JP2007260395A - 医用トラッキング・システム向けの共形的コイルアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】トラッキング・システムで使用される画像取り込み構成要素内の歪み寄与物が生じさせる歪みの影響を低減させるためのシステムを提供すること。
【解決手段】本明細書には、医用電磁気式トラッキング・システム（２００）で使用される医用画像取り込み構成要素（３００）内の歪み寄与物が生じさせる歪みの影響を低減させるための１つまたは複数の実現形態を記載している。医用画像取り込み構成要素（３００）の例には、透視像ガイド下医学的手技で使用されるＸ線画像検出器や外科用顕微鏡が含まれる。本明細書に記載した１つまたは複数の実現形態では、電磁気式トラッカー・ユニット（３１０）が医用画像取り込み構成要素（３００）と共形的に装着されている。
【選択図】図２

Description

医師、外科医及びその他の医学専門職などの医学施術者は、画像ガイド下の手術や検査などの医学的手技を実施する際にテクノロジーに依存することが多い。トラッキング・システム、すなわちナビゲーション・システムが、医用器具（ドリル、カテーテル、解剖刀、観察具、ステントその他のツールなど）の患者や基準座標系に対する位置決め情報を提供することがある。医学施術者は、医用器具が施術者の視野域内にない場合に医用器具の位置を確認するためにトラッキング・システムを参照することがある。トラッキング・システムはさらに、事前の手術計画策定を支援することがある。

トラッキング（または、ナビゲーション）システムによって医学施術者は、患者の解剖構造を視覚化し、かつ医用器具の位置及び向き（本明細書では、「Ｐ＆Ｏ」と呼ぶ）をトラッキングすることが可能となる。医学施術者はトラッキング・システムを使用して器具が所望の箇所に位置決めされたことを判定することができる。医学施術者は、別の解剖学的構造を避けながら所望の部位または傷害部位を突き止めてこれに対して施術を行うことができる。

トラッキング・システムは例えば、超音波式、慣性位置式または電磁気式のトラッキング・システムとすることがある。周知の電磁気式トラッキング・システムは、受信器及び送信器としてコイルを利用している。本明細書では電磁気式トラッキング・システム（本明細書では、「ＥＭトラッカー」と呼ぶ）に焦点を当てることにする。ＥＭトラッカーでは、送信コイル（複数のこともある）が疑似静磁場を送出し、受信器コイル（複数のこともある）が受信した磁場を計測する。コイルの磁場計測及び数学モデルから、送信器に対する受信器のＰ＆Ｏが決定される。別法として、受信器に対する送信器のＰ＆Ｏが決定される。これから、患者の対応する解剖構造に対する医用器具のＰ＆Ｏが決定される。

ＥＭトラッカーは様々なコイルアーキテクチャによって構築することが可能である。工業標準コイルアーキテクチャ（ＩＳＣＡ）ＥＭトラッカーは、送信器用のほぼ共配置性ほぼ直交性ほぼ双極子性の３つ組コイルと、受信器用のほぼ共配置性ほぼ直交性ほぼ双極子性の別の３つ組コイルと、を使用する。各３つ組コイルは、製造中に前文の「ほぼ」を付けた属性に対する正確な値を数値的に表すように注意深く特徴付けされる。コイルの磁場計測及び数学モデルから、送信器に対する受信器のＰ＆Ｏが決定される。別法として、受信器に対する送信器のＰ＆Ｏが決定される。６つの自由度（位置に関する３つと向きに関する３つの自由度）のすべてがトラッキングを受ける。

単独コイルＥＭトラッカーは単独の双極子またはほぼ双極子性の送信コイルと６つ以上の受信器コイルからなるアレイとを使用しているか、さもなければ単独の双極子またはほぼ双極子性の受信器コイルと６つ以上の送信コイルからなるアレイとを使用している。電磁気的な相反関係によって、これら２つの配列は機能的に同等である。アレイ内のコイルは、双極子、ほぼ双極子、あるいは非双極子性のコイル（あるいは、これらの組み合わせ）とすることがある。アレイ内のコイルは該アレイ状コイルの数学モデルが得られるように精密に製造されるか、製造中に精密に特徴付けされるかのいずれかとしている。単独のコイルは特徴付けする必要がない。

磁場計測及び数学モデルから、単独コイルのアレイに対するＰ＆Ｏがトラッキングを受ける。単独コイルはその横転軸の周りに対称であるため、Ｐ＆Ｏは５つの自由度（位置に関する６つと向きに関する２つ）のみがトラッキングを受ける。単独コイルのゲインもトラッキングを受ける。

