(57)【要約】      （修正有）【課題】医療用ツールの患者体内への挿入を誘導するデバイスを提供する。【解決手段】医療用ツール挿入誘導デバイス１は、主に電磁的に透過性の材料からなるベース部分を含み、電磁的に吸収性の材料からなる第１の構成要素１０を有し、電磁的に透過性の材料からなる可動部分を含む、吸収性の材料からなる第２の構成要素２０を有する。可動部分は、ベース部分に装着されているが、回転又は平行移動によりベース部分に対して可動である。一方の部分にはエンコーダセンサが、もう一方の部分にはエンコーダスケールが装着されており、装着されているときに、このセンサはこのスケールと対向する。これらの構成要素は基準マーカを含むことができる。この透過性及び吸収性は、Ｘ線帯域など特定の帯域におけるものとすることができる。【選択図】図２
2019093117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主に電磁放射線の少なくとも１つの帯域を透過させる材料からなるベース部分であって、電磁放射線の前記少なくとも１つの帯域を吸収する材料からなる第１の構成要素を有し、第１の装着面を有するベース部分と、
主に電磁放射線の前記少なくとも１つの帯域を透過させる材料からなる可動部分であって、電磁放射線の前記少なくとも１つの帯域を吸収する材料からなる第２の構成要素を有し、前記ベース部分に装着されるように構成されており、前記ベース部分に装着されているときに前記ベース部分に対して可動であり、前記第１の装着面と対向する第２の装着面を有する可動部分と、
エンコーダセンサおよびエンコーダスケールを有するエンコーダであって、前記エンコーダセンサおよび前記エンコーダスケールのうちの一方が前記第１の装着面に装着されており、前記エンコーダセンサおよび前記エンコーダスケールのうちの他方が前記第２の装着面に装着されており、前記可動部分が前記ベース部分に装着されているときに前記エンコーダセンサが前記エンコーダスケールと対向するエンコーダと
を備える医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項２】
前記ベース部分および前記可動部分のうちの少なくとも一方は、プラスチックを主成分とする、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項３】
前記第１の構成要素および前記第２の構成要素のうちの少なくとも一方は、少なくとも１つの基準マーカを含む、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項４】
電磁放射線の前記少なくとも１つの帯域は、Ｘ線帯域を含む、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項５】
前記第１の構成要素および前記第２の構成要素のうちの少なくとも一方は、Ｘ線放射を吸収する少なくとも１つの基準マーカを含む、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項６】
前記エンコーダセンサは、電磁放射線の前記少なくとも１つの帯域を吸収し、前記第１の構成要素および前記第２の構成要素のうちの一方の構成要素の少なくとも一部分として働く、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項７】
前記エンコーダスケールは、電磁放射線の前記少なくとも１つの帯域を吸収し、前記第１の構成要素および前記第２の構成要素のうちの一方の構成要素の少なくとも一部分として働く、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項８】
前記可動部分は、前記ベース部分に回転可能に装着されている、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項９】
前記可動部分は、回転可能マウンティングによって前記ベース部分に回転可能に装着されており、前記第１の装着面および前記第２の装着面のうちの少なくとも一方は、少なくとも１つの弧形部分を含み、前記弧部分の回転中心は、前記回転可能マウンティングの回転軸上にある、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１０】
前記第１の装着面は、前記ベース部分の溝の中に配置されており、前記エンコーダセンサおよび前記エンコーダスケールのうちの一方は、前記溝の内側に装着されており、前記溝によって環境条件から保護されており、前記環境条件は、周囲放射線および医学的デブリのうちの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１１】
前記第２の装着面は、前記回転可能部分の溝の中に配置されており、前記エンコーダセンサおよび前記エンコーダスケールのうちの一方は、前記溝の内側に装着されており、前記溝によって環境条件から保護されており、前記環境条件は、周囲放射線および医学的デブリのうちの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１２】
前記エンコーダは、光学エンコーダである、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１３】
前記エンコーダは、磁気エンコーダである、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１４】
前記エンコーダは、絶対エンコーダである、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１５】
前記エンコーダは、相対エンコーダである、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１６】
ベース部分は、患者に貼付されるように構成された第１の部分と、前記第１の部分に装着された第２の部分とを含み、前記第２の部分は、前記第１の部分に装着されているときに、前記第１の部分の表面に沿って直線方向に移動可能である、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１７】
前記可動部分は、前記ベース部分に回転可能に装着されており、直線ガイド部分をさらに備え、
患者に貼付されるように前記直線ガイド部分が構成されており、前記ベース部分が前記直線ガイド部分に装着されているときに前記直線ガイド部分の表面に沿って前記ベース部分が直線方向に移動することができるように前記直線ガイド部分に装着されるよう、前記ベース部分が構成されている、
請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１８】
前記エンコーダセンサは、前記ベース部分に対する前記回転可能部分の回転角の第１の測度を提供するように構成された、請求項８に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１９】
電磁放射線スキャンデバイスによって提供された前記医療用ツール挿入誘導デバイスのスキャン情報を処理することにより、前記ベース部分に対する前記回転可能部分の前記回転角の第２の測度を提供するようにプログラムされたプログラム可能な少なくとも１つのマイクロプロセッサをさらに備える、請求項１８に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項２０】
前記プログラム可能な少なくとも１つのマイクロプロセッサは、Ｘ線ＣＴスキャナによるスキャン情報を処理することにより、前記ベース部分に対する前記回転可能部分の前記回転角の第２の測度を提供するようにプログラムされた、請求項１８に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項２１】
電磁スキャンデバイスによって提供された前記医療用ツール挿入誘導デバイスおよび患者のスキャン情報を処理することにより、前記ベース部分に対する前記回転可能部分の前記回転角の第２の測度を提供するようにプログラムされたプログラム可能な少なくとも１つのマイクロプロセッサをさらに備え、前記プログラム可能な少なくとも１つのマイクロプロセッサは、さらに、前記第１の測度を前記第２の測度と比較して前記第１の測度と前記第２の測度との差を求め、前記差がしきい値よりも大きい場合にオペレータに警告するようにプログラムされた、請求項８に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項２２】
プログラム可能な少なくとも１つのマイクロプロセッサおよびディスプレイユニットをさらに備え、前記プログラム可能な少なくとも１つのマイクロプロセッサは、電磁スキャンデバイスによって提供された前記医療用ツール挿入誘導デバイスおよび患者のスキャン情報を処理することにより、前記ベース部分に対する前記回転可能部分の前記回転角の第２の測度を提供するようにプログラムされており、前記プログラム可能な少なくとも１つのマイクロプロセッサは、さらに、前記第１の測度と前記第２の測度とのどちらがより正確な測度であるのかを判定し、前記第１の測度と前記第２の測度とのどちらがより正確な測度であるのかを示す指示物を前記ディスプレイユニット上に表示するようにプログラムされた、請求項８に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項２３】
前記可動部分は、工具を使用せずに、前記医療用ツール挿入誘導デバイスのオペレータにより、前記ベース部分から取外し可能であり、かつ前記ベース部分に装着可能である、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項２４】
前記可動部分は、前記第２の装着面から離れた位置に配置された突出部分を含み、前記可動部分が前記ベース部分に装着されているときに前記突出部分にアクセスできる、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項２５】
前記突出部分は、前記ベース部分に対して前記可動部分を位置決めするための取っ手の働きをする、請求項２４に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項２６】
前記突出部分は、前記ベース部分から前記可動部分を取り外すためまたは前記ベース部分に前記可動部分を取り付けるための取っ手の働きをする、請求項２４に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項２７】
前記突出部分は、少なくとも１つの基準マーカおよび医療用ツールホルダを含み、前記医療用ツールホルダは、前記突出部分に装着されており、前記突出部分に沿って移動可能であり、前記医療用ツールホルダは、前記医療用ツール挿入誘導デバイスによって誘導される医療用ツールの部分と接触するように構成されており、前記医療用ツールホルダは、少なくとも１つの基準マーカを含み、その結果、電磁放射線の前記少なくとも１つの帯域内の電磁放射線を使用して撮影された前記医療用ツール挿入誘導デバイスの少なくとも１つのスキャン画像中における前記突出部分の前記少なくとも１つの基準マーカおよび前記医療用ツールホルダの前記少なくとも１つの基準マーカとの相対位置によって、前記突出部分に沿った前記医療用ツールホルダの相対位置を決定することができる、請求項２４に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項２８】
