(57)【要約】      （修正有）【課題】三次元操作空間において、対象物もしくはその対象物の一部（対象物と称する）と、対象物表示姿勢すなわち操作空間上での位置および方向に対して、その対象物の空間表示（対象物表示と称する）との間の重畳度Ｍを決定する方法、並びに装置を提供する。【解決手段】ａ） 対象物のそれぞれの第一画像姿勢において得られる第一画像データと、その第一画像データに対応し、それぞれの第二画像姿勢においてその対象物表示姿勢における対象物表示からデジタル再構成された第二画像との間の類似度Ｓを得ること、ｂ） 操作空間において、対象物の表面における少なくとも一点を位置付けすること、ｃ） 操作空間における少なくとも一点と、対象物表示姿勢における対象物表示の表面との間の距離尺度Ｄを得ること、を含み、さらに該方法は、類似度Ｓと距離尺度Ｄとの組み合わせによる重畳度Ｍの取得を含むことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元操作空間において、対象物又はその一部（対象物と称する）と、対象物表示姿勢すなわち操作空間における位置及び方向データからなる姿勢での対象物の空間表示（対象物表示と称する）との間の重畳度Ｍを決定する方法であって、該方法は、
ａ） 対象物のそれぞれの第一画像姿勢において得られる第一画像データと、その第一画像データに対応し、それぞれの第二画像姿勢においてその対象物表示姿勢における対象物表示からデジタル再構成された第二画像との間の類似度Ｓを得ること、
ｂ） 操作空間において、対象物の表面における少なくとも一点を位置付けすること、
ｃ） 操作空間における少なくとも一点と、対象物表示姿勢における対象物表示の表面との間の距離尺度Ｄを得ること、
を含み、さらに、類似度Ｓと距離尺度Ｄとの組み合わせによって重畳度Ｍを取得することを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
三次元操作空間において、対象物またはその対象物の一部（対象物と称する）と、対象物表示姿勢すなわち操作空間における位置データや方向データからなる姿勢における対象物の空間表示（対象物表示と称する）とを位置合わせする方法であって、該方法は、
ａ） それぞれの第一画像姿勢において、その対象物のそれぞれの第一画像データを取得すること、
ｂ） 上記第一画像データに対応し、それぞれの第二画像姿勢においてその対象物表示姿勢における対象物表示からデジタル再構成された第二画像データを取得すること、
ｃ） 第一画像データと第二画像データの間の類似度Ｓを取得すること、
ｄ） 操作空間において、その対象物の表面上の少なくとも一点の位置を特定すること、
ｅ） 前記の少なくとも一点と、その対象物表示姿勢における対象物表示の表面との間の距離尺度Ｄを得ること
ｆ） 類似度Ｓおよび、少なくとも類似度Ｓに関してスケール不変な距離尺度Ｄとの組み合わせにより、重畳度Ｍを得ること、
ｇ） ステップｈ）を、ステップｂ）、ｃ）、ｅ）およびｆ）を既定の回数、もしくはステップｆ）で得られ、連続した２つの異なる姿勢の重畳度Ｍが互いに既定の閾値範囲内、または所定の収束基準が満たされるまで繰り返すことを組み合わせて実施すること、
ｈ） それぞれの第二表示画像姿勢に対し、対象物表示姿勢を変化させること、
を含む方法。
【請求項３】
第一画像データが術中に得られる、および／または第二画像データが術前に得られた対象物表示から再構成される、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
類似度Ｓおよび距離尺度Ｄの組み合わせが、少なくとも類似度Ｓに関してスケール不変である、請求項１から請求項３の何れかに記載の方法。
【請求項５】
類似度Ｓおよび 距離尺度Ｄから、重畳度Ｍを以下の式に従って合成できる、上記請求項１から請求項４の何れかに記載の方法。
Ｍ＝Ｓ／（ａ＋Ｄ）
ここで、ａは既定の定数である。
【請求項６】
少なくとも類似度Ｓに関してのスケール不変性は、少なくとも類似度Ｓに関する重畳度Ｍ間の関係のオーダリングにおけるスケール不変性を含む、上記請求項１から請求項５の何れかに記載の方法。
【請求項７】
対象物の相対変位を得ること、それに従い対象物表示姿勢を適用化することをさらに含む、上記請求項１から請求項６の何れかに記載の方法。
【請求項８】
対象物の相対変位が、位置検出システムやナビゲーションシステムによって、対象物に装着したマーカー１５３を通して取得される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
