(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の導入点から患者内のターゲット点へ至る軌道に沿って物体を導入するための最小侵襲性の外科手術手順(200)をプランニングする装置において、
患者の領域の像体積データセット(110)を発生するように患者を走査する像形成装置(18)を備え、上記像体積データセットは、患者のつま先―頭の軸に実質的に整列された軸方向軸に沿って離間された患者の複数の二次元像体積切片(112)で形成され、
上記像形成装置(18)に対して固定関係で一端が取り付けられた定位機械アーム組立体(30)を更に備え、上記定位機械アーム組立体(30)は、直線軌道(106,106')を画成する外科手術プランニング装置(102)をアームの他端に有し、
上記外科手術プランニング装置(102)は、像形成装置における患者の付近に配置され、
ディスプレイ装置を更に備え、上記ディスプレイ装置は：
（１）患者の第１の横軸方向観察像(206,242)を上記ディスプレイ装置の第１部分(142,242)に表示し、患者の第１の横軸方向観察像は、直線軌道が患者身体に交差して患者の導入点(130,130')を定めるところの患者の上記複数の二次元像切片(112)からの第１の二次元像切片(122)の表示であり、
（２）患者の第２の横軸方向観察像(208,244)を上記ディスプレイ装置の第２部分(144,244)に表示し、患者の第２の横軸方向観察像は、直線軌道が患者内の第１ターゲット点(132,132')において患者身体に交差するところの患者の上記複数の二次元像切片からの第２の二次元像切片(126)の表示であり、
（３）患者の第１の傾斜軸／冠状方向観察像(210)を上記ディスプレイ装置の第３部分(146)に表示し、患者の第１の傾斜軸／冠状方向観察像は、上記患者の導入点から患者内の上記ターゲット点へ至る上記軌道(106)と同一平面の上記像体積データセット(110)内の第１平面の表示であり、そして
（４）患者の第１の傾斜冠状／矢状方向観察像(212)を上記ディスプレイ装置の第４部分(148)に表示し、この患者の第１の傾斜冠状／矢状方向観察像は、上記患者導入点と患者内の第１ターゲット点との間の軌道(106)と同一平面であって且つ実質的に矢状方向にある上記像体積データセット(110)を通る第２平面の表示である、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
上記外科手術プランニング装置(102)は、患者付近の第１の位置から患者付近の第２の位置へ移動可能であり、
更に、上記第１及び第２の横軸方向観察像(206,208,242,244)の少なくとも１つを同時に更新する映像プロセッサ(92)を備え、それによって、ｉ）上記第２位置における外科手術プランニング装置による直線軌道が患者身体に交差して患者の第２導入点を定めるところの患者の上記複数の二次元像切片(112)からの第１の二次元像切片(122)に、第１の横軸方向観察像(206,242)が対応するようにし、そしてｉｉ）上記第２位置における外科手術プランニング装置による直線軌道が患者内の第２のターゲット点で患者身体に交差するところの患者の上記複数の二次元像切片からの第２の二次元像切片に、第２の横軸方向観察像(208,244)が対応するようにする、ことを特徴とする請求項１に記載の最小侵襲性の外科手術手順をプランニングする装置。
【請求項３】
上記映像プロセッサは、上記第１の横軸方向観察像(206,242)及び第２の横軸方向観察像(208,244)の両方を同時に更新することを特徴とする請求項２に記載の最小侵襲性の外科手術手順をプランニングする装置。
【請求項４】
更に仮想針深さ制御部材(28)を備え、該仮想針深さ制御部材(28)によって、上記映像プロセッサがディスプレイ装置の上記第２部分(148,248)において患者の上記第２の横軸方向観察像(208,244)を変更し、直線軌道が患者内の第２のターゲット点で患者身体に交差するところの患者の上記複数の二次元像切片からの第３の二次元像切片に対応するようにする、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の最小侵襲性の外科手術手順をプランニングする装置。
【請求項５】
上記仮想針の深さ制御部材は、患者の導入点(254)と患者内のターゲット点(256)との間の距離を減少するために第１の方向に仮想針の深さ制御部材(28)を手動操作し。そして患者の導入点(254)と患者内のターゲット点(256)との間の距離を増加するために第２の方向に仮想針の深さ制御部材を手動操作する手動操作インターフェイスを備える、ことを特徴とする請求項４に記載の最小侵襲性の外科手術手順をプランニングする装置。
【請求項６】
上記外科手術プランニング装置(102)を患者付近の第１の位置から患者付近の第２の位置へ移動することによって、上記映像プロセッサが、ディスプレイ装置の上記第１部分における患者の上記第１の横軸方向観察像のみを更新して、ｉ）外科手術プランニング装置が上記第２位置のある状態で直線軌道が患者身体に交差して第２の患者導入点を画成するところの患者の上記複数の二次元像切片からの第１の二次元像切片に第１の横軸方向観察像(242)が対応するようにし、そしてｉｉ）第２の横軸方向観察像(244)が患者の上記複数の二次元像切片からの上記第１の二次元像切片に対応して固定されたままにする、ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の最小侵襲性の外科手術手順をプランニングする装置。
【請求項７】
