(57)【要約】  ６つの自由度で身体に対してハンドヘルドツールの位置を測定するシステムには、カメラがツールの近位部とともに移動し、ツールの遠位端を含む視野を有するように、機械的リンク機構を介してツールに取り付けられたカメラが採用される。処理システムは、カメラの画像を処理してツールの少なくとも一部分の位置を決定する。身体の外面に規定される光学的に識別可能な基準参照点を採用することによって、標的を含む平面上へのツールの先端位置の投影が得られて標的位置とともに表示され、それによって、標的へのツールの誘導が容易になる。
2010522573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも５つの自由度で身体に対するハンドヘルドツールの位置を測定するシステムであって、
（ａ）身体の内部に挿入する遠位端と、前記身体の外部で手動操作する近位部とを有する硬質または半可撓性のツールと、
（ｂ）画像を生成するカメラと、
（ｃ）前記ツールに前記カメラを取り付ける機械的リンク機構であって、
（ｉ）前記カメラは、前記ツールの前記近位部とともに移動し、
（ｉｉ）前記カメラは、前記ツールの前記遠位端の少なくとも一部を含む視野を有しながら導かれるように、前記ツールに前記カメラを取り付ける機械的リンク機構と、
（ｄ）前記カメラとデータ通信し、前記ツールの少なくとも一部の位置を決定するために前記カメラの画像を処理するように構成された処理システムと、
を備える、システム。
【請求項２】
複数の基準点を備えるために、前記身体の外面に貼付されるように構成されたマーカー配列をさらに備え、前記処理システムは、前記基準点に対する前記位置を決定する、請求項１に記載の前記システム。
【請求項３】
前記マーカー配列は、前記複数の基準点を担持する単一パッチとして実装される、請求項２に記載の前記システム。
【請求項４】
前記複数の基準点は、４つ１組の基準点を少なくとも１組を含み、前記パッチは、前記４つ１組の基準点を実質的に共通平面内に保持するように構成される、請求項３に記載の前記システム。
【請求項５】
前記パッチは、非光学的画像システムによって容易に検出されるように構成された複数のマーカーを含む、請求項３に記載の前記システム。
【請求項６】
前記マーカーは、前記パッチ上の前記基準点と一致する、請求項５に記載の前記システム。
【請求項７】
前記パッチは、前記ツールの前記遠位端の前記身体の内部への穿通点を描くように構成される、請求項３に記載の前記システム。
【請求項８】
前記複数の基準点は、第１の組の基準点と前記第１の組の基準点から光学的に識別可能な第２の組の基準点とを含み、前記第１の組の基準点は、前記第２の組の基準点よりもさらに狭い間隔で配置される、請求項７に記載の前記システム。
【請求項９】
前記処理システムは、さらに前記ツールの前記遠位端の現在の先端位置を導出するように構成され、前記導出するステップは、前記ツールの屈曲を概算するステップと、前記現在の先端位置を決定するために前記屈曲の概算を採用するステップとを含む、請求項３に記載の前記システム。
【請求項１０】
前記カメラと前記処理システムの少なくとも一部とは、共通のプロセッサーチップ上に実装される、請求項３に記載の前記システム。
【請求項１１】
身体の内部の標的に硬質または半可撓性のツールの遠位端を誘導する方法であって、前記ツールは、前記身体の外部から手動操作する近位部を有し、
（ａ）前記身体と前記標的の外面で規定される複数の光学的に識別可能な基準参照点間の空間的関係を決定するステップと、
（ｂ）前記ツールの前記近位部に機械的に取り付けられるカメラを備えるステップと、
（ｃ）前記ツールを前記身体の内部に挿入する間に、
（ｉ）複数の前記基準点を含む前記身体の外面の画像を前記カメラから得るステップと、
（ｉｉ）前記遠位端の指示方向に導かれる前記ツールの前記遠位端からの外挿と、前記標的を含み前記ツールの前記遠位端の前記指示方向に実質的に垂直な平面との交点に実質的に対応する現在の先端の投影を、前記画像内に前記基準点の位置から導出するステップと、
（ｉｉｉ）少なくとも前記標的の位置と前記現在の先端の投影のグラフィック表現を表示するステップと、
を備える、方法。
【請求項１２】
前記身体の前記外面上の前記複数の基準点は、マーカー配列を前記身体の前記外面に貼付することによって規定される、請求項１１に記載の前記方法。
【請求項１３】
前記マーカー配列は、前記複数の基準点を担持する単一パッチとして実装される、請求項１２に記載の前記方法。
【請求項１４】
前記複数の基準点は、４つ１組の基準点を少なくとも１組含み、前記パッチは、前記４つ１組の基準点を実質的に共通平面内に保持するように構成される、請求項１３に記載の前記方法。
【請求項１５】
前記基準参照点と前記標的との間の前記空間的関係は、非光学的画像システムを使用して決定され、前記パッチは、前記非光学的画像システムによって容易に検出されるように構成された複数のマーカーを含む、請求項１３に記載の前記方法。
【請求項１６】
マーカーは、前記パッチ上の前記基準点と一致する、請求項１５に記載の前記方法。
【請求項１７】
前記ツールの前記身体の内部への挿入は、前記パッチを通じて行われる、請求項１３に記載の前記方法。
【請求項１８】
前記パッチは、前記ツールの前記遠位端の前記身体の内部への穿通点を描くように構成される、請求項１７に記載の前記方法。
【請求項１９】
前記ツールの前記遠位端の前記身体の内部への穿通点は、前記方法の実行中に前記カメラ画像を処理することによって導出される、請求項１７に記載の前記方法。
【請求項２０】
前記複数の基準点は、第１の光学的に明確なマーキングを含む第１の組の基準点と、前記第１の光学的に明確なマーキングから光学的に識別可能な第２の光学的に明確なマーキングを含む第２の組の基準点とを含み、前記第１の組の基準点は、前記第２の組の基準点よりも前記穿通点に近い、請求項１７に記載の前記方法。
【請求項２１】
前記非光学的画像システムは、コンピュータ断層撮影システムである、請求項１１に記載の前記方法。
【請求項２２】
前記非光学的画像システムは、磁気共鳴画像システムである、請求項１１に記載の前記方法。
【請求項２３】
前記非光学的画像システムは、Ｘ線透視装置であり、前記基準参照点と前記標的との間の前記空間的関係は、少なくとも２つの非平行な観察方向に沿って導出される画像から決定される、請求項１１に記載の前記方法。
【請求項２４】
前記ツールは、伸長方向に細長いボディーを有し、前記カメラは、伸長方向を含む視野を有する細長いボディーに隣接して位置するように前記ツールの前記近位部に機械的に取り付けられる、請求項１１に記載の前記方法。
【請求項２５】
前記ツールを前記身体の内部に挿入する前に、
（ａ）前記ツールの前記遠位端を前記基準点に対して規定された空間的関係にある参照点に接するようにするステップと、
（ｂ）前記現在のカメラ位置を導出するステップと、
（ｃ）前記現在のカメラ位置と前記参照点の位置から、前記カメラから前記遠位端までの距離を導出するステップと、
を含む、長さ較正手順を実行するステップをさらに備える、請求項１１に記載の前記方法。
【請求項２６】
