻、１０５２〜１０６１頁、を参照されたい。なお、これらの文献の内容は、引用によりここに組み込むものとする。
【００２４】
この方法は、マニュアル作業によるアプローチにおける実質的な進歩を提供するものであることがわかっている。しかし、ターゲティングは、今なお外科医師がロボットを制御することにより行なわれている。Cadeddu, J.A., Stoianovici, D., Chen, R.N., Moore, R.G., Kavoussi, L.R.共著（１９９８年）「ステレオタクティック・メカニカル・パーキュテイニアス・リーナル・アクセス（Stereotactic mechanical percutaneous renal access）」、ジャーナル・オブ・エンドロロジー（Journal of Endorology）、第１２巻、第２号、１９９８年４月、１２１〜１２６頁、を参照されたい。なお、この文献の内容は、引用によりここに組み込むものとする。
【００２５】
本発明の一実施形態により、コンピュータ制御画像誘導のシステムおよび方法が、類似システムを用いた自動ターゲティング用に、提供される。本発明のシステムおよび方法は、異なるＣ−Ａｒｍの向きで取得された任意の２つの画像ビューにおいて蛍光サーボ（Ｃ−Ａｒｍからの直接画像フィードバックに基づくロボット制御）を用いる。ある誘導技術は、ビデオカメラ画像に基づく産業用ロボット誘導への利用に成功している。Batista, J., Araujo, H., Almeida A.T.共著「イテラティブ・マルチステップ・エクスプリシット・カメラ・キャリブレーション（Iterative multistep explicit camera calibration）」、ＩＥＥＥ  トランザクションズ・オン・ロボティクス・アンド・オートメーション（IEEE Transactions on Robotics and Automation）、第１５巻、第５号、１９９９年１０月、８９７頁、Bernadero, A., Victor, J.S.共著「ビノキュラー・トラッキング：インテグレイティング・パーセプション・アンド・コントロール（Binocular Tracking: Integrating perception and control）」、ＩＥＥＥ  トランザクションズ・オン・ロボティクス・アンド・オートメーション（IEEE Transactions on Robotics and Automation）、第１５巻、第６号、１９９９年１２月、Hsu, L., P.L.S.共著「アダプティブ・ビジュアル・トラッキング・ウィズ・アンサートゥン・マニピュレータ・ダイナミクス・アンド・アンキャリブレイテッド・カメラ（Adaptive visual tracking with uncertain manipulator dynamics and uncalibrated camera）」、プロシーディングズ・オブ・ザ・３８ｔｈ・ＩＥＥＥ・コンファレンス・オン・デシジョン・アンド・コントロール（Proceedings of the 38th IEEE Conference on Decision and Control）（１９９９年）、５頁、第（ｘｖｉｉ＋５３２５）巻、Hager, G., Hutchinson, G., Corke, P.共著、ア・チュートリアル・イントロダクション・トゥ・ビジュアル・サーボ・コントロール（A Tutorial Introduction to Visual Servo Control）、ＩＥＥＥ  トランザクションズ・オン・ロボティクス・アンド・オートメーション（IEEE Transactions on Robotics and Automation）、１２（５）、６５１〜６７０頁、１９９６年、Molis, E., Chaumette, F., Boudet, S.共著「２ 1/2−Ｄ・ビジュアル・サーボイング（2 1/2-D Visual Servoing）」、ＩＥＥＥ  トランザクションズ・オン・ロボティクス・アンド・オートメーション（IEEE Transactions on Robotics and Automation）、第１５巻、第２号、１９９９年４月、２３８頁、を参照されたい。なお、これらの文献の内容は、引用によりここに組み込むものとする。