対象物が患者の体である請求項１〜８の何れかに記載の方法。
【請求項１０】
対象物の空間表示は、決定規則、および行列からなるスライス片を積み重ねた複数の体積要素（ボクセルと称する）を含み、ボクセルは少なくとも１つの値を持ち、決定規則によりボクセルの少なくとも１つの値に従って対象物に属するボクセルの構成メンバーを決定する請求項１〜９に記載の方法。
【請求項１１】
コンピュータ断層法（ＣＴ）、磁気共鳴（ＭＲ）、単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）、又はポジトロン放出断層撮影法（ＰＥＴ）を用いて対象物を画像化することにより、ボクセルが取得される請求項１〜１０の何れかに記載の方法。
【請求項１２】
第一画像は、超音波画像や蛍光透視放射線画像を含み、第二放射線画像はデジタル再構成画像やデジタル再構成放射線画像（ＤＲＰｓ）を含む、および／または、第一画像姿勢は第二画像姿勢と互いに実質上同じ位置及び方向をとると想定している請求項１〜１１の何れかに記載の方法。
【請求項１３】
第一画像データと第二画像データの間の類似度Ｓを、第一画像と第二画像の対応するペアを関連付けることによって得る、および／または、単一点の場合はその点と対象物表示の表面との間のユークリッド距離から、またそうでない場合は複数の点と対象物表示の表面とのユークリッド距離の平均値から、少なくとも１点とその対象姿勢での対象物表示の表面との間の距離尺度Ｄを得る、請求項１〜１３の何れかに記載の方法。
【請求項１４】
位置検出システムもしくはナビゲーションシステムを用いて、対象物の表面の一点もしくは複数点の位置が特定される上記の何れかの請求項における方法。
【請求項１５】
三次元の操作空間において、対象物の姿勢表示、すなわち操作空間において位置および方向をからなる姿勢データに対して、対象物またはその対象物の一部（以下対象物と称する）とその対象物の空間表示（以下対象物表示と称する）の位置合わせのための装置であって、該装置は、
対象物のそれぞれの第一画像姿勢において、その第一画像データを取得するための第１装置と、
上記第一画像データに対応し、それぞれの第二画像姿勢においてその対象物表示姿勢における対象物表示からデジタル再構成可能な第二画像データを取得するための第２装置と、
第一および第二画像データの間の類似度Ｓを取得するための第３装置と、
操作空間で、対象物の表面における少なくとも一点を位置付けするための第４装置と、
少なくとも一点とその対象物表示姿勢における対象物表示の表面との間の距離尺度Ｄを取得するための第５装置と、
類似度Ｓおよび距離尺度Ｄとの合成であり、少なくとも類似度Ｓに関してスケール不変である重畳度Ｍを取得するための第６装置と、
対象物表示姿勢を、それぞれの第二画像姿勢に対して異なる姿勢へ変化させる第７装置と、
第６装置から取得可能な対象物表示の異なる姿勢に対する二つの連続する重畳度Ｍが既定の閾値に達したかどうか、あるいは所定の収束基準を満たすかどうかを判定する第８装置と、
を含む装置。
【請求項１６】
第一画像データが術中に取得可能である、および／または、第二画像データが術前に取得した対象物表示から再構成可能な請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
類似度Ｓおよび距離尺度Ｄが、少なくとも類似度Ｓに関してスクール不変である請求項１５または１６に記載の装置。
【請求項１８】
類似度Ｓおよび距離尺度Ｄが合成されて重畳度Ｍを以下の式を用いて得られる請求項１６〜１７の何れかに記載の装置。
Ｍ＝Ｓ／（ａ＋Ｄ）
（ここで、ａ は既定の定数である。）
【請求項１９】
少なくとも類似度Ｓに関してのスケール不変性が、少なくとも類似度Ｓに関して重畳度Ｍのオーダリングにおけるスケール不変性を含む請求項１７または１８に記載の装置。
【請求項２０】
さらに、対象物の相対変位を得るための第９装置と、それに従い対象物表示姿勢を適合化させる第１０装置とを含む請求項１５〜１９のうちいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
対象物の相対変位が、位置検出システムやナビゲーションシステムによって、対象物に装着したマーカー１５３を通して取得される請求項１５〜２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２２】
