(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画像を受信するように構成された受信機と、
前記複数の画像を格納するように構成されたメモリと、
前記複数の画像を３次元レンダリングし、前記複数の画像を領域分割し、連結閾値フィルタを用いて、ユーザにより特定されたシード点に連結される前記画像中の全ての画素を発見することにより、標的領域の境界を画定し、かつ容量分析を行って前記標的領域に基づいて治療計画を決定するように構成された、制御装置と、
前記治療計画を調整するように構成された入力装置と、
前記レンダリングされた複数の画像および前記標的領域を表示するように構成された表示装置と、
体内における手術器具の位置を決定するように構成されたナビゲーションシステムと、
を備える計画システムであって、
前記制御装置及び前記表示装置が互いに協働して、前記ナビゲーションシステムから受信したデータに基づき前記制御装置が前記表示装置にナビゲーションガイド画面を表示して使用者が前記手術器具の進入角度を調整できるように構成され、
前記制御装置が、トラッキングシステムを実行するためのカメラを備え、前記トラッキングシステムが前記制御装置の内部に記録されたソフトウェアプログラムにより下記の工程を実行すること：
ビデオフレームを取り込む；
レンズ歪みを補正して、カメラから受信される基準画像と基準モデルとの一致を見つける；
カメラの姿勢評価を行う；かつ
手術器具の座標をモデル空間に変換して、前記手術器具を仮想の手術器具として前記表示装置に表示する、
を特徴とする、計画システム。
【請求項２】
前記表示装置はグラフィカルユーザインタフェースを提供する、請求項１に記載の計画システム。
【請求項３】
前記制御装置は、少なくとも１つの血管を領域分割し、かつ前記少なくとも１つの血管の前記標的に対する近さに基づいて前記治療計画を調整する、請求項１に記載の計画システム。
【請求項４】
前記制御装置は、少なくとも１つの臓器を領域分割し、前記少なくとも１つの臓器に対する前記標的の位置に基づいて前記治療計画を調整する、請求項１に記載の計画システム。
【請求項５】
（１）複数のＣＴ画像を格納するように構成されたメモリと、
（２）前記複数のＣＴ画像を３次元レンダリングし、前記複数のＣＴ画像を領域分割し、連結閾値フィルタを用いて、ユーザにより特定されたシード点に連結される前記ＣＴ画像中の全ての画素を発見することにより、標的領域の境界を画定し、かつ容量分析を行って前記標的領域に基づいて治療計画を決定するように構成された、制御装置と、
（３）前記レンダリングされた複数のＣＴ画像および前記標的領域を、グラフィカルユーザインタフェースにより表示するように構成された表示装置と、
（４）体内における手術器具の位置を決定するように構成されたナビゲーションシステムと、
（５）前記複数のＣＴ画像を受信するように構成された受信機であって、前記複数のＣＴ画像はＤＩＣＯＭフォーマットであって、かつ、無線ネットワークにより前記受信機によって受信される、受信機と、
を備える外科手術計画システムであって、
前記グラフィカルユーザインタフェースは、手術器具の選択を可能にするように構成されており、前記制御装置は、前記標的領域および前記選択された手術器具に基づいてエネルギーレベルおよび治療期間を計算するように構成され、
前記制御装置及び前記表示装置は互いに協働して、前記ナビゲーションシステムから受信したデータに基づき前記制御装置が前記表示装置にナビゲーションガイド画面を表示して使用者が前記手術器具の進入角度を調整できるように構成され、
前記エネルギーレベルおよび前記治療期間のうちの少なくとも１つは、前記グラフィカルユーザインタフェースにより選択することができ、
前記グラフィカルユーザインタフェースは、複数の領域を含み、各領域は、前記レンダリングされた複数のＣＴ画像の断面を表示するように構成され、
前記複数のＣＴ画像の少なくとも１つは、前記表示装置に表示される前記グラフィカルユーザインタフェースにより選択することができ、
前記制御装置は、少なくとも１つの血管を領域分割し、かつ前記標的領域に対する前記少なくとも１つの血管の近さに基づいて前記治療計画を調整し、
前記制御装置は、少なくとも１つの臓器を領域分割し、かつ前記少なくとも１つの臓器に対する前記標的の位置に基づいて前記治療計画を調整する、
外科手術計画システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、外科手術計画に関する。より具体的には、本開示は、患者の複数の画像を領域分割して治療計画を決定するための計画システムの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気外科手術器具が広く使用されるようになってきた。電気外科手術では、外科手術中に、生物組織を切断、切開、焼灼、凝固、麻痺または封止するか、それ以外の方法で処置するために、熱および／または電気エネルギーの照射が行われる。電気外科手術は典型的に、電気外科手術中にエネルギーを組織部位に伝達するように構成された手術器具（例えば、エンドエフェクタまたは焼灼プローブ）と、エネルギーを出力するように動作可能な遠隔電気外科手術用発生器と、手術器具を遠隔発生器に動作可能に接続するケーブルアセンブリとを含むハンドピースを用いて行われる。
【０００３】
特定の疾患の治療では、悪性の組織増殖（例えば腫瘍）を破壊する必要がある。癌などの疾患の治療では、ある種の腫瘍細胞は、健康な細胞に通常有害である温度よりも僅かに低い高温で変性することが分かっている。温熱療法などの公知の治療方法では典型的に、隣接する健康な細胞を不可逆的な細胞破壊が生じる温度よりも低い温度に維持しながら、異常細胞を４１℃超の温度まで加熱する。このような方法では、組織を加熱、焼灼および／または凝固させるために電磁放射線の照射を行うことがある。焼灼処置を行うために使用することができる複数の異なる種類の電気外科手術器具が存在する。
【０００４】
癌性もしくは良性腫瘍のための低侵襲的腫瘍焼灼処置は、２次元（２Ｄ）の術前コンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像と、典型的に入力パラメータ（電力、時間）の範囲にわたる実験的生体外組織における焼灼針の特性が記載されている「焼灼区域チャート」とを用いて行うことがある。エネルギー量（電力、時間）は、特定の設計に対する焼灼組織の効果（体積、形状）と相関させることができる。マイクロ波アンテナの設計により、組織に送達されるエネルギー量を制御することができ、例えば、アンテナチョークを用いて、器具から組織へのマイクロ波伝達の既知の位置を与えてもよい。別の例では、誘電緩衝により、異なるまたは様々な組織特性とは無関係に、器具から組織に比較的一定なエネルギーを送達することができる。
【０００５】
使用者が、標的の治療を達成するためにどの焼灼針を使用すべきかを決定した後、使用者は、超音波ガイドを用いて治療を行う。通常、手術器具を超音波下で特定された標的に配置するには高レベルのスキルが必要である。最も重要なのは、器具を超音波画像平面（例えば、標的が撮像される場所）に向かって導くために必要な角度および入口点を選択する能力である。
【０００６】
超音波ガイド下介入では、手術器具を意図した標的に正確に導くために、リアルタイム超音波画像診断（経腹的超音波検査、術中超音波検査など）が使用される。これは、経皮照射および／または術中照射により行うことができる。いずれの場合にも、超音波システムは、患者の組織を撮像し、かつ標的を特定して標的に向かう器具の経路を予測および／または辿るために使用される変換器を備える。
【０００７】
超音波ガイド下介入は、検出された疑わしい病変部（乳房、肝臓、腎臓および他の軟組織）の悪性度を決定するための針生検法のために、今日では一般に使用されている。さらに、中心静脈留置は、頚静脈にアクセスし、かつ薬の送達を可能にするために一般的である。最後に、新たな使用としては、臓器（肝臓、肺、腎臓など）の腫瘍焼灼および外科的切除が挙げられる。腫瘍焼灼の場合、超音波ガイド下ターゲッティングが達成された後に、生検針様の針を用いて、腫瘍を死滅させる意図で、エネルギー（ＲＦ、マイクロ波、クライオなど）を送達してもよい。臓器切除の場合、切開中の表面下の解剖学的構造およびこの解剖学的構造に対する手術器具の表示に関する詳しい知識は、重要な構造を回避しながら切除を成功させるために重要である。