前記ツールの前記遠位端の現在の先端位置を導出するステップをさらに備え、前記導出するステップは、前記現在のカメラ位置と前記身体の内部への前記ツールの穿通点との組合せから前記ツールの屈曲を概算するステップと、前記現在の先端位置を決定するために屈曲の前記概算を採用するステップとを含む、請求項１１に記載の前記方法。
【請求項２７】
前記グラフィック表現は、前記カメラから得られた前記画像に対するオーバーレイとして表示される、請求項１１に記載の前記方法。
【請求項２８】
前記グラフィック表現は、前記画像内の対応する前記基準点が正常に追跡されていることを示す各基準点に関連した可視指示をさらに含む、請求項２７に記載の前記方法。
【請求項２９】
前記グラフィック表現は、前記遠位端から前記標的までの距離の指示をさらに含む、請求項１１に記載の前記方法。
【請求項３０】
前記グラフィック表現は、前記現在の先端位置の表現をさらに含む、請求項１１に記載の前記方法。
【請求項３１】
身体内の標的に半可撓性ツールの遠位端を誘導する方法であって、前記ツールは、前記身体の外部から手動操作する近位部を有し、
（ａ）前記ツールの前記近位部の現在位置をモニターするための位置追跡システムを採用するステップと、
（ｂ）前記身体の内部への前記ツールの穿通位置を決定するステップと、
（ｃ）前記ツールの前記近位部の前記現在の位置と前記穿通位置とから前記ツールの屈曲を概算し、結果として、前記身体内の前記ツールの前記遠位端の現在の先端位置を導出するステップと、
（ｄ）少なくとも
（ｉ）前記標的の前記位置と、
（ｉｉ）前記遠位端の指示方向に導かれる前記ツールの前記遠位端からの外挿と前記標的を含み前記遠位端の前記指示方向に実質的に垂直な平面との交点と、
のグラフィック表現を表示するステップと、
を備える、方法。
【請求項３２】
身体の内部の標的に硬質または半可撓性のツールの遠位端を誘導する光誘導システムとともに使用する身体の皮膚に貼付するパッチであって、前記ツールは、前記身体の外部から手動操作する近位部を有し、前記パッチは、
（ａ）前記皮膚に一時的に貼付する下面と、
（ｂ）１組の少なくとも４つの光学的に検出可能な基準点が備えられた上面と、
（ｃ）非光学的画像システムを使って前記パッチの位置確認を容易にする非光学的画像システムの動作の下で高コントラスト点を備えるように構成された複数のコントラスト生成機能と、
（ｄ）前記身体の内部への前記ツールの前記遠位端の穿通点を描くように構成された挿入形態と、
を備える、パッチ。
【請求項３３】
前記コントラスト生成機能は、Ｘ線を通さない機能として実装される、請求項３２に記載の前記パッチ。
【請求項３４】
前記Ｘ線を通さない機能は、前記基準点を形成するために採用されるダイに付加されたＸ線を通さない物質として実装される、請求項３３に記載の前記パッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的追跡システムに関し、特に、光学的位置測定ならびに硬質または半可撓性のツールの標的への誘導のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニードルツールは、局所治療を実施するために医療分野で頻繁に使用される。近年、これらの治療処置は、インターベンショナルラジオロジスト、すなわち、診断および治療処置を誘導し制御するために画像装置を使う専門家である医師たちによって支えられている。これらの治療処置において、ニードルは、画像装置の制御の下で身体内に挿入される。
ＣＴおよびＸ線透視法で使用されるエネルギーは、電離しており、生体内臓器にとって有害なＸ線であるため、手術前のＣＴデータに基づいて標的にツールをナビゲートするために画像誘導システムが開発されてきた。このようなナビゲーションシステムは、身体の部位およびツールの位置を６つの自由度で測定し、身体部位からツール位置を差し引いて身体に対するツールの位置を決定する。治療処置の開始時に、ＣＴデータと身体がこれらの座標を一致させるために登録される。これは、ＣＴデータ内および身体内においても識別される少なくとも３つの基準点を一致させて行われる。このようなほとんどのシステムにおいて、ツールと身体の位置の決定には２種類の技術、すなわち、光学的追跡装置と電磁追跡装置のうちの一方が使用される。光学的追跡装置では、システムは、２台の相隔たるビデオカメラを使用し、追跡される対象に取り付けられた３台またはそれ以上の識別可能な光源をモニターすることによって、三角測量計算による最大６つの自由度（６  ＤＯＦ）で対象の位置と向きを計算する。電磁追跡装置では、複数のアンテナを有するトランスミッターが複数の準静的な磁界を送信する。複数のアンテナを有するレシーバーが、これらの信号を受信し、これらの信号に基づいてトランスミッターに対するレシーバーの位置を計算する。
これらのシステムにおいて、ツールと身体の両方の位置が、ツールと身体の両方の外部にある中間参照座標系に対して決定される。電磁システムの場合、参照座標は、送信アンテナによって規定される。光学的追跡装置においては、参照座標は、カメラによって規定される。ツールの座標を身体の座標から差し引くと、身体座標におけるツールの直接的な位置が与えられる。各位置決定では本質的にその過程にいくつかの位置誤差が加わるので、身体に対するツールの位置の決定に中間座標系を使用した場合の精度は、身体座標系でツールの位置を直接測定して実現されうる精度よりも低くなる。
【０００３】
パルティーリ（Paltieli）に付与された米国特許第６，２１６，０２９号には、ニードルを身体容積内にある標的に自在に導くことが記載されている。この特許では、画像装置は、ハンドヘルド超音波スキャナーである。ツールのハンドルだけでなくトランスデューサーにも電磁位置センサーが実装される。両方の位置は、電磁追跡システムによって規定される参照座標フレームに対して決定される。
前述の画像誘導システムは、硬質ツールを標的に誘導するように設計される。しかし、ニードルは、それらの径が小さいため曲りやすい。特に、標的に向けて皮膚を通して押し込むとき、ニードルを操作して前進させるために加えられる力によって撓みが生じることが多い。前述のシステム内にある位置センサーは、ニードルの近位部（proximal part）に取り付けられるので、ニードルの撓みを補償せずに近位部の向きを測定すると、ニードルの遠位端（distal tip）の位置決定に誤差が生じることになる。その結果、標的までの経路の予測も外れることになる。
身体内の臓器の多くは、胸膜および腹膜などの膜で覆われている。これらの膜は、膜と外側の臓器との間の真空力によって適所に保たれる。膜が破れると、空気が膜と外側の臓器との間の空間の中に漏れて膜が沈む。肺では、この現象は、気胸と呼ばれ、皮膚を通した胸部の針生検の治療処置の約３０％でごく一般的に起きるものである。
【特許文献１】米国特許第６，２１６，０２９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、身体に固定された１組の座標で直接的にツールの位置を測定することになる光学的位置測定ならびに硬質または半可撓性のツールの標的への誘導のためのシステムおよび方法が必要である。また、ニードルの撓みの補償を含む、ニードルを標的に誘導するシステムおよび方法を提供することが好都合でもある。このようなシステムは、気胸などの厄介な問題を回避する上できわめて好都合であると期待される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、光学的位置測定ならびに硬質または半可撓性のツールの標的への誘導のためのシステムおよび方法である。
