(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニードル配置マニピュレータであって、
ニードルホルダの軸に沿ってニードルを保持するニードルホルダと、
ニードルを挿入する方向に前記ニードルホルダの軸を位置決めするための固定部分およびリング状の回転可能部分を有するガイドと、
前記ガイドの前記固定部分が支持されるベース本体と、
ベース面とＲＦコイルが設置される設置部とを含む第１アタッチメントと、
前記ベース本体に接続される第２アタッチメントであって、該第２アタッチメントを前記第１アタッチメントに取り付ける取付部を含む第２アタッチメントと、
を含み、
前記第１アタッチメントの前記ベース面は、ニードルを配置する対象者に最も近いマニピュレータの面になるように構成され、
前記ガイドの前記リング状の回転可能部分は、ニードルを配置する前記対象者の上または上方に位置する遠隔の運動中心で前記ニードルホルダの軸が前記リング状の回転可能部分の回転軸と交差するように、前記ベース本体に対して傾けられている、ことを特徴とするニードル配置マニピュレータ。
【請求項２】
前記ガイドは、前記固定部分を含む第１回転ガイドと前記リング状の回転可能部分を含む第２回転ガイドとを含み、
前記ニードルホルダの回転軸と前記リング状の回転可能部分の回転軸とが互いに対して第１角度で交差するように、前記ニードルホルダが前記リング状の回転可能部分に取り付けられている、ことを特徴とする請求項１に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項３】
前記第１アタッチメントおよび前記第２アタッチメントの両方は、前記ニードルホルダの軸の周りに開口領域を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項４】
前記ガイドの前記リング状の回転可能部分は、前記ニードルホルダの軸の周りに円形開口を有する、ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項５】
前記ガイドは、第１回転ガイドおよび第２回転ガイドを含み、それらの回転軸が互いに対して第１角度で固定されており、
前記第１回転ガイドは前記ベース本体に取り付けられた前記固定部分を含み、前記第２回転ガイドは前記リング状の回転可能部分を含む、ことを特徴とする請求項１に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項６】
前記第２回転ガイドと前記ニードルホルダの前記軸とは、互いに対して第２角度で固定され、
前記第２角度は、前記第１角度以上である、ことを特徴とする請求項５に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項７】
前記第１回転ガイドの回転軸、第２回転ガイドの回転軸および前記ニードルホルダの軸は、ニードルを配置する前記対象者の上または上方に位置する交点で交差している、ことを特徴とする請求項５に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項８】
前記交点は、前記第１アタッチメントの前記ベース面の面上にある、ことを特徴とする請求項７に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項９】
少なくとも１つのアクチュエータが前記ガイドの前記固定部分または前記リング状の回転可能部分に配置されている、ことを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項１０】
少なくとも１つの位置センサが前記ガイドの前記固定部分または前記リング状の回転可能部分に配置されている、ことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項１１】
前記アクチュエータは圧電材料を含む、ことを特徴とする請求項９に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項１２】
前記アクチュエータは摺動部を含み、該摺動部は、圧電材料に固定された摩擦要素に加圧手段によって加圧され、且つバイブレータの振動によって相対的に作動される、ことを特徴とする請求項１１に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項１３】
前記アクチュエータは、前記圧電材料が固定されたバイブレータ本体と、加圧手段によって前記バイブレータ本体に加圧され、且つ前記バイブレータ本体の振動によって相対的に作動される摺動部とを含む、ことを特徴とする請求項１１に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項１４】
前記バイブレータ本体は、セラミック材料から作製されている、ことを特徴とする請求項１３に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項１５】
前記摺動部は樹脂材料を含む、ことを特徴とする請求項１２に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項１６】
前記摩擦要素は樹脂材料を含む、ことを特徴とする請求項１２に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項１７】
前記第１アタッチメントの前記設置部は、前記ＲＦコイルの開口を通過する突起部を含み、前記第２アタッチメントは、前記突起部に強固に取り付けられている、ことを特徴とする請求項１乃至１６のうちいずれか１項に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項１８】
画像誘導ニードル位置決めシステムであって、
請求項１に記載のニードル配置マニピュレータと、
ＲＦコイルと、
対象者の対象領域の画像と、前記ニードル配置マニピュレータの画像と、前記ニードルの画像とを取得するＭＲＩシステムと、
前記対象者の前記対象領域を目標にするためのニードル配向角を示す画像誘導システムと、
前記ニードル配向角を受信し、前記ＭＲＩシステムによって取得された前記画像に基づいて前記ガイドの２つの位置を算出するマニピュレータコントローラと、
駆動力をモータおよび位置センサに供給し且つ位置センサから位置信号を受信する駆動制御モータとマニピュレータコントローラとに通信するモータコントローラと、
を含むことを特徴とする画像誘導ニードル位置決めシステム。
【請求項１９】
ニードル配置マニピュレータであって、
ニードルホルダの軸に沿ってニードルを保持するニードルホルダと、
ニードルを配置する対象者に対する挿入方向に前記ニードルホルダを位置決めするように構成された固定部分およびリング状の回転可能部分を有するガイドシステムと、
前記ガイドシステムの前記固定部分が取り付けられた取付部と、ＲＦコイルが設置された設置部とを含むアタッチメントと、
を含み、
前記設置部のベース面は、前記対象者の上に配置されるように構成され、
前記ガイドシステムの前記リング状の回転可能部分は、ニードルを配置する前記対象者の上または上方に位置する遠隔の運動中心で前記ニードルホルダの軸が前記リング状の回転可能部分の回転軸と交差するように、前記アタッチメントの前記取付部に対して傾けられている、ことを特徴とするニードル配置マニピュレータ。
【請求項２０】
前記ニードルホルダの軸および前記リング状の回転可能部分の回転軸は、前記ベース面に平行な面上に位置する交点で交差する、ことを特徴とする請求項１９に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項２１】
前記ガイドシステムは、前記固定部分を含む第１回転ガイドと前記リング状の回転可能部分を含む第２回転ガイドとを含む、ことを特徴とする請求項２０に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項２２】
前記第１回転ガイドに対する傾斜角で前記第２回転ガイドが配置されている、ことを特徴とする請求項２１に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項２３】
前記第１回転ガイドの回転軸と、前記第２回転ガイドの回転軸と、前記ニードルホルダの軸とは、前記交点で交差する、ことを特徴とする請求項２２に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項２４】
前記交点が位置する前記面を調整する距離調整機構を更に含む、ことを特徴とする請求項２０に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項２５】
