(57)【要約】【課題】本発明は、手術等のために映像を物理的空間と一致させるために人体の一部に埋め込まれたターゲットを提供することを目的とする。【解決手段】座標空間デジタイザ78にトランスデューサ72を取付けてパルス／受信機74によりパルス付勢し、それを第１の目標物体の近くの表面に沿って移動させて第１の目標物体の第１の部分の音響インピーダンスと第１の目標物体の第１の部分の近くに位置された基準マーカー等の材料の音響インピーダンスとの差から生じるエコーを受信し、受信エコーに応答する第１の目標物体の座標における位置とトランスデューサ72の位置および方向とを決定する。【選択図】      図１５
2004243140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空洞を含んでいる容器を有している映像マーカー装置を具備している基準マーカー装置において、前記空洞が、
第１の音響インピーダンスを有する第１の材料を含んでいる第１の部分と、
前記第１の音響インピーダンスと異なる第２の音響インピーダンスを有する第２の材料を含んでいる第２の部分とを具備している基準マーカー装置。
【請求項２】
前記第２の部分が前記映像マーカー装置のキャップを具備する請求項１記載の基準マーカー装置。
【請求項３】
前記キャップがガラスマーカーキャップである請求項２記載の基準マーカー装置。
【請求項４】
前記第２の部分が前記基準マーカーの端部の近くに層を具備する請求項１記載の基準マーカー装置。
【請求項５】
前記第２の音響インピーダンスが前記第１の音響インピーダンスより高い請求項４記載の基準マーカー装置。
【請求項６】
前記基準マーカーが恒久的な埋め込み可能な基準マーカーである請求項１記載の基準マーカー装置。
【請求項７】
前記基準マーカー装置が超音波検出技術において使用される請求項１記載の基準マーカー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体の一部分に埋め込まれ、目標物体の一部の音響インピーダンスと異なる音響インピーダンスを有している材料の付近にある少なくとも一部分を有している目標物体の位置決定、特に振幅モード（Ａモード）音響技術および座標空間デジタイザを使用している埋め込まれたターゲットの位置決定に関する。
【背景技術】
【０００２】
別の応用に拡張可能な埋め込みターゲット自動位置決定方法は、人間の頭蓋骨の中、好ましくは頭皮および皮下脂肪の下の頭蓋骨表面と同じ高さで埋め込まれる小さな流体で満たされたポリマーシリンダを位置決定するために使用される。これらの恒久的に埋め込まれたシリンダは、神経外科の場合における物理的空間を有する断層撮像部位の一致、および長時間にわたる患者の追跡のための基準マークとして作用される。
【０００３】
コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、磁気共鳴映像（ＭＲＩ）および陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）のような断層撮像モダリティ様相は、１組の３次元の「薄片」として３次元の撮像部位を生成する。これらの撮像部位は、手術用あるいは放射線療法計画に必要な情報を含む。このような情報は、このような腫瘍の位置と、避けなければならない血管の位置と、視覚的組織検査によって認識できるものにまさる障害周辺図の間の３次元的な距離を含む。
【０００４】
しかしながら、これらの３次元の撮像部位は、互いにおよび物理的な患者の人体に対して任意の方向にある。結果として、映像における同じ位置を相互に関連付けることおよび比較することは難しい。また、外科医は、ガイドツールとして手術中に物理的な人体に関する詳細な映像情報を正確に相関することはできない。
【０００５】
多重３次元撮像部位あるいは空間の相関は、空間の一致と呼ばれている。空間の一致は、映像セットにおける点の間あるいは１つ以上の映像セットおよび物理的空間における点の間に相関的な写像を設定する。座標間の情報は、各表示における１組の少なくとも３つの共通の目標、すなわち基準マーカーの位置に基づいて計算される。実際の基準点は、基準マーカーの幾何学的中心である。座標系間の写像の正確さは、基準マーカーの中心の座標がそれぞれ３次元空間において知られている写像の正確さに依存する。
【０００６】
基準マーカーは、映像と映像、あるいは映像と物理的空間の一致を可能にするために基準のフレームを提供する。期間中映像データの表示を得るために基準マーカーを使用する一般的な技術は、Allen 氏らによる米国特許第 4,991,579号明細書に記載されている。
【０００７】
正確な映像と物理的空間の一致のための基準マーカーは、正確に位置されなければならず、映像モダリティにおいて目立つ材料で構成されなければならない。McCrory 氏らによる米国特許出願第08/0117,167 号明細書には、神経外科用映像一致および映像と物理的空間の一致のための基準マーカーの設計および組成、および撮像部位におけるイメージされたマーカーの中心を位置決定する方法が記載されている。この特許明細書には、剛性のために頭蓋骨中に固定され、頭皮上に突出している映像可視部分を有する仮のマーカーと、および頭皮および皮下脂肪の下の頭蓋骨中に埋め込まれた恒久的なマーカーとを含む２つのタイプのマーカーが記載されている。