対象物が患者の体である請求項１５〜２１のいずれかに記載の装置。
【請求項２３】
対象物の空間表示が決定規則と、行列からなるスライス片を積み重ねた複数の体積要素（ボクセルと称する）を含み、ボクセルは少なくとも１つの値を持ち、決定規則により、ボクセルの少なくとも１つの値に従って対象物に属するボクセルの構成メンバーを決定する請求項１５〜２２のいずれかに記載の装置。
【請求項２４】
コンピュータ断層法（ＣＴ）、磁気共鳴（ＭＲ）、単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）、又はポジトロン放出断層撮影法（ＰＥＴ）を用いた撮像装置により、ボクセルが取得される請求項１５〜２３に記載の装置。
【請求項２５】
第一画像データは超音波画像や蛍光透視放射線画像を含み、第二放射線画像はデジタル再構成画像やデジタル再構成放射線画像（ＤＲＰｓ）からなる、および／または、それぞれの第一画像姿勢はそれぞれの第二画像姿勢に互いに実質上同じ位置及び方向であると想定している請求項１５〜２４のいずれかに記載の装置。
【請求項２６】
第一画像データと第二画像データの間の類似度Ｓを、第一画像と第二画像の対応するペアを関連付けることによって得る、および／または、単一点の場合はその点と対象物表示の表面との間のユークリッド距離から、またそうでない場合は複数の点と対象物表示の表面とのユークリッド距離の平均値から、少なくとも１点とその対象姿勢での対象物表示の表面との間の距離尺度Ｄを得る、請求項１５〜２５の何れかに記載の装置。
【請求項２７】
位置検出システムもしくはナビゲーションシステムを用いて、対象物の表面の一点もしくは複数点の位置付けをする請求項１５〜２６のいずれかに記載の装置。
【請求項２８】
そのプログラムのコンピュータ上での実行時に、請求項１〜１４の何れかに記載のステップを実施するためのプログラムコード、あるいはコンピュータを請求項１５〜２７の何れかに記載の装置として機能させるためのプログラムコードを含むコンピュータプログラム製品。
【請求項２９】
コンピュータにより読み込み可能なデータ記録媒体に記録された、請求項２８に記載のプログラムコードを含むコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は位置合わせシステムに関するものでり、特には、三次元空間で外科手術対象の対象物と空間表示を位置合わせする方法および装置である。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ断層法（ＣＴ）や磁気共鳴影像法（ＭＲＩ）などの、今日利用可能な画像処理技術は、外科手術の術中に行われる手法としては適していない。しかし、患者の体もしくは体の部分の空間表示は、例えばコンピュータ支援外科手術（ＣＡＳ）には不可欠のものである。
【０００３】
そのため、通常は手術介入を行う前にＣＴやＭＲＩによって得られた連続断層画像からなる空間表示を得ることになる。
【０００４】
患者の体もしくは対象となる部位は、術前に得たそれらの空間表示に対し、術中に位置合わせが行われる必要がある。
【０００５】
とりわけ、対象物、即ち患者の体および患者の体の部位をマッチングさせたり位置合わせを行うために、術前に取得した対象物の空間表示に対して二次元の画像処理技術が適用される。
【０００６】
特許文献１では、実際の患者の位置と患者の体の部位の空間表示からなる診断データは、放射線画像装置の特定の空間位置や方向角度から必要な体の部位の放射線による二次元参照画像を取得することによって、位置合わせされる。その後、陰影グラフィック画像合成を用いて、対象とする体の部位の空間表示からなる診察データを基に、合成類似陰影グラフィック画像を合成する。合成画像は参照画像と同じ空間位置や方向角度で取得される。合成カメラの空間位置や方向角度を調節することによって、重ね合わせされた参照画像と合成画像の最適マッチングが実現される。合成カメラの空間位置や方向角度が調節され、それに従い対象とする体の部位の空間表示での姿勢が調節され、これにより患者の実際の位置にあわせられる。
【０００７】
