(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボット・カテーテルのためのX線撮像システムであって、
・ロボット・カテーテルと、
・処理ユニットとを有しており、前記処理ユニットは、患者環境のX線画像データを受領するためにX線画像データ源に接続可能であり、前記ロボット・カテーテルに接続可能であり、
前記処理ユニットは、
ａ）前記データ源および前記カテーテルのうち少なくとも一方から受領される一つまたは複数の補助情報項目を受領する段階と、
ｂ）前記カテーテルの可能な三次元配向および位置の集合を、前記画像データおよび前記一つまたは複数の補助情報項目の関数として、決定する段階とを実行するよう適応されており、
前記処理ユニットは：
ｃ）前記集合の画像と、前記画像データおよび前記患者環境の三次元表現の少なくとも一方とをレンダリングし、前記画像を可視化装置に提供する段階；および
ｄ）前記ロボット・カテーテルにフィードバックを提供する段階であって、前記フィードバックは可能な配向および位置の前記集合の関数である、段階のうちの少なくとも一方を実行するよう適応されており、
当該システムはさらに、
ユーザー入力を受領するよう適応された入力装置を有しており、前記ユーザー入力は、前記可視化装置によって表示される前記カテーテルの可能な配向および位置の前記集合のうちからの一つの配向および位置のユーザー選択を表わし、
前記入力装置が、前記ユーザー入力を前記処理ユニットに通信するよう適応されており、前記処理ユニットが、前記ユーザー入力を処理して、ステアリング・コマンドの集合にするよう適応されており、前記フィードバックはステアリング・コマンドの前記集合を前記ロボット・カテーテルに提供するものである、
システム。
【請求項２】
前記補助情報項目が：
前記カテーテルの少なくとも一部分の湾曲、
前記カテーテルに前に送信されたステアリング・コマンド、
前記カテーテルの前の配向、
前記カテーテルの前の位置、
前記カテーテルの前の湾曲、
前記カテーテルによって検出され送信された力フィードバック信号および
患者の三次元モデルからの解剖学的な境界情報
のうちの少なくとも一つを表わす、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記ユーザー入力が、前記カテーテルを動かすための一つまたは複数のコマンドを表わす、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記処理ユニットが、前記二次元画像データおよび前記一つまたは複数の補助情報項目の関数としての前記患者環境に対する前記カテーテルの三次元配向および位置を処理して、ステアリング・コマンドの集合にするよう適応されており、前記フィードバックはステアリング・コマンドの前記集合を前記ロボット・カテーテルに提供するものである、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
カテーテル先端が、事前決定された経路に沿って小さな動きを実行するよう適応されており、前記処理ユニットが前記患者環境の一連の二次元X線画像データから前記動きを検出し、それから前記カテーテルの配向を推定するよう適応されている、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
カテーテル先端が、該先端に沿って対称的または非対称的に配置されている複数の放射線不透過性のマーカーを有し、それらのマーカーは好ましくは、それから前記カテーテルの配向を推定するために前記カテーテルをステアリングするためのワイヤに対して固定した空間的関係において配列されている、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記処理ユニットは、前記画像データ源によって得られた二つ以上の二次元画像に基づいて前記カテーテルの可能な三次元配向および位置の前記集合を決定する前記段階を初期化し、その後、決定されている配向および位置を位置合わせするよう適応されている、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
請求項１記載のX線撮像システムを動作させるための、プログラム・コード手段を有するコンピュータ・プログラムであって、前記プログラム・コード手段は、前記コンピュータ・プログラムが前記X線撮像システムを制御する、前記プロセッサ・ユニットを有するコンピュータ上で実行されるときに、患者環境内部のロボット・カテーテルの配向および位置を決定する方法であって、
・前記患者環境および前記カテーテルのX線画像データをX線画像データ源から取得する段階と、
・前記カテーテルおよび前記画像データ源の少なくとも一つから一つまたは複数の補助情報項目を取得する段階と、
・前記患者環境に対する前記カテーテルの可能な三次元配向および位置の集合を、前記画像データおよび単数または複数の前記補助情報項目の関数として、決定する段階と、
・ａ）前記カテーテルの可能な配向および位置の前記集合の画像と、前記画像データおよび前記患者環境の三次元表現の少なくとも一方とをレンダリングし、前記画像を可視化装置に提供する段階および
ｂ）前記ロボット・カテーテルにフィードバックを提供する段階であって、前記フィードバックは可能な配向および位置の前記集合の関数である、段階のうちの少なくとも一方と、
・ａ）ユーザー入力を登録する段階であって、前記ユーザー入力は、前記カテーテルの可能な配向および位置の前記集合のうちからの一つの配向および位置のユーザー選択と、前記カテーテルを動かすための一つまたは複数のコマンドとのうちの少なくとも一方を表わす、段階；