上記外科手術プランニング装置(102)を患者付近の第１の位置から患者付近の第２の位置へ移動することによって、上記映像プロセッサが、患者の上記第１及び第２の横軸方向観察像(206,208)、患者の上記第１の傾斜冠状方向観察像(210)、及び患者の上記第１の傾斜矢状方向観察像(212)の各々を同時に更新する、ことを特徴とする請求項１に記載の最小侵襲性の外科手術手順をプランニングする装置。
【請求項８】
上記定位機械アーム組立体(30)を使用して、像形成装置上の患者の付近に外科手術プランニング装置(204)を配置することによって、上記映像プロセッサが、患者の第３の横軸方向観察像をディスプレイ装置の第１部分に表示し、患者の第３の横軸方向観察像は、患者の上記複数の二次元像切片からの第３の二次元像切片の表示であり、そして患者の第４の横軸方向観察像をディスプレイ装置の第２部分に表示し、患者の第４の横軸方向観察像は、患者の上記複数の二次元像切片からの第４の二次元像切片の表示である請求項１ないし７のいずれかに記載の最小侵襲性の外科手術手順をプランニングする装置。
【請求項９】
患者の導入点から患者内のターゲット点へ至る軌道に沿って物体を導入するための最小侵襲性外科手術手順(200)をプランニングする装置において、
患者の領域の像体積データセット(110)を発生するように患者を走査(202)するための像形成装置(18)を備え、上記像体積データセットは、患者のつま先―頭の軸に実質的に整列された軸方向軸に沿って離間された患者の複数の二次元像体積切片(112)で形成され、
上記像形成装置(18)に対して固定関係で一端が取り付けられた定位機械アーム組立体(30)を更に備え、この組立体は、直線軌道(106,106')を画成する外科手術プランニング装置(102)をアームの他端に有し、上記外科手術プランニング装置(102)は、像形成装置上の患者の付近に配置することができ、
直線軌道が患者身体に交差して患者の導入点(130,130')を定めるところの患者の上記複数の二次元像切片(112)からの第１の二次元像切片(122)を表示する第１ディスプレイを備え、
直線軌道が患者内の第１のターゲット点(132,132')において患者身体に交差するところの患者の上記複数の二次元像切片からの第２の二次元像切片(126)表示する第２のディスプレイ(144)を備え、
患者の近位の下方の横―冠状方向の観察像を表示する第３のディスプレイ(146)を備え、
患者の近位の下方の矢状―冠状方向の観察像を表示する第４のディスプレイ(148)を備え、
上記第３のディスプレイ(146)と上記第４のディスプレイ(148)は、直線軌道(106)に沿った多面再フォーマット像であることを特徴とする装置。
【請求項１０】
上記第２ディスプレイを変更し、直線軌道が患者内の第２のターゲット点で患者身体に交差するところの患者の上記複数の二次元像切片からの第３の二次元像切片に対応するように手動で操作される仮想針深さ制御部材(28)を更に備えた請求項９に記載の最小侵襲性の外科手術手順をプランニングする装置。
【請求項１１】
患者の導入点から患者内のターゲット点へ至る外科手術プランニング軌道に沿って物体を導入するのに使用する外科手術手順をプランニングする装置において、
患者の領域の像体積データセットを発生するように患者を走査する像形成装置を備え、
上記像形成装置に対して第１の位置に配置された外科手術プランニング装置を更に備え、上記外科手術プランニング装置は、該外科手術プランニング装置から患者を通過して延びる直線プランニング軌道を画成し、
上記直線プランニング軌道と同一平面における患者の第１の傾斜断面像を表示する手段を更に備え、上記患者の第１の傾斜断面像は、上記患者に対する上記外科手術プランニング装置の第１位置に基づいて上記像体積データセットから導出され、
上記直線プランニング軌道と同一平面における患者の第２の傾斜断面像を表示する手段を更に備え、上記患者の第２の傾斜断面像は、上記患者に対する上記外科手術プランニング装置の第１位置に基づいて上記像体積データセットから導出される、
ことを特徴とする装置。
【請求項１２】
上記患者の第１の傾斜断面像を上記直線プランニング軌道と同一平面における患者の第１の傾斜軸／冠状方向観察像として表示する手段を更に備え、
上記患者の第２の傾斜断面像を上記直線プランニング軌道と同一平面における患者の第１の傾斜冠状／矢状方向観察像として表示する手段を更に備える、
ことを特徴とする請求項１１に記載の外科手術手順をプランニングする装置。
【請求項１３】
上記外科手術プランニング装置を患者に対して第１の位置から第２の位置へ移動する間、上記患者の第１の傾斜断面像及び第２の傾斜断面像が、上記外科手術プランニング装置によって画成された直線プランニング軌道と同一平面に維持されるように上記患者の第１の傾斜断面像及び第２の傾斜断面像を同時に更新する手段を更に備えることを特徴とする請求項１２に記載の外科手術手順をプランニングする装置。
【請求項１４】
患者の第１の横軸方向観察像を表示する手段を更に備え、患者の第１の横軸方向観察像は、直線プランニング軌道が上記導入点において患者と交差するところの患者の二次元像であり、
患者の第２の横軸方向観察像を表示する手段を更に備え、患者の第２の横軸方向観察像は、直線プランニング軌道が上記ターゲット点において患者と交差するところの患者の二次元像である、
