(57)【要約】【課題】特に外部から追跡体を指定して最小の侵襲で操作するための可能性および追跡体の機能の拡大を生み出す。【解決手段】本発明は、生理的構造の内部に配される少なくとも１つの追跡体と、センサ・クラスタ配置（５５）のセンサ・クラスタ（２０）からなり、前記構造の外部に位置している手段と、を有する追跡体（１０）の標定のための装置、ならびに追跡体の標定および制御のための方法に関する。追跡体は、可変の磁気双極子モーメントを有する有限の残留磁気と、そこから生じる異方性の磁気双極子場とを特徴とする本体の形式で提供される。センサ・クラスタ（２０）は、測定用の特定の形状を有する複数のグラジオメータ・センサ（３０）の形式で提供される。  任意に、追跡体の物理／化学特性および／または軌跡を、外部から作用する磁界（Ｈ）および／または少なくとも１つの追跡体の周囲における生理学的プロセスによって、特定の方法で変化させることができる。さらに、センサ・クラスタ配置（５５）の拡大された画像化手段（６０）に関連付けられた可変であって、特に変位可能である部分（５７）の位置を、センサ・クラスタ配置の固定の部分（５６）によって検出することができ、さらにセンサ・クラスタ配置のこの可変の部分を、拡大された画像化機構における場所マーキングとして使用することができる。
2006519041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生理的構造の内部に配される少なくとも１つの追跡体と、前記追跡体の位置を割り出すために前記生理的構造の外部に配置されるセンサ手段と、測定および制御ユニットと、を有している追跡体（１０）の標定、操作、および案内のための装置であって、
可変の磁気双極子モーメントを有する有限の残留磁気と、そこから生じる異方性の磁気双極子場とにより特徴付けられる本体を有する少なくとも１つの追跡体、
前記異方性の磁気双極子場に対する感度を有するとともに、測定範囲を覆っている複数のモジュラー式のセンサ・クラスタ（２０）の形式であって、前記センサ・クラスタにそれぞれ複数の磁界センサ（３０）が特定の測定用の形状で一体化されているセンサ手段、および、
測定のため前記複数のセンサ・クラスタに結び付けられている測定および制御ユニット（４０）
を備えたことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの追跡体（１０）が、可能な限り大きな残留磁気を有し、かつ可能な限り小さい保磁力を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの追跡体（１０）が、生理的および磁気的に中性の材料で被覆されたネオジム‐鉄‐ボロン合金すなわちＮｄＦｅＢで構成されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの追跡体（１０）が、医療器具（５０）、特に、医療用ポインタ手段、内視鏡、または他の同種のプローブ手段に一体化された部分を構成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの追跡体（１０）が、生体内とくには体腔内を循環する自由運動物体として構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの追跡体（１０）が、活性化可能及び／又は反応性を有し、特に１つまたは複数の組織のマーキング部（１２）を有しており、該マーキング部（１２）が、特定の生理的環境、特に外部磁界（Ｈ）に対して感度がよく、物質及び／又は同様の成分を制御された方法で解放することを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
個々のセンサ・クラスタ（２０）のそれぞれが、前記少なくとも１つの追跡体の標定のため、特に空間内の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の検出および向き（θ，ψ）の検出のための複数のグラジオメータ（３０）の最小構成として設計されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記個々のセンサ・クラスタ（２０）が、複数のさらなるセンサ・クラスタとの接続のためのインターフェイス（２１）を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記センサ・クラスタ（２０）が、患者支持体の一部、特にヘッド・レスト、腕置き、背もたれ、テーブル面、または同種の手段の一部として設計されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
互いに接続された複数のセンサ・クラスタ（２０）が、センサ・クラスタ配置（５５）を構成し、該センサ・クラスタ配置が、検査現場の適切な領域を覆っていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記複数のセンサ・クラスタが、固定の部分（５６）および可変であって特に変位可能な部分（５７）を有しており、前記可変の部分が、外部画像化機構（６０）、特に磁気共鳴断層撮影またはコンピュータ断層撮影手段における位置マーキングのための部分として設計されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