【０００８】
これらの各事例において、超音波ガイドでは典型的に、患者に当てられた変換器の遠位端から取り込まれた２次元画像平面が得られる。器具の配置に成功するために使用者にとって非常に重要なことは、標的を可視化および特性評価し、標的に到達するための器具の角度および入口点を選択し、かつ手術器具および標的に向かうその動きを見る能力である。今日では、使用者は、標的を撮像し、器具の角度および入口点を選択する高レベルのスキルを使用する。次いで、使用者は、超音波変換器を動かして器具の経路を見る（こうして標的部位を見失う）か、器具が画像平面に進入するまで経路が正しいかを推測しなければならない。最も重要なのは、超音波画像平面（例えば、標的が撮像される場所）に向かって器具を導くために必要な角度および入口点を選択する能力である。
【発明の概要】
【０００９】
本記載において「一実施形態では」「実施形態では」「いくつかの実施形態では」または「他の実施形態では」という語句が使用される場合があり、これらの語句はそれぞれ、本開示に係る同一または異なる実施形態の１つ以上を指すことができる。本記載の目的では、「Ａ／Ｂ」の形態の語句は、ＡまたはＢを意味する。本記載の目的では、「Ａおよび／またはＢ」の形態の語句は、「（Ａ）、（Ｂ）または（ＡおよびＢ）」を意味する。本記載の目的では、「Ａ、ＢまたはＣのうちの少なくとも１つ」という形態の語句は、「（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（ＡおよびＢ）、（ＡおよびＣ）、（ＢおよびＣ）または（Ａ、ＢおよびＣ）」を意味する。
【００１０】
図面に示され、かつ以下の記載全体を通して記載されているように、手術器具上の相対的位置について言及している場合は従来同様に、「近位」という用語は、使用者または発生器により近い方の器具の端部を指し、「遠位」という用語は、使用者または発生器から遠い方の器具の端部を指す。「使用者」という用語は、本明細書に記載されている本開示の態様の使用を伴う医療処置を行う任意の医学の専門家（すなわち、医師、看護師など）を指す。
【００１１】
本記載に使用される「手術器具」という用語は一般に、電気外科手術エネルギーを与えて組織を治療する手術道具を指す。手術器具としては、針、プローブ、カテーテル、内視鏡器具、腹腔鏡手術器具、血管封止器具、外科手術用ステープラーなどが挙げられるが、これらに限定されない。「電気外科手術エネルギー」という用語は一般に、任意の形態の電磁エネルギー、光学エネルギーまたは音響エネルギーを指す。
【００１２】
電磁(ＥＭ)エネルギーは一般に、周波数の増加または波長の減少によって、電波、マイクロ波、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線およびガンマ線に分類される。本明細書で使用される「マイクロ波」という用語は一般に、３００メガヘルツ（ＭＨｚ）（３×１０８サイクル／秒）〜３００ギガヘルツ（ＧＨｚ）（３×１０１１サイクル／秒）の周波数範囲の電磁波を指す。本明細書に使用される「ＲＦ」という用語は一般に、マイクロ波よりも低い周波数を有する電磁波を指す。本明細書に使用される「超音波」という用語は一般に、ヒトの聴力の上限よりも大きい周波数を有する周期的音圧を指す。
【００１３】
本記載に使用される「焼灼処置」という用語は一般に、任意の焼灼処置、例えば、マイクロ波焼灼、高周波（ＲＦ）焼灼またはマイクロ波焼灼補助下切除を指す。本記載に使用される「エネルギー照射装置」とは一般に、マイクロ波またはＲＦ電気外科手術用発生器などの電力発生源から組織までエネルギーを伝達させるために使用することができる任意の装置を指す。
【００１４】
本記載に使用される「電源」および「電力供給部」という用語は、電子回路を動作させるのに適した形態の任意の電力供給源（例えば、電池）を指す。本記載に使用される「伝送線路」とは一般に、ある点から別の点までの信号の伝播のために使用することができる任意の伝送媒体を指す。本記載に使用される「スイッチ」または「複数のスイッチ」という用語は一般に、任意の電気式アクチュエータ、機械式アクチュエータ、電気機械式アクチュエータ（回転可能なアクチュエータ、回動可能なアクチュエータ、トグルスイッチ様アクチュエータ、ボタンなど）、光アクチュエータ、あるいは、電子装置もしくはその部品、器具、機器、伝送線路、それらへの接続部および付属品またはソフトウェアを接続または切断するという目的を一般に果たす任意の好適な装置を指す。
【００１５】
本記載に使用される「電子装置」とは一般に、真空、気体または半導体中を移動している電子またはイオンの特性を利用する装置または物体を指す。本明細書に使用される「電子回路」とは一般に、電子またはイオンの移動経路ならびに装置または物体によって電子またはイオンに与えられる方向を指す。本明細書に使用される「電気回路」または単に「回路」とは一般に、互いに接続されると所望の機能を果たす伝導路を形成する複数の電気装置および導体の組み合わせを指す。アナログおよび／またはデジタル部品を含み得る相互接続部以外の電気回路の任意の構成要素を「回路素子」と呼んでもよい。
【００１６】
「発生器」という用語は、エネルギーを供給することができる装置を指すことができる。そのような装置としては、電力源および、電力源によって出力されたエネルギーを変更して、所望の強度、周波数および／または波形を有するエネルギーを出力することができる電気回路が挙げられる。
【００１７】
本記載に使用される「ユーザインタフェース」とは一般に、使用者または他の実体に情報を提供し、かつ／またはそこから情報を受け取るための、任意の視覚的、図画的、触覚的、可聴的もしくは感覚的機構または他の機構を指す。本明細書に使用される「ユーザインタフェース」という用語は、使用者と装置（１つ以上）との間の通信を可能にするための、人間の使用者（または操作者）と１つ以上の装置との間のインタフェースを指すことができる。本開示の様々な実施形態に用いることができるユーザインタフェースの例としては、スイッチ、電位差計、ボタン、ダイヤル、スライダ、マウス、ポインティングデバイス、キーボード、キーパッド、ジョイスティック、トラックボール、表示画面、各種グラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）、タッチスクリーン、マイクロホン、および、人間が生成したいくつかの形態の刺激を受け取り、かつそれに応答して信号を生成し得る他の種類のセンサまたは装置が挙げられるが、これらに限定されない。本明細書に使用される「コンピュータ」とは一般に、意図的な方法で情報を変換するあらゆるものを指す。
【００１８】
また、本明細書に記載されているシステムは、１つ以上の制御装置を利用して各種情報を受け取り、かつ受け取った情報を変形して出力を生成してもよい。制御装置は、メモリに格納されている一連の命令を実行することができる任意の種類の計算装置、計算回路または任意の種類のプロセッサまたは処理回路を含んでいてもよい。制御装置は、複数のプロセッサおよび／またはマルチコア中央処理装置（ＣＰＵ）を含んでいてもよく、また、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、マイクロコントローラなどの任意の種類のプロセッサを含んでいてもよい。制御装置は、一連の命令を実行するためのデータおよび／またはアルゴリズムを格納するためのメモリも含んでいてもよい。
【００１９】
本明細書に記載されている方法、プログラム、アルゴリズムまたはコードのうちのいずれかを、プログラミング言語またはコンピュータプログラムに変換するか、それらで表現してもよい。「プログラミング言語」および「コンピュータプログラム」は、コンピュータに命令を指定するために使用される任意の言語であり、これらの言語およびそれらの導関数、すなわち、アセンブリ言語、ＢＡＳＩＣ、バッチファイル、ＢＣＰＬ、Ｃ、Ｃ＋、Ｃ＋＋、デルファイ（Ｄｅｌｐｈｉ）、フォートラン（Ｆｏｒｔｒａｎ）、Ｊａｖａ（登録商標）、ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ（登録商標）、機械コード、オペレーティングシステムコマンド言語、パスカル（Ｐａｓｃａｌ）、パール（Ｐｅｒｌ）、ＰＬ１、スクリプト言語、ビジュアル・ベーシック（Visual Basic）、メタ言語（それ自体がプログラムを指定する）ならびに全ての第一、第二、第三、第四および第五世代のコンピュータ言語が挙げられる（が、これらに限定されない）。また、データベースおよび他のデータスキーマならびに任意の他のメタ言語も含まれる。この定義の目的では、解釈実行された言語、コンパイルされた言語またはコンパイルおよび解釈実行法の両方の使用を区別しない。この定義の目的では、プログラムのコンパイル版とソース版とを区別しない。従って、プログラムに対する言及は、プログラミング言語が２つ以上の状態（ソース、コンパイルされた状態、オブジェクトまたはリンクされた状態など）が存在する場合、ありとあらゆるそのような状態に対する言及である。この定義は、実際の命令およびそれらの命令の意図も包含する。
