(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮影コンピュータ（１１２）と、撮影ネットワークインタフェース（２１４）とを具備する撮影サブシステム（１０６）と、
ナビゲーションコンピュータ（１０８）と、ナビゲーションネットワークインタフェース（２０６）とを具備するナビゲーションサブシステム（１０４）と、
前記撮影ネットワークインタフェース（２１４）と前記ナビゲーションネットワークインタフェース（２０６）との間の接続（２１５）と、
を含む統合撮影・ナビゲーションワークステーション（１０２）を備え、
前記接続（２１５）は、前記撮影ネットワークインタフェース（２１４）と前記ナビゲーションネットワークインタフェース（２０６）との間の双方向通信を可能にし、前記ナビゲーションサブシステム（１０４）が前記撮影サブシステム（１０６）と協調し、前記撮影コンピュータ（１１２）が画像収集が完了したばかりであることを示す撮影終了メッセージを前記ナビゲーションコンピュータ（１０８）に報知し、該ナビゲーションコンピュータ（１０８）は、該撮影終了メッセージに応答してナビゲーション座標の座標情報を獲得し、収集された前記画像の場所を特定することにより、前記画像収集を前記ナビゲーション座標と同期させて、少なくとも１つの画像上で外科手術用器械を追跡できるようにする、
システム。
【請求項２】
前記システムは、透視撮影とナビゲーション追跡の双方を実行するために単一のプロセッサを含む請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記システムは、透視撮影とナビゲーション追跡の双方を実行するマルチプロセッサシステムを含む請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記撮影ネットワークインタフェース（２１４）と前記ナビゲーションネットワークインタフェース（２０６）との間の前記接続（２１５）において通信プロトコルが実行されるように構成されており、
該通信プロトコルが、
前記ナビゲーションサブシステムから前記撮影サブシステムへの複数のメッセージ（４００）と、撮影サブシステムからナビゲーションサブシステムへのメッセージの中に含まれ、前記画像収集を前記ナビゲーション座標の判定と同期させる撮影開始メッセージ及び前記撮影終了メッセージとを具備する請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記通信プロトコルは、Ｘ線検出器の倍率モードを指定する倍率モードメッセージを含む請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記ナビゲーションサブシステムから撮影サブシステムへのメッセージ（４００）及び前記撮影サブシステムからナビゲーションサブシステムへのメッセージ（４００）の少なくとも一方はPing応答時間メッセージを含む請求項５記載のシステム。
【請求項７】
倍率モードは１２インチのイメージ増倍管の場合は１２インチ、９インチ及び６インチの倍率モードのうち１つを指定し、９インチのイメージ増倍管の場合には９インチ、６インチ及び４.５インチの倍率モードのうち１つを指定する請求項５記載のシステム。
【請求項８】
前記ナビゲーションサブシステムから撮影サブシステムへのメッセージ（４００）は画像要求メッセージを含み、前記撮影サブシステムからナビゲーションサブシステムへのメッセージは画像応答メッセージを含み、且つ前記画像応答メッセージは画像幅、画像高さ及び画素データを含む請求項４記載のシステム。
【請求項９】
Ｘ線源及びＸ線検出器と、前記外科手術用器械（１２２）及び前記Ｘ線検出器の少なくとも一方の位置を追跡するセンサ（１２３、１２６）と、を含む請求項１乃至８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
前記センサからの外科手術用器械追跡信号を受信する入力部（１１４）と、
前記センサからの検出器追跡信号を受信する入力部（１１６）と、
前記画像に関する前記外科手術用器械の関係を前記外科手術用器械と患者との関係に対応させて、前記外科手術用器械を前記画像に重ね合わせて表示する表示装置（１３２）とを含む請求項９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明の好ましい実施例は外科手術用ナビゲーションシステム及びナビゲーション技法に関する。特に、本発明の好ましい実施例は統合外科手術用ナビゲーションシステム・透視Ｘ線システムに関する。
【背景技術】
【０００２】  Ｘ線、ＣＡＴ（コンピュータ軸方向断層撮影）、ＭＲＩ（磁気共鳴撮影）及び超音波を含めた医療用撮影技法は十分に確立されている。これらの技法は検査を担当する医師に後の詳細な検討や診断に有益な高分解能画像を提供する。しかし、近年になって、手術中患者の人体構造をより高画質で可視化するために、手術前の画像を使用する外科手術用ナビゲーション技法が提案された。この目的のために、手術中、外科医に対して、外科手術用器具を画像の正確な場所に重ね合わせて表示しつつ、手術前の画像を１枚又は複数枚表示する。【０００３】  外科手術中に手術前の画像を使用することと関連するナビゲーションの試みは、患者に関する既知の座標系を確立すること、その座標系の中に手術前画像を正しく重ね合わせること、及び座標系に沿った外科手術用器具の動きを追跡することを含む。従来、このような試みに適応しようとしたナビゲーションシステムは、別個の独立した撮影システムに接続されるべき別個の独立したアドオンシステムとして開発されていた。アドオンナビゲーションシステムは別個のナビゲーションユニットとして設計されており、一般に、撮影システムと通信するための標準の又は一貫した通信プロトコルを厳守してはいなかった。