(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置検出システム、及び
患者上の一組の位置を画像内の一組の位置へマップする変換を導く変換器ユニットであり、
患者上の一組の位置を画像内の一組の位置へ自動的に整合させるよう構成され、且つ
変換された夫々の患者上の位置と対応する画像内の位置との間の距離に依存する費用関数を最適化するよう構成された算術ユニットを組み込んでいる
変換器ユニット、
を有する画像誘導手術システムであって、
算術ユニットは、画像内の位置と、関連するマップされた患者上の位置との間の距離を所定の閾値と比較し、該距離が該所定の閾値を超過する位置の対を整合しない対と見なすことにより、患者上の位置と画像内の位置との整合しない対の数を特定することによって、費用関数の最適化に対する誤りの位置の影響を減少させるよう構成されていることを特徴とする画像誘導手術システム。
【請求項２】
変換器ユニットは、変換のための正確な初期推定を得るよう、患者上の位置の部分集合及び画像内の位置の対応する部分集合を選択するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の画像誘導手術システム。
【請求項３】
前記部分集合は一組の位置のうちの３つの位置を有することを特徴とする請求項２記載の画像誘導手術システム。
【請求項４】
患者上の一組の位置を画像内の一組の位置へマップする変換を導くことを含む画像誘導手術システムの作動方法であって、
患者上の一組の位置を画像内の一組の位置に自動的に整合させる段階、及び
患者上の夫々の変換された位置と画像内の対応する位置との間の距離に依存する費用関数を最適化する段階、
を有し、
画像内の位置と、関連するマップされた患者上の位置との間の距離を所定の閾値と比較し、該距離が該所定の閾値を超過する位置の対を整合しない対と見なすことにより、患者上の位置と画像内の位置との整合しない対の数を特定することによって、費用関数の最適化に対する誤りの位置の影響が減少されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は位置検出システム及び変換器ユニットからなる画像誘導手術システムに関する。本発明はまた、
患者上の一組の位置を選択する段階と、
画像内の一組の位置を選択する段階とからなり、患者上の一組の位置を画像内の一組の位置へマップする変換を導く方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
そのような画像誘導手術システムは米国特許第５  １８６  １７４号によって知られている。複雑な手術の間、医師にとって患者の内部のどこで手術用器具を動かしているかを直接見ることは、しばしば非常に困難であるか又は不可能である。手術は、治療目的、即ち悪性組織を除去することを目的とするか、又は診断目的、即ち患者の人体の内部を検査することを目的とする。手術は手術用器具を使用して患者の体の中へ入る様々な方法を含む。画像誘導手術システムは、医師に対して、手術中の患者の人体の中の手術領域の中の手術用器具の位置を示す。手術前又は手術中に、患者のＸ線コンピュータ断層撮影又は磁気共鳴画像といった画像が形成される。手術中、位置検出システムは患者に関する手術用器具の位置を測定し、コンピュータは手術用器具の位置に対応する当該の画像の位置を計算する。画像誘導手術システムは、その中にもまた手術用器具の実際の位置が表示される例えばＣＴ又はＭＲＩ画像を、ディスプレイ装置上に表示する。従って、器具は医師の直接の視界では捕らえられないにも拘わらず、画像誘導手術システムは医師が手術用器具が患者の内部のどこにあるかを見ることを可能にする。医師は従ってまた、いかにして致命的な場所を損傷する危険なしに患者の中で手術用器具を動かしうるかを見ることができる。
【０００３】
既知の画像誘導手術システムの位置検出システムは、その関節にアームの方位を測定するための電位差計を有する関節アームからなる。位置検出システムは、電位差計の信号から手術用器具の空間の中の位置を導くデータプロセッサを含む。
画像の中には、患者上の特定の位置の上に配置された基準マーカが撮像されている。例えば神経手術では、患者の頭部の手術されるべき領域に、鉛又はＭＲ感受性のマーカが配置される。手術開始時点では、基準マーカは手術用器具又は別々のポインティングデバイスと共に示され、基準マーカの空間の中の位置は位置検出システムによって測定される。夫々のマーカに対して、前もって生成された画像の中のマーカの対応する画像もまた示される。データプロセッサは、基準マーカの空間の中の位置を前もって生成された画像の中のマーカの画像の対応する位置と関連づける変換マトリックスを計算する。この変換マトリックスは次に、実際の手術領域の中の空間の位置に対する画像の中の対応する位置を計算するために使用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