本発明の教示によると、少なくとも５つの自由度で身体に対してハンドヘルドツールの位置を測定するシステムが提供され、このシステムは、（ａ）身体の内部に挿入する遠位端を有する硬質または半可撓性のツール、および身体の外部で手動操作する近位部、（ｂ）画像を生成するカメラ、（ｃ）（ｉ）カメラがツールの近位部とともに移動し、（ｉｉ）カメラがツールの遠位端の少なくとも一部を含む視野を有しながら導かれるようにカメラをツールに取り付ける機械的リンク機構、ならびに（ｄ）カメラとデータ通信し、カメラの画像を処理し、ツールの少なくとも一部分の位置を決定するように構成された処理システムを備える。
本発明のさらなる特徴によると、複数の基準点を備えるために身体の外面に貼付されるように構成されたマーカー配列もまた備えられ、処理システムは、基準点に対する位置を決定する。
本発明のさらなる特徴によると、マーカー配列は、複数の基準点を担持する単一パッチとして実装される。
本発明のさらなる特徴によると、複数の基準点は、４つ１組の基準点を少なくとも１組含み、パッチは、この４つ１組の基準点を実質的に共通平面内に保持するように構成される。
本発明のさらなる特徴によると、パッチは、非光学的画像システムによって容易に検出されるように構成された複数のマーカーを含む。
【０００６】
本発明のさらなる特徴によると、マーカーは、パッチ上の基準点と一致する。
本発明のさらなる特徴によると、パッチは、ツールの遠位端の身体内への穿通点を描くように構成される。
本発明のさらなる特徴によると、複数の基準点は、第１の組の基準点と第１の組の基準点から光学的に識別可能な第２の組の基準点とを含み、第１の組の基準点は、第２の組の基準点よりもさらに狭い間隔で配置される。
本発明のさらなる特徴によると、処理システムは、さらにツールの遠位端の現在の先端位置を導出するように構成され、この導出は、ツールの屈曲を概算するステップと、現在の先端位置を決定するための屈曲の概算を採用するステップを含む。
本発明のさらなる特徴によると、カメラと処理システムの少なくとも一部分とは、共通のプロセッサーチップ上に実装される。
【０００７】
また、本発明の教示によると、身体内の標的に硬質または半可撓性のツールの遠位端を誘導する方法が提供され、そのツールは、身体外から手動操作する近位部を有し、その方法は、（ａ）身体の外面と標的とで規定される複数の光学的に識別可能な基準参照点（fiducial reference points）間の空間的関係を決定するステップと、（ｂ）ツールの近位部に機械的に取り付けられるカメラを備えるステップと、（ｃ）ツールを身体内に挿入する間に（ｉ）複数の基準点を含む身体の外面の画像をカメラから得るステップと、（ｉｉ）遠位端の指示方向に導かれるツールの遠位端からの外挿（extrapolation）と、標的を含みツールの遠位端の指示方向に実質的に垂直な平面との交点に実質的に対応する現在の先端の投影（tip projection）を、画像内の基準点の位置から導出するステップと、（ｉｉｉ）少なくとも標的の位置と現在の先端の投影のグラフィック表現を表示するステップとを含む。
本発明のさらなる特徴によると、身体の外面上にある複数の基準点は、マーカー配列を身体の外面に貼付することによって規定される。
本発明のさらなる特徴によると、マーカー配列は、複数の基準点を担持する単一パッチとして実現される。
本発明のさらなる特徴によると、複数の基準点は、４つ１組の基準点を少なくとも１組含み、パッチは、この４つ１組の基準点を実質的に共通平面内に保持するように構成される。
本発明のさらなる特徴によると、基準参照点と標的の空間的関係は、非光学的画像システムを使用して決定され、パッチは、非光学的画像システムによって容易に検出されるように構成された複数のマーカーを含む。
【０００８】
本発明のさらなる特徴によると、マーカーは、パッチ上の基準点と一致する。
本発明のさらなる特徴によると、ツールの身体内への挿入は、パッチを通じて行われる。
本発明のさらなる特徴によると、パッチは、ツールの遠位端の身体内への穿通点を描くように構成される。
本発明のさらなる特徴によると、ツールの遠位端の身体内への穿通点は、その方法の実行中にカメラ画像を処理することによって導出される。
本発明のさらなる特徴によると、複数の基準点は、第１の光学的に明確なマーキングを含む第１の組の基準点と、第１の光学的に明確なマーキングから光学的に識別可能な第２の光学的に明確なマーキングを含む第２の組の基準点とを含み、第１の組の基準点は、第２の組の基準点よりも穿通点により近い。
本発明のさらなる特徴によると、非光学的画像システムは、コンピュータ断層撮影システムである。
本発明のさらなる特徴によると、非光学的画像システムは、磁気共鳴画像システムである。
【０００９】
本発明のさらなる特徴によると、非光学的画像システムは、Ｘ線透視装置であり、基準参照点と標的の空間的関係は、少なくとも２つの非平行な観察方向に導出される画像から決定される。
本発明のさらなる特徴によると、ツールは、伸長方向に細長いボディーを有し、カメラは、伸長方向を含む視野を有する細長いボディーに隣接して位置するようにツールの近位部に機械的に取り付けられる。
本発明のさらなる特徴によると、ツールを身体内に挿入する前に、（ａ）ツールの遠位端を基準点に対して規定された空間的関係にある参照点に接するようにするステップと、（ｂ）現在のカメラ位置を導出するステップと、（ｃ）現在のカメラ位置と参照点の位置からカメラから遠位端までの距離を導出するステップと、を含む、長さの較正手順が実行される。
本発明のさらなる特徴によると、ツールの遠位端の現在の先端位置が導出され、この導出するステップは、現在のカメラ位置と身体内へのツールの穿通点との組合せからツールの屈曲を概算するステップと、現在の先端位置を決定するために屈曲の概算を採用するステップとを含む。
本発明のさらなる特徴によると、グラフィック表現はカメラから得られた画像にオーバーレイとして表示される。
【００１０】
本発明のさらなる特徴によると、グラフィック表現は、画像内の対応する基準点が正常に追跡されていることを示す各基準点に関連した可視表示をさらに含む。
本発明のさらなる特徴によると、グラフィック表現は、遠位端から標的までの距離の表示をさらに含む。
本発明のさらなる特徴によると、グラフィック表現は、現在の先端位置の表現をさらに含む。
また、本発明の教示によると、身体内の標的に半可撓性ツールの遠位端を誘導する方法が提供され、そのツールは、身体外から手動操作する近位部を有し、その方法は、（ａ）ツールの近位部の現在位置をモニターするための位置追跡システムを採用するステップと、（ｂ）身体内へのツールの穿通位置を決定するステップと、（ｃ）ツールの近位部の現在位置と穿通位置とからツールの屈曲を概算し、結果として、身体内のツールの遠位端の現在の先端位置を導出するステップと、（ｄ）少なくとも（ｉ）標的の位置と、（ｉｉ）遠位端の指示方向に導かれるツールの遠位端からの外挿と、標的を含み遠位端の指示方向に実質的に垂直な平面との交点のグラフィック表現を表示するステップとを含む。
【００１１】