【０００４】  その結果、従来のナビゲーションシステムは、１）（既に過密になっている手術室環境において）追加のフロアスペースを極めて広く必要とし、２）撮影システムへの高速デジタルデータ転送を支援せず、且つ３）撮影システムとの間に双方向指令・制御インタフェースを有していなかった。撮影システムとの間に双方向指令・制御インタフェースが欠落しているため、ナビゲーションシステムからの位置情報を画像が収集された時点に実際に対応させるように保証することは不可能とは言えないまでも、困難である。その結果、例えば透視を実行するＣアーム型Ｘ線システムにおいては、Ｃアームが動くときに追跡誤差が発生する。この追跡誤差は、画像収集が終了した時点と、ナビゲーション情報が獲得された時点との時間間隔中に発生する。外科手術中のナビゲーションにおいては、どのような追跡誤差も望ましくない。【０００５】  更に、従来の撮影システムの外部出力ポートは一般にＮＴＳＣ又はＰＡＬビデオ出力に限定されていた。ＮＴＳＣ又はＰＡＬビデオ出力は、Ｘ線検出器から読み出される元のデジタル画像（例えば、１０２４×１０２４画像）と比較して、分解能及びダイナミックレンジの即時減少を示す。このため、別個のシステムである従来のナビゲーションシステムは、撮影システムの出力ポートに接続するフレームグラバの使用に限定されており、後の外科手術用ナビゲーションに際してより分解能の低い画像しか収集できなかった。更に、撮影システムとナビゲーションシステムとの間で画像を転送するためにＤＩＣＯＭを使用した場合、ＤＩＣＯＭオーバヘッドは、スループットを１２秒に画像１枚程度にまで低く限定していた。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  以上説明した問題及び従来より生じていたその他の問題に対処する透視外科手術用ナビゲーション方法及び装置が長い間必要とされてきた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  本発明の好ましい一実施例は医療診断用撮影システムを提供する。医療診断用撮影システムはＸ線源及びＸ線検出器と、外科手術用器械及びＸ線検出器の少なくとも一方の位置を追跡する複数のセンサと、統合撮影・ナビゲーションワークステーションとを含む。統合撮影・ナビゲーションワークステーションは、Ｘ線検出器の出力に基づく透視撮影と、座標系に関する外科手術用器械の位置及びＸ線検出器の位置のナビゲーション追跡とを実行する少なくとも１つのプロセッサを含む。統合撮影・ナビゲーションワークステーションは、センサからの外科手術用器械追跡信号を受信する入力部と、センサからの検出器追跡信号を受信する入力部と、器械を重ね合わせて表示しつつ透視画像を表示する表示装置とを更に含む。特に、透視画像に関して表示される器械の１つ又は複数の関係（例えば、座標位置及び回転）は、外科手術用器械と患者との関係に相当する。
【０００８】  本発明の別の好ましい実施例は診断用撮影システムの通信プロトコルを提供する。通信プロトコルは医療撮影サブシステムと、医療ナビゲーションサブシステムとの間で双方向通信を実現する。通信プロトコルはナビゲーションサブシステムから撮影サブシステムへの１組のメッセージと、撮影サブシステムからナビゲーションサブシステムへの１組のメッセージとを含む。撮影サブシステムからナビゲーションサブシステムへのメッセージは、撮影開始メッセージ及び撮影終了メッセージを含む。メッセージはPing応答時間メッセージ、システム構成メッセージ、ファイル要求メッセージ、画像要求メッセージ及び画像応答メッセージなどを更に含んでいても良い。
【発明を実施するための形態】
【０００９】  図１は、医療診断用撮影システム１００のブロック線図を示す。撮影システム１００は統合撮影・ナビゲーションワークステーション１０２を含む。ワークステーション１０２はナビゲーションサブシステム１０４と、撮影サブシステム１０６（図１には透視撮影サブシステムとして示されている）とを含む。ナビゲーションサブシステム１０４はナビゲーションコンピュータ１０８と、トラッカモジュール１１０とを含み、撮影サブシステムは撮影コンピュータ１１２を含む。
【００１０】  撮影システム１００はワークステーション外科手術用器具追跡センサ入力ポート１１４と、ワークステーションＸ線検出器装着部追跡センサ入力ポート１１６と、ワークステーション動的基準フレーム送信器制御出力ポート１１８と、ワークステーションＸ線露光出力ポート１２０（フットスイッチ起動露光モジュール１３２と通信する）とを更に含む。Ｘ線検出器装着部はＣアーム１３０にあるイメージ増倍管（又は固体フラットパネル検出器）に接続している。器具センサ入力ポート１１４は、撮影システム１００を医療用（例えば、外科手術用）器具１２２の器具場所センサ１２３に結合する。医療用器具は、例えば、米国特許第５,８７３,８２２号に開示されているような吸引装置、整形外科手術用ドリル、錐、プローブなどであれば良い。送信器制御出力ポート１１８は撮影システム１００を場所送信器１２４に接続する。検出器追跡センサ入力ポート１１６により、撮影システムは、画像Ｘ線検出器の位置を検出するＸ線検出器位置センサ１２６からの追跡信号入力を受信することができる。Ｘ線露光出力ポート１２０により、撮影システム１００は露光モジュール１３２と通信することができると共に、撮影システム１００はＸ線検出器からの画像を読み取ることができる。露光モジュール１３２は、医師がフットスイッチの起動によりＸ線露光制御を実行できるようにする。
【００１１】  撮影システム１００は、ナビゲーションサブシステム１０４により出力される画像を表示するナビゲーション表示装置１３２（可動表示装置アームに装着されている）と、撮影サブシステム１０６により出力される画像を表示する撮影表示装置１３４とを更に含む。ナビゲーションサブシステム１０４、撮影サブシステム１０６及び表示装置１３２、１３４は自立可動カートシステムに配置されるのが好ましい。
