(57)【要約】既知の幾何関係を有する複数の位置表示要素またはマーカを器具（２０）に取り付け、器具の軸線を固定したまたは安定した方向に維持しながら、異なる直径の器具を回転させることができるように、器具を支持する器具較正器（１６）内に器具を配置することにより、標準的な医療器具または手術器具の軸線を配置する。器具が回転すると、マーカ配置システムが器具上のマーカの位置を追跡し、次いで器具に締め付けられたマーカに対する回転軸線を推定あるいは決定する。器具較正器は、互いにかつ止め具に対して固定された幾何的または空間的関係を有する第２の組の位置表示要素またはマーカを有しており、この止め具に対して器具の端部または先端が配置されている。
2004529679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療器具または手術器具の軸線の向きおよび器具の先端の位置を、器具に固定された位置決め要素に対して較正する較正システムであって、
器具較正器を備える器具の属性を決める決定システムを備え、前記器具較正器が、
器具が支持体上で回転するときに、器具の長手軸線が固定されたままであるように、医療器具または手術器具を受ける支持体と、
器具の先端を保持するように動作可能な器具止め具と、
互いにかつ器具止め具に対して固定された既知の空間的関係を有する、複数の位置表示要素とを含む較正システム。
【請求項２】
回転させながら、支持体上に器具を保持するように動作可能な器具ホルダをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
器具ホルダがクランプを含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
器具ホルダが自己作動ボールばねクランプを含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
複数の位置表示要素が、器具較正器に固定された少なくとも３つのエネルギー反射体を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
互いに固定された空間的関係で複数の位置表示要素を有する器具位置追跡装置をさらに備え、この器具追跡装置は器具に固定されるように動作可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
支持体が、表面内に画定されたチャネルからなる、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
医療器具または手術器具を画像追跡システムに位置合せするシステムであって、
器具の長手軸線および先端が溝内で回転する器具に固定されるように器具を受ける溝、および互いにかつ溝に対して固定された空間的関係を有する第１の複数の位置表示要素を備える器具較正器と、
互いに固定された空間的関係である第２の複数の位置表示要素を備え、器具を固定するように動作可能である器具追跡装置とを具備するシステム。
【請求項９】
溝が、器具較正器の基部に対して鋭角に配置された軸線を有する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１０】
器具較正器が、器具を溝内に保持するように動作可能な器具ホルダをさらに含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
器具較正器が、第１の複数の位置表示要素に対して固定された既知の位置に器具の先端を保持するように動作可能な器具止め具を備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
器具ホルダがクランプを含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
器具ホルダが、自己作動ボールばねクランプを含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
溝が上表面内に形成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１５】
器具較正器が、拡大した器具先端または不規則な形状の器具先端を受けるように動作可能な、器具止め具に隣接して形成された拡張スロットをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
複数の位置表示要素が、器具較正器の上表面に固定された少なくとも３つの受動エネルギー反射体を備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