ｂ）前記ユーザー入力を処理して、前記カテーテルについてのステアリング・コマンドの集合にする段階；および
ｃ）ステアリング・コマンドの前記集合を前記カテーテルに提供する段階
のうちの一つ、いくつかまたは全部とを含む、
方法を実行するためのものである、
コンピュータ・プログラム。
【請求項９】
前記方法が
・前記二次元の画像データおよび前記一つまたは複数の補助情報項目の関数としての前記患者環境に対する前記カテーテルの前記三次元配向および位置を処理して、ステアリング・コマンドの集合にする段階；および
・ステアリング・コマンドの前記集合をロボット・カテーテルに提供する段階
のうちの少なくとも一つを含む、請求項８記載のコンピュータ・プログラム。
【請求項１０】
前記方法が
・カテーテル先端の、事前決定された経路に沿っての小さな動きを実行する段階、
・一連のX線画像データにおいて前記動きを検出する段階、および
・前記動きから前記カテーテル配向を推定する段階
のうちの一つ、いくつかまたは全部を含む、請求項８記載のコンピュータ・プログラム。
【請求項１１】
前記カテーテルの可能な三次元配向および位置の集合を、前記画像データおよび前記一つまたは複数の補助情報項目の関数として、決定する段階が、前記補助情報項目から得られる前記カテーテルの姿勢を記述する既知の湾曲を前記データ源の前記画像データの画像平面に投影したものが、前記画像データに記録されている投影の形に似るよう、前記カテーテルの姿勢を記述する既知の湾曲の三次元配向および位置の集合を決定することによって実行される、請求項１ないし７のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項１２】
前記補助情報項目が少なくとも：
前記カテーテルによって検出され送信された力フィードバック信号
を表わす、請求項１ないし７のうちいずれか一項記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、患者環境内部でのロボット・カテーテル（robotic  catheter）の位置および配向を検出するためのX線撮像システムに関する。本発明はさらに、前記患者環境内部でのロボット・カテーテルの位置および配向を決定する方法に関する。さらに、本発明は、前記カテーテルの前記配向および位置を決定するための前記システムの使用および前記方法を実行するためのコンピュータ・プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、外科ロボットと協働するリング・フレームに取り付けられたX線透視撮像システムを開示している。患者は、二平面撮像に基づいて外科器具の三次元モデリングをアドレッシングする。外科ロボットのナビゲーションは、事前計画化された動きの経路および三次元モデルを使うことによって達成されるとされている。透視法に頼る既知の撮像システムに関係する一般的な問題は、患者がX線放射の大きな線量を受け、細胞障害のリスクが増すということである。
【０００３】
前記二平面撮像システムは、比較的高い放射線量を使い、このことは欠点と考えられる。従来技術によって未解決のさらなる問題は、カテーテルが、患者の身体にはいったときに未知の量のトルクをもつことがあり、柔軟なので、その位置および配向を正しく評価するのが一層難しくなるという状況である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第8,046,054号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
X線放射に対する患者の暴露を制限しつつ、カテーテルの配向および位置の正しい、信頼できる決定を許容する、ロボット・カテーテルのためのX線撮像システムを提供することが本発明の目的である。
【０００６】
X線放射に対する患者の暴露を制限しつつ、前記カテーテルの配向および位置の正しい、信頼できる決定のための備えをする、患者内部のロボット・カテーテルの配向および位置を決定する方法を提供することが、本発明のさらなる目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第一の側面では、ロボット・カテーテルのためのX線撮像システムが呈示される。本システムは、ロボット・カテーテルおよび処理ユニットを有する。前記処理ユニットは、患者環境のX線画像データ、好ましくは二次元X線画像データを受領するために、好ましくは第一のデータ・インターフェースを通じて、X線画像データ源に接続可能である。処理ユニットはさらに、好ましくは第二のデータ・インターフェースを通じて、前記ロボット・カテーテルに接続可能である。前記処理ユニットは、
ａ）好ましくは前記第一のデータ・インターフェースを通じての前記データ源および好ましくは前記第二のデータ・インターフェースを通じての前記カテーテルのうちの少なくとも一方から受領される一つまたは複数の補助情報項目を受領する段階と、
ｂ）（前記患者環境に対する）前記カテーテルの可能な三次元配向および位置の集合を、前記の好ましくは二次元の画像データおよび前記一つまたは複数の補助情報項目の関数として、決定する段階とを実行するよう適応されている。
さらに、前記処理ユニットは：
ｃ）前記カテーテルの可能な配向および位置の前記集合のうちの少なくとも一つの画像と、前記好ましくは二次元の画像データおよび前記患者環境の三次元表現の少なくとも一方とをレンダリングし、前記画像を可視化装置に提供する段階；および
ｄ）前記ロボット・カテーテルにフィードバックを提供する段階であって、前記フィードバックは可能な配向および位置の前記集合の関数である、段階とのうちの少なくとも一方を実行するよう適応されている。
【０００８】