生理的環境内に配された追跡体（１０）の標定および操作のための方法であって、
磁気双極子場によって囲まれた少なくとも１つの追跡体（１０）について測定した場の強度および場の方向の分布から、該追跡体の空間内における位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）および向き（θ，ψ）及び／又は軌跡が、センサ・クラスタ（２０）へと組み合わされた少なくとも１つの複数の磁界センサ（３０）の配置によって割り出され、及び／又は、
任意に、前記少なくとも１つの追跡体の物理／化学特性及び／又は軌跡が、外部的に作用する磁界（Ｈ）及び／又は、前記少なくとも１つの追跡体の周囲における生理学的プロセスによって特定の方法で変化させられることを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記追跡体（１０）が、診断プローブおよび／またはセンサ手段、とくにはカテーテルまたは内視鏡装置の位置基準点として設計され、
該位置基準点の運動、空間内における現在の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、および現在の向き（θ，ψ）が継続的に割り出されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
自由に移動できる表示器としての追跡体（１０）が、とくには診断上有効な成分の懸濁液(suspension)として、対応する生理的環境内に挿入され、
該表示器の移動、空間内における現在の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、および現在の向き（θ，ψ）が、センサ・クラスタ配置（５５）によって継続的に割り出されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記追跡体（１０）の位置の割り出しが、該追跡体によって生成された磁界の磁界強度の前記センサ・クラスタ（２０）の個々の磁界センサ（３０）のそれぞれにおける或るベクトルの大きさ及び方向による測定データから達成され、
前記追跡体の標定のための探索方法のアルゴリズムの初期データが、位置割り出し手段に保存されていることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記探索方法のアルゴリズムが、逆追跡の手順、特にファジー進化的アルゴリズムと組み合わせた適応勾配法の手順を実行することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
複数のセンサ・クラスタ（２０）を使用する場合に、前記センサ・クラスタ配置（５５）内のセンサ・クラスタの動的統合が、センサ・クラスタ間で内部通信プロトコル（４１）によって実行され、
・とくに全センサ・クラスタ配置における信号対雑音比の最適化、およびセンサ・クラスタ配置によって生成されるデータ量の最適化が達成されることを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの追跡体（１０）の磁気モーメント（ｍ）が、外部から加えられる磁界（Ｈ）によって制御され、これによって該追跡体の磁化が変化させられ、とくには無効にされ、あるいは生成されることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
注入されて自由に移動可能な前記少なくとも１つの追跡体（１０）のアクティブな変位が、対応する方向を向いた磁界ベクトルを有する外部から加えられる磁界によって達成されることを特徴とする請求項１２〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記追跡体の表面に捉えられた物質の制御された解放が、前記少なくとも１つの追跡体（１０）の磁化を変化させることによって達成されることを特徴とする請求項１２〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記センサ・クラスタ配置（５５）の拡大された手段に関連付けられた可変であってとくには変位可能である部分（５７）の位置が、該センサ・クラスタ配置の固定の部分（５６）によって検出され、及び／又は、前記センサ・クラスタ配置の可変である部分が、拡大された画像化機構の位置マーキングとして使用され、
前記センサ・クラスタ配置によって割り出された前記追跡体の空間内における位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）および向き（θ，ψ）が、生成される画像へと挿入される