【００１２】  センサ１２３及び１２６は、センサの場所を表すパルス信号を出力する。トラッカモジュール１１０は検出器追跡センサ入力ポート１１６及び器具追跡センサ入力ポート１１４を介して受信される場所パルスから、通常は場所送信器１２４と関連し、患者の人体構造を参照して表される所定の座標系を使用して座標の判定を実行する。座標は、例えば、X、Y及びZの各場所と、ロール角、ピッチ角及びヨー角を含んでいれば良い。
【００１３】  この目的のために、場所送信器１２４は、例えば、３つの互いに直交して配置された磁気ダイポール（例えば、電流ループ又は電磁石）を含む磁界発生器として実現されれば良い。各々のダイポールにより発生される磁界は位相、周波数、時分割多重化などに関して互いに識別可能である。例えば、本明細書に全体の内容を参考として取り入れている米国特許第４,０５４,８８１号に一般的に説明されているように、それらの磁界の近磁界特性を座標判定に利用しても良い。場所送信器１２４の別の実施例では、超音波又は光の界を採用しても良い。あるいは、信号の三角化に基づいて、１つの座標判定系で２つ以上の場所送信器１２４を使用しても良い。バーモント州コルチェスターのPolhemus, Incorporated製造の３SpaceR FastrakTMシステムを含めた市販の位置検出装置を使用しても良い。
【００１４】  場所検出器及び関連する受信センサを使用する座標判定の詳細については、米国特許第５，８７３，８２２号を参照。
【００１５】  次に図２を参照すると、図２は、統合透視外科手術用ナビゲーション・撮影ワークステーション２００のブロック線図を示す。ワークステーション２００はナビゲーションコンピュータ１０８と、撮影コンピュータ１１２とを含む。ナビゲーションコンピュータはナビゲーションプロセッサ２０２と、プログラム／データメモリ２０４と、ナビゲーションネットワークインタフェース２０６とを含む。ナビゲーションネットワークインタフェース２０６は高速デジタル通信インタフェース（例えば、毎秒２枚以上の１０２４×１０２４×１６画像）を実現する。円形のブランキングウィンドウに従って画像を約９８０×９８０分解能までクロップしても良い。言い換えれば、ナビゲーションコンピュータ１０８は、ＮＴＳＣ又はＰＡＬ画像グラバ、あるいはＮＴＳＣ又はＰＡＬフォーマットへの変換の必要なく、又は関連する分解能及びダイナミックレンジの損失なく、撮影コンピュータ１１２から直接に全分解能デジタル画像を受信する。ナビゲーションネットワークインタフェース２０６は、例えば、１００BaseTイーサネットネットワークカードであっても良い。ナビゲーションコンピュータは無停電電源（ＵＰＳ）によってSolaris２．６を稼動させるSun UltraSparc１０として実現されるのが好ましい。ナビゲーションコンピュータ１０８に、パケットを他の宛先へ送り出すための第２のネットワークインタフェース２０８を設けても良い。
【００１６】  撮影コンピューター１１２は撮影プロセッサ２１０と、プログラム／データメモリ２１２と、撮影ネットワークインタフェース２１４とを含む。撮影コンピュータ１１２は、Intel x８６プラットフォーム、例えば、３２〜１２８メガバイトのメモリを有するPentiumTMプロセッサ利用のPCとして実現されるのが好ましい。撮影ネットワークインタフェース２１４はナビゲーションネットワークインタフェース２０６に対しコンパチブルであり、且つ一般にナビゲーションネットワークインタフェース２０６と同様に実現される。ネットワークインタフェース２０６、２０８、２１４は高速デジタル通信バスとして使用されるのみならず、撮影コンピュータ１１２とナビゲーションコンピュータ１０８がその機能を協調させる（特に、以下に説明するように画像収集を座標判定と協調させる）ために使用できる指令・制御バスとしても使用される。
【００１７】  尚、器具構成の更新は撮影コンピュータ１１２のフロッピーディスク（又はその他の記憶媒体又はＴＦＰＴプロトコル）インタフェースを使用して実行されても良い。更に、オペレーティングシステム及びアプリケーションソフトウェアは、キーボード及びマウスの制御を伴うＣＤＲＯＭインタフェースを使用して実現されても良い。オペレーティングシステム及びアプリケーションソフトウェアの更新は、FTP、telnet、Sun SparcTM  pkgadd指令などを使用して撮影ネットワークインタフェース２１４を介して実現されれば良い。ネットワークインタフェース２０６、２０８及び２１４に割り当てられるネットワークアドレスは、例えば、telnet、viエディタ、ifconfigなどを使用して同様に再構成されても良い。
【００１８】  図２に示すワークステーション２００は、撮影コンピュータ１１２とナビゲーションコンピュータ１０８とを通信させるための専用ネットワークを提供する。撮影コンピュータ１１２とナビゲーションコンピュータ１０８は、ＴＣＰ／ＩＰを介してソケットベース指令プロトコルを使用して通信するのが好ましい。この専用ネットワークは、専用ネットワークに厳密に割り当てられ（例えば、１９２．１６８．０．０／２４）且つ一般にインターネットを介して経路指定されないインターネットプロトコル（ＩＰ）アドレスを割り当てられる。従って、出荷される各々のワークステーション２００は、希望に応じて、同一の内部ネットワークアドレスを使用することができる。また、撮影コンピュータ１１２からのＤＩＣＯＭイーサネットトラヒックがナビゲーションコンピュータ１０８を通過しても良く、ナビゲーションコンピュータ１０８はこのＤＩＣＯＭトラヒックを第２のネットワークインタフェース２０８へ送り出す。