システムはさらに、ユーザー入力を受領するよう適応された入力装置を有する。前記ユーザー入力は、可視化装置によって表示されるカテーテルの可能な配向および位置の集合のうちからの一つの、ユーザー選択を表わす。この実施形態は、ユーザーが、システムによって提案されたいくつかの配向および位置のうちの一つを手動で確認するまたは選択することを可能にする。
【０００９】
入力装置は、前記ユーザー入力を処理ユニットに伝えるよう適応されており、処理ユニットは、前記ユーザー入力を処理して、ステアリング・コマンドの集合にするよう適応されており、前記フィードバックはステアリング・コマンドの前記集合を前記ロボット・カテーテルに提供する。ロボット・カテーテルに中継されるステアリング・コマンドは、処理ユニットによって、入力「ディスプレイ」座標から「世界」座標、すなわちカテーテル・システムにおける座標に変換される。
【００１０】
前記X線画像データ源は好ましくはCアーム装置であり、代替的には計算機断層撮影装置であることもできる。
【００１１】
画像が患者環境の三次元表現に関してレンダリングされる場合、好ましくは、前記表現は、前記画像データ源によって直接、あるいは通常のデータ記憶手段によってデジタル形式で与えられる。前記三次元表現は、前もって患者環境をスキャンすることによって与えられたものであってもよい。
【００１２】
本発明の中心的な恩恵は、前記第一のデータ・インターフェースのためのデータ入力として三次元データを使うときにも機能するであろうが、カテーテルの配向および位置の検出が、単一または複数の二次元X線画像に基づいてすでに可能にされるということである。X線放射を使っての複数のさらなる患者スキャンの代わりに、補助情報項目が前記第二のデータ・インターフェースを通じて処理ユニットに与えられ、これがカテーテルの配向および位置を決定するために処理ユニットによって使用されてもよい。これらの補助情報項目は、さらなるX線スキャンなしに与えられ、それにより患者環境に与えられる放射線量を下げる。この情報に基づいて、配向および位置の集合が得られる。配向の集合は、カテーテルの一つまたは複数の配向および位置を含んでいてもよい。ひとたびカテーテルの位置および配向が決定されたら、処理ユニットは、カテーテルを単独で、あるいは患者環境の二次元表現とともにもしくは三次元表現において、視覚化するために使われることができる。この視覚化を援用して、本システムは、カテーテル配向および位置の関数として、ロボット・カテーテルについてのフィードバックを与えることができる。前記フィードバックは、ユーザー入力によってトリガーされてもよいし、あるいは処理ユニットによって自動的に生成されてもよい。
【００１３】
好ましくは、前記補助情報項目は：前記カテーテルの一部または前記カテーテル全体の湾曲、前記カテーテルに前に送信されたステアリング・コマンド、前記カテーテルの前の配向／位置／湾曲、前記カテーテルによって検出され送信された力フィードバック信号および患者の三次元モデルからの解剖学的な境界情報のうちの少なくとも一つを表わす。カテーテルまたはその一部分の湾曲は、カテーテルの現在のステアリング設定を解析することによって決定されてもよい。任意的に、カテーテルによって検出され送信された力フィードバック信号が、カテーテル湾曲を予測するために考慮される。力フィードバック信号は特に、カテーテルがその湾曲設定のために患者環境の境界壁、たとえば血管壁に接触するときに検出される。ひとたび予測されたら、カテーテルの該湾曲は、処理ユニットによって前記画像においてレンダリングされるところのカテーテルの湾曲に、処理ユニットによってマッチされることができる。この湾曲マッチング技法を適用することで、カテーテルの位置および配向の一つ、二つまたは限られた数の可能な集合を与えることになる。上記から、補助情報項目が、カテーテルの配向および位置の正確な決定のための備えもすることが明らかである。特に、カテーテルの湾曲、以前の位置およびステアリング・コマンドといったカテーテルに関係した情報項目の使用は、合同してまたは別個に、身体中への挿入時にカテーテルに沿って存在する初期トルクおよびスキューに関わる不確定さを解消する。力フィードバック信号および解剖学的境界条件の使用は、カテーテルが「束縛されない」環境にある、すなわち患者の外部にあって制約されないときにステアリング制御が実現するであろうものからの、カテーテルの配向の未知の逸脱に関わる不確定さを解消する。
【００１４】
好ましくは、前記補助情報項目は、前記カテーテルに前に送信されたステアリング設定および前記カテーテルの前の配向／位置／湾曲のうちの少なくとも一つを表わす。上記のような前に決定されたパラメータを考慮することによって、システムは、可能な配向および位置の集合のうちでカテーテルについての最も確からしい配向および位置を選択することができる。これは、前に確立された位置および配向から、カテーテルの通常のナビゲーションによって達成されたと考えられるにはあまりに著しく逸脱する配向および位置を前記集合から消去することによってなされてもよい。
【００１５】
最も確からしい配向は、カテーテルのそれぞれ前に確立された湾曲、たとえば姿勢を考慮に入れることによって選択され、好ましくは類似性指標を使って決定される。よって、処理ユニットは、可能な配向および位置の集合のうちから、前に確立された姿勢と最も時間的に整合する一つの姿勢を同定する。その際、最も高い類似性指標をもつ姿勢が選択される。一つの好ましい類似性指標は、試験姿勢における各点と前に確立された姿勢におけるその最も近い対応点とについてのユークリッド距離の和を生成することによって実行される。
【００１６】