【００２６】
本発明の一実施形態により、画像基盤ターゲティングのためのシステム１００が図１に示されている。システム１００は、針等の器具を物理的に動かす外科手術ロボット１０２と、画像処理とロボット制御を行なうＰＣ１０４と、蛍光透視ユニット１０８と連結されたＣ−Ａｒｍ画像装置１０６と、手術室テーブル１１０と、を含むものであってよい。前記Ｃ−Ａｒｍ画像装置１０６は、例えば、デジタルＣ−Ａｒｍ（OEC-9600）とすることができ、Ｘ線画像を提供する。前記Ｃ−Ａｒｍ画像装置１０６および蛍光透視ユニット１０８は、ＰＣ１０４と通信を行い、ＰＣ１０４により制御されるものとすることができる。したがって、このＰＣ１０４は、ビデオカード（例えば、Matrol MeteorTM）を介するなどして画像を取得するよう構成することができる。前記ロボット１０２は、スライドレール等、好ましくは調節可能マウントによって、前記テーブル１１０に取り付けて、リアルタイム動作制御カード（例えば、モーションエンジニアリング社（Motion Engineering, Inc.）製のＰＣＸ−ＤＳＰ８）を用いてＰＣ１０４により制御されるものとすることができる。ＰＣ１０４は、Ｃ−ａｒｍ画像装置１０６と蛍光透視ユニット１０８からの放射線フィードバックに基づき針の向きを制御する蛍光サーボアルゴリズムないしプログラムを含むものとすることができる。本発明の方法が、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはその組み合わせ等を含む多様な態様で実現することができることは、この技術分野における熟練技術者であれば、容易に理解されるであろう。
【００２７】
ロボット１０２は、モジュラー式外科手術ロボットとすることができるとともに、アームの移動と回転を含む自由な動きを可能とするものとすることができる。ロボット１０２の例としては、持針器１０２ｃと連結した３関節低自由度（dof: degrees of freedom）能動アーム外科手術ロボット０２ｄと連結した受動アーム１０２ｅを含むものが好ましい。この受動アーム１０２ｅは、剛性とペイロードが高い頑丈な受動機械式アームが好ましく、エンドエフェクタを移動して外科手術位置にそれを保持するためのものである。例えば、ＧＲＥＹアームが使用可能であるが、これについては、Stoanovici前掲著（１９９９年）に図示と説明がある。前記エンドエフェクタとしては、前記持針器ＰＡＫＹ１０２ｃとＲＣＭ外科手術ロボット１０２ｄとを有するＰＡＫＹ−ＲＣＭロボットアセンブリを実装するのが好ましい。ＰＡＫＹとは、経皮穿刺処置における套管針の誘導と能動的駆動に用いられる放射線透過式持針器である。その放射線透過式の機構により、処置針と解剖組織上のターゲットの遮られない視覚化が可能となる。
【００２８】
ＰＡＫＹ持針器は、「スーパーインポーズト・ニードル・レジストレーション・メソッド（Superimposed Needle Registration Method：重ねて載置された針の位置合わせ方法）」のために構成されている。本発明により、ＰＡＫＹ１０２ｃは、詳細は後述する、コンピュータ誘導式蛍光サーボのアルゴリズムを格納するものとされている。したがって、図１に示すように、ＰＡＫＹ１０２ｃに対しては、細線で囲んだ矩形バー状で提示してある。前記ＲＣＭ１０２ｄ部は、機構の先端に位置する支点を実現する、外科手術専用の小型ロボットである。このＲＣＭ１０２ｄにより、この機構は、ＲＣＭ点（支点）を中心に回転自在で均一な剛性を有するものとなるとともに、特異点がなくなる。
【００２９】
例示的なＰＡＫＹロボットとＲＣＭロボットに関するさらに詳しい説明が必要な場合には、Stoianovivi外による前掲論文（１９９７年）、Stoianovici外による前掲論文（１９９８年）を参照されたい。
【００３０】