また、本発明の教示によると、身体内の標的に硬質または半可撓性のツールの遠位端を誘導する光誘導システムとともに使用する身体の皮膚に貼付するパッチが提供され、ツールは、身体外から手動操作する近位部を有し、そのパッチは、（ａ）皮膚に一時的に貼付する下面、（ｂ）１組の少なくとも４つの光学的に検出可能な基準点が備えられた上面、（ｃ）非光学的画像システムを使ってパッチの位置確認を容易にする非光学的画像システムの動作の下で高コントラスト点を備えるように構成された複数のコントラスト生成機能、および（ｄ）身体内へのツールの遠位端の穿通点を描くように構成された挿入形態を備える。
本発明のさらなる特徴によると、コントラスト生成機能は、Ｘ線を通さない機能として実装される。
本発明のさらなる特徴によると、Ｘ線を通さない機能は、基準点を形成するために採用されるダイ（ｄｉｅ）に添加されたＸ線を通さない物質として実装される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、本明細書で添付図面を参照して、単なる一例として説明される。
本発明は、光学的位置測定ならびに硬質または半可撓性のツールの標的への誘導のためのシステムおよび方法である。
本発明によるシステムおよび方法の原理と操作は、図面および付随する説明を参照すると、よりよく理解される。
【００１３】
一般に、本発明は、少なくとも５つの自由度で身体に対するハンドヘルドツールの位置を測定するシステムを提供する。このシステムは、身体内に挿入する遠位端を有する硬質または半可撓性のツールと、身体外から手動操作する近位部とで作動する。カメラがツールの近位部とともに移動し、かつカメラがツールの遠位端を含む視野で導かれるように、画像を生成するカメラが機械的リンク機構を介してツールに取り付けられる。処理システムが、カメラとデータ通信しており、カメラの画像を処理してツールの少なくとも一部分の位置を決定するように構成される。
また、本発明は、身体内の標的に硬質または半可撓性のツールの遠位端を誘導する方法を提供する。一般に、この方法は、身体の外面と標的に関して規定された複数の光学的に識別可能な基準参照点間の空間的関係を決定するステップを含む。ツールの近位部に機械的に取り付けられたカメラは、この場合、複数の基準点を含む身体の外面の画像を得るためにツールを身体内に挿入している間に使用される。この後、画像が処理されて、遠位端の指示方向に導かれるツールの遠位端からの外挿と、標的を含みツールの遠位端の指示方向に実質的に垂直な平面との交点に実質的に対応する現在の先端の投影を基準点の位置から導出する。この後、少なくとも標的の位置、および現在の先端の投影を示すグラフィック表現が表示され、それによって、標的へのツールの誘導が容易になる。
この段階において、本発明のシステムおよび方法は、前述の先行技術に比べて十分な利点を提供することが既に明らかである。具体的に、カメラをツールに直接取り付けることによって、ツールと身体の両方に対して外部に新たな基準系を使用することが回避される。本発明のこのような利点と他の利点は、以下の詳細な説明からさらに明らかになる。
【００１４】
ここで図面を参照すると、本発明による装置の基本的なセットアップが図１に示される。ハンドヘルドツール１００は、近位端１１０と遠位端１２２を有する。その遠位端は、標的１５０でのツールによって処置されるためにこの標的１５０に誘導される。追跡モジュール１１０は、ツールの近位端、好ましくはこの近位端のハンドルに固定状態に取り付けられる。追跡モジュールは、少なくとも適所にある、好ましくは標的１５０に対する方向でもあるツール１２０の遠位先端１２２の位置を示す。身体に対するツールの位置の決定は、追跡モジュールと身体の間で直接的に行われ、ツールと中間参照システムの間で中間測定を行う必要がない。追跡モジュール１１０の第１の好ましい実施形態において、追跡モジュールは、単一のカメラ１１５を含む。追跡モジュールの第２の好ましい実施形態において、追跡モジュールは、さらに第２のカメラ１１６を含む。これらのカメラは、標的１５０の一部分であり、あるいは定位置で標的１５０に隣接している複数の参照マーク１５５を画像化し、明確に識別するために使用される。同時に、カメラは、ツール１２０の少なくとも一部分も画像化する。
カメラ１１５および１１６は、カメラと処理システムの少なくとも一部とが共通のプロセッサーチップに実装されうるＣＭＯＳカメラなどの、自律単一チップ型のものが好ましい。この場合、チップは、典型的にはクロック発生器、タイミング発生器、行列セレクター、および／または  シフトレジスター、出力ドライバー、必要に応じて露出補正機構、必要に応じて利得およびオフセット制御、ならびにビデオ信号をこの単一チップカメラに独立に生成させるために必要なその他の電子回路を含む、ビデオ信号の生成に必要なすべての電子回路を内蔵することが好ましい。ビデオという用語は、アナログ出力、デジタル出力、圧縮デジタル出力などを含む画像の流れを供給するいずれかのタイプのカメラ出力を表すために本明細書ではより広い意味で使用され、一般に考えられる連続ビデオのフレームレートでの出力を必ずしも意味しない。カメラは、周辺電子回路によって支えられるＣＣＤ技術で設計されて製造されうるが、論理セルと検出セルを同じ物理的なダイ内で結合することができるため、ＣＭＯＳ技術で製造されることが好ましい。カメラレンズは、単一のプラスチック成形レンズであることが好ましい。
【００１５】
追跡装置の好ましい実施形態は、図２に概略的に示される。カメラのビデオ出力信号は、フレームグラバー２１０に供給される。ビデオ信号の転送は、ワイヤ１１２を通じて行われうるが、本発明の好ましい一実施形態において、これは無線で達成される。フレームグラバー２１０でデジタル化されたビデオ信号は、コンピュータ２００に供給され、コンピュータ２００は、追跡される対象に対する追跡モジュール１１０の位置を決定し、ディスプレー２３０に表示される誘導命令を決定する。別の好ましい実施形態において、アナログ／デジタル変換器は、カメラの一部であり、コンピュータへのデータ転送は、デジタル的に行われる。コンピュータは、ノートパソコンであることが好ましい。
本発明の好ましい例示的な例で採用される数値計算との関連で、座標系が図６に示される。追跡される対象は、直交座標系（Cartesian system-of-coordinates）６１０を規定する。対象は、座標系６２０を規定するレンズによって観察される。レンズは、対象点６１２を画像座標系６３０で規定される像点６３２に投影している。点６１２は、ベクトルｘ＝（ｘ，ｙ，ｚ）によって座標系６１０で規定され、ベクトルｋ＝（ｋ，ｌ，ｍ）によって座標系６２０で規定される。この点の画像平面への投影は、ベクトル（ｐ，ｑ，ｆ）である。筆者らは、対象からレンズ座標系への変換をベクトルｋ０＝（ｋ０，ｌ０，ｍ０）によって表される変換と、３×３の正規直交行列Ｔによって表される回転として定義する。対象とレンズ座標系の間の変換は、次の通りである。
2010522573.tif 000003
第１のカメラの焦点面における点６１２の画像は、このとき、次の通りである。
2010522573.tif 000004
ここで、ｆａは、第１のカメラのレンズの焦点距離で、ｓａは、その倍率である。第２のカメラが実装され、軸ｋの方向の距離Ｄｋに設置されると、第２のカメラレンズの焦点面における点６１２の画像は、次の通りである。