前記医療用ツールは、針、医療用プローブおよびメスのうちの１つであり、
前記突出部分は、前記突出部分に装着された医療用ツールホルダを含み、前記医療用ツールホルダは、前記突出部分に沿って移動可能であり、
前記医療用ツールホルダは、前記針、前記医療用プローブおよび前記メスのうちの前記１つを受け取るのに十分な大きさの直径を有する穴を含み、前記医療用ツールが前記穴に受け取られたときに、前記医療用ツールホルダが前記医療用ツールと接触し、前記医療用ツールに位置合わせ支持を提供する、
請求項２４に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項２９】
電磁放射線スキャン装置による医療用ツール挿入誘導デバイスの少なくとも１回のスキャンを使用して前記医療用ツール挿入誘導デバイスのための制御ガイダンスを提供する方法であって、前記医療用ツール挿入誘導デバイスが、前記医療用ツール挿入誘導デバイスによって医療用ツールに提供された位置合わせの第１の測度を提供するエンコーダを有し、前記医療用ツール挿入誘導デバイスが少なくとも１つの基準マーカを有し、前記少なくとも１つの基準マーカから、前記医療用ツール挿入誘導デバイスによって前記医療用ツールに提供された前記位置合わせの第２の測度が、前記医療用ツールの前記少なくとも１回のスキャンのコンピュータ処理によって提供され、前記方法は、
前記第１の測度の値と前記第２の測度の値との差を求めることによって前記第１の測度を前記第２の測度と比較すること、および
前記第１の測度の値と前記第２の測度の値との前記差が所定のしきい値よりも大きいかどうかを判定すること、および
前記第１の測度の値と前記第２の測度の値との前記差が前記所定のしきい値よりも大きいことに応答して、前記医療用ツール挿入誘導デバイスのオペレータに、第１の測度が不正確である可能性があると警告すること
を含む方法。
【請求項３０】
前記エンコーダの位置誤差と前記医療用ツール挿入誘導デバイスの部分間のあそびの量とのうちの少なくとも一方に基づいて、前記第１の測度における第１の誤差の大きさの推定値を計算すること、
電磁放射線スキャン装置による前記医療用ツール挿入誘導デバイスの前記少なくとも１回のスキャンの分解能誤差の量子化誤差成分に少なくとも基づいて、前記第２の測度における第２の誤差の大きさの推定値を計算すること、
前記第１の誤差の大きさを前記第２の誤差の大きさと比較すること、および
前記比較の結果に基づいて、前記第１の測度と前記第２の測度のどちらがより正確なのかに関して前記オペレータに助言すること
をさらに含む、医療用ツール挿入誘導デバイスのための制御ガイダンスを提供する請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
コンピュータによって実行されたときに、電磁放射線スキャン装置による医療用ツール挿入誘導デバイスの少なくとも１回のスキャンを使用して前記医療用ツール挿入誘導デバイスのための制御ガイダンスを提供することを、前記コンピュータに実行させる命令のプログラムを記憶した非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、前記医療用ツール挿入誘導デバイスが、前記医療用ツール挿入誘導デバイスによって医療用ツールに提供された位置合わせの第１の測度を提供するエンコーダを有し、前記医療用ツール挿入誘導デバイスが少なくとも１つの基準マーカを有し、前記少なくとも１つの基準マーカから、前記医療用ツール挿入誘導デバイスによって前記医療用ツールに提供された前記位置合わせの第２の測度が、前記医療用ツールの前記少なくとも１回のスキャンのコンピュータ処理によって提供され、前記命令のプログラムが、
前記コンピュータによって実行されたときに、前記第１の測度の値と前記第２の測度の値との差を求めることによって前記第１の測度を前記第２の測度と比較することを前記コンピュータに実行させる命令と、
前記コンピュータによって実行されたときに、前記第１の測度の値と前記第２の測度の値との前記差が所定のしきい値よりも大きいかどうかを判定することを前記コンピュータに実行させる命令と、
前記コンピュータによって実行されたときに、前記第１の測度の値と前記第２の測度の値との前記差が前記所定のしきい値よりも大きいことに応答して、前記医療用ツール挿入誘導デバイスのオペレータに、第１の測度が不正確である可能性があると警告することを前記コンピュータに実行させる命令と
を含む非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項３２】
前記命令のプログラムが、
前記コンピュータによって実行されたときに、前記エンコーダの位置誤差と前記医療用ツール挿入誘導デバイスの部分間のあそびの量とのうちの少なくとも一方に基づいて、前記第１の測度における第１の誤差の大きさの推定値を計算することを前記コンピュータに実行させる命令と、
前記コンピュータによって実行されたときに、電磁放射線スキャン装置による前記医療用ツール挿入誘導デバイスの前記少なくとも１回のスキャンの分解能誤差の量子化誤差成分に少なくとも基づいて、前記第２の測度における第２の誤差の大きさの推定値を計算することを前記コンピュータに実行させる命令と、
前記コンピュータによって実行されたときに、前記第１の誤差の大きさを前記第２の誤差の大きさと比較することを前記コンピュータに実行させる命令と、
前記コンピュータによって実行されたときに、前記比較の結果に基づいて、前記第１の測度と前記第２の測度のどちらがより正確なのかに関して前記オペレータに助言することを前記コンピュータに実行させる命令と
をさらに含む、請求項３１に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、針、メス（ｓｃａｌｐｅｌ）または医療用プローブ（ｐｒｏｂｅ）などの医療用ツールの患者体内への挿入を誘導するデバイス、およびそのようなデバイスのための制御ガイダンス（ｃｏｎｔｒｏｌ  ｇｕｉｄａｎｃｅ）を提供する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許出願公開第２０１６−００７４０６３号は、針の配置および移動を調節する貫通穴を有する針ホルダと、針位置決めユニットと、針ホルダの位置を針位置決めユニットに対して固定する係合部材とを含む位置決め装置を論じている。針ホルダは、針位置決めユニットに少なくとも部分的に分離可能に取り付けられているか、または変形可能である。多数の針の配置を収容できるように、位置決め装置を設計することができる。
【０００３】
ＰＣＴ特許出願公開第ＷＯ２０１５０４１５１６号は、患者の体表の位置に対して医療デバイスを位置合わせするシステムであって、この患者の体表の位置と患者の体内の所定の標的位置とを通って挿入軸が延びるシステムを論じている。このシステムは、（１）周囲にあるもの、例えばスキャナの患者支持器にシステムを接続するように構成されたベースと、（２）静止部品および軸方向ガイドを備える位置合わせデバイスであって、軸方向ガイドが、誘導軸に沿って医療デバイスを誘導するように構成されており、遠隔回転中心の位置が静止部品に対して固定されており、誘導軸が遠隔回転中心を通って延びている間に軸方向ガイドを遠隔回転中心を軸にして回転させるように構成されている位置合わせデバイスと、（３）ベースと位置合わせデバイスの静止部品とを接続するアームとを備える。
【０００４】
米国特許出願公開第２００９−０１４３６７２号は、ＮＭＲ／ＭＲＩ画像化において、画像化された空間内の１つの点に対して１つの位置が記録され、画像化された空間内のその点がその後も分かっており、さらなる画像化ステップでその点の位置を再び突き止める必要がないように、この位置が参照位置を参照することを論じている。乳癌の診断および生検のため、胸部保持固定具が胸部を不動化する。胸部の一部を包含する立体画像（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ  ｉｍａｇｅ）が撮影される。生検ツール用のホルダの位置または他の様式（ｍｏｄａｌｉｔｙ）を決定するために、同じ画像または後続の画像中で基準マーク（ｆｉｄｕｃｉａｌ  ｍａｒｋ）が検出される。組織特徴は、造影剤を用いた灌流によってその画像中で一時的に可視化された腫瘍、嚢腫または管状病変（ｔｕｂａｌ  ｌｅｓｉｏｎ）とすることができる。基準マーカ（ｆｉｄｕｃｉａｌ  ｍａｒｋｅｒ）の位置を参照することによって、造影剤が消散した後も、依然として組織特徴の位置を決定することができる。任意選択で、基準マーカの位置は、画像化後の定量された変位（ｍｅｔｅｒｅｄ  ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）によって調整可能である。
【０００５】
米国特許出願公開第２０１２−００６５４９６号は、被験者の体部を例えばＭＲＩを使用して画像化する装置を論じている。この装置は、頭部などの体部を少なくとも部分的に取り囲むハウジングと、ハウジング内に少なくとも部分的に保持された第１の基準マーカアセンブリとを含み、この第１の基準マーカアセンブリは、１つまたは複数の基準マーカおよび基準特徴（ｄａｔｕｍ  ｆｅａｔｕｒｅ）を含む。基準特徴の位置は、この１つまたは複数の基準マーカに対して固定されている。第１の基準マーカアセンブリは、ハウジングに対して可動であり、基準特徴にはハウジングの外側からアクセスできる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、医療用ツール挿入誘導デバイス（ｍｅｄｉｃａｌ  ｔｏｏｌ  ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ  ｇｕｉｄｅ  ｄｅｖｉｃｅ）がベース部分および可動部分を含む。ベース部分は、主に電磁放射線（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ）の少なくとも１つの帯域を透過させる材料からなるが、電磁放射線の少なくとも１つの帯域を吸収する材料からなる第１の構成要素を有する。ベース部分は第１の装着面を有する。可動部分は、主に電磁放射線の少なくとも１つの帯域を透過させる材料からなるが、電磁放射線の少なくとも１つの帯域を吸収する材料からなる第２の構成要素を有する。可動部分は、ベース部分に装着されるように構成されており、ベース部分に装着されているときにベース部分に対して可動である。可動部分は、可動部分がベース部分に装着されているときにベース部分の第１の装着面と対向する（ｆａｃｅ）第２の装着面を有する。この医療用ツール挿入誘導デバイスは、エンコーダセンサ（ｅｎｃｏｄｅｒ  ｓｅｎｓｏｒ）およびエンコーダスケール（ｅｎｃｏｄｅｒ  ｓｃａｌｅ）を有するエンコーダを含む。エンコーダセンサとエンコーダスケールのうちの一方は第１の装着面に装着されており、エンコーダセンサとエンコーダスケールのうちのもう一方は第２の装着面に装着されている。可動部分がベース部分に装着されているときに、エンコーダセンサはエンコーダスケールと対向する。第１の構成要素および第２の構成要素は例えば１つまたは複数の基準マーカを含むことができる。さらに、例えば医療用Ｘ線ＣＴスキャンの使用をサポートするために、電磁放射線の少なくとも１つの帯域はＸ線帯域を含むことができる。