W.E.L.Grimson 他によるＩＥＥＥ医療用イメージングに関する紀要１５（１９９６）１２９の中の文献「An automatic registration method for frameless stereotaxy, image-guided surgery, and enhanced reality visualization 」は、測定された一組の位置をセグメント化されたＭＲＩデータの表面にマップする変換を開示している。その中で開示された方法は、患者上の一組の点をＭＲＩ画像内の一組の点へマップする無数の仮説的な変換から開始する。
【０００５】
本発明は、患者上の位置を画像内の位置へマップする変換をより容易に導く画像誘導手術システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的は、変換器ユニットが患者上の一組の位置を画像内の一組の位置へ自動的に整合させるよう配置されていることを特徴とする本発明による画像誘導手術システムによって達成される。
画像誘導手術システムは、患者上のマーカ及び手術用器具の位置を測定する位置検出システムからなる。マーカを有する患者及び手術用器具を幾つかの方位から撮像するための１つ以上のカメラからなる光学位置検出システムが使用されることが望ましい。マーカは基準マーカであり得るが、画像内で認識可能な患者の人体の特定の特徴もまたマーカとして適当である。変換器ユニットは、患者上のマーカの位置及び画像の中のマーカの画像の対応する位置から患者のイメージングに関連するマッピングを計算するよう設定されている。このマッピングにより、撮像されるべき患者の部分の任意の位置の中又は上に、画像内の対応する位置が割り当てられうる。
【０００７】
患者上の位置を画像内の位置と整合させることは結果的には対の形成であり、夫々の対は、夫々の対の中で画像内の位置が患者上の位置におけるマーカの画像に関するような患者上の位置及び画像内の位置からなる。実際は整合させることにより、患者のＣＴ又はＭＲＩイメージングといった前もって実行されたイメージングによる位置に対応する位置の対が形成される。本発明による画像誘導システムは、患者上の基準マーカの位置の対を整合させることを必要とせず、上記基準マーカを表わす画像内の位置は別々に及び／又は手動で決定される。特に、患者上の基準マーカの測定された位置が示され、画像内の対応する位置が示される同じ順序の連続を割り当てる必要はない。従って、本発明による画像誘導手術システムの手術は、従来の画像誘導手術システムと比較してあまり複雑でない。患者上のマーカ及びそれらの画像はランダムな順序で示されうるため、マーカ位置及びそれらの画像の表示は数秒といった非常にわずかな時間のみを必要とする。更に、本発明による画像誘導手術システムは患者上のマーカ及びそれらの画像が表示される順序に関係なく正確な変換で到着するため、本発明による画像誘導手術システムはマーカ及びそれらの画像の表示において誤りに関して遙かに感受性が低い。このように、誤りが生ずるために位置検出システムの初期化が繰り返されることは避けられる。
【０００８】
本発明による画像誘導手術システムの望ましい実施例は、変換器ユニットが、夫々の患者上の変換された位置と対応する画像内の位置との間の距離に依存する費用関数を最適化するよう配置された算術ユニットを組み込んでいることを特徴とする。
費用関数を最適化することは、極値、即ち患者上のマーカの位置及びそれらの画像の位置の可能な組合せの数に対する最大値又は最小値を決定することを含む。最小値が決定されるか、最大値が決定されるかは、使用される費用関数の正確な形に依存する。実際は、患者上のマップされたマーカの画像の中の位置と、マーカの画像の中の位置との間の距離の平方の合計に依存する費用関数が使用される場合に非常に良い結果が得られる。夫々のマッピングは、患者上のマーカの位置及びそれらの画像の位置の対を表すことによって決定される。剛体マッピング、即ち平行移動及び回転のみを含むマッピングが考慮される。費用関数の最小値に対応するマッピングは次に、患者上のマーカをそれらの画像の位置の上へ、最小平方の意味で最適にマップする。このマッピングは、患者上のマーカの位置から画像の中のそれらの画像への変換を正確に表わす。
【０００９】
本発明による画像誘導手術システムの更なる望ましい実施例は、算術ユニットが費用関数の最適化に対する誤りの位置の影響を減少するよう配置されていることを特徴とする。