【０００８】
内部の恒久的な基準マーカーは、進度管理治療のために長時間にわたる映像の比較を可能にする。さらに、恒久的なマーカーは、ターゲットとなる障害部に放射される量を最大にし、周囲の組織に与える損傷を最小にするため、わずかな放射量が多くの期間に投与されている細分された放射線治療の放射を可能にする。細分された放射線治療は、放射線が処理前の映像から決定される基準マーカーに関して適切に向けられるように、同じ基準フレーム構造がそれぞれの処理のために一定の位置に存在することを要求する。仮のマーカーおよび立体的フレームは十分長時間その位置にとどまることはできず、この要求を満たすために正確に再び固定されることもできない。
【０００９】
基準マーク方法に加えて、映像と物理的空間の一致は、物理的空間における座標を設定する方法を必要とする。特定のポインタ装置を含んでいる複数の座標空間デジタイザまたは座標読取り装置が開発されており、座標空間を画定し、取り付けられたコンピュータに終点の３次元座標を送る。１例として、関節連結したアームは各結合の角度的位置を追跡するジョイントを有し、取り付けられたコンピュータが終点座標を計算することを可能にする。あまり厄介でない代替物はその軸に沿った赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する棒であり、ＬＥＤは次々に閃光発光され、コンピュータに取り付けられた赤外線カメラは固定位置における１組の基準ＬＥＤに関するこのＬＥＤの位置を示す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
神経学的な映像空間および物理的空間を相関するシステムに要求されるものは、ポインタ装置によって定められた座標系における基準マーカーの中心位置を決定する手段である。頭皮の外側で見ることができるマーカーに関して、基準位置は基準マーカーをポインタ装置に接触させることによって簡単に記録されることができる。しかしながら、マーカーの正確な３次元位置を位置決定している恒久的な皮下に埋め込まれたマーカーはさらに非常に難しい。この目的を満たすターゲット位置決定方法は、神経外科の場合における物理的空間を有する撮像部位の表示において予め必要となる。
【００１１】
マーカーがコンピュータに記憶された手術前の映像セットおよび同じコンピュータに取り付けられたポインタ装置によって定められた物理的空間において位置が決定されると、システムディスプレイは相互作用する手術用のガイドを提供することができる。ポインタ装置の終点の位置は、撮像部位を通る適当な薄片でディスプレイ上に示される。ポインタ装置として関節連結したアームを使用しているこのような相互作用する映像ガイド手術システムは、Allen 氏らによる米国特許第 5,142,930号明細書に記載されている。
【００１２】
さらに、参考文献としてNowacki 氏らによる米国特許第 5,197,476号明細書には、生体におけるターゲットを位置決定するために赤外線ＬＥＤベースポインタ装置と結合されている超音波プローブを開示している。複数の赤外線光を含んでいる３次元フレームは、テーブル上に位置される。コンピュータは赤外線を閃光発光し、赤外線光の位置は１対の赤外線感知カメラによって監視され、コンピュータに記憶される。携帯型超音波プローブは、プローブがカメラによって監視されることができるように複数の赤外線光源が設けられている。コンピュータは、人体のターゲットの位置がコンピュータモニタに表示されるように、プローブの位置を正確に決定するためにフレーム赤外線の最初の位置とプローブの光の位置を比較する。Nowacki 氏らによる特許明細書に開示された方法は輝度モード（Ｂモード）の超音波映像を使用し、所望のターゲットが表示されるときに視覚的に認識するために訓練された熟練者を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、対称的に成形され埋め込まれたターゲットの３次元座標を自動的に位置決定する方法および装置に関する。超音波方法は、ターゲットの特性音響インピーダンス（Ｚ0 ）と、周囲の材料の特性音響インピーダンスの差と、超音波エコー間の時間遅延とに基づいている。
【００１４】
本発明は、１次元の時間ドメインの「信号」を生成するＡモードの超音波技術を使用する。トランスデューサによって受信されたエコーは信号における偏位として示されており、これらの偏位の振幅はエコーが生じる境界面を形成する材料の音響インピーダンスにおける差に比例する。対照的に、Ｂモードの超音波映像はビデオディスプレイ上に供給されるような２次元映像を生成し、映像の表示された各線は隣接した位置から得られる単一のＡモード信号に対応する。線に沿った各画素あるいはドットの輝度あるいは強度は、受信されたエコーの振幅に対応する。
【００１５】
本発明の実施例によれば、Ａモードの超音波トランスデューサは物理的空間の座標をデジタル化するポインタ装置に取り付けられる。自動ターゲット検出アルゴリズムは、トランスデューサの位置および方向の情報と共に反射された超音波信号を受信するコンピュータにおいて実行される。ポインタ装置の座標系におけるターゲットあるいは基準マーカーの位置は、受信されたエコーおよびトランスデューサの位置および方向に応じて決定される。