非特許文献１において、Ｐｅｎｎｙらは、術前に得られた対象物の空間表示を形成する三次元ＣＴスキャンデータを、術中に得られた二次元Ｘ線透視画像に対して位置合わせを行う方法について述べている。ＣＴの体積に光線を照射し、光線方向に沿ったＣＴスキャンの体積要素（ボクセル）から得られた値を積分し、それらを画像面に投影することによりデジタル再構成放射線画像（ＤＲＰｓ）が得られる。これは放射線写真に類似したものとなる。Ｐｅｎｎｙ らはさらに、例として、画像ペアの正規化された相互相関、勾配フィルター画像ペアの正規化相互相関、さらに画像ペア間の差分画像のエントロピー評価になどに基づいた、対象物の参照透視画像と対象物の空間表示のデジタル再構成放射線画像（ＤＲＰｓ）との間の様々な種類の類似度について述べている。
【０００８】
特許文献２では、デジタル再構成放射線画像を用いずに、二次元透視画像で検出される輪郭線を用いたバンドル調整方法を用いて、手術対象組織に対しその二次元蛍光透視像と三次元モデルとを位置合わせするシステムについて言及している。
【０００９】
非特許文献２において、Ｒｕｓｓａｋｏｆｆ らは、三次元コンピュータ断層（ＣＴ）を１つないし複数の二次元Ｘ線投影画像に対して位置合わせするために、付加的に基準マーカーを使用することを提案している。この方法ではマーカーを患者の体内に埋め込む必要がある。埋め込まれた基準マーカーは、位置合わせのために、追加的なペア点、すなわち対応点として用いられる。位置合わせのための最適化尺度として、画像類似度や点距離尺度が加法的に組み合わせられる。しかしながら、最適化の尺度としての画像類似度および距離値の加法的組み合わせは、Ｘ線投影画像における諧調レベルのスケーリングに対して独立ではない。このように、Ｒｕｓｓａｋａｏｆｆらによる位置合わせ手法は画質に依存する。
【００１０】
例えば骨盤に対し通常の二次元／三次元位置合わせを行う場合、多くの場合２つの蛍光透視画像が得られる。既存の技術では、恥骨の位置合わせにおける小さな方向の誤差が、臼蓋窩や二分脊椎の領域での重大な誤差に繋がる可能性がある。例えば、腰部の手術に対し適したものとするためには、特にこうした領域での正確な位置合わせが必要となる。
【特許文献１】米国特許第４７９１９３４号特許公報（Ｂｒｕｎｎｅｔｔ）
【特許文献２】米国特許第５９５１４７５（Ｇｕｅｚｉｅｃ ｅｔ． ａｌ）
【非特許文献１】”Ａ  Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ  Ｍｅａｓｕｒｅｓ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ｉｎ  ２−Ｄ−３−Ｄ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｉｍａｇｅ  Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ， Ｖｏｌ． １７， Ｎｏ． ４，Ａｕｇｕｓｔ  １９９８
【非特許文献２】”Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ−Ｂａｓｅｄ  ２Ｄ−３Ｄ  Ｓｐｉｎｅ  Ｉｍａｇｅ  Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ  ｏｎｅ  Ｆｉｄｕｃｉａｌ  Ｍａｒｋｅｒ”，ＭＩＣＣＡＩ  ２００３，ｐｐ  ２８７−２９４，２００３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、手術間の位置合わせ手法や、対象物や対象物の一部をそれらの空間表示に対し位置合わせするシステムの精度の向上である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的は独立請求項に記載の特徴要件を包含する方法および装置により実現することが可能である。好ましい態様は従属請求項に記載されている。
【００１３】
手術室における患者の実際の位置データを術前に得られた三次元の患者データに対し位置合わせする、本発明の方法およびシステムは、位置合わせの精度向上をはかるためにこれまで用いられてきた基準点マーカを全く不要とする。基準点マーカーは、患者の骨部分に埋め込まれる金属エレメントであり、外科的な埋め込みが必要となる。
【００１４】
従来の方法とは対照的に、本発明ではこうしたマーカーの埋め込みを必要としない。
【００１５】
本発明の方法では、付加的な制約を使用し、手術室における対象物をその対象物の空間表示データへ位置合わせする際の精度やロバスト性を大幅に向上することが可能である。
【００１６】
