(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上に患者の身体を受け入れる撮像装置（１８）であって、撮像装置上の位置を基準とするスキャナ座標系を有し、前記スキャナ座標系に設置した患者の身体に関する第１の患者身体画像情報を、ディスプレイに表示される画像上の位置を基準とした画像座標系において生成するようになっている、体積測定式スキャナである撮像装置（１８）と、撮像装置に固定関係で装着したベース部分および前記スキャナ座標系に配置された患者身体に隣接した種々の位置へ選択的に移動できるようになっている自由端を有し、ベース部分を基準としたローカライザ座標系を有する機械的アーム組立体（３０）と、機械的アーム組立体と組み合わせてあって、ローカライザ座標系において、機械的アーム組立体のベース部分に相対的な機械的アーム組立体の前記自由端の先端位置情報を生成する位置トランスジューサ（７６）と、前記ローカライザ座標系における前記先端位置情報を、前記スキャナ座標系および前記画像座標系における先端位置情報として、機械的アーム組立体の自由端の変換済み先端位置情報に変換するようになっている第１の変換プロセッサ（７２）とを包含することを特徴とするフレームレス定位手術装置。
【請求項２】
第１変換プロセッサ（７２）が、前記ローカライザ座標系における前記先端位置情報を前記スキャナ座標系における機械的アーム組立体の前記自由端の前記変換済み先端位置情報に変換するようになっているローカライザ座標系対スキャナ座標系変換プロセッサ（１６４）であることを特徴とする請求項１に記載のフレームレス定位手術装置。
【請求項３】
撮像装置が、前記スキャナ座標系における前記変換済み先端位置情報に基づいて前記画像座標系における機械的アーム組立体先端位置情報（８０、１５４）を生成するようになっていることを特徴とする請求項２に記載のフレームレス定位手術装置。
【請求項４】
撮像装置が、人間の読める手順計画画像ディスプレイ（９４）上に、前記画像座標系における前記機械的アーム組立体先端位置情報と共に前記画像座標系における前記第１患者身体画像情報を表示するためのビデオプロセッサ（１２）を包含することを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載のフレームレス定位手術装置。
【請求項５】
機械的アーム組立体（３０）が、任意の経路に沿って患者身体付近の第１位置から患者身体付近の第２位置まで移動するようになっており、位置トランスジューサ（７６）が、機械的アーム組立体が前記任意の経路に沿って動かされるときに前記ローカライザ座標系において前記先端位置情報を連続的に生成するようになっており、ローカライザ座標系対スキャナ座標系変換プロセッサ（１６４）が、機械的アーム組立体が前記任意の経路に沿って動かされるときに前記ローカライザ座標系における前記先端位置情報を前記スキャナ座標系における前記変換済み先端位置情報に連続的に変換するようになっており、撮像装置（１８）が、機械的アーム組立体が前記任意の経路に沿って動かされるときに前記画像座標系において前記機械的アーム組立体先端位置情報を連続的に生成するようになっており、そして、ビデオプロセッサ（９２）が、機械的アーム組立体先端情報が生成されたときに、前記人間の読める手順計画画像ディスプレイ（９４）上に前記患者身体画像情報と共に前記機械的アーム組立体先端情報を連続的に表示するようになっていることを特徴とする請求項４に記載のフレームレス定位手術装置。
【請求項６】
機械的アーム組立体（３０）および撮像装置（１８）が、撮像装置上の複数の定位置（２０６、２０８、２１０）に機械的アーム組立体のベース部分（４２）を取り付けるようになっていることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項に記載のフレームレス定位手術装置。
【請求項７】
撮像装置（１８）が、前記複数の定位置を定めるオーバーヘッド支持トラック（２００）を包含し、機械的アーム組立体（３０）が、トラック組立体に対して相対的に移動可能であり、前記複数の定位置（２０６、２０８、２１０）のそれぞれでトラック組立体と選択的に係止係合するようになっていることを特徴とする請求項６に記載のフレームレス定位手術装置。
【請求項８】
さらに、撮像装置に固定関係で選択的に取り付けるようになっている較正ファントム（１２０）を包含し、この較正ファントム（１２０）が、前記ローカライザ座標系および前記スキャナ座標系における少なくとも３つの次元で複数の撮像可能なタッチ点サイト（１２２）を包含することを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項に記載のフレームレス定位手術装置。
【請求項９】