このコイルアレイは、プリント回路基板として、若しくは巻きつけたコイルからなるアレイとして、あるいはこれら両者の組み合わせとして製作することができる。アレイ内のコイルの配列は、単独コイルＥＭトラッカーに関する様々な実現形態において大幅に異なる。このアレイは、アレイの設計の一部として電気伝導性材料または強磁性材料を含むことがある。

典型的には、トラッカー受信器ユニット（もちろん、これを送信器ユニットとすることも可能である）がトラッキング対象の医用器具に装着される。さらに、トラッカー受信器ユニットは、同じくトラッキングを受ける別の構成要素に装着される。例えば従来の透視像ガイド下手技では、１つまたは複数のＩＳＣＡ受信器が透視装置のＸ線画像検出器上に取り付けられている。透視像を取得したときに、トラッキング・システムはＸ線画像検出器を、これに取り付けたＩＳＣＡ受信器を介してトラッキングする。この方法によって、トラッカーは患者の対応する解剖構造に対するＸ線画像検出器のＰ＆Ｏを決定することが可能である、したがって、トラッキングを受ける別の医用器具や構成要素の相対的Ｐ＆Ｏの決定が可能である。

従来の透視像ガイド下手技以外に、トラッカー受信器ユニットは手術用の外科顕微鏡（例えば、頭蓋の内部にある）にも装着される。この例示的な用途では、ＩＳＣＡ送信器は、患者の解剖構造に対する動的な基準を提供するために患者の頭蓋にしっかりと固定される。ＩＳＣＡ送信器を基準とした（したがって、患者の解剖構造を基準とした）外科用器具のＰ＆Ｏをトラッキングするように外科用器具に対して１つまたは複数のＩＳＣＡ受信器が装着される。

器具のリアルタイムでの位置及び向きは患者の解剖構造の術前画像上に重ね合わせられる。ＩＳＣＡ送信器を基準とした（したがって、患者の解剖構造を基準とした）外科用顕微鏡の見通し線をトラッキングできるように外科用顕微鏡上に１つまたは複数のＩＳＣＡ受信器が取り付けられる。顕微鏡の見通し線に沿った顕微鏡焦点の位置が顕微鏡から読み取られる。この情報によって、ＩＳＣＡ送信器を基準とした（したがって、患者の解剖構造を基準とした）顕微鏡焦点の位置を決定することができる。顕微鏡焦点及び焦点軸に関するリアルタイムのＰ＆Ｏは次いで、患者の解剖構造の術前画像上に重ね合わせられる。器具に関するリアルタイムのＰ＆Ｏも、患者の解剖構造の術前画像上に重ね合わせられる。

これらの例示的なコンテキスト（従来の透視像ガイド下手技や顕微鏡像ガイド下手技）、並びにその他の同様のコンテキストにおける大きな問題点の１つは、医用構成要素内の電気伝導性材料や強磁性材料（本明細書では、「歪み寄与物」と呼ぶ）がこれらの構成要素に取り付けたＩＳＣＡ受信器の近傍の磁場を歪ませることである。従来の透視像ガイド下手技のケースでは、Ｘ線画像検出器内の歪み寄与物が検出器に取り付けたＩＳＣＡ受信器の近傍の磁場を歪ませている。従来の顕微鏡像ガイド下手技のケースでは、顕微鏡内の歪み寄与物が顕微鏡に取り付けたＩＳＣＡ受信器の近傍の磁場を歪ませている。ＩＳＣＡ式ＥＭトラッカーはこうした磁場歪みに極めて影響されやすく、このためトラッキングが不正確となったり、また極端なケースではトラッキングが全くできなくなる。

画像取り込み構成要素（例えば、Ｘ線画像検出器や外科用顕微鏡など）内の歪み寄与物が生じさせる歪みを緩和させるために従来では、歪みマッピング／較正及び離間式取り付けという２つの方式が利用されている。

歪みマッピング／較正：検出器の歪み寄与物が生じさせる歪みが製造時点集約的なロボット工学的マッピング手順の間に計測されかつマッピングされる。この方法では、使用中にトラッキング・エラーがマッピングされかつ較正される。さらに、正確なトラッキングの限界は実際の使用に先だって決定することが可能である。換言すると、検出器の正確なＰ＆Ｏは規定された条件下では決定可能でない可能性がある。