本発明に関わる位置合わせに対する付加的制約は、操作環境に関して三次元座標系、好ましくはカーテシアン座標系、において骨領域の表面における少なくとも１点の位置を取得することによって得られる。骨領域は、例えば、二分脊椎や臼蓋窩であってもよい。このような領域は比較的大きな範囲におよぶため、回転誤差が大幅に減少する。
【００１７】
本発明方法では、特にＣＴ−蛍光透視画像において、表面の情報を二次元−三次元の位置合わせ法に統合する。対象物は得られた二次元画像データおよび三次元画像データ（例えば蛍光透視画像や三次元ＣＴスキャン）および表面上の一つないし複数の点により位置合わせされる。
【００１８】
位置合わせされる対象物は、診断、治療、臨床もしくは自動での検査あるいは治療における、患者、患者の体の一部である。
【００１９】
本発明における方法は、例えば二次元−三次元位置あわせ法（特にＣＴ−蛍光透視画像）において画像データに基づいて、表面の情報の位置合わせ方法を統合するものである。対象物は手術中に得られた二次元画像データを、三次元画像データ（例えば蛍光透視画像や三次元ＣＴスキャン）に組み込み、表面上の一つないし複数の点により位置合わせされる。
【００２０】
例として、患者の骨領域の表面点を取得する前に、患者の体は固定化される。あるいは、患者の相対的な動きや相対位置変位は、位置検出システムやナビゲーションシステムにより取得可能である。こうして、本発明の位置合わせ方法およびそのシステムでは、患者を表す空間表示データの位置や方向（姿勢）を調節することにより、これらの相対的位置変位が考慮される。
【００２１】
三次元操作空間において、対象物又はその一部（対象物と称する）と、対象物表示姿勢すなわち操作空間における位置及び方向データからなる姿勢での対象物の空間表示（対象物表示と称する）との間の重畳度Ｍを決定する方法であって、該方法は、
ａ） 対象物のそれぞれの第一画像姿勢において得られる第一画像データと、その第一画像データに対応し、それぞれの第二画像姿勢においてその対象物表示姿勢における対象物表示からデジタル再構成された第二画像との間の類似度Ｓを得ること、
ｂ） 操作空間において、対象物の表面における少なくとも一点を位置付けすること、
ｃ） 操作空間における少なくとも一点と、対象物表示姿勢における対象物表示の表面との間の距離尺度Ｄを得ること、
を含み、さらに該方法は、類似度Ｓと距離尺度Ｄとの組み合わせによって、少なくとも類似度Ｓに関してスケール不変である重畳度Ｍを取得することを含む。
【００２２】
三次元操作空間において、対象物またはその対象物の一部（対象物と称する）と、対象物表示姿勢すなわち操作空間における位置データや方向データからなる姿勢における対象物の空間表示（対象物表示と称する）とを位置合わせする本発明の方法は、
ａ） それぞれの第一画像姿勢において、その対象物のそれぞれの第一画像データを取得すること、
ｂ） 上記第一画像データに対応し、それぞれの第二画像姿勢においてその対象物表示姿勢における対象物表示からデジタル再構成された第二画像データを取得すること、
ｃ） 第一画像データと第二画像データの間の類似度Ｓを取得すること、
ｄ） 操作空間において、その対象物の表面上の少なくとも一点の位置を特定すること、
ｅ） 前記の少なくとも一点と、その対象物表示姿勢における対象物表示の表面との間の距離尺度Ｄを得ること
ｆ） 類似度Ｓおよび、少なくとも類似度Ｓに関してスケール不変な距離尺度Ｄとの組み合わせにより、重畳度Ｍを得ること、
ｇ） ステップｈ）を、ステップｂ）、ｃ）、ｅ）およびｆ）を既定の回数、もしくはステップｆ）で得られ、連続した２つの異なる姿勢の重畳度Ｍが互いに既定の閾値範囲内、または所定の収束基準が満たされるまで繰り返すことを組み合わせて実施すること、
ｈ） それぞれの第二表示画像姿勢に対し、対象物表示姿勢を変化させること、
を含む。
【００２３】
本発明の装置は、三次元の操作空間において、対象物の姿勢表示、すなわち操作空間において位置および方向をからなる姿勢データに対して、対象物またはその対象物の一部（以下対象物と称する）とその対象物の空間表示（以下対象物表示と称する）の位置合わせのための装置であって、該装置は、
対象物のそれぞれの第一画像姿勢において、その第一画像データを取得するための第１装置と、
上記第一画像データに対応し、それぞれの第二画像姿勢においてその対象物表示姿勢における対象物表示からデジタル再構成可能な第二画像データを取得するための第２装置と、
第一および第二画像データの間の類似度Ｓを取得するための第３装置と、
操作空間で、対象物の表面における少なくとも一点を位置付けするための第４装置と、