【００２０】
本明細書に記載されている方法、プログラム、アルゴリズムまたはコードのうちのいずれかを、１つ以上の機械可読媒体またはメモリに含めてもよい。「メモリ」という用語は、プロセッサ、コンピュータまたはデジタル処理装置などの機械によって読み取り可能な形態の情報を提供（例えば、格納および／または伝送）する機構を含んでもよい。例えば、メモリとしては、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、磁気ディスク記憶媒体、光学式記憶媒体、フラッシュメモリ装置または任意の他の揮発性もしくは非揮発性メモリ記憶装置が挙げられる。そこに含まれるコードまたは命令は、搬送波信号、赤外線信号、デジタル信号および他の同様の信号によって表すことができる。
【００２１】
本記載に使用される「治療計画」という語句は、標的の治療を達成するために選択された焼灼針、エネルギーレベルおよび／または治療期間を指す。「標的」という用語は、治療が予定されている組織の領域を指し、焼灼される腫瘍、類線維腫および他の組織が挙げられるが、これらに限定されない。「焼灼区域」という語句は、焼灼される組織の面積および／または体積を指す。
【００２２】
本記載に使用される「コンピュータ断層撮影（ＣＴ）」または「コンピュータ軸方向断層撮影（ＣＡＴ）」という語句は、コンピュータ処理によって生成される断層撮影を用いる医用画像法を指す。デジタルジオメトリ処理は、単一の回転軸の周りで撮影された大きな一連の２次元のＸ線画像から物体の内部の３次元画像を生成するために使用される。
【００２３】
本記載に使用される、磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）、核磁気共鳴画像法（ＮＭＲＩ）、または磁気共鳴断層撮影（ＭＲＴ）という用語は、詳細な内部構造を可視化するために放射線学で使用される医用画像処理技術を指す。ＭＲＩは、体内の原子核を撮像するために核磁気共鳴（ＮＭＲ）の特性を利用する。ＭＲＩ機械は、強力な磁場を利用して体内のいくつかの原子核の磁化を揃えると共に、高周波磁場を使用してこの磁化の並びを体系的に変える。これにより、スキャナーによって検出可能な回転磁場を核に生成させ、この情報を記録して、体の走査された領域の画像を構築する。
【００２４】
本記載に使用される「３次元超音波」または「３Ｄ超音波」という用語は、３次元画像を提供する超音波診断法を指す。
【００２５】
本記載に使用される「ダイコム：医療におけるデジタル画像と通信のための規格（ＤＩＣＯＭ：ｄｉｇｉｔａｌ  ｉｍａｇｉｎｇ  ａｎｄ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｍｅｄｉｃｉｎｅ）」という語句は、医用画像法に関する情報を処理、格納、印刷および伝送するための規格を指す。それは、ファイルフォーマットの定義およびネットワーク通信プロトコルを含む。通信プロトコルは、システム間の通信のためにＴＣＰ／ＩＰを使用するアプリケーションプロトコルである。ＤＩＣＯＭファイルは、ＤＩＣＯＭフォーマットで画像および患者データを受信することができる２つの実体間で交換することができる。
【００２６】
本明細書に記載されているシステムおよび方法はいずれも、有線ネットワーク、無線ネットワーク、二地点間通信プロトコル、ＤＩＣＯＭ通信プロトコル、伝送線路、取外し可能な記憶媒体などを通してそれらの間でデータを伝送することができる。
【００２７】
本明細書に記載されているシステムは、組織および／または周囲環境の１つ以上の特性を検出するように構成された１つ以上のセンサを利用してもよい。そのような特性としては、組織インピーダンス、組織の種類、組織の鮮明度、組織の伸展性、組織または顎部材の温度、組織内の水分、顎開放角度、組織内の水枯渇量、エネルギー送達および顎閉鎖圧力が挙げられるが、これらに限定されない。
【００２８】
本開示の一態様では、計画システムが提供される。本計画システムは、複数の画像を格納するように構成されたメモリを備える。本計画システムは、複数の画像を３次元レンダリングし、複数の画像を自動的に領域分割して標的領域の境界を画定し、かつ標的領域に基づいて治療計画を自動的に決定するように構成された制御装置も備える。レンダリングされた複数の画像および標的領域を表示するための表示装置が提供される。
【００２９】
本計画システムでは、制御装置は、治療計画を決定するための容量分析を行う。本計画システムは、治療計画を調整するように構成された入力装置も備えていてもよい。表示装置は、グラフィカルユーザインタフェースを提供する。
【００３０】
制御装置は、少なくとも１つの血管を領域分割し、かつ標的に対する血管の近さに基づいて治療計画を調整してもよく、あるいは、制御装置は、少なくとも１つの臓器を領域分割し、かつ臓器に対する標的の位置に基づいて治療計画を調整してもよい。
【００３１】
本開示の上記および他の態様、特徴および利点は、添付の図面と共に以下の詳細な記載を考慮すれば、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本開示の一実施形態に係る計画・ナビゲーションシステムのシステムブロック図である。
【図２】図２Ａおよび図２Ｂは、本開示の一実施形態に係る焼灼針の概略図である。
【図３】図２Ａおよび図２Ｂの焼灼針の放射パターンの概略図である。
【図４】本開示の一実施形態に係る計画システムの概略図である。
【図５】本開示の一実施形態に係る計画システムの動作全体を示すフローチャートである。
【図６】本開示の一実施形態に係る計画システムに使用されるグラフィカルユーザインタフェースの概略図である。
【図７】本開示の一実施形態に係る計画システムに使用されるグラフィカルユーザインタフェースの概略図である。
【図８】本開示の一実施形態に係る画像領域分割および逆方向治療計画のためのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図９】本開示の一実施形態に係る小結節を領域分割するためのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図１０】図１０Ａ〜図１０Ｂは、焼灼区域とエネルギー送達との関係のグラフ表示である。
【図１１Ａ】本開示の別の実施形態に係る血管と標的との関係の概略図である。
【図１１Ｂ】本開示の別の実施形態に係る別の線量曲線のグラフ表示である。
【図１２】図１２Ａ〜図１２Ｃは、本開示の別の実施形態に係る計画方法の概略図である。
【図１３】本開示の一実施形態に係るナビゲーションシステムの概略図である。
【図１４Ａ】図１３のナビゲーションシステムに使用されるグラフィカルユーザインタフェースの概略図である。
【図１４Ｂ】図１３のナビゲーションシステムに使用されるグラフィカルユーザインタフェースの概略図である。
【図１５】本開示の一実施形態に係る基準トラッキングアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図１６】図１６Ａおよび図１６Ｂはそれぞれ、カメラで撮影した画像および画像の補正版を示す。
【図１７】本開示の一実施形態に係る白い円を見つけるためのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図１８】図１８Ａ〜図１８Ｃは、図１７に示すアルゴリズムの中間の画像結果を示す。
【図１９】本開示の一実施形態に係る黒い円および黒い領域を見つけるためのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図２０】図２０Ａ〜図２０Ｄは、図１９に示すアルゴリズムの中間の画像結果を示す。
【図２１Ａ】本開示の一実施形態に係る一致アルゴリズムを示すフローチャートである。
