(57)【要約】２つまたはそれ以上の蛍光透視画像の重ね合せに使用するための重ね合せ構造体（１０）は、放射線透過体（１１）に据え付けられた、複数の放射線不透過性球体（１２、１４、１６）と、光学反射体（２０、２２、２４、２６）などの複数の追跡可能マーカとを含む。追跡システムは、蛍光透視画像を重ね合せるための追跡可能マーカを使用して、既知のリファレンス枠に関する重ね合せ可能構造体の位置を特定する。
2004519271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光透視画像の重ね合せの際に使用するための重ね合せ構造体であって、
既知の幾何学的関係で配置された複数の放射線不透過性基準物と、
前記構造体上に基準物との既知の幾何学的関係で配列された複数の追跡可能マーカとを備える重ね合せ構造体。
【請求項２】
蛍光透視画像を重ね合せるための方法であって、
第１透視方向から、患者および重ね合せ構造体の第１蛍光透視画像を捕捉するステップであって、前記重ね合せ構造体が、既知の幾何学的関係で配置された複数の放射線不透過性基準物と、基準物との既知の幾何学的関係で配列された複数の追跡可能マーカとを含むステップと、
追跡システムを使用してマーカの位置を決定することによって、既知の座標枠に関する第１蛍光透視画像中の重ね合せ構造体の位置を決定するステップと、
第２透視方向から、患者および重ね合せ構造体の第２蛍光透視画像を捕捉するステップと、
追跡システムを使用してマーカの位置を決定することによって、既知の座標枠に関する第２蛍光透視画像中の重ね合せ構造体の位置を決定するステップと、
各蛍光透視画像中の基準物の位置と、重ね合せ構造体の決定された位置とを使用して、第１および第２蛍光透視画像を重ね合せるステップと、
蛍光透視画像を重ね合わせるステップとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の技術分野）
本発明は、画像誘導外科および介入システムに関する。
【０００２】
（発明の背景）
従来の蛍光透視重ね合せ構造体は、その上の所定の固定位置に放射線不透過性の基準物を保持するＸ線透過体を有する。基準物は、Ｘ線に対して明確な点として現れ、様々な透視方向から得られた患者の多数のＸ線画像を共通座標系に対して、位置調整し、重ね合せる（ｒｅｇｉｓｔｅｒ）ために使用される。画像を重ね合せるために、基準物が各画像で同じ位置にあると仮定されるので、重ね合せ構造体は、画像ごとに固定位置にとどまる。
【０００３】
ある状況では、重ね合せ構造体を再配置することが有利または必要になる。例えば、ある場合には、患者の個々の解剖学的構造または身体構成のために、重ね合せ構造体と関係する解剖学的構造を蛍光透視画像中の蛍光透視領域内に合致させることが困難になる。例えば、肥満患者に、そのような難題が存在することがある。
【０００４】
一解決法は、重ね合せ構造体を使用するのでなく、手術室で蛍光透視鏡の位置を追跡することであった。しかし、蛍光透視鏡を追跡するには、蛍光透視鏡に高価な修正が必要となる。
【０００５】
（発明の概要）
本発明によれば、蛍光透視画像は、再配置してもよい重ね合せ構造体を使用して重ね合される。複数の放射線不透過性基準物が既知の幾何学的関係で据え付けられた重ね合せ構造体は、それと既知の関係にある複数のマーカを含む。マーカの位置と、したがって重ね合せ構造体の位置とは、追跡システムによって追跡される。そのような追跡システムの例には、受動的／能動的な光学／磁気／音響システムが含まれる。既知の座標枠に関する重ね合せ構造体の位置は、追跡システムによって決定される。したがって、画像を重ね合せるために、重ね合せ構造体を固定場所に保持する必要がない。むしろ、画像に合致するように、重ね合せ構造体を必要に応じて移動させることができ、蛍光透視鏡を修正する必要がない。
【０００６】
ここで、本発明とその目的および利点をより十分に理解するために、添付の図面と併せて以下の説明を言及する。
【０００７】
（図面の詳細な説明）
本発明の好ましい実施形態およびその利点は、図面の図１〜５を参照することによって最もよく理解される。図面では、類似の番号は、公知の幾何学的関係にある様々な図面の同様かつ対応する部品に関して使用する。
【０００８】
図１を参照すると、重ね合せ構造体１０は、放射線不透過性の基準物１２〜１６がその上に据え付けられた、放射線透過体１１を含む。また、重ね合せ構造体１０には、追跡システムを使用して場所を特定し、追跡することのできる、複数のマーカ２０〜２６も据え付けられている。例えば、追跡可能マーカ２０〜２６は、能動赤外発光ダイオード（ＩＲＥＤ：ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ）、反射球体、磁気追跡可能目標物、または他の空間追跡可能目標物にすることができる。また、重ね合せ構造体１０は、処置毎の該構造体の位置決めに役立つ、方向指示装置２８を含むこともできる。図に示す実施形態では、方向指示装置２８は、重ね合せ構造体１０のＸ線透過体１１内に形成された矢印形の開口部である。