離間式取り付け：検出器の歪み寄与物と受信器自体との間に距離をおくような方式でＩＳＣＡ受信器がしっかりと取り付けられる。この方法では、磁場歪みの影響を低減させるために受信器を検出器の表面から離間させている。この従来の方式を図１に表している。画像取り込み構成要素１００はその全体を１つのボックスで表している。画像取り込み構成要素の例には、Ｘ線画像検出器や外科用顕微鏡が含まれる。取り付けブラケット１１０がＥＭ受信器１２０を画像取り込み構成要素１００に装着している。取り付けブラケット１１０は、ＥＭ受信器１２０を画像取り込み構成要素の表面１００（及び、その内部にある歪み寄与物）から物理的に離間させるように設計されている。
米国特許第６３７４１３１号

このためこの従来の方式では、画像取り込み構成要素内の歪み寄与物が生じさせる歪みの影響を低減しようとする中で次の点が問題となる。

所望のある位置及び向きでは画像取り込み構成要素のトラッキングが不可能であること。

受信器が画像取り込み構成要素から突き出るため邪魔になること。

高価なマッピング製造プロセスが必要となること。

医用電磁気式トラッキング・システムで使用される医用画像取り込み構成要素内の歪み寄与物が生じさせる歪みの影響を低減させるための１つまたは複数の実現形態について本明細書に記載している。医用画像取り込み構成要素の例には、透視像ガイド下医学的手技や外科用顕微鏡で使用されるＸ線画像検出器が含まれる。本明細書に記載した１つまたは複数の実現形態では、医用画像取り込み構成要素に対して電磁気式受信器ユニット（または、送信器ユニット）が共形的に装着されている。

この概要自体は本特許の趣旨並びに添付の特許請求の範囲を制限することを意図していない。さらに、本特許の題名も本特許の趣旨を制限することを意図していない。本発明の理解を深めるためには、添付の図面に関連して取り上げた以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を参照されたい。本発明の趣旨は添付の特許請求の範囲に指摘してある。

図面の全体を通じて同じ要素及び特徴を示すために同じ番号を使用している。

本明細書に記載した１つまたは複数の実現形態は、医用電磁気式トラッキング・システムで使用される医用画像取り込み構成要素内の歪み寄与物が生じさせる歪みの影響を低減させるためのものである。医用画像取り込み構成要素の例には、透視像ガイド下医学的手技や外科用顕微鏡で使用されるＸ線画像検出器が含まれる。本明細書に記載した１つまたは複数の実現形態では、医用画像取り込み構成要素に対して電磁気式受信器ユニット（または、送信器ユニット）が共形的に装着されている。

本明細書に記載した１つまたは複数の実現形態を使用すると、従来の方式で可能であったものと比べてより広い空間領域にわたって医用画像取り込み構成要素をトラッキングすることが可能である。さらに各場合において、高価でありかつ時間がかかる歪みマッピングが低減される、または不要となる。
［例示的な電磁気式トラッキング・システム］
図２は、本明細書に記載した一実施形態により使用される例示的な電磁気式トラッキング・システム（「トラッカー」）２００を表している。トラッカー２００は、送信器２１０、トランスポンダー２１５、受信器２２０及びトラッカー電子回路２３０を含む。送信器２１０は送信器信号を送出する。トランスポンダー２１５は送信器信号を受け取り、トランスポンダー信号を送出する。受信器２２０は送信器信号及びトランスポンダー信号を検出する。トラッカー電子回路２３０は受信器２２０が受け取った信号を解析し、トランスポンダー２１５を特定しかつトランスポンダー２１５の位置を決定する。図２はさらに、トラッキング・システムと連係して使用することがある画像取り込みサブシステム２４０も表している。

少なくとも１つの記載した実施形態では、トランスポンダー２１５は単独コイル・トランスポンダーである。トランスポンダー２１５は電池駆動式のワイヤレス・トランスポンダー、受動型トランスポンダー、あるいは単独コイル配線トランスポンダーとすることがある。

幾つかの医学的手技の間では、医用器具の一部が患者の解剖構造の一部によって不明瞭となる、あるいは覆われることがある。例えば、患者の腹部にわずかな切開部がつくられて針や套管針などの医用器具が該切開部内に挿入されることがある。切開部を通って針や套管針が挿入された後では、この針や套管針のうちの患者の腹部の内部にある部分を外科医が確認することができない。