【図２１Ｂ】本開示の一実施形態に係るトポロジー制約を適用するためのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図２２】図２２Ａ〜図２２Ｄは、図２１Ａのアルゴリズムに使用される基準モデルの概略図である。
【図２３】本開示の別の実施形態に係る一体化された計画・ナビゲーションシステムの概略図である。
【図２４】本開示のさらに別の実施形態に係る一体化された計画・ナビゲーションシステムの概略図である。
【図２５Ａ】図２４のシステムと共に使用するのに適したナビゲーションシステムの概略図である。
【図２５Ｂ】図２４のシステムと共に使用するのに適したナビゲーションシステムの概略図である。
【図２６】本開示の様々な実施形態に係る図２４のシステムに使用されるグラフィカルユーザインタフェースの概略図である。
【図２７】本開示の様々な実施形態に係る図２４のシステムに使用されるグラフィカルユーザインタフェースの概略図である。
【図２８】本開示の様々な実施形態に係る図２４のシステムに使用されるグラフィカルユーザインタフェースの概略図である。
【図２９】本開示の様々な実施形態に係る図２４のシステムに使用されるグラフィカルユーザインタフェースの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の特定の実施形態について記載する。但し、開示されている実施形態は、本開示の単なる例示であって、様々な形態で実施できることを理解されたい。周知の機能または構成は、不要な詳細で本開示を曖昧にするのを回避するために、詳細に記載していない。従って、本明細書に開示されている具体的な構造および機能の詳細は、本発明を限定するものとして解釈されるべきではなく、単に特許請求の範囲の基礎および当業者に本開示を実質的にあらゆる適切に詳細な構造に様々に用いることを教示するための代表的な基礎として解釈されるべきである。図の説明の全体を通して、同様の符号は、同様または同一の要素を指すことができる。
【００３４】
図を参照すると、図１は、本開示の様々な実施形態に係る計画・ナビゲーションシステムの概要を示す。図１に示すように、画像取り込み装置１０によって、患者「Ｐ」の術前画像１５を取り込む。画像取り込み装置１０としては、２次元（２Ｄ）または３次元（３Ｄ）画像が得られるＭＲＩ装置、ＣＡＴ装置または超音波装置が挙げられるが、これらに限定されない。画像取り込み装置１０は、計画システム１００に転送される術前画像１５を格納する。画像１５をネットワークにアップロードし、無線通信手段により画像１５を計画システム１００に伝送し、かつ／または画像１５を計画システム１００に挿入される取外し可能なメモリに格納することにより、術前画像１５を計画システム１００に転送してもよい。本開示の一実施形態では、術前画像１５をＤＩＣＯＭフォーマットで格納する。いくつかの実施形態では、画像取り込み装置１０および計画システム１００は、独立型ユニットに組み込まれていてもよい。
【００３５】
以下により詳細に記載する計画システム１００は、術前画像１５を受信し、かつ標的の大きさを決定する。標的の大きさおよび選択された手術器具に基づいて、計画システム１００は、標的の治療を達成するためのエネルギーレベルおよび治療期間を含む設定値を決定する。
【００３６】
以下により詳細に記載するナビゲーションシステム２００は、医用画像装置（例えば、超音波画像装置）上に配置された基準パターンを利用して、手術器具の体内位置を決定する。手術器具の体内位置を、医用画像装置によって得られた画像に対して表示装置に表示する。手術器具を標的の近くに配置したら、使用者は、計画システムによって決定された治療区域設定値に基づいて標的の治療を達成する。
【００３７】
いくつかの実施形態では、使用者は、計画システム１００を用いて治療区域設定値を決定し、ナビゲーションシステム２００を用いて治療を達成する際に治療区域設定値を利用する。他の実施形態では、計画システム１００は、治療区域設定値をナビゲーションシステム２００に伝送して、手術器具が標的の近くにある場合に標的の治療を自動的に達成する。さらに、いくつかの実施形態では、計画システム１００およびナビゲーションシステム２００は、単一の独立型システムにまとめられている。例えば、計画システム１００およびナビゲーションシステム２００のために単一のプロセッサおよび単一のユーザインタフェースを使用してもよく、計画システム１００およびナビゲーションシステム２００のために単一のプロセッサおよび複数のユーザインタフェースを使用してもよく、あるいは、計画システム１００およびナビゲーションシステム２００のために、複数のプロセッサおよび単一のユーザインタフェースを使用してもよい。
【００３８】
図２Ａは、本開示の一実施形態に係る手術器具の例を示す。具体的には、図２Ａは、電気チョーク７２を備えた焼灼針６０の変形形態の側面図であり、図２Ｂは、図２Ａの２Ｂ−２Ｂに沿った断面側面図である。焼灼針６０は、給電路（またはシャフト）６４を介して近位に位置する結合器６６に電気的に取り付けられた放射部６２を示す。放射部６２は、放射部６２の上に被覆されたシーラント層６８と共に示されている。電気チョーク７２は、放射部６２の近位に位置する電気チョーク部７０を形成するように、給電路６４の遠位部の上に部分的に配置された状態で示されている。
【００３９】
焼灼針６０のエネルギー収束を高めるために、電気チョーク７２は、焼灼針６０の遠位端への電場の伝播または放射パターンを含めるために使用される。一般に、チョーク７２は、焼灼針６０上の放射部の近位に配置されている。チョーク７２は、焼灼針６０の上に配置された誘電体の上に配置されている。チョーク７２は導電層であり、それを下にある焼灼針６０に合わせるための管または被覆物で覆われていてもよく、それにより、より遠位であって放射部６２のより近くに電気的接続（または短絡）を形成している。また、チョーク７２と下にある焼灼針６０との電気的接続は、他の接続方法、例えば、はんだ付け、溶接、ろう付け、圧着、導電性接着剤の使用などによって達成してもよい。焼灼針６０は、焼灼針６０に電気外科手術エネルギーを供給する発生器に電気的に接続されている。
【００４０】
図３は、本開示に係る放出された放射パターンの図表示と共に示されている焼灼針６０の一実施形態の断面図である。
【００４１】
図４〜図１２Ｃは、本開示の様々な実施形態に係る計画システム１００の動作を記載している。図４を参照すると、計画システム１００は、受信機１０２、メモリ１０４、制御装置１０６、入力装置１０８（例えば、マウス、キーボード、タッチパッド、タッチスクリーンなど）、および表示装置１１０を備える。計画システム１００の動作中、受信機１０２は、ＤＩＣＯＭフォーマットの術前画像１５を受信し、その画像をメモリ１０４に格納する。次いで、制御装置１０６は、画像１５を処理し（それについては以下により詳細に記載する）、処理された画像を表示装置１１０に表示する。入力装置１０８を用いて、使用者は、画像１５内を移動し、画像１５から画像の１つを選択し、選択された画像上にシード点を選択し、焼灼針を選択し、エネルギーレベルを調整し、かつ治療期間を調整することができる。入力装置１０８によって与えられた入力は、表示装置１１０に表示される。
【００４２】
図５は、治療計画を決定するために計画システム１００によって使用されるアルゴリズムの一般的な概要を示す。図５に示すように、工程１２０では、無線接続すなわちネットワークによって、あるいは取外し可能な記憶媒体からメモリ１０４に格納された画像をダウンロードすることにより、ＤＩＣＯＭフォーマットの画像を取得する。次いで、制御装置１０６は、画像１５の自動３次元（３Ｄ）レンダリングを実行し、工程１２２で、（図６に示すような）３Ｄレンダリングされた画像を表示する。工程１２４では、画像領域分割を行って、特定の関心領域の境界を画定し、関心領域の体積を計算する。以下に記載するように、領域分割は、使用者が起動するか自動であってもよい。工程１２６では、制御装置は、逆方向治療計画操作を実行して（それについても以下のより詳細に記載する）、治療アルゴリズムを決定し、関心領域を治療する。この治療アルゴリズムは、手術器具、エネルギーレベルおよび／または治療期間の選択を含んでもよい。あるいは、使用者は、標的および周囲組織のマージンを治療するための「マージン値」を含む、治療する医師の意図を満たすための手術器具、エネルギーレベルおよび／または治療期間を選択することができる。