【００１９】  ワークステーション２００は、ワークステーション２００から入力されるパケットのＩＰアドレスをシステムに割り当てられたホストＩＰアドレスに変換するために、ナビゲーションコンピュータ１０８でネットワークアドレストランスレーション（ＮＡＴ）を使用することにより外部ネットワークをアクセスしても良い。更に、不必要な外部ネットワークトラヒックがナビゲーションコンピュータとワークステーションとの間の専用ネットワークに到達するのを防止するために、ＩＰフィルタによってファイヤウォールを実現しても良い。このファイヤウォールは、例えば、Ping指令、traceroute指令、FTP指令及びtelnet指令を除いて外部ネットワークからの全ての到着トラヒックを阻止するように構成されていても良い。加えて、外部出発開始トラヒックは要求された接続の持続時間中に限り許容される。
【００２０】  一実施例では、ワークステーション２００は、撮影コンピュータ１１２の場合、ＩＰアドレスを「network.１」（例えば、１９２．１６８．０．１）に設定し、且つネットマスクを２５５．２５５．２５５．０に設定する。また、ワークステーション２００はデフォルトルートを「network.２」（例えば、ナビゲーションコンピュータ１０８に割り当てられた１９２．１６８．０．２）に設定する。言い換えれば、ナビゲーションネットワークインタフェース２０６は「network２」のＩＰアドレス、すなわち、１９２．１６８．０．２を割り当てられるのが好ましい。（外部ネットワークに接続する）第２のネットワークインタフェース２０８は、第三者により指定されるＩＰアドレスを割り当てられる。撮影ネットワークインタフェース２１４は１９２．１６８．０．１のＩＰアドレスを割り当てられるのが好ましく、これが第三者指定のＩＰアドレスとの間で変換される。
【００２１】  ブートアップ時及び変更時、ワークステーション２００は、ホストＩＰアドレス及びサブネットマスク、ゲートウェイアドレス（例えば、ＤＩＣＯＭストア、プリント及び問い合わせ画面から獲得される）、日付及び時間、言語構成（例えば、英語、フランス語、ドイツ語、スペイン語又はイタリア語）をナビゲーションコンピュータ１０８へ送信するのが好ましい。
【００２２】  動作中、撮影コンピュータ１１２はネットワークインタフェース２０６及び２１４を介する接続２１５をネットワークプロトコル指令及びネットワークプロトコル応答を求めて同期して監視する。例えば、撮影コンピュータ１１２は撮影コンピュータ１１２とナビゲーションコンピュータ１０８との接続を検査するためのPing要求と、（例えば、左側表示画像を患者情報を伴わずに撮影コンピュータ１１２から転送することを要求するための）Request Image要求と、Request Configuration要求とに応答すれば良い。一般に、撮影コンピュータ１１２は、接続を検査するためのPing指令と、例えば、生Ｘ線露光周期を明示するためのImaging Begin指令及びImaging End指令と、現在患者が有効ではなくなったことをナビゲーションコンピュータ１０８に報知するためのNew Exam指令と、現在患者情報を更新するためのUpdate Patient指令とを含めて、ネットワークプロトコル指令をナビゲーションコンピュータ１０８へ非同期的に送信する。このため、撮影コンピュータ１１２からの応答は所定のタイミング源に対して同期的に生成されるが、元来の指令は非同期的に送信されても良い。更に、撮影コンピュータ１１２は、適切なファイルを検索し且つそれをナビゲーションコンピュータ１０８へ送り出すことにより、File Transfer指令及びFile Transfer応答を監視する。
【００２３】  一般に、ナビゲーションコンピュータ１０８が専用ネットワークにあるとき、撮影コンピュータ１１２がブートした後、ナビゲーションコンピュータ１０８を通信のために利用することは何秒かの間（例えば、９０秒間）不可能である。この期間中、撮影コンピュータ１１２は「Navigation Computer not responding, Power Off, wait１０seconds, then Power On（ナビゲーションコンピュータは応答しません。電源を切り、１０秒間待ち、その後、電源を入れて下さい）」のようなエラーメッセージを表示しても良い。接続が成立した後に撮影コンピュータ１１２とナビゲーションコンピュータ１０８との通信が遮断されると、例えば、２秒後に撮影コンピュータ１１２は時間切れとなり、ナビゲーションコンピュータ１０８と撮影コンピュータ１１２との接続を閉鎖して、「Communication Failure with Navigation Computer（ナビゲーションコンピュータとの通信に障害が起きました）」などのエラーメッセージを表示しても良い。
【００２４】  ナビゲーションコンピュータ１０８と撮影コンピュータ１１２は異なるパワーダウンストラテジを有しているのが好ましい。撮影コンピュータ１１２は、オペレーティングシステムにシャットダウンを通知せずに交流電力を除去することにより、いつでもパワーダウンできる。これに対し、ナビゲーションコンピュータ１０８は、交流電力の除去前にシャットダウン手続きを実行するのが好ましい。この目的のために、ナビゲーションコンピュータ１０８がシャットダウンしている間にバッテリーのバックアップにより電力を保持するために無停電電源（ＵＰＳ）を使用する。ＵＰＳは直列ポートに、ナビゲーションコンピュータ１０８に電力損失を報知するために使用される電力状態を提供する。
【００２５】  一般に、ナビゲーションコンピュータ１０８は撮影コンピュータ１１２と同時にブートされ、ＵＰＳバックグラウンド（例えば、デーモン）プロセスは、撮影コンピュータ１１２のパワースイッチ状態を含めて、電力損失を知るために直列ポートを監視する。電力損失信号を受信すると、ナビゲーションコンピュータ１０８はオペレーティングシステムのシャットダウンを開始し、その後、ナビゲーションコンピュータ１０８はオフされる。