針の先端を所望の関心領域に導くために、この針の先端の近くにトランスポンダーを配置させることがある。送信器によって患者の解剖構造を通過して伝播する送信器信号を送出することができる。この送信器信号は針の先端上に配置されたトランスポンダーに当たる。これに応答して、トランスポンダーはトランスポンダー信号を送出する。

このトランスポンダー信号は受信器によって受け取られる。このトランスポンダー信号は、受信器と結合させたトラッキング・システムによって処理される。トラッキング・システムはこのトランスポンダー信号を使用してトランスポンダーの位置を計算することが可能である。このため、送信器、トランスポンダー、受信器及びトラッキング・システムを使用すると、医学的手技中に医用器具の一部分を特定し位置を知ると共に、医用器具の関心領域までのナビゲーションを支援することが可能である。
［例示的な共形的電磁気式トラッカー］
図３は、例示を目的として、例示的な画像取り込み構成要素３００を表わすと共に、その構成要素の全体を１つのボックスで表している。画像取り込み構成要素の例には、Ｘ線画像検出器や外科用顕微鏡が含まれる。取り付けブラケット（図１に示したブラケット１１０のようなブラケット）を有するのではなく、画像取り込み構成要素３００に対してＥＭ受信器３１０が直接取り付けられている。より厳密には、ＥＭ受信器３１０が、装着させる領域の全体にわたって構成要素の表面と形状一致するようにして画像取り込み構成要素３００に装着されている。これを共形的な装着または共形的な取り付けということがある。共形的取り付けによって従来の画像取り込み構成要素１００の歪み寄与物に関する磁場歪みの影響が排除される。図３に示したＥＭ受信器３１０は図２に示した受信器２１０とすることがある。

単独コイルＥＭトラッカーの欠点の１つは、コイルアレイを配置させる場所を見出さねばならないことである。最良の動作のためには、このアレイを空間全体に物理的に拡げる必要がある。マルチチャンネル単独コイルＥＭトラッカーは２つまたは３つの単独コイルを同時にトラッキングできることに留意されたい。２つ以上の単独コイルがその軸を異なる方向に向けた状態で互いにしっかりと取り付けられると共に２つ以上の単独コイルとしてまたは１つのグループとしてトラッキングを受けると、単独コイルからなる該組に関して６つの自由度のすべてをトラッキングすることが可能である。

本明細書に記載した１つまたは複数の実現形態では、そのＥＭ受信器３１０をコイルアレイとすることがある。さらに、このコイルアレイをトラッキングするためにマルチチャンネル単独コイルＥＭトラッカーを使用することがある。このコイルアレイは、磁場歪みの影響及び機械的要件をアレイ設計に組み込むような方式で画像取り込み構成要素３００の表面に形状一致するように構築される。この方法では、所与のタイプのアレイのある具体的な実体（すなわち、具体的な連続番号）が発生させた磁場を正確に特徴付けるためには、数個の点で取得した計測値だけで十分である。

Ｘ線検出器及び顕微鏡は、検出器や顕微鏡の内部に対する電磁気的干渉を防止するために電気伝導性材料から構築されたハウジングを有する。電気伝導性金属は、堅牢な構造を構築するための優秀な機械的特性を有する。したがって、電気伝導性シート上に配置させたコイルアレイは、ハウジング上への配置に適する。

ソレノイドコイルをそのコイル軸を電気伝導性シートと平行にした状態で該シートに押し当てて配置させると、コイルの磁気像は当該コイルと平行でありコイルの隣りにくることになる。したがってこのコイルが送出した磁場はシートのない磁場と比べて増大する。このことは電磁気学においてよく知られている。

長くて細い強磁性ロッドの周りにソレノイドコイルを巻きつけると、得られるコイルはコイル軸（ロッドの長さ）の方向で寸法が大きくとなり、またこれ以外の２つの軸方向で寸法が小さくなる。例えば、＃５６のワイヤを１５０００周回させたコイルを直径が０．５ミリメートルで長さが８ミリメートルの強磁性のコア上に巻きつけると、直径が２ミリメートルで長さが８ミリメートルのソレノイドコイルが得られる。