誤りの位置は、患者上及び／又は患者内の整合され得ない位置である。実際には、患者の撮像されるべき領域の外側の位置、又は完全に患者の外側の位置が示されるため、そのような誤りの位置が生じうる。誤りの位置の他の原因は、患者の撮像された部分に関連しない画像内の位置が示されることである。このように、そのうちの１つが誤りである位置の対は整合され得ず、従って整合されない対と称される。対が剛体マッピングに関連する対であると考えられるとき、対が所定の閾値を超過して費用関数に対して貢献を与えるような場合、対の位置は整合しないと見なされる。自動整合に対するそのような誤りの位置の影響は減少されるため、全く整合され得ない位置を整合させようとするマッピングを探す計算の努力はほとんど無駄にされない。誤りの位置の影響を減少させるよう、整合されない対に対して費用関数に対する比較的高い貢献が割り当てられることが望ましい。特に整合されない対の費用関数に対する貢献は、整合する対の貢献に関する所定の係数によって乗ぜられ、所定の係数は、整合する対として認められうる２つの位置の間の所定の最大距離の平方に関することが望ましい。本発明による方法の望まし費用関数は、ｐj は患者上の位置であり、ｑj は画像内の位置であり、Ｍは手術室内の患者上の位置を患者の画像内の位置にマップする剛体マッピングであるとすると、
【００１０】
【数１】
0004240556.tif 000002
【００１１】
によって示される。d[M(pi),qi]はM(pi)とqiとの間の距離を表す。考慮に入れられる画像内の位置ｑlと関連するマップされた位置Ｍ（ｐl）との間の最大距離は、ｄmaxである。Nは整合されない対の総数である。費用関数に対する貢献Ｎｄmax2は、多くの計算の努力を必要とせずに最もよいマッピングを探す際の誤りの位置の影響を減少させる。患者のイメージングに関連するマッピングに略対応する
【００１２】
【外１】
0004240556.tif 000003
【００１３】
は、
【００１４】
【数２】
0004240556.tif 000004
【００１５】
を満たす。最小化は、画像内の割り当て位置を患者上の位置のマッピングとして定義される剛体マッピングＭの全てに亘って実行される。
本発明による画像誘導手術システムの更なる望ましい実施例は、変換器が、変換のための正確な初期推定をするよう患者上の位置の部分集合及び画像内の位置の対応する部分集合を選択するよう配置されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明による画像誘導手術システムの更なる望ましい実施例は、上記部分集合は３つの位置（以下、トリプレット）であることを特徴とする。
整合する対を形成しないであろう画像内の位置及び患者上の位置の多数の対に関する計算を避けるため、初期推定は患者上の位置及び画像内の位置の対の部分集合に基づく。整合のための比較的正確な初期推定が得られることが明らかである。従って、上記初期推定値から開始する全てのマーカに対して正確な整合を導くために、非常に小さな計算時間が必要とされる。初期推定が基準とする部分集合は患者上の位置の部分集合の夫々のジオメトリーが発見的に選択されることが望ましい。この点で、非常に離れており、同様の形を有する部分集合からなる患者上の位置及び画像内の位置の部分集合を夫々の選択することは有利である。実際は、初期推定を得るために画像内の位置及び患者上の位置のトリプレットを夫々部分集合として選択するために必要とされる計算力と考慮される計算時間に関して便利であることが明らかである。８つのマーカに対しては、典型的には約１００μｓ乃至１ｍｓの計算時間を必要とする５０のトリプレットが試される。患者上の位置及び画像内の位置のトリプレットは夫々、略同じ形を有する三角形を夫々形成するよう選択されることが望ましい。更に、特に良い推定は、遠く離れた頂点を有する三角形から迅速に得られる結果となる。１１０ＭＨｚで作動するSun（登録商標） SPARCStation 5といった現在のワークステーションは、全てのマーカ位置に基づく全ての整合を計算するために約１００ｍｓの計算時間を必要とする。
【００１７】
更に、本発明による画像誘導手術システムの変換器ユニットの機能は、適当にプログラムされたコンピュータ又は、本発明による画像誘導手術システムの段階を実行するために設計された回路を組み込んだ専用プロセッサによって実行されうることに注意すべきである。本発明による画像誘導手術システムは、専用プロセッサのそのような適当にプログラムされたコンピュータを組み込んでいることが望ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の上記及び他の面は、添付の図面を参照して以下実施例を用いて詳述される。