【００１６】
本発明は、以下の超音波の原理に基づいている。超音波パルスは、トランスデューサから放射されるとき、それが異なる特性音響インピーダンスの材料を有する境界面に達するまで、材料を通って伝播する。この境界面で、パルスのパワーの一部分は反射して戻されトランスデューサによって受信され、残りのパワーは境界面からさらに深く伝播する。送信されたパワーに対する反射パワーの比は、２つの材料の特性音響インピーダンスにおける差の２乗に比例する。トランスデューサによって受信されるエコー間の時間遅延は、超音波パルスおよび介在している材料中の音速によって移動される距離を得るために介在している材料における音速で乗算される。
【００１７】
本発明は、数ミリメートルの直径の小さなターゲットの中心位置を決定することのできる正確な位置決定手段を提供する。正確さは、映像と物理的空間の一致に関する本発明の記述されたアプリケーションに関して臨界的である。このアプリケーションに関する基準マーカー設計の１実施例は、ポリマーシェルおよび水性溶液で構成されている直径が３ｍｍで高さが４ｍｍのシリンダである。このようなマーカーは、皮膚および皮下脂肪の下の頭蓋骨表面と同一の高さで頭蓋骨中に埋め込まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施例によれば、回転対称ビームを処理するＡモードの超音波トランスデューサ（例えば、円形の単結晶ピストントランスデューサ）は、トランスデューサが空間中を移動されるときに接続されたコンピュータがトランスデューサの座標および方向を追跡するようにポインタ装置に取付けられる。
【００１９】
図１は、円形断面を有するビーム（図示されていない）を有するＡモード超音波トランスデューサ20の実施例を示す。トリガパルスに応じて、パルサ／受信機22はケーブル24を介してトランスデューサ20に電気トリガ信号を供給する。電気トリガ信号に応じて、トランスデューサ20は超音波パルスを放射する。トランスデューサ20は反射された音響波を受信し、それらを電気的な時間ドメイン信号に変換し、ケーブル24を介してパルサ／受信機22に送る。これらの信号は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器28を介してコンピュータ26に転送される。パルサ／受信機22へのトリガパルス信号入力は、コンピュータ26によって行われる。
【００２０】
本発明の１実施例によれば、オペレータは、水、音響走査ゲル、あるいはミネラルオイルのような結合媒体の補助によって被検体表面に垂直な表面に沿ってトランスデューサ20を移動させる。コンピュータ26はパルサ／受信機22を介してトランスデューサ20にパルスを与え、ポインタ装置システムによって決定されたような対応しているトランスデューサ位置および方向と共に反射されたエコーを受信する。放射された音響波が同様の特徴の音響インピーダンス（Ｚ0 ）を有する材料の層を通って進行するとき、小さなパワーがトランスデューサ20に反射して戻される。結果として、これらの受信されたエコーは小さな振幅を有する。
【００２１】
音響インピーダンスＺ0 が大いに異なる目標物体を有する境界面に超音波ビームが達するとき、大きな振幅のエコーが生じる。それ故、埋め込まれたターゲットがその上あるいは下の層より非常に大きい、あるいは小さい音響インピーダンスＺ0 を有する材料から構成されている場合、「ターゲット境界面エコー」が生じる。他に同様の反射器が埋め込まれたターゲットの予測された深さの範囲に位置されることがないことを保証するのに十分な従来の認識が存在する場合、ターゲットはこのようなターゲット境界面エコーの存在に基づいて本発明によって自動的に検出されることができる。
【００２２】
ターゲット境界面エコーの振幅は、超音波ビームの最大部分が境界面に到達し、それから反射される時に最大となる。超音波ビームがターゲットの直径より大きな直径あるいはそれとほぼ同じ直径を有する場合、トランスデューサがターゲットに関して中心に位置付けられるときに最大のエコー振幅が生じる。それぞれ受信された信号に対応しているトランスデューサの位置と結合されるこの論理は、超音波ビームと垂直な横の面におけるターゲットの位置を写像(map)するために使用される。トランスデューサ面からのターゲットの深さを決定するために、本発明は受信されたエコー間の時間遅延を決定する。介在している材料における音の速度の知識に基づいて、トランスデューサの方向の決定は、ターゲットの３次元位置を推定する基礎とされる。
【００２３】
本発明の１実施例を実行するために使用されるポインタ装置の１例は、アーム部分の間の角度を追跡する各ジョイントにエンコーダを具備している関節連結したアームである。図２は、超音波トランスデューサが本発明の実施例によって取り付けられているこのようなポインタ装置システムの１例を示す。図２は、Allen 氏らによる米国特許第 5,142,930号明細書に記載された相互作用する映像ガイド神経外科システムに使用されるような関節連結したアーム34を示す。図２に示されるように、外部アーム34は、幾つかの位置に可動的に取付けられるベース36に取付けられている。アーム34は、本発明の目的のために可変性であり、取り付けられた超音波装置を含むポインタ装置である端部チップ40を含んでいるツール38を支持する。超音波検出器を構成するセンサ（図２には示されていない）は、本発明を実行するためにツール38およびツール38の端部チップ40に取り付けられる。アーム34は２つのアーム40Ａ、40Ｂを有する。第１のアーム40Ａは、２つのジンバルジョイント42によってベースに結合される。それ故、第１のアーム40Ａは２つのジンバルジョイント42によって行われるような２段階の動作を有する。