ことを特徴とする請求項１２に記載の外科手術手順をプランニングする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対話型の像誘導式外科手術に係る。本発明は、生検プローブ等の手術器具を方向付けするための誘導装置を用いてＣＴ像形成システムにおいて実行される最小侵襲性定位外科手術のプランニング段階に関連して特に適用することができ、これについて特に説明する。しかしながら、本発明は、例えば、超音波及び磁気共鳴像形成装置や、これら装置を用いて遂行される外科手術を含む広範囲な像形成装置及び最小侵襲性定位外科手術手順にも適用できることが明らかである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、カテーテルや排液管や生検プローブ等を患者身体内に配置するといったある介在的外科手術手順を遂行するために、機械アーム型機構を人間の解剖学的部位の像形成装置と組合わせた多数のシステムが提案されている。米国特許第５，１４２，９３０号は、患者の解剖学的部位の１つ以上の像を発生しそしてそれらの像をスクリーンに表示する像形成システムに関連された機械アーム装置を教示している。機械アームが物理的空間を通して移動されるときに機械アームに接続された手術器具の位置を追跡するためにコンピュータが使用される。コンピュータは、ディスプレイ装置が患者の像空間内における手術器具の位置を示すようにするために物理的空間から像空間への変換回転を実行する。機械アームにおける器具の先端を患者身体上又は身体内に配置された基準移植物の位置に対して追跡するために機械アームに位置フィードバック装置が配置される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記システムの１つの欠点は、患者身体内のターゲットについての複数の個々の観察像が介在手順遂行者に与えられないことである。
米国特許第５，６２２，１７０号は、患者身体内における手術プローブの侵襲的部分の位置及び方向を決定する外科手術装置を開示している。このシステムに関連したコンピュータは、所定の座標系に対する器具の位置を所定の座標系に対して定められた患者身体のモデルの位置と相関させることにより外科手術器具の侵襲的部分の位置及び方向を決定する。しかしながら、この装置の使用中、介在手順遂行者には、患者身体像内における器具先端の位置についての単一切片観察像しか与えられない。
【０００４】
機能的な定位又は形態学的手順のいずれかに使用するために像における所望の座標を決定することのできる装置が米国特許第５，３９８，６８４号及び第５，０９９，８４６号に教示されている。所望の座標は、例えば、導入点、ターゲット又は配置点、及びプローブの軌道等を含む。これらの特許によれば、外科医は、１組の同等の方法のいずれか１つを使用して最適なプローブ移植軌道を決定することができる。第１の方法においては、プローブの導入点が、像においてそれを「追跡」することにより指定される。別のスキャナ像切片におけるターゲット点が選択され、そして２つの点の座標を用いて、プローブの空間的軌道が決定される。第２の方法においては、定位フレームの設計に基づいてプローブの角度を入力することによりプローブの軌道が定められる。１つの像切片におけるターゲット点が選択される。次いで、その点によりプローブが空間的に遮られる角度がコンピュータに入力される。これはプローブの空間的軌道を定める。図４、６及び８は、模擬されたプローブ軌道及び患者の脳における腫瘍に関する位置を示す矢状方向及び横軸方向の図である。これらの図は、例えば、最適な針挿入路を手動でサーチするために外科手術プランニング装置を使用する介在手順遂行者により患者身体上にこのプランニング装置を移動するのと同時に更新されないので、その利用性が限定される。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、像誘導式の介在的手順をプランニングするための方法及び装置を提供することである。
本発明によれば、最小侵襲性の外科手術手順をプランニングする方法が提供される。像形成装置を使用して、患者が走査され、患者の領域の像体積データセットが発生される。この像体積データセットは、患者のつま先―頭軸に実質的に整列された軸方向軸に沿って離間された患者の複数の二次元像切片で形成される。像形成装置と固定関係で一端が取り付けられた定位機械アーム組立体を使用して、そのアームの他端における直線軌道を定める外科手術プランニング装置が、像形成装置にのせられた患者に隣接して配置される。患者の第１の横軸方向の観察像がディスプレイ装置の第１部分に表示される。この第１の横軸方向の観察像は、仮想針の直線軌道が患者身体に交差して患者の仮想導入点を定めるところの患者の複数の二次元像切片からの第１の二次元像切片の表示である。患者の第２の横軸方向の観察像は、ディスプレイ装置の第２部分に表示される。第２の横軸方向の観察像は、仮想針の直線軌道が患者内の第１の仮想ターゲット点において患者身体に交差するところの患者の複数の二次元像切片からの像切片である。
【０００６】
本発明は、患者内のターゲットの観察像、患者の皮膚における真又は「仮想」の針の導入点、及びそれらの間の仮想又は生検針の軌道を同時に表示できるようにする。外科手術プランニング装置と同軸的であってスキャナルームのモニタに表示される仮想針をもつフレームなしの定位ＣＴスキャナを設けることにより、像誘導式介在手順のプランニング段階が著しく改善される。患者の像データ体積セットを通して延びる多数の平面を介して表示される仮想針は、介在手順遂行者が導入点とターゲットとの間の経路を良く理解して、動脈等や骨のような障害物への損傷を回避できるようにする。