前記ロボット１０２は、エンドエフェクタ（すなわち、外科手術用器具）の部位の一点の位置を維持しつつ、その向きを精確に調整して空間中に配置するよう構成することができる。このような運動学的構造は、腹腔鏡検査法や経皮穿刺用などのような特異穿刺点を必要とする用途に用いられたときに、特に有用である。
【００３１】
前記ロボットアセンブリ（１０２ａ〜１０２ｄ）は、前記手術テーブル１１０に取り付けた受動アーム１０２ｅに嵌入支持されている。これにより、施術対象器官の至近位置で作業しながら、ロボットを位置決めし安定的に支持することができるようになる。前記ＰＡＫＹ１０２ｃおよびＲＣＭ１０２ｄ（あわせて、ＰＡＫＹ−ＲＣＭアセンブリという）は、針の先端位置を維持（つまり、回動等することにより）しつつ、その針の向きを調整することができる。このことから、前記ロボット１０２は、皮膚の挿入地点を設定し、針の先端を選択された位置に配置して、任意の所望のターゲットに針を向ける機能を備えることになる。したがって、針を支点を中心に回動するために必要な動作は２つだけということになる。Lerner外による上掲論文を参照のこと。本発明により、ターゲティングプロセスは、上述のように、その運動学的に簡単な構成の強みを生かすものとなる。
【００３２】
蛍光サーボとは、Ｘ線蛍光透視のフィードバックを用いたビジュアルサーボの特殊化された例である。ビジュアルサーボとは、位置決めと追跡動作を実行するための画像フィードバックを用いたロボット制御アルゴリズムの種類の一般名である。例えば、Batista外による前掲論文、Bernadero外による前掲論文、Hsu外による前掲論文、Hager外による前掲論文、を参照されたい。
【００３３】
携帯型蛍光透視によるコンピュータ援用処置を実行するときの主な困難は、患者に対する画像装置の姿勢に関する情報がないことである。モバイルユニットとしてのＣ−Ａｒｍ１０６は、外科手術上の必要を満たすため、処置中に、移動と向きの再調整が可能である。本発明により、Ｃ−Ａｒｍ１０６の向きに依存しない、正確な器具（針）ターゲティングのプロセスが提供される。このプロセスでは、針の先端に位置する支点を中心に向きを調整するために、画像サーボ、好ましくは蛍光サーボ、を用いる。
【００３４】
前記針１０２ｂは、異なるＣ−Ａｒｍ１０６の向きから得られた異なる２つのビューにおける針のアラインメントを用いて所望のターゲットに目標を定める。すなわち、針１０２ｂは、両方のビューにおいてターゲットに向かって延出するように向きが調整される。アラインメントは連続して行なわれるので、２番目のアラインメントが最初のアラインメント結果に悪影響を与えないことが望まれる。
【００３５】
それぞれのアラインメントは、画像によるフィードバックに基づき針の位置を補正する誘導アルゴリズムによって、自動的に行なわれるものとすることができる。針１０２ｂの画像への自動検出を容易にするため、針１０２ｂは、自由端側に、放射線不透過性球形ボールを備えることで、蛍光透視ユニット１０８のためのよく目立つシグネチャを提供することができる。Ｘ線画像中の球形ボールのマーカーを素早く特定するために、ＰＣ１０４のビデオ取得ボード上で実行されるパターンマッチングアルゴリズムを用いることができる。すべての計算は、針の先端が中心に来るように配置され、ロボットの初期位置により向きが調整された固定基準フレームにおいて実行されるものとすることができる。
【００３６】
好ましい実施の形態による本発明の作用と処置手順を、図２〜図２ｂに模式的に示し、図３および図４をさらに参照して説明する。
【００３７】
処置は、ステップＳ３−１から開始する。ステップＳ３−２において、針１０２ｂは、ＰＡＫＹ持針器１０２ｃにより支持されて、その先端を皮膚の穿刺点（Ｆ）に向けて配置される。中央の図は３Ｄ表現であり、両側の図は矢印で示すようにそれぞれビュー１、ビュー２から投射される、この空間のＸ線投射である。図中、針は異なる位置に提示されており、これらを２段階のアラインメントの間に走査する。この動作において、針の先端は支点（Ｆ）にとどまるが、針の端部（ボール側端部）は後述するようにＰ0からＰ７に位置を変える。針の初期位置は、Ｐ0である。ターゲティングは、原則として、図２ａおよび図２ｂにそれぞれ示すＣ−Ａｒｍの向きビュー１、ビュー２にしたがって、２段階のステップを踏んで実行される。