ことを特徴とする請求項１２〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、追跡体の標定、操作、および案内のための装置、ならびにマーキング装置の操作のための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マーキング装置が、追跡体との組み合わせにおいて、生理学的構造の特定のマーキングのため、あるいは操作現場における位置決めポイントのマーキングのため、医学生物学の用途に使用されている。そのような装置は、画像化方法と組み合わされることが多い。追跡体は、操作の現場におけるそれらの場所および位置を、適切な検査方法によってあいまいさなく特定できるように構成されている。時間の経過および生体内の追跡体の位置の変化によってもたらされる道程が、軌跡と称される。これが記録および分析され、追跡体が通過し、あるいは通過している生体系における機能的手順への結論を引き出すことが可能になる。一例は、Ｘ線画像において特定可能なコントラストを呈するカプセルを飲み込むことである。カプセルによってＸ線画像中に生成されるコントラスト構造の位置および通過時刻から、消化管の活動および消化不良について、結論を導き出すことができる。
【０００３】
このような方法は、とりわけ、追跡体が測定対象となる磁気双極子の磁界を放射する点で、侵襲が最小限であるように設計できる。測定データにもとづき、磁気双極子の位置が割り出される。磁気双極子場が、数ナノ・テスラの分解能を実現できる磁界センサによって監視され、評価される。約０．０８Ａｍ2の磁気双極子試料によって、約１ｍｍの場所分解能および約０．１°の方向分解能が、リアルタイムで実現可能である（約１５cmのセンサ−マーカ距離）。このような追跡方法は、追跡体の活性化のために追加のエネルギー源を必要とせず、患者の生体へのストレスも無視できる。
【０００４】
このような追跡方法のこれまでに使用されている変形例は、現在のところ、その適用範囲が比較的限られている。現在の技術水準によれば、基本的に矩形のプレートで構成される柔軟性に乏しいセンサ構造が使用され、下方に横たわる患者から決められた距離に配置される。このようなセンサ構造が、いずれにせよあらかじめ決められた空間的範囲のみをカバーする。固定の磁化を有する追跡体との組み合わせにおいて、このような追跡方法の適用可能性は、基本的には、例えば腸などの人体の特定の管腔を通過する追跡体の追跡に限定される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、前記方法を、改善されたセンサ技術による追跡方法の柔軟性の向上がより高い測定精度ならびにセンサ・システムおよび追跡体の両者のさらなる小型化を伴って達成されるような方法で進化させ、特に外部から追跡体を指定して最小の侵襲で操作するための可能性および追跡体の機能の拡大を生み出すという目標が生じている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目標は、請求項１の特徴を備える追跡体の標定のための装置、および請求項１２の特徴を備える生理的環境に配置される少なくとも１つの追跡体の標定および操作のための方法によって達成され、従属請求項は、装置および方法の独立請求項の好都合な発展を含んでいる。
【０００７】
本発明によれば、マーキング装置が、可変の磁気双極子モーメントを有する有限な残留磁気と、そこから生じる異方性の磁気双極子場とで特徴付けられる本体形式の追跡体を有している。本発明によるセンサ手段が、前記異方性の双極子場に対する感度を有するとともに測定範囲を覆っている複数のモジュラー式のセンサ・クラスタの形式に設計され、複数のグラジオメータ・センサが、特定の測定用の形状で各センサに一体化されている。測定および制御ユニットが、前記複数のセンサ・クラスタに接続されている。
【０００８】
各センサ・クラスタが１つの検出器ユニットを呈しており、これによって、記録された磁気双極子場に関して空間内の追跡体の位置および向きを割り出すことができる。この目的のため、実際に可変の形状の制限を有する個々のセンサ・クラスタが、複数のグラジオメータを適切な相互の幾何的配置にて有している。本発明によれば、複数のセンサ・クラスタが、それらが必要とされる検査現場を最適な方法で覆うような方法で組み合わされる。結果として得られるセンサ・クラスタ配置は、種々のセンサ・クラスタからなる或る種の「モザイク」をもたらし、患者の体の形状に柔軟に適合させることができ、とくには患者の体の周囲に配置することができ、したがって空間的範囲を好都合にカバーすることができる。個々のセンサ・クラスタは、基本的に自由な方法での測定のために連結または接続できる。測定および制御手段が、このようにして作られたそれぞれのセンサ・クラスタ配置を監視および制御する。
【０００９】
追跡体は、可能な限り大きな残留磁気を有し、かつ可能な限り小さい保磁力を有する材料で構成される。すなわち、追跡体の材料は、磁化軸の方向に細長い磁化ヒステリシスを有し、外部磁界強度の方向に狭い磁化ヒステリシスを有する。これにより、一方で、外部磁界を断ったときの追跡体の磁化がきわめて大きく、大きな磁気双極子モーメントが生成されるが、他方では、比較的弱い外部反転磁界によって磁化をキャンセルすることができる。