又、本発明は、仮想針の経路についての多数の観察像が患者の皮膚上の導入点から患者身体内のターゲット像への軌道を定めるという効果を伴い、像誘導式の最小侵襲性定位外科手術プランニング手順を遂行できるようにする。更に、位置決め空間にある外科手術プランニング装置と、像空間にある患者像データセットとの間の自動変換を行うことができ、外科手術プランニング装置の位置を仮想針として患者の像内に表示することができる。介在手順遂行者が外科手術器具ガイド装置を位置設定する上で最良の助けとなるように、仮想針は、スキャナルームに配置されたディスプレイモニタ等の多数のスクリーン部分に表示することができる。ノブ又は他の機構、例えば、手動スライダーが設けられ、介在手順遂行者はこれを使用して多数の表示において仮想針を「延ばし」たり「引っ込め」たりし、種々の接近角度及び方向を素早く且つ容易に作図して、介在手順をプランニングすることができる。
【０００７】
像誘導式の介在手順をプランニングするために１組の仮想針表示を伴う像形成装置が設けられる。仮想針の「長さ」は、ノブ又はスライド機構を使用して介在手順遂行者により定位機械アームの端にある外科手術プランニング装置の到達範囲内で手動調整できるのが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１を参照すれば、患者テーブル即ち支持体１０は、ベース部分１４に対して長手方向に移動するように取り付けられた患者支持面１２を備えている。ベース部分１４は、患者支持面１２を上下すると共に患者支持面を長手方向に移動するためのモータを備えている。患者支持体の高さ及び長手方向位置を表わす電気信号を発生するための位置エンコーダも設けられている。患者支持体は、既知の固定位置に配置された校正及び照合領域１６を備えている。この校正及び照合領域は、本発明によるシステムを校正するための校正ファントムを以下に述べるように受け入れる。
【０００９】
プランニング装置、好ましくは、体積診断像形成装置１８は、患者支持面１２上の患者又は対象物を体積像形成装置に向かってそのボア２０を通して移動できるように患者テーブルと軸方向に整列して配置される。ここに示す実施形態では、体積像形成装置は、所定の平面内を繰り返し円形に移動するように取り付けられたＸ線管を含むＣＴスキャナである。Ｘ線管は、放射線半透過材料のリング２２、患者支持体１２、及び対象物の当該領域を通して、Ｘ線管に対向して配置されたリング又は弧状配列の放射線検出器へと扇状の放射線ビームを投影する。Ｘ線管が平面内で回転するときに、一連のデータ線が発生され、これらのデータ線は、制御コンソール２４に含まれた再構成プロセッサにより少なくとも切片像へと再構成される。制御コンソールは、通常、スキャナルームの付近のシールドルーム内に遠隔配置される。特に好ましい実施形態については、患者支持体１２は、Ｘ線管が対象物の周りで回転するときに長手方向に移動し、患者の選択された体積が螺旋経路又は一連の切片に沿って走査される。Ｘ線管の位置は、回転位置エンコーダによって監視され、そして患者支持体の長手方向位置は、テーブル１０内の長手方向位置エンコーダによって監視される。再構成プロセッサは、発生されたデータ線から体積像表示を再構成する。制御コンソール２４は、一般に、１つ以上のモニタ２６と、種々の標準的なオペレータ入力装置、例えば、キーボード、トラックボール、マウス等を備えている。介在手順遂行者の制御及び表示コンソール２７は、ＣＴスキャナ上のトラックに頭上から支持される。
【００１０】
機械的なフレームなしの定位アーム組立体３０は、一般的に示されたように、体積診断像形成装置１８の上に固定された楕円トラックシステム３４を移動可能なキャリジ３２によって頭上から支持される。このキャリジは、好ましくは、楕円トラック上の１つ以上の所定の固定位置にロック可能であり、従って、本発明により形成された交換可能な外科手術器具誘導装置１００に支持される最小侵襲性の外科手術器具３６は、外科手術手順の準備及び実施の際に介在手順遂行者により監視される位置及び方向に配置することができる。図示された外科手術器具は、直線軌道１０６に沿った誘導路を画成する「Ｖ」字溝１０４で構成された手動の外科手術プランニング装置１０２を含む。しかしながら、全体的には、テーブル上の患者に対する外科手術プランニング装置の位置及び方向は、機械アーム組立体３０の位置及び楕円トラックシステム３４上のキャリジ３２の位置によって決定される。
【００１１】
フレームなしの定位アーム組立体３０は、図２に一般的に示されており、複数のアームセグメントを含む。これらのアームセグメントは、それらの間に継手を形成するピボット部材によって相互接続される。このように、アームの自由端４０は、必要に応じて多数の方向に選択的に移動可能であり、外科手術器具３６を患者支持体１２上の種々の所望の位置へ配置する。ベース部材４２は、エポキシ等の適当な固定材を用いてキャリジ３２にしっかりと接続される。ベース継手４４は、Ａで示された方向に主支持部材４６を回転できるようにする。同様に、アームの非可動ベース端から、肩部継手４８は、Ｂで示された方向に上部アーム部材５０を回転できるようにし、エルボ継手５２は、Ｃで示された方向に下部アーム部材５４を回転できるようにし、前アーム継手５６は、Ｄで示された方向にナックル部材５８を回転できるようにし、そして最後に、リスト継手６０は、Ｅで示された方向にリスト部材６２を回転できるようにする。
【００１２】
少なくとも１つの位置分析装置、好ましくは光学的な増分エンコーダが、機械的アーム組立体３０の各継手に設けられ、以下で明らかになる理由で、アームの互いの増分的関節運動及び回転運動を監視する。光学的増分エンコーダは、種々のアーム部材の互いの相対的角度及び回転位置を表わすフィードバックパルスを良く知られたように発生する。これらのフィードバックパルスは、アーム組立体の多数の部材を通して延びる適当なワイヤ又は柔軟性シールドケーブルを用いて像形成装置の制御回路に返送される。このように、リスト部材６２の位置及び方向は、像形成装置の基準フレーム、及び像形成装置により得られる体積像表示に対するものである。