【００４３】
図６および図７は、表示装置１１０に表示することができるグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）を示す。図６および図７に示すように、各ＧＵＩは、レンダリングされたＤＩＣＯＭ画像を表示するために、複数の領域（例えば、領域１３２、１３４および１３６）に分割されている。例えば、領域１３２は、横断面に沿った患者「Ｐ」の画像を示し、領域１３４は、冠状断面に沿った患者「Ｐ」の画像を示す。領域１３６は、患者「Ｐ」の３Ｄレンダリングを示す。他の実施形態では、矢状断面をＧＵＩに表示してもよい。ＧＵＩにより、使用者は、ドロップダウンメニュー１３１の中の異なる焼灼針を選択することができる。ＧＵＩにより、使用者は領域１３３および１３５で電力および時間設定値をそれぞれ調整することもできる。さらに、ＧＵＩは領域１３７内に複数のさらなるツールを有し、それらのツールとしては、シード点の選択を開始する計画ツール、コントラストツール、ズームツール、ドラッグツール、ＤＩＣＯＭ画像内をスクロールするためのスクロールツールおよびＤＩＣＯＭデータセットのボリュームレンダリングを表示するための３Ｄレンダリングツールが挙げられるが、これらに限定されない。
【００４４】
図８のフローチャートは、画像領域分割工程１２４および逆方向治療計画工程１２６を実施するための基本的なアルゴリズムを示す。図８に示すように、使用者は、工程１４０でシード点を選択する（十字線が領域１３２および１３４において標的「Ｔ」の中心に置かれている図６を参照）。シード点を手動で選択した後、計画システム１００は、工程１４２で小結節を領域分割して関心領域の体積の境界を画定する。他の実施形態では、画素の強度値に基づいてシード点を自動的に検出してもよい。
【００４５】
図９は、小結節を領域分割するために使用されるアルゴリズムのフローチャーである。図９に示すように、工程１５１でシード点を特定したら、このアルゴリズムは、工程１５２で関心領域（ＲＯＩ）を生成する。例えば、ＲＯＩは、４ｃｍ３の体積を包含してもよい。工程１５３では、連結閾値フィルタは、閾値を適用し、メモリ１０４に格納されているＤＩＣＯＭ画像内のシード点に連結された全ての画素を見つける。例えば、閾値は、肺小結節を領域分割する際は、−４００ハンスフィールド単位（ＨＵ）で開始し、１００ＨＵで終了してもよい。
【００４６】
工程１５４では、制御装置１０６は、幾何フィルタを適用して物体の大きさおよび形状を計算する。幾何フィルタにより、分類された体積内の全ての物体の幾何学的特徴を測定することができる。この分類された体積は、例えば、異なる解剖学的構造に領域分割された医用画像を表すことができる。これらの物体の各種幾何学的特徴の測定により、画像へのさらなる洞察を得ることができる。
【００４７】
このアルゴリズムは、工程１５５で所定の形状が検出されたか否かを決定する。所定の形状が検出されなかった場合、このアルゴリズムは工程１５６に進み、そこで所定の値だけ閾値を増加させる。このアルゴリズムは、所定の物体が検出されるまで工程１５３〜１５５を繰り返す。
【００４８】
所定の物体が検出されたら、このアルゴリズムは工程１５７で終了し、計画システム１００は、工程１４４に進んで容量分析を行う。容量分析の間、球状の物体の以下の特性：最小直径、最大直径、平均直径、体積、球形度、最小密度、最大密度および平均密度を制御装置１０６によって計算してもよい。計算された特性を、図７の領域１３９に示すように表示装置１１０に表示してもよい。容量分析では、幾何フィルタを使用して、最小直径、最大直径、体積、伸び率、表面積および／または球形度を決定してもよい。また、工程１４４では、画像強度統計フィルタを幾何フィルタと共に使用してもよい。画像強度統計フィルタは、最小密度、最大密度および平均密度を計算する。
【００４９】
工程１４６では、境界が画定された標的のために、電力および時間設定値を計算する。図１０は、所与の期間にわたって組織内に堆積したエネルギーと得られた焼灼区域との関係の各種グラフを示す。この関係により、標的組織（すなわち、腫瘍、類線維腫など）の寸法および特性ならびに特定の焼灼針のエネルギー線量／アンテナ設計を考慮した逆方向治療計画が可能となる。以下の表１は、焼灼針に関する焼灼体積、電力および時間の関係の例を示す。
【表１】
0006670107.tif 000002
【００５０】
表１の値を使用し、この表から一次方程式を導いて、最適な電力および時間設定値を計算することができる。例えば、線形回帰分析を用いて、表１から以下の方程式が得られる。
【００５１】
体積＝０．２９２３８１×電力＋８．６８５７１４×時間−４４．０７６２  （１）
【００５２】
これを以下のように書き換えることができる。
【００５３】
電力＝（体積−８．６８５７１４×時間＋４４．０７６２）／０．２９２３８１  （２）
【００５４】
所望の体積は、以下のように、容量分析からの最大直径＋１センチメートルのマージンを用いて計算することができる。
【００５５】
所望の体積＝４／３×π×所望の半径＾３  （３）
【００５６】
ここで、所望の半径は以下のように計算する。
【００５７】
所望の半径＝最大の小結節直径／２＋マージン  （４）
【００５８】
所望の体積を方程式（１）または（２）に代入すると、２つの未知の電力および時間が残る。方程式（２）を用いて、制御装置１０６は、時間の値を代入して電力の値を求めることができる。制御装置１０６は、使用者が電力を安全な範囲に維持しながら可能な限り素早く処置を行うことができるように、時間に対して電力を７０Ｗ未満に維持する最小値または他の所定の値を選択する。
【００５９】
１４６で電力および時間を計算したら、図７に示すように、電力および時間を表示装置１１０に表示する（１３３および１３５を参照）。使用者は、コントロール１３３および１３５をそれぞれ使用して、計算された電力および／または時間を調整して治療区域１３８ａおよび／またはマージン１３８ｂを調整することができる。
【００６０】
メモリ１０４および／または制御装置１０６は、異なる手術器具に対応する複数の方程式を格納していてもよい。使用者がドロップダウンメニュー１３１で異なる手術器具を選択する場合、制御装置１０６は、上に記載されている同じ分析を行って時間に対して電力を７０Ｗ未満に維持する最小値または他の所定の値を決定することができる。
【００６１】
上記手順は、所定の物体を決定するための単一のシード点の使用について記載しているが、標的の中には、他の組織への損傷を引き起こさずには所定の治療区域のみを治療することができない不規則な形状を有するものもある。そのような場合、複数の場所に再配置される単一の手術器具または不規則な形状の領域を治療するために同時に使用することができる複数の手術器具を用い、複数のシード点を使用して不規則な形状の治療計画を作成してもよい。
【００６２】
他の実施形態では、メモリ１０４および／または制御装置１０６は、生体外または生体内で治療区域を達成するのに必要な電力、時間、器具の数および器具の間隔を含む、手術器具および治療区域性能の一覧を格納していてもよい。画像領域分割および容量分析の結果に基づいて、制御装置は、ＲＯＩを治療するための器具の種類、器具の数、複数の器具の間隔および／または各器具の電力および時間設定値を自動的に選択してもよく。あるいは、使用者は、治療計画を生成するためのＧＵＩを用いて、ＲＯＩを治療するための器具の種類、器具の数、複数の器具の間隔、各器具のための電力および／または時間設定値を手動で選択することができる。
【００６３】
本開示に係る別の実施形態では、計画システム１００は、標的だけでなく臓器および他の重要な構造も領域分割する。臓器および血管などの他の構造の領域分割を使用して、より進歩した治療計画を得る。図１０に関して上に記載したように、治療区域は、エネルギー送達に規則的に相関する。さらに、３ミリメートルを超える血管は、治療区域の形成に悪影響を与える可能性があることが知られている。血管の領域分割により、血管の直径（Ｄ１）および血管と提案される標的との距離（Ｄ２）（図１１Ａを参照）を含む、血管と標的との相互作用を推定することができる。この相互作用は、使用者によって手動で、あるいは制御装置１０６によって自動的に推定してもよい。血管の直径Ｄ１および距離Ｄ２を用いて、計画システム１００は、図１１Ｂに示すように、治療目的のために使用される別の線量曲線を自動的に提案してもよい。あるいは、制御装置１０６は、表示装置１１０を介して、使用者に治療区域を移動するという提案を行ってもよい。さらに、異なる治療区域案を表示装置１１０に表示することができる。さらに、図８の「電力および時間設定値を計算する」工程１４６では、制御装置は、血管の直径および標的領域までの距離によって異なる曲線を利用することができる。