【００１０】
しかがって、ネオジム‐鉄‐ボロン組成物（ＮｄＦｅＢ）、ＡｌＮｉＣｏ、および、さまざまな鉄合金からの追跡体を選ぶことが適切であり、それらを生理的および磁気的に中性の材料で被覆することができる。
【００１１】
追跡体そのものは、２つの基本的な実施形態で提供されうる。第１の実施形態においては、追跡体が医療器具、特にポインタ手段、内視鏡、または同種の医療用プローブ手段と一体化してその一部を構成する。第２の実施形態においては、追跡体が、生体内、特に体の管腔を移動できる物体として構成される。
【００１２】
第１の実施形態においては、追跡体が、対応する器具へと結び付けられたポインタ手段を構成し、センサ・クラスタ配置によって位置および向きについて検出される。このようなポインタ手段の大きな利点は、検出される測定信号（双極子の磁界強度）が、外部からの励磁または配線の形式でのエネルギーの供給を必要とせずに生成され、簡潔な方法で検出される点にある。例えば内視鏡の正確な位置を、このような条件のもとで高い精度で患者の体の外部で割り出すことができる。第２の実施の形態においては、追跡体が注入領域内を自由に移動し、そこに広がる生理学的状況についての自己完結型プローブとして機能し、必要であれば追跡体の外部からの操作が可能である。
【００１３】
追跡体は、活性化可能な特性を有する部位、および／または反応性の特には組織マーキング特性または物質を制御された方法で放出する特性、および／または特定の生理学的環境および／または外部から加えられる操作、特に外部磁界に対して感度を有しさらなる同様の特性を有する部位を有している。この発展によれば、追跡体が、或る生理学的環境において放出され、あるいはとくには磁界であるが外部から加えられる特定の操作によって放出される物質のための運搬手段として構成される。これにより、治療用または診断用の有効物質を作用部位へと運び、制御された放出を行うことができる。
【００１４】
前記センサ・クラスタは、最小構成において、少なくとも１つの追跡体の標定、特に三次元座標系における追跡体の位置および角度方向の検出のための複数のグラジオメータを有している。すなわち、単一のセンサ・クラスタが、マーキング・システムの最小の検出器ユニットを呈している。
【００１５】
個々のセンサ・クラスタをより大きなセンサ・クラスタ配置へと組み合わせるため、センサ・クラスタに、追加のセンサ・クラスタとの相互接続のためのインターフェイスが設けられている。これにより、少なくとも２つのセンサ・クラスタにまたがって分布するより多数のグラジオメータ、または制御信号の交換によってネットワークとして相互にやり取りするセンサ・クラスタがもたらされる。
【００１６】
センサ・クラスタ配置は、例えば、リクライニング式ベッド、ヘッド・レスト、腕置き、背もたれ、テーブル面、または同種の手段など患者支持体の一部として設計されると、特に好都合である。したがって、このようなセンサ・クラスタ配置を「隠して」実装することができ、患者の快適さを向上させることができ、既存の装置構造へと空間を節約したやり方で一体化される。それぞれの場合において、センサ・クラスタ配置は、検査現場の適切な領域をカバーする。
【００１７】
２部構成のセンサ・クラスタ配置の実施の形態が、特に好都合である。そのような実施の形態は、固定の部分と可変に配置された変位可能な部分とを有している。可変の部分は、例えば顕微鏡の対物レンズのように、例えば他の診断装置などの外部装置の位置マーキングのための部品として構成される。ここで、センサ・クラスタ配置の可変の部分の位置が、固定に据え付けられたセンサ・クラスタ配置によって検出され、したがって制御している外部診断装置の追跡体／センサ・クラスタ配置システムに対する位置が、正確にマッチングされ調節される。
【００１８】
生理的環境内に配された少なくとも１つの追跡体の標定および操作のための方法においては、追跡体の空間内における位置および向き及び／又は軌跡が、センサ・クラスタへと組み合わされた少なくとも１つの複数のグラジオメータ・センサの配置によって、磁気双極子場によって囲まれた少なくとも１つの追跡体について測定した場の強度および場の方向の分布から割り出される。任意に、位置の割り出しには、外部から作用する磁界による追跡体の物理／化学特性または追跡体の軌跡の特定の操作および変化を組み合わせることができる。
【００１９】
これにより、一方では、追跡体が検査領域内において高い精度で位置決めされ、他方では、追跡体が外部から操作されるという点で、接近困難な注入現場において特定的かつ侵襲が最低限である方法で生理学的環境の操作を生じさせる可能性が、高い検出精度と連動して生み出される。
【００２０】
この方法の第１の実施形態においては、追跡体が、診断プローブ手段、特にカテーテルまたは内視鏡装置の位置基準点として構成され、プローブ手段の位置基準点の移動、空間内における現在の位置、および現在の向きが、センサ・クラスタ配置によって継続的に検出される。これにより、このような医療器具の追跡が最小限の侵襲で可能になる。