2010522573.tif 000005
ここで、ｆｂは、第１のカメラレンズの焦点距離で、ｓｂは、その倍率である。Ｔは、直交行列であるため、行列の行（または列）のドット乗算の結果は、次の通りである。
2010522573.tif 000006
【００１６】
式（４）を使って行列の残りの値を求めるには、行列Ｔの４つの要素のみを決定すれば十分である。カメラの６つの自由度（位置と向き）の決定は、既知の参照マーク点を使用し、それらの対応する画像座標を測定し、式（１）〜（４）を使って変換ｋ０と回転Ｔを求めることによって実行される。求められる未知数は、全部で７つある。カメラが１個しか使用されない場合、既知の対象座標系の位置を有する４つの参照マーカー６１２が使用されるべきである。各参照用に２つの線形独立の画像データ（ｐｉおよびｑｉ）があるので、４つの参照マーカーがあれば十分であり、７つの未知数の場合４×２＝８個の独立した式が得られる。カメラを追加した場合は、２つの異なる視点による参照マーカーの２つの画像間に位置ずれがある。これら参照マーカーのいずれの場合も、これらの位置ずれがカメラ間の位置ずれの方向に生じることを示すことは、容易である。それゆえ、参照マーカーの各々に対して新たな線形独立の測定データが１つだけあるので、合計３×３＝９個の線形独立の式を有する３つの参照マーカーは、この組の式を解くには十分である。
「基準点」と呼ばれる点を備える参照マーカーは、形、色、または、きめによる視覚的に識別可能なスポットまたは曲線などのいずれかの識別可能な特徴となりうる。これらの参照マーカーは、対象のはっきり見える部分の目印でありうるか、または物理的な対象または印のような特別に追加された対象でもありうる。その他のオプションとして、能動的に照射されるマーカーが挙げられ、これは、光源、またはカメラや他の場所の近くに取り付けられた光源に由来する光を反射する反射物であってもよい。能動的に照射されるマーカーのオプションでは、ビデオの分析を簡素化してもよい場合に信号の符号化が可能になる。能動光源の場合、各マーカーは、各マーカーを明確に識別しやすくするための特殊な符号化が行われてもよい。
【００１７】
オプションとして、異なった基準点間の不明確さを回避するために、異なる形、パターン、または色を採用するなどして各組の１つまたは複数の基準点が他の基準点と見分けられるようにしてもよい。あるいは、組の基準点の向きを一意的に規定するために矢印などのマーキングが追加されてもよい。ある場合には、パッチの向きに対して装置をどの方向に保つべきかをユーザーに示し、画像処理において不明確になりかねない限界までユーザーがシステムを回転しないようにすれば十分であることが分っている。
最も好ましくは、マーカー配列は、複数の基準点を担持する身体の表面に取り付ける単一パッチとして行われる。一部の好ましい実施形態において、位置を予測する数理解析を簡素化するために、パッチは、４つの基準点１組を実質的に共通の平面内に保持するように構成される。この効果は、例えば、硬いパッチを採用したり、２つの主要方向の一方向だけに同時に屈曲しがちな限られた可撓性を有するパッチを採用したりして多くの方法で実現されてもよい。参照点の共平面性は、システムの必要条件ではなく、十分な処理能力が得られれば必要でない場合もあることに留意されたい。
本発明の好ましい一実施形態において、対象座標の参照点の位置は、例えば、治療処置のナビゲーション段階に先立って行われる較正によって既知である。較正は、機械的手段を使って実行されてもよく、またはＣＴデータなどの画像データに基づいて決定されてもよい。
カメラのビデオ出力における参照点の識別は、画像処理法によって決定されうる。このような方法は、当技術分野で周知であり、したがって、コンピュータ２００上で実行される必要なソフトウェアコードを書き込んでビデオからの参照マーカーの座標を決定することは、当業者の通常技術の範囲内にある。
【００１８】
身体内画像用の三次元（３Ｄ）スキャナーは周知である。例えば、Ｘ線透視法、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）、陽電子放出断層撮影法（ＰＥＴ）、および超音波である。また、本発明の好ましい一実施形態によると、光学的基準点を備えるための身体表面に貼付されるパッチは、標的に対するパッチ位置の登録を容易にするために非光学的画像システムによって容易に検出されるように構成された複数のマーカーを備える。典型的には、これは、使用される特別な画像技術において高コントラスト機能をもたらす適切に選定された材料の存在を要する。例えば、ＣＴスキャナーで使用されるマーカーは、鉛の小球で作られることが好ましい。この小球は、平らなプラスチック製ディスクに埋め込まれうる。この小球が光学的基準点と既知の空間関係にあるようにパッチ内のどこかに位置決めすると、登録が十分に可能である。最も好ましくは、非光学的画像システム用のマーカーの位置は、光学的基準点と一致するので、光学的基準点は、スキャンされたデータから直接得られる。例えば、好ましい一オプションによると、前記小球の座標がスキャンされたデータとカメラの画像との両方で決定されうるようにカラーマークが小球の上に印刷される。あるいは、マーカーは、シルクスクリーン法を使ってＣＴ（またはＭＲＩ）画像で容易に見られる適切なコントラストの染剤を印刷することによって実現される。例えば、ヨウ素を染剤に添加することは、染剤をＣＴ画像内で容易に見えるようにするのに有効である。この後、これらのマーカーの座標は、基準点として使用されてカメラの向きとＣＴのボリュームデータとを登録し、ＣＴデータで決定された標的にツールを導くことができる。共通の基準点を介して１つの座標系を別の座標系に登録する計算は、当技術分野で周知である（例えば、"Medical Image Registration by Hajnal Hill and Hawkes, CRC Press,2001"を参照されたい）。
【００１９】
基準点と標的の相対位置を決定するＣＴまたはＭＲＩなどの３Ｄ画像法の代案として他の技法が使用されてもよい。非限定の一例として、標的とパッチ内のマーカーとの相対位置を決定するための２つの非平行な図がＸ線透視装置（これ自体は二次元画像装置）から得られる。各図において、６つの自由度のＸ線透視装置の位置は、基準点の光学的処理と同様の方法で、Ｘ線透視図で視覚化されたパッチ内のマーカー位置から決定され、標的位置がマークされる。２つの非平行な図の標的位置に対応する線の交点は、パッチに対する標的の位置を特定する。
ツール先端の位置と方向の算出に採用される１つのパラメーターは、身体内へのツールの穿通点である。原理上、穿通点は、ユーザーによってカメラの視野内にある身体表面の任意の位置に選定されうるものであり、この位置は、カメラ１１５から画像処理されることによって決定されうる。実際に、穿通点をより容易に  および／または  通常は可能でないようなより高い精度で決定するためには、パッチの存在を利用することが典型的に好ましい。したがって、身体内へのツールの挿入は、パッチを通して行われることが好ましい。特に好ましい一実施において、パッチ自体は、身体内へのツール遠位端の穿通点を描くように構成される。これは、ツールが挿入される開口を事前に設けることによって実現されてもよい。このように、いったんパッチ内のマーカー位置が標的に対して登録されると、挿入点の位置が直ちに分かる。別の実施において、身体内へのツールの遠位端の穿通点は、治療処置自体の中でカメラ画像の処理によって得られてもよい。この場合、パッチは、画像処理に基づく穿通位置の算出を容易にする長方形格子などの幾何学的パターンを好都合に特徴づけてもよい。穿通位置は、穿通直前にツールの先端をこの位置と接触するようにさせて決定されてもよく、あるいはツールを前進させながら穿通後に行われる計算によって決定され、すなわち精度がより高められてもよい。