前記ローカライザ座標系対スキャナ座標系変換プロセッサ（１６４）が、前記ローカライザ座標系で発生した第１のセントロイドと前記スキャナ座標系で発生した第２のセントロイドとの差に基づいてローカライザ座標系対スキャナ座標系変換ベクトル（１６６）を生成するようになっていることを特徴とする請求項８に記載のフレームレス定位手術装置。
【請求項１０】
さらに、前記複数の撮像可能タッチ点サイトのところに前記機械的アーム組立体を位置させることによって前記位置トランスジューサによって生成された一組の先端位置情報（１７０〜１７８）に基づいて前記ローカライザ座標系に前記第１セントロイドを発生させる手段（１６０）と、前記複数の撮像可能タッチ点サイトのところに前記機械的アーム組立体を位置させることによって前記撮像装置によって生成された一組の較正ファントム画像情報（１５６、１５８）に基づいて前記スキャナ座標系に前記第２セントロイドを発生させる手段（１６２）とを包含することを特徴とする請求項９に記載のフレームレス定位手術装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、フレームレス定位手術装置、特に対話式画像案内手術のためのフレームレス定位手術装置に関する。本発明は、断層撮影、たとえば、フレームレス機械的アーム装置を用いて生検プローブなどの手術器具を案内するＣＴ画像処理システムで実行される最小侵襲性定位手術に関連して特別な用途が見出されるが、以下に特にこのことに関連して説明する。しかしながら、本発明が、たとえば、広範囲にわたる撮像設備および超音波撮像装置および核磁気共鳴映像装置を含み、また、これらの装置を用いて行われる手術を含む最小侵襲性定位手術処置にも応用できることは了解されたい。
従来、或る種のインターベンション式手術処置、たとえば、患者の身体内にカテーテル、排液チューブ、生検プローブなどを設置するための手術処置を実施するための人間の解剖学的構造撮像装置と機械的アームタイプ機構を組み合わせたいくつかの装置が提案されている。米国特許第５，１４２，９３０号が、患者の解剖学的構造の１つ以上の画像を生成して、これらの画像をスクリーン上に表示する画像処理システムと組み合わせた機械的アーム装置を教示している。機械的アームが物理的空間を通して動かされているときに機械的アームに連結した手術器具の位置を追跡するのにコンピュータが使われる。このコンピュータは、物理的空間の画像空間に対する変換回転を実行して、ディスプレイ装置によって患者の画像空間内に手術器具の位置を示す。位置フィードバック装置が、機械的アームの各ジョイントのところに配置してあり、アームセグメントの回転および角度移動を検出して患者の身体上あるいは身体内に配置された基準インプラント(fiducial implant)の位置に対する相対的にアーム上の器具の先端を追跡するようになっている。
【０００２】
しかしながら、上記の装置の１つの不利な点は、かさばった定位位置決めフレームを必要とするということである。上記の提案されたシステムはアームのベース部材に相対的な、アーム上に支持された器具の位置を追跡するが、手術画像の内部座標系と機械的アームの外部座標系との間のマッピング変換を初期化するのになお基準インプラントの使用を必要とする。
かさばった位置決めフレームまたは患者内に置かれる基準インプラントに頼らない画像案内インターベンション式処置のためのフレームレス定位断層スキャナであれば、手術前に費やされる設定時間を短縮できるし、それに加えて、患者の身体に対して手術器具またはプローブをより正確にかつ反復可能に位置決めすることができる。
【０００３】
米国特許第５，６２２，１７０号が、患者の身体内の手術プローブの侵襲性部分の位置および向きを決定するための手術装置を教示している。このシステムと組み合ったコンピュータは、所定の座標系に対する器具の位置を所定の座標系に関して定められた患者の身体のモデルの位置と相関させることによって手術器具の侵襲性部分の位置および向きを決定する。モデリングは、患者に関して少なくとも３つの非共線基準点を患者に配置することによって達成される。これらの基準点としては、患者上にあるインクスポット、入れ墨、放射線不透過性ビーズまたは基準インプラントであってもよい。患者を所定位置で基準マーカーと共に撮像した後、介助者は患者上の基準点の各々に手術プローブの先端を置いて、モデル空間における基準点と、患者空間の所定の座標系における現在の物理的な位置との関係を確立しなければならない。
【０００４】
本発明によれば、フレームレス定位手術装置が得られる。この手術装置は、スキャナ空間IIにおいて座標系を定める撮像装置を包含する。この撮像装置は、その上に患者の身体を受け入れ、スキャナ空間IIに設置した患者の身体に関して画像空間における第１患者身体画像情報を生成するようになっている。ローカライザ装置が設けてあり、これは、撮像装置に固定関係で取り付けたベース部分と、前記スキャナ空間IIに配置した患者身体に隣接した種々の位置に選択的に移動できるようになっている自由端とを有する。ローカライザ装置と組み合わせた位置トランスジューサが、ローカライザ空間Ｒにおいて、ローカライザ装置のベース部分に対して相対的なローカライザ装置の自由端の第１先端位置情報を生成する。変換プロセッサが、ローカライザ空間Ｒにおける第１先端位置情報をスキャナ空間IIおよび画像空間Ｉのうち少なくとも一方におけるローカライザ装置の自由端の第１変換済み先端位置情報に変換するようになっている。