【００２４】
第２のアーム40Ｂは、ジンバルジョイントの第２の対によって第１のアーム40Ａに結合される。ジンバルジョイントの第２の対42は、動作の２つの付加的な段階を有する第２のアーム40Ｂを提供する。それ故、第２のアーム長40Ｂはアーム34のベース36に関して適切な４段階の動作を有する。
【００２５】
ツールホルダ44は、１対のジンバルジョイント42によって第２のアーム40Ｂに結合される。ツールホルダ44は、ポインタ装置、超音波装置、手術用レーザ、バイオプシープローブ、放射ビームコリメータ等を含む多数の異なるツールを保持することができる。本発明の実施例において、ツールホルダ44によって保持されるツールは超音波装置（図２には図示されていない）である。ジンバルジョイント42の第３の対は、ツール38がベース36に関して適切な６段階の動作を有するように２つの付加的な段階の動作を有するツール38を提供する。
【００２６】
ベース36に関する適切なツール38の正確な位置は、光エンコーダ46によって監視される。１つの光エンコーダ46が各ジンバルジョイント42に割当てられている。各ジンバルジョイント42はその軸を中心に回転し、光エンコーダ46はピボットの周囲のジンバルジョイント42の正確な回転の量を決定する。６個の各光エンコーダ46からの情報は、ワイヤ48を介してプログラム可能なコンピュータ（図２には示されていない）に供給される。それ故、プログラム可能なコンピュータは、それらのピボットの周囲のジンバルジョイント42の個々の回転の追跡を保持することによってベース36に関するツール38の運動を正確に追跡することができる。
【００２７】
本発明を実行するために使用されるポインタ装置の別の実施例は、その軸に沿った赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用する。ＬＥＤは次々に閃光放電され、コンピュータに取り付けられた赤外線カメラは固定された位置における１組の基準ＬＥＤに関するＬＥＤの位置を示す。物理的空間の座標をデジタル化するこのようなシステムは、Optotrak/3020 （Northern Digital Inc., Wterloo, Ontario ）の図３に示されるものである。このシステムの１実施例は、Nowacki 氏らによる米国特許第 5,297,476号明細書に記載されている。
【００２８】
図３に示される光学系はポインタ装置として示されている目標物体の座標および方向を追跡するが、本発明の実施例を実施するためにＡモードの超音波トランスデューサによって置換されている。軸52は、その表面上の複数の赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）を有して目標物体から延在する。ケーブルは、（軸52および端部効果器50から構成される）プローブ54をストローバ56に接続する。プローブ54は、使用者によって容易に自由に操作される。剛体本体と呼ばれている１組の基準赤外線ＬＥＤ58は領域付近の固定位置に取り付けられる。この組の基準ＬＥＤ58は、物理的空間における３次元座標の原点を設定する。
【００２９】
軸52の赤外線ＬＥＤおよび基準赤外線ＬＥＤ58はストローバ56によって次々に付勢されて閃光発光し、位置センサ60により見える。位置センサ60は、視野を単一の線に圧縮するためにＣＣＤの前に配置された円筒型レンズを備えた３つの線形電荷結合装置（ＣＣＤ）カメラ60Ａ、60Ｂ、60Ｃを含む。各ＣＣＤ60Ａ、60Ｂ、60Ｃの出力は、視野における目標物体の位置を引き出す分離したプロセッサ（図示されていない）によって捕獲される。第４のプロセッサ（図示されていない）は３つの分離した個々のプロセッサの出力を受信し、赤外線ＬＥＤの位置を三角法で測定し、それをコンピュータ62に送る。軸52上の赤外線ＬＥＤは既知の工程および構造においてパルス付勢され、端部効果器50の長さは知られているので、コンピュータ62は基準赤外線ＬＥＤ58の剛体本体に関して端部効果器50の時間により異なる位置を計算することができる。
【００３０】
本発明は、図２および図３に示されたポインタ装置を使用している本発明の実施例には限定されない。本発明によれば、超音波トランスデューサは、トランスデューサの座標および方向が例えば図４に示されたような接続されたコンピュータに連続的に送られるように任意のポインタ装置に取り付けられることができる。
【００３１】