【００２１】
この方法の他の実施形態においては、追跡体が、自由に移動できる表示器としてそれぞれの生理的環境内に、例えば懸濁液の成分として配置され、表示器の移動、空間内における現在の位置、および現在の向きが、センサ・クラスタ配置によって継続的に割り出される。
【００２２】
追跡体の位置の割り出しのため、センサ・クラスタの個々のグラジオメータ・センサのそれぞれにおける磁界強度の或るベクトルの大きさおよび方向についての測定データが、取得される。これが、追跡体の標定のための探索方法のアルゴリズムの初期データを構成し、位置割り出し手段に保存される。前記探索方法のアルゴリズムは、逆追跡（inverse  tracking）の手順、特にファジー進化的アルゴリズム（fuzzy  evolution  algorithm）と組み合わせた適応勾配法（adaptive  gradient  procedure）の手順を実行する。
【００２３】
センサ・クラスタ配置において複数のセンサ・クラスタを使用する場合、センサ・クラスタ配置内のセンサ・クラスタの動的統合が、センサ・クラスタ間で内部通信プロトコルによって実行される。これにより、特に全センサ・クラスタ配置における信号対雑音比、およびセンサ・クラスタ配置によって生成されるデータの量が、最適化される
【００２４】
追跡体の外部からの操作は、いくつかの方法で達成される。第１の実施形態においては、追跡体の磁気モーメントが、追跡体の磁化が変化させられ、特にキャンセルされるような方法で、外部から加えられる磁界によって制御される。すなわち、任意に追跡体の活性化および不活化が行なわれる。
【００２５】
追跡体の操作のさらなる実施形態においては、追跡体の軌跡が、対応する方向の場の傾きを有して外部から加えられる傾斜磁場によって能動的に動かされ、注入された追跡体または螺旋状の表面で作られた追跡体が、回転磁界中で対応する方向に動かされる。
【００２６】
前記した外部から追跡体を操作する実施の形態はすべて、独立に実行することができるが、組み合わせて実行することも可能である。さらにそれらを、追跡体によって捉えられた物質の特定の放出と組み合わせることができる。追跡体の磁化を変化させることによって、追跡体の表面において拘束特性に変化が生じ、表面に捉えられた物質が制御された方法で解放される。以上述べた方法の組み合わせにより、追跡体を純粋な診断目的またはポインタとして使用でき、さらにこの用途を超え、注入現場内での有効物質の特定の輸送に使用することができ、これによって追跡方法の適用可能性の大幅な拡大が可能になる。
【００２７】
以下で、幾つかの実施形態を参照して、本発明による装置および本発明による方法を、さらに詳しく説明する。図１〜５は、説明の目的で使用される。同じ構成要素または同等に機能する構成要素については、同じ参照番号が使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１に、本発明の追跡体１０の典型的な実施形態を示す。この追跡体は、磁化可能な基体１１で構成され、基体１１の表面に、活性化可能部１２からなる鞘を有している。基体１１は好ましくは強磁性材料により形成され、大きな残留磁気を、特定のコイル構成によって最も簡潔な方法で実現される保磁力との組み合わせにおいて有すると好都合である。残留磁気ゆえに基体は磁気モーメントｍを有し、その位置は外部座標系において定められる。
【００２９】
外部から加えられる磁界Ｈによって保磁力を印加することにより、基体は選択的に磁化または消磁され、磁気モーメントを所望のとおり活性化でき、あるいはキャンセルすることができる。このようなプロセスを、以下ではｈｃスイッチングと称する。基体の磁気特性がｈｃスイッチングによって変化するという事実ゆえ、特に具体的に選択された分子に関し、基体１１と活性化可能部１２との間の相互作用が変化する。すなわち、ｈｃスイッチングによる影響のもと、活性化可能部が、吸着または吸着プロセスによって周囲から分子を取り込み、あるいは既に捕らえていた分子および物質を追跡体のすぐ周囲へと解放する。
【００３０】
追跡体は、外部磁界Ｈの影響のもとで残留磁気に整列し、その位置は外部磁界の関数として変化する。したがって、自由な追跡体は、外部磁界の影響のもとで所定の軌跡に沿って移動可能である。ｈｃスイッチング・プロセスおよび活性化可能部の変化する吸着能力に関連して、追跡体を有効成分の搬送手段として利用するという可能性が与えられる。この目的のため、まず追跡体が、外部磁界Ｈの影響のもとで駆動されて生理学的環境内の正確に定められた場所へと配置され、次いでｈｃスイッチングのもとで正確に定められた時刻において有効成分を解放し、あるいは周囲から物質を取り込む。
【００３１】