図１は、本発明による画像誘導手術システムを線図的に示す図である。画像誘導手術システムは、１つ以上のカメラ１０及びデータプロセッサ２を有するカメラユニット１を含む位置検出システム１，２からなる。１つ以上のカメラは手術用器具１１の異なる方向から画像を撮像する。手術用器具は、手術過程の間、医師７によって操作される。例えば、カメラユニット１は堅いフレームに取り付けられた２つのＣＣＤ画像センサを含む。フレームはＣＣＤセンサを手術領域へ方向付けるよう移動可能である。別々のカメラからの画像信号、又は単一のカメラからであるが異なるカメラ位置からの連続する画像信号は、データプロセッサ２へ供給される。そのためカメラユニット１はケーブル１７によってデータプロセッサ２へ結合される。データプロセッサ２は、手術を受ける患者１２に関する手術用器具の位置を、画像信号に基づいて計算するコンピュータ２１を含む。画像プロセッサ２２はデータプロセッサ２の中に組み込まれている。手術用器具には、カメラ１０が感応する放射線を放射する光又は赤外線発光ダイオード１３（ＬＥＤ又はＩＲＥＤ）が設けられている。コンピュータ２１はまた、ＣＴ画像又はＭＲＩ画像といった前もって生成された画像の中の、手術用器具１１の対応する位置を計算する。ＣＴデータ及び／又はＭＲＩデータはメモリユニット２３に記憶される。コンピュータ２１は或いは一定の基準システムに関する手術用器具の位置の座標を計算するようプログラムされ、その場合画像プロセッサ２２はこれらの座標を画像内の対応する位置に変換するよう配置される。
【００１９】
画像データの中では、患者上の特定の位置に配置された基準マーカが撮像されている。例えば鉛又はＭＲ感受性のマーカは患者のこめかみ、耳の後ろ、頭部の剃髪された部分及び額に配置される。手術の開始時点では、基準マーカは手術用器具と共に示され、空間内のそれらの位置は位置検出システムによって測定される。コンピュータ２１は、基準マーカの空間内の位置と、前もって生成された画像の中のマーカの画像の対応する位置とを数学的に関連させる変換マトリックスを計算する。この変換マトリックスは続いて、実際の手術領域内の空間内の位置に対する画像内の対応する位置を計算するために使用される。本発明によれば、画像誘導手術システムには、マーカ位置及びそれらの画像からイメージングに対応する変換を自動的に導く変換器ユニット３０が設けられている。変換器ユニット３０は、マーカが患者上に示されたときに患者１２の上のマーカの位置データを受信する。変換器ユニット３０はまた、画像内のこれらのマーカの画像の位置の位置データを受信し、このためマーカの画像は画像の描写の上に示される。変換器ユニット３０は、患者上の位置及び画像内の位置が示される順序に関係なくイメージングに対応する剛体マッピングを計算する。患者上の位置及び画像内の位置の夫々の対から、多くとも回転及び平行移動を含む、問題の対に最もよく整合する剛体マッピングが導かれる。この剛体マッピングに対して、実際にはマッピングの精度の尺度である費用関数が計算される。費用関数の計算は、望ましくはコンピュータ２１に組み込まれている算術ユニットによって実行される。費用関数を最小化するマッピングは、イメージングと正確に対応するマッピングとして選択される。選択されたマッピングによって患者内又は患者上の任意の位置は画像内の対応する位置へ変換される。特に、光学位置検出システムによって測定される手術用器具の位置から、費用関数を最小化するマッピングによって画像内の対応する位置が計算される。患者上の位置及び画像内の位置を特別な順序で表示することは必要とされていないため、位置の表示はわずかな時間で行われる。実際は位置の表示は２乃至５秒の範囲で実行されうることが明らかである。
【００２０】
メモリユニットからのデータは画像プロセッサへ供給される。コンピュータ２１によって計算される位置データもまた画像プロセッサ２２へ供給される。画像プロセッサは更に、手術用器具の位置に基づいて適当な一組の画像データを選択するよう配置される。そのような適当な一組の画像データは例えば手術領域を通る特定のスライスのＣＴ画像又はＭＲＩ画像を表わす。画像プロセッサ２２は、前もって生成された画像データと手術用器具の対応する位置とを組み合わせる画像信号を生成する。前もって生成された画像情報の描写の中では、手術用器具の対応する位置もまた示される。手術領域の中の手術用器具の位置をリアルタイムに示す画像は、ディスプレイ装置５に表示される。表示装置は例えば陰極管からなるモニタであるが、ＬＣＤ（液晶）ディスプレイスクリーンもまた使用されうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による画像誘導手術システムを線図的に示す図である。
【符号の説明】
１  カメラユニット
２  データプロセッサ
５  ディスプレイ装置
７  医師
８  撮像された手術用器具
１０  カメラ
１１  手術用器具
１２  患者
１３  赤外線発光ダイオード
１７  ケーブル
２１  コンピュータ
２２  画像プロセッサ
２３  メモリユニット
３０  変換器ユニット
【図１】
0004240556.tif 000005