【００６４】
図１２Ａ〜図１２Ｃは、臓器の領域分割を用いる進歩した治療計画を示す。臓器の領域分割により、治療過程を計画する際に少なくとも２つの利点が可能となる。第１の例では、多くの場合、臓器が温存される低侵襲治療が選択される。臓器を領域分割することにより、制御装置１０６は、臓器の体積１６０を計算し、かつ決定された焼灼区域１６２を減算して、図１２Ａに示すように温存される臓器の体積１６４を決定することができる。制御装置１０６が温存される臓器の体積が非常に小さいと判定した場合、制御装置１０６は、別の治療計画が必要であることを使用者に警告するか、あるいは別の治療計画を提案してもよい。
【００６５】
図１２Ｂおよび図１２Ｃは、臓器の表面に位置する標的「Ｔ」のための治療計画を示す。従来では、多くの場合、臓器の表面の近くでの治療が回避されたり、治療可能になる前に、その臓器を他の臓器から離すためのさらなる技術が必要になったりすることがある。本開示に係る別の実施形態では、臓器が領域分割された後に、標的「Ｔ」の位置を決定することもできる。治療計画において治療区域１６２が臓器の表面の外に突出し、かつ標的「Ｔ」がその表面に位置している場合、制御装置１０６は、治療区域１６２が標的「Ｔ」の近くの他の臓器および／または構造に影響を与える可能性があること、および治療計画を変更する必要があることを使用者に警告してもよい。別の実施形態では、制御装置１０６は、使用者に手術器具、エネルギーレベル、治療期間を指示する提案を自動的に行ってもよい。また、制御装置１０６は、図１２Ｂに示すようなより小さい治療区域１６２を提案してもよく、あるいは図１２Ｃに示すように治療区域１６２を移動することを提案してもよい。
【００６６】
他の実施形態では、標的、組織、臓器および他の構造を領域分割した後に、既知の組織特性をこれらの構造に帰属させることができる。そのような組織特性としては、周波数範囲における導電率および誘電率、熱伝導率、熱対流係数などが挙げられるが、これらに限定されない。図８の計画アルゴリズムは、領域分割された腫瘍、組織、臓器および他の構造に帰属する組織特性を使用して、選択された標的を焼灼するのに必要な線量を計算するためにＰｅｎｎｅｓの生体伝熱方程式を解いてもよい。生体熱方程式を用いる、このより包括的な解法の実装を成功させる秘訣としては、定常状態で既知の組織特性を利用して最初の空間温度プロファイルを予測すること、温度上昇に伴う組織特性を利用して温度上昇による空間特性を調整すること、および液体−気体相転移での組織特性を利用することが挙げられる。
【００６７】
図１３を参照すると、本開示の一実施形態に係るナビゲーションシステムが一般に２００として示されている。一般に、ナビゲーションシステム２００には、超音波変換器２０２に取り付けられた参照パッチすなわち基準パッチ２０４が組み込まれている。基準パッチ２０４は、超音波変換器２０２に印刷されていても、接着剤により超音波変換器２０２に貼り付けられていても、超音波変換器２０２に取り外し可能に結合されていてもよい。いくつかの実施形態では、基準パッチは、超音波変換器のハウジングに取り外し可能に取り付けられる（例えば、「クリップで留められる」）ように構成された支持構造体上に配置されている。超音波変換器２０２は、音波を発生する超音波発生器２１０に接続されている。超音波変換器２０２および超音波発生器２１０は、独立型ユニットに組み込まれていてもよい。超音波変換器２０２は、患者「Ｐ」に向かって音波を放つ。音波は、患者「Ｐ」の体内の各種構造に反射し、超音波変換器２０２によって受信される。超音波変換器２０２は、反射された音波を超音波発生器２１０に伝送し、超音波発生器２１０は、反射された音波をリアルタイムで２次元（２Ｄ）画像に変換する。２Ｄ画像は、制御装置２１２に伝送される。制御装置２１２は、その２Ｄ画像を処理し、標的２２０を含む画像２１８として２Ｄ画像を表示装置２１４に表示する。画像２１８は、標的「Ｔ」を含み得る走査平面「Ｓ」のリアルタイム表示である。
【００６８】
本ナビゲーションシステムには、手術器具２０６に取り付けられたカメラ２０８も組み込まれている。カメラ２０８は、走査平面「Ｓ」に対する手術器具２０６の位置を決定するために、リアルタイムで基準パッチ２０４の画像を取り込む。特に、基準パッチ２０４は、走査平面「Ｓ」に対して規定の空間関係を有する。この規定の空間関係は、制御装置２１２に格納されている。カメラ２０８は、制御装置２１２に格納された手術器具２０６に対する既知の空間関係も有する。手術器具２０６と走査平面「Ｓ」との空間関係を決定するために、カメラ２０８は、基準パッチ２０４の画像を取り込み、その画像を制御装置２１２に伝送する。基準パッチ２０４の画像を用いて、制御装置２１２は、手術器具２０６と走査平面「Ｓ」との空間関係を計算することができる。
【００６９】
制御装置２１２が、手術器具２０６と走査平面「Ｓ」との空間関係を決定した後、制御装置２１２は、その関係を表示装置２１４に表示する。図１３に示すように、表示装置２１４は、標的「Ｔ」の標的画像２２０を含む走査平面「Ｓ」の画像２１８を含む。さらに、制御装置２１２は、画像２１８に対する手術器具２０６の仮想の画像２０６ａを重ね合わせて、走査平面「Ｓ」に対する手術器具２０６の位置を示す。焼灼針２０６の角度および位置に基づいて、制御装置２１２は、手術器具２０６の軌道を計算し、かつ一般に２１６として示される計算された軌道を表示することができる。いくつかの実施形態では、十字線すなわち標的を画像２１８の上に重ね合わせて、手術器具２０６が走査平面「Ｓ」と交差する場所を示してもよい。他の実施形態では、ナビゲーション状態を示すために、計算された軌道２１６を赤色または緑色で示してもよい。例えば、手術器具２０６が標的「Ｔ」と交差する経路上にある場合、計算された軌道２１６は緑色で示される。手術器具２０６が標的「Ｔ」と交差する経路上にない場合、計算された軌道２１６は赤色で示される。
【００７０】
制御装置２１２を使用者が制御して、手術器具の種類、エネルギーレベルおよび治療期間を入力することもできる。図１４Ａに示すように、手術器具の種類、エネルギーレベルおよび治療期間を、表示装置２１４に表示することができる。手術器具２０６が標的「Ｔ」と交差する場合、図１４Ｂに示すように、仮想の焼灼区域２２２が画像２１８上に投影される。次いで、エネルギーレベルおよび治療期間を使用者が調整することができ、制御装置２１２は、仮想の焼灼区域２２２を調整して、エネルギーレベルおよび治療期間における変更を反映する。
【００７１】
以下、図１５〜図２２を参照しながら、基準トラッキングシステムについて本明細書に記載する。基準トラッキングシステムでは、制御装置２１２は、カメラ２０８から基準画像を受信する。制御装置２１２は、カメラ２０８のためのカメラ較正および歪み係数、基準システムモデルならびに以前にそこに格納されたカメラ−アンテナ較正データも含む。他の実施形態では、カメラ２０８のためのカメラ較正および歪み係数、基準システムモデルおよびカメラ−アンテナ較正データを、ナビゲーション手順の間に制御装置２１２に入力することができる。基準画像、カメラ２０８のためのカメラ較正および歪み係数、基準システムモデルならびにカメラ−アンテナ較正データに基づいて、制御装置２１２は、焼灼針２０６の位置ならびに診断フレームレート、残余誤差およびトラッキング状態を表示装置２１４に出力することができる。いくつかの実施形態では、カメラ２０８と基準パッチ２０４との距離は、約５〜約２０センチメートルの範囲であってもよい。いくつかの実施形態では、カメラ２０８と基準パッチ２０４との距離は、約１〜約１００センチメートルの範囲であってもよい。
【００７２】
図１５は、制御装置２１２によって用いられる基準トラッキングアルゴリズムの基本的なフローチャートである。図１５に示すように、工程２３０で画像フレームを取り込む。工程２３１では、制御装置２１２は、カメラ較正および歪み係数を用いてレンズ歪みを補正する。カメラ２０８によって取り込まれた画像は、図１６Ａに示すようにレンズ歪みを示すことがある。従って、さらなる計算のために画像を使用可能にする前に、画像の歪みを補正する必要がある。ナビゲーション手順の間にカメラ２０８を使用する前に、カメラ２０８を使用して、様々な角度でチェッカーボードパターンの複数の画像を撮影する。複数の画像および様々な角度を使用して、カメラ行列および歪み係数を生成する。次いで、制御装置２１２はカメラ行列および歪み係数を使用して、レンズの歪みを補正する。