アーム組立体に支持された外科手術器具の位置及び方向は、像形成装置の基準フレーム及び像形成装置により得られる体積像表示にに対するものであって、独特の識別信号を有する交換可能な外科手術器具誘導装置１００を設けることによって分析される。識別信号は、像形成装置の制御回路により、リスト部材６２に接続された１つ以上の誘導装置に対応する種々の物理的寸法及び他の機能的パラメータを検索するためのルックアップテーブルをインデックスするのに使用される。このように、物理的寸法及び他の機能的パラメータは、分析装置及びエンコーダにより測定される機械的な相互接続と共に、ＣＴスキャナ、ひいては、ＣＴスキャナにより収集される像に対する誘導装置１００の位置および方向の正確な指示を与える。
【００１３】
図３を参照すれば、器具座標回路７２は、器具空間、特に器具の座標系における外科手術器具３６の位置及び軌道を決定する。この器具座標回路は、誘導装置識別回路７４と、機械アーム組立体位置回路７６とを備えている。誘導装置識別回路７４は、機械アームに接続された１つ以上の誘導装置から装置識別信号を受け取り、そして寸法及び機能情報を検索するためにルックアップテーブル７８をインデックスする。機械アーム組立体位置回路７６は、機械アーム組立体３０の増分的分析装置に接続され、器具空間における機械アームの位置及び方向の変化を表わす信号を受け取る。器具／プランニングスキャナ相関プロセッサ８０は、外科手術器具３６と体積スキャナ１８との座標系間の相関又は変換を決定する。相関又は変換は、通常、器具座標からスキャナ座標への厳密なアフィン変換に関して記述され、これは、本発明と同時に出願された「像誘導式介在的手順のためのフレームなしの定位断層撮影スキャナ(FRAMELESS STEREOTACTIC TOMOGRAPHIC SCANNER FOR IMAGE GUIDED INTERVENTIONAL PROCEDURES) 」と題する本出願人の特許出願に開示された校正手順をベースとする３軸並進移動及び回転を伴う。
【００１４】
外科手術プランニング装置及び体積スキャナは、機械的にリンクされる。それ故、体積スキャナ及び器具の座標系間の変換又は関係は、いったん校正するだけでよく、その後は、校正部品間の機械的な相互接続から予め決定される。校正マーカー等にタッチするのは１回行うだけでよく、その後は、器具及びＣＴスキャナの座標が介在的手順の間に不整列にならないことを確認するだけにのみ使用される。
上記と同様の数学関係又は既知の機械的関係を使用して、器具―患者テーブル相関プロセッサ８２は、患者テーブルと外科手術器具との間の相関又は変換を決定する。校正タッチポイントの像は、患者テーブル空間とプランニング又はリアルタイム像との座標系間の変換を導出するのに使用される。
【００１５】
患者テーブルに配置されたテーブル分析装置８４は、テーブルが上下されるとき及び患者支持体１２が軸方向に移動されるときに外科手術器具と患者テーブルとの間の相関関係に垂直方向及び長手方向のオフセットを作用させる。器具―患者相関プロセッサ８６は、外科手術器具系と患者座標系との間の相関を決定する。これは、患者の３つ以上の既知の基準ポイントに外科手術器具を配置することにより介在手順遂行者に再保証を与えるために行われる。このようなポイントは、鼻の先端、骨の独特の点、又は体積像形成プロセス中に整列される基準マーカー等の容易に識別できる解剖学的構造体を含む。
上記に加えて、スキャナ（例えば、患者支持体）上の基準ポイントを用いて、スキャナの座標系内におけるポイント軌道位置決め装置の精度を照合することができる。本発明においては、患者は、患者支持体（寝台）に関連して移動することができる一方、表示サブシステムに対する寝台の位置を分析して報告することにより、位置決め装置と、ディスプレイと、患者体積データセットとの間の整列を維持することができる。寝台の分析される移動は、ガントリに近付いたり離れたりすること（ｚ軸）と、患者支持体の高さ（ｙ軸）である。患者支持体の位置はデジタル化され、そしてディスプレイシステムへフィードバックされて、整列を維持するように調整が行われる。
【００１６】
器具―体積像座標系変換プロセッサ８８は、外科手術器具―プランニング像プロセッサ８０から相関又は変換を受け取る。器具―体積像プロセッサは、像空間における位置及び方向座標入力に基づいて動作し、それらを体積像データ空間へと変換し、そしてその逆のことも行う。体積又はプランニングデータ空間における外科手術器具の位置が分かると、器具の位置及び方向を体積プランニング像データに重畳させることができる。
本発明によれば、医療手順のプランニング段階中に、患者は、体積プランニングスキャナに配置され、そして体積像が発生される。体積像は、体積又はプランニングデータメモリ９０に記憶される。プランニングデータの発生中、特に螺旋又は切片データを発生するために患者テーブルが移動するときの患者テーブルの位置は、体積プランニングデータに関連して記憶され、データが患者テーブル座標系と相関される。制御コンソール２４のオペレータ制御器は、選択された切片、投影像、表面レンダリング、又は他の従来のデータ表示が発生されて、プランニング像ディスプレイ９４に表示されるように、体積プランニング像データメモリ及び映像プロセッサ９２を制御する。好ましくは、プランニング像表示は、患者を通る一対の横軸方向切片と、仮想針線に沿った共通の交差点を通る一対の傾斜軸方向及び矢状方向切片とを含む。
【００１７】