前記距離調整機構は、前記ベース面の上または前記ベース面の下の、前記ベース面に平行な前記面に前記交点が配置されるように、前記設置部の前記ベース面から前記交点までの距離を変更する、ことを特徴とする請求項２４に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項２６】
前記挿入方向が回転中に変化したときでさえも前記ニードルホルダの軸と前記リング状の回転可能部分の回転軸とが前記遠隔の運動中心で常に交差するように、ニードル配置の間、前記ガイドシステムの前記リング状の回転可能部分は、その傾斜角を維持しながら前記固定部分に対して回転し、円軌道に沿って前記ニードルホルダを移動させる、ことを特徴とする請求項１９に記載のニードル配置マニピュレータ。
【請求項２７】
ニードルを挿入する前記方向が回転中に変化したときでさえも前記ニードルホルダの軸と前記リング状の回転可能部分の回転軸とが前記遠隔の運動中心で常に交差するように、ニードル配置の間、前記ガイドの前記回転可能部分は、その傾斜角を変化せずに前記ベース本体に対して回転し、円軌道に沿って前記ニードルホルダを移動させる、ことを特徴とする請求項１に記載のニードル配置マニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、その全ての開示内容が参照によって本願に組み込まれる、２０１３年３月１５日に出願された米国特許出願第１３／８３６７０８号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般に、医療装置に関し、特に、ニードル配置マニピュレータおよびＲＦコイル用アタッチメントを有するニードル配置マニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００３】
超音波、マンモグラフィ、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、核磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）など、患者の体内における異常の特定や治療を補助するための画像モダリティの使用が、医療分野において次第に受け入れられてきている。上記に挙げたものや他の画像モダリティでは、一般に、体の様々な軟組織の間において良好なコントラストが得られる。したがって、これらの技術の多くは、正確な特定および治療のため、健康な組織内の損傷した組織の境界を表すために使用されている。しかしながら、高度な診断方法には、損傷組織の位置決めにおける更なる検証および改良が要求される。この更なる検証および高度な位置決めは、ニードル生検法によって行われうる。より高い精度で健康な組織内における損傷組織の境界の画定を助けるため、ニードル誘導システムが提案されている。
【０００４】
Fisher等による非特許文献「MRIGuided Needle Insertion-Comparison of Four Techniques」には、ニードルを配置するための４つの技術が説明されている。１）ＭＲ画像と仮想ニードルガイドを患者の上に投影する画像オーバーレイ、２）横や斜めの矢状レーザを交差させることによってマークされたニードル軌道を有するバイプレインレーザ、３）プレアングルガイドスリーブを有する携帯型分度器、４）フリーハンドでの挿入。従来では、これらの技術の全てが、ニードルを挿入するため、画像モダリティの外に患者を移動させる必要があった。
【０００５】
医学環境では、正確な診断または最小侵襲治療のため、組織または特定の臓器の内部に正確にニードルの先端を位置決めする必要がある。生検、切除、凍結療法、吸引および薬物送達は、高精度なニードル配置が要求される例である。経皮切開の前に、着目対象領域（例えば、腫瘍、結節など）が、ＭＲＩ、超音波または他の画像モダリティでの非侵襲的な撮像手段によって確認される。着目対象領域が明確に決定されると、臨床医は、経験に基づいて、ニードルが到達するようにエントリポイント、挿入方向および深さを決定する。このプロセスは、多くの場合、患者に有害になりうる長いトライアル・アンド・エラーのルーチンを必要とする。したがって、ここ数十年において、ニードルの位置決めの正確性を改善し、患者の不快感を最小限にし、操作の時間を短くすることができるニードル誘導システムの開発に関心が高まっている。
【０００６】
プレアングルガイドスリーブを有する携帯型分度器を備えたニードル誘導システムの分野では、Hirdesh Sahni（以下、Sahni）によって開示された米国特許出願公開２０１１／０１９０７８７が例示される。Sahniは、「アークを落とすことでの画像誘導全身定位固定ニードル配置装置」について述べている。Sahniのシステムでは、装置はＣＴおよびＭＲＩモダリティの両方に適合しうるが、患者は、呼吸によって動く領域をニードルが通過している間、息を止めなければならない。その装置は、患者の皮膚上または患者の露出した臓器の近くの上に置かれ、その機能は、動きによって危うくされうる。
【０００７】
モダリティ誘導ニードル配置システムの分野では、Rajiv Gupta等（以下、Gupta）によって開示された米国特許出願公開２００６／０２２９６４１が例示される。Gaptaは、各アームの軸にそれぞれ取り付けられたモータによって駆動される２つの円弧状のアームによってニードルの挿入角度を誘導する「誘導および挿入システム」について述べている。その装置は、目標手術部位に関して位置決めされた装置を見ながら装置およびツールを操作することを可能にするため、ＣＴスキャナなどの撮像装置で使用するために構成されうる。その装置は、患者の皮膚の上に置かれ、ベルトによって固定されうる。その装置は、患者の動きを受動的に補償することができる。
【０００８】
ＭＲＩ誘導経皮的形成術では、正確なニードルの位置が大きな関心事であり、ＣＴや超音波などの他のモダリティに対するニードル配置システムよりもかなり多くの困難がある。他のモダリティとは異なり、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。そのために、ＭＲＩスキャン中、患者は、患者の体内における原子核の磁化を整列するために大きな磁界を使用する強力な磁石内に配置され、原子核の線形磁化を変更するために高周波（ＲＦ）パルスが適用される。これは、原子核に、同調高周波パルスからエネルギを吸収させ、それらの励起の減衰とともに高周波信号を放出させる。核の存在量および分子の化学的環境に応じて強度が変化するこれらの信号は、磁場における磁場勾配を用いることによって、信号（または損傷組織）の点源の３次元（３Ｄ）局在化を可能にする断層画像（選択面）の集合に変換される。具体的には、検出された信号は、身体の走査領域の２次元または３次元ＭＲＩ画像を構築するために使用される。
【０００９】
したがって、ＭＲＩ誘導ニードル配置システムでは、位置決めシステム全体は、検査ボリューム内の磁場の均一性を損なう恐れがないように、実質的に非磁性材料からなることが好ましい。また、誘導システムに対するニードルの空間的な位置を追跡するため、誘導システムに機械的に強固に接続されたＭＲ計測可能なフィデュシャリなど、マーキングポイントを提供することが必要である。このように、マニピュレータ自体の位置は、ＭＲ計測を介して決定されうる。Knuttelが開示する米国特許第６１８５４４５には、そのようなシステムが例示されている。
【００１０】
従来技術の欠点は、１．ＭＲ画像誘導診療にニードル配置マニピュレータを適用する場合、マニピュレータおよびＲＦコイルを、互いに干渉させずに配置しなければならない。マニピュレータは、ＲＦコイルに取り付けるように構成される必要がある。マニピュレータは、ＲＦコイルの上部に配置されるべきであり、観察および診断のための臨床医のワークスペースが制限されないように、且つ臨床医がＲＦコイルの開口を通して患者を観察することができるように着脱可能であるべきである。ＲＦコイルおよびマニピュレータを患者（ニードルを挿入する対象者）の上に配置する工程の数は、患者および臨床医の利便性のため、手順が短縮されるように最小化されるべきである。ニードルを配置する対象者に対するニードルの位置および向きは、精度よく再現可能であるべきである。ニードル配置マニピュレータは、ＭＲＩスキャナの磁場に干渉しない材料で作製されるべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０１９０７８７号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／０２２９６４１号明細書