【００２６】  ナビゲーションコンピュータ１０８と撮影コンピュータ１１２は、ナビゲーションソフトウェアと撮影ソフトウェアの双方を実行する単一のプロセッサを使用して実現されても良い。あるいは、１組のプロセッサにナビゲーションソフトウェアと撮影ソフトウェアを実行させるために、対称多重処理オペレーティングシステム（例えば、Windows NT）の協調の下で、マルチプロセッサシステムを使用しても良い。しかし、以下に説明するように、ナビゲーションコンピュータ１０８と撮影コンピュータ１１２は、ネットワークインタフェース２０６、２１４と共に結合し且つ後述する診断用撮影システムの通信プロトコルによって通信する複数の別個の処理装置として実現されても良い。
【００２７】  次に図３を参照すると、図３は、医療診断用撮影システム１００と共に使用できるＣアーム装置１０の一例を示す。装置１０は、内周部１４及び外周部１６と、背面凸型部分４０とを有し、互いに向かい合う上方末端部１８ａ及び下方末端部１８ｂを終端部とするＣアーム１２を含む。Ｃアーム１２は一様な円状のＣ字形であるのが好ましいが、弓形のどのような部材から構成されていても良い。
【００２８】  Ｃアーム１２は、全体を図中符号２０で示される構造のような支持手段により懸垂位置に保持されている。構造２０は、車輪付き台座２４に装着された支持アーム２２を含む。支持アーム２２は、支持アーム２２とＣアーム１２との間の軸受けアセンブリにより、あるいは支持アーム２２自体が台座２４に関して回転自在に装着されていることにより、側方回転軸３０に関してＣアーム１２を回転運動させる。装置１０には、軸６０に関して回転運動させるための回転機構が更に設けられていても良い。
【００２９】  車輪付き台座２４により、Ｃアーム１２を第１の場所から第２の場所へ搬送することができる。すなわち、台座の車輪は、支持構造２０に結合し、支持アーム２２及びＣアーム１２を第１の場所から第２の場所へ搬送するための搬送手段として機能する。多くの場合、Ｘ線機器を１つの部屋から別の部屋へ便利良く移動させることができると非常に好都合である。車輪付き台座２４によって装置１０は移動自在であるため、例えば、病院の多数の異なる部屋に入院している患者が装置をより利用しやすくなるという利点が得られる。
【００３０】  支持アーム２２はＣアーム１２の外周部１６に摺動自在に装着されており、支持構造２０は、Ｃアーム１２を軌道回転軸２６に関して選択された位置まで選択的に摺動軌道運動させることができるようにするために必要な構造と機構を含む。この軸２６はＣアーム１２の湾曲の中心及び側方回転軸３０と一致しているのが好ましい。摺動軌道運動によって、Ｃアーム１２は支持アーム２２への装着部２８の様々な摺動ポイントを通って動くことが理解されるであろう。実際には、支持アームは本質的には１つの点でＣアームに装着されているのではなく、ある面積をもつ領域２９にわたって装着されているが、「ポイント」は広い領域であっても良く、あるいは狭い場所であっても良いことが理解されるであろう。支持構造２０は、側方回転軸３０に関して支持アーム２２を選択された側方位置まで選択自在な量ずつ側方へ回転させるための、当該技術では知られている機構を更に含む。摺動軌道運動と、側方回転との組み合わせによって、Ｃアームを２つの自由度をもって、すなわち、２つの互いに垂直な軸に関して操作することが可能になる。その結果、Ｃアーム１２の可動性にある種の球面特性が与えられる。摺動軌道運動と側方回転は、Ｃアームに結合されたＸ線源３２をＣアームが表面上を移動自在である想像上の球体の下半分の半球上に位置するほぼどのような緯度／経度ポイントへも移動させることができる。
【００３１】  装置１０は、Ｘ線診断技術の分野では一般に知られているようにＣアーム１２の互いに対向する場所に装着されたＸ線源３２と受像部３４とを含む。Ｘ線検出器位置センサ１２６は、一般に、受像部３４のカメラアセンブリの内部に配置されている（受像部３４は、受像部がもたらす画像糸巻き形歪み効果及びその他の効果を補正するために使用される位置合わせ標準などを更に含んでいても良い）。Ｘ線源３２及び受像部３４（後部３４ａと、電源３４ｂとを含む）を合わせてＸ線源／受像部３２／３４と呼んでも良い。受像部３４はイメージ増倍管などであれば良い。Ｃアームの軌道操作及び側方回転操作により、Ｃアーム１２の自由空間３６の内部に配置された患者の身体の幅及び身長に関してＸ線源／受像部３２／３４を選択的に位置決めすることができる。Ｃアームの摺動軌道運動は、Ｘ線源／受像部３２／３４をそれぞれ対応する弓形運動経路に沿って移動させる。受像部３４はＣアーム１２の内周部１４に固着されているのが好ましく、Ｘ線源３２も内周部１４に固着されている。高電圧ケーブルアセンブリ５０はＸ線源／受像部３２／３４に電力を供給する。
【００３２】  受像部３４とＣアーム１２の装着位置の関係上、Ｃアーム１２がほぼどの位置にあっても、側方回転軸３０はＣアーム１２が支持アーム２２に装着されている箇所２８とほぼ一致する。このため、支持アーム２２が回転しても、アームに偏心側方モーメント作用が加わることはないので、より安定した、バランスの良い支持構造が得られる。好ましい一実施例では、Ｃアーム１２のどの位置に対してもＣアーム１２の質量中心は軸３０と一致する。