図４において、トランスデューサ72がコンピュータ78からのトリガー信号76に応じてパルサー／受信機74によってパルス付勢されるごとに、特定の持続時間の超音波信号80はパルサー／受信機74から得られ、コンピュータ78に含まれているＡ／Ｄ変換器82によってデジタル化され、コンピュータ78のメモリ88に信号（ｉ）として記憶される。Ａ／Ｄ変換器82がアナログ超音波信号80をサンプリングする速度は、信号を適切に表すのに十分でなければならない。サンプリング周波数は、超音波信号の周波数帯域幅の少なくとも２倍でなければならない。同時に、電流信号に対応しているトランスデューサ72の位置および方向は、ポインタ装置84から得られる。トランスデューサ位置計算器86は、信号（ｉ）と共にメモリ88に記憶されているポインタ装置84から供給されたデータに応じてトランスデューサ位置（ｉ）を計算する。この方法において信号／位置の対は得られ、目標物体あるいは人体の領域がトランスデューサ装置で走査される。
【００３２】
目標物体あるいは患者が固定位置に固定される都度、目標物体あるいは患者から信号／位置の対を集めるために、トランスデューサ装置は使用者によって保持され、表面に垂直にトランスデューサを保持しながら表面の全域で移動される。図５は、ターゲット94付近のトランスデューサピストン92の位置を示す。超音波隔離パッド96は、トランスデューサピストン92の超音波ビーム98の最適な範囲  （点線で示されている）にターゲット94を位置するために使用される。トランスデューサ面100 と表面102 の間の接触は、音響ゲルあるいは水のような結合媒体の補助によって保持されている。超音波隔離パッド96は、埋め込まれたターゲット94の予測された深さおよび使用されるトランスデューサのタイプに依存して超音波ビーム98の最適な範囲の深さに予測されたターゲットを位置させるために使用される。隔離パッド96は、ゼラチン状の材料の層すなわち「パッド」あるいは水路である。
【００３３】
図４を参照して上記されたような本発明において、信号／位置の対が得られるとき、信号は自動的に分析される。信号は、上記されたような異なる特性音響インピーダンス（Ｚ0 ）の材料の間の境界面から生じるエコーを検出するために分析される。図６の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、低いＺ0 の材料の２つの層114 、116 （例えば、頭皮および脂肪）によって覆われた高いＺ0 の材料112 （例えば、人間の頭蓋骨）中に埋め込まれた低いＺ0 のターゲット110 （例えば、円筒型の基準マーカー）に適用されるようなこの概念を示す。図６の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、トランスデューサピストン118 およびターゲット110 の相対的な位置を示す。図７の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ図６の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）のトランスデューサピストン118 およびターゲット110 の異なる相対的な位置決定に関する超音波信号の対応している受信された反射を示す。図示されたように、この場合に関するターゲット境界面エコーは、ターゲットの末端表面とターゲットが位置する高いＺ0 の断片(divot) との間の境界面から生じるエコーである。図７の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）において、（ｔ0 からｔ1 までの）時間間隔は、ターゲット境界面エコーの深さに対応する。この時間間隔は、ターゲット境界面エコーがこの実施例において予測される時間間隔である。図７の（ｃ）に示される反射信号は、図６の（ｃ）に示されるトランスデューサピストン118 およびターゲットの正確な相対的な位置決定に対応するので、トランスデューサからのターゲットの深さを決定するために使用される信号である。例えば、コンピュータ26、62あるいは78はｔ0 とｔ1 の間の各信号部分を抽出し、その結果、ウインドウ処理された信号と呼ばれる。
【００３４】
抽出されたウインドウ処理された信号の振幅はターゲット110 の中心に対するトランスデューサビーム120 の近接に比例するので、それぞれウインドウ信号の振幅の大きさは計算される。測定された振幅が所定のしきい値を越える信号に関して、その信号に対応しているトランスデューサの座標は、測定された振幅に加重される。重心は、ターゲットに関して中心であるときにトランスデューサ面の座標を推定して計算される。信号あるいは重心に一番近くに得られた信号は試験され、ターゲット境界面エコーの立ち上がり縁の時間指標が検出される。材料における音の速度およびターゲットの形状の知識に基づいて、トランスデューサ面からのターゲットの深さは決定される。（信号と共に記憶される）トランスデューサの方向に沿った信号に対応しているトランスデューサ位置に深さを加えることによって、ターゲットの推定された３次元座標は計算されることができる。
【００３５】
１例として、本発明は、神経外科のガイドのための映像と物理的空間の一致において使用される。基準マーカーが患者に挿入されると、手術前の映像セットが得られる。これらの基準マーカーは、直径１ｍｍ乃至１０ｍｍであり、撮像モダリティにおいて可視である生物学的適合材料から構成される。マーカーは頭蓋骨表面と同一の高さで頭蓋骨中に埋め込まれる。