【００７３】
工程２３２では、制御装置２１２は、図１７のアルゴリズムを用いて、画像フレーム内に白い円を見つける。図１７に示すように、工程２４１で受け取った画像フレーム（図１８Ａ）を、工程２４３で動的閾値を用いて閾値処理する（図１８Ｂを参照）。動的閾値を用いる場合、各有効フレームの後に、動的閾値アルゴリズムは、有効フレーム内で見つかった円を用いて、次のフレームのために新しい閾値を計算する。有効フレーム内で見つかった円を用いて、制御装置２１２は、以下の方程式（５）に基づいて新しい閾値を計算する。
【００７４】
閾値＝（黒い円の強度平均＋白い円の強度平均）／２  （５）
【００７５】
所定の閾値を使用して、最初の有効フレームを取り込んでもよく、次いで、これを用いて新しい閾値を計算する。
【００７６】
あるいは、制御装置２１２は、有効フレームが得られる閾値が見つかるまで閾値範囲を試験して、最初の閾値を調べてもよい。最初の閾値が見つかったら、制御装置２１２は、有効フレームに基づいて動的閾値処理のために方程式（５）を使用する。
【００７７】
他の実施形態では、固定された閾値を使用してもよい。固定された閾値は、制御装置２１２に格納された所定の数であってもよく、あるいは、有効フレームが得られる閾値が見つかるまで閾値範囲を試験して決定してもよい。
【００７８】
閾値および自動利得制御を画像に適用した後、工程２４４で連結成分分析を行って、閾値処理された画像内の全ての物体を見つける。工程２４５では、連結成分分析および画像フレームの結果に幾何フィルタを適用する。幾何フィルタは、物体の大きさおよび形状を計算し、図１８Ｃに示すように、円形であってほぼ正しい大きさの物体のみを維持する。全ての円形の物体の加重重心を計算し、それらを格納する。
【００７９】
図１５に戻ると、工程２３２で白い円を見つけるだけでなく、制御装置２１２は、図１９に示すアルゴリズムを用いて工程２３３で黒い円も見つける。黒い円を見つけるためのアルゴリズムは、白い円を見つけるための図１７に示すアルゴリズムと同様である。黒い円を見つけるために、工程２４１で画像フレームを受信した後に（図２０Ａを参照）、制御装置２１２は、図２０Ｂに示すように、工程２４２で画像フレームの輝度を反転させる。次いで、図１７に関して上に記載したように、図２０Ｃに示すように画像を閾値処理し、連結成分分析を行い、幾何フィルタを適用して図２０Ｄに示す画像を得る。工程２４８で全ての黒い円の加重重心を計算し、それらを格納する。さらに、工程２４５では、制御装置２１２は、幾何フィルタを適用して、画像フレーム内の黒い円に加えて黒い領域を決定する。工程２４９で、制御装置２１２は、決定された黒い領域を格納する。
【００８０】
図１５の工程２３４で、制御装置２１２は、図２１Ａに示すアルゴリズムを用いて、基準画像と基準モデルとの一致を見つける。図２１Ａの工程２５１で、制御装置２１２は、図２１Ｂに示すように、トポロジー制約を使用して４つの白い円を選択する。図２１Ｂに示すように、工程２６１で、制御装置２１２は、図１９の工程２４９で格納された黒い領域を得、図１７の工程２４６で格納された白い円を得る。次いで、制御装置２１２は、工程２６３で第１の黒い領域を選択し、工程２６４で第１の黒い領域内の白い円の数を数える。工程２６５で、制御装置２１２は、選択された黒い領域内の円の数が、所定の円の数と一致するか否かを決定する。円の数が所定の円の数と一致しない場合、このアルゴリズムは工程２６６に進み、そこで、次の黒い領域を選択し、工程２６４で、次の黒い領域内の円の数を再度数える。工程２６４で数えた円の数が所定の円の数に一致するまで、このプロセスを繰り返す。工程２６４で数えた円の数が所定の円の数に一致したら、このアルゴリズムは工程２６７に進み、そこで、トポロジー制約アルゴリズムは完了する。他の実施形態では、制御装置２１２は、４つの最も丸い円を選択することにより、４つの白い円を選択する。
【００８１】
４つの円を選択した後、工程２５２で、凸閉包アルゴリズムを用いて、それらを時計回りの順序で並べる。実ベクトル空間Ｖ内の点集合Ｘのための凸閉包または凸包絡は、Ｘを含む最小の凸集合である。それらの点が全て線上にある場合、凸閉包は、最も外側の２つの点を結びつける線分である。平面の場合、全ての点が同じ線上にない限り、凸閉包は凸状の多角形である。同様に、３次元では、凸閉包は一般に、その集合内の全ての点を含む最小の凸状の多面体である。さらに、そのモデル内の４つの一致している基準も時計回りの順序で並べる。
【００８２】
工程２５３では、平面のホモグラフィ行列を計算する。平面のホモグラフィ行列を計算した後、そのホモグラフィ行列を使用して、図２２に示す４つの対応する基準モデルを用いて、基準モデルを画像座標に変換し、最も近く一致している画像基準を見つける（工程２５４および２５５）。制御装置２１２は、工程２５６で残余誤差も計算する。このアルゴリズムは、得られた３Ｄ変換を使用して、３Ｄ基準モデルを２Ｄ画像に変換する。次いで、２Ｄ画像に写像された基準間の距離を２Ｄ画像中で検出された基準と比較する。残余誤差は、画素における平均距離である。この誤差を使用して精度を確認し、赤色／緑色のナビゲーション状態を部分的に決定する。次いで、制御装置２１２は、最大の一致および最小の残余誤差を有するモデルを選択する。より正確な結果のために、最小数（例えば、３つ）の黒い基準の一致が存在しなければならない。
【００８３】
図１５の工程２３５では、カメラ姿勢評価を行う。カメラ姿勢評価では、モデル基準を基準画像平面に繰り返し変換し、かつ画素における残余誤差を最小に抑えることにより、カメラと選択されたモデルとの間の３Ｄ変換を計算する。その目標は、誤差関数の大域的最小点を見つけることにある。生じ得る１つの問題は、回避しなければならない誤差関数における顕著な極小値の発生である（例えば、左側から撮像されたアンテナが、右側から撮像されたアンテナに類似して見える）。制御装置２１２は、複数の始点から最小化を行い、かつ最も小さい誤差を有する結果を選択することにより、極小値を回避する。３Ｄ変換を計算したら、制御装置は３Ｄ変換を使用して、手術器具２０６の座標をモデル空間に変換し、手術器具２０６を仮想の手術器具２０６ａとして表示装置２１４に表示することができる。
【００８４】
物体の境界は異なる照明条件下で拡大および縮小するため、従来の正方形の角の基準位置は、照明条件によって変わることがある。基準パッチ２０４は、黒い円および白い円を使用し、よって、円の中心は常に同じ場所に留まっているため、この問題によって妨げられなることはなく、加重重心を計算するために十分に機能し続ける。他の対照的な画像または色も想定される。
【００８５】
本開示の別の実施形態では、図２３に示すように、計画・ナビゲーションシステム３００が提供される。システム３００は、制御装置３０６に接続された計画システム３０２およびナビゲーションシステム３０４を備える。制御装置３０６は、表示装置３０８に接続されており、表示装置３０８は、単一の表示画面または複数の表示画面（例えば、２つの表示画面）を備えていてもよい。計画システム３０２は、計画システム１００と同様であり、ナビゲーションシステム３０４は、ナビゲーションシステム２００と同様である。システム３００では、表示装置３０８は、本明細書の上に記載されている計画操作およびナビゲーション操作を表示する。計画操作およびナビゲーション操作を、単一の表示画面上に分割された画面配置として表示してもよく、計画操作およびナビゲーション操作を、別個の画面に表示してもよく、あるいは計画操作およびナビゲーション操作を同じ画面に表示してもよく、使用者は、表示を切り替えてもよい。制御装置３０６は、計画システムから線量設定値をインポートし、ナビゲーション操作中にその線量設定値を使用して焼灼区域寸法を表示してもよい。
【００８６】