ユーザー入力は好ましくは、カテーテルを動かすための一つまたは複数のコマンドを表わす。カテーテルを動かすためのコマンドは、好ましくは、ディスプレイ――または画像――座標で表示され、たとえばみな表示されている画像に対して、左、右、上、下、前または後に曲がるコマンドとしてユーザーによって入力されてもよい。
【００１７】
あるいはまた、処理ユニットは好ましくは、ひとたび確立されたら前記患者環境に対するカテーテルの三次元的な配向および位置を、前記二次元画像データおよび前記一つまたは複数の補助情報項目の関数として処理して、ステアリング・コマンドの集合にするよう適応される。ここで、前記フィードバックはステアリング・コマンドの前記集合をロボット・カテーテルに与える。カテーテルの配向および位置がユーザー入力の必要なしに決定される場合およびカテーテル・ナビゲーションがたとえば計画ソフトウェアによって事前決定されている場合には、この実施形態におけるシステムは、事前計画された経路上で進めるために、ステアリング情報をロボット・カテーテルに自動的にフィードバックする。
【００１８】
カテーテル先端が、事前決定された経路に沿って小さな動きを実行するよう適応されており、処理ユニットが一連の二次元X線画像データまたは患者環境から前記動きを検出し、それから前記カテーテルの配向を推定するよう適応されていることが好ましい。一連のX線画像データは好ましくは、X線画像データ源、たとえばCアームを通じて得られる。カテーテル先端の小さな動き、いわゆるカテーテル・ウィグル（catheter  wiggle）のシリアル検出は、システムが、可能な配向および位置の集合のうちでカテーテルのどの配向および位置が最も確からしいかを決定できるようにする。これは、カテーテルの湾曲が（本質的に）閲覧平面、すなわち二次元X線画像と平行である状況について特に正しい。その場合、いくつかのもっともらしい解のうち最もそれらしいものを堅牢に選択することは難しい。
【００１９】
好ましくは、システムは、この不確定さのユーザーへのフィードバックを提供するよう適応されており、異なるビュー（すなわち異なるスキャン角度）を選択するか非一貫性を解決するためにカテーテル・ウィグルを適用することを提案するよう適応されている。「小さな」動きでは、前記カテーテル先端を囲む閉じ込め空間より小さい、カテーテル先端の動きが理解される。閉じ込め空間としては、中でも、血管直径または心腔体積が考えられてもよい。
【００２０】
好ましくは、「カテーテル・ウィグル」とも称される前記カテーテル動きは、まず一回または複数回、第一の動き平面において実行され、その後、前記第一の動き平面に対してある角度で配向されている第二の平面においてカテーテル動きが実行される。必要なら、この二段階手順を、好ましくは第一の平面と第二の平面の間の角度の変化のもとで繰り返すことが好ましい。その結果は、投影された画像において見られ、それが異なる回転平面についての異なる振幅を示し、カテーテル配向の計算を許容する。
【００２１】
ある好ましい実施形態では、カテーテル先端は、該先端に沿って配置されている複数の放射線不透過性のマーカーを有する。それらのマーカーは好ましくは、それから前記カテーテルの配向を推定するために、前記カテーテルをステアリングするためのワイヤに対して固定した空間的関係において配列されている。
【００２２】
第一の好ましい代替によれば、前記マーカーは、カテーテルの先端に沿って対称的に配置されている。
【００２３】
第二の好ましい代替によれば、前記マーカーは、カテーテルの先端に沿って非対称的に配置されている。
【００２４】
任意的に、カテーテルのステアリング・ワイヤも複数の放射線不透過性のマーカーを与えられる。これらの非対称的なマーカーをカテーテル先端および任意的にはカテーテルに追加することの効果は、カテーテルの湾曲を達成するために作動されているステアリング・ワイヤが、二次元X線画像においてカテーテルに関係付けられることができるということである。非対称性のため、画像から、前記マーカーがカテーテルの源側にあるか検出器側にあるかが判別できる。源側とは、放射線源により近いカテーテルの側を指し、検出器側はその反対を指す。これは、ステアリング・ワイヤが引かれるとカテーテル先端の放射線源に向かう動きと放射線源から離れる動きのいずれが引き起こされるかを判定することを許容する。
【００２５】
ある好ましい実施形態では、処理ユニットは、画像データ源によって得られた二つ以上の二次元画像に基づいて前記カテーテルの姿勢を判別する上述の手順を初期化し、その後、判別されている配向および位置を位置合わせする、すなわち追跡するよう適応されている。
【００２６】
好ましくは、それにより処理ユニットがロボット・カテーテルと通信するよう適応されているところの前記第一のデータ・インターフェースは、ステアリング・コマンドを前記X線画像データ源に与えるよう適応されている。前記ステアリング・コマンドは、カテーテルの配向および位置の関数である。
【００２７】
本発明のさらなる側面では、上記の本発明に基づく、特に請求項１ないし７のうちいずれか一項記載のX線撮像システムを動作させるための、プログラム・コード手段を有するコンピュータ・プログラムであって、前記プログラム・コード手段は、前記コンピュータ・プログラムが前記X線撮像システムを制御する、前記プロセッサ・ユニットを有するコンピュータ上で実行されるときに、患者環境内部のロボット・カテーテルの位置および配向を決定する方法の方法段階を実行するためのものであるものが呈示される。前記方法は、
・前記患者環境および前記カテーテルのX線画像データ、好ましくは二次元X線画像データをX線画像データ源から取得する段階と、
・前記カテーテルおよび前記画像データ源の少なくとも一つから一つまたは複数の補助情報項目を取得する段階と、