器具を画像ガイド・システムに位置合せする方法であって、
互いに所定の空間的関係を有する第１の複数の位置表示要素を器具に取り付けるステップと、
既知の軸線まわりに器具を回転させることができるように動作可能な器具較正器の支持体上に器具を配置するステップであって、器具較正器はそれに固定された第２の複数の位置表示要素を有するステップと、
追跡システムで第２の位置表示要素の位置を検出する支持体ガイド・システム上で器具を回転させて、器具を回転させながら、第１および第２の複数の位置表示要素を検出するステップと、
器具の先端および器具の長手軸線空間位置を、第１および第２の複数の位置表示要素の検出された位置に対して位置合せするステップとを含む方法。
【請求項１８】
器具を挿入するステップが、溝に沿って、かつ器具を溝内にぴったりと保持するように動作可能な自己作動ボールばねクランプの下で、器具を摺動させるステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
器具を挿入するステップが、器具の先端が器具止め具に支えられるようになるまで、器具を溝に沿って摺動させるステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
医療器具または手術器具を追跡システムに対して較正する方法であって、
互いに所定の空間的関係を有する複数の位置表示要素を器具に取り付けるステップと、
器具を軸線まわりに回転させることができるようになされた器具較正器の支持フレーム上に器具を配置するステップと、
器具を回転させながら、複数の位置表示要素の位置を追跡システムで検出するステップと、
器具を回転させながら、複数の位置表示要素の検出された位置に基づいて、複数の位置表示要素に対する軸線の位置を決めるステップとを含む方法。
【請求項２１】
支持体が器具止め具を含み、器具を支持フレームに配置するステップが器具の先端を器具止め具に隣接して配置するステップを含み、さらに器具止め具の既知の位置に基づいて複数の位置表示要素に対する器具の先端の位置を決めるステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
器具止め具の既知の位置が、器具止め具に対して既知の空間的関係を有する第２の複数の位置表示要素の位置を、追跡システムで決めることによって得られる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
支持フレームが、器具較正器の表面内に形成された溝を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
溝がほぼＶ字形である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
器具を支持フレーム上に配置するステップが、溝に沿って、かつ器具を溝内にぴったりと保持するように動作可能である自己作動ボールばねクランプの下で、器具を摺動させるステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
器具がまず、ある方向に回転され、次いで反対方向に回転される、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して医療器具追跡システム用器具較正器に関する。
【背景技術】
【０００２】
脳、脊髄、および他の身体部位の三次元診断画像は、ＣＴスキャナ、磁気共鳴画像装置、三次元蛍光透視鏡などの画像診断装置によって生成することができる。これらの画像化法によりしばしば、１ミリ以下の分解能の構造的詳細が提供される。医療的、外科的、あるいはその他の種類の診療処置の計画に関して、またその処置中に患者の身体内で対象領域を正確に位置付ける際に、医師、外科医あるいはその他の専門家を援助するデータを利用する、画像案内された診療システムが開発された。
【０００３】
画像案内された診療システムを、診療処置中に患者の画像に対する医療器具の位置および向きを表示するのに使用することもできる。患者の画像データの多数の断像が通常、健診または医療処置中に器具を扱う人が見ることができるモニタ上に表示される。これらの断像は、患者の軸位断像、矢状断像、および冠状断像を含んでいてもよい。第４の斜位断像が表示されて、画像データを器具の先端と直交する平面内に示すこともある。器具の先端の位置、器具の軌道、および器具ヘッドの直径がこれらの画像のうちの１つまたは複数に表示される。器具の先端と所望の位置の間の代数的距離を、モニタ上に数値的に表示することもできる。