【０００９】
光学的に追跡可能なマーカは、カメラによって、赤外スペクトルまたは可視スペクトルに投影し、追跡することができる。磁気的に追跡可能なマーカの場所は、磁界の擾乱を測定することによって検出される。カメラおよび検出器は、典型的な蛍光透視画像よりもはるかに広い「視野」を有する。磁気マーカを使用する利点は、カメラ／検出器と各マーカとの間の視線が必要ないことである。このことが、外科用器具、外科手術を支援するロボット・アーム、患者、および外科チームの位置決めに、より大きな自由度を与える。
【００１０】
図２を参照すると、重ね合せ構造体３０の第２の実施形態は、図１の重ね合せ構造体と同様に、所定の幾何学的関係で配置された複数の放射線不透過性基準物３２と、既知の幾何学的関係で配置された複数の追跡可能マーカ３４とを含む。
【００１１】
図３〜５を参照すると、重ね合せ構造体３０は、患者の胴体４０がその上に置かれるテーブル３８にクランプ固定される、ブラケット３６上に据え付けられている。ブラケットによって、該構造体をＣアーム蛍光透視鏡６６の視野内に位置決めすることができる。重ね合せ構造体は、他の適切な任意構造に設置することができる。単なる一例としてであるが、ドリル・ガイド４２は、ドリル４３を挿入して、患者の胴体内の進入開口部に隣接して設置される。ドリル・ガイドは、フレームを含んでおり、そのフレームの上には、赤外反射球体４４の形態の複数の追跡可能マーカが、ドリル・ガイドの軸および端点との既知の幾何学的関係で取り付けられている。ドリル・ガイドの軸および端点の位置は、視野内の重ね合せ構造体３０と共に取得された蛍光透視画像に重ね合される。
【００１２】
図４のみを参照すると、画像誘導外科システムの要素には、光学追跡システムと、関係する外科用器具とが含まれる。光学追跡システムは、よく知られている。他のタイプの追跡システムには、磁気／光ファイバ／音響追跡システムが含まれる。光学追跡システムは、通常、人体に無害の赤外線または他の電磁放射線を発信または反射する、その視野内の追跡可能マーカの位置を感知するカメラ・システム４６を含む。光学カメラ・システムからの信号は、コンピュータ４８で実行されるプログラムを使用して処理される。プログラムは、追跡可能マーカの位置を特定し、マーカが取り付けられている目標物の位置を、既知の座標系またはリファレンス枠に関して決定する。例えば、この位置をコンピュータで使用して、患者の解剖学的構造と正確な空間的関係で患者の蛍光透視画像上に表示される、目標物の位置決めを誘導するための目標物表示を形成することができる。コンピュータには、両者とも入力装置として働くキーボード５０およびトラックボール５２と、画像を表示するためのモニタ５４と、バックアップ電源とが含まれる。外科用器具には、ドリル・ガイド４２に加えて、プローブ５８および６０が含まれる。これらの器具は、追跡可能マーカと共に据え付けられる。また、追跡装置６２には、既知の関係で据え付けられた複数の追跡可能マーカが含まれる。これは、追跡可能マーカが一体化して据え付けられていない他の目標物に、クランプ固定できるものである。
【００１３】
図３〜５に戻って参照すると、患者の解剖学的構造の蛍光透視画像は、視野内に重ね合せ構造体を備えるＣアーム蛍光透視鏡を使用して、少なくとも２つの異なる角度から捕捉される。１９８８年８月２５日発行のＰｅｓｈｋｉｎ他の「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｐｌａｎｎｉｎｇ  ａ  Ｓｔｅｒｅｏｔａｃｔｉｃ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ  Ｕｓｉｎｇ  Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ  Ｆｌｕｏｒｏｓｃｏｐｙ」という名称の米国特許第５，７９９，０５５号で説明されているように、蛍光透視画像は、画像内の基準物の位置を特定することによって重ね合される。なお、この特許を参照によりここに援用する。ただし、この方法を使用するには、基準体を同じ位置にとどまらせる必要がある。
【００１４】
重ね合せ構造体１０を使用すると、もはや、重ね合せ構造体を多数の蛍光透視画像で同じ位置にとどまらせる必要がない。重ね合せ構造体上のマーカの位置は、使用する追跡可能マーカのタイプに応じて、図に示す光学追跡システムや他のタイプの追跡システムなどの追跡システムを用いて画像間で追跡される。この情報は、多数の蛍光透視画像を重ね合せるときに、画像間の重ね合せ構造体の移動を調整または補償するために使用される。したがって、各画像中の重ね合せ構造体の位置がわかる。重ね合せ構造体は、ロボット・アーム端部上の外科用ツールなど、他の目標物に移動させることもでき、その新しい場所が、患者の関係する解剖学的構造に対して追跡・計算される。