【００３８】
図２ａを参照すると、ロボット−画像間の相対的な向きの推定結果の初期値を得るために、針の円錐状の軌道が用いられる。ステップＳ３−３において、任意の方向Ｐ0Ｐ1の急接近移動により、針１０２ｂが円錐上に配置される。円錐角は、そのターゲットが、針の延長線が通過する空間内に来るように、設定される。
【００３９】
ステップＳ３−４において、Ｐ１からスタートした針を、Ｘ線投射で計測される角度
2005529630.tif 000003
によって求める方向誤差に比例した漸増的段階を踏むことにより円錐上を移動させる。この比例アルゴリズムは、ステップＳ３−５で、針１０２ｂがＰ2ＦでターゲットＴの方を向く針位置Ｐ2に収束する。ステップＳ３−６において、引き続き円錐経路上で、同様の方法により、点Ｐ3で第２のアラインメントが達成される。
【００４０】
面ＦＰ2Ｐ3が現在の初期サーボ面である。この面は、面内のどの位置であっても、針１０２ｂがビュー１のターゲットアラインメントを維持するという特性を有する。この面の同定精度（identification accuracy）が一致しない場合、この面のスタート点Ｐ0からの距離により、誤差が生じることがある。点Ｐ2とＰ3が近接して円錐の側面に配置されている場合により大きな誤差が生ずる可能性があるのは明らかである。
【００４１】
この問題を克服するためには、最小の円錐角を維持しつつ、ステップＳ３−７において、サーボ面を補正して、下記のように、
2005529630.tif 000004
という経路をたどるようにすることができる。
【００４２】
図４を参照すると、ステップＳ４−１において、針１０２ｂを、素早くスタート位置Ｐ0に移動すると、ステップＳ４−２において、前記サーボ面に垂直な面ＦＰ0Ｐ4内を移動する。そして、この経路上で、ステップＳ４−３において、点Ｐ4で正確な針のアラインメントを達成するために蛍光サーボが用いられる。このプロセスでは、ステップＳ３−４〜Ｓ３−６を参照して説明したのと同じ角度フィードバック比例制御を用いることができる。
【００４３】
次に、ステップＳ４−４において、軸ＦＰ4を回動軸として用い、それを中心にサーボ面を回転させて反復補正を行なう。ステップＳ４−５において、点Ｐ4から、点Ｐ5、そしてＰ6へ、針１０２ｂを、所定の角度ずつ、その瞬間のサーボ面の方向に移動させる。ターゲットのアラインメントを、各段階の処理中に、横断的に探索することにより再評価させてもよく、それにより、サーボ面の向きを補正することができる。したがって、角度におけるターゲティング誤差に比例する大きさだけ、サーボ面の角度を回動軸ＦＰ4を通じて調整することにより、補正が達成される。
【００４４】
新しいサーボ面ＦＰ5Ｐ6は、初期の円錐状に確定された面ＦＰ2Ｐ3に類似している。しかし、この新しい面は、サーボ面の決定を首尾一貫したものとするために十分な間隔をおいて端部の点Ｐ5、Ｐ6が配置されることを保証するものであるとともに、
2005529630.tif 000005
と続く軌道上の複数の走査点の間の誤差の平均をとるものである。本発明の好ましい実施形態において、限界点Ｐ5およびＰ6は、針の角度がサーボ面において計測された初期の円錐角と等しくなるように配置される。このサーボ面は、針の向きにかかわらず、この面内に、針１０２ｂが第１のビューにおいてターゲットに適切なアラインメントで整列配置されることを保証するものである。
【００４５】
３次元ターゲティングには、支点ＦとターゲットＴを通るこの面内の軸をさらに決定する必要がある。図２ｂを参照すると、ステップＳ３−８において、Ｃ−Ａｒｍ１０６の向きを再調整することにより第２のビューが選択される。この面の向きは、このビューにおいてサーボ面が一直線に投射しないということを除けば、任意である。好ましい実施形態によれば、サーボ面に垂直なビューを設定することにより、高精度が達成される。
【００４６】