さらに、可動部分は、回転可能マウンティング（ｒｏｔａｔａｂｌｅ  ｍｏｕｎｔｉｎｇ）、直線運動をサポートするマウンティング、弧に沿った運動をサポートするマウンティング、またはこれらのうちの２つ以上のマウンティングによってベース部分に装着することができる。この医療用ツールは例えば針、医療用プローブまたはメスとすることができる。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、電磁放射線スキャン装置による医療用ツール挿入誘導デバイスの少なくとも１回のスキャンを使用して医療用ツール挿入誘導デバイスのための制御ガイダンスを提供する方法であって、医療用ツール挿入誘導デバイスが、医療用ツール挿入誘導デバイスによって医療用ツールに提供された位置合わせの第１の測度（ｍｅａｓｕｒｅ）を提供するエンコーダを有し、医療用ツール挿入誘導デバイスが少なくとも１つの基準マーカを有し、この少なくとも１つの基準マーカから、医療用ツール挿入誘導デバイスによって医療用ツールに提供された位置合わせの第２の測度が、医療用ツールの少なくとも１回のスキャンのコンピュータ処理によって提供される方法が開示される。この方法は、第１の測度の値と第２の測度の値の差を求めることによって第１の測度を第２の測度と比較すること、第１の測度の値と第２の測度の値の差が所定のしきい値よりも大きいかどうかを判定すること、および第１の測度の値と第２の測度の値の差が所定のしきい値よりも大きいことに応答して、医療用ツール挿入誘導デバイスのオペレータに、第１の測度が不正確である可能性があると警告することを含む。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、この方法は、上記の事項に加えて、または上記の事項の代わりに、エンコーダの位置誤差と医療用ツール挿入誘導デバイスの部分間のあそび（ｓｌａｃｋ）の量のうちの少なくとも一方に基づいて、第１の測度における第１の誤差の大きさの推定値（ｅｒｒｏｒ  ｍａｇｎｉｔｕｄｅ  ｅｓｔｉｍａｔｅ）を計算すること、電磁放射線スキャン装置による医療用ツール挿入誘導デバイスの少なくとも１回のスキャンの分解能誤差の量子化誤差成分に少なくとも基づいて、第２の測度における第２の誤差の大きさの推定値を計算すること、第１の誤差の大きさを第２の誤差の大きさと比較すること、およびこの比較の結果に基づいて、第１の測度と第２の測度のどちらがより正確なのかに関してオペレータに助言することを含んでもよい。
【０００９】
さらに、本発明の別の態様によれば、非一時的コンピュータ可読媒体が命令のプログラムを記憶しており、この命令のプログラムが、コンピュータによって実行されたときに、そのコンピュータにそのような方法を実行させる。
【００１０】
本発明のさらなる特徴および態様は、添付図面を参照した例示的な実施形態の以下の説明から明白になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の例示的な実施形態に基づく針挿入誘導デバイスの透視図である。
【図２】第１の例示的な実施形態に基づく針挿入誘導デバイスの断面図である。
【図３Ａ】第１の例示的な実施形態に基づく針挿入誘導デバイスの上面図である。
【図３Ｂ】第１の例示的な実施形態に基づく針挿入誘導デバイスの上面図である。
【図３Ｃ】第１の例示的な実施形態に基づく針挿入誘導デバイスの上面図である。
【図３Ｄ】第１の例示的な実施形態に基づく針挿入誘導デバイスの上面図である。
【図３Ｅ】第１の例示的な実施形態に基づく針挿入誘導デバイスの上面図である。
【図４】第１の例示的な実施形態に基づく画像処理およびガイダンスシステムのブロック図である。
【図５】針挿入誘導デバイスのための制御ガイダンスを提供する方法の例示的な実施形態のフローチャートである。
【図６】取っ手（ｈａｎｄｌｅ）を含む、例示的な代替実施形態に基づく針挿入誘導デバイスの透視図である。
【図７】図６に示された代替実施形態に基づく針挿入誘導デバイスの取っ手の断面図である。
【図８】図６および７に示された代替実施形態に基づく追加の角度情報φの計算の諸態様を示す図である。
【図９】直線エンコーダを含む、別の例示的な実施形態に基づく針挿入誘導デバイスの透視図である。
【図１０】直線ガイドを備える、図９に示された例示的な実施形態に基づく針挿入誘導デバイスの上面図である。
【図１１】図９および１０に示された例示的な実施形態に基づくデバイス構成要素の相対的な位置取りの諸態様を示す図である。
【図１２】磁気エンコーダを含む、別の例示的な実施形態に基づく針挿入誘導デバイスの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明のさまざまな例示的な実施形態、特徴および態様を図面を参照して詳細に説明する。本発明の一態様によれば、医療用ツールの挿入を誘導するデバイスであって、医療用ツールを患者に挿入する角度と深さのうちの少なくとも一方を誘導する２つ以上の手段を提供することができるデバイスが提供される。本発明の別の態様によれば、この医療用ツールが針、医療用プローブまたはメスとすることができる。所望の挿入角と所望の挿入深さエリアのうちの少なくとも一方を保証するガイダンス指示を医療オペレータ（例えば医師、看護士、医療技術者または他の医療提供者）に提供する方法も提供される。以下で論じる例の多くでは、医療用ツールが針であると仮定する。とは言え、医療用プローブおよび／またはメスなどの他の医療用ツールを誘導する目的に、針挿入誘導デバイス１を使用することもできる。針挿入誘導デバイス１が針ホルダ（後に論じる）を含む場合には、後に論じるように、針ホルダの形状を、例えば針、医療用プローブおよび／またはメスを収容できるような形状にすることができる。
【００１３】
次に、図１、図２および図３Ａ〜図３Ｅを参照すると、第１の例示的な実施形態に基づく針挿入誘導デバイス１が示されている。図１は透視図、図２は断面図、図３Ａ〜図３Ｅは上面図である。針挿入誘導デバイス１は、固定された部品（以後、固定部品）１０および回転可能部品２０を備える。固定部品１０および回転可能部品２０はともにリング形である。回転可能部品２０には取っ手３０が取り付けられているか、または取っ手３０が形成されている。取っ手３０は例えば弧形とすることができ、弧形の取っ手３０の２つの端部は、リング形の回転可能部品２０の両側に取り付けられているか、または形成されており、このことは、リング形の回転可能部品２０の変形に抗する支持と、そこを通して針を挿入することができるリング形の回転可能部品２０の内部への容易なアクセスの両方を有益に提供する。
【００１４】
固定部品１０は指示線（ｉｎｄｅｘ  ｌｉｎｅ）１１を有し、回転可能部品２０は複数の指示線２１を有する。固定部品１０、回転可能部品２０および取っ手３０はそれぞれ主に、電磁放射線の少なくとも１つの帯域を透過させる材料からなる。この実施形態では、当該帯域が、医療用Ｘ線ＣＴスキャンに使用される帯域であり、この材料が、このようなＸ線を透過させる成形可能な材料、例えば成形可能なプラスチックである。例えば、固定部品１０、回転可能部品２０および取っ手３０は、このスキャン周波数における透過率が高い熱可塑性または熱硬化性ポリマーを射出成形することによって形成することができる。したがって、医療用Ｘ線ＣＴスキャンを受ける患者に貼り付けた場合、針挿入誘導デバイス１の大部分は、得られたＸ線ＣＴスキャン画像中で見えないか、またはその代わりに、得られたスキャン画像の一部分に影をつけるだけであり、得られたスキャン画像に示された医学的詳細を不明瞭にすることはない。
【００１５】
オペレータ（例えば医師、看護士、医療技術者または他の医療提供者）は、固定部品１０と回転可能部品２０の間の相対回転角を、指示線１１および２１を使用して決定することができる。複数の指示線２１のうちの１本の指示線２１ａには、線２１のうちの中心線として、例えば色、形状、幅または長さによって印がつけられている。これに応じて、指示線２１ａと指示線１１が整列している（すなわち回転可能部品２０の回転軸（図３Ａ〜図３ＥにＯで示されている）から延びる同じ射線（ｒａｙ）上にある）とき、固定部品１０と回転可能部品２０の間の相対回転角は０度とみなされる。取っ手３０も複数の指示線３１を有する。ユーザは、指示線３１を使用して取っ手３０上で挿入角を読むことができる。回転可能部品２０は固定部品１０に回転可能に装着されている。したがって、回転可能部品２０は、回転可能マウンティング上で、固定部品１０に対して回転することができる。例えばオペレータまたは医療提供者の患者へのアクセス経路を広くするため、または針挿入誘導デバイス１の洗浄を容易にするために、回転可能部品２０を固定部品１０から取り外すことができる。この取外しは、オペレータが手で、すなわち可動部品２０を固定部品１０から取り外すのに工具を使用する必要なしに、実行することができる。同様に、可動部品２０を固定部品１０に固定するのに工具を使用する必要なしに、手で可動部品２０を固定部品１０に装着することができる。固定部品１０と回転可能部品２０はともにそれぞれの溝を有する。回転可能部品２０の溝は、固定部品１０の溝と対向するように配されている。この実施形態では、回転可能部品２０と固定部品１０が接触平面で接触しており、接触平面を挟んで回転可能部品２０の溝が固定部品１０の溝と対向している。回転可能部品２０と固定部品１０との接触点が、上述の接触平面にある必要はない。
【００１６】
針挿入誘導デバイス１には、エンコーダセンサ１２とエンコーダスケール２２とを備えるエンコーダ３２が含まれる。この実施形態では、エンコーダ３２が、光学エンコーダ（ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｎｃｏｄｅｒ）である。固定部品１０の溝の中に、エンコーダセンサ１２および基準マーカ１３が配されている。回転可能部品２０の溝の中には、エンコーダスケール２２ならびに複数の基準マーカ２３、２４および２５が配されている。基準マーカ１３、２３、２４および２５は、電磁放射線の少なくとも１つの帯域の少なくとも一部分を吸収する材料からなる。この実施形態では、基準マーカ１３、２３、２４および２５が、医療用Ｘ線ＣＴスキャンに使用されるＸ線を吸収する。したがって、針挿入誘導デバイス１を患者に貼り付け、次いでその患者が医療用Ｘ線ＣＴスキャンを受けた場合、得られたＸ線ＣＴスキャン画像中で基準マーカ１３、２３、２４および２５が見えることがある。この実施形態では、エンコーダスケール２２が、回転可能部品２０の溝の底に装着されている。溝の中にエンコーダセンサ１２を装着することにより、エンコーダセンサ１２は、周囲放射線（ａｍｂｉｅｎｔ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ）および／または医学的デブリ（ｍｅｄｉｃａｌ  ｄｅｂｒｉｓ）などの有害な環境条件から保護される。同様に、溝の中にエンコーダスケール２２を装着することにより、エンコーダスケール２２は、このような有害な環境条件から保護される。あるいは、回転可能部品２０の溝の底にエンコーダスケール２２を印刷しまたは埋め込むこともできる。この実施形態ではエンコーダスケール２２がリング形である。あるいは、エンコーダスケール２２を、リング形ではなく弧形とすることもできる。エンコーダセンサ１２とエンコーダスケール２２は互いに向かい合わせに置かれており、その結果、エンコーダセンサ１２はエンコーダスケール２２と対向する。
【００１７】