以下の実施形態において典型的に使用される追跡体の寸法は、原理的には、大きな帯域幅内において変更可能である。典型的な実施形態は、直径が１ｍｍ未満であって長さが２ｍｍ未満である円柱形の基体を有しているが、直径が０．５ｍｍ未満であって長さが１ｍｍ未満である小型化された実施形態を考えることもできる。実際に使用される具体的な目的のための寸法は、一般的な適用状況によって決まる。選択においては、主として、所定の寸法の磁性体のトラブルのない検出および／または操作のために達成できる磁気モーメント、外部センサ装置の感度、ならびに実際に一般的な生理学的環境条件、特に血管および空洞の管腔寸法ならびに同様の医学‐生物学的パラメータを、考慮しなければならない。最後に、追跡体の寸法は、それが自由な運動体として構成されるか、あるいはマーキング用コンポーネントとして医療器具と一体化されるかによっても決定される。
【００３２】
原理的には、さまざまな種類の追跡体の同時使用、および識別的検出、またはこれらさまざまな種類を指定しての操作が、基体１１の磁気特性が特に保磁力に関して相違している追跡体１０を使用することで、可能である。保磁力が０．１ｋＡ／ｍ〜５００ｋＡ／ｍの範囲にある磁性材料が、特に適していると考えられる。
【００３３】
これにより、有限の残留磁束を有する第１の種類の追跡体を例えば５００ｋＡ／ｍの第１の保磁力でｈｃスイッチング法によって活性化し、次いで外部磁界の方向を反転させて、０．１ｋＡ／ｍの保磁力を有する第２の種類の磁化を取り消すことができ、すなわち、有効成分を運搬するための手段として使用するため、あるいは第１または第２の種類の位置を検出するため、第１および第２の種類の両者を選択的に動作させることができる。このように、特定の環境に同時に存在し、かつ異なる任務のために準備されている帯域幅全体にわたる追跡体を、指定して操ることができ、原理的には、幅広い種類の広がりを有する複数の追跡体を同時に使用することができる。したがって、追跡体は、動作領域においてオンデマンドであり続け、必要に応じて活性化でき、あるいは不活化できる。
【００３４】
以下では、自由に移動する注入追跡体および器具の一部として形成された追跡体の両者の位置検出のための典型的な方法および装置について、図２ａ〜図５を参照しつつ説明する。
【００３５】
しかしながら、上記手段による追跡体の純粋な位置検出、および、それにもとづく軌跡の追跡と表示機能との組み合わせが、常に可能である。すでに述べたｈｃスイッチングに関し、異なる種類の追跡体についての選択的な軌跡の追跡が、やはり可能である。
【００３６】
図２ａから２ｃは、追跡体１０の位置および向きの検出に使用されるセンサ・クラスタ２０の種々の実施の形態を示している。１つのセンサ・クラスタ２０が、追跡体の位置検出を実行する最小の検出器ユニットを代表している。センサ・クラスタ２０について、さまざまな実施形態が使用可能である。
【００３７】
図２ａおよび２ｂは、板状のセンサ・クラスタ２０の平面形状を示しており、図２ａにおいてはいくぶん細長い矩形を有しており、図２ｂにおいては基本的に正方形の実施形態である。これらの実施形態において、個々のセンサ・クラスタが、それぞれインターフェイス手段２１を取り付けるための凹所が設けられたベース・プレート２５で構成されている。複数のグラジオメータ・センサ３０が、適切な幾何学的配置でベース・プレート上に配置されている。図２ａの実施形態は、長手方向に広がる動作現場において追跡体を追跡するための基本的に直線的なグラジオメータ配置を示しており、図２ｃは、高い場所および位置分解能を可能にする平坦かつ密に定められた動作現場において追跡体の軌跡を追跡するための環状のグラジオメータ配置を開示している。
【００３８】
グラジオメータ・センサ３０の配置が、追跡体１０の磁気双極子場によって生成される磁界強度ベクトルに応答し、その大きさおよび方向をそれぞれの場所において記録する。このようにしてもたらされた信号が、関連のセンサ・クラスタ２０から引き出されて、測定および制御手段にて評価され、追跡体の正確な位置が計算される。
【００３９】
図２ａおよび２ｂに示した平面状の実施の形態のセンサ・クラスタ２０の他に、グラジオメータ・センサ３０を空間的測定のための配置とすることも可能である。図２ｃは、そのような配置の一例を示している。この場合、センサ・クラスタ２０は、グラジオメータ３０を基本的に球形に配置して構成され、保持用ブレース２６によって所定の測定用の配置に固定されている。図２ｃに示した実施形態は、立体敵領域において追跡体の軌跡を追跡するために適している。
【００４０】
追跡体１０の位置の判定においては、逆追跡の考え方が使用される。これは、以下で説明する方法において、追跡体を一意に特徴付ける位置および場所パラメータが、測定された場の分布から、モデルの適応および適応的計算法などを使用して割り出される。
【００４１】