外科手術手順の前のプランニング段階中に、外科手術プランニング器具の移動が介在手順遂行者の制御コンソール２７においてプランニング像内に表示される。仮想手術針器具の座標及び軌道は、器具―プランニング像変換プロセッサ８８により搬送されて、プランニング像座標系へと変換される。プランニング像座標系における仮想針器具の位置及び軌道は、映像プロセッサ９２へ通信され、該プロセッサは、仮想針の位置及び軌道をＣＴデータ表示上に重畳させる。機械アーム組立体は、カーソル位置信号に変換される情報と、プランニング像座標系９４に変換される仮想針表示とを発生し、これは、映像プロセッサ９２へ通信されて、可動のカーソル点及び仮想針表示がプランニング像ディスプレイ９４に発生される。好ましくは、体積像ディスプレイ９４に同時に表示される横方向、傾斜冠状方向及び傾斜矢状方向観察像の交点において選択された当該ポイントに多数のカーソル位置が表示される。オペレータが体積像データ空間を通して手動制御仮想針深さノブ２８を移動するとき、又は機械アーム組立体３０の外科手術プランニング器具３６が患者のターゲット領域上を移動されるとき、或いはその両方のときに、介在手順遂行者の制御コンソール２７における矢状方向、冠状方向及び横方向観察像の選択された適当なものがそれに対応して自動的に変化する。
【００１８】
図４を参照すれば、代表的な患者体積像１１０は、複数の像体積切片１１２で形成されるものとして概略的に示されている。上述したように、切片１１２の各々は、像形成装置の円形路を経て回転可能なＸ線源を移動しそして像形成装置のボア内に配置されたＸ線半透過材料からデータを収集することにより得られる。Ｘ線源の回転ごとに、単一の像体積切片１１２が発生される。図４は、本発明の例示を容易にするために９個の像体積切片しか示していないが、当業者であれば、患者体積像１１０は、例えば、８５個の切片といった多数の象体積切片１１２で形成されてもよいことが明らかであろう。
外科手術プランニング装置１０２は、本発明により形成される仮想針１２０の説明を助けるために、患者体積像１１０に重畳されて示されている。この点について、外科手術プランニング装置１０２は、「Ｖ」字溝１０４を含み、この「Ｖ」字溝と同軸的に直線軌道１０６が定められる。図示されたように、直線軌道１０６は、前方の像切片１２２、１組の介在像切片１２４及び後方の像切片１２６を含む複数の像切片を経て延びる。若干人為的であるが、図４に示す例は、説明の目的上、軌道と患者の皮膚との交点が前方の像切片１２２にありそして軌道と患者内のターゲット点との交点が後方の像切片１２６にあると仮定している。この説明上の仮定に基づき、直線軌道１０６は、導入点１３０において前方の像切片１２２を遮り、そしてターゲット点１３２において後方の像切片１２６を遮る。図示されたように、直線軌道は、対応する１組の介在遮断点１３４において介在像切片１２４の各々を遮る。
【００１９】
外科手術プランニング装置１０２が第１の位置１１４から第２の位置１１６へ移動されたときには、「Ｖ」字溝により画成された直線軌道がそれに応じて第２の直線軌道１０６' へと変化する。軌道と患者の皮膚との交点が前方の像切片１２２にありそして軌道と患者内のターゲット点との交点が後方の像切片１２６にあるとここでも仮定すると、第２の直線軌道１０６' は、各々、前方像切片１２２、介在像切片１２４及び後方像切片１２６において新たな導入、ターゲット及び遮断点１３０' 、１３２' 及び１３４' を画成する。本発明によれば、スキャナテーブル上の患者身体に隣接する外科手術プランニング装置１０２の移動は、多数の断面観察像の形態で介在手順遂行者又は制御及びディスプレイモニタ２７に報告される。
【００２０】
図５は、本発明による好ましいディスプレイ１４０を示す。この図を参照すれば、ディスプレイ１４０は、左上の横軸方向のビューポート１４２と、右上の第２の横軸方向のビューポート１４４と、近位の下方の横―冠状方向のビューポート１４６と、最後に近位の下方の矢状―冠状方向のビューポート１４８とを含む４つの象限即ちビューポートに分割される。好ましくは、下方の２つのビューポート１４６、１４８は、仮想針１２０及び直線軌道１０６、１０６' に沿ったその経路と同一平面である多面再フォーマット（ＭＰＲ）像である。直線針１２０は、各像１４６、１４８において、針ガイド１５２を表わす太い線から延びる矢印１５０として示されている。多面の再フォーマット像を保持する下方の２つのビューポートは、通常、多数の像体積切片１１２からの情報で形成されるので、仮想針は、多数の像体積切片を通過する。左上の横軸方向のビューポート１４２は、針ガイドの先端が空間に配置されるか又は軌道と患者の皮膚の交点に配置されるような像体積切片１１２の１つから導出される。この位置が患者の体積像１１０にない場合には、「範囲外」メッセージが表示される。ここに示す実施形態では、左上の横軸方向のビューポート１４２は、前方の像切片１２２内に含まれたデータを表わす。左上のビューポートでは、仮想針の導入点１３０に対応する点に導入点指示子１５４が配置される。
【００２１】
同様に、右上の横軸方向ビューポートは、直線軌道１０６、１０６' が患者像体積１１０から出るところの像体積切片の１つに対応する。ここに示す好ましい実施形態では、右上の横軸方向ビューポート１４４は、横方向像切片の第１切片より成るデータから形成される。ターゲット点の指示子１５６は、患者像体積１１０内の横方向像切片の第２切片におけるターゲット遮断点に対応する点において右上の横軸方向ビューポートに配置される。像空間におけるターゲット遮断点１３２は、介在手順遂行者が定位アーム組立体の手動制御ノブ２８を操作することにより調整できる。
外科手術プランニング装置が患者身体上を移動されるときには、４つのビューポート全部が同時に更新される。このように、介在手順遂行者は、動脈や肺のような軟組織への損傷及び骨への損傷を回避しながら、プローブ又はカテーテルを挿入するための最良の経路を適切に選択することができる。