・前記患者環境に対する前記カテーテルの可能な三次元配向および位置の集合を、前記の好ましくは二次元の画像データおよび前記単数または複数の補助情報項目の関数として、決定する段階と、
・ａ）前記カテーテルの可能な配向および位置の前記集合の画像と、前記の、好ましくは二次元の画像データおよび前記患者環境の三次元表現の少なくとも一方とをレンダリングし、前記画像を可視化装置に提供する段階および
ｂ）前記ロボット・カテーテルにフィードバックを提供する段階であって、前記フィードバックは可能な配向および位置の前記集合の関数である、段階のうちの少なくとも一方と、
・ａ）ユーザー入力を登録する段階であって、前記ユーザー入力は、前記カテーテルの可能な配向および位置の前記集合のうちからの一つの、ユーザー選択と、前記カテーテルを動かすための一つまたは複数のコマンドとのうちの少なくとも一方を表わす、段階；ｂ）前記ユーザー入力を処理して、前記カテーテルについてのステアリング・コマンドの集合にする段階；およびｃ）ステアリング・コマンドの前記集合を前記カテーテルに提供する段階
のうちの一つ、いくつかまたは全部とを含む。
【００２８】
このコンピュータ・プログラムの恩恵および利点実施形態に関しては、上記の本発明に基づくシステムの恩恵および実施形態が参照される。
【００２９】
特に、前記患者環境に対するカテーテルの可能な三次元配向および位置の前記集合が：
前記カテーテルのまたは前記カテーテルの一部分の湾曲、
前記カテーテルに前に送信されたステアリング・コマンド、
前記カテーテルの前の配向、
前記カテーテルの前の位置、
前記カテーテルの少なくとも一部分の前の湾曲、
前記カテーテルによって検出され送信された力フィードバック信号および
患者の三次元モデルからの解剖学的な境界情報
のうちの少なくとも一つを表わすことが好ましい。
【００３０】
好ましくは、本発明に基づくコンピュータ・プログラムによって実行される方法はさらに、
・前記患者環境に対するカテーテルの三次元的な配向および位置を、前記の、好ましくは二次元の画像データおよび前記一つまたは複数の補助情報項目の関数として処理して、ステアリング・コマンドの集合にする段階；
・ステアリング・コマンドの前記集合をロボット・カテーテルに与える段階
のうちの一つ、いくつかまたは全部を含む。
【００３１】
本発明に基づくコンピュータ・プログラムによって実行される方法は、
・カテーテル先端の、事前決定された経路に沿っての小さな動きを実行する段階、
・一連のX線画像データにおける前記動きを検出する段階、
・前記動きからカテーテル配向を推定する段階
のうちの一つ、いくつかまたは全部を含むことが好ましい。
【００３２】
特に請求項１ないし７のうちいずれか一項の本発明に基づくX線撮像システム、および特に請求項８ないし１０のうちいずれか一項の本発明に基づくコンピュータ・プロダクトは、特に従属請求項において定義されるように、同様のまたは同一の好ましい実施形態をもつことが理解される。
【００３３】
さらに、本発明のある好ましい実施形態は、従属請求項の各独立請求項との任意の組み合わせであることもできることが理解される。
【００３４】
本発明のこれらおよびその他の側面は、以下に記載される実施形態を参照することで明白となり、明快にされるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】X線撮像システムの実施形態を概略的かつ例示的に示す図である。
【図２】X線検出器に対するカテーテル姿勢の投影を概略的かつ例示的に示す図である。
【図３】X線検出器に対するユーザー入力を概略的かつ例示的に示す図である。
【図４】ロボット・カテーテルの位置および配向を決定する方法のフローチャートを概略的かつ例示的に示す図である。
【図５】図４に基づくフローチャートの詳細を概略的かつ例示的に示す図である。
【図６】図４に基づくフローチャートのさらなる詳細を概略的かつ例示的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図１は、本発明の基づくX線撮像システム１を示している。システム１はロボット・カテーテル３および処理ユニット５を有している。前記処理ユニット５は、第一のデータ・インターフェース７を通じてX線画像データ源９に接続されている。画像データ源９はこの実施形態ではX線検出器である。カテーテル３は第二のデータ・インターフェース１１を通じて処理ユニット５に接続されている。処理ユニット５はさらに、画像データ源９のほうにX線１９を放出するよう適応されているX線源１７に接続されている。X線源１７と画像データ源９との間に患者２０が位置される。患者２０は、X線１９が該患者２０の身体を通過する領域を有する。この領域は、患者環境１５と称される。カテーテル３は、患者２０の患者環境１５中に導入された、図１に基づく状態にあるカテーテル先端１３を有する。
【００３７】
図１に基づく処理ユニット５はさらに、可視化装置２１に接続される。任意的に、入力装置（図示せず）が処理ユニット５に接続される。可視化装置２１および前記入力装置は、たとえばタッチスクリーンを有する一つの装置に統合されてもよい。システム１は任意的に、可視化装置２１、画像データ源９、X線源１７および前記入力装置のうちの少なくとも一つを有して統合されたシステムをなす。
【００３８】
前記システム１の動作において、X線源１７がX線１９を放出する。このX線は患者環境１５を通過し、画像データ源９によって記録される。患者２０の解剖学的情報に加えて、画像データ源９は患者環境１５内部のカテーテルの幾何学的情報をも記録する。画像データは画像データ源９から第一のデータ・インターフェース７を通じて処理ユニット５に伝送される。さらに、カテーテル３の湾曲、前記カテーテル３に前に送信されたステアリング・コマンド、前記カテーテル３によって検出され送信された力フィードバック信号のうちの少なくとも一つを表わす情報の形の補助情報項目がカテーテル３から処理ユニット５に伝送される。カテーテル３は、処理ユニット５に直接結合されるか、カテーテル制御装置（図示せず）に結合されてそのカテーテル制御装置がデータ通信のために処理ユニット５に接続される。