エンコーダセンサ１２は、エンコーダスケール２２を読み、エンコーダセンサ１２とエンコーダスケール２２の間の相対回転角の測度を示す第１の角度情報を出力する。この第１の角度情報は、図３Ａ〜図３Ｅの上面図の回転可能部品２０の取っ手３０の方向角の推定値を提供する。この実施形態では、エンコーダ３２が、相対回転角の測度を度またはラジアンで提供する絶対エンコーダ（ａｂｓｏｌｕｔｅ  ｅｎｃｏｄｅｒ）である。あるいは、相対エンコーダ（ｒｅｌａｔｉｖｅ  ｅｎｃｏｄｅｒ）を使用することもできる。相対エンコーダは、例えば、回転可能部品２０を回転させたときに所与の点を横切って移動した回転可能部品２０の指示線２１の数を示す出力信号、および指示線２１が移動した角方向（ａｎｇｕｌａｒ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）を提供し、相対エンコーダのこの出力信号に基づいて第１の角度情報を計算することができる。
【００１８】
この実施形態では、基準マーカ１３が指示線１１の裏に配置されており、基準マーカ１３はエンコーダ３２の０度位置にあるとみなされる。基準マーカ２３、２４および２５はそれぞれ、エンコーダスケール２２の２７０度、０度および９０度の角位置に配されている。固定部品２０と回転可能部品２０の間の相対回転角が０度であるとき、エンコーダセンサ１２とエンコーダスケール２２の間の相対回転角も同様に０度である。固定部品２０と回転可能部品２０の間の相対回転角が０度であることは、指示線２１ａが指示線１１と整列していることにより判定される。しかしながら、例えばエンコーダセンサ１２の許容差および／またはエンコーダ３２の誤動作のために、エンコーダセンサ１２がエンコーダスケール２２を読んだときに、エンコーダセンサ１２によって出力された第１の角度情報が、エンコーダセンサ１２とエンコーダスケール２２の間の相対回転角の測度が０度とは異なることを示していることがある。エンコーダセンサ１２とエンコーダスケール２２の間の相対回転角が０度の値を有していると考えられるときには、基準マーカ２４と基準マーカ１３の中心がともに、回転可能部品２０の回転軸から延びる同じ射線上にあることが理想的である。
【００１９】
この実施形態では、基準マーカ１３、２３、２４および２５が回転可能部品２０の回転中心から等距離にあり、基準マーカ２３、２４および２５が直角二等辺三角形の頂点にあり、その直角二等辺三角形の斜辺の中点が回転可能部品２０の回転中心にある。すなわち、基準マーカ２３と２５の間のこの三角形の辺の中点は回転可能部品２０の回転中心にある。したがって、この実施形態では、エンコーダセンサ１２とエンコーダスケール２２の間の相対回転角が０度であるときに、基準マーカ１３と２４が、針挿入誘導デバイス１の画像の上面から撮影されたＣＴスキャンにおいて互いに重なって見え、または当該ＣＴスキャンにおいて同一の広がりを持つ（ｃｏｅｘｔｅｎｓｉｖｅ）ように見える。
【００２０】
図３Ａ〜図３Ｅは、基準マーカ１３、２３、２４および２５を含む針挿入誘導デバイス１の上面図である。回転可能部品２０の回転中心からそれぞれの基準マーカ１３、２３、２４および２５までの距離Ｌは同じである。したがって、回転可能部品２０の回転角に応じて、基準マーカ１３は、図３Ａ〜図３Ｅの上面図において、残りのどの基準マーカ２３、２４および２５とも重なりうる。エンコーダスケール２２と基準マーカ２３、２４および２５は一緒に回転するため、第１の角度情報は、基準マーカ１３と基準マーカ２４の間の相対角に等しいことが理想的である。さらに、基準マーカ１３、２３、２４および２５は放射を吸収し、ＣＴスキャン画像中で可視である。
【００２１】
次に図４も参照すると、第１の例示的な実施形態に基づく画像処理およびガイダンスシステム５のブロック図が示されている。画像処理およびガイダンスシステム５は、針挿入誘導デバイス１、ガイダンスシステムコンピュータ２、Ｘ線ＣＴスキャナ３およびディスプレイ４を含む。この実施形態では、Ｘ線ＣＴスキャナ３において、（患者などの）物体をスキャンし、その物体のディジタルＸ線ＣＴスキャン画像信号を出力するように構成された従来のディジタルＸ線ＣＴスキャナとすることができる。この実施形態では、ガイダンスシステムコンピュータ２が、Ｘ線ＣＴスキャナ３によって提供されたＸ線ＣＴスキャン出力の画像処理を実行するようにプログラムされたコンピュータワークステーションである。具体的には、ガイダンスシステムコンピュータ２はＣＰＵおよびメモリを含み、このメモリは、ディジタルＸ線ＣＴスキャン画像信号を解析および表示するためのソフトウェアを記憶している。この実施形態では、ディスプレイ４が従来のコンピュータディスプレイデバイスである。画像処理およびガイダンスシステム５は、スター構成で相互接続されており、ガイダンスシステムコンピュータ２が、画像処理およびガイダンスシステム５のハブとして働き、針挿入誘導デバイス１、Ｘ線ＣＴスキャナ３およびディスプレイ４は、それぞれ、異なる相互接続線によってガイダンスシステムコンピュータ２に接続されている。
【００２２】
針挿入誘導デバイス１、並びに、画像処理およびガイダンスシステム５は、例えば患者の体内の標的に薬物を注入するため、または患者の器官内の腫瘍を切除するために、患者の体内に針を精確に挿入し、かつ／または患者の体内で針を精確に移動させる目的に使用することができる。針挿入誘導デバイス１の固定部品１０は、例えば医療用テープを使用して患者に貼付される。針挿入誘導デバイス１は、針挿入の角度を調整するために使用される。オペレータは、針挿入誘導デバイス１との位置合わせにより針を挿入するため、挿入角が不正確である場合に、オペレータはそのことに気づくことができる。さらに、ガイダンスシステムコンピュータ２は、患者の体と針挿入誘導デバイス１との間の運動、例えば回転可能部品２０の回転を検出し、その時点において針挿入誘導デバイス１が提供する挿入角を計算する。挿入角は、針挿入誘導デバイス１が貼付された患者のスキャン画像を使用して計算することができる。Ｘ線ＣＴスキャナ３は、患者の体をスキャンして、治療する標的を検出する。Ｘ線ＣＴスキャナ３は、患者がその上に横たわるベッドを含むことができ、このベッドは、スキャン操作中に移動する。Ｘ線ＣＴスキャナ３は、異なる平面上の２次元情報の多数のスライスをスキャンし、それらの２次元情報の多数のスライスから３次元画像を再構成する。ディスプレイ４は、ガイダンスシステムコンピュータ２のガイダンスを示す。さらに、ガイダンスシステムコンピュータ２は、エンコーダ３２が針挿入誘導デバイス１から出力した角度情報を読み、Ｘ線ＣＴスキャナ３から画像を読み取り、標的位置に到達するために使用する挿入角および針を挿入する挿入深さをオペレータに通知する情報をディスプレイ４上に示す。例えば、表示されたＸ線ＣＴスキャン上でオペレータが、またはＸ線ＣＴスキャナ３の出力の解析に基づいてガイダンスシステムが、針が到達する標的位置を指定することができる。オペレータは、ディスプレイ４上の挿入角および挿入深さを読んだ後、ディスプレイ４上に示された挿入角まで回転可能部品２０を回転させ、次いで、ディスプレイ４上に示された挿入深さまで針を挿入する。針が標的位置に到達したかどうかをオペレータが確認することができるように、Ｘ線ＣＴによる追加のスキャンを実施することができる。
【００２３】
画像処理およびガイダンスシステム５は、２つの操作のうちのいずれかの操作を使用して、オペレータに、回転可能部品２０がいつ適当な角度にあるかを示す。第１に、エンコーダ３２のエンコーダセンサ１２によって出力された第１の角度情報をディスプレイ４上に表示することができ、オペレータは、適切な角度が提供されるまで回転可能部品２０を回転させることができる。第２に、代替として、オペレータは、後で論じるように、Ｘ線ＣＴスキャナ３の出力に対して画像処理を実行することによって決定された第２の角度情報を使用することができる。さらに、ガイダンスシステムコンピュータ２は、これら２つの操作のうちのどちらの操作がより正確であるのかをディスプレイ４上でオペレータに示すこともでき、または、単純に、これらの２つの操作のうちより正確な操作を表示し、もう一方の操作は表示しないこともできる。
【００２４】
針挿入誘導デバイス１の回転可能部品２０の相対回転角の測度として働く第２の角度情報を提供するために、（図４に示された）画像処理システム５での画像処理を使用することによって、回転中心から基準マーカ１３までの射線と回転中心から基準マーカ２４までの射線との間の相対回転角が計算される。この第２の角度情報が第１の角度情報と一致していることが理想的である。しかしながら、Ｘ線ＣＴスキャナ３によって出力される画像中のノイズおよびＸ線ＣＴスキャナ３によって出力される画像の分解能のため、第２の角度情報によって提供された回転可能部品２０の相対回転角の測度が、回転可能部品２０の実際の相対回転角とぴったり同じにはならないことがある。さらに、エンコーダセンサ１２は通常、非常に正確ではあるが、有限の分解能も有し、さらに、エンコーダセンサ１２が誤動作を起こすこともありうる。したがって、第１の角度情報によって提供された回転可能部品２０の相対回転角の測度が、回転可能部品２０の実際の相対回転角とぴったり同じにはならないことがある。第１の角度情報と第２の角度情報のうちの一方の角度情報が他方の角度情報よりも正確であることは頻繁にあり、後に論じるように、これらの２つの角度情報のうちより正確な角度情報が針挿入の誘導に使用されることが好ましい。
【００２５】
次に、図５も参照すると、針挿入誘導デバイス１のための制御ガイダンスを提供する方法の例示的な実施形態のフローチャートが示されている。ステップＳ５０１において、Ｘ線ＣＴスキャナ３のベッド上に患者が横たわっている間に、オペレータは、針挿入誘導デバイス１を、標的部分の近くの患者の体表に置く。オペレータは、例えば必要または希望に応じて粘着テープを患者の体表で使用することにより、針挿入誘導デバイス１を患者に貼付することができる。患者の体に接する傾斜平面に概ね沿った方向に針挿入誘導デバイス１が滑り落ちないように針挿入誘導デバイス１が貼付されることは有用である。オペレータが患者の体表のどこに針挿入誘導デバイス１を置くべきかは、例えば触診、スカウトスキャン（ｓｃｏｕｔ  ｓｃａｎ）もしくは過去のスキャン画像によって、またはオペレータの医学的知識によって決定することができる。
【００２６】
患者の皮膚に針挿入誘導デバイス１が置かれまたは固定された後、ステップＳ５０２において、Ｘ線ＣＴスキャナ３は、患者の体を、針挿入誘導デバイス１と一緒にスキャンする。（後に論じる）スキャンの間、またはスキャンの直前もしくは直後に、ステップＳ５０３において、ガイダンスシステムコンピュータ２は、エンコーダ３２が出力した第１の角度情報を読む。
【００２７】
ステップＳ５０４において、ガイダンスシステムコンピュータ２は、Ｘ線ＣＴスキャナ３からの患者の多数の２次元画像および再構成された３次元画像を読む。ガイダンスシステムコンピュータ２が、再構成された３次元画像から、テンプレートマッチングアルゴリズム（ｔｅｍｐｌａｔｅ  ｍａｔｃｈｉｎｇ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）、ならびに回転可能部品２０の基準マーカ２３、２４および２５の互いに対する配置が固定されていることを使用して、基準マーカ１３、２３、２４および２５の位置を検出する。あるいは、このような自動位置合わせ（ａｕｔｏｍａｔｉｃ  ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）を使用する代わりに、オペレータが、基準マーカ２３、２４および２５の位置を指定してもよい。次いで、ガイダンスシステムコンピュータ２が、それらの基準マーカの位置を用いて第２の角度情報を計算する。