【００１５】
本発明について、前述の詳細な説明によって詳しく示し、説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細の様々な変形、変更、修正、変異、および派生形態を実施できることが、当業者には理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
重ね合せ構造体の実施形態の斜視図である。
【図２】
重ね合せ構造体の第２の実施形態の斜視図である。
【図３】
本発明の教示による、患者の関係する解剖学的構造の上に配置された、ドリル・ガイドを備える重ね合せ構造体を示す図である。
【図４】
本発明の教示による重ね合せ構造体と併せて使用できる、いくつかのツールを示す図である。
【図５】
本発明の教示によって構成された手術室を示す図である。
【国際公開パンフレット】
2004519271.tif 000003
2004519271.tif 000004
2004519271.tif 000005
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年12月30日(2002.12.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光透視画像の重ね合せの際に使用するための重ね合せ構造体であって、
既知の幾何学的関係で配置された複数の放射線不透過性基準物と、
前記重ね合せ構造体上に前記複数の放射線不透過性基準物との既知の幾何学的関係で配列された複数の追跡可能マーカとを備える重ね合せ構造体。
【請求項２】
前記複数の放射線不透過性基準物がその上に配置された放射線透過体をさらに備える、請求項１に記載の重ね合せ構造体。
【請求項３】
前記複数の追跡可能マーカが、それぞれ、能動赤外発光ダイオード、反射球体、光学追跡可能マーカ、および磁気追跡可能目標物から成る群から選択される、請求項１に記載の重ね合せ構造体。
【請求項４】
前記重ね合せ構造体の位置決めに役立つ方向指示装置をさらに備える、請求項１に記載の重ね合せ構造体。
【請求項５】
蛍光透視画像を重ね合せるための方法であって、
第１透視方向から、患者および重ね合せ構造体の第１蛍光透視画像を捕捉するステップであって、前記重ね合せ構造体が、既知の幾何学的関係で配置された複数の放射線不透過性基準物と、前記複数の放射線不透過性基準物との既知の幾何学的関係で配列された複数の追跡可能マーカとを含むステップと、
追跡システムを使用して追跡可能マーカの位置を決定することによって、既知の座標枠に関する第１蛍光透視画像中の重ね合せ構造体の位置を決定するステップと、
第２透視方向から、患者および重ね合せ構造体の第２蛍光透視画像を捕捉するステップと、
追跡システムを使用してマーカの位置を決定することによって、既知の座標枠に関する第２蛍光透視画像中の重ね合せ構造体の位置を決定するステップと、
各蛍光透視画像中の基準物の位置と、重ね合せ構造体の決定された位置とを使用して、第１および第２蛍光透視画像を重ね合わせるステップとを含む方法。
【請求項６】
前記第２蛍光透視画像を捕捉する前に、前記重ね合せ構造体を第１位置から第２位置に移動するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記重ね合せステップの際に、前記重ね合せ構造体の移動を調整するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
蛍光透視画像を重ね合わせるためのシステムであって、
既知の幾何学的関係で配置された複数の放射線不透過性基準物と、
前記複数の放射線不透過性基準物との既知の幾何学的関係でその上に配列された複数の追跡可能マーカとを備える
重ね合せ構造体と、
患者および前記重ね合せ構造体の前記蛍光透視画像を捕捉する蛍光透視鏡と、
追跡可能マーカの位置を決定することによって、既知の座標枠に関する前記蛍光透視画像中の重ね合せ構造体の位置を決定する追跡システムと、
蛍光透視画像中の放射線不透過性基準物の位置と重ね合せ構造体の位置とを使用して蛍光透視画像を重ね合せるコンピュータ・システムとを備えるシステム。
【請求項９】
前記追跡システムが、光学追跡システム、磁気追跡システム、音響追跡システム、および光ファイバ追跡システムから成る群から選択される追跡システムを備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記追跡システムが、その視野内にある追跡可能マーカの位置を感知するカメラ・システムを備える、請求項８に記載のシステム。
【国際調査報告】
2004519271.tif 000025