【発明の概要】
【００１２】
本発明の少なくとも一実施形態としてのニードル配置マニピュレータは、ニードルを保持するニードルホルダと、ニードルを配置する対象者に対して所定の方向に前記ニードルホルダを位置決めするガイドシステムと、前記ガイドシステムが取り付けられる取付部、およびＲＦコイルが設置される設置部を含むアタッチメントとを含む。前記設置部のベース面は、前記対象者の上に配置されるように構成されている。
【００１３】
本発明の更なる特徴は、以下、添付図面を参照して説明される例示的な実施形態によって明らかにされるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、第１実施形態に係るニードル配置マニピュレータを示す。
【図２Ａ】図２Ａは、第１実施形態に係るニードル配置マニピュレータの断面図を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、第１実施形態に係るニードル配置マニピュレータの断面図を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、回転ガイドの回転軸とニードルホルダ軸との間の角度関係を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、様々な挿入角度を有する単一の交点でのニードル挿入の例を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、様々な挿入角度を有する単一の交点でのニードル挿入の例を示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、様々な挿入角度を有する単一の交点でのニードル挿入の例を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、傾きの最大角度θ３、および傾きの最大角度θ３によって決定される最適な回転スペースを示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、傾きの最大角度θ３、および傾きの最大角度θ３によって決定される最適な回転スペースを示す。
【図５Ａ】図５Ａは、電動アクチュエータを備えた第２実施形態に係るニードル配置マニピュレータの断面図を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、電動アクチュエータを備えた第２実施形態に係るニードル配置マニピュレータの断面図を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、図５Ａの左側の詳細断面図を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、光ファイバを用いた図５Ａの左側の詳細断面図を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、第２実施形態の変形例に係る、停止位置に回転ガイドをロックするための止めねじを含む電動ニードルマニピュレータの例を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、第２実施形態の更なる変形例に係る、ベース本体が交点の高さを調整するために摺動部を含む電動ニードルマニピュレータの例を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、第３実施形態に係る、ＲＦコイルに取り付けられたニードルマニピュレータの斜視図を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、ＲＦコイルに取り付けられたニードルマニピュレータの垂直面Ｈ−Ｈに沿ってカットされた断面を示す。
【図９Ａ】図９Ａは、第３実施形態における、垂直面Ｈ−Ｈに沿ってカットされたニードルマニピュレータの断面図を示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、第１アタッチメント３０がその外面で第２アタッチメント３１に係合しているときの図９Ａに示す領域Ａの詳細図を示す。
【図９Ｃ】図９Ｃは、第１アタッチメント３０がその内面で第２アタッチメント３１に係合しているときの図９Ａに示す領域Ａの詳細図を示す。
【図１０Ａ】図１０Ａは、ニードルマニピュレータをＲＦコイルにアタッチメントで着脱するための例示的な手順を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、ニードルマニピュレータをＲＦコイルにアタッチメントで着脱するための例示的な手順を示す。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、ニードルマニピュレータをＲＦコイルにアタッチメントで着脱するための例示的な手順を示す。
【図１１】図１１は、互いに係合された第１および第２アタッチメントでＲＦコイルに取り付けられた組立ニードルマニピュレータの斜視図を示す。
【図１２】図１２は、第４実施形態に係る、ＲＦコイルに取り付けられた電動ニードルマニピュレータの断面図を示す。
【図１３】図１３は、ニードルマニピュレータを含む自動画像誘導ニードル位置決めシステムのブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の説明では、開示された発明を実施することができる実施形態を示す添付の図面が参照される。しかしながら、当業者が、新規性および本開示の範囲から逸脱することなく、他の構造および機能の変更を行いうることを理解すべきである。
【００１６】
説明を参照するのに際し、特定の詳細は、開示された実施例の完全な理解をもたらすため示される。他の実施例では、周知の手法、手順、コンポーネントおよび回路は、不必要に本開示を長くしないように詳細には説明していない。本発明のいくつかの実施例は、一般に、情報および命令を処理するための１つ又は複数のプロセッサ、情報および命令を記憶するためのランダムアクセス（揮発性）メモリ（ＲＡＭ）、静的情報および命令を記憶するための読み取り専用（不揮発性）メモリ（ＲＯＭ）、情報および命令を記憶するための磁気または光ディスクおよびディスクドライブなどのデータ記憶デバイス、情報をコンピュータユーザに表示するためのディスプレイ装置（例えば、モニタ）などの任意のユーザ出力デバイス、プロセッサに情報およびコマンド選択を通信するための英数字およびファンクションキー（例えば、キーボード）を含む任意のユーザ入力デバイス、プロセッサにユーザの入力情報およびコマンド選択を通信するためのカーソルコントロールデバイス（例えば、マウス）などの任意のユーザ入力デバイスを含むコンピュータシステム上で実施されうる。
【００１７】
当業者には明らかなように、本実施例は、システム、方法またはコンピュータプログラム製品として具現化されうる。したがって、いくつかの実施例は、完全なハードウェアの形態、および完全なソフトウェアの形態（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）、または、本明細書において一般に「回路」、「モジュール」または「システム」と呼ばれるソフトウェアとハードウェアとを組み合わせた形態の形をとることができる。更に、いくつかの実施例は、コンピュータで使用可能なプログラムコードを有する表現を格納する何れかの有形の媒体で具現化されたコンピュータプログラム製品の形をとることができる。例えば、方法、装置（システム）およびコンピュータプログラム製品のフローチャート図および／またはブロック図を参照して後述されるいくつかの実施形態は、コンピュータプログラム命令によって実行されうる。コンピュータプログラム命令は、コンピュータまたは他のプログラム可能なデータ処理装置に特定の方法で機能するよう命令することができるコンピュータ可読媒体に記憶されうる。それにより、コンピュータ可読媒体に記憶された命令は、フローチャートおよび／またはブロック図で特定された機能／動作／ステップを実施する命令およびプロセスを含む製品を成す。
【００１８】
ある要素または部分が、他の要素または部分「の上」、「に対して」、「に接続された」または「に結合された」と本明細書で言及されている場合、それは、直接的に当該他の要素または部分の上に、に対して、接続され、または結合されていてもよいし、介在する要素または部分があってもよいと理解するべきである。その一方、ある要素が、他の要素または部分「の上に直接」、「に直接接続された」または「に直接結合された」と本明細書で言及されている場合、それは、介在する要素または部分が存在しない。用語「および／または」を使用したとき、それは、関連する列挙された項目のうちの１以上の何れかおよび全ての組み合わせを含む。