ステップＳ３−９において、図２ｂにＸ線投射として表されているのと同じ角度補正のフィードバックに基づいてあらかじめ決定しているサーボ面内の針の向きをサーボすることにより、針のアラインメントが行なわれる。ステップＳ３−１０において、アルゴリズムは、針の位置ＦＰ7に収束する。この向きで、ターゲットは針の軸上に配置されることになり、針の挿入を正確に行なうことができる。
【００４７】
サーボ面を用いた第２のビューのアラインメントによって、第１のビューのアラインメントが維持されることになる。したがって、両２次元アラインメントを併せることにより、３次元ターゲティングが達成される。
【００４８】
ロボティックシステム１０２は、前記の方法に適合するよう改造するのが好ましい。専用設計の持針器１０２ｃを提供し、組み付けることができる。このような、本発明のサーボターゲティングアルゴリズムを用いたシステムは、専用に考案された実験により正確性と信頼性の試験にかけてから、経皮腎臓穿刺のための臨床上の検証を行なう。
【００４９】
ソフトウェアの設計と評価の過程で、なるだけ放射線に被曝しないようにするために、位置決めスタンド（図示せず）上に取り付けたビデオカメラを用いてそのプロセスの試験を行うようにしてもよい。適切なコントラストを得るため、白地の背景に黒色の針を使用することができる。２ｍｍ径の球形ボールをターゲットをあらわすものとして用いることができる。反復試験により、ターゲティング精度が０．５ｍｍ未満に収まることがわかった。
【００５０】
放射線透過性薄板上に鋼製ボールを一定間隔に取り付けたテンプレートを構成することによって画像装置の歪曲を評価することができる。ＯＥＣ−９０００画像装置の場合、画像の中央に隣接する領域の、ボールファインダーアルゴリズムの誤差を含んだ総体としての歪曲が、０．７５ｍｍ未満でなければならない。蛍光透視鏡の拡大機能により、画像の中心付近の縮減された歪曲領域における視野を維持することができる。針先端（支点／皮膚の穿刺点）から８０ｍｍ下に配置された２ｍｍ径ボールのターゲットを用いる場合、本発明の画像誘導プロセスは、誤差を１．５ｍｍ未満とするものでなければならない。本システムの外科手術に適用した場合の安全性は、ロボティック部材の運動学的設計から引き継がれるものである。
【００５１】
本発明のＰＡＫＹ−ＲＣＭアセンブリは、２つの段階を独立に作動させることができる分離された方向調整・針挿入機能を提供する。このことにより、針をうっかり方向調整段階で挿入してしまったり、針の挿入中に偶発的に方向の再調整をしてしまったりしないことが、保証される。Stoianovici外による前掲論文（１９９８年）を参照されたい。
【００５２】
また、Bauer J.J., Stoianovici D., Lee B.R., Bishoff J., Caddeu J.A., Whitcomb L.L., Taylor R.H., Macali S., Kavoussi L.R.共著（１９９９年）「トランスコンチネンタル・テレサージカル・ロボティック・パーキュテイニアス・リーナル・アクセス：ケーススタディ（Transcontinental Telesurgical Robotic Percutaneous Renal Access: Case Study）」、アメリカン・テレメデシン・アソシエーション（American Telemedicine Association: ATA）・コンファレンス、ソルトレークシティ、ユタ州、アブストラクト（Abstract）＃１８Ｄ、１９９９年４月１８〜２１日、テレメデシン・ジャーナル（Telemedicine Journal）、５（１）：２７：１９９９、も参照のこと。なお、これにより、これらの文献の内容を引用により組み込むものとする。
【００５３】
本発明の蛍光サーボターゲティングのシステムおよび方法は、経皮腎臓穿刺にも適用できる。腎臓穿刺のために、手術室と患者は、標準的な処置と同様の準備をすればよい。患者は全身麻酔状態に置かれるのが好ましい。前記蛍光透視テーブル１１０は、専用の剛性レールを備えるものとすることができる。前記ロボット１０２は、このレール上のターゲットとなる腎臓側に取り付け、無菌袋をかぶせたものとすることができる。前記持針器１０２ｃは、施術に先立って滅菌される。マニュアルでの処置の場合、前記Ｃ−Ａｒｍ１０６はテーブルの反対側に配置しておくことができ、針穿刺前のすべてのステップは、図２、２ａ、２ｂを参照してすでに説明したようなプロセスで実行される。