【０００４】
画像案内された処置の性質が与えられる場合、器具の先端の位置、器具の軌道、および器具ヘッドの直径を高精度に追跡できる必要があるので、しばしば１ミリより小さい精度での較正が必要になる。器具の位置および方向を、追跡システムを使用することによって追跡する。追跡システムは、互いに、かつ器具に対して既知の幾何学的関係を有する３個以上のマーカの位置を検出することによって、器具を追跡する。追跡システムは、いくつか例を挙げると、例えば光学、磁気、高周波、光ファイバなどのあらゆる種類の追跡技術を利用することができる。このマーカは、システムの種類によるが、受動でも能動でもよい。よく知られている一例の追跡システムは、マーカとして赤外線エネルギーを反射する球体を使用している。この追跡システムは、赤外線放射を球体にあびせる。空間的に離して配置した複数のカメラを、球体の相対位置を検出するのに使用する。
【０００５】
追跡システムがある器具を別のものと区別できるように、位置表示要素、またはマーカは各器具に独特のパターンで位置決めされる。つまり、独特のパターンが器具を特徴づけると言うことができる。追跡システムは、器具の位置表示要素に対して各器具の先端および軌道がどこにあるかに関する情報、および器具ヘッドの直径に関する情報で、予めプログラムされている。例えば、３本の赤外線エミッタを有する追跡された探針については、追跡システムは３本の赤外線エミッタによって画定される平面上の選択した点との関係で、探針の先端がどこにあるかということに関する情報を維持している。この情報に基づいて、先端の正確な位置を算出でき、モニタの１つに表示することができる。
【０００６】
ドリル、探針、内視鏡など種々の医療用器具では、しばしば先端の位置決めおよび器具ヘッドの直径に影響を及ぼす可能性のある変更を器具に行うことが、医者、外科医またはその他の個人にとって有利であることがある。例えば、医療用ドリルに関しては、異なる医療処置を実施するのに、ドリル・ビットの寸法および長さを医者が変更できることが有用であることがある。さらに、探針に関して、患者の異なる領域に到達するために、探針ハンドル上の長さおよび直径の異なるシャフトを交換することが望ましい。
【０００７】
残念なことに、従来のシステムにおける器具の位置表示要素に対する各器具の先端の位置および器具ヘッドの直径は、予めプログラムされているので、先端の位置および器具ヘッドの直径に影響を及ぼすような器具の変更は簡単には行うことができない。このような変更を行う場合、操作者は器具の先端と器具の位置表示要素の新しい関係を測定し、この情報をコンピュータに入力する必要がある。さらに、器具ヘッドの新しい直径に関する情報を入力する必要があることもある。この処置は、時間がかかり、煩わしいものである。この新しい情報を追跡システムに入力しないと、器具の先端は正確には追跡されず、モニタに表示されない。
【０００８】
標準的な手術器具を画像案内された診療システムで使用できることが望ましい。このような特徴は、画像案内された手術の費用を下げるのを助けることになる。このような器具較正器が、米国特許第５，９８７，９６０号に開示されており、ここに参照によって援用する。この器具較正器は、器具と所望の位置で摺動可能に係合し、これを固定するような形の２つの可動ブロックを含む。この器具は、互い違いに配置された一連のＶ字溝によって、器具の器具ヘッドの直径と既知の幾何学的関係を有する２つの可動ブロックのそれぞれの上に固定される。器具較正器はさらに、器具較正器の位置を手術室またはその他の領域内に連通させる、少なくとも１つの位置表示要素を含む。器具較正器内に固定された器具の位置を２つの可動ブロックのそれぞれの位置と比較することにより、器具の先端の位置および方向が決まる。さらに、２つの可動ブロックのそれぞれの位置に基づき、器具ヘッドの直径を算出する。器具較正器は、器具の先端の位置、器具の先端が指している方向、および器具ヘッドの直径を全て一緒に較正することができる。器具を固定する２つの可動ブロックのそれぞれに連結された位置表示要素間の関係を、器具に連結された位置表示要素と比較することにより、器具の先端が指している方向が決まる。器具較正器に連結された位置表示要素の位置を、器具に連結された位置表示要素の位置と比較することにより、器具の先端の位置が決まる。２つの可動ブロックのＶ字溝間の既知の幾何学的関係および器具ヘッドの直径により、器具の直径が決まる。
【発明の開示】
【０００９】