【０００５】
本発明によれば、患者に基準マーカーを植え付けることを必要とせずに画像案内式最小侵襲性定位手術処置を実行することができる。それに加えて、本発明は、ローカライザ空間のおける手術器具とスキャナ空間において患者が載ったカウチとの自動変換を行い、手術器具の位置を、画像空間における患者の画像と共に、ディスプレイモニタなどに合成画像として表示することができる。
フレームレス定位アーム装置は、患者の頭部または定位ヘッドフレームに対してよりもむしろ撮像装置に直接オーバーヘッドから連結することができる。
【０００６】
【実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施する方法を実施の形態によって詳しく説明する。
まず、図１を参照すると、患者テーブルまたは患者支持体１０は、ベース部分１４に相対的に長手方向に移動できるように装着した患者支持面１２を包含する。ベース部分１４は、患者支持面１２を昇降し、また、患者支持面を長手方向に移動させることのできるモータを包含する。患者支持体の高さ、長手方向位置を表す電気信号を生成する位置エンコーダも設けてある。患者支持体は、既知の固定位置に配置した較正・照合領域１６を包含する。この較正・照合領域は、本発明による装置を後に説明する方法で較正するための較正ファントムを受けるようになっている。
【０００７】
手順計画、好ましくは体積測定式診断撮像装置１８が、患者テーブルと軸線方向に整合して配置されており、患者支持面１２上の患者または被験者が体積測定式撮像装置のボア２０を通って移動できるようになっている。図示の実施の形態においては、体積測定式撮像装置は、ＣＴスキャナであり、予め選択された平面において繰り返し円を描いて移動できるように取り付けたＸ線管を包含する。Ｘ線管は、放射線透過性材料からなるリング２２を通り、患者支持体１２を通り、被験者の該当領域を通り、Ｘ線管の反対側に配置された放射線検出器のリングまたは円弧部に扇形の放射線を投射する。Ｘ線管が前記平面内で回転すると、一連のデータラインが生成され、これらのデータラインは制御コンソール２６に含まれる再構築プロセッサによって少なくとも１つのスライス像に再構築される。制御コンソールは、代表的には、走査室に隣接した遮蔽室内に離れて設置されている。好ましい実施の形態についてより詳しく説明すると、患者支持体１２は長手方向に移動し、Ｘ線管は被験者のまわりに回転し、患者の選ばれた体積部分が螺旋形の経路または一連のスライス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モニタされる。そして、患者支持体の長手方向位置がテーブル１０内の長手方向位置エンコーダによってモニタされる。再構築プロセッサは生成されたデータラインから体積測定像を再構築する。制御コンソール２４は、代表的には、１つ以上のモニタ２６と、種々の標準のオペレータ入力装置（たとえば、キーボード、トラックボール、マウスなど）を包含する。インターベンション式制御コンソール２８が図示のようにＣＴスキャナ上方のトラックから吊り下がっている。
【０００８】
機械的アーム組立体３０が、オーバーヘッドから全体的に示すように体積測定式診断撮像装置２０の頂部に取り付けた楕円形のトラック装置３４上で移動できるキャリッジ３２から吊り下げてある。キャリッジは、好ましくは、楕円形トラック上に１つ以上の所定固定位置で係止でき、本発明による交換可能な手術器具誘導装置１００上に支持された最小侵襲性手術器具３６を、手術作業手順を実施する準備の際、そして実施しているときに、介助者によってモニタされる位置および向きに位置決めできるようになっている。この図に示す手術器具は、組み合わせレーザカニューレ誘導装置１０２によって支持されたレーザ案内式生検針３８を包含する。しかしながら、総体的に、誘導装置およびその上に支持された手術器具の位置および向きは、機械的アーム組立体３０の位置および楕円形トラック装置３４上のキャリッジ３２の位置によって決まる。
【０００９】
機械的アーム組立体３０は図２に全体的に示してあり、複数のアームセグメントを包含する。これらのアームセグメントはそれらの間にあるジョイントを形成しているピボット部材によって相互に連結されている。抗して、アームの自由端４０は、患者支持体１２上方の種々の所望位置に手術器具３６を位置決めするために必要に応じて多数の向きで選択的に移動することができる。ベース部材４２が適当な留め具、エポキシなどを用いてキャリッジ３２に堅固に連結してある。ベースジョイント４４はＡで示す方向において一次支持部材４６の回転を許す。同様に、アームの不動ベース端から、肩ジョイント４８がＢで示す方向における上方アーム部材５０の回転を許し、肘ジョイント５２がＣで示す方向における下方アーム部材５４の回転を許し、前腕ジョイント５６がＤで示す方向における指関節部材５８の回転を許し、手首ジョイント６０がＥで示す方向における手首部材６２の回転を許すようになっている。