【００２８】
第２の角度情報の計算には、以下の例示的なプロセスを使用することができる。この例示的なプロセスは、理解が容易な手法で座標を変換する。このプロセスによって計算が減る可能性がある。３つの全ての基準マーカ２３、２４および２５を含む平面を、座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有する３次元デカルト座標系のＸ−Ｙ平面で表す。Ｚ方向は、ＸおよびＹ方向から右手の法則に従って指定される（すなわち右手座標系）。エンコーダスケール２２の回転中心がＸ−Ｙ平面と交わる位置を、この３次元デカルト座標系の原点Ｏ＝（０，０，０）の位置で表す。（表記に関しては点Ｐ＝（ｘ，ｙ，ｚ）をＰ（ｘ，ｙ，ｚ）と書くこともできる）。原点を通りＸ−Ｙ平面に対して直角な方向を、右手の規則に基づくデカルト座標系のＺ方向で表す。基準マーカ１３の位置からＸ−Ｙ平面までの距離をｈで表す。基準マーカ１３の位置をＰ13（ｘ0，ｙ0，−ｈ）で表す。基準マーカ２３の位置をＰ23（ｘ1，ｙ1，０）で表す。基準マーカ２４の位置をＰ24（ｘ2，ｙ2，０）で表す。基準マーカ２５の位置をＰ25（ｘ3，ｙ3，０）で表す。点Ｐ13のＺ軸に沿ったＸ−Ｙ平面上への投影を、点Ｑ（ｘ0，ｙ0，０）で表す。点Ｏから点Ｑへの方向がＸ方向であり、座標ｙ0は０である。
【００２９】
上記の表記に基づけば、第２の角度情報θは、角度∠（Ｑ，Ｏ，Ｐ24）の計算値である。点Ｏ、Ｐ24およびＱは上記のＸ−Ｙ平面上にあり、点ＱはＸ軸上にあるため、第２の角度情報θは、下式によって計算することができる。
θ＝ａｔａｎ２（ｘ2，ｙ2）、および
【数１】
2019093117.tif 000003
【００３０】
例えば、図３Ａに示されているように、点Ｐ24が点Ｑと重なっているとき、第２の角度情報は０度である。図３Ｂに示されているように、点Ｐ23が点Ｑと重なっているとき、第２の角度情報は９０度である。図３Ｃに示されているように、回転軸に関して点Ｐ24が点Ｑとは正反対の側にある（点Ｏに関して点Ｑと点Ｐ24が互いの反対側にある）とき、第２の角度情報は１８０度である。図３Ｄに示されているように、点Ｐ25が点Ｑと重なっているとき、第２の角度情報は２７０度である。
【００３１】
エンコーダが破損している場合、エンコーダに異常がある場合、またはエンコーダが誤動作している場合、エンコーダは通常、その破損、異常および／または誤動作の原因を検出することができ、さらにそれらのステータスを出力することができる。しかしながら、まれに、エンコーダが、破損、異常または誤動作を検出することなしに誤った位置情報を出力することがある。位置情報を検出する２つの操作を提供することによって、画像処理およびガイダンスシステム５は、治療をする前に誤った位置情報を誤った情報として認識することに失敗する確率を大幅に低下させることができる。さらに、不適切なまたは不適当な治療の原因の一部は、器具の不良位置合わせにあると考えられる。エンコーダ３２とＸ線ＣＴスキャナ３からの画像の両方を使用して位置情報を検出することによって、画像処理およびガイダンスシステム５は、潜在的な不良位置合わせの冗長検出（ｒｅｄｕｎｄａｎｔ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）を提供し、したがって、不適切なまたは不適当な治療の原因となる不良位置合わせの確率を低下させる。
【００３２】
この冗長検出を利用するため、ステップＳ５０５において、ガイダンスシステムコンピュータ２は、第１の角度情報を第２の角度情報と比較する。第１の角度情報および第２の角度情報はともに、ノイズ、歪み、機械的許容差、位置誤差などに起因する誤差を含む可能性がある。第１の角度情報と第２の角度情報は通常、全く同じというわけではないが、エンコーダ３２が破損していない限り、それらの値は普通、互いに近い。これに応じて、ステップＳ５０５で第１の角度情報と第２の角度情報が十分に近い場合（すなわち、ステップＳ５０５で第１の角度情報と第２の角度情報とが大きくは異なっていない場合）には、ステップＳ５０６において、ガイダンスシステムコンピュータ２は、第１の角度情報と第２の角度情報のうちより正確な角度情報を使用して、針の挿入角および挿入深さをオペレータに通知し、オペレータまたは他の医療職員が針を標的位置まで誘導することができるようにする。Ｘ線ＣＴスキャナ３の分解能が精細でない場合には通常、第１の角度情報の方が第２の角度情報よりも正確である。しかしながら、ステップＳ５０５で、第１の角度情報と第２の角度情報が十分に近いとは言えない場合（すなわち、ステップＳ５０５で第１の角度情報と第２の角度情報が大きく異なっている場合）には、ステップＳ５０７において、ガイダンスシステムコンピュータ２は、針の誤ったガイダンスを回避することをオペレータに通知する。例えば、ガイダンスシステムコンピュータ２は、針挿入誘導デバイス１を使用して、第２の角度情報の計算値に基づいて針挿入を実行するよう、オペレータを導くことができる。あるいは、ガイダンスシステムコンピュータ２は、針挿入誘導デバイス１を交換し、ステップＳ５０１からＳ５０５を再び実行するようオペレータを促すこともできる。
【００３３】
例えば、第１の角度情報と第２の角度情報が大きく異なっているかどうかを判定するために、差のしきい値（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  ｏｆ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）を、機械的誤差および位置誤差を含む最悪誤差（ｗｏｒｓｔ  ｃａｓｅ  ｅｒｒｏｒ）の和よりも大きな値に設定することができる。機械的誤差は、針挿入誘導デバイス１のあそびに起因し、許容差によって推定することができる。使用される具体的なエンコーダに依存する位置誤差は、エンコーダの仕様によって推定することができる。基準マーカ１３、２３、２４および２５の位置の不正確な決定に依存する位置誤差は、Ｘ線ＣＴスキャナ３からの患者の再構成された低解像度画像３次元画像に起因し、この３次元画像は、スキャンによって提供された多数の２次元画像の低解像度に起因しうる。低解像度画像は、基準マーカ１３、２３、２４および２５の精確な位置を示すことができないため、基準マーカ１３、２３、２４および２５の決定された位置は、ある量の位置誤差を有しうる。予想される最悪位置誤差量は、Ｘ線ＣＴスキャナ３の分解能仕様によって推定することができる。この実施形態では、これらの誤差が、（符号のない）大きさとして指定される。ステップＳ５０５では、ガイダンスシステムコンピュータ２は、第１の角度情報と第２の角度情報とを以下のように比較する。最初に、ガイダンスシステムコンピュータ２が、第１の角度情報と第２の角度情報の差を、例えば、一方の角度情報からもう一方の角度情報を引き、次いでその結果の絶対値をとることによって求める。第１の角度情報と第２の角度情報の差が上記の誤差の和よりも大きい場合には、第１の角度情報と第２の角度情報のうちの少なくとも一方の角度情報が不正確である。差のしきい値は都合に合せて設定することができ、例えば上記の誤差の和の２倍に設定することができる。ステップＳ５０５で、第１の角度情報と第２の角度情報の差の大きさが、差のしきい値よりも大きい場合には、ステップＳ５０７において、ガイダンスシステムコンピュータ２は、ディスプレイ４上にエラーメッセージを表示することによってオペレータに警報を出す。反対に、ステップＳ５０５で、第１の角度情報と第２の角度情報の差の大きさが、差のしきい値以下である場合には、ステップＳ５０６において、ガイダンスシステムコンピュータ２は、続いて、最初にエラーメッセージを出すことなく、針挿入に関するガイダンスを提供する。
【００３４】
本発明は、上記の差のしきい値を使用することだけに限定されない。例えば、第２の角度情報における潜在的な誤差の大きさ（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｅｒｒｏｒ  ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）と第１の角度情報における潜在的な誤差の大きさとを結合することによって、実用的な差のしきい値を計算することができる。第２の角度情報における潜在的な誤差の大きさと第１の角度情報における潜在的な誤差の大きさとを合計する（これらの潜在的な誤差の大きさの和をとる）ことによって、実用的な差のしきい値を計算することができる。あるいは、通常、一方の潜在的な誤差の大きさがもう一方の潜在的な誤差の大きさよりも大きい場合には、両方の潜在的な誤差の大きさの結合された効果の推定値として、より大きな方の潜在的な誤差の大きさを２倍にすることができる。第２の角度情報における潜在的な誤差の大きさおよび第１の角度情報における潜在的な誤差の大きさは、例えば以下で論じるプロセスによって推定することができる。
【００３５】
通常、スキャンピッチの量子化誤差は、他の形態の誤差よりもはるかに大きい。そのため、以下のプロセスでは、第２の角度情報に影響を及ぼす可能性がある誤差のうち量子化誤差以外の誤差を無視する。１つの基準マーカが１つまたは複数の画像上で可視であることがありうる。２つ以上の画像が同じ基準マーカを示しているときには、その基準マーカの位置を、それぞれの画像中のその基準マーカのそれぞれの位置間の中心位置に設定する。その基準マーカを示している画像が１つなのかまたは２つ以上なのかに関わらず、個々の基準マーカにおける潜在的な誤差の大きさは、スキャンピッチの１／２として計算する。２つ以上の基準マーカが使用されているときには、画像解析によって決定された位置が、量子化に起因するこのような変位誤差（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｅｒｒｏｒ）を含むことがある。変位誤差の結合によって、単一の基準マーカの（例えばラジアンで表された）個々の変位誤差の誤差は最大４倍になる。したがって、ラジアンで表された第２の角度情報における潜在的な誤差の大きさは、ラジアンで表された単一の基準マーカの個々の変位誤差の４倍として計算することができる。４つ以上の基準マーカが使用される場合も、この同じ計算式を依然として使用することができる。これは、これよりも多くの基準マーカを使用することは通常、正確さを向上させるためである。この誤差は概ね（１／ｍ）1/2に比例する。ｍは基準マーカの数である。さらに、これらの誤差はしばしば、ほとんどまたは全ての基準マーカに関して同じ方向に生じ、上記の計算で因数４を使用することは、第２の角度情報における潜在的な誤差の大きさの保守的な（ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｖｅ）推定値を提供する。量子化誤差は一般に他の形態の誤差よりもはるかに大きいため、実用的な差のしきい値は、第２の角度情報における潜在的な誤差の大きさの推定値の２倍として計算することができる。
【００３６】