画像案内された診療システム内で使用される標準的な医療器具または手術器具を較正するプロセスを簡単にする及び／又はより正確にするためには、既知の幾何学的関係を有する複数の位置表示要素またはマーカを器具に取り付け、固定したあるいは安定した方向に器具の軸線を維持しながらこの器具を回転させることができるように、器具を支持する器具較正器内に異なる直径の器具を配置することにより、標準的な医療器具または手術器具の軸線が配置される。器具を回転させながら、マーカ配置システムが器具上のマーカの位置を追跡し、次いで器具に締め付けたマーカに対する回転の軸線を推定あるいは決定する。器具較正器は、互いに対して、かつ器具の端部または先端が配置される止め具に対して固定された幾何学的または空間的関係で、第２の組の位置表示要素またはマーカをさらに含む。マーカ配置または追跡システムが、器具に取り付けられたマーカに対する器具の先端の向きおよび位置を決める。したがって、標準的な医療器具の範囲を、比較的簡単な方法で正確に較正することができ、これによって器具を特別に構成する必要がなくなる。
【００１０】
一例では、手術器具又は機器もしくは医療器具又は機器を支持する器具較正器のフレームを、軸線に沿って少なくとも２箇所の別の位置で器具と接触するように構成し、それによってある規定された直径範囲内の直径を有するあらゆる器具を、安定した又は固定した位置に軸線で支持し、回転させることができる。器具較正器はまた、回転させながら、器具をフレームに対して保持する要素を組み込んでいてもよい。
【００１１】
別の例では、画像案内された診療システム用器具較正器が、器具を受け、回転させながら軸線を固定した位置に保持する表面内に形成された、溝、好ましくはＶ字あるいは類似する溝を使用して支持フレームを形成する。器具較正器は、回転させながら器具を溝の中に保持するように動作可能な器具ホルダと、器具の先端を較正器に対して固定した位置に保持するように動作可能な器具止め具とをさらに含む。器具較正器は、互いにかつ器具止め具に対して固定された空間的関係で、複数の位置表示要素を有する。
【実施例】
【００１２】
図１は、器具較正器および追跡システム１２を配備し、画像案内された手術システム１４で使用する、手術室１０の斜視図である。器具較正器および追跡システム１２は、器具較正器１６と器具追跡装置１８を含む。器具追跡装置１８は、医療用探針、ドリルまたは内視鏡などの器具２０に取付可能である。器具を画像案内されたシステムに位置合せするため、器具２０は器具較正器１６内に設置されるように動作可能である。患者を上に支持する台２６に対する既知の位置に、配置システム２２が取り付けられる。配置システム２２は、手術室１０内の別の適切な既知の位置に対して別の方法で取り付けることもできる。図示した実施形態では、配置システムは、カメラの視野領域を赤外線放射で照らす赤外線放射源の上に２個のカメラ２４を含む、受動赤外線光学システムである。このようなシステムがよく知られている。しかし、図に示す実施形態は受動赤外線追跡システムで最も有利に使用することができるが、本発明は、最も一般的な態様において、光学システム、無線周波数（ＲＦ）、磁気、音響または超音波、および光ファイバ・システムを含む、あらゆる種類の追跡システムで利用することができる。さらに、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの能動位置表示要素またはマーカを、図に示す実施形態に示す受動式のものの代わりに使用することができる。このような要素の動力は、超音波、ＲＦ、または磁気でよい。
【００１３】
以下により詳しく述べるように、器具追跡装置１８および器具較正器１６はそれぞれ、画像案内された手術システム１４に器具２０の位置および方向情報を提供するのに使用される、配置システム２２によって取付可能な複数の位置表示要素を含む。
【００１４】
図２および図３を参照すると、本発明の器具追跡装置１８のより詳細な斜視図および側面図がそれぞれ示されている。器具追跡装置１８は、画像案内された手術システム１４の配置システムによって定空間に配置可能な、取り外し可能な器具基準フレームを提供する。器具追跡装置１８は、少なくとも３個の位置表示要素を固定した既知の関係に支持するフレームを含む。フレームが、図に示すようにＹ字形構造を有することにより、フレームが配置システム２２の位置表示要素の全ての断像を遮る機会を減らす傾向にある。器具追跡装置のフレームは、通常はＹ字形構造で中心部材３２と結合された少なくとも２個の角部材３０、３１を含む。角部材３０、３１は、互いに長さが異なっていてもよく、ハンドル部材３２の軸線から延びるそれぞれの角度は、形および長さが異なっていてもよい。図２に示す実施形態では、角部材３０は角部材３１より長い。互いに間隔を置いて配置された、位置表示要素３４、３５はそれぞれ、通常は角部材３０、３１の遠位端部に結合される。少なくとも１個の他の位置表示要素３６が、ハンドル部材３２に結合され、位置表示要素３４、３５から離隔配置され、装置３４、３５と同一平面に配置される。位置表示要素３４、３５は、図に示す実施形態では、受動反射体であるが、そうではなく、配置システム２２によって取り外し可能な別の種類のマーカまたは位置表示要素（例えば、能動赤外線または音波送信機）でもよい。