【００５４】
最初に、マニュアルでの処置において通常なされるやり方で皮膚の挿入点を選択することができ、（ＲＣＭの支点に位置する）針の先端がその選択された点に配置されるように受動アームを操作することにより、前記ロボットアセンブリ１０２を位置決めすることができる。前記Ｃ−Ａｒｍ１０６は、腎臓と針が適切に視認できるように向きを調整しなければならない。そして、ターゲットとなる腎杯を、ＰＣモニタ上で、マニュアル作業で画像上の点を選択することにより特定する。そして、第１のビューの針のアラインメントが、システム１００により自動実行される。次に、前記Ｃ−Ａｒｍ１０６を異なるビューまで回転させて、そこで前記ターゲットを再度特定することができる。第２の針のアラインメントは、システム１００により自動実行される。他のＣ−Ａｒｍの向きを利用して、針のターゲティングを照合確認することができ、直接横方向から観察しながら針の挿入を実行することができる。
【００５５】
すべてのステップにおいて、ターゲット選択前の撮像中と針の挿入中は、患者の呼吸を短時間停止するのが望ましい。患者は、サーボターゲティングを含む他のすべての段階では呼吸してよい。
【００５６】
臨床試験において、１０分未満の第１回目のターゲティング試行で腎臓に穿刺を行なった。しかし、針は、最初は、組織がたわみ針が曲がることにより腎臓を脇へ押しやることになるため、少し引っ込めてもう一度再挿入する必要があった。少し引っ込めて再挿入する際も適切にターゲットを狙っていたのであるから、これはターゲティングの誤差を原因とするものではなかったことになる。これは、この患者にとって、ターゲットが末梢下側柱腎杯（peripheral lower pole calyx）上に位置していたという事実により生じた問題でもある。
【００５７】
この処置の間に患者が放射線に被曝した時間は総計９０秒であった。被爆は、サーボ動作中に画像装置がストロボ作動するよう指令することで低減できる。ストロボ照射とすることなしでも、本発明のシステムおよび方法の提供する適切に規定された段階を踏んだアルゴリズムのおかげで、問題となる外科医師による体積を有する組織の解釈の必要がなくなることから、通常のマニュアル手順によるアプローチと比較して、放射線総量は大幅に低減可能である。
【００５８】
例示したボールファインダーアルゴリズムは、ハードウェアに、例えばMartox cardTMによって、実装されるものとすることができる。
【００５９】
これらの好ましい実施形態に基づいて、本発明を説明してきたが、特定の変更や変形および代替可能な構成が明白に認められるものであるとともにそれらが本発明の精神および範囲の中になお存するものであることは、当技術における熟練技術者であれば明らかである。本発明の境界線を決定するためには、したがって、掉尾のクレームが参照されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
たとえば、本発明のシステムおよび方法は、泌尿器科や、他の医療分野で実施することができる。また、このシステムおよび方法は、二方向蛍光透視（biplanar fluoroscopy）ユニットなど、類似の画像装置を含む用途に有益であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態による画像サーボ器具誘導システムのブロック図である。
【図２】図２ないし２ｂは、模式図である。
【図３】本発明の一実施形態による器具を誘導する例示的方法のフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態による器具を誘導する例示的方法のフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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