特に好ましい一手順によると、治療処置の初めに、調整ステッカー（coordinator sticker）または基準マーカーを含む材料のブロックまたは層で作られた他の「パッチ」が標的の上にある患者の皮膚に貼付される。ＣＴ（または、他のボリュームイメージング）スキャンが行われる。マーカーと標的の位置が決定され、例えば、ディスクオンキーメモリー２２０を介してコンピュータ２００に入力される。このデータに基づいて、標的へのツールのナビゲーションが決定されうる。
【００２０】
ナビゲーション中に、ツールの撓みの補償が導入されるべきである。本明細書の説明と特許請求の範囲とにおいて、ツールの無応力状態に対してある程度の曲率を生じるツールの一時的な弾性変形を表現するために「撓み」、「屈曲」、および「曲り」という用語が互換可能に使用される。以下の例では、単一カメラの追跡システムを補償する方法の好ましい例を説明する。図３ａおよび図３ｂにおいて、撓みのないツールのシナリオが説明される。カメラモジュール１１０は、ツール１２０の少なくとも一部分が少なくとも４つのマーカー３１０〜３１３とともにカメラに写るような位置と方向でツール１００の近位側に取り付けられる。ここで、カメラの座標系におけるツールの軸の形状とその長さが設計パラメーターから、あるいは較正のいずれかによって事前に知られているものと仮定される。具体的に、ツールの長さに関しては、ツールの遠位先端をパッチ表面の任意の点に接触させ、システムを駆動してカメラとパッチ間の距離を決定することによって、治療処置の初めに好都合に決定されてもよい。パッチ自体は、滅菌されているので、治療処置を行う点において問題を生じることはない。他の較正パラメーターは、以下で議論されるように、カメラに事前に格納されるか、またはデータ記憶媒体に備えられることが好ましい。調整パッチ（coordinator patch）に対する画像モジュール１１０の位置と向きが決定される。ツールの遠位先端１２２の位置は、その軸３２２に沿った軌跡によって決定されうる。画像の上に表示される先端は、破線３２２と十字形３０１で示されるようにカメラから出力される。撓みがない場合、先端の動きは、カメラの動きと同じである。図４ａと図４ｂに示されるように、ツールが撓むと、撓みが補償されなければ、誤差が生じる。ツールの軌跡は、カメラに対して決定され、かつカメラは、その向きがツールの近位端の撓みによって変わるので、確定されたツール３２２の軸は、ツールの遠位部の実際の軸と、もはや一致しない。その結果、ツールの先端（または、標的の平面内にあるニードルの軌跡のように、ニードルの方向に沿ったいずれかの他の位置）を表わす十字形３０１は、ディスプレー上の間違った位置に表示される。この状態が補正されなければ、特に比較的可撓性のあるニードルでは、目標とされる標的を外すようなナビゲーションの失敗をしばしば招くこともある。
ツールの屈曲を補正するために多くのモデルが使用されてもよい。非限定の一例として、補正は、ツールが身体内に入る点３２０が調整パッチの平面３００内にあるとの仮定に基づいて決定されてもよい。式（１）〜（４）を解くことによって、平面３００の位置と向きのパラメーターが分かる。身体内のツールの経路、その先端位置、および標的平面内のその交点は、図５ａおよび図５ｂに示されるように、前記の接線方向の軌跡として決定される。
【００２１】
実際の穿通位置、理論上の撓みのない入口点、まだ身体外にあるツールの長さ、およびその他のいずれかの測定済みパラメーターの任意の組合せに基づいてツールの撓みを算出するために、したがって、遠位先端の指示方向を導出するために、様々な異なったモデルが使用されてもよいことに留意されたい。実際に、遠位先端の補正された指示方向に関する特に簡単な計算は、広範な実施にきわめて有効であることが分っている。以下、この計算は、図１１を参照して説明される。
具体的に、本明細書に示す場合において、ツールは、パッチの領域内の既知の位置３２０で身体内に穿通する。理論上は屈曲のないツールの経路は、破線３２２で表されるが、カメラの光軸は、破線３２４で表される。これらの軸は、典型的にほぼ平行であり、システムとともに提供される較正データによって規定される。撓みベクトル３２６は、屈曲のないツール経路３２２から光軸３２４に垂直な平面内にある穿通点３２０までのベクトルとして規定される。身体内におけるツールの補正された方向を計算するために、撓みベクトル３２６のスケーリング値（scaled value）に対応する補正ベクトル３２８で現在のツールハンドルの位置を反対方向に補正することによって、補正された理論上のツール位置を実現する。スケーリングファクターは、定数であってもよく、例えば、身体外のツールの長さの関数などの可変パラメーターであってもよい。ツール先端の推定された指示方向は、この場合、補正された理論上のツール位置から実際の挿入点を通過するライン３３０となるように選ばれる。
【００２２】
典型的には、補正ベクトル３２８に対して１〜３の範囲にある一定のスケーリングファクターが有効であることが分っている。補正が完全な補正であることは、一般に決定的な意味を持たないことが分っている。事実上は、ある場合には、撓みを完全に補正しようとすると、ユーザーによる過補償  および／または  何らかの位置測定誤差の増加がもたらされることがある。様々な実際的な実施において、約１．５のスケーリングファクターを使用してきわめて有効な結果が得られている。
２個のカメラを備える追跡システムにおけるツールの撓みの補償は、よく似ており、撓んだツールの弧は、ステレオペア画像から直接決定される可能性があり、式（３）を用いてツールに沿ったいくつかの点の位置決定が簡素化される。
本発明の別の好ましい実施形態において、調整パッチは、可撓性材料から作られたステッカーとして実現され、ステッカーの片側は、患者の皮膚に貼付されるように接着剤で覆われている。ナイロンまたはポリ塩化ビニール（ＰＶＣ）などのポリマーであることが好ましい可撓性材料は、可撓性材料に埋め込まれた小さい参照マーカーを有する。前述したように、これらのマーカーは、登録に使用される非光学的画像技法の下で高コントラストを提供する材料を使って実現されることが好ましい。ＣＴの場合、これらのマーカーは、Ｘ線を通さず、例えば、典型的に１〜２ｍｍの直径を有する鉛の小球で作られる。さらに、「印」などの光学基準点は、ステッカーの表面に印刷される。これらの印は、線、円、またはその他の形、すなわち、光学的に明確な特徴でありうる。これらは、単一色で印刷されうるか、さらに好ましくは、色区分による区別が容易な多色で印刷されうる。総じて、印は、ツールを標的にナビゲートするために使用される座標系を規定する。埋め込まれたマーカーは、ツールの位置をＣＴボリュームに登録するために使用される。印は、埋め込まれたマークの位置がカメラの画像から決定されるように配置される。