【００１０】
本発明によれば、少なくとも１つの位置レゾルバ(resolver)、好ましくは、光学増分エンコーダが、機械的アーム組立体３０の各ジョイントのところに設けてあり、後に説明する理由のためにアーム相互の増分関節運動および回転をモニタするようになっている。光学増分エンコーダは、周知の方法で種々のアーム部材相互の相対角度、回転位置を示すフィードバックパルスを発生する。フィードバックパルスは、アーム組立体の複数の部材を貫いて延びている適当なワイヤあるいは可撓性シールドケーブルを用いて撮像装置制御回路に戻される。こうして、手首部材６２の、撮像装置基準フレームおよび撮像装置によって得られる体積測定画像表示に関する位置および向きを決定することができる。
撮像装置基準フレームおよび撮像装置によって得られた体積測定画像表示に相対的な、アーム組立体によって支持された手術器具の位置および向きは、独特な識別信号を有する交換可能手術器具誘導装置１００を設けることによって分析される。識別信号は撮像装置制御回路によって使用され、手首部材６２に連結した１つ以上の誘導装置に対応する種々の寸法上、他の機能上のパラメータを検索するためのルックアップテーブルを割り出す。こうして、リゾルバおよびエンコーダにより測定された機械的な相互連結と共に物理的な寸法上および他の機能上のパラメータは、ＣＴスキャナに相対的な、それ故、ＣＴスキャナによって獲得された画像に相対的な誘導装置１００の位置および向きを正確に示すことができる。
【００１１】
次に図３を参照して、器具座標回路７２が、器具空間、特に器具についての座標系における手術器具３６の位置および軌跡を決定する。器具座標回路は、誘導装置識別回路７４と機械的アーム組立体位置回路７６とを包含する。誘導装置識別回路７４は、機械的アームに連結した１つ以上の誘導装置から装置識別信号を受け入れ、ルックアップテーブル７８を割り出して寸法上、機能上の情報を検索する。機械的アーム組立体位置回路７６は、機械的アーム組立体３０上の増分リゾルバと接続しており、器具空間における機械的アームの位置および向きの変化を表す信号を受け入れる。器具・手順計画スキャナ相関プロセッサ８０が、手術器具３６と体積測定式スキャナ１８座標系の間の相関または変換を決定する。相関または変換は、通常、オフセット、特に患者支持体の軸線に沿ったオフセット、角度オフセットまたは回転およびスケーリングによって説明される。
【００１２】
好ましい実施の形態において、精密ローカライザ装置１０３のような較正器具が一組の間隔を置いたマーカー（好ましくは、８つのマーカー）に接触させられる。これらのマーカーは体積測定式スキャナ座標系に対して既知の関係で配置される。マーカーは、較正マーカー領域１６内に設置された較正ファントム１２０の形であると好ましい。各マーカーに接触しながら器具座標系における較正器具の座標を測定することによって、２つの座標系における８またはそれ以上の共通点を決定する。共通点のバリセンタ（barrycentre)その他の特性を決定すること、好ましくは共通点のセントロイド間の差を決定することによって、２つの座標系間のオフセットを決定する。各座標系におけるバリセンターから各点までの光線の角度差を決定することによって、角度オフセットを決定する。各座標系におけるバリセンターと対応する点と間の物理的な変位における差を決定することによって、スケーリングファクタを決定する。
【００１３】
本発明によれば、ローカライザ装置および体積測定式スキャナは、機械的に連結される。したがって、体積測定式スキャナと器具座標系と間の変換または関係は一度だけ調整すればよく、その後、構成部分間の機械的な相互連結から予め決定する。マーカーの接触は一度行えばよく、その後は、器具とＣＴスキャナの座標がインターベンション式処置毎に不整合となっていないことを確認するだけに使用する。
類似した数学または上述したような既知の機械的関係を使用して、器具対患者テーブル相関プロセッサ８２が、患者テーブルと手術器具との相関または変換を決定する。好ましくは、複数のマーカーを有する上述した較正ファントムは、テーブル上の既知の反復可能な位置に置かれ、相関プロセスについて両座標系における多数の対応点を得る。較正ファントム１２０の画像は、患者テーブル空間と手順計画またはリアルタイム画像座標系の間に変換を導くために利用される。
【００１４】