【００３９】
処理ユニット５は、カテーテル３の湾曲を決定するために必要なだけの数の補助情報項目を使う。さらに、処理ユニット５は、ひとたび決定されたらカテーテルの湾曲を、画像データ源９から送信される画像データにマッチさせる。ひとたび湾曲が画像データにうまくマップされたら、あるいは少なくともひとたび画像データに対するカテーテルの可能な配向および位置の集合が確立されたら、カテーテルの画像と、前記の、好ましくは二次元の画像データおよび前記患者環境および前記カテーテルの三次元モデルのうちの少なくとも一方とが、レンダリングされて、可視化装置２１に伝送される。患者環境の三次元モデルは好ましくは、X線源１７および画像データ源９の使用のもとでの以前のスキャン手順においてまたはデータ記憶手段を通じて供給される。
【００４０】
図２は、カテーテル３の湾曲を、画像データ源９によって検出された画像データとマッチングする好ましい仕方を概略的に描いている。図２において、C(t)は、所与の座標系における、姿勢（pose）と呼ばれる、曲がったカテーテルの特定的な記述である。C(t)は、上記のような補助情報項目から得られる。
【００４１】
【数１】
0006329953.tif 000002
は、画像データ源９のX線画像上の検出されたカテーテルの投影を表わす点の集合である。
【００４２】
【数２】
0006329953.tif 000003
は、座標系の中心からX線源の放出点に導くベクトルである。X線源から、一組の線Liが画像データ源９に向かって発される。Liは次のように決定される。
【００４３】
【数３】
0006329953.tif 000004
ここで、τは
【００４４】
【数４】
0006329953.tif 000005
（τは0）から
【００４５】
【数５】
0006329953.tif 000006
（τは1）への直線を記述するために用いられるスケーリング変数である。
【００４６】
【数６】
0006329953.tif 000007
の座標および投影
【００４７】
【数７】
0006329953.tif 000008
の座標は処理ユニットに既知である。知られておらず、決定される必要があるのは、当該座標系におけるC(t)の配向および位置である。処理ユニット５は、座標系内の既知の湾曲（curvature）C(t)を、Liに沿ったその投影が画像データ源９によって記録された画像の平面における投影の形に似るまで、位置を変える、すなわち動かす。さらに、湾曲と放射源との間の距離を変えることによって、射線Liの円錐状の配向のため、投影
【００４８】
【数８】
0006329953.tif 000009
上に示されるサイズ比に対する湾曲の位置が変えられてもよい。数学的には、処理ユニットが行なうことは、C(t)と線Liの集合との間の距離を、アルゴリズム
Li:  argmin  dist(C(t),Li)
によって最小化することである。
【００４９】
このアプローチに従うことで、前記アルゴリズムに対するもっともらしい解を表わし、よって座標系におけるカテーテルの可能な配向および位置の集合を表わす一つまたは複数の最小につながる。
【００５０】
図３は、ディスプレイ上の図２のカテーテル投影の概略的な視覚化を示している。座標系は、三つの次元におけるユーザー入力１００についてのオプションを示す。ユーザーは、表示されている二次元ビューに基づいてステアリング・コマンドを入力できる。処理ユニットは、ユーザー入力を、検出器の平面である画像平面における座標からカテーテル・システムの座標に変換し、三次元のカテーテル座標系においてカテーテルを動かさせるステアリング・コマンドの集合を生成するよう適応されている。カテーテルが、好ましくは該カテーテル上に非対称的に位置されている放射線不透過性のマーカーを含む実施形態では、表示されているX線画像におけるマーカー検出が、カテーテルの姿勢を決定する助けとなる、あるいは可能な配向および位置の集合のどのもっともらしい解が最も確からしいかを決定する助けとなることができる。閉じたフィードバック・ループではさらに、カテーテルの使用中にカテーテル配向および位置が変わった場合にカテーテル配向および位置の関数として選択される、患者環境１５に対して異なる閲覧角度に、X線源１７（図１）を動かすことが可能であろう。
【００５１】
本発明に基づく方法は、以下において、図４ないし図６を参照して記述される。
【００５２】
図４は、患者環境内部でのカテーテルの配向および位置を決定する方法のフローチャートを示している。ステップ２０１では、ロボット・カテーテルが患者の身体中に、特に前記患者環境中に導入される。ステップ２０３では、X線画像データ、特に前記患者環境および前記カテーテルからの二次元画像データが取得される。好ましくは、これは、X線画像データ源を用いてなされる。
【００５３】
ステップ２０５では、一つまたは複数の補助情報項目がカテーテルおよび／または画像データ源から得られる。
【００５４】
ステップ２０７では、前記患者環境に対するカテーテルの可能な三次元的な配向および位置の集合が、前記の、好ましくは二次元の画像データおよび前記補助情報項目（単数または複数）の関数として決定される。
【００５５】
ステップ２０９では、可能な配向および位置の前記集合は、カテーテル・ウィグルの手順（上記および下記の図６）を実行することによって、カテーテルの一つの画定した配向および位置に縮小される。