【００２３】
追跡装置の光学系によって見られる領域のサイズは、その視野（ＦＯＶ）とレンズからのステッカーの距離との関数である。カメラとステッカー間の距離が大きくなるにつれて、光学系がカバーする領域も大きくなる。システムの精度を維持するためには、基準点の間隔をできる限り開けることが好ましい。ツールを身体内に挿入する間に、カメラはステッカーに次第に近づくため、カメラのＦＯＶがカバーする領域は次第に小さくなる。最も好ましくは、初期の位置決めと最終段階の穿通の両方に対する基準点の分布を最適にするために、光学的に明確な特徴によって指定される２つ以上の組の基準点が異なる間隔で、すなわち、ある組は、より小さい領域をカバーするようにより近い間隔で、また他の組は、より大きい領域に広がるようにさらに大きい間隔で配置される。
別の光学的特徴によると、パッチ上の一部の位置は、特定のシステム機能に関連する制御位置に指定されてもよい。システムは、次に、システムオペレーターがツールの先端を制御位置の１つと接触（または、最接近）させているかどうかをモニターし、接触（または、最接近）させていれば、割り当てられた対応するシステム機能を実行する。このようにして、パッチ上の位置に割り当てられてもよいシステム制御機能の例は、ツール長さ再較正の開始、ディスプレーの表示モードまたは他のパラメーターの変更、他のリアルタイムデータの入力またはシステムのいずれかの他の操作パラメーターの変更、および電源オフを含むが、これらに限定されない。ユーザーインタフェース入力として、パッチ上の位置へのツールの接触を使用することは、システムオペレーターが滅菌されていないコンピュータ機器に触れたり、治療処置の実施現場付近から注意をそらしたりする必要を避けるため、本発明に照らして特に好都合である。
【００２４】
システムは、ニードル、ポインターなどのいずれかの細長いツールを導くために使用されてもよい。ツールは、硬質または半可撓性であってもよい。これに関連して、「硬質」という用語は、標的へのツールの誘導精度に著しい影響を与える程度まで通常の使用状態で屈曲しないツールを表すために使用される。これに関連して、「半可撓性」という用語は、通常の使用状態で、際立った形状の変化なしで撓むツールを表すために使用される。数値的には、「半可撓性」という用語は、通常の使用においてツールの長さの２倍よりも大きい、そして典型的にはツールの長さの少なくとも３倍の、屈曲に起因する曲率半径を維持するいずれかの細長いツールを表すために使用されてもよい。
本発明の一実施形態において、ツールの形状は、事前に分かる。別の実施形態において、ツールの形状は、画像による治療処置の間に決定される。前述の実施形態では、ツールの遠位部は、一部分に隠れているが、本発明は、遠位部がすべての操作において見える場合の用途にも適用可能である。このような実施形態において、ツールの遠位先端の位置は、ビデオ画像から直接随意的に決定される。
【００２５】
本発明の好ましい一実施形態において、画像は、コンピュータ画面に表示される。本発明の別の実施形態において、奥行き知覚を与える三次元表示を可能にするためにゴーグルが使用される。いくつかの実施形態において、身体の仮想３Ｄ画像は、身体に対するツールの位置と角度に基づいて、３Ｄスキャンデータとコンピュータディスプレー上の表示から生成されて身体内臓器内部のツールの経路を示すことができる。
先に述べたように、ディスプレーの内容は、標的の位置の表現と、標的を含み指示方向に実質的に垂直な平面上に投影される遠位端の指示方向に沿った現在の先端の投影とを含むことが好ましい。投影に使用される平面は、標的を含みカメラの光軸に垂直な平面であっても実際にはよいが、撓みが典型的には比較的小さいため、このような投影平面は、いずれも「指示方向に実質的に垂直な」という用語の範囲内にあるものと考えられる。
標的の位置と現在の先端の投影に加えて、標的へのツールのナビゲーションを容易にするために、ディスプレーにはほかにも様々な項目が示されることが好ましい。第１の特に好ましいオプションによると、標的の位置と現在の先端の投影のグラフィック表現は、カメラから得られた画像に対するオーバーレイとして表示される。これは、ユーザーが自己の空間定位の維持に役立つために非常に有用であることが分っている。オプションとして、画像内の対応する基準点が正常に追跡されていることを示す各基準点に関連して可視指示が表示されてもよい。オプションとして表示されてもよい他の項目として、ｍｍ単位の数値距離、および現在の先端位置の表現など、遠位端から標的までの距離の表示が挙げられる。
【００２６】
選択された標的にニードルをナビゲートする過程の例が図７〜図１０に示される。空のプラスチック製ボックスが身体として使用され、標的はその底面に接着され、調整ステッカーは、そのカバーに貼付される。まず、身体（ボックス）がＣＴスキャナーによってスキャンされる。スキャンされたデータは、コンピュータプログラムに供給される。このプログラムを使って、基準点の位置（図７ａ）と標的の位置（図７ｂ）がマークされる。図８に例が示されるように、小型カメラが簡単なアダプターによってニードルに取り付けられる。多くの場合、使用されるカメラのレンズは、図９ａに見られるように画像をゆがめており、図９ｂに示されるように補正される必要がある。図１０ａ〜図１０ｄは、システムのナビゲーション画面を示す。情報は、カメラの原画像１３００の上方に表示される。調整ステッカー１３３０は、８つの印刷されたマーカー、４つの緑色マーカー１３１０、および４つの青色マーカー１３１４を含む。原色を使用すると、画像処理中にマーカーの識別が容易になり、少なくとも医学的応用の場合、視野内の血液の存在に起因する混乱を避けるために赤色は使用しないことが好ましい。前述のように、他の種類の光学的に明確なマーキングは使用してもよい。青色マーカーは、緑色マーカーが広がる比較的広範な領域内に比較的狭い間隔で配置される。所定の孔１３２０には調整ステッカーを通して入るニードルシャフト１１２０が示される。図１０ａではニードルが屈曲しておらず、したがって、その軸１３２２は、ニードルのシャフト１１２０と一致する。標的１３０２は、標的面において測定された直径が１０ｍｍのディスクを表示するように較正された青色の外側リングと、直径５ｍｍのディスクの緑色の内側ディスクとの、いずれも標的に中心がある２つの着色された同心ディスクによって示される。また、ニードルの先端と標的との間の距離は、テキストボックス１３３２内に表示される。
【００２７】
図１０ｂに示されるように、標的の１つにニードルの照準を合わせると、この標的が自動的に選択され、この選択は、緑色から黄色への変化によって示される。誘導中に、システムは、ニードルのシャフトの撓みを測定する。図１０ｃは、シャフト１１２０が撓んでいる場合を示す。この撓みがあるため、ニードル１３２２の予測される経路（破線で示される）は、シャフトの画像と一致しない。十字レチクル１３０１は、距離に依存したサイズで表示され、それによって、奥行き感を与えることが好ましく、すなわち、先端から標的間の距離が減少するとレチクルのサイズが増加する（逆の場合も同様である）。ニードルを身体内に押し込むと、カメラと調整ステッカー間の距離が減少し、視野によってカバーされるステッカーの領域が減少する。その結果、図１０ｄに見られるように、緑色のマーカーがカメラ視野の外側で消えて、ツールを誘導する青色マーカーのみが残る。ニードルの先端が標的の平面に達すると、十字レチクルが星形レチクル（図１０ｄの１３４１）に変化して、それ以上の前進が不要であることを通告する。