患者テーブルに設置されたテーブルリゾルバ８４が、テーブルが上昇あるいは下降させられ、患者支持体１２が軸方向に移動させられるときに、手術器具と患者テーブルと間の相関に対する垂直方向、長手方向のオフセットを与える。器具対患者相関プロセッサ８６は、手術器具座標系と患者座標系の相関を決定する。患者上の少なくとも３つの既知基準点上に手術器具を配置することによって介助者に安心を与えるようにこれを行ってもよい。このような点としては、容易に識別可能な解剖学的構造、たとえば、鼻の先端、骨の特徴的箇所、体積測定式撮像プロセス中に整合した基準マーカーなどがある。
上記に加えて、スキャナ（たとえば、患者支持体）上の基準点を用いてスキャナの座標系内のポイント軌跡ローカライザの精度を検査することができる。本発明においては、患者は患者支持体（すなわち、カウチ）と一緒に移動することができると共に、カウチ対ディスプレイサブシステムの位置を分析、報告することによってローカライザ、ディスプレイ、患者体積データセット間の整合を維持することができる。カウチの分析された動きは、キャリッジ（ｚ軸）および患者支持体高さ（ｙ軸）に対するものである。患者支持体位置はデジタル化され、整合状態を維持するために調整が行われるディスプレイ系へフィードバックされる。
【００１５】
患者支持体移動についての式は、次の通りである。ここで、ｚ軸に沿った開口（スキャナ座標におけるz-O)からの第１画像（すなわち、患者支持体に沿った基準画像、最大z 値）の距離を
D max z image from aperture = (P[z]max z image pt support - P[z]present pt support）
と表してみる。
次に、患者支持体移動についての変換式は次の通りである。
Localizer Tip [z] = Localizer Tip scanner coord[z] - D max z image from aperture
ここで、P[z]はｚ軸における患者支持体位置である。ｙ軸に沿った患者支持体移動についても同様の式を書くことができる。
基準画像が開口内にある場合、
D max z image from aperture = 0
そして、
Localizer Tip [z] = Localizer Tip scanner coord[z]
こうして、ローカライザが基準画像と同じであるスキャナ座標のz 値を有する場合、そのときは、
D maz z image from aperture = Localizer Tip scanner coord[z]
そして、
Localizer Tip [z] = 0
これは画像空間のｚ軸原点である。
【００１６】
患者支持体に対して患者全体が動くのを防ぐために患者拘束機構（図示せず）を使用してもよい。  器具対体積測定式画像座標系変換プロセッサ８８は手術器具対手順計画画像プロセッサ８０から相関または変換を受け取る。器具対体積測定式画像プロセッサは、画像空間における入力位置・向き座標に作用してそれらを体積測定式画像データ空間に変換し、また、その逆も行う。体積測定または手順計画データ空間における手術器具の位置を知ることで、器具の位置および向きを体積測定手順計画画像データ上に重畳することができる。
医療処置中、患者は体積測定式手順計画スキャナ内に置かれる。そして、体積測定式画像が生成される。体積測定式画像は、体積測定式あるいは手順計画データメモリ９０に記憶される。特にテーブルが移動して螺旋データまたはスライスデータを生成するとき、手順計画データの生成中の患者テーブルの位置は体積測定式手順計画データと共に記憶され、これらのデータが患者テーブル座標系と相関させられる。オペレータ制御コンソール２４は体積手順計画画像データメモリまたはビデオプロセッサ９２を制御し、選ばれたスライス、投影画像、表面レンダリングまたはデータの他の普通のディスプレイが手順計画画像ディスプレイ９４上に表示するために生成される。好ましくは、手順計画画像ディスプレイは、共通の交点を通る対応した矢状方向、冠状、軸線方向、斜位のスライスを含む。
【００１７】
手順計画画像ディスプレイが手術処置の前に生成されるので、手術器具の手順計画移動は介助者制御コンソール２８上の手順計画画像座標系に表示されると好ましい。手術器具の座標および軌跡は、手順計画画像座標系に変換するために器具によって手順計画画像変換プロセッサ８８に運ばれる。手順計画画像座標系における器具の位置および軌跡はビデオプロセッサ９２に送られ、このビデオプロセッサが手術器具の位置および軌跡をＣＴデータディスプレイ上に重畳する。機械的アーム組立体は、カーソル位置信号に変換される情報および手順計画画像座標系に変換され、ビデオプロセッサ９２に送られて手順計画画像ディスプレイ９４上に可動カーソル点および仮想針表示を生成する仮想針ディスプレイを生成する。好ましくは、カーソルは体積測定式画像ディスプレイ９４上に現在表示されている横方向、冠状および矢状方向画面の交点に置かれる。オペレータが体積測定式画像データ空間を通して介助者制御コンソール２８上のカーソルを移動させるとき、あるいは、機械的アーム組立体３０上の手術器具３６が患者上の目標領域にわたって動かされるとき、介助者制御コンソール２８上の矢状方向、冠状、横方向画面がそれ相応に変化する。