図３ａは、割り出すべき追跡体のパラメータを示している。これらは、一方では、座標Ｘ，Ｙ，Ｚで特徴付けられる特定の座標系における位置である。さらに、追跡体の磁気双極子が、極角度座標ψおよびθの形でこの位置における向きを有する。他に未知の量は、追跡体の磁気モーメントｍである。このように、追跡体の特徴付けのために、最大６自由度を割り出さなければならない。通常は６個よりも多いセンサ・クラスタ２０内の所定の数のグラジオメータ３０によって、優決定逆問題（overdetermined  inverse  problem）を解く必要性をもたらす。この問題の解決策のため、例えばマルカート‐レーベンベルグ法（Marquardt‐Levenberg  Method）など、その全体が測定および制御ユニットによって実行される探索手法を代表している適応勾配法が、ファジー進化的アルゴリズムとの組み合わせにおいて使用される。
【００４２】
極方向の割り出しは、特に追跡体が器具に一体化されて器具の一部として構成されており、追跡体の磁気双極子の向きが器具の対応する構成要素の位置に相関する場合に、必要である。図３ｂは、そのような器具を、あくまで例として概略的に示している。この図は、例えば、心臓カテーテルや胃腸用プローブなど、体腔内を調べるための内視鏡プローブの測定ヘッド５１を示している。このような実施形態において、位置および向きに関して測定ヘッドの位置が、すでに述べた方法によって正確に割り出される。逆追跡のための前記方法、および以下に説明する測定信号のより良好な検出のための方法によって、たとえ臨床的汚染、環境中の高周波場、および非磁性であるが金属製の物体の存在による影響のもとでも、追跡体の空間的位置の場所分解能を０．５ｍｍの精度で実現でき、向きの検出を数分の範囲の角度分解能で実現できる。
【００４３】
追跡体およびセンサ・クラスタからなるこの構成の感度は、追跡体の磁気モーメントの大きさによって評価することができる。これは、適切な追跡体を選択することによって、例えば前もって可能である。さらに、外部磁界の印加、特に、すでに述べたｈｃスイッチング・プロセスによって、追跡の際に磁気モーメントを連続的に操作することも実現可能である。電磁遮蔽手段は、基本的には省略することができる。
【００４４】
図４および図５は、いくつかの好都合な実施の形態におけるセンサ・クラスタ２０の構造の典型的な適用を示している。図４は、センサ・クラスタ配置５５へと接続されたセンサ・クラスタ２０の構造を示しており、この実施形態においては、腕３５の血管系に導入された追跡体の軌跡の追跡に使用される。センサ・クラスタ配置５５は、個々のセンサ・クラスタを複数個、個々のセンサ・クラスタ２０間の太い接続線で示されるとおりに接続して形成されている。このセンサ・クラスタ配置５５が、腕３５の体積を少なくとも部分的に包囲している。この実施形態においては、センサ・クラスタ配置５５が袖のように直接腕へと配置され、皮膚と接触している。ここには示されていないが、センサ・クラスタ配置のより簡略化された構成は、センサ・クラスタ２０で構成される多少なりとも剛な「トンネル」のデザインであり、内側に腕が挿入される。このトンネルを、腕置きの一部として形成してもよい。特定の用途に必要とされるセンサ・クラスタ配置５５が、センサ・クラスタ２０から、それぞれの場合に合わせてモジュラー式のやり方で組み立てられる。このように、センサ・クラスタ２０は、特定の用途目的に適応させて実質的にいかようにも変化させることができる検出器構造の構築のため、基本的な「構成部品」を構成している。
【００４５】
腕３５の血管系の内部の追跡体の軌跡の追跡においては、センサ・クラスタ配置５５内のセンサ・クラスタ２０が、測定および制御手段４０によって制御および監視される相互通信ネットワークを形成する。この目的のため、測定および制御手段は、ネットワーク内のセンサ・クラスタ２０とのやり取りのための通信プロトコルを含んでいる。やり取りは、少なくともセンサ・クラスタ配置の自己較正および測定の信号対雑音比の最適化のために機能する。このため、センサ・クラスタ配置５５内の個々のセンサ・クラスタの相互の位置が、特定の研究室の座標系およびデータ構造として得られたセンサ・クラスタ・ネットワークの幾何形状において相互に調節される。通信プロトコルの他の典型的な機能においては、軌跡の追跡のために最も適切なセンサ・クラスタ２０が測定の最中に選択され、軌跡の追跡が第１のセンサ・クラスタから第２のセンサ・クラスタへと切り替わることによって、センサ・クラスタ２０のネットワークが連続的に最適化される。これに加え、雑音のフィルタ処理および測定速度の最適化のための操作が、実行される。測定および制御手段４０は、センサ・クラスタ配置５５の組み立て構成について広域的最適条件を発見するため、および誤差補正のためのアルゴリズムをさらに有している。これは、この構成の測定技術の安定性に決定的に貢献する。
【００４６】
さらに図４の実施形態は、すでに説明したやり方でのｈｃスイッチングまたは追跡体の能動的な運動の形で、追跡体または複数の追跡体に対しすでに述べたとおり影響を与えるため、外部磁界の供給源を適切に有している。図４においては、これが磁界制御ユニット４４を備えるフィールド・コイル４３によって象徴的に示されている。フィールド・コイル４３を可能な限り多くの自由度に沿って動かすことができるように設計し、あるいは、ただ１つのフィールド・コイルを、例えば勾配磁界または回転磁界など、さまざまな種類の磁界を生成するためのフィールド・コイル構成によって置き替えることが、好都合である。