【００５６】
少なくともカテーテルの可能な配向および位置の前記集合を確立したのち、ステップ２１１ａにおいて、前記カテーテルの可能な配向および位置の前記集合の画像がレンダリングされる。代替的または追加的に、ステップ２１１ｂにおいて、前記二次元画像データの画像がレンダリングされる。代替的または追加的に、ステップ２１１ｃにおいて、前記患者環境の三次元表現の画像がレンダリングされる。ステップ２１１ａ〜ｃは同時にまたは合同して実行されてもよい。ステップ２１３では、カテーテルの三次元的な配向および位置が、前記患者環境に対して、前記二次元画像データおよび前記一つまたは複数の補助情報項目の関数として処理されて、ステアリング・コマンドの集合にされ、前記ステアリング・コマンドはステップ２１９においてロボット・カテーテルに与えられる。代替的または追加的に、ステップ２１５において、前記画像は可視化装置に提供される。ステップ２１３および２１５に対して代替的または追加的に、ロボット・カテーテルにすぐに、可能な配向および位置の前記集合の関数であるフィードバックが提供される。
【００５７】
もし実行される場合、ステップ２１５に続いて、好ましくは、図５に示される諸ステップを経る。図５は、ステップ２１７の諸サブステップを示している。まず、ステップ３０１において、ユーザー入力が登録される。ここで、前記ユーザー入力は、カテーテルの可能な配向および位置の前記集合のうちからの一つの配向および位置のユーザー選択および／またはカテーテルを動かす一つまたは複数のユーザー・コマンドを表わす。
【００５８】
ステップ３０３は、前記ユーザー入力を処理してカテーテルについてのステアリング・コマンドの集合にすることからなる。ステップ３０５において、ステアリング・コマンドの前記集合が前記カテーテルに与えられ、ステップ２１９に続く。
【００５９】
図６は、「カテーテル・ウィグル」手順の方法ステップをより詳細に示している。ここで、まず、ステップ４０１において、あらかじめ決定された経路に沿ってカテーテル先端の小さな動きが実行される。好ましくは、カテーテル先端はまず、所定の回数、第一の平面内で動かされ、その後、所定の回数、第二の平面内で動かされる。第一の平面および第二の平面は、互いに対してある角度に配向される。
【００６０】
ステップ４０１は、カテーテルの配向および位置が成功裏にかつ確定的に決定されるまで、複数回繰り返されてもよい。ここで、カテーテル先端の動きの前記第一の平面と第二の平面との間の角度が、各反復で変わることが好ましい。
【００６１】
ステップ４０３では、カテーテル先端によって実行される動きが一連のX線画像データにおいてそれぞれ検出される。ステップ４０５では、カテーテル配向が前記動きから推定される。
【００６２】
上記のシステムおよび方法は、AAA手順、TAVI手順、EP手順、構造的心疾患手順などといった血管内介入処置において使うために提供される。
【００６３】
一つまたはいくつかのユニットまたは装置によって実行される、カテーテル配向および位置の決定、X線画像データの取得、一つまたは複数の補助項目の取得、画像のレンダリング、カテーテルへのフィードバック提供、ユーザー入力の登録、前記入力を処理してカテーテルのステアリング・コマンドにすることなどのような手順は、他の任意の数のユニットまたは装置によって実行されてもよい。カテーテル位置を決定する上記方法に基づく上記X線撮像システムの手順および／または制御や前記カテーテルをナビゲートする手順は、コンピュータ・プログラムのプログラム・コード手段としておよび／または専用のハードウェアとして実装されることができる。
【００６４】
コンピュータ・プログラムは、他のハードウェアと一緒にまたは他のハードウェアの一部として供給される光記憶媒体または固体記憶媒体のような好適な媒体上で記憶／頒布されてもよいが、インターネットまたは他の有線もしくは無線の遠隔通信システムを介してなど、他の形で頒布されてもよい。
【００６５】
特許請求される発明を実施する際に、図面、本開示および付属の請求項の吟味から、開示される実施形態の他の変形が当業者によって理解され、実施されることができる。
【００６６】
請求項において、「有する／含む」の語は他の要素や段階を排除するものではなく、単数形の表現は複数を排除するものではない。
【００６７】
請求項において記載されるいくつかの項目の機能を単一のユニットまたは装置が充足してもよい。ある種の施策が互いに異なる従属請求項に記載されているというだけの事実が、それらの施策の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。
【００６８】
請求項に参照符号があったとしても、範囲を限定するものと解釈すべきではない。
いくつかの態様を記載しておく。
〔態様１〕
ロボット・カテーテルのためのX線撮像システムであって、
・ロボット・カテーテルと、
・処理ユニットとを有しており、前記処理ユニットは、患者環境のX線画像データを受領するためにX線画像データ源に接続可能であり、前記ロボット・カテーテルに接続可能であり、
前記処理ユニットは、
ａ）前記データ源および前記カテーテルのうち少なくとも一方から受領される一つまたは複数の補助情報項目を受領する段階と、
ｂ）前記カテーテルの可能な三次元配向および位置の集合を、前記画像データおよび前記一つまたは複数の補助情報項目の関数として、決定する段階とを実行するよう適応されており、
前記処理ユニットは：
ｃ）前記集合の画像と、前記画像データおよび前記患者環境の三次元表現の少なくとも一方とをレンダリングし、前記画像を可視化装置に提供する段階；および