少なくとも一点とその対象物表示姿勢における対象物表示の表面との間の距離尺度Ｄを取得するための第５装置と、
類似度Ｓおよび距離尺度Ｄとの合成であり、少なくとも類似度Ｓに関してスケール不変である重畳度Ｍを取得するための第６装置と、
対象物表示姿勢を、それぞれの第二画像姿勢に対して異なる姿勢へ変化させる第７装置と、
第６装置から取得可能な対象物表示の異なる姿勢に対する二つの連続する重畳度Ｍが既定の閾値に達したかどうか、あるいは所定の収束基準を満たすかどうかを判定する第８装置と、
を含む。
【００２４】
本発明にかかる方法およびシステムにおいて、類似度Ｓおよび距離尺度Ｄは以下の式のように重畳度Ｍへ変換される。
Ｍ＝Ｓ／（ａ＋Ｄ）
ここで、ａは既定の定数である。
【００２５】
本発明の方法及びシステムでは、少なくとも類似度Ｓに関してのスケール不変性は、少なくとも類似度Ｓに関する重畳度Ｍ間の関係の序列化におけるスケール不変性を含む。
【００２６】
本発明の方法及びシステムでは、対象物の相対変位は、例えば位置検出器やナビゲーションシステムによって対象物に装着したポインタ（１５３）を通して取得され、それに対応して対象物の姿勢表示が変化する。
【００２７】
本発明の方法及びシステムでは、対象物の空間表示は、決定規則および、行列からなるスライス片を積み重ねた複数の体積要素（ボクセルと称する）からなり、各ボクセルは少なくとも１つの値を持ち、決定規則により、ボクセルの少なくとも１つの値に従って対象物を構成する各ボクセルの構成メンバーを決定する。
【００２８】
本発明の方法及びシステムでは、ボクセルの取得にはコンピュータ断層法（ＣＴ）、磁気共鳴法（ＭＲ）、単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）、又はポジトロン放出断層撮影法（ＰＥＴ）を用いた撮像装置が用いられる。
【００２９】
本発明の方法及びシステムでは、対象物もしくはその対象物の一部から得られた参照画像データは、超音波や蛍光透視写真を例とする画像データからなる。これら参照画像データは、デジタル再構成放射線画像（ＤＲＰｓ）を例とするデジタル再構成画像データと対比できる。参照放射線画像の画像姿勢は、好ましくは、ＤＲＰｓ を例とする再構成画像データにおけるそれぞれの画像姿勢と、位置や方向が実質上同じであることを想定している。さらに、参照放射線画像の取得に用いられる撮像装置は、その配置が、再構成画像データ取得用の仮想もしくは合成画像装置と実質上同一であることが望ましい。
【００３０】
本発明の方法及びシステムでは、第一画像データと第二画像データの間の類似度Ｓは、第一画像データと第二画像のそれぞれにおいて対応するペアを関連付けることによって得られても、および／または、単一点の場合はその点と対象物表示の表面との間のユークリッド距離から、また複数点の場合は複数の点と対象物表示の表面とのユークリッド距離の平均値から、少なくとも１点とその姿勢での対象物表示の表面との間の距離尺度Ｄが得られてもよい。
【００３１】
本発明の方法及びシステムでは、位置検出システムもしくはナビゲーションシステムを用いて、対象物の表面の一点もしくは複数点を位置付けることができる。
【００３２】
本発明の方法は、一般的に用いられるコンピュータ、専用のコンピュータ、もしくはシステムオンチップ（ＳＯＣ）で実行されるプログラムにより実行可能である。
【００３３】
さらに、コンピュータプログラムにより、コンピュータを本発明の装置として機能するようにしてもよい。
【００３４】
本発明の方法を実行するためのコンピュータプログラム、および／または、本発明の装置でコンピュータを機能させるコンピュータプログラムは、コンピュータへ読み込み可能なデータ記憶媒体に保存される。
【００３５】
本発明は、具体的な実施例は以下に示す図により記述される。
【００３６】
図１は、患者の骨盤などを例とする、対象物１００の一部を図示したものである。空間表示（ここでは図示されていない）は、コンピュータ断層装置１２１を用いて術前に取得され、コンピュータシステム１８０に記録されている。Ｘ線源１２５を含む画像化システム１２０を用いて、二次元透視画像１１０が術中に取得される。あるいは、超音波画像などを例とする適宜の方法で、その他の画像データが得られる。画像化システム１２０はナビゲートされる。すなわち、手術室（ここでは図示されていない）における位置及び方向の変位は、コンピュータシステム１８０によってコントロール、および／または、位置付けされる。あるいは、画像化システム１２０は、画像化システム１２０の位置を示す受動的もしくは能動的なエレメントを含み、コンピュータシステム１８０に接続された１つないし複数のカメラ１３０によって観測される。