【００４７】
図５は、他の典型的な実施形態を示しており、ここでは測定ヘッド５１または心臓カテーテル５０に配置されているが、外科手術用器具に一体化された一例としての追跡体の構成が示されている。図４の実施形態と同様、追跡体の軌跡が、対応する設計のセンサ・クラスタ配置５５によって追跡される。この特定の実施形態におけるセンサ・クラスタ配置は、体の上部の周囲に配置される「トンネル」として設計でき、あるいは患者の胸の上に平面状に位置してもよい。最も適切なセンサ・クラスタ配置５５の設計は、個々の場合に合わせて経験的に決定される。
【００４８】
図４のセンサ・クラスタ配置５５の実施の形態の変形例として、固定の部分５６および可変の部分５７を備える２部構成のセンサ・クラスタ配置が、図５による実施形態においては好ましい。固定の部分５６は、図４の実施形態に従って追跡体の軌跡を追跡するための手段として、すでに説明したやり方で設計される。可変の部分５７は、とくにはコンピュータ断層撮影法または磁気共鳴断層撮影法であるが、センサ・クラスタ配置を空間的に取り囲む画像化手法の実行のための制御機構６０の一部として構成される。このような構成によれば、心臓カテーテルの測定ヘッド５１の追跡が、画像化手法と組み合わされる。これにより、センサ・クラスタ配置の可変の部分５７は、センサ・クラスタ配置５５それ自身および画像化機構６０の両者のための試料として機能する。可変の部分５７の位置は、センサ・クラスタ配置５５の構成内で特定され、センサ・クラスタ配置内で連続的に追跡される。したがって、センサ・クラスタ配置５５の座標系に、一意に定められた基準点が形成される。一方で、センサ・クラスタ配置の可変の部分５７は、例えばコンピュータ断層撮影断面または磁気共鳴断層撮影画像におけるコントラスト画像として、周囲を囲む画像化機構６０の中で明白に輪郭が描かれる。
【００４９】
このようにして、追跡体が一体化されてなる心臓カテーテル５０の測定ヘッド５１の軌跡が、センサ・クラスタ配置５５によってきわめて高い精度で検出される。これにより、センサ・クラスタ配置の可変の部分５７に対する追跡体そのものの位置を知ることができ、次いでセンサ・クラスタ配置５５の可変の部分５７の輪郭コントラストに基づき、適切な画像化手段によって、測定ヘッド５１の位置を磁気共鳴断層撮影画像へと表示することができる。これは、例えば測定ヘッドの正確な方向を外科医に示す様式化されたベクトル矢印など、グラフィック的に挿入されるアイコンによって実行することができる。このように、センサ・クラスタ配置５５の可変の部分５７は、磁気共鳴断層撮影画像または他の方法によって機構６０から得られる画像の画像解像度の局所的な改善のため、一種の「拡大鏡」または顕微鏡として機能し、したがって外科医は、心臓カテーテル制御ユニット５２においてきわめて正確かつ精密なやり方で心臓カテーテルを操作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】外部磁界内の追跡体の概略図である。
【図２ａ】センサ・クラスタの第１の実施の形態の概略図である。
【図２ｂ】センサ・クラスタの第２の実施の形態の概略図である。
【図２ｃ】空間球グラジオメータ形状にあるセンサ・クラスタの例示である。
【図３ａ】空間内の自由追跡体の位置を割り出すべき測定量とともに示した概略図である。
【図３ｂ】内視鏡器具のプローブ・ヘッドに一体化された追跡体の概略図である。
【図４】センサ・クラスタ、外部磁界コイル、ならびに測定および制御手段からなり、第１の検査対象に位置している典型的な構成である。
【図５】心臓カテーテルを監視するため、固定および可変のセンサ・クラスタを内視鏡機構およびコンピュータ断層撮影のための外部手段に組み合わせた典型的な構成である。
【符号の説明】
【００５１】
１０        追跡体
１１        基体、強磁性
１２        活性化可能部
２０        センサ・クラスタ
２１        インターフェイス
２５        ベース・プレート
２６        保持用ブレース
３０        グラジオメータ機構
３５        腕
３６        心臓
４０        測定および制御手段
４１        通信プロトコル
４３        磁界コイル
４４        磁界制御ユニット
５０        プローブ、心臓カテーテル
５１        プローブ・ヘッド
５２        プローブ制御ユニット
５５        センサ・クラスタ配置
５６        センサ・クラスタ配置の固定の部分
５７        センサ・クラスタ配置の可変の部分
６０        外部画像化機構
ｍ          磁気双極子モーメント
Ｘ，Ｙ，Ｚ  座標
ψ，θ      方向角
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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