【００３６】
可能性のあるマーカーのシナリオは、図８の（ａ）および（ｂ）における低いＺ0 のポリマー材料の薄いシェルを有する小さなシリンダが水をベースとした溶液で満たされたマーカー130 、あるいは図１０におけるガラスマーカーすなわち「キャップ」のような高いＺ0 の層142 が最初に埋め込まれるべきであるシリンダの端部（すなわち、頭蓋骨表面に対し遠位のマーカーの末端部）上に含まれることを除いてはマーカー130 と同等であるマーカー140 を含む。
【００３７】
図９の（ａ）および（ｂ）は、それぞれ図８の（ａ）および（ｂ）に示されたトランスデューサピストンあるいは基準マーカー130 のそれぞれの位置に応じて予測された受信エコー信号を示す。図９の（ｂ）における受信信号は、図９の  （ａ）に示された受信信号には含まれていないマーカー／骨の断片エコー部分を含む。このマーカー／骨の断片エコー部分は、上記されたようなウインドウ処理された信号として抽出されている信号の部分である。
【００３８】
上述されたように、図１０は、ガラスマーカー「キャップ」のような高いＺ0 の層142 がマーカー140 の最下部表面上に含まれること以外はマーカー130 と同等である基準マーカー140 を示す。図１１は、図１０のトランスデューサピストンおよび基準マーカー140 の配置に応じる予測され受信信号を示す。図１１に示される信号は、ウインドウ信号として抽出された信号の部分であるマーカー内容／マーカー「キャップ」エコー部分を示す。
【００３９】
本発明の方法において、各撮像部位は、撮像部位の３次元座標系内に各基準マーカーの中心の位置を決定するために分析される（３つ以上のマーカーがさらに正確に座標位置を決定するために使用されることは好ましい）。撮像部位およびそれぞれの部位における基準位置は、コンピュータに記憶される。
【００４０】
手術室において、図１２に示された患者150 は、通常頭をクランプして手術のためにその位置に固定される。相互作用する映像ガイド（ＩＩＧ）アーム152 のようなポインタ装置は、映像セットおよび映像基準位置を保持しているコンピュータ154 に接続される。Ａモードの超音波トランスデューサ156 は、ポインタ装置152 に取り付けられる。基準マーカー158 は、患者150 の頭皮150 Ａおよび皮下脂肪150 Ｂの下の頭蓋骨150 Ｃ中に埋め込まれる。この配置において使用されるトランスデューサ156 の１実施例は、直径３ｍｍの結晶を有する１０ＭＨｚの短焦点ピストンである。ポインタ装置152 は、コンピュータ154 がトランスデューサ面の中心およびトランスデューサの方向の３次元座標を連続的に計算するように設定される。コンピュータ154 はトランスデューサ156 から信号を受信し、例えばマーカー／骨断片エコー部分あるいは信号のマーカー内容／マーカー「キャップ」エコー部分が抽出される受信信号における特徴の抽出を実行する。コンピュータ154 は、ポインタ装置152 から受信されたアーム位置データおよび特徴抽出信号に応じてマーカー158 の中心位置を決定する。
【００４１】
本発明を実施するために、オペレータはトランスデューサ装置156 を保持して、それを患者150 の頭皮150 Ａ上に置き、音響ゲルおよび超音波隔離体160 によってトランスデューサと頭皮の間の接触を維持する。オペレータは、トランスデューサ156 をパルス付勢し、トランスデューサ位置情報と共に反射された信号を受信するコンピュータ154 内のプログラムを開始する。オペレータはトランスデューサ156 をゆっくりと移動させ、信号／位置情報が集められる。受信された信号は、超音波ビームがマーカー158 を貫通するトランスデューサ位置を隔離するように分析される。空間一致の目的のために、マーカー158 の中心の座標は重要である。図１２に示されるように、マーカー158 の中心の推定値は重心／外挿処理を使用して決定され、コンピュータ154 に記憶される。
【００４２】
この処理は、全マーカー（好ましくは３つ以上）が位置決定されるまで反復される。マーカー中心推定の正確さを確立するため、マーカーの中心の間の距離は、例えば手術前の映像から決定されるようなマーカーの中心の間の距離に比較される。エラーが容認できる範囲内である場合、変形は映像セットにおける同等の位置にポインタ装置の手術用空間座標を写像して計算される。
【００４３】
トランスデューサ156 はポインタ装置152 から除去され、関係したハードウェアおよびソフトウェアがポインタ装置152 の長さにおける結果的な変化を表すためにコンピュータ154 を介して更新される。外科医は、手術前の映像セットに示された対応している位置を見るために患者の関心のある位置を指し、コンピュータ154 のディスプレイ162 を見る。この方法において、正確な相互作用する手術用のガイドが外科医に提供される。
【００４４】