第２の角度情報における潜在的な誤差の大きさの例示的な計算として、以下の例示的なデバイス仕様を考える。基準マーカ１３、２３、２４および２５はそれぞれ、直径１０ｍｍの球の形状を有する。エンコーダ３２のエンコーダスケール２２のトラック（ｔｒａｃｋ）は２５ｍｍである。すなわち、エンコーダセンサ１２が追跡するエンコーダスケール２２の部分の中心半径は２５ｍｍである。Ｘ線ＣＴスキャナ３は、Ｚ方向の５ｍｍのスキャンピッチを有する。Ｚ方向は、スキャンを実行するためにＸ線ＣＴスキャナ３のベッドが移動する方向を表す。Ｘ線ＣＴスキャナ３はさらに、ＸおよびＹ方向の０．５ｍｍのスキャン分解能を有する。個々の基準マーカにおける潜在的な誤差の大きさは、スキャンピッチ５ｍｍの１／２として計算された２．５ｍｍである。このような２．５ｍｍの誤差は、エンコーダスケール２２のトラックの周囲の０．１ラジアンの誤差と等価である。変位の結合を考慮すると、第２の角度情報における潜在的な誤差の大きさの保守的な推定値は０．４ラジアンであり、２つの角度の差の実用的なしきい値はｕ×０．４ラジアンとして計算することができる。適用可能なｕの値は例えば、用途に応じて１．５、２、２．５または２．５超である。例えば、ｕ＝２のとき、この式は、実用的な差のしきい値０．８ラジアンを与える。
【００３７】
とは言え、第１の角度情報における潜在的な誤差の大きさを明示的に計算することもできる。一般に、回転式エンコーダのほとんどの誤差は、回転軸上に中心を有する円形に対するエンコーダセンサ１２および／またはエンコーダスケール２２の偏心に起因する。偏心に起因する誤差は、下式によって計算することができる。
【数２】
2019093117.tif 000004
上式で、εは偏心距離、ｒは、エンコーダスケールのトラックの半径、θは、偏心のない理想的な角度、αは、偏心の方向によって決まる定数である。例えば、偏心距離が１００マイクロメートル、エンコーダスケールのトラックの半径が２５ｍｍである場合には、
【数３】
2019093117.tif 000005
である。したがって、さらに、第２の角度情報における潜在的な誤差の大きさの保守的な推定値が０．４ラジアンであることに基づくと、代替の実用的な差のしきい値は、０．４ラジアン＋０．００４ラジアン＝０．４００４ラジアン、またはより単純に０．４０ラジアンもしくは０．４１ラジアンとして計算することができる。実用的な差のしきい値を精確に計算する必要はない。これは、わずかに小さな値では通常、誤差の偽陽性判定が少し減少し、わずかに大きな値では通常、偽陽性判定が少し増すことがあるだけだからである。
【００３８】
一部のスキャナは、ベッド位置情報付きの画像を撮影する。これは、スキャン中にスキャナのベッドが移動するためである。スキャン前にオペレータが以下の操作を準備する場合には、可動部品上の基準マーカを１つだけ用いてこの実施形態を実施することができる。
【００３９】
第１に、ベッドに対する指定された位置に針挿入点を配置するのに適当なベッド上の位置に、患者を配置する。第２に、ベッドに沿って指示線１１を整列させるのに適当な患者の体表の位置に、針挿入誘導デバイス１を配置する。こうすると、スキャン画像中のＸ方向および針挿入誘導デバイス１の中心の位置は既知である。そのため、ガイダンスシステムコンピュータ２は、（図３Ｅの場合のように）基準マーカ２４（のところに位置する点Ｐ24）の位置だけから第２の角度情報を検出することができる。
【００４０】
少なくとも３つの点を通る平面および円はともに１つしかないため、代替実施形態として、この基準マーカの配置を変更することができることに留意されたい。４つ以上の基準マーカを含めること、および／または識別可能な基準マーカを含めることは、潜在的な不良位置合わせの冗長検出に対するさらなるサポートを提供する。識別可能な基準マーカは例えば、基準マーカの非対称配置を使用して、吸収性が互いに異なる基準マーカを使用して、形状または体積が互いに異なる基準マーカを使用して提供することができる。例えば、Ｘ線ＣＴスキャナ３からの患者の再構成された３次元画像では、基準マーカが、その基準マーカのそれぞれの３次元形状の断面形として現れる。球の断面形は円、立方体の断面形は多角形、円柱の断面形は、円柱の向きによって円、楕円、長方形または他の形状である。したがって、３次元形状がそれぞれ異なる基準マーカを使用すると、Ｘ線ＣＴスキャナ３からの患者の再構成された３次元画像中において、それらの基準マーカの断面がそれぞれ異なって見える。
【００４１】
別の代替実施形態として、エンコーダ３２を、絶対エンコーダの代わりにインクリメンタルエンコーダ（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ  ｅｎｃｏｄｅｒ）とすることができる。インクリメンタルエンコーダが使用されるときには、オペレータが回転可能部品２０を回転させて指示位置（ｉｎｄｅｘ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を検出する。
【００４２】
別の代替実施形態として、エンコーダセンサ１２の吸収性を、患者の体の典型的な吸収性とは異なる吸収性に設定することができる。したがって、Ｘ線ＣＴスキャナ３からのスキャン画像中でエンコーダセンサ１２は可視である。したがって、Ｘ線ＣＴスキャナ３からの患者の再構成された３次元画像中でエンコーダセンサ１２を可視化することができ、したがってエンコーダセンサ１２は基準マーカの役割を果たすことができる。例えば、エンコーダセンサ１２が固定部品１０上に配されているときに、エンコーダセンサ１２が上述のとおりにスキャン画像中で可視化される場合には、エンコーダセンサ１２は、基準マーカ１３の役割を果たすことができる。具体的には、スキャン画像中で可視であるエンコーダセンサ１２の所与の部分が基準マーカ１３として働くことができる。
【００４３】
別の代替実施形態として、エンコーダセンサ１２および複数の基準マーカ２３、２４および２５は回転可能部品２０の溝の中に配されており、エンコーダスケール２２および基準マーカ１３は固定部品１０の溝の中に配されている。さらに、この配置の変形実施形態として、エンコーダセンサ１２がスキャン画像中で可視であり、回転可能部品２０上に配置されている場合、エンコーダセンサ１２は、複数の基準マーカ２３、２４および２５のうちの１つまたは複数の基準マーカの役割を果たすことができ、したがって、基準マーカ２３、２４および２５なしで針挿入誘導デバイス１を実施することができる。
【００４４】
次に図３Ｅを参照すると、平均算出処理を使用してより正確な第２の角度情報を提供することができる、第１の例示的な実施形態の代替実施態様が示されている。上記の議論では第２の角度情報が角度∠（Ｑ，Ｏ，Ｐ24）として計算されるが、この代替実施態様の第２の角度情報は、３つの角度θ1＝∠（Ｑ，Ｏ，Ｐ23）、θ2＝∠（Ｑ，Ｏ，Ｐ24）およびθ3＝∠（Ｑ，Ｏ，Ｐ25）に基づいて平均値を計算することによって提供される。このような平均は、より正確な第２の角度情報を提供することができる。平均された第２の角度情報θは下式によって計算することができる。点Ｐ23、Ｐ24およびＰ25は異なる角度のところに配置されているため、これらの角度はそれぞれ、下式中で、それぞれのオフセット角量ｂiによって補償される。ここで、ｉは、平均の中で使用される角度の数の範囲内で変化する整数の添数である。したがって、この式は、それぞれの適切なオフセット角量が指定される限り、４つ以上の基準マーカが使用される場合でも有効である。
【数４】
2019093117.tif 000006
上記の平均算出処理では、第２の角度情報の計算においてオフセット角ｂiが使用され、この処理は、適切なオフセット角値が指定される限り、基準マーカ２３、２４および２５の代替配置でも有効である。別の代替形態として、基準マーカ２５が基準マーカ２４に先行するラジアンの大きさと基準マーカ２３が基準マーカ２４に遅れるラジアンの大きさが同じである実施態様では、平均された第２の角度情報θを、代替式θ＝１／３×（θ1＋θ2＋θ3）によって計算することができる。上記の遅れと先行のラジアンの大きさは等しく、したがって平均算出により本質的に互いに相殺されるため、オフセット値は使用されない。
【００４５】
針挿入誘導デバイス１を実施する別の手法は、円の当てはめによって中心位置を検出する手法である。これは、例えば、検出された中心位置と実際の中心位置との差が、計算値の中にある誤差を生じさせる可能性があるため、この手法は有益でありうる。円の当てはめを実施するために使用することができるアルゴリズムは数多くある。下記の参照文献［１］は、円の当てはめを実施するためのさまざまな代替法のガイダンスに役立つ可能性がある。［１］Ｉ．Ｄ．Ｃｏｏｐｅ、Ｃｉｒｃｌｅ  ｆｉｔｔｉｎｇ  ｂｙ  ｌｉｎｅａｒ  ａｎｄ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｌｅａｓｔ  ｓｑｕａｒｅｓ、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、１９９３年２月、７６巻、２号、３８１〜３８８ページ。
【００４６】
次に図１２を参照すると、例示的な実施形態に基づく針挿入誘導デバイス１の別の代替実施形態の断面図が示されている。この実施形態では、針挿入誘導デバイス１が、光学エンコーダの代わりに磁気エンコーダ（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｅｎｃｏｄｅｒ）４３２を含む。磁気エンコーダ４３２は、エンコーダセンサ４１２およびエンコーダスケール４２２を含む。この実施形態では、エンコーダセンサ４１２が固定部品１０の溝の中に配されており、エンコーダスケール４２２が回転可能部品２０の溝の中に配されている。このエンコーダスケールは、エンコーダスケール４２２の円形の経路に沿って磁気的にコード化された情報を有する。エンコーダセンサ４１２は、固定部品１０に対する回転可能部品２０の回転角に関する磁気情報を読む。磁気エンコーダの動作原理は光学エンコーダのそれとは異なるが、エンコーダ出力の観点から見れば、どちらのタイプ（光学または磁気）のエンコーダも使用することができる。光学エンコーダは通常、磁気エンコーダよりも精細な、角度の測度の分解能を提供し、磁気エンコーダは通常、光学エンコーダよりも信頼性が高い（例えば通常は平均故障寿命が長い）。
【００４７】
次に図６を参照すると、針挿入誘導デバイス１の例示的な別の代替実施形態の透視図が示されている。この例示的な実施形態では、針挿入誘導デバイス１が取っ手３０を含む。取っ手３０は弧の形に形成されており、弧の２つの端部は、回転可能部品２０の上面に貼付されているかまたは回転可能部品２０の上面に形成されており、回転可能部品２０の回転軸の互いに反対の側にあり、取っ手３０の弧の頂部は、回転可能部品２０の回転軸上に配されている。しかしながら、その代わりに、回転可能部品２０の回転軸から離れた位置に取っ手３０を配することもできる。あるいは、回転可能部品２０の回転軸に対して斜めに取っ手を配することもできる。この例示的な実施形態では、取っ手３０上に針ホルダ４０が取り付けられている。針ホルダを貫いて針を挿入することができるように、針ホルダ４０を貫通する穴が提供されている。取っ手４０の弧は、それに沿って針ホルダ４０が移動できるレールとして働く。したがって、針ホルダ４０は、取っ手３０の弧の頂部に沿って移動可能である。使用中に針ホルダ４０の穴の中の針が見えるように、少なくとも針ホルダ４０の前面は透明または半透明である。オペレータが適切な角度で適切な深さまで針を患者に挿入することを助けるため、針ホルダ４０は針を支持および誘導する。取っ手３０の表面は、針挿入角を示すためにそれぞれが異なる角度で配された多くの線を含み、オペレータを助けるため、それらの線に、挿入角を示す字句をつけることができる。針ホルダ４０を貫通する穴は、その穴に最も近い隣接する１本または２本の線と整列して（例えば概ね平行に）延びている。針が針ホルダ４０に挿入されているとき、オペレータは、針ホルダ４０を通して、取っ手３０の表面の線と針の両方を見ることができる。このことは、針の挿入角をオペレータが読むことを容易にする。