本開示の他の実施形態では、ＣＴナビゲーションおよびソフトウェアを、計画システム１００に組み込むことができる。図２４、図２５Ａおよび図２５Ｂを参照すると、計画・ナビゲーションシステムは一般に、４００として示されている。システム４００は、電磁参照部４２８および／または光学参照部４３８を有する患者「Ｐ」のＣＴ画像を取り込む画像取得装置４０２を備える。ＣＴ画像は、ＤＩＣＯＭフォーマットで、計画システム１００と同様の計画システム４０４に提供される。計画システム４００を使用して、上記のように治療計画を決定し、治療計画は、制御装置４０８に提供され、図２６に示すように表示装置４１０に計画画面４１２として表示される。
【００８７】
ナビゲーションシステム４０６は、図２５Ａに示す電磁トラッキングシステム、図２５Ｂに示す赤外線トラッキングシステムまたは光学トラッキングシステムを使用してもよい。図２５Ａを参照すると、ナビゲーションシステム４２０は、電磁場発生器４２２、電磁変換器４２６を有する手術器具４２４、および患者の上に配置された電磁参照部４２８を備える。電磁場発生器４２２は、手術器具４２４上の電磁センサ（明確に図示せず）によって検出される電磁波を放ち、次いで、電磁参照部４２８を使用して、手術器具４２４と電磁参照部４２８との空間関係を計算する。空間関係は、電磁場発生器４２２によって計算してもよく、あるいは、電磁場発生器４２２がそのデータを制御装置４０８に提供して、焼灼針４２４と電磁参照部４２８との空間関係を計算してもよい。
【００８８】
図２５Ｂは、上の図１３に記載したナビゲーションシステムと同様の別のナビゲーションシステム４３０を示す。図２５Ｂでは、光学参照部すなわち基準部４３８を患者の上に置く。手術器具４２４に取り付けられたカメラ４３６は、基準部４３８の画像を撮影し、画像を制御装置４０８に伝送して、基準部４３８に対する焼灼針の位置を決定する。
【００８９】
ナビゲーションシステム４０６からデータを受信した後、制御装置４０８は、以下に記載するように、手術器具４２４を標的「Ｔ」に誘導するために、手術器具４２４の位置をＣＴ画像と相関させてもよい。この場合、患者参照部（任意の種類）は、体表に放射線不透過性マーカーを有し、かつＣＴ中に可視化することができる。これにより、制御装置は、患者ＣＴ画像座標系を器具トラッキング座標系に結びつけることができる。
【００９０】
制御装置４０８および表示装置４１０は、互いに協働して、図２７に示すナビゲーション画面４４０にＣＴ画像を表示する。図２７に示すように、表示画面４４０は、横断面表示４４２、冠状方向表示４４４および矢状方向表示４４６を含む。各表示は、標的「Ｔ」および焼灼区域４５２（マージンを含む）の表示を含む。横断面表示４４２、冠状方向表示４４４および矢状方向表示４４６、焼灼区域４５２は全て、計画システム４０４からインポートされる。さらに、全ての計画要素（例えば、器具選択、エネルギーレベルおよび治療期間）は、ナビゲーション画面４４０に自動的に転送される。ナビゲーション画面４４０は、使用者に器具選択、エネルギーレベルおよび治療期間を調整させることができるグラフィカルユーザインタフェースでもある。
【００９１】
焼灼針を標的「Ｔ」に誘導するのを支援するためのナビゲーションガイド画面４４８が表示画面４４０に設けられる。ナビゲーションシステム４０６から受信したデータに基づいて、制御装置は、手術器具４２４が標的「Ｔ」と位置合わせされているか否かを決定することができる。手術器具４２４が標的「Ｔ」と位置合わせされていない場合、円４５４は、外側の円４５３から中心が外れている。次いで、使用者は、円４５４の中心が外側の円４５３の中心と位置合わせされるまで、手術器具４２４の進入角度を調整する。いくつかの実施形態では、円４５４の中心が外側の円４５３の中心に位置合わせされていない場合は、円４５４を赤色の円として表示してもよく、あるいは、円４５４の中心が外側の円４５３の中心と位置合わせされている場合は、円４５４を緑色の円として表示してもよい。さらに、制御装置４０８は、標的「Ｔ」と手術器具４２４との距離を計算してもよい。
【００９２】
図２８に示す別の実施形態では、制御装置４０８は、仮想の手術器具４２４ａを３Ｄレンダリングされた画像に重ね合わせ、組み合わせられた画像を画面４６２に表示する。上記方法と同様に、使用者は、円４５３の中心を円４５４の中心と位置合わせして、手術器具４２４を標的「Ｔ」に誘導することができる。あるいは、使用者は、画面４６２上の仮想の手術器具４２４ａを見て標的「Ｔ」に対する手術器具４２４の位置を決定して、手術器具４２４を標的「Ｔ」に誘導することができる。
【００９３】
図２９は、本開示の別の実施形態を示す。上の画面４６２と同様に、図２９の実施形態では、画面４７２は、以前に取得し、かつレンダリングされたＣＴ画像と空間関係を有する仮想の手術器具４２４ａを示す。このＣＴ画像は、ボリュームレンダリングされて、標的「Ｔ」ならびにさらなる構造、血管および臓器の境界が画定されている。標的「Ｔ」ならびにさらなる構造、血管および臓器をボリュームレンダリングすることにより、使用者は、さらなる構造、血管および臓器が不必要に損傷されるのを回避しながら、手術器具４２４を患者の体内に誘導することができる。
【００９４】
当然のことながら上の記載は、単に本開示の例示である。当業者は、本開示から逸脱することなく、様々な他の形態および修正形態を考案することができる。従って、本開示は、全てのそのような他の形態、修正形態および変形形態を包含するものである。添付の図面を参照しながら記載されている実施形態は、単に本開示の特定の例を示すために提供されている。上記および／または添付の特許請求の範囲に記載されているものとは実質的に異なる他の要素、工程、方法および技術も、本開示の範囲に含まれるものである。
【図１】
0006670107.tif 000003
【図２Ａ】
0006670107.tif 000004
【図２Ｂ】
0006670107.tif 000005
【図３】
0006670107.tif 000006
【図４】
0006670107.tif 000007
【図５】
0006670107.tif 000008
【図６】
0006670107.tif 000009
【図７】
0006670107.tif 000010
【図８】
0006670107.tif 000011
【図９】
0006670107.tif 000012
【図１０Ａ】
0006670107.tif 000013
【図１０Ｂ】
0006670107.tif 000014
【図１１Ａ】
0006670107.tif 000015
【図１１Ｂ】
0006670107.tif 000016
【図１２Ａ】
0006670107.tif 000017
【図１２Ｂ】
0006670107.tif 000018
【図１２Ｃ】
0006670107.tif 000019
【図１３】
0006670107.tif 000020
【図１４Ａ】
0006670107.tif 000021
【図１４Ｂ】
0006670107.tif 000022
【図１５】
0006670107.tif 000023
【図１６Ａ】
0006670107.tif 000024
【図１６Ｂ】
0006670107.tif 000025
【図１７】
0006670107.tif 000026
【図１８Ａ】
0006670107.tif 000027
【図１８Ｂ】
0006670107.tif 000028
【図１８Ｃ】
0006670107.tif 000029
【図１９】
0006670107.tif 000030
【図２０Ａ】
0006670107.tif 000031
【図２０Ｂ】
0006670107.tif 000032
【図２０Ｃ】
0006670107.tif 000033
【図２０Ｄ】
0006670107.tif 000034
【図２１Ａ】
0006670107.tif 000035
【図２１Ｂ】
0006670107.tif 000036
【図２２Ａ】
0006670107.tif 000037
【図２２Ｂ】
0006670107.tif 000038
【図２２Ｃ】
0006670107.tif 000039
【図２２Ｄ】
0006670107.tif 000040
【図２３】
0006670107.tif 000041
【図２４】
0006670107.tif 000042
【図２５Ａ】
0006670107.tif 000043
【図２５Ｂ】
0006670107.tif 000044
【図２６】
0006670107.tif 000045
【図２７】
0006670107.tif 000046
【図２８】
0006670107.tif 000047
【図２９】
0006670107.tif 000048