【００１９】
「下」、「真下」、「下方」、「下側」、「上」、「上方」、「近接」、「先端」などの空間的な相対語は、ある要素または特徴における、種々の図に示されるように他の要素または特徴に対する関係を説明するための説明および／または図示を容易にするために用いられうる。しかしながら、空間的な相対用語は、図に示された方向に加えて、使用または動作における装置の異なる向きを含むことが意図されていると理解すべきである。例えば、図中の装置がひっくり返された場合、他の要素または特徴の「下」または「真下」として述べられた要素は、当該他の要素または特徴の「上」になる。したがって、「下」などの相対的な空間用語は、上および下の方向の両方を含みうる。装置は、（９０度または他の方位で回転された）他の向きであってもよく、本明細書で使用される空間的な相対記述子は適宜に解釈されるべきである。同様に、空間的な相対用語「近接」および「先端」も、適用できる場合には置き換え可能である。
【００２０】
用語「第１」、「第２」、「第３」などは、種々の要素、部品、領域、部分および／またはセクションを説明するために本明細書で使用されうる。これらの要素、部品、領域、部分および／またはセクションはこれらの用語によって限定されるべきではないことを理解すべきである。これらの用語は、ある要素、部品、領域、部分またはセクションを、他の領域、部分またはセクションと区別するためのみに使用される。したがって、以下で論じる第１の要素、部品、領域、部分またはセクションは、明細書の内容から外れずに、第２の要素、部品、領域、部分またはセクションと称することができる。
【００２１】
本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態を説明する目的のためであり、限定を意図するものではない。本明細書において単数形は、明らかに複数形を含まないことを示さない限り、複数形を含むことを意図する。用語「含む」および／または「含んでいる」は、本明細書で使用される場合、規定された特徴、整数、工程、動作、要素、および／またはコンポーネントを特定し、明確に規定されていない１以上の他の特徴、整数、工程、動作、要素、コンポーネント、および／またはグループの追加や存在を排除するものではないことを更に理解すべきである。
【００２２】
図に示された例示的な実施形態の説明において、特定の用語が明確化のために採用されている。しかしながら、この特許明細書の開示は、選択された特定の用語に限定されることを意図するものではなく、各特定要素が、同様に動作する全ての技術的等価物を含むことを理解すべきである。
【００２３】
いくつかの図面を参照して、例示的な実施形態を説明する。各図において、同様の参照番号は同様の部分を示す。
【００２４】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態は、上述した問題に対する解決策に向けられている。図１は、第１実施形態に係るニードル配置マニピュレータ１００の斜視図である。図２Ａおよび２Ｂは、異なる動作位置におけるニードル配置マニピュレータの断面図である。
【００２５】
図１に示すように、第１実施形態に係るニードル配置マニピュレータ１００は、ベース本体５の上に互いに傾いた姿勢で配置された２つの円環状の回転ガイド（以下、単に「回転ガイド」と呼ぶ）を含む。具体的には、第１回転ガイド１および第２回転ガイド３が、互いに傾いた姿勢で配置されている。２つの回転ガイド１および３は、ベース本体５によって支持されている。ベース本体５は、患者の皮膚８の上に載置されるように構成された非磁性体構造であることが好ましい。以下でより詳細に説明するように、ベース本体５および特定の他の要素は、プラスチックおよび／またはそれらの複合材料など、使い捨ておよびリサイクル可能な材料から製造されうる。第１回転ガイド１は、ベース本体５によって支持され、第１回転体２に接続している。第２回転ガイド３は、第１回転体２によって支持され、第２回転体４に接続している。第２回転体４は、ニードルホルダ６を支持するように構成されている。ニードルホルダ６は、ニードル７を案内するように構成された貫通孔６ｂを有する。ニードルホルダ６は、２つの回転ガイド１および３の回転によって幾何学的に決定された選択角度に位置決めするようにニードル７を制約する。
【００２６】
本実施形態における第１回転体２は、３つの支柱２ａ、２ｂおよび２ｃから成る。しかしながら、この構造に限定されるものではない。第１回転体２は、例えば、１つの支柱や複数の支柱、またはシェル構造や穴を有するシェル構造など、他の構造に形成されうる。多くの他の形状および構造は、当業者に容易に利用可能である。しかしながら、とりわけ、回転体２が１つまたは多くても３つの支柱から成る場合、図１に示すように、切開ポイントを見るための十分な開口が与えられうる。同様に、第２回転体４は、第２回転ガイド３にニードルホルダ７を接続する１以上の支柱から成る。
【００２７】
回転ガイド１および３の各々は、回転デバイス１３および２３と、固定素子１ｂおよび３ｂとの組をそれぞれ含む。回転デバイスは、所望の位置への回転ガイドの容易な回転を促進し、固定素子は、ニードル切開動作中の移動を防止するための所望の位置に固定された回転ガイドを保持する。本実施形態では、固定素子１ｂおよび３ｂは、止めねじであり、回転デバイス１３および２３は、機械式の軸受けである。切開動作の準備では、臨床医または自動アクチュエータが、所定の角度にニードルホルダ６を回転させるため、２つの回転ガイド（ガイドは、互いに独立に動作することができる）のうち少なくとも１つを操作する。所望の位置に到達すると、患者の皮膚８の下の目標組織８ａに到達するための所望の角度にニードルホルダ６が向けられるように、固定素子（ねじ）１ｂおよび３ｂを締めることによって回転ガイドが固定される。本実施形態では、固定手段は、止めねじである。固定手段としては、ねじの代わりにエアクラッチも使用することができる。エアクラッチは、圧縮ガスシリンダや手術室における医療用空気供給口のようなエア供給源からエア圧力が供給されたときに回転自由になる。そして、エア供給が遮断されると、エアクラッチは、回転ガイドの回転を固定する。
【００２８】
図１に戻り、マーク１０ａ、１０ｂ、１０ｄ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇおよび１０ｈは、ベース本体５、第１回転ガイド１および第２回転ガイド３の上の所定の位置に配置されたＭＲＩ可視基準マークである。ＭＲＩ誘導インターベンションの間、これらのマークの画像が、これらの部分の各々の空間的な位置および姿勢を得るためにＭＲＩスキャナによって取得される。ベース本体５に設けられたスリット５ａおよび５ｂは、マニピュレータを患者の体に固定するベルトのためのスリットである。
【００２９】
図１の本実施形態では、ベース本体５は、固定ベルトによって患者の体に固定される。しかしながら、固定はベルトだけに限られるものではない。マニピュレータは、患者の骨に固定されるように、スリット５ａおよび５ｂを通るボルトによって患者の体に固定されてもよい。または、粘着テープや吸着カップなどによって患者に貼り付けてもよい。エアクラッチによってジョイントを保持可能な受動アームによって患者のベッドや床に固定されてもよい。
【００３０】
図２Ａに示すように、第１回転ガイド１は、固定回転軸１ａの周りを回転する。そして、第２回転ガイド３は、固定回転軸３ａの周りを回転する。本明細書で用いられる用語「固定回転軸」は、回転の軸が、それに対応する回転部分に対して固定されていることを意味する。ニードルホルダ６は、ニードルホルダ軸６ａが長さ方向に通過する貫通孔６ｂを含む。第１回転ガイドの軸１ａ、第２回転ガイド３の軸３ａ、およびニードルホルダ６の軸６ａは、ベース本体５の重心に位置する単一の交点で常に交差するように配置される。以下で用いられる用語「重心」は、全ての周囲の重量が等しくなる点のことをいう。即ち、物体がバランスを保つ点である。
【００３１】
動作中、ニードルの方向は、交点９を変えることなく、回転ガイド１および３の２つの角度によって決定される。図２Ａにおいて、ニードルホルダ軸６ａは、ベース本体５に対して実質的に垂直であり、第１回転ガイド１に対して実質的に垂直でもある。つまり、所定の第１位置において、ニードルホルダ軸６ａを第１回転ガイド１に対して実質的に垂直にすることができるということができる。この第１位置では、ニードルホルダ軸６ａを軸１ａに実質的に一致させることができる。ニードルホルダ軸６ａ、ひいてはニードルホルダ６を、この所定の第１位置から、最初の垂直位置（図２Ａ）と図２Ｂに示す最大傾斜位置との間における任意の位置に移動させることができる。