【００４８】
針挿入誘導デバイス１を医療用プローブとともに使用するために、この穴の直径を、プローブの直径を収容するのに十分な大きさの直径とすることができる。さらに、このようなケースでは、より小径のプローブまたは針とともに使用するために、透明または半透明の追加のスリーブを穴に挿入することができる。針挿入誘導デバイス１をメスとともに使用するため、メスの柄をこの穴に、例えば穴の下部から挿入することができるように、メスの柄は、細い円柱の形に形成される。あるいは、メスの円柱形の柄を穴の上部から針ホルダ４０に挿入し、その後に、メスの柄にメスの刃を装着することもできる。
【００４９】
この例示的な実施形態では、追加のエンコーダスケール２２２および追加のエンコーダセンサ２２１を備える追加のエンコーダ２３２が含まれる。具体的には、取っ手３０の中に、エンコーダスケール２２２および２つの基準マーカ２２３および２２４が配されている。針ホルダ４０の後面に、エンコーダセンサ２２１および基準マーカ２１３が貼付されている。次に図７も参照すると、取っ手３０の断面図が示されている。エンコーダスケール２２２は、取っ手３０と同じ弧の形状または取っ手３０と概ね同じ弧の形状を有する。エンコーダスケール２２２とエンコーダセンサ２２１は互いに向かい合わせに配されており、そのため、エンコーダセンサ２２１はエンコーダスケール２２２と対向し、エンコーダスケール２２２を読むことができる。例えば適切な挿入角のところに針を置くために取っ手３０の弧の頂部に沿って針ホルダ４０を移動させると、エンコーダセンサ２２１はエンコーダスケール２２２に沿って移動し、エンコーダスケール２２２を読んで、針ホルダ４０の使用によってその時点において提供されている挿入角を決定することができる。この例示的な実施形態では、エンコーダスケール２２２が取っ手３０にしっかりと固定されており、一方、エンコーダセンサ２２１は針ホルダ４０にしっかりと固定されており、したがって、エンコーダセンサ２２１は、エンコーダスケール２２２および取っ手３０の弧に沿って移動可能である。エンコーダセンサ２２１は針ホルダ４０とともに移動するため、エンコーダ２３２は、その時点において針ホルダ４０が位置する角度を示す。第１の角度情報は、エンコーダが出力として提供する角度である。説明を容易にするため、この例示的な実施形態のエンコーダ２３２は絶対エンコーダであると仮定する。絶対エンコーダの代わりに相対エンコーダを使用することもできる。エンコーダ２３２は、追加の第１の角度情報を出力するように位置合わせされている。エンコーダ２３２によって出力されるこの第１の角度情報は、取っ手３０の弧に沿った針挿入角の測度である。基準マーカ２２３と２２４は、取っ手３０の互いに反対側の端部に対称に配されている。針挿入誘導デバイス１が使用されているとき、基準マーカ２２３と２２４の間の中心位置は、患者の皮膚のすぐ上にあることになる。したがって、Ｘ線ＣＴスキャナ３の出力を解析して、取っ手３０の弧上の針挿入角を決定または指定する目的上、針挿入点ならびに３つの基準マーカ２１３、２２３および２２４は、同じ平面上、具体的には針挿入点において患者の皮膚に接する平面上にあるように見える。ガイダンスシステムコンピュータ２は、再構成された３次元画像から、テンプレートマッチングアルゴリズム、ならびに取っ手３０の弧の互いに反対側の端部にある基準マーカ２２３および２２４の互いに対する配置が固定されていることを使用して、基準マーカ２１３、２２３および２２４の位置を検出する。あるいは、このような自動位置合わせを使用する代わりに、オペレータが、基準マーカ２２３および２２４の位置を指定してもよい。次いで、ガイダンスシステムコンピュータ２が、これらの３つの基準マーカ２１３、２２３および２２４の検出された位置を使用して、追加の第２の角度情報を計算する。
【００５０】
この第２の角度情報は、以下の例示的なプロセスによって計算することができる。このプロセスは、説明が比較的に簡単な手法で座標を変換する。この手法は計算処理を減らす。基準マーカ２２３と２２４の間の距離をｌで表す。針挿入点と基準マーカ２２３または２２４との間の高さをｋで表す。基準マーカ２２３と２２４から等距離にある針挿入点と基準マーカ２２３及び２２４とを含む平面を、座標（Ｘ，Ｙ）を有する第２のデカルト座標系のＸ−Ｙ平面で表す。この第２のデカルト座標系は、上で論じたデカルト座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の最初の２つの座標とは異なるデカルト座標系（Ｘ，Ｙ）であることに留意されたい。針挿入点を、第２のデカルト座標系（Ｘ，Ｙ）の原点Ｏ2＝（０，０）の位置で表す。基準マーカ２１３の位置をＰ213（ｘ213，ｙ213）で表す。基準マーカ２２３の位置をＰ223（ｌ／２，ｋ）で表す。基準マーカ２２４の位置をＰ224（−ｌ／２，ｋ）で表す。Ｘ−Ｙ平面にあって、点Ｐ224からＰ223までの射線に対して平行な射線を、第２のデカルト座標系のＸ方向で表す。Ｘ−Ｙ平面にあって、Ｘ方向に対して直角な射線を、Ｘ−Ｙ平面のＹ方向で表す。Ｘ−Ｙ平面の座標（ｌ／２，０）にある点をＲで表す。ガイダンスシステムコンピュータ２は、この追加の第２の角度情報φを、図８に示されているように、角度∠（Ｒ，Ｏ2，Ｐ213）として計算する。この例示的な実施形態では、この追加の第２の角度情報φが、下に示された式を使用することによって計算され、ｘ213およびｙ213は、Ｘ線ＣＴスキャナ３によって出力された多数の２次元スキャン画像から再構成された３次元画像の解析によって決定される。
φ＝ａｔａｎ２（ｘ213，ｙ213）      （４）
【００５１】
図６に示された例示的な実施形態に基づく針挿入誘導デバイス１は２つのエンコーダ３２および２３２を含む。あるいは、エンコーダ２３２を持たない取っ手３０、または３つの基準マーカ２１３、２２３および２２４を持たない取っ手３０、またはエンコーダ２３２と３つの基準マーカ２１３、２２３および２２４の両方を持たない取っ手３０を含めることもできる。これらの取っ手は、オペレータにより少ないガイダンスを提供することがあるが、より安価に生産することができ、医療用途によっては十分であることがある。別の代替実施形態として、エンコーダ２３２および／または３つの基準マーカ２１３、２２３および２２４は持つが、エンコーダ３２および／または基準マーカ１３、２３、２４および２５は持たない取っ手３０を含めることもできる。この取っ手も、より安価に生産することができ、医療用途によっては十分であることがある。
【００５２】
次に図９を参照すると、エンコーダセンサ３２１と直線エンコーダスケール３２２とを有する直線エンコーダ３３２をさらに含む針挿入誘導デバイス１の別の例示的な実施形態の透視図が示されている。この例示的な実施形態では、回転可能部品２０の回転軸の位置を、患者の皮膚（例えば患者の皮膚の接線）に沿って調整することができるように、Ｘ線ＣＴスキャナ３のベッドの上方に直線ガイド５０が配置されている。針挿入誘導デバイス１は直線ガイド５０に取り付けられており、直線ガイド５０に沿って移動可能である。針挿入誘導デバイス１の線１１は、移動可能な方向に対して直角方向外側を向いている。Ｘ線ＣＴスキャナ３のベッドも移動可能だが、針挿入誘導デバイス１とベッドは独立して移動する。さらに、針挿入誘導デバイス１はスキャン中に移動する必要があり、一方、Ｘ線ＣＴスキャナ３のベッドは、スキャン操作をサポートするためスキャン中に移動してもよい。次に図１０も参照すると、図９に示された例示的な実施形態に基づく針挿入誘導デバイス１の直線ガイド５０の上面図が示されている。直線ガイド５０は、２つの基準マーカ３２３および３２４ならびに直線エンコーダスケール３２２を含む。２つの基準マーカ３２３と３２４は、直線ガイド５０の互いに反対側の端部に配置されている。基準マーカ３２３と３２４の間の距離をｗで表すことにする。エンコーダセンサ３２１は、針挿入誘導デバイス１に埋め込まれており、針挿入誘導デバイス１と直線ガイド５０の間の相対位置情報を検出する。第１の位置情報はエンコーダによって読まれる。第２の位置情報は、１回または数回のＸ線ＣＴスキャンにおける基準マーカ３２３および３２４の位置によって計算される。説明を容易にするため、この例示的な実施形態のエンコーダは絶対エンコーダだが、絶対エンコーダの代わりに相対エンコーダを使用することもできる。エンコーダは、直線ガイド５０上における針挿入誘導デバイス１の相対位置の測度である第１の位置情報を出力するように位置合わせされている。
【００５３】
図９および図１０の例示的な実施形態では、第２の位置情報が以下のプロセスによって計算される。この例示的な実施形態も、多数の２次元画像から再構成された３次元画像を使用して計算する。このプロセスは、説明が比較的に簡単な手法で座標を変換する。この手法は計算処理を減らす。基準マーカ１３、３２３および３２４を含む平面を、座標（Ｘ，Ｙ）を有する第３のデカルト座標系のＸ−Ｙ平面で表す。この第３のデカルト座標系は、上で論じた第２の座標系（Ｘ，Ｙ）とは異なるデカルト座標系（Ｘ，Ｙ）系であることに留意されたい。基準マーカ３２３の位置を、第３のデカルト座標系（Ｘ，Ｙ）の原点Ｏ3＝（０，０）の位置で表す。基準マーカ３２４の位置をＰ324（ｘ324，０）で表す。基準マーカ１３の位置をＰ13（ｘ13，ｙ13）で表す。Ｏ3からＰ324までの線に対してＰ13を垂直に投影した点をＳ（ｘ13，０）で表す。点Ｏ3から点Ｓまでの射線をＸ方向で表す。Ｘ方向に対して直角なＸ−Ｙ平面内の射線をＹ方向で表す。
【００５４】
次に図１１も参照すると、図９および図１０の例示的な実施形態に基づくデバイス構成要素のＸ−Ｙ平面上での相対的な位置取りが示されている。点Ｏ3と点Ｐ324の間の距離はｗで表されるため、第２の位置情報ｄは下式によって計算することができる。
【数５】
2019093117.tif 000007
【００５５】
針挿入誘導デバイスのための画像処理／ガイダンスシステムなどの本発明のさまざまな実施形態は、記憶媒体（これは、より完全に「非一時的コンピュータ可読記憶媒体」と呼ばれることもある）上に記録されたコンピュータ実行可能命令（例えば１つもしくは複数のプログラム）を読み出し、実行して、上述の実施形態のうちの１つもしくは複数の実施形態の機能を実行し、かつ／または上述の実施形態のうちの１つもしくは複数の実施形態の機能を実行する１つもしくは複数の回路（例えば特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ））を含むシステムまたは装置のコンピュータによって実現することもでき、また、例えばコンピュータ実行可能命令を記憶媒体から読み出し、実行して、上述の実施形態のうちの１つもしくは複数の実施形態の機能を実行し、かつ／または上述の実施形態のうちの１つもしくは複数の実施形態の機能を実行するように１つもしくは複数の回路を制御することにより、システムまたは装置のコンピュータによって実行される方法によって実現することもできる。コンピュータ実行可能命令を読み出し、実行するために、このコンピュータは、１つまたは複数のプロセッサ（例えば中央処理ユニット（ＣＰＵ）、マイクロプロセッシングユニット（ＭＰＵ））を備えていてもよく、別個のコンピュータまたは別個のプロセッサのネットワークを含んでいてもよい。このコンピュータ実行可能命令は、例えばネットワークまたは記憶媒体からコンピュータに提供されてもよい。この記憶媒体は例えばハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、分散型計算システムの記憶装置、光ディスク（例えばコンパクトディスク（ＣＤ）、ディジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）またはＢｌｕ−ｒａｙディスク（ＢＤ）（商標））、フラッシュメモリデバイス、メモリカードなどのうちの１つまたは複数の媒体を含んでもよい。