ｄ）前記ロボット・カテーテルにフィードバックを提供する段階であって、前記フィードバックは可能な配向および位置の前記集合の関数である、段階のうちの少なくとも一方を実行するよう適応されている、
システム。
〔態様２〕
前記補助情報項目が：
前記カテーテルの少なくとも一部分の湾曲、
前記カテーテルに前に送信されたステアリング・コマンド、
前記カテーテルの前の配向、
前記カテーテルの前の位置、
前記カテーテルの前の湾曲、
前記カテーテルによって検出され送信された力フィードバック信号および
患者の三次元モデルからの解剖学的な境界情報
のうちの少なくとも一つを表わす、態様１記載のシステム。
〔態様３〕
ユーザー入力を受領するよう適応された入力装置を有しており、前記ユーザー入力は、前記可視化装置によって表示される前記カテーテルの可能な配向および位置の前記集合のうちからの一つの配向および位置のユーザー選択を表わす、態様１記載のシステム。
〔態様４〕
前記ユーザー入力が、前記カテーテルを動かすための一つまたは複数のコマンドを表わす、態様３記載のシステム。
〔態様５〕
前記入力装置が、前記ユーザー入力を前記処理ユニットに通信するよう適応されており、前記処理ユニットが、前記ユーザー入力を処理して、ステアリング・コマンドの集合にするよう適応されており、前記フィードバックはステアリング・コマンドの前記集合を前記ロボット・カテーテルに提供するものである、態様３または４記載のシステム。
〔態様６〕
前記処理ユニットが、前記二次元画像データおよび前記一つまたは複数の補助情報項目の関数としての前記患者環境に対する前記カテーテルの三次元配向および位置を処理して、ステアリング・コマンドの集合にするよう適応されており、前記フィードバックはステアリング・コマンドの前記集合を前記ロボット・カテーテルに提供するものである、態様１記載のシステム。
〔態様７〕
カテーテル先端が、事前決定された経路に沿って小さな動きを実行するよう適応されており、前記処理ユニットが前記患者環境の一連の二次元X線画像データから前記動きを検出し、それから前記カテーテルの配向を推定するよう適応されている、態様１記載のシステム。
〔態様８〕
カテーテル先端が、該先端に沿って対称的または非対称的に配置されている複数の放射線不透過性のマーカーを有し、それらのマーカーは好ましくは、それから前記カテーテルの配向を推定するために前記カテーテルをステアリングするためのワイヤに対して固定した空間的関係において配列されている、態様１記載のシステム。
〔態様９〕
前記処理ユニットは、前記画像データ源によって得られた二つ以上の二次元画像に基づいて前記カテーテルの可能な三次元配向および位置の前記集合を決定する前記段階を初期化し、その後、決定されている配向および位置を位置合わせするよう適応されている、態様１記載のシステム。
〔態様１０〕
患者環境内部のロボット・カテーテルの配向および位置を決定する方法であって、
・前記患者環境および前記カテーテルのX線画像データをX線画像データ源から取得する段階と、
ａ）前記カテーテルおよび前記画像データ源の少なくとも一つから一つまたは複数の補助情報項目を取得する段階と、
ｂ）前記患者環境に対する前記カテーテルの可能な三次元配向および位置の集合を、前記画像データおよび単数または複数の前記補助情報項目の関数として、決定する段階と、
ｃ）前記カテーテルの可能な配向および位置の前記集合の画像と、前記画像データおよび前記患者環境の三次元表現の少なくとも一方とをレンダリングし、前記画像を可視化装置に提供する段階およびｄ）前記ロボット・カテーテルにフィードバックを提供する段階であって、前記フィードバックは可能な配向および位置の前記集合の関数である、段階のうちの少なくとも一方とを含む、
方法。
〔態様１１〕
・ユーザー入力を登録する段階であって、前記ユーザー入力は、前記カテーテルの可能な配向および位置の前記集合のうちからの一つの配向および位置のユーザー選択と、前記カテーテルを動かすための一つまたは複数のコマンドとのうちの少なくとも一方を表わす、段階；
・前記ユーザー入力を処理して、前記カテーテルについてのステアリング・コマンドの集合にする段階；および
・ステアリング・コマンドの前記集合を前記カテーテルに提供する段階
のうちの一つ、いくつかまたは全部を含む、態様１０記載の方法。
〔態様１２〕
・前記二次元の画像データおよび前記一つまたは複数の補助情報項目の関数としての前記患者環境に対する前記カテーテルの前記三次元配向および位置を処理して、ステアリング・コマンドの集合にする段階；および
・ステアリング・コマンドの前記集合をロボット・カテーテルに提供する段階
のうちの少なくとも一つを含む、態様１０記載の方法。
〔態様１３〕
・カテーテル先端の、事前決定された経路に沿っての小さな動きを実行する段階、
・一連のX線画像データにおいて前記動きを検出する段階、および
・前記動きから前記カテーテル配向を推定する段階
のうちの一つ、いくつかまたは全部を含む、態様１０記載の方法。
〔態様１４〕
患者環境内部での前記カテーテルの配向および位置を決定するための、態様１記載のロボット・カテーテルのためのX線撮像システムの使用。
〔態様１５〕
態様１記載のX線撮像システムを動作させるためのコンピュータ・プログラムであって、当該コンピュータ・プログラムは、前記X線撮像システムを制御する、前記プロセッサ・ユニットを有するコンピュータ上で実行されるときに、態様１０記載の、患者環境内部のロボット・カテーテルをナビゲートする方法の方法段階を実行するためのプログラム・コード手段を有する、コンピュータ・プログラム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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