【００３７】
マーカー１５３は、例えば位置検出システム１３０によって対象物の相対変位を得るために使用される。
【００３８】
画像化システム１２０で取られた二次元透視画像１１０に加えて、先端１５１と位置表示エレメント１５２を含むポインター１５０が１台ないし複数のカメラ１３０によって追跡される。例えば患者の骨盤１００の表面など、対象物の表面上の単一もしくは複数の点が、ポインターの先端を所望の１点または複数の点に導くことにより位置が特定される。ポインター１５０および少なくとも１台のカメラ１３０を有する追跡システムにより、手術環境に関連付けられた三次元座標系での単一もしくは複数点の位置が決定される。
【００３９】
本発明に基づく位置合わせ手法１９０は、コンピュータシステム１８０を用いて実行される。位置合わせは、与えられた最適化尺度を最適化する既知の手法により計算される。最適化におけるパラメータは、二次元領域と三次元領域の関係によって特定される。例えば、Ｘ線／蛍光透視画像化装置１２０を用いて得られた透視画像１１０が取られ、さらに対象物の表面上の点が取られた後、それに対応するデータがコンピュータシステム１８０に保存される。コンピュータシステム１８０では、同コンピュータシステム１８０に保存されているその対象物の空間表示（ここでは示されていない）から、画像化装置１２０にあるＸ線源１２５の位置や方向を用いて、デジタル再構成放射線画像（ＤＲＰｓ）が作成され、同コンピュータシステム１８０に保存される。位置および方向もまたコンピュータシステムに保存される。次に、例えばコンピュータシステム１８０の命令により、Ｘ線／蛍光透視画像１１０とデジタル再構成放射線画像（ここでは示されていない）の間の類似度Ｓが得られる。
【００４０】
その後、対象物の空間表示（ここでは示されていない）における現在の位置と方向（姿勢）を考慮して、手術環境に関連づけられた三次元座標における対象物の表面上で得られる少なくとも一点と対象物表示（ここでは示されていない）の表面との距離尺度Ｄが得られる。それから、類似度Ｓと距離尺度Ｄを組み合わせて、重畳度Ｍが以下の式に従って得られる。
Ｍ＝Ｓ／（ａ＋Ｄ）
ここで、ａは既定の非消失定数である。
【００４１】
本発明において、ＣＴの透視画像の最適化尺度を例とする類似度Ｓと表面の距離を例とする距離尺度Ｄの組み合わせでは、ある実施態様において、ＳとＤの乗法的な組み合わせを使う。本発明に基づく重畳度Ｍに対するＳとＤの組み合わせにより、重畳度Ｍに関する最適化は、優先的かつ単調な関数 ｆ（Ｄ） に関してスケール不変となる。ここで、ｆ（Ｄ） ＝ １／（ｃｏｎｓｔ．＋Ｄ）である。Ｓ および １／（ａ＋Ｄ） いずれも、優先的な位置、および／または、方向を積極的に評価する。特に、本発明における方法では、放射線透視画像および対象物の空間表示のＣＴデータにおける濃度諧調のスケーリングに関して不変性をもたらす。
【００４２】
通常、画像の強度値に対して標準化スケーリングは利用可能ではない。それゆえ、類似項Ｓに関してスケール不変の最適化手順をとることが重要である。このため、本発明の方法およびシステムではＳおよびＤの乗法組み合わせ手法がとられている。
【００４３】
上記のようにして得られた重畳度Ｍの値に従って、対象物表示の位置および方向（姿勢）は、手術環境に関連付けられた三次元座標での異なる位置、および／または、方向を想定して、命令かつ調節が行われる。あるいは、本発明方法やシステムを使用するユーザーにとって、デジタル再構成放射線画像（ＤＲＰｓ）が取得される手法により、仮想又は合成カメラの位置や方向（姿勢）を調節することが便利である。本実施態様においては、デジタル再構成放射線画像（ここでは示されていない）を取得するために使用された仮想または合成カメラの姿勢の変化に従い、対象物の空間表示における姿勢が変更される。
【００４４】
次に図２に関してであるが、ここでは図１に示した位置合わせシステムにおいて用いられた一般原則、もしくは対象物もしくは対象物の一部と、三次元空間における対象物もしくは対象物の一部の空間表示とを位置合わせする本発明の方法に用いた一般原則を表すフローダイアグラムである。ここで、対象物や対象物の一部の空間表示は、操作環境に関して既知の初期位置や方向（姿勢）をとるものとする。