【００３３】  Ｃアームのもう１つの面は、受像部３４の電源３４ｂの位置である。電源３４ｂをＣアームの開口部に向かって配置することにより、受像部３４とＸ線源３２とを湾曲中心２６に対してより近接するように移動させることができるため、距離４６が短縮され、その結果、装置１０全体のバランスが改善される。整列線４８と、軸２６及び３０の交点との距離４６を保つことにより、バランスは向上する。整列線４８はＸ線源３２により発生される中心ビームと、受像部３４との整列を表す。また、Ｘ線源／受像部３２／３４の間に所望の距離４４を設けることにより、装置全体の高さを大きく増すことなくＣアーム１２に対してより大きなＣ字形を使用できるようになるという点にも注意する。
【００３４】  診断用撮影システムの通信プロトコルは、撮影コンピュータ１１２とナビゲーションコンピュータ１０８との間で両方通信を実現するように定義される。表１は、ナビゲーションコンピュータ１０８から撮影コンピュータ１１２への通信について規定されたメッセージを示す。
【００３５】
【表１】
0005337335.tif 000002
【００３６】  表２は、撮影コンピュータ１１２からナビゲーションコンピュータ１０８への通信について規定されたメッセージを示す。
【００３７】
【表２】
0005337335.tif 000003
【００３８】  図４に関して説明すると、図４は、診断用撮影システムの通信プロトコルメッセージフォーマット４００を示す。メッセージフォーマット４００は、好ましくは双方向接続指向ＴＣＰ利用データ転送プロトコルを実現するために、診断用撮影システムプロトコルと共に使用される。（例えば、ポート８５００を監視することにより）接続が受け入れられ、成立すると、クライアント（すなわち、メッセージ送信側）スレッドと、サーバ（すなわち、メッセージ受信側）スレッドは接続を開いたままに保持する。サーバスレッドは、実行すべき指令を指示する次のメッセージを待ってブロックする（すなわち、他のアクションを実行せずに待機又はループする）のが好ましい。次に、サーバは指令を実行し、応答メッセージ（データを含むこともある）をクライアントに戻す。サーバは次のメッセージを待ちつつループし続ける。
【００３９】  一般に、通信プロトコルは一度に１つの特定のメッセージを処理する。すなわち、特定のメッセージが送信される時点で、送信側は送信されたメッセージ対応する応答メッセージが受信されるまで他のメッセージを一切送信しない。メッセージフォーマット４００は固定長ヘッダ４０２と、それに続く、メッセージ（もしあれば）と関連するデータセクション４０４とを含む。最初のメッセージと応答には同じメッセージヘッダフォーマット４００が使用される。
【００４０】  図４には、１バイトコードフィールド４０６と、１バイトタイプフィールド４０８と、１バイトフラグフィールド４１０と、１バイト状態フィールド４１２とが示されている。また、４バイトデータ長フィールド４１４も規定されている。コードフィールド４０６とタイプフィールド４０８は下記のメッセージごとに定義される。フラグフィールド４１０は、一般に、応答フラグとしてビット０を使用し（１：応答、０：それ以外）、要求フラグとしてビット１を使用し（１：データ要求、０：それ以外）、エンディアン標識としてビット２を使用する（１：大、０：小）。状態フィールド４１２は状態コード（以下に更に詳細に説明する）を規定する。例えば、（０：OK、非０：ERROR）などである。データ長フィールド４１４はデータセクション４０４で続くべき符号なし４バイト長さのデータを提供する。
【００４１】  メッセージヘッダ４０２のコードフィールド４０６は、撮影コンピュータとナビゲーションコンピュータの双方に共通するメッセージコードを表現する。タイプフィールド４０８は、メッセージコードの変形である型を表現する。フラグフィールド４１０は、メッセージごとにとるべき必要なアクションを解決するために撮影コンピュータ及びナビゲーションコンピュータにより使用されるメッセージフラグを表現する。データの送信とデータの要求との関係の特定のケースを図５及び図６にそれぞれ示す。メッセージが受信されるたびに、戻されるメッセージは送信メッセージと同一のコードを有するのが好ましく、また、フラグは１増分されるのが好ましい（応答フラグはハイにセットされる）。状態フィールド４１２は応答によりエラー状態を指示するために使用される。データ長フィールド４１４はヘッダに続くデータの長さを指定する。
【００４２】  データ長フィールド４１４は符号化ビッグエンディアン（最初に最上位バイト、最後に最下位バイトによって符号化された）又はリトルエンディアン（最初に最下位バイト、最後に最上位バイトによって符号化された）である。エンディアンフラグ（フラグフィールド４１０のビット２）は、メッセージの残り部分について使用されるエンディアン符号化を指定する。これはメッセージヘッダ４０２のデータ長フィールド４１４と、メッセージ４００のデータフィールド４０４の１バイトを超える全てのフィールドとを含む。エンディアンフラグを使用することにより、１つの画像中で１バイトより大きな各画素をバイトスワッピングすることなく、特定の機械に固有の「エンディアン」で画像データを送信できる。
【００４３】  次に図５に関して簡単に説明すると、図５は、診断用撮影システムの通信プロトコルに従ってデータを送信するときの流れ図５００を示す。ステップ５０２では、送信側は（ヘッダフォーマット４００に従ってヘッダをフォーマッティングした後に）受信側へデータを送信する。（メッセージが聞こえるのを待っている）受信側はステップ５０４でデータを受信する。ステップ５０６で、受信側は適切な応答（先に述べたようにフラグフィールドがセットされた状態で、ヘッダフォーマット４００に従ってフォーマッティングされている）を送信側へ送信することにより応答する。ステップ５０８で、送信側は応答を受信し、受信側により設定された状態を検査する。