【００３２】
図２Ｃは、第１回転ガイド１の回転軸１ａ、第２回転ガイド３の回転軸３ａ、およびニードルホルダ６のニードルホルダ軸６ａの間における角度関係を示す。図２Ｃに示すように、軸１ａ、３ａおよび６ａの全ては、交点９で一致し、固定される。ここで、第１回転ガイド１の回転軸１ａおよび第２回転ガイド３の回転軸３ａは、互いに対して固定されることが好ましいことを理解すべきである。しかしながら、ニードルホルダ６のニードルホルダ軸６ａは固定されず、軸３ａおよび／または軸１ａの周りを移動しうる。
【００３３】
図２Ｂおよび２Ｃに示す位置において、ニードルホルダ軸６ａが最も傾いた位置にあるとき、θ１は、第１回転ガイド１の回転軸１ａと第２回転ガイド３の回転軸３ａとの間の角度であり、θ２は、第２回転ガイド３の回転軸３ａとニードルホルダ６のニードルホルダ軸６ａとの間の角度である。しかしながら、ニードルホルダ軸６ａは移動することができるため、ニードルホルダ軸６ａは、第１位置（第１ガイド１に実質的に垂直）と、最大傾斜角度θ３＝θ１＋θ２での最大傾斜位置との間における任意の角度で位置決めされうる。ニードルホルダ６の位置は、回転ガイド３および１の軸３ａおよび／または軸１ａのそれぞれの周りにおけるニードルホルダ軸６ａの変位によって実現されうる。
【００３４】
さらに具体的には、第２回転ガイド３がその回転軸３ａを中心に回転するように、ニードルホルダ軸６ａは、第２回転ガイド３の内径と交点９とによって形成された円錐の周りを変位（移動）する。この円錐は、第１受入円錐と呼ぶこととする。図３Ｂは、図２Ｂに示す位置から第２回転ガイド３の外周の所定の位置にニードルホルダ軸６ａが移動した位置を示す。即ち、図３Ｂに示すように、ニードルホルダ軸６ａは、第１受入円錐の周りを移動する。
【００３５】
同様に、第１回転ガイド１がその回転軸１ａの周りを回転するように、第２回転ガイド３の軸３ａは軸１ａの周りを移動する（歳差運動をする）。軸１ａおよび軸３ａは、交点９で固定されているため、軸１ａの周りの軸３ａの歳差運動は他の円錐を画定する。当該他の円錐は、本明細書では「第２受入円錐」と呼ぶこととする。第２受入円錐は、第１回転ガイド１が軸１ａを中心に回転するように、軸１ａに対する軸３ａおよび交点９によって画定された外周によって形成される。
【００３６】
したがって、ニードル配置は、第１受入円錐および／または第２受入円錐の内側のどこからでも、固定された交点９で行われうることを認識すべきである。図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃは、交点９において様々な挿入角度でニードルを挿入する幾つかの例の明確な詳細を示している。図３Ａにおいて、第１受入円錐は、第２回転ガイドがそれ自身の回転軸３ａの周りを回転したときに形成される。図４Ａにおいて、第１回転ガイド１が固定されている（回転していない）と想定する。この想定された回転ガイド１の固定位置では、ニードルホルダ６は、第１受入円錐の底の周りの点に移動（回転）することができ、ニードルホルダ軸６ａの１点が交点９に固定される。ここで、第２回転ガイド３が回転を停止することを想定する。
【００３７】
図３Ｂを参照すると、第２受入円錐は、第１回転ガイド１がそれ自身の回転軸１ａの周りを回転したときに形成される。図３Ｂにおいて、第２回転ガイド３が固定されている（回転していない）と想定する。この想定された第２回転ガイド３の固定位置では、第１回転ガイド１が回転体２（支柱２ａ〜２ｃ）を介して第２回転ガイド２に接続されているため、ニードルホルダ６は、第２受入円錐の底の周りの任意の点に移動（回転）しうるが、ニードルホルダ軸６ａの当該１点は交点９で固定されたままになる。このように、ニードルホルダ６は、垂直位置と最大傾斜位置との間の任意の角度で位置決めされうる。
【００３８】
図３Ｃは、交点９でニードルホルダ軸６ａの１点を維持している間において、所望の位置及び角度でニードルホルダ６を位置決めするために第１および第２受入円錐の双方が用いられうることを示している。さらに具体的には、図３Ｃは、第１回転ガイド１および第２回転ガイド３の双方が同時に（または、別々に）それらの対応する軸１ａおよび３ａの周りを回転しうることを示している。このように、第２回転ガイド３は、その軸３ａの周りを回転し、第１回転ガイド１の軸１ａの周りを歳差運動することができる。
【００３９】
したがって、皮膚８の所望のニードル挿入ポイントに交点９を位置させることにより、臨床医は、回転ガイド１および３の回転によって許容される受入円錐内の任意の角度からニードル７を挿入することができる。このように、挿入点の位置を変えずに、異なる切開角度から目標組織８ａに到達することができる。加えて、マニピュレータで受入円錐内の任意の角度からニードルを挿入することができるため、臨床医は、患者の皮膚上の１つの挿入ポイントのみを介して組織の異なる領域を扱うことができる。
【００４０】
図４Ａおよび４Ｂを参照すると、傾きθ３の最大角度、および傾きθ３の最大角度によって決定される回転スペースの最適な使用が説明されている。図４Ａに示すように、ニードルホルダ６の受入円錐内における実際に使用可能な空間は、ベース本体５の上において、第１回転ガイド１に対して傾斜した向きに第２回転ガイド３を配置することによって制限されうる。図４Ａにおいて、Ｔは、ベース本体５の底面より上（即ち、ニードル切開ポイントまたは交点９の上）における、例えば患者の皮膚８などの接触面から第１回転ガイド１の上面までのおおよその高さを示し、Ｒは、第１回転ガイド１の内側における空き空間の内径を示す。ニードル切開ポイントまたは交点９は、第１回転ガイド１の底における幾何学的中心に位置することが好ましい。第１回転ガイド１の高さに加えて、第２回転ガイド３に取り付けられたニードルホルダ６は、ベース本体５上における特定の空間を占有し、ニードルホルダ６は、交点９に対する傾きの最小値を必要とする。これらのパラメータの全てを考慮すると、ニードルホルダ軸３ａを、式（１）によって定義される最大傾きθ３にすることができると推定される。
【００４１】
【数１】
0006415531.tif 000002
【００４２】
式（１）は、３６０度の全て（完全な回転）において（傾いた）第２の回転ガイド３を使用可能とするときの条件を与える。しかしながら、式（１）の同等性の限界に達するため、傾いた第２回転ガイド３を、第１回転ガイド１より大きくする必要があるかもしれない。および／または、傾いた第２回転ガイド３を、水平な第１回転ガイド１の外側に配置する必要があるかもしれない。よって、当業者は、ここに開示された実施形態を理解し、第１回転ガイド１の外側に第２回転ガイド３を有し、式（１）によって与えられる最大傾き角度θ３を維持するように変更しうる。
【００４３】
図４Ｂを参照すると、ニードルホルダ軸６ａに沿って伸びたニードル７が水平な第１回転ガイド１における物理的な障害物に直面しうることを理解することができる。これは、第２回転ガイド２の回転を、最大許容空間［２］の内側の空間［１］に制限する。具体的には、回転ガイド１および２の上述した実際のサイズおよび配置のため、（図４Ａに示す）視野方向Ａから見るように、ニードルホルダ６を操作するための最大許容使用可能空間は、図４Ｂに示す空間［２］である。しかしながら、傾いた第２回転ガイド３は、空間［２］の全体を使用しなくてもよい。実際には、空間［２］の半分の範囲におけるニードルホルダ６のいかなる向きも、水平な第１回転ガイド１の回転を用いることによって他の半分の範囲内に向けられることもできるため、空間［２］の半分だけが用いられうる。即ち、第１回転ガイド１および第２回転ガイド３の双方を回転させることにより、最大許容空間［２］の任意の部分にニードルホルダ６を位置決めすることができる。これは、さらに一般化した方法で図３で既に示している。
【００４４】
＜第２実施形態＞
図５Ａおよび５Ｂは、第２実施形態に係るニードル配置マニピュレータ２００の断面図である。図６は、図５Ａの左側の詳細断面図である。第２実施形態は、第１実施形態と実質的に同様である。第２実施形態に係るニードル配置マニピュレータ２００の注目すべき違いは、マニピュレータ２００が、第１回転ガイド１および第２回転ガイド３を回転させるための電動アクチュエータを含むことである。
【００４５】
具体的には、本実施形態において、第１回転ガイド１が回転駆動部２１０を含み、第２回転ガイド２が回転駆動部２２０を含む。第１回転ガイド１において、回転駆動部２１０は、圧電アクチュエータ１１、回転スライダ１２、ボールベアリング１３、ねじ部１４、加圧手段１５、第１電気ケーブル１６、位置センサ１７、回転スケール１８、第２電気ケーブル１９、外部ケーシング１．１および内部ケーシング１．２を含む。