ニードルの撓みを推測する際、典型的には、実際の入口点と理論上は撓みのない入口点との差の計算に基づく同様の概念的アプローチによって前述の光学追跡装置以外の追跡技術も使用されてもよい。このような技術は、ツールの近位端に位置センサーと、身体内へのツールの実際の入口点に隣接した別の位置センサーとを埋め込むことを含むが、これらに限定されない。もう１つの方法は、身体外のニードルシャフトに沿ってマークされた座標をスキャンし、さらに、その座標から身体内の経路を予測することによって身体外の撓みを予測することである。このようなスキャニング過程は、光学式立体スキャナーなどのスキャナーによって実行されてもよい。
身体内のニードルの経路を予測する際、ＣＴデータは、予測経路に沿った組織の可撓性と密度など、一部の組織の機械的パラメーターを評価し、このパラメーターを使ってニードルの撓みを予測するために使用されてもよい。
【００２８】
近年、インターベンション処置用のＣＴＸ線透視法が開発された。これらのスキャナーでは、単一スライスの画像が連続的に生成されて、これをリアルタイムＸ線透視画像装置と同様に使用することができる。本発明のシステムは、標的にツールを誘導する際にＣＴＸ線透視法に比べていくつかの利点を有する。まず、本発明のシステムは、危険なＸ線照射を使わずにリアルタイムでツールの連続ナビゲーションが可能である。さらに、本発明のシステムは、医師が単一ＣＴスライスで全経路をたどらざるを得ないＣＴＸ線透視法の使用とは反対に、ツールを任意の方向、例えば、ＣＴスライスに対して垂直にもナビゲートすることができる。
【００２９】
本システムおよび本方法では、患者の身体のいずれかの必要とされる側面からツールをナビゲートすることができ、方向とは無関係であって、いずれかの特別な治療処置にとって好都合と考えられる場合は、身体の下から上向きにナビゲートすることさえできる。
カメラのレンズのゆがみは、当技術分野で周知のように多項式によって補正されることが好ましい。各レンズは、単独に補正されるべき個々のひずみを有する。本発明の好ましい実施形態において、これらの多項式は、カメラの一部分として組み立てられており、すなわち、カメラとともに提供されるデータ記憶媒体上で別途提供されるメモリーに格納される。また、これらの補正は、付属ブラケットなどの製造誤差に起因する、ツールと相対的なカメラ配列のいずれかの変動に対する目盛修正を含むことが好ましい。カメラがシステムに接続されると、多項式が読み取られてアルゴリズムに与えられ、カメラの画像がこれらの多項式によって個別に補正される。
上記の説明は、例としての機能を果たすものにすぎず、添付の特許請求の範囲で規定された本発明の範囲内で他にも多くの実施形態が考えられることは、理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明によるシステムの基本原理を示す略等角図である。
【図２】本発明の教示によって構成され動作する追跡システムの好ましい実施形態の略等角図である。
【図３ａ】ニードルの屈曲がない場合に標的へのニードルの誘導方法を示す略側面図である。
【図３ｂ】ニードルの屈曲がない場合に標的へのニードルの誘導方法を示す図３ａの略側面図に対応するカメラ画像を示す図である。
【図４ａ】ニードルの屈曲から生じる誤差を示す略側面図である。
【図４ｂ】ニードルの屈曲から生じる誤差を示す図４ａの略側面図に対応するカメラ画像を示す図である。
【図５ａ】屈曲に起因する誤差の補償を示す、図４ａと同様の略側面図である。
【図５ｂ】屈曲に起因する誤差の補償を示す、図４ｂと同様の、図５ａに対応するカメラ画像を示す図である。
【図６】本発明の好ましい実施に採用された数値計算の説明に使用される座標系の略図である。
【図７ａ】サンプル対象としてプラスチック製ボックスを使って示される手順の計画段階の局面を例示するスクリーンショットを示す図である。
【図７ｂ】サンプル対象としてプラスチック製ボックスを使って示される手順の計画段階の局面を例示するスクリーンショットを示す図である。
【図８】本発明による小型カメラを備えた２本のニードルの側面図である。
【図９ａ】補正されていない、ひずんだ視野を示す本発明の小型カメラからのサンプル画像を示す図である。
【図９ｂ】図９ａの補正版を示す本発明の小型カメラからのサンプル画像を示す図である。
【図１０ａ】図７ａおよび図７ｂのサンプル対象で実行される例示的な手順の実行中の異なる段階における本発明の表示を示す図である。
【図１０ｂ】図７ａおよび図７ｂのサンプル対象で実行される例示的な手順の実行中の異なる段階における本発明の表示を示す図である。
【図１０ｃ】図７ａおよび図７ｂのサンプル対象で実行される例示的な手順の実行中の異なる段階における本発明の表示を示す図である。
【図１０ｄ】図７ａおよび図７ｂのサンプル対象で実行される例示的な手順の実行中の異なる段階における本発明の表示を示す図である。
【図１１】本発明の教示による、ツールの遠位先端の指示方向の好ましい補正技法を示す略側面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１００  ハンドヘルドツール、１１０  近位端（追跡モジュール、カメラモジュール、画像モジュール）、１１２  ワイヤ、１１５  カメラ、１１６  第２のカメラ（カメラ）、１２０  ツール、１２２  遠位端（遠位先端）、１５０  標的、１５５  複数の参照マーク、２００  コンピュータ、２１０  フレームグラバー、２２０  ディスクオンキーメモリー、２３０  ディスプレー、３００  調整パッチの平面、３０１  十字形、３１０〜３１３  マーカー、３２０  点（既知の位置、穿通点）、３２２  軸（破線、ツール経路）、３２４  光軸、３２６  撓みベクトル、３２８  補正ベクトル、３３０  ライン、１１２０  ニードルシャフト、１３００  カメラの原画像、１３０１  十字レチクル、１３０２  標的、１３１０  マーカー、１３１４  青色マーカー、１３２０  孔、１３２２  軸（ニードル）、１３３０  調整ステッカー、１３３２  テキストボックス、１３４１  星形レチクル。
【図１】
2010522573.tif 000007
【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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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６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
2010522573.tif 000023
【図１０ｄ】
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【図１１】
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