【００１８】
図４は、本発明の照合・較正ファントム１２０の好ましい実施の形態を示す。
この図を参照して、ファントム１２０は複数のＸ線撮像可能マーカー１２２を包含する。これらのマーカーは、Ｘ線不透明なファントム本体部材１２４によって３次元に間隔を置いた関係に支持される。好ましくは、マーカー１２２は医療用途に適したステンレス鋼または正規高炭素鋼で形成した８つの精密研磨ボールベアリングを包含する。ファントム本体１２４は、好ましくは、ほぼ図示のような形状で透明なアクリルプラスチックで形成され、上述した較正および照合において反復可能な所定位置でスキャナテーブル１２と係合するようになっている底面１２６を包含する。それに加えて、ファントム本体は、前部、後部側面１２８、１３０、左側、右側側面１３２、１３４、頂部側面１３６を包含する。マーカー１２２の各々は、ほぼ図示の要領で較正ファントム１２０内に配置され、撮像装置（x 、y 、z ）の３本の直交軸の全てにおいてマーカー間の適切な分離を行い、正確で完璧な３次元較正を確実に行えるようになっている。この点において、マーカーの各々は、ほぼ６インチだけファントム本体内で互いから分離している。
【００１９】
特殊化した手動位置決め可能なローカライザ装置１０３が、機械的アーム組立体３０の自由端に取り付けた状態で示してある。このローカライザ装置は硬化プローブ先端１０４を包含し、このプローブ先端は、図示のように、ほぼ円筒形の横断面を有し、先端に精密研削した平らな接触面１０６（図５）を有する。
図４を続けて参照して、ローカライザ装置１０３は、較正ファントムの頂部左角隅に配置された第１較正マーカー１４０と係合した状態で示してある。ローカライザ装置が撮像装置の直交軸に関して確実に正しく方向づけられるように、較正ファントム内の複数のマーカーへのアクセスは対応するセットのプローブ先端案内面１４２によって制限される。その点について、図５は本発明に従って形成した代表的なプローブ先端案内面を示している。
【００２０】
この図でわかるように、左上マーカー１４０は、較正ファントム１２０の前部側面１２８に形成されたポケット１４４内に受け入れられている。整合領域１４６がほぼ図示の要領でポケット領域１４４に隣接して設けてある。この整合領域１４６は、内径横断面がほぼ円筒形であり、さらに、サイズおよび形状がローカライザ装置１０３上のプローブ先端１０４の円筒形横断面外径とほぼ一致するようになっている。内径は、撮像装置の長軸の１つとの精密な平行関係において、そして、撮像装置の残りの長軸との精密な直交関係において形成される。こうして、整合領域１４６は、撮像装置１８の主要な直交軸と整合した状態にローカライザ装置を方向づけるように作用する。
整合領域１４６と較正ファントムの前部側面１２８との間には、小さいテーパ付きのリードイン表面１４８が設けてある。このリードイン表面は、任意の形状を取り得るが、好ましくは、なめらかにテーパが付いていてプローブ先端１０４の接触面１０６が頂部左マーカー１４０に向かって案内され、それと係合するのが容易になるようになっている。上記の説明において、単一のマーカーを説明したけれども、その説明はファントム本体１２８内に配置された他のマーカー１２２にも等しく適用できる。そして、単一のプローブ先端案内面１４２の整合領域１４６およびリードイン面１４８のみを説明したけれども、その説明は較正ファントム１２０の前部、後部、左側、右側、頂部の側面の各々に配置された他の案内面にも等しく適用できる。
【００２１】
次に図６および図７を参照して、機械的アーム組立体３０を撮像装置１８に対して較正する好ましい方法を以下に説明する。この方法は、第１ステップ１５０で、較正ファントム１２０を撮像することを含む。ファントムの画像は、画像体積データセットとして手順計画データメモリ９０に記憶される（図３）。次に、ローカライザ装置１０３を使用して複数のマーカー１２２の各々を探り、ローカライザ空間Ｒにおける一組のローカライザ先端位置座標情報およびスキャナ空間IIにおける対応するマーカー画像位置情報を導く。
ステップ１５０においてファントムを撮像した後、第１のマーカーをステップ１５２で探る。第１マーカーを探るために、まず、サービス専門家は、ファントム本体１２４内のマーカーの各々を見付け出し、それから、ほぼ図４に示すように、ローカライザ装置１０３の接触面１０６をファントム本体に配置されているマーカー１２２に一度に１つずつ係合させなければならない。接触面がマーカーの各々と係合している間に、オペレータコンソール２８上のボタン、スイッチその他の適当なフィードバック装置を作動させて、ステップ１５４で、ローカライザ空間Ｒにおけるローカライザ装置の位置を読み取る。
【００２２】