【００４６】
図６Ａに示すように、圧電アクチュエータ１１は、振動体１１ａと圧電材料１１ｂとを含む。圧電材料１１ｂは、振動体１１ａに接着材で固定されている。圧電材料１１ｂには、圧電材料１１ｂに電圧を供給する複数の電極（不図示）が埋め込まれている。圧電アクチュエータ１１は、加圧手段１５を介して回転ガイド１の内部ケーシング１．２に支持されている。外部ケーシング１．１および内部ケーシング１．２は、ねじ部１４によって固定されたベアリング１３によって相対的に回転可能である。回転スライダ１２は、外部ケーシング１．１に固定されている。圧電アクチュエータ１１および回転スライダ１２は、加圧手段１５によって互いに加圧されている。圧電材料１１ｂの電極に電気ケーブル１６を介して駆動電圧を供給すると、振動体１１ａが振動し、アクチュエータ１１と回転スライダ１２との間の摩擦力によって回転スライダ１２が駆動される。内部ケーシング１．２は、圧電アクチュエータによって駆動される。本実施形態では、加圧手段１５はコイルばねによって実施されうるが、圧力板やウェーブワッシャスプリングなどの加圧素子であってもよい。圧電アクチュエータ１１は、ある用途では、電歪アクチュエータに交換されうる。
【００４７】
位置センサ１７は、内部ケーシング１．２の表面に取り付けられる。回転スケール１８は、回転スライダ１２の表面に機械的に取り付けられる。位置センサ１７への電力供給およびその検出信号は、電気ケーブル１９によって転送される。位置センサ１７は、回転スケール１８を検出することによって相対的な回転位置を検出する。
【００４８】
第２回転ガイド２における回転駆動部２２０は、回転駆動部２１０と実質的に同様である。回転駆動部２２０は、圧電アクチュエータ２１、回転スライダ２２、ベアリング２３、ねじ部２４、加圧手段２５、第１電気ケーブル２６、位置センサ２７、回転スケール２８、第２電気ケーブル、外部ケーシング２．１および内部ケーシング２．２を含む。
【００４９】
第２回転ガイド２の構造は、第１回転ガイド１と同様である。第１回転ガイド１に対する第２回転ガイドの構造の違いは、外部ケーシング２．１および内部ケーシング２．２の機能が入れ替えられていることである。圧電アクチュエータ２１は、加圧手段２５を介して外部ケーシング２．１に支持されている。位置センサ２７も、外部ケーシング２．１に固定されている。回転スライダ２２は、内部ケーシング２．２に固定されている。
【００５０】
図６Ａに示す実施形態では、ガイド１および３の各々に対する１つの位置センサおよび１つのアクチュエータのみが、図の明瞭化のために示されている。位置センサおよびアクチュエータは、ガイドの各々に複数取り付けられてもよい。このように、追加の位置センサおよびアクチュエータは、マニピュレータの信頼性、安定性および精度を高めるために、マニピュレータの動作の様々な例における最初のもののバックアップまたは補足として用いられるように設けられうる。
【００５１】
第１実施形態のように、第２実施形態のマニピュレータ２００は、図４Ａおよび４Ｂを参照して説明したように、第１回転ガイド１に対して第２回転ガイド３を傾いて配置することによって決定された最大利用可能空間［２］の内側でニードル位置を操作するように制約する。このような構成により、ニードルマニピュレータ２００は、図５Ｂに示すように、実質的に垂直な位置（θ＝０度）と式（１）によって決定された傾きθ３の最大角度との間の任意の位置にニードルを位置決めするように構成される。
【００５２】
＜回転部２１０または２２０のために使用可能な例示的な材料＞
回転駆動部２１０または２２０のために使用可能な特定の例示的な材料は、以下のように選択されうる。
【００５３】
振動体：非磁性金属、セラミック（例えば、アルミナ、ジルコニア、部分安定化ジルコニア）、および他の非磁性材料
【００５４】
回転スライダ：ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などのエンジニアリングプラスチック材料、カーボン充填やガラス繊維充填などの繊維強化プラスチック材料、またはセラミック材料
【００５５】
ベアリング：セラミック、プラスチック、エアベアリング
【００５６】
位置センサ：光電気式、完全光学（光ファイバ）
【００５７】
スケール：プラスチックシート上への印刷、成形プラスチック、ガラス格子など
【００５８】
位置センサおよびインデックススケールは、様々な異なる方式で実施されうる。例えば、マイクロ光学エンコーダによって実施されうる。或いは、位置センサは、光ファイバを用いることにより、純粋な光学センサとして実施されうる。
【００５９】
図６Ｂは、第１回転駆動部２１０において、光源ファイバｆｓ１が回転スケール１８に光を供給し、集光ファイバｆｄ１が回転スケール１８から反射された光を検出するために用いられる第２実施形態の変形例を示す。同様に、第２回転駆動部２２０において、光源ファイバｆｓ２が回転スケール２８に光を供給し、集光ファイバｆｄ２が回転スケール２８から反射された光を検出するために用いられる。光ファイバの使用は、ＭＲＩシステムにおけるノイズおよび干渉を最小化するための電気配線の使用を避けるため、特にＲＦパルス信号での干渉を避けるために特に望ましい。
【００６０】
好都合に、第２実施形態では、ミクロンオーダーまでの正確な位置決めが、光学回転位置センサおよび圧電アクチュエータを使用することによって実施されうる。正確な位置決めは、圧電アクチュエータ、およびプログラム化されたアルゴリズムで操作されるコントローラにより自動化することができるフィードバック信号伝達によって使用可能である。少なくとも２つの圧電バイブレータおよび２つの位置センサは、相対的に移動可能ではない部分に配置される。圧電バイブレータおよび位置センサを非可動部分内に配置することは、全ての電気ケーブルを１束に結び付けることを可能にする。したがって、ＭＲＩが受信するノイズを低減させる電気ケーブルのシールドを単純化することができる。マニピュレータは、ケーブルを絡ませずに移動することができ、電気ケーブルの配置を単純化することができる。
【００６１】
従来では、ニードルホルダ６およびベース本体５は、臨床医および患者によって触れられるため、ニードル切開動作に先立って消毒されねばならない。本明細書に開示される実施形態では、外部ケーシング１．１に固定されたベース本体５および他の部分が、プラスチックのような使い捨ておよび再利用可能な材料から作製されうる。このように、これらの部分は、ある臨床診断法において使い捨てになりうる。ニードルホルダ６および内部ケーシング２．２も、使い捨て材料から作製されうる。このように、圧電バイブレータに対面する回転スライダの摩擦面が各臨床診断法における新しい表面になるため、圧電アクチュエータの特性が安定する。
【００６２】
圧電アクチュエータおよび回転スライダを、回転ガイドの円形形状にフィットするようにリングまたは弓形状に配置すると、マニピュレータは、自動化するように電動化され、小さなサイズを維持することができる。圧電アクチュエータの保持トルクは、停止状態でマニピュレータを安定化させる。あるいは、第１実施形態で提供されるような止めねじは、臨床医が、圧電アクチュエータの停止に加えて、必要に応じて回転ガイドをねじで固定することができるように、外部ケーシング１．１の内側に配置されうる。図７Ａは、第２実施形態の変形例に係る電動マニピュレータ２００の例を示す。図７Ａにおいて、止めねじ２０１および２０３は、停止位置に回転ガイド１および３をそれぞれロックするためのロック機構として用いられる。止めねじは、例えば、摩擦のみによって圧電アクチュエータが停止位置にある間において、予想外の回転力が回転ガイドに加えられる可能性がある場合に好都合でありうる。
【００６３】
図７Ｂは、第２実施形態に係るニードルマニピュレータ２００への更なる変形例を示す。図７Ｂにおいて、ベース本体５は、ベース本体５の底面に垂直な垂直方向Ｖに第１回転ガイド１がスライドするように、第１回転ガイド１が許容範囲内の特定の度合で配置された（取り付けられた）嵌合摺動部５ａを含む。第１回転ガイド１は、ベース本体５の底面に対して（垂直な）垂直方向Ｖにスライドすることができ、ベース本体５の底面と第１回転ガイド１との間の距離ｈ（高さ）が選択的に調整されうる。第１回転ガイド１がベース本体５の底面に対して所望の距離または高さｈに配置されると、第１回転ガイド１は、止めねじ５１のような高さロック機構によって所定の位置にロックされる。このように、交点９の位置（高さまたは距離）を目標面（例えば、患者の体の皮膚８）に対して調整することができる。本実施形態では、交点９の位置（高さ）が第１回転ガイド１の軸１ａに沿って変化したときでさえも、第１回転ガイド１の回転軸１ａ、第２回転ガイド３の回転軸３ａおよびニードルホルダ軸６ａは、常に単一の交点９で互いに交差する。好都合に、交点９は、例えば患者の体の部分における様々な形状に対応するように目標面に調整されうる。本実施形態では、回転ガイド３をベース本体５に対して垂直にスライドさせるときに、止めねじ２０１も第１回転ガイド１とともにＶ方向にスライドすることに留意すべきである。そのために、ベース本体５の摺動部５ａは、止めねじ２０１の垂直方向への配置を可能にする中空部５ｂを含むように変形されるべきである。