【００５６】
例示的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は開示された例示的な実施形態だけに限定されないことを理解すべきである。このような全ての変更ならびに等価の構造および機能を包含するように、以下の特許請求の範囲には最も幅広い解釈が与えられる。
【図１】
2019093117.tif 000008
【図２】
2019093117.tif 000009
【図３Ａ】
2019093117.tif 000010
【図３Ｂ】
2019093117.tif 000011
【図３Ｃ】
2019093117.tif 000012
【図３Ｄ】
2019093117.tif 000013
【図３Ｅ】
2019093117.tif 000014
【図４】
2019093117.tif 000015
【図５】
2019093117.tif 000016
【図６】
2019093117.tif 000017
【図７】
2019093117.tif 000018
【図８】
2019093117.tif 000019
【図９】
2019093117.tif 000020
【図１０】
2019093117.tif 000021
【図１１】
2019093117.tif 000022
【図１２】
2019093117.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成31年2月26日(2019.2.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主に電磁放射線の少なくとも１つの帯域を透過させる材料からなるベース部分であって、電磁放射線の前記少なくとも１つの帯域を吸収する材料からなる第１の構成要素を有し、第１の装着面を有するベース部分と、
主に電磁放射線の前記少なくとも１つの帯域を透過させる材料からなる可動部分であって、電磁放射線の前記少なくとも１つの帯域を吸収する材料からなる第２の構成要素を有し、前記ベース部分に装着されるように構成されており、前記ベース部分に装着されているときに前記ベース部分に対して可動であり、前記第１の装着面と対向する第２の装着面を有する可動部分と、
エンコーダセンサおよびエンコーダスケールを有するエンコーダであって、前記エンコーダセンサおよび前記エンコーダスケールのうちの一方が前記第１の装着面に装着されており、前記エンコーダセンサおよび前記エンコーダスケールのうちの他方が前記第２の装着面に装着されており、前記可動部分が前記ベース部分に装着されているときに前記エンコーダセンサが前記エンコーダスケールと対向するエンコーダと
を備える医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項２】
前記第１の構成要素および前記第２の構成要素のうちの少なくとも一方は、少なくとも１つの基準マーカを含む、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項３】
前記エンコーダセンサは、電磁放射線の前記少なくとも１つの帯域を吸収し、前記第１の構成要素および前記第２の構成要素のうちの一方の構成要素の少なくとも一部分として働く、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項４】
前記エンコーダスケールは、電磁放射線の前記少なくとも１つの帯域を吸収し、前記第１の構成要素および前記第２の構成要素のうちの一方の構成要素の少なくとも一部分として働く、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項５】
前記可動部分は、前記ベース部分に回転可能に装着されている、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項６】
前記可動部分は、回転可能マウンティングによって前記ベース部分に回転可能に装着されており、前記第１の装着面および前記第２の装着面のうちの少なくとも一方は、少なくとも１つの弧形部分を含み、前記弧形部分の回転中心は、前記回転可能マウンティングの回転軸上にある、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項７】
前記第１の装着面は、前記ベース部分の溝の中に配置されており、前記エンコーダセンサおよび前記エンコーダスケールのうちの一方は、前記溝の内側に装着されており、前記溝によって環境条件から保護されており、前記環境条件は、周囲放射線および医学的デブリのうちの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項８】
前記第２の装着面は、前記可動部分の溝の中に配置されており、前記エンコーダセンサおよび前記エンコーダスケールのうちの一方は、前記溝の内側に装着されており、前記溝によって環境条件から保護されており、前記環境条件は、周囲放射線および医学的デブリのうちの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項９】
前記エンコーダは、光学エンコーダ、磁気エンコーダ、絶対エンコーダまたは相対エンコーダである、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１０】
ベース部分は、患者に貼付されるように構成された第１の部分と、前記第１の部分に装着された第２の部分とを含み、前記第２の部分は、前記第１の部分に装着されているときに、前記第１の部分の表面に沿って直線方向に移動可能である、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１１】
前記可動部分は、前記ベース部分に回転可能に装着されており、直線ガイド部分をさらに備え、
患者に貼付されるように前記直線ガイド部分が構成されており、前記ベース部分が前記直線ガイド部分に装着されているときに前記直線ガイド部分の表面に沿って前記ベース部分が直線方向に移動することができるように前記直線ガイド部分に装着されるよう、前記ベース部分が構成されている、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１２】
前記エンコーダセンサは、前記ベース部分に対する前記回転可能部分の回転角の第１の測度を提供するように構成された、請求項５に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１３】
電磁スキャンデバイスによって提供された前記医療用ツール挿入誘導デバイスおよび患者のスキャン情報を処理することにより、前記ベース部分に対する前記回転可能部分の前記回転角の第２の測度を提供するようにプログラムされたプログラム可能な少なくとも１つのマイクロプロセッサをさらに備え、前記プログラム可能な少なくとも１つのマイクロプロセッサは、さらに、前記第１の測度を前記第２の測度と比較して前記第１の測度と前記第２の測度との差を求め、前記差がしきい値よりも大きい場合にオペレータに警告するようにプログラムされた、請求項１２に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１４】
プログラム可能な少なくとも１つのマイクロプロセッサおよびディスプレイユニットをさらに備え、前記プログラム可能な少なくとも１つのマイクロプロセッサは、電磁スキャンデバイスによって提供された前記医療用ツール挿入誘導デバイスおよび患者のスキャン情報を処理することにより、前記ベース部分に対する前記回転可能部分の前記回転角の第２の測度を提供するようにプログラムされており、前記プログラム可能な少なくとも１つのマイクロプロセッサは、さらに、前記第１の測度と前記第２の測度とのどちらがより正確な測度であるのかを判定し、前記第１の測度と前記第２の測度とのどちらがより正確な測度であるのかを示す指示物を前記ディスプレイユニット上に表示するようにプログラムされた、請求項１２に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１５】
前記可動部分は、工具を使用せずに、前記医療用ツール挿入誘導デバイスのオペレータにより、前記ベース部分から取外し可能であり、かつ前記ベース部分に装着可能である、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１６】
前記可動部分は、前記第２の装着面から離れた位置に配置された突出部分を含み、前記可動部分が前記ベース部分に装着されているときに前記突出部分にアクセスできる、請求項１に記載の医療用ツール挿入誘導デバイス。
【請求項１７】
電磁放射線スキャン装置による医療用ツール挿入誘導デバイスの少なくとも１回のスキャンを使用して前記医療用ツール挿入誘導デバイスのための制御ガイダンスを提供する方法であって、前記医療用ツール挿入誘導デバイスが、前記医療用ツール挿入誘導デバイスによって医療用ツールに提供された位置合わせの第１の測度を提供するエンコーダを有し、前記医療用ツール挿入誘導デバイスが少なくとも１つの基準マーカを有し、前記少なくとも１つの基準マーカから、前記医療用ツール挿入誘導デバイスによって前記医療用ツールに提供された前記位置合わせの第２の測度が、前記医療用ツールの前記少なくとも１回のスキャンのコンピュータ処理によって提供され、前記方法は、
前記第１の測度の値と前記第２の測度の値との差を求めることによって前記第１の測度を前記第２の測度と比較すること、および
前記第１の測度の値と前記第２の測度の値との前記差が所定のしきい値よりも大きいかどうかを判定すること、および
前記第１の測度の値と前記第２の測度の値との前記差が前記所定のしきい値よりも大きいことに応答して、前記医療用ツール挿入誘導デバイスのオペレータに、第１の測度が不正確である可能性があると警告すること
を含む方法。
【請求項１８】
前記エンコーダの位置誤差と前記医療用ツール挿入誘導デバイスの部分間のあそびの量とのうちの少なくとも一方に基づいて、前記第１の測度における第１の誤差の大きさの推定値を計算すること、
電磁放射線スキャン装置による前記医療用ツール挿入誘導デバイスの前記少なくとも１回のスキャンの分解能誤差の量子化誤差成分に少なくとも基づいて、前記第２の測度における第２の誤差の大きさの推定値を計算すること、
前記第１の誤差の大きさを前記第２の誤差の大きさと比較すること、および
前記比較の結果に基づいて、前記第１の測度と前記第２の測度のどちらがより正確なのかに関して前記オペレータに助言すること
をさらに含む、医療用ツール挿入誘導デバイスのための制御ガイダンスを提供する請求項１７に記載の方法。
【外国語明細書】
2019093117000001.pdf