【００４４】  同様に、図６には、診断用撮影システムの通信プロトコルに従ってデータを受信するときの流れ図６００が示されている。ステップ６０２で、送信側は（ヘッダフォーマット４００に従ってヘッダをフォーマッティングした後に）データ要求メッセージを受信側へ送信する。受信側はステップ６０４でメッセージを受信し、ステップ５０８で、要求されたデータを検索し且つ（データと共に）適切な応答メッセージ（先に述べたようにフラグフィールドがセットされた状態で、ヘッダフォーマット４００に従ってフォーマッティングされている）を送信側へ送信することにより応答する。ステップ５０８で、送信側は応答メッセージを受信し、応答メッセージの中で提供されているデータを処理するか、又は他の方法で使用する。
【００４５】  メッセージは以下の表３に示すようなEvent（事象）、Update Patient（患者更新）、Request Image（画像要求）及びRequest Configuration（構成要求）の４つの一般的区分に分類される。
【００４６】
【表３】
0005337335.tif 000004
【００４７】  以下に、この通信プロトコルと共に使用するためのメッセージの例を示す。尚、メッセージの初めの８バイト（０〜７）は図４に示すようなヘッダ（コード、タイプ、フラグ、状態及びデータ長）を構成する。
【００４８】  名称：Event（事象）
記述：peerへ事象を送信する
メッセージ方向：双方向
データフォーマット：以下を参照
ヘッダ：
バイト０：コード（１）
バイト１：タイプ（表４を参照）
【００４９】
【表４】
0005337335.tif 000005
【００５０】  バイト２：フラグ（初期=０、応答=１）
バイト３：状態（０）
バイト４〜７：データ長（０）
データ：なし
名称：Update Patient（患者更新）
記述：患者データをナビゲーションコンピュータへ送信する
メッセージ方向：撮影コンピュータからナビゲーションコンピュータへ
データフォーマット：第１のバイトが後続すべきフィールドの長さであるような患者フィールドの連結。患者フィールドは、例えば、患者名、生年月日、性別、患者ＩＤ、医師名、手続き及び登録番号の順序でグループ分けされている。
【００５１】  名前の符号化はＤＩＣＯＭ規格第５部第６．２章のValue Representationで使用されている符号化であっても良い。例えば、「Jane Doe」という患者名は図７に示すように送信されるであろう。
【００５２】  ヘッダ：
バイト０：コード（２）
バイト１：タイプ（０）
バイト２：フラグ（初期=０、応答=１）
バイト３：状態（初期=０、応答=表５を参照）
【００５３】
【表５】
0005337335.tif 000006
【００５４】  バイト４〜７：データ長（初期=バイト単位のデータペイロードサイズ、応答=０）
データ（初期メッセージのみ）：
バイト８〜終わりまで：患者フィールドの連結
各フィールドは長さを指示するバイトが前置されたASCII文字のストリングであるのが好ましい：
患者名：このフィールドはa）姓、b）個人名、c）ミドルネームの順序で配置される３つの要素から構成されている。これらの要素は挿入記号「＾」の文字により区切られる。内部のナル要素は区切り文字を必要とする。区切り文字を含めて後続するナル要素を省略しても良い。
【００５５】  生年月日、例えば、テキストストリング
性別、例えば、テキストストリング（通常は「Ｍ」又は「Ｆ」）
患者ＩＤ、例えば、テキストストリング
医師名、例えば、患者名と同じ符号化を使用
手続き、例えば、テキストストリング
登録番号、例えば、テキストストリング
名称：Request Image（and Reply）（画像（及び応答）要求）
記述：ワークステーションコンピュータから画像を要求する
メッセージ方向：ナビゲーションコンピュータから撮影コンピュータへ
データフォーマット：無効画像（テストパターン、呼び出し画像、又はスワップ）は応答メッセージ状態のエラーにより通知される。データは続いていない。
【００５６】  有効画像はデータペイロードと共に戻される。
【００５７】  ヘッダ：
バイト０：コード（３）
バイト１：タイプ（表６を参照）
【００５８】
【表６】
0005337335.tif 000007
【００５９】  バイト２：フラグ（初期=２、応答=３）
バイト３：状態（初期=０、応答=表７を参照）
【００６０】
【表７】
0005337335.tif 000008
【００６１】  バイト４〜７：データ長（初期＝０、応答＝バイト単位のデータペイロードサイズ）
データ（応答のみ）：
バイト８〜９：画像ヘッダ長−ここ、すなわち、バイト８から画像データへオフセット。画像データの異なる整列が必要とされない限り、通常、値は１２である。（１６ビット符号なし整数）
バイト１０〜１１：画素数により表される画像幅（１６ビット符号なし整数）
バイト１２〜１３：画素数により表される画像高さ（１６ビット符号なし整数）
バイト１４：割り当てられた画素当たりのバイト数、通常は１又は２（８ビット符号なし整数）
バイト１５：格納された画素当たりのビット数、ビット０でＬＳＢをとる（８ビット符号なし整数）
バイト１６：画像特徴を指定する画像フラグ
ビット０：否定（１：イエス、０：ノー）
ビット１：サブトラクション（１：イエス、０：ノー）
ビット２：逆方向フリップ（１：イエス、０：ノー）
ビット３：上下反転フリップ（１：イエス、０：ノー）
ビット４〜５：倍率モード（１０：２×、０１：１×、００：標準）
ビット６〜７：予備
バイト１７：予備
バイト１８〜１９：回転角度０〜３６０（１６ビット符号なし整数）
回転変換の前にフリップを適用する
バイト開始−終了：画像データ − 開始はヘッダ長（バイト８〜９）から判定される
画像データ長さは、画像の幅、高さ及び割り当てられた画素当たりのバイト数を乗算することにより判定される
名称：Request Configuration（and Reply）（構成（及び応答）要求）
記述：ワークステーションから構成情報を要求する