【００６４】
＜第３実施形態＞
第３実施形態では、図８Ａ、８Ｂおよび９について説明する。第３実施形態に係るニードルマニピュレータ３００は、ニードルの位置決めが回転ガイド１および３を手動で回転させることによって達成される点において、第１実施形態のマニピュレータ１００と実質的に同様である。第３実施形態における大きな違いは、第１実施形態と対比して、マニピュレータ３００が付属のＲＦコイルを含むことである。
【００６５】
具体的には、図８Ａは、第３実施形態に係るマニピュレータ３００の斜視図であり、図８Ｂは、Ｈ−Ｈ面に沿って垂直カットされた第３実施形態に係るマニピュレータ３００の斜視図である。図９Ａは、垂直面Ｈ−Ｈに沿ってカットされた第３実施形態に係るマニピュレータ３００の断面図である。本実施形態のニードルマニピュレータ３００は、ＭＲＩ誘導経皮的インターベンションでの使用に対して特に好適でありうる。本実施形態では、マニピュレータ３００は、ＭＲＩスキャナで使用されるＲＦコイルに対するアタッチメントを含む。位置決めニードル７の構造は、第１実施形態で説明したものと基本的に同じである。
【００６６】
図８Ａに示すように、マニピュレータ３００は、シングルループＲＦコイル３２にマニピュレータ３００を固定するために第１アタッチメント３０と第２アタッチメント３１とを含む。第１アタッチメント３０は、例えば、第１アタッチメント３０の底面が患者の皮膚の上に置かれるように、患者の上に直接配置される。ニードルマニピュレータ３００は、第１実施形態で説明したように、第１回転ガイド１における複数の基準マーク１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄ、第２回転ガイド３における複数の基準マーク１０ｅ、１０ｆ、１０ｇおよび１０ｈ（１０ｅは不図示）を含む。加えて、少なくとも第１アタッチメント３０は、基準マーク３３ａ、３３ｂ、３３ｃおよび３３ｄを含む（マーク３３ｃおよび３３ｄは図８Ａでは見えていない）。第１アタッチメント３０は、検査対象者の身体に固定されたままであるため、ニードルの位置および向きをガイドのいずれか一方または両方の上に位置する基準マーカ（例えば、基準マーク１０ａ〜１０ｈ）で探知することができるように、基準マーク３３ａ〜３３ｄが基準となる。
【００６７】
図８Ｂは、垂直面Ｈ−Ｈに沿って断面カットされた、ＲＦコイル３２に搭載されたマニピュレータ３００の斜視図を示す。図９Ａは、垂直面Ｈ−Ｈに沿ってカットされた第３実施形態に係るニードル配置マニピュレータの断面図を示す。第１アタッチメント３０は、ＲＦコイルが上に配置される平坦設置部、および第２アタッチメント３１に係合するように構成された円形突起部３０ａを含む。同様に、第２アタッチメント３１は、ＲＦコイルが下に配置される平坦設置部、および第１アタッチメント３０の突起部３０ａに係合される円形突起部３１ａを含む。
【００６８】
図９Ａに示すように、シングルループＲＦコイル３２は、ＲＦコイル３２の開口を通過するアタッチメント３０の円形突起部３０ａに配置される。第２アタッチメント３１は、ベース本体５に固定され、その底面に円形突起部３１ａが配置される。これらの２つのアタッチメント３０および３１は、その間にＲＦコイル３２を保持している相対位置に２つのアタッチメントが固定されたままになるように、２つの円形突起部３０ａおよび３１ａによって係合（固定）されるようにそれぞれ構成される。２つのアタッチメント３０および３１の相対位置への固定は、１以上の止めねじ（不図示）、または力固定（圧力）、または１以上のエアチャック（不図示）、または、２つのアタッチメントの間で予想外の動きや脱落を防ぎうる任意の他の機械的手段によって行われる。
【００６９】
図９Ｂは、第１アタッチメント３０がその外面で第２アタッチメント３１に係合しているときの図９Ａにおける領域Ａの詳細図を示す。図９Ｃは、第１アタッチメント３０がその内面で第２アタッチメント１３に係合しているときの図９Ａにおける領域Ａの詳細図を示す。２つのアタッチメント３０および３１は、２つのアタッチメントがどのように結合されているかに関わらず、２つのアタッチメントがそれらの間にＲＦコイル３２を保持している相対位置に固定されたままになるように、２つの円形突起部３０ａおよび３１ａによってそれぞれ互いに係合（固定）される。とりわけ、図９Ｂおよび９Ｃに示すように、第２アタッチメント３１は、ベース本体５に統合されてもよい。このように、ベース本体５および第２アタッチメント３１は、単一の機械構造として一体に取り付けられてもよい。さらに、第２アタッチメント３１、ベース本体５および第１ガイド１の非可動部は、単一の機械構造として一体に形成されうる。第２アタッチメント３１をベース本体５の一体部分にすること、または、第２アタッチメント３１をベース本体５および第１ガイド１の一部と一体構造にすることは、ＲＦコイル３２上へのニードルマニピュレータ３００の迅速な着脱を容易にしうる。しかしながら、上述したように、アタッチメント１３は、ベース本体５に着脱可能に取り付けられてもよい。
【００７０】
２つのアタッチメントがマニピュレータ３００と組み立てられると、第１回転ガイド１の軸１ａ、第２回転ガイド３の軸３ａおよびニードルホルダ６のニードルホルダ軸６ａは、単一の交点９で交差するように配置される。この交点９は、第１アタッチメント３０の底面の重心に配置されるべきマニピュレータ３００の重心に位置することが好ましい。円形突出部３１ａおよび３０ａの嵌合部は、図７Ｂに示すように、交点９が患者の皮膚に対して調整可能になるように、ねじ調整によって置き換えられうる。
【００７１】
ＲＦコイルがボディマトリックスコイルのように複数の開口を含む場合、ＲＦコイルアタッチメント３０は、各開口の形状に応じて用意される。ＲＦコイルの開口が四角形である場合、アタッチメント３０も四角形に作製されるべきであり、アタッチメント３１は、一方の側ではベース本体５の形状に、および他の側ではアタッチメント３０に適合するように作製されるべきである。
【００７２】
図１０Ａ〜１０Ｃを参照し、マニピュレータ３００およびＲＦコイル３２を対象患者の体に着脱するための例示的な手順を説明する。図１０Ａは、上方突出リング（突出部）を有する第１アタッチメント１００１、シングルループＲＦコイル１００２、および下方突出リングを有する第２アタッチメント１００３を示す。図１０Ａにおいて、上方に向いた突出リングを有する第１アタッチメント１００１が最初に患者（ニードル配置の対象者）の上に設置され、下方に向いた突出リングを有する第２アタッチメント１００３がニードルマニピュレータのベース本体５に取り付けられる。第１アタッチメントの突出リングは、第２アタッチメント１００３の突出リングに係合するように配置される。図１０Ｂにおいて、ＲＦコイル１００２は、第１アタッチメント１００の上に設置される。ＲＦコイル１００２の開口は、ＲＦコイル１００２がケーブル配線や他の部分（不図示）の位置を調整するために回転または移動することができるように、第１アタッチメント１００１の突出リングの周りに緩くはめ合される。図１０Ｃにおいて、ニードルマニピュレータユニットは、第１アタッチメント１００１の上に配置される。ニードルマニピュレータユニットから下方に突出した部分である第２アタッチメント１００３は、基準マーカに従って患者に対するニードル位置および向きを正確に知ることができるように第１アタッチメント１００１にしっかりと係合される。図１１は、ＲＦコイル１００２、第１アタッチメント１００１および第２アタッチメント１００３に取り付けられた組み立て後のニードルマニピュレータの斜視図である。
【００７３】
第３実施形態における利点は、ＲＦコイルの開口およびマニピュレータの開口（ニードルを挿入するときに通る空間）が互いに一致するように作製されていることである。このように、開口は、患者の皮膚のエントリポイント（切開点）への臨床医のアクセスのために有利に利用されうる。ＲＦコイル３２およびマニピュレータ３００は、臨床診断法が単純になりうるように、１つのユニットとして着脱可能に結合される。
【００７４】
＜第４実施形態＞