【００２２】
左下のビューポート１４６に表示される近位の横方向視野を決定する方程式は、次の通りである。即ち、平らなＭＰＲ区分は、針ガイドの先端である平面Ｐ上の点と、平面Ｎの法線ベクトルとによって定められる。
針ガイドの軌道をＴで表わす。法線ベクトルＮpt（近位横方向）は、次のように決定される。
Ｎpt＝ＴＸＡxy
但し、Ａxyは、Ｘ軸とＹ軸との間で変化するベクトルである。ＴとＡxyとのクロス積は、Ｎが、Ｔに交差する平面に直角であることを保証する。ベクトルＡxyは、Ｔの関数である。
Ａxy＝−｛Ｔ・Ｘaxis｝Ｙaxis＋（１−｜｛Ｔ・Ｘaxis｝｜）Ｘaxis
＝Ｔx ［０，１，０］＋（１−｜Ｔx ｜）［１，０，０］
＝［０，Ｔx ，０］＋［１，０，０］−［｜Ｔx ｜，０，０］
＝［１−｜Ｔx ｜，Ｔx ，０］
この式は、次のようになることに注意されたい。
ケース１、横方向：Ｔ［１，０，０］、次いでＡxy＝［０，１，０］、従って、Ｎpt＝［０，０，−１］
ケース２、横方向：Ｔ［０，１，０］、次いでＡxy＝［１，０，０］、従って、Ｎpt＝［０，０，−１］
ケース３、冠状方向：Ｔ［０，０，１］、次いでＡxy＝［１，０，０］、従って、Ｎpt＝［０，１，０］
ケース４、横方向：Ｔ［１，０，０］、次いでＡxy＝［０，０，１］、従って、Ｎpt＝［０，０，−１］
ケース１ないし４は、平面が「近位横方向」に留まり、そしてＴがＺ軸に向かって移動するときに冠状方向に移動する。これは、ゼロの大きさ（例えば、Ｔが軸の１つと同一直線上にあるとき）とのクロス積をチェックする条件を使用せずに達成される。これは、ユーザが患者の皮膚に沿って例えばＡ―Ｐ軸から上下軸に対して横軸へ端末効果器を移動するときに平面間に連続的な移行を許し、即ち平面区分は、患者の軸間の移行境界でフリップしない。これは、介在手順遂行者がスクリーンの左下部分において近位横方向／冠状方向観察像を見ることができると同時に、スクリーンの右下隅において近位矢状／冠状観察像を見ることができるという点で特に有用である。本発明によれば、仮想針の挿入点における横方向切片は、仮想針の先端の横方向切片と交差参照される。それ故、システムは、仮想針が像体積セットに対して移動されるときに患者の像体積セット内で連続的に流れる視点を介在手順遂行者に良好に与えることができる。
【００２３】
同様に、近位矢状Ｎpa区分については、次の通りである。
Ｎps＝ＴＸＡyz
但し、Ａyzは、Ｚ軸とＹ軸との間で変化するベクトルである。ベクトルＡyzは、次の通りである。
Ａyz＝｛Ｔ・Ｚaxis｝Ｙaxis＋（１−｜｛Ｔ・Ｚaxis｝｜）Ｚaxis
＝Ｔz ［０，１，０］＋（１−｜Ｔz ｜）［０，０，１］
＝［０，Ｔz ，０］＋［０，０，１］−［０，０，Ｔz ］
＝［０，Ｔz ，１−Ｔz ］
ここで、次のことに注意されたい。
ケース１、冠状方向：Ｔ［１，０，０］、次いでＡyz＝［０，０，１］、従って、Ｎps＝［０，１，０］
ケース２、矢状方向：Ｔ［０，１，０］、次いでＡyz＝［０，０，１］、従って、Ｎps＝［１，０，０］
ケース３、矢状方向：Ｔ［０，０，１］、次いでＡyz＝［０，１，０］、従って、Ｎps＝［１，０，０］
図６を参照し、本発明による最小侵襲性外科手術手順２００をプランニングする好ましい方法について説明する。ステップ２０２において、患者の体積データセットが得られる。本発明の好ましい実施形態によれば、像形成装置は、ＣＴスキャナであり、そして像体積データセットは、患者のつま先―頭軸に実質的に整列された軸方向軸に沿って離間された複数の二次元像切片で形成される。
【００２４】
次いで、ステップ２０４において、定位機械アーム組立体の自由端に取り付けられた外科手術プランニング装置が、像形成装置に配置された患者に隣接して配置される。好ましくは、外科手術プランニング装置は、カニューレ型ガイド部材、又は軌道を定める細長い「Ｖ」字溝を通して直線軌道を画成する。機械アーム組立体と像形成装置との間の関係は、それらの機械的な相互接続により分かっており、そして更に、アームの位置及び方向は、システムのインストール中に行われるシステム校正手順を用いて導出された適当な変換関数により得られるので、外科手術プランニング装置の位置及び「仮想針」の方向は、好都合にも、人間が読めるモニタ上に患者像体積データセットと共に表示される。
ステップ２０６において、患者の第１の横軸方向観察像がディスプレイモニタの第１部分に表示される。第１の横軸方向観察像は、挿入点映像を与え、そして患者像体積データセットの複数の二次元像切片から得られた二次元像切片から導出される。レーザプランニング器具が使用されるときには、外科手術プランニング装置により定められた直線軌道が患者身体に交差する点が患者の導入点を画成する。或いは、カニューレを使用するときには、患者の導入点は、カニューレが患者の皮膚に接触する点となる。患者の導入点は、第１の横軸方向観察像に小さな強調した円として示される。
【００２５】
次いで、ステップ２０８において、患者の第２の横軸方向観察像が、人間の読めるディスプレイモニタの第２部分に表示される。この第２の横軸方向観察像は、仮想針の先端を示し、そして外科手術プランニング装置により定められた直線軌道の先端が患者内の第１のターゲット点において患者身体に交差するところの患者像体積データセットから得られた第２の二次元像切片に対応する。第１のターゲット点は、白又は他の非常に見易い色の「Ｘ」のような適当な指示子を用いてディスプレイモニタ上で強調される。