メッセージ方向：ナビゲーションコンピュータから撮影コンピュータへ
データフォーマット：以下を参照
ヘッダ：
バイト０：コード（４）
バイト１：タイプ（０）
バイト２：フラグ（初期＝２、応答＝３）
バイト３：状態（初期＝０、応答＝表８を参照）
【００６２】
【表８】
0005337335.tif 000009
【００６３】  バイト４〜７：データ長（初期＝０、応答＝バイト単位のデータペイロードサイズ）
データ（応答のみ）：
バイト８〜終わりまで：構成フィールドの連結
各フィールドは長さを示すバイトが前置きされたASCII文字のストリングであるのが好ましい。組み合わされる全てのデータフィールドは合わせて５１２バイトを超えない。
【００６４】  システム − （例えば、「９８００」）
イメージ増倍管直径 − （例えば、「９」又は「１２」）
ソフトウェアバージョン − （例えば、「PN180130-08_7.1.2」）ソフトウェアバージョンは下線「＿」文字により区切られた２つの数を含むのが好ましい。
【００６５】  第１の数はソフトウェアのOEC部品番号（PN180130−08）である。「＿」の後の第２の数はバージョン（7.1.2）である。
【００６６】  Ｘ線検出器（例えば、イメージ増倍管）の現在倍率モードを通信するために、倍率モードメッセージも定義される。この目的のために、例として、倍率モードは、１２インチイメージ増倍管の場合は１２インチ、９インチ及び６インチの倍率モードのうち１つ、９インチイメージ増倍管の場合には９インチ、６インチ及び４．５インチの倍率モードのうち１つを指定すれば良い。このため、本発明の撮影システムでは、いくつかの異なる倍率モードでナビゲーションを実行することができる。
【００６７】  特に、画像収集と座標判定を同期させるためにImage End（画像終わり）メッセージを使用できる。ネットワークインタフェース２０６、２０８、２１４を介して提供される指令及び制御情報によって、撮影コンピュータ１１２は画像収集が完了したばかりであることをナビゲーションコンピュータ１０８に報知することができる。その時点で、ナビゲーションコンピュータ１０８は、Ｘ線検出器追跡センサ入力ポート１１６から座標情報を獲得して、Ｃアーム１３０の動きに介入せず且つ関連する場所誤差を発生せずに画像の場所を指定できる。
【００６８】  従って、本発明の統合透視外科手術用ナビゲーション・撮影ワークステーションはナビゲーションサブシステムと撮影サブシステムとの間に高速デジタル通信インタフェースを構成するのみならず、双方向指令・制御インタフェースをも構成する。その結果、全分解能デジタル画像が高速で転送され、ナビゲーションシステムは撮影システムと協調して、外科手術用器具を正確に追跡し続ける。更に、本発明の指令プロトコルは、どのような支援撮影システムとも通信するためにどのような支援ナビゲーションシステムでも使用できる標準通信プロトコルを提供する。「アドオン」型システムにより要求される追加構成要素（例えば、カート、モニタ、モニタアーム、電源、ケーブル類など）は不要であるので、手術室環境の過密度は低減される。
【００６９】  本発明を好ましい一実施例を参照しながら説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに様々な変更を実施でき且つ等価の構成を代用できることは当業者には理解されるであろう。更に、本発明の範囲から逸脱することなく特定の過程、構造又は材料を本発明の教示に適応させるために数多くの変形を実施できる。従って、本発明は開示した特定の実施例には限定されず、本発明は特許請求の範囲の範囲内に入るあらゆる実施例を包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  医療診断用撮影システムの高レベルブロック線図。
【図２】  統合透視外科手術用ナビゲーション・撮影ワークステーションのブロック線図。
【図３】  統合透視外科手術用ナビゲーションに使用できるＣアームの一例を示す図。
【図４】  診断用撮影システムの通信プロトコルメッセージフォーマットを示す図。
【図５】  診断用撮影システムの通信プロトコルに従ってデータを送信するための流れ図。
【図６】  診断用撮影システムの通信プロトコルに従ってデータを受信するための流れ図。
【図７】  「Jane Doe」の患者名をナビゲーションコンピュータへ送信するためのフォーマットを示す図。
【符号の説明】  １００…医療診断用撮影システム、１０２…統合撮影・ナビゲーションワークステーション、１０４…ナビゲーションサブシステム、１０６…撮影サブシステム、１０８…ナビゲーションコンピュータ、１１２…撮影コンピュータ、１１４…ワークステーション外科手術用器具追跡センサ入力ポート、１１６…ワークステーションＸ線検出器装着部追跡センサ入力ポート、１２２…医療用器具、１２３…器具場所センサ、１２６…Ｘ線検出器位置センサ、１３０…Ｃアーム、１３２…ナビゲーション表示装置、１３４…撮影表示装置、２００…統合撮影・ナビゲーションワークステーション、２０２…ナビゲーションプロセッサ、２０６…ナビゲーションネットワークインタフェース、２０８…ネットワークインタフェース、２１０…撮影プロセッサ、２１４…撮影ネットワークインタフェース、４００…通信プロトコルメッセージフォーマット、４０２…固定長ヘッダ、４０４…データセクション
【図１】
0005337335.tif 000010
【図２】
0005337335.tif 000011
【図３】
0005337335.tif 000012
【図４】
0005337335.tif 000013
【図５】
0005337335.tif 000014
【図６】
0005337335.tif 000015
【図７】
0005337335.tif 000016