第４実施形態では、図１２に関して説明する。第４実施形態に係るニードルマニピュレータ４００は、第２実施形態を参照して上述したマニピュレータ２００と実質的に同様である。第４実施形態における大きな違いは、ニードルマニピュレータ４００が電動回転ガイド１および３を含み、ＲＦコイル３２に取り付けられていることである。
【００７５】
第４実施形態のマニピュレータ４００におけるニードル位置決めは、圧電アクチュエータおよび光学センサで自動化される。本実施形態では、第２アタッチメント３１およびベース本体５は、単一体として結合されうる。
【００７６】
このように、ＲＦコイルの開口およびマニピュレータの開口は、互いに一致するように作製され、患者の皮膚のエントリポイントへの臨床医のアクセスのために利用される。ニードル配置の対象者に対するマニピュレータの正確な位置決めは、患者に第１アタッチメントを直接位置決めすること、および高い再現性でマニピュレータを第１アタッチメントに取り付ける性能によって改善される。圧電アクチュエータは、正確な位置決めと安定した固定（停止）を保証することができる。つまり、患者の動きが発生した場合でもマニピュレータ４００の移動を防止する。加えて、自動化されたロボットの用途では、アクチュエータは、患者の動きに反応して自動位置調整が行われるように設計されたプログラムアルゴリズムを有するコントローラ（ＣＰＵ）によって制御されうる。
【００７７】
＜第５実施形態＞
図１３は、電動マニピュレータを含み、自動（例えば、リモートまたはロボット）操作のためにプログラムされうる第５実施形態に係る自動画像誘導ニードル位置決めシステム５００のブロック図を示す。図１３は、画像誘導ニードル位置決めシステム５００のブロック図である。本実施形態において、ブロック図は、システム５００に含まれる各ブロックによって実行される機能を示している。各機能は、ハードウェアおよび／またはソフトウェアとハードウェアとの組み合わせで純粋に実行されうる。
【００７８】
画像誘導ニードル位置決めシステム５００は、主に、ニードル配置マニピュレータ５１０、ＭＲＩシステム５２０、画像誘導システム５３０、マニピュレータコントローラ５４０、およびアクチュエータコントローラ５５０の主要な機能ブロックを含む。機能ブロックの全ては、回路またはネットワーク接続によって相互接続される。ブロックの一部は、各ブロックの機能をなお実行できるかぎり、単一のブロックに統合されてもよい。ニードル配置マニピュレータ５１０は、アクチュエータ５１２およびセンサ５１４をマニピュレータ内に実装することができるならば、明細書中に開示された第１および第２実施形態のいずれかに対応する。ＲＦコイル５１６を含むニードル配置マニピュレータ５１０は、明細書中に開示された第３および第４実施形態のいずれかに対応する。
【００７９】
ＭＲＩガイドシステム５３０は、画像モニタ（画像ディスプレイ）５３１、入力デバイスモジュール５３２（例えば、キーボード、マウス、タッチパッド等）、１以上のマイクロプロセッサによって実現された中央処理装置（ＣＰＵ）、ハードウェアメモリ５３４（揮発性および不揮発性メモリ、およびハードドライブが含まれるような記憶デバイス）、および画像誘導ソフトウェアモジュール５３５を含む。画像誘導ソフトウェアモジュール５３５は、とりわけ、通信し、他の機能ブロックを制御するためにプログラムアルゴリズムを含む。そのような画像誘導アプリケーションの例は、非特許文献「Biopsy Needle ArtifactLocalization in MRI-guided Robotic Transrectal Prostate Intervention」（IEEE transactions onBiomedical Engineering, July 2012）で、Song等によって説明されている。
【００８０】
画像誘導システム５３０は、対象患者またはその身体部分の画像、マニピュレータおよびＲＦコイルベース（例えば図８参照）における基準マークの画像、ニードル７の画像を取得する。マニピュレータコントローラ５４０は、ニードルを位置決めするためのアクチュエータコントローラ５５０と通信する。アクチュエータコントローラ５５０は、圧電アクチュエータ５１２またはＵＳＭ（超音波）モータを駆動し、閉ループ制御において位置センサ５１４で当該駆動を制御する。運動学算出器５４２は、画像誘導システム５３０からの信号を、アクチュエータコントローラ５５０のための制御信号に変換する。アクチュエータコントローラ５５０は、アクチュエータ（例えば、圧電アクチュエータまたはＵＳＭモータ）を制御するためのハードウェアで実現される。位置コントローラ５５２は、ソフトウェアおよび／またはハードウェアで実現されてもよい。位置コントローラ５５２は、位置センサ５１４から出力された信号に基づいてニードルが目標姿勢角度で動くようにアクチュエータ５１２の制御量を算出する。
【００８１】
ＭＲベースのモダリティ（ＭＲＩシステム５２０）の磁場のもとで動作する場合、静磁場マグネット５２２は、画像空間内において静磁場を発生させる。傾斜コイル５２４は、画像空間内において、Ｘ軸方向への傾斜磁場、Ｙ軸方向への傾斜磁場、およびＺ軸方向への傾斜磁場を発生させる。
【００８２】
ＲＦトランスミッタ５２６は、ＲＦパルス（ＲＦ電流パルス）をＲＦコイル５２６に出力する。ＲＦコイル５１６は、ＲＦパルスを人体に送る。ＲＦコイルは、ＲＦパルスに応じて人体の内部で励起された核スピンに起因して発生したＭＲ信号を受信する。ＲＦレシーバ５２８は、ＭＲ信号を検出する。そして、検出データまたは検出データに基づいた信号は、画像誘導システム５３０内に入力される。容積ＭＲＩスキャンは、固定の参照基準点（例えば、ＲＦコイルアタッチメントに配置されている）、および少なくとも１つの回転ガイドに配置された可動の基準点に基づいて、ニードルの先端の位置および向きを確認することができる。順運動学的マッピング（ＦＫＭ）は、所望の目標位置にニードルを繰り返し駆動するため、さらには位置誤差を補償するために位置コントローラ５５２で実現されうる。例えば、全てのニードル切開について、マニピュレータおよび患者の位置をＭＲＩシステムの座標に対して合すことができる配置が想定される。ニードル切開手順の間、ニードルの先端の位置も、マニピュレータ、患者およびＭＲＩシステムに対して合される。そして、順運動学的アルゴリズムは、マニピュレータの制御と、ニードルの先端の位置および向きの更新とを行うための計算を実行する。ニードル配置の精度を確保するため、ニードルアーチファクトを連続的に補償する安全ルーチンが当該アルゴリズムに加えられうる。
【００８３】
＜他の実施形態および変形例＞
上述した実施形態において、様々な組み合わせおよび変形例が当業者に容易に明らかになりうる。図４Ａおよび４Ｂについて上述したように、例えば、ニードルマニピュレータは、第１回転ガイド１の径より大きい径を有する第２ガイド３を含むように変形されうる。この変形例は、第１〜第４実施形態の全てで示したように、内部の代わりに第１回転ガイド１の外部に第２回転ガイド３を配置することを可能にすることができる。また、第３〜第５実施形態は、ＭＲＩベースの画像誘導ニードルマニピュレータに向けられているが、本明細書で開示されたニードルマニピュレータは、超音波、マンモグラフィ、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）などのような他の画像モダリティにも適用可能である。他のモダリティに適用する際には、上述したように、ＭＲＩスキャナによって基準マークを読み込み可能にする必要はない。代わりに、基準マークは、特定の画像モダリティに適合するように変形され、もしくは取り除かれうる。
【００８４】
第１〜第４実施形態の各々では、第１回転ガイド１は、ベース本体５によって支持されており、第１回転体２に接続している。第２回転ガイド３は、第１回転体２によって第１回転ガイド１に対する予定角度で支持されている。第１回転体２は、第１回転ガイド１に対して実質的に平行から実質的に垂直までに第２回転ガイド３を位置決めすることができるように、高さに変更可能な一定の高さであってもよい。このように、ニードルホルダ６によるニードルの位置決めは、上述した回転の最大角度および最適な回転空間以外にも適用することができる。
【００８５】
本発明の例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではないことを理解すべきである。そのような全ての変形例や同等の構造および機能を包含するように、特許請求の範囲を最も広く解釈すべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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