ローカライザ空間Ｒにおけるローカライザ位置は、ほぼ図７に示す要領で導かれる。この点について、オペレータパネル上の適当なスイッチ機構の作動時に、機械的アーム組立体の各ジョイントの角度位置が問い合わされてそれらの位置値を得る。一層詳しくは、手首、前腕、肘、肩およびベースの光学位置エンコーダを、ステップ１５４において、アクセスし、それぞれのエンコーダカウント値１７０〜１７８を検索する。カウント値は、周知の技術を使用して容易に角度値に翻訳される。Denavit-Hartenberg変換１８０が実行されて機械的アーム部材の積み重ねシリーズの多重角度をローカライザ空間Ｒにおける単一の座標ポイント値に変換する。同様に、接触面１０６と係合したマーカー１４０の位置はスキャナ空間IIにおいてステップ１５６で導かれる。ローカライザ空間Ｒにおけるローカライザ装置の位置およびスキャナ空間IIにおけるマーカーの位置は、ステップ１５８で、一時メモリに記憶される。
【００２３】
上述の諸ステップは、較正ファントム１２０の本体１２４内に配置された複数のマーカー１２２の各々について繰り返される。本発明の好ましい実施の形態によれば、これらのステップは８回繰り返される。すなわち、各マーカーについて一回行われる。
対になっているローカライザ空間Ｒにおけるローカライザ先端位置およびスキャナ空間IIにおけるマーカー位置の各々を集められた後、一回だけの値分解プロセス１６０を、ローカライザ空間Ｒにおけるローカライザ先端情報セットについて実施する。同様に、ステップ１６２で、スキャナ空間IIにおけるマーカー位置セットについてただ一回の値分解を実施する。ローカライザ空間におけるローカライザ装置位置セットのただ一回の値デポジションはローカライザ空間Ｒにおけるセントロイド１８２を生じさせる。同様に、スキャナ空間におけるマーカー座標セットのただ一回の値分解はスキャナ空間IIにおけるセントロイド１８４を生じさせる。ステップ１６４で、ローカライザ空間におけるセントロイド１８２とスキャナ空間におけるセントロイド１８４の差の計算が行われる。結果として生じる差は、ローカライザ空間対スキャナ空間ベクトル１６６となる。このベクトルは、撮像装置内で適当なメモリ位置に記憶され、アームがほぼ上述した要領で患者に隣接して動かされるとき、ローカライザ空間の座標をスキャナ空間の座標に翻訳して、オペレータディスプレイパネル２８上に患者画像データおよび機械的アーム画像データを表示するのに用いられる。
【００２４】
次に図８および図９を参照して、また、図１も参照して、撮像装置１８は、機械的アーム組立体３０および介助者制御パネルをオーバーヘッドから、便利にはスキャナ室床面から離れて支持するようになっているオーバーヘッドキャリッジ支持トラック２００を包含する。キャリッジ支持トラックは、ほぼ楕円形のトラック２０４に沿った、機械的アーム組立体のための一組の移動止め位置２０２を与える。これらの移動止め位置は、その好ましい構造では、図示したように撮像装置の頂部に堅固に取り付けてある。移動止め位置は、左側２０６、中央２０８、右側２１０の移動止め位置を包含し、これらの移動止め位置で、係止機構２１２がトラック２０４と係合し、機械的アーム組立体を撮像装置の面に沿った所定の反復可能な位置にしっかりと位置決めする。図１は、機械的アーム組立体を中心位置２０８に示している。図２は機械的アーム組立体３０および介助者ディスプレイ、制御コンソール２８をそれらの停機位置で示している。本発明によれば、撮像装置は、オーバーヘッド装置が図８にしめすように停機位置にあるときにのみ、検体のＸ線撮像を可能とする連動回路（図示せず）を包含する。
【００２５】
図９を一層詳しく参照して、係止機構２１２は、撮像装置からの指令に応答してプランジャピン２１６をばね部材２１８の力に抗して動かし、トラック２０４に沿って左側、中央、右側の移動止め位置に設けた位置決め孔２２０との係合から外す電気ソレノイド装置２１４を包含する。本発明の好ましい実施の形態によれば、機械的アーム組立体のキャリッジ部材３２は、それを貫いてプランジャピン２１６を受け入れるようになっている。こうして、機械的アームの正確で反復可能な位置が得られる。それに加えて、トラック２０４は、左側、中央、右側の移動止め位置の各々に、カムフォロワレール２２２および補強後部レール２２４を備えている。カムフォロワレール２２２は、機械的アーム組立体の重量によって生じるトルクに抗して付加的な前部支持体をキャリッジ３２に与える。補強後部レール２２４は、キャリッジが撮像装置１８の３つの主要直交軸と正しく整合することを確保する。最後に、図９に示す係止機構２１２に関連して、磁気リードスイッチ２２６が、左側、中央、右側の移動止め位置の各々に設けてあり、上述した撮像装置の連動制御回路によって使用して、移動止め位置の１つにおけるキャリッジの位置を示す信号を生成する。
【００２６】