ステップ２１０においては、仮想針の傾斜軸／冠状方向観察像が表示され、そしてステップ２１２では、仮想針の傾斜矢状観察像が表示される。傾斜軸／冠状方向観察像は、患者の導入点から患者内の第１ターゲット点まで仮想針と同一平面である。同様に、傾斜冠状／矢状観察像は、患者の導入点から患者内の第１ターゲット点まで仮想針と同一平面である。傾斜軸／冠状方向及び冠状／矢状方向観察像の各々は、患者像体積データセットの多数の切片を通して延びる平面を画成する。
【００２６】
モニタに表示される観察像の各々は、ステップ２１４において、仮想針の手動深さ制御ノブが調整されるときに更新される。同様に、ステップ２１６において、モニタの各表示は、外科手術プランニング装置が患者身体に隣接する種々の位置へ移動されるときに更新される。
図７を参照すると、「ロックターゲットモード」ディスプレイ２４０に関連して本発明の第２の態様を説明する。このディスプレイ２４０は、左上の横軸方向ビューポート２４２と、右上の第２の横軸方向ビューポート２４４と、左下の傾斜冠状方向ビューポート２４６と、最後に右下の傾斜矢状方向ビューポート２４８とを含む４つの象限即ちビューポートに分割される。「ロックモード」においては、患者内のターゲット点の位置が介在手順遂行者により選択される。患者内のターゲット点を選択した後に、定位アーム組立体は、患者内の固定のターゲット点と、患者に隣接する外科手術プランニング装置の多数の位置に対応する多数の導入点との間に延びる好ましい軌道に対応する位置及び方向に外科手術プランニング装置を配置するように調整される。
【００２７】
本発明の第１の好ましい実施形態について述べたように、下方の２つのビューポート２４６、２４８は、仮想針１２０及び直線軌道２０６に沿ったその経路と同一平面の多平面再フォーマット（ＭＰＲ）像であるのが好ましい。仮想針１２０は、各像２４６、２４８において、針ガイド２５２を表わす太い線から延びる矢印２５０として示される。多平面再フォーマット像を保持する下方の２つのビューポートは、通常、多数の像切片１１２からの情報で構成されるので、仮想針は、多数の像体積切片を通過する。左上の横軸方向ビューポート２４２は、直線軌道が患者の皮膚を遮るところの複数の像体積切片１１２の１つから導出される。導入点指示子２５４は、左上のビューポートにおいて、仮想針１２０の導入点１３０に対応する点に配置される。
【００２８】
同様に、右上の横軸方向観察像は、直線軌道が患者内のターゲット点を遮るところの像体積切片に対応する。ここに示す「ロックモード」の実施形態では、右上の横軸方向ビューポート２４４は、表示内容において一定に保持され、外科手術プランニング装置が種々の方向及び位置へと操作されたときにターゲット点が患者像体積データセットに固定保持されることを反映する。この点について、ターゲット点指示子２５６は、右上の横方向ビューポートにおいて、患者像体積データセット内で介在手順遂行者により選択されたターゲット遮断点に対応する点に配置される。ターゲット遮断点は、介在手順遂行者により、装置が「ロック」モードにある間に定位アーム組立体の手動深さ制御ノブを操作することにより調整することができる。
【００２９】
本発明の第２の好ましい実施形態によれば、全てのビューポートは、固定のターゲット点を示す右上の横軸方向観察像を除いて、同時に更新される。好ましくは、「ロックモード」において、仮想針の先端が、オペレータにより選択されたターゲット点に固定される。従って、仮想針の軌道は、実際の及び仮想の挿入点を患者の皮膚に沿って移動することにより挿入点―ターゲット軌道として定義されるか、或いは各新たな挿入点が、挿入点とターゲット点又は仮想針の先端との間の線として定められた仮想針軌道を定義する。しかしながら、この軌道は、外科手術プランニング装置の軌道とは必ずしも一致しない。それ故、本発明の第２の好ましい実施形態によれば、仮想針ガイド２５２は、介在手順遂行者により選択された患者内のターゲット点と患者の導入点との間に延びる仮想針の軌道とプランニング装置の軌道が同軸でないときには破線で示される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により外科手術器具を像誘導するためのアーム装置を含むフレームなしの定位スキャナシステムを示す図である。
【図２】本発明により形成された誘導装置を支持するフレームなしの機械アーム組立体を示す斜視図である。
【図３】図１の装置で行われるプランニング像処理を示す図である。
【図４】患者像体積データセットを形成する像切片の例示的な配列を示すと共に、そこを通る一対の仮想針プランニング経路を示す図である。
【図５】図４の患者像体積データセットを通して延びる好ましい１組の像平面を示す図である。
【図６】図５に示す像を表示する好ましい方法のフローチャートである。
【図７】本発明がロックターゲットモードで作用するときに図４の患者像体積データセットを通して延びる第２の好ましい１組の像平面を示す図である。
【符号の説明】
１０  患者テーブル（支持体）
１２  患者支持面
１４  ベース部分
１６  校正及び照合領域
１８  体積診断像形成装置
２２  リング
２４  制御コンソール
２６  モニタ
２７  制御及び表示コンソール
３０  フレームなしの定位アーム組立体
３２  キャリッジ
３４  楕円トラックシステム
３６  最小侵襲性の外科手術器具
１００  交換可能な外科手術器具誘導装置
１０２  手動の外科手術プランニング装置
１０４  「Ｖ」字溝
１０６  直線軌道
【図１】
0004156107.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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