【００４５】
三次元操作空間における既知の位置や方向（姿勢）における対象物の空間表示３１０は手術前に取得されることを想定している。
【００４６】
ステップ３２０の参照画像データでは、対象物の放射線画像は、図１に例示するように、ナビゲートされたＸ線または蛍光透視画像システムによって取得される。
【００４７】
その後、手術空間で一点もしくは複数点が対象物の表面上で位置付けされる（３３０）。
【００４８】
簡単のため、図２に示した本発明に基づく位置合わせ法の実施例では、直接的な最適化手順が取り入れてある。ここで直接的な最適化手法では、対象物表示の初期姿勢から開始して、ステップ３４０から３８０を既定の回数だけ繰り返すことにより、重畳度Ｍが最も大きな値を持つ最適姿勢Ｐを得る。
【００４９】
ＰおよびＭｓｕｐは、繰り返しを開始する前にステップ３３５で初期化される。
【００５０】
ステップ３３６では、例として０から５０までカウントして繰り返すステップからなる。
【００５１】
各繰り返し再構成画像において、例えば現在の姿勢における対象物表示のデジタル再構成放射線画像（ＤＲＰｓ）の再構成画像は、空間対象物表示を通して光線を投射し、光線に当たった体積要素を積算することにより、例えば再構成放射線画像３４０を生成する。
【００５２】
ステップ３５０では、参照画像データと直前のステップにおけるデジタル再構成画像データ（ＤＲＰｓ）の間の類似度Ｓが得られる。ステップ３５５では、１つないし複数の点と現在の姿勢における対象物表示の表面との間の距離尺度Ｄが得られる。
【００５３】
対象物は、決定ルール及び行列で構成されるスライスで積み重なった複数の体積要素（ボクセル）により表示される。各ボクセルは少なくとも１つの値を持ち、また決定ルールによりそのボクセルの少なくとも１つの値からその対象物に対する各ボクセルのメンバーを決定する。そのような対象物または対象物の一部の表示において、対象物表示の表面は、既定の値で値あるいは各ボクセルの値を閾値で処理することによって得られる。既知の手法を用いることにより、ボクセルの大きさ以下の精度で、操作空間上の一点と対象物表示の表面ボクセルとの間の距離が計算される。
【００５４】
ステップ３６０では、類似度Ｓおよび距離尺度Ｄが重畳度Ｍ＝Ｓ／（ｃｏｎｓｔ＋Ｄ） として合成される。
【００５５】
ステップ３７０では、重畳度Ｍが現在の最大値Ｍｓｕｂを超えているかどうかを判断し、もしそうであれば、すなわちステップ３７０においてＹＥＳ であれば、最適姿勢Ｐが現在の姿勢に設定され、ステップ３７５において重畳度の最大値Ｍｓｕｂが現在の重畳度Ｍに設定される。
【００５６】
現在の重畳度Ｍが最大値Ｍｓｕｂを超えていない場合、すなわちステップ３７０でＮＯの場合、あるいはステップ３７５を更新が完了した後、対象物表示の現在の姿勢を異なる位置や方向へ変化し、制御される最適化繰り返しがステップ３３６で、ステップ３４０から３８０の間で継続される。
【００５７】
繰り返しすなわち最適化における各ステップでは、（現在の姿勢やパラメータ設定に従って）三次元データセットから合成画像が描画され、二次元データセットと比較される。
【００５８】
所定の回数の繰り返しを完了した後、本発明に基づく位置合わせ手続は終了し、操作空間上で対象物表示を対象物の実際の姿勢と位置を合わせた姿勢Ｐが得られる。
【００５９】
その他、ステップ３４０から３８０間の繰り返しの終了に用いる収束の判定条件は、所定の繰り返しにおける重畳度Ｍが既定の閾値を超えるかどうかの判定作業を含む。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】対象物もしくは対象物の一部を、その対象物または対象物の一部の空間表示へ位置合わせする方法の応用を示した概略図である。
【図２】本発明に基づく手法の実施例を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
１００    対象物（患者の骨盤）
１１０    二次元透視画像
１２０    画像化システム（Ｘ線／蛍光透視画像化装置）
１２１    コンピュータ断層装置
１２５    Ｘ線源
１３０    カメラ
１５０    ポインター
１５１    先端
１５２    位置表示エレメント
１５３    マーカー
１８０    コンピュータシステム
１９０    位置合わせ手法
【図１】
2008055156.tif 000003
【図２】
2008055156.tif 000004