作動に当たって、図８に示す停機位置から図１に示す中央移動止め位置２０８まで機械的アーム組立体を動かすために、介助者は介助者制御パネル２８上の適当なボタンまたはスイッチを起動する。このとき、ソレノイド装置２１４が起動してプランジャピン２１６を孔２２０との係合から引っ込める。適当なホイール、スライドその他の低摩擦インターフェイスをトラック２０４とキャリッジ３２との間に設けると、キャリッジをトラックに沿って手動で動かすことができる。本発明によれば、しかしながら、適当な精密ローラーベアリングなどによってキャリッジ上に支持される複数の対向した精密ホイール部材２３０を使用してキャリッジ３２をトラック２０４に摺動可能に連結している。ホイール部材は、トラック内に形成した対応する対向精密表面２３２と係合するようになっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による手術器具を画像案内するためのアーム装置を含むフレームレス定位スキャナ装置の概略図である。
【図２】本発明に従って形成された誘導装置を支持するフレームレス機械的アーム組立体の斜視図である。
【図３】図１の装置と共に実行される手順計画画像処理の概略図である。
【図４】本発明による較正ファントムと係合したロケータ装置の斜視図である。
【図５】横断面で示される図４の較正ファントムの部分図である。
【図６】図１に示すフレームレス定位断層スキャナ装置の機械的アームを調整するための好ましい方法のフローチャートである。
【図７】図６に示す方法の概略図である。
【図８】本発明によるＣＴスキャナ上の駐機位置においてオーバーヘッドから支持されたフレームレス定位アーム組立体および介助者コントロールパネルの斜視図である。
【図９】機械的アームキャリッジと本発明に従って形成された係止機構の横断面図である。
【符号の説明】
１０              患者テーブル
１２              患者支持面
１４              ベース部分
１６              較正マーカー
１８              体積測定式診断撮像装置
２０              ボア
２２              リング
２４              制御コンソール
２６              モニタ
２８              制御コンソール
２９              膜スイッチ
３０              フレームレス定位手術装置
３１              膜スイッチ
３２              支持アーム
３４              楕円形トラック装置
３６              最小侵襲性手術器具
３８              生検針
４０              自由端
４２              ベース部材
４４              ベースジョイント
４６              一次支持部材
４８              肩ジョイント
５０              上方アーム部材
５２              肘ジョイント
５４              下方アーム部材
５６              前腕ジョイント
５８              指関節部材
６０              手首ジョイント
６２              手首部材
７２              器具座標回路
７４              誘導装置識別回路
７６              機械的アーム組立体位置回路
７８              ルックアップテーブル
８０              器具・手順計画スキャナ相関プロセッサ
８２              器具対患者テーブル相関プロセッサ
８４              テーブルリゾルバ
８６              器具対患者相関プロセッサ
８８              器具対体積測定式画像座標系変換プロセッサ
９０              手順計画データメモリ
９２              ビデオプロセッサ
９４              手順計画座標系
１００            交換可能手術器具誘導装置
１０３            精密ローカライザ装置
１２０            較正ファントム
１２２            Ｘ線撮像可能マーカー
１２４            Ｘ線不透明ファントム本体部材
１２６            平らな底面
１４０            第１較正マーカー
１４２            案内面
１４４            ポケット
１４６            整合領域
１４８            リードイン表面
【図１】
0004340345.tif 000002
【図２】
0004340345.tif 000003
【図３】
0004340345.tif 000004
【図４】
0004340345.tif 000005
【図５】
0004340345.tif 000006
【図６】
0004340345.tif 000007
【図７】
0004340345.tif 000008
【図８】
0004340345.tif 000009
【図９】
0004340345.tif 000010