図１３は、本発明の実施例によって埋め込まれたターゲットを位置決定する超音波方法のフローチャートを示す。ステップ172 において超音波トランスデューサは、ポインタ装置システムに結合される。患者あるいは走査される目標物体は、例えばテーブルに患者あるいは目標物体をクランプすることによって固定位置に位置付けされる（ステップ174 ）。ステップ176 において、トランスデューサはゲルあるいは水によって表面（例えば、患者の頭皮）に結合される。使用者は、表面に垂直にトランスデューサ装置を保持する。コンピュータは、ステップ180 においてトランスデューサをパルス付勢し、トランスデューサの位置および方向と共に受信され反射された信号を記憶するために使用される。ステップ182 において、使用者は表面に沿ってトランスデューサをゆっくりと動かす。使用者が完了したか否かについての決定はステップ184 において行われる。使用者が完了していない場合、コンピュータはステップ180 において再びトランスデューサをパルス付勢し、反射された信号を記憶する。信号情報のパルス付勢および記憶がステップ184 において決定されたように全て完了されると、コンピュータは受信されたエコー信号の振幅および深さに基づいてステップ186 において自動信号分析を行う。結果として、ターゲットの中心位置は正確に決定される。
【００４５】
図１４は、図１３におけるステップ186 の自動信号分析決定が実施される１実施例を示す。自動信号分析の他の方法が本発明の技術的範囲内で実施され、図１４がその実施例を単に示すものであることに注意すべきである。
図１４は、反射された超音波信号および超音波トランスデューサ位置データを含んでいるマーカー領域に信号およびトランスデューサ座標を収集するステップ192 を含む。このステップを実行するため、反射された信号は異なる音響インピーダンスの材料間の境界面から生じるエコーを検出するために分析される。このような反射された超音波信号は、例えば図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、図９の（ａ）、（ｂ）および図１１に示されたこれらの信号を含む。ステップ194 は、表面エコーが生じた後に集められた信号にウインドウを提供することに関する。このウインドウは、図７の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）におけるｔ0 乃至ｔ1 の部分に対応する。信号のウインドウ部分は反射された信号から抽出される。抽出されたウインドウ信号の振幅は、ターゲットの中心へのトランスデューサビームの近接に対応する。ウインドウ信号の標準偏差σi は、ターゲットの中心へのトランスデューサの近接の表示としてステップ196 において計算される。信号の座標の加重した重心は、例えば以下の式によってステップ198 において決定される。
【００４６】
【数１】
2004243140.tif 000003
ここで、ｘi 、ｙi およびｚi はポインタ装置から受信される超音波トランスデューサ位置データに対応し、信号σi はステップ196 において計算される標準偏差に関係する。「しきい値」は、マーカーを貫通しない信号の最大標準偏差σi に基づいて計算される。各標準偏差σi からこのしきい値を減算することによって、マーカー領域外の信号／位置データを集める重心計算の効果は最小にされる。座標ｘc 、ｙc およびｚc は、ターゲットに関して中心にされたときのトランスデューサ面の座標である。ステップ194 、196 および198 は、マーカーの中心の横方向位置を決定するために使用される位置決定を実行する。
【００４７】
ステップ200 において、マーカーエコーの時間遅延は、ターゲット境界面エコーの立ち上がり縁を決定するために重心座標の位置（ｘc 、ｙc 、ｚc ）の最も近くに位置される。ステップ202 は、例えば次の式によってマーカーの中心の深さを決定する。
【００４８】
ｄc ＝ｄd −０．５＊ｍh 
ここで、ｄc はマーカーの中心からトランスデューサの表面までの深さであり、ｄd はトランスデューサの表面からターゲット境界面（例えば、マーカーとマーカーが位置する断片の間の境界面）までの距離であり、ｍh はマーカーの高さである。トランスデューサ表面からのターゲットの深さは、材料における音の速度およびターゲットの形状に基づいて決定される。（信号と共に記憶される）トランスデューサの方向に沿った信号に対応しているトランスデューサ位置にこの深さを付加することによって、ターゲットの推定された３次元座標は計算される。ステップ204 は、マーカーの深さ、決定されたトランスデューサの位置、および超音波トランスデューサの位置データに基づいてマーカーの中心の３次元座標を計算する。ステップ200 、202 および204 は、トランスデューサの位置からのマーカーの深さを決定するためにマーカーの深さの位置決定を実行する。
【００４９】
図１４に示された信号分析決定ステップは上記されたように説明されているが、本発明が特にこのマーカー位置決定方法に限定されるものではないことを指摘する。本発明は、正確にマーカーの位置を決定する別の方法を使用してターゲットあるいは基準マーカーの位置を決定することによって実施される。
【００５０】