【００１５】
医療器具は、例えばクランプによって器具追跡装置１８に解放可能に締め付けられる。クランプにより、医療器具を器具追跡装置に締め付けるのに、医療器具を変更する必要がないという利点がもたらされる。図に示す実施形態では、クランプ３８が、代表的な医療器具２０を器具追跡装置１８に固定している。クランプ３８をハンドル部材３２に取り付けるのに、ねじ４０、４１などの締付け具を使用することができる。クランプ２８は、ちょうねじ４２などの装置によって医療器具２０の周りに締め付けることができる、２個の調整部品４３、４４を備えるＣ字形クランプであることが好ましい。Ｃ字形クランプ２８の調整部品４３、４４は、調整部品４３、４４が締め付けられると、器具追跡装置１８に対する器具２０の既知の確実な保持および固定位置を確保するように、わずかに互いに対して向いている２つの対向するフィンガ４６、４７を含む。図３に示すように、器具２０はフィンガ４６、４７によりクランプ３８の後表面に向かって押され、クランプ３８の両方の調整部品４３、４４の隅部と係合する。このことにより、確実に器具追跡装置１８と器具２０の間がしっかり４点で接触する。
【００１６】
図４は、本発明の器具較正器１６のより詳細な斜視図である。器具較正器１６は、基部５０および上表面５１を含む。上表面５１は、基部５０によって形成された平面に対して鋭角αである平面中にある。傾斜した上表面により、使用者が較正中に器具をカメラ２４に表示して、検出を改善することができるようになる。複数の位置表示要素５４〜５７は、互いに固定された既知の、かつ間隔を置いた関係で、上表面５１に固定される。位置表示要素５４〜５７は、受動であっても能動であってもよく、配置システム２２のカメラ２４によって取り外し可能であって、位置および方向情報を画像案内された医療システム１４に提供することができる。Ｖ字形の溝またはチャネル６０が、器具較正器１６のほぼ全長を通る上表面５１内に形成される。Ｖ字溝６０内に挿入される器具（この図には図示せず）の先端を止め具６２に対して配置できるように、止め具６２は既知の固定した位置に形成される。より幅が広く深い拡張スロット６４が、器具止め具６２の直前で溝６０内に形成される。スロット６４は、器具の本体より大きな直径を有する、または不規則な形状を有する、器具先端を受けることができ、さらに器具はＶ字溝６０内にぴったりと位置することができる。位置表示要素５４〜５７に対するＶ字溝６０および止め具６２の位置が、較正中に使用される画像案内された手術システム１４に提供され、これに記憶される。自己作動器具ホルダ６６が、器具を溝内に確実に保持するように、Ｖ字溝６０の上に位置している。自己作動器具ホルダ６６は、使用者が第２の手を使用してクランプを調節する又は開く必要なく、器具をボールばね６８の下でかつこれを通して摺動させることができるように、レバー動作で作動する、ばねで偏倚されたボール・クランプであってもよい。ボールばね６８は通常、円滑な表面を有するボール軸受で構成され、自己作動器具ホルダ６６内の円筒形チャンバに格納されたばねによって偏倚されている。自己作動器具ホルダ６６は止め具６２とＶ字溝６０の端部の間のほぼ中間点に位置して、ボールばねの力が器具を確実に定位置に保持するように動作可能であることが好ましい。器具較正器１６の重量を軽くするため、器具較正器の全体の完全性に影響を与えることなく、いくつかの切欠きまたは空洞６８、７０を器具較正器の本体に形成する。
【００１７】
図５は、器具較正器１６と位置合せするように器具２０を保持する器具追跡装置１８の斜視図である。器具２０は、器具追跡装置１８のクランプ３８によって保持されて、器具の先端が止め具６２に対する止めに到達するまで、器具２０をＶ字溝６０に沿って器具較正器１６内に挿入する。自己作動器具ホルダ６６は、Ｖ字溝６０の側面に対してぴったりと器具２０を案内し、保持する。
【００１８】
器具２０の軸線を位置合せするため、使用者は、全ての位置表示要素３４〜３６および５４〜５７がカメラ２４によって取り外し可能であるように、器具較正器１６、器具追跡装置１８、および器具２０を配置する（図１）。使用者は次いで、較正プロセスを開始するのに、所定のコマンドを画像案内された手術システム１４に入力する。次に、使用者は、器具追跡装置１８および器具２０をまず、ある方向に回転させ、次いで別の方向に回転させる。一実施形態では、器具追跡装置１８および器具２０を、まずある方向に少なくとも６０度回転させ、次いで別の方向に１２０度回転させる。ボールばね６８によって、器具２０を潜在的な合わせ誤差を減らすように回転させながら、円滑に定位置に転動させることができる。器具が回転することにより、器具が画像案内された手術システム１４まで回転すると、カメラ２４が位置表示要素３４〜３６の位置を捕捉し中継することができる。この位置情報から、空間中にある器具２０の長手軸線を三角法で測定し、決めることができる。さらに、位置表示要素５４〜５７の位置が捕捉され中継されることにより、器具２０の先端は既知の位置にあるので、器具追跡装置の位置表示要素３４〜３６に対する器具先端の空間的関係を決めることもできる。較正後、器具２０を器具較正器１６から取り外すことができるが、器具追跡装置の位置表示要素３４〜３６の位置および方向を画像案内されたシステム１４の追跡システムによって捕捉することにより、その位置および方向を連続的に追跡することができる。その結果、器具軸線および器具先端の位置は、要素３４〜３６の位置を追跡することにより、画像案内されたシステムで知ることができる。
【００１９】
いくつかの従来のシステムとは異なり、本発明の器具追跡装置および器具較正器・システムを、所定の寸法制限以下の一般的な寸法を有するあらゆる器具を用いて使用することができる。Ｃ字形クランプ３８、自己作動クランプ６６、および拡張スロット６４を使用することにより、広範囲にわたる寸法および幾何形状を有する器具を受け容れる。本発明は、マーカを備える内蔵位置を有する特別な医療器具を使用する必要がない。器具の位置合せプロセスは、従来のシステムのように実際の器具直径を決めることによるものではないので、通常の対称的な幾何形状を備えるどんな器具でも使用できる。本発明のもう１つの利点は、外科医または助手が、較正器を保持するために、あるいは器具を較正器内で保持するようにクランプを操作するために、第２の手を使用することなく器具を器具較正器１６内に位置させることができることである。器具を配置するのに、器具および器具追跡装置を保持する片方の手だけしか必要ない。さらに、器具較正器の傾斜した上表面により、位置構成要素の位置および方向を器具較正器上に捕捉し記憶するために、より大きな照準線がカメラに示されるという利点が得られる。ここに述べたように、器具追跡装置および器具較正器は、簡単な形状および簡単な構成を有しており、それによってより簡単かつ経済的に製造することができる。
【００２０】
添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく前述の例に、形状および詳細において様々な変更、改変、修正、変質および派生を加えることができることが、当業者には理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】器具較正器および医療または手術機器追跡システムを配備できる、手術室の代表例の斜視図である。
【図２】器具追跡装置の一例の斜視図である。
【図３】器具追跡装置の側面図である。
【図４】器具較正器の例示的実施形態の斜視図である。
【図５】器具追跡装置および器具較正器の斜視図である。
【国際公開パンフレット】
2004529679.tif 000003
2004529679.tif 000004
2004529679.tif 000005
2004529679.tif 000006
2004529679.tif 000007
2004529679.tif 000008
2004529679.tif 000009
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2004529679.tif 000011
2004529679.tif 000012
2004529679.tif 000013
2004529679.tif 000014
2004529679.tif 000015
2004529679.tif 000016
2004529679.tif 000017
2004529679.tif 000018
【国際調査報告】
2004529679.tif 000019