図１５は、本発明の実行において使用される基準マーカー300 を示す。基準マーカー300 は、例えば長期間皮膚の下に完全に埋め込まれたままにされる。マーカー300 は、例えば、１つ以上の映像剤が入れられる空間304 を画定しているシリンダ302 を具備する。円筒型の形状は、マーカーの挿入が行われる切り口の大きさを最小にするため、マーカー300 にとって望ましい。それは、マーカーを適応させるために骨に開けられる穴に最もよく対応する形状である。いずれにせよ、少なくとも対称的な形状であることが好ましい。シリンダの本体はキャップ306 あるいは別の方法で密封される。本体は長期間人体によって十分に許容されるためにポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）のような高密度ポリエチレンのような既知の有機ポリマー、あるいはジルコニウム酸化物およびアルミニウム酸化物のようなセラミックスから構成されることは好ましい。全体のマーカー装置は、長時間にわたる骨中への長期埋め込みのために十分に小さい。１つの例示的なマーカーの寸法は、直径が４ｍｍで高さが３ｍｍである。マーカーは、脂肪および皮下脂肪の下の頭蓋骨表面と同一の高さで人間の頭蓋骨中に埋め込まれる。さらに、マーカーのキャップ306 は、図１０に示されたマーカーと同様のガラスマーカーあるいは「キャップ」のような高い音響インピーダンス層を含む。
【００５１】
上記に定められた円筒型のマーカーは、本発明を使用している位置決定に影響を受けやすい可能性のあるターゲットの組成、形状および埋め込みの単なる１実施例である。本発明を実施するために使用される埋め込まれたターゲットの可能性のある実施例は、１つ以上の低いＺ0 の層の下および高いＺ0 の層中にその層の表面と同一の高さで埋め込まれた低いＺ0 のターゲットを含む。この場合におけるターゲットエコーは、ターゲットとターゲットが位置する高いＺ0 の断片の間の境界面で生成される。付加的な可能性は、高いＺ0 の材料に埋め込まれた低いＺ0 のターゲットおよび低いＺ0 の材料に埋め込まれた高いＺ0 のターゲットを含む。
【００５２】
本発明は、その技術的範囲あるいは本質的な特徴から逸脱することなしにこの明細書において明確に開示されたものと異なる別の特定の形態で実施される可能性がある。例えば、特定の基準マーカーは図１５を参照して記載されているが、本発明はこの明確に記載された埋め込まれたマーカーの位置決定に限定されるものではなく、例えば任意の埋め込まれたターゲットを検出するために実行されることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施例による関係したハードウェアにより配置されたＡモードの超音波トランスデューサを示す図。
【図２】映像ガイド神経外科システムにおけるポインタ装置として使用されている機械的に関節連結したアームの斜視図。
【図３】光ポインタ装置システムの部品の概略図。
【図４】本発明の実施例によるポインタ装置に結合される超音波トランスデューサからの信号および位置情報の獲得を示す概略図。
【図５】ターゲット付近のトランスデューサピストンの位置および超音波ビームの最適な領域にターゲットを位置するための超音波隔離パッドの使用を示す概略図。
【図６】本発明の実施例による超音波位置決定方法におけるトランスデューサおよびターゲットの異なる相対的な位置を示す概略図。
【図７】図６の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示されている位置と、本発明による自動位置決定技術が基礎とされているターゲット境界面エコー信号を含んでいる対応している受信された反射との間の対応を示す波形図。
【図８】本発明の神経外科用の空間の一致の適用のための低いインピーダンスの埋め込まれた基準マークを示す図。
【図９】図８の（ａ）および（ｂ）に示されたトランスデューサピストンおよび基準マーカーの相対的な位置に関する予測され受信された信号の波形図。
【図１０】高いインピーダンスの層を有する低いインピーダンスの基準マーカーが使用されている本発明の１実施例の概略図。
【図１１】図１０に示されたトランスデューサピストンおよび基準マーカーの相対的な位置に関する予測され受信された信号の波形図。
【図１２】手術用の適用に関する本発明の１実施例の概略図。
【図１３】本発明の実施例による埋め込まれたターゲットの自動超音波位置決定方法のフローチャート。
【図１４】本発明の実施例の実行において使用されている自動信号分析決定の１実施例のフローチャート。
【図１５】本発明の実施例において使用される基準マーカーの断面図。
【符号の説明】
【００５４】
300…基準マーカー  302…シリンダ  304…空間  306…キャップ
【図１】
2004243140.tif 000004
【図２】
2004243140.tif 000005
【図３】
2004243140.tif 000006
【図４】
2004243140.tif 000007
【図５】
2004243140.tif 000008
【図６】
2004243140.tif 000009
【図７】
2004243140.tif 000010
【図８】
2004243140.tif 000011
【図９】
2004243140.tif 000012
【図１０】
2004243140.tif 000013
【図１１】
2004243140.tif 000014
【図１２】
2004243140.tif 000015
【図１３】
2004243140.tif 000016
【図１４】
2004243140.tif 000017
【図１５】
2004243140.tif 000018