したがって、画像取り込み構成要素３００のハウジングの表面に押し当てて配置させると、こうしたコイルの１つまたは幾つかはハウジングからわずかな高さしか占有しない。

共形的な装着には、「面一取り付け（ｆｌｕｓｈ ｍｏｕｎｔｉｎｇ）」の考え方も含まれる。画像取り込み構成要素３００のハウジングから出るようにノッチまたはアルコーブを形成させることがある。このアルコーブは、受信器の露出された表面が構成要素の残りの表面と形状一致するようにしてその内部にＥＭ受信器３１０を受け容れるような形状としている。これが面一取り付けである。面一取り付けされたＥＭ受信器３１０は依然として十分な磁場放出を有することになる。
［別の用途、実現形態、及び詳細］
本明細書の検討は、医用トラッキングすなわちナビゲーション・システムの細目（特に、患者の解剖構造内の医用器具のトラッキングに対する使用）に焦点を当てている。しかし、記載したこれら細目の詳細は単に一例である。

記載した実現形態の機能は、多種多様な用途において医用器具以外のアイテムの位置を正確にトラッキングすることが望ましい場合にも、多種多様な用途で利用されることがありかつ利用することが可能である。すなわち、トラッキング・システムは、対象または環境内における器具の位置を視覚的検査によって正確に決定することが困難であるような別の設定においても使用されることがある。

例えば、トラッキング・テクノロジーは法医学用途やセキュリティ用途で使用されることがある。小売店が商品の盗難を防止するためにトラッキング・テクノロジーを使用することがある。こうしたケースでは、商品上に受動型トランスポンダーを配置させることがある。小売り施設内に送信器を効果的に配置させることがある。この送信器は、トランスポンダーからの応答を生成するように設計した周波数をもつ励起信号を放出する。トランスポンダーを付けた商品が送信器の送信レンジ内部に来ると、トランスポンダーが応答信号を発生させてこれが受信器によって検出される。次いで受信器は、その応答信号の特性に基づいてトランスポンダーの位置を決定する。

トラッキング・システムはさらに、バーチャルリアリティシステムやシミュレータでも使用される。シミュレーション対象の環境内にいる人の位置を監視するためにトラッキング・システムが使用されることがある。人または物の上に１つまたは複数のトランスポンダーを配置させることがある。送信器が励起信号を放出し、またトランスポンダーが応答信号を生成する。この応答信号は受信器によって検出される。トランスポンダーが放出した信号は次いで、シミュレーション対象の環境内の人や物の位置を監視するために使用されることがある。

相反関係によって、どちらのコイルが送信器でどちらが受信器であるかによらず２つのコイルの相互インダクタンスは同じであることを想起されたい。したがって、このコンテキストが違わない限り、本明細書において送信器及び受信器を検討する際に、受信器と送信器の相対的位置決め及び機能は交換可能であることを読者は理解すべきである。相互インダクタンスのために、受信器と送信器を交換した実現形態の機能も受信器と送信器を交換しない実現形態の機能と同じままである。

さらに本明細書に記載した技法は、医用デバイス、医用システム、プログラム・モジュール、汎用及び特殊用途のコンピュータ・システム、ネットワークサーバ及び装置、専用の電子回路及びハードウェア、並びに１つまたは複数のコンピュータ・ネットワークの一部（ただし、これらに限らない）を含むような多くの方法で実現することができる。

上述した１つまたは複数の実現形態を、構造上の特徴及び／または方法の各工程に特異的な用語によって記載してきたが、記載したこの特異的な特徴や工程を用いずに別の実現形態が実施されることもあることを理解されたい。これらの特異的な特徴及び工程はむしろ、１つまたは複数の実現形態の好ましい形態として開示したものである。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

電磁気式トラッカー受信器ユニット及び画像取り込み構成要素の従来の配列を表した図である。 本明細書に記載した１つまたは複数の実現形態による電磁気式トラッキング・システムの図である。 電磁気式トラッカー受信器ユニット及び画像取り込み構成要素に関する本明細書に記載した１つまたは複数の実現形態による新規の配列を表した図である。

符号の説明

１００ 画像取り込み構成要素
１１０ 取り付けブラケット
１２０ ＥＭ受信器
２００ 電磁気式トラッキング・システム
２１０ 送信器
２１５ トランスポンダー
２２０ 受信器
２３０ トラッカー電子回路
２４０ 画像取り込みサブシステム
３００ 画像取り込み構成要素
３１０ ＥＭ受信器

Claims (10)

1. 医学的手技中に画像を取り込むように構成した画像取り込みサブシステム（２４０）と、
   医学的手技中に１つまたは複数の医用器具及び前記画像取り込みサブシステムの１つまたは複数の画像取り込み構成要素（３００）をトラッキングするように構成した電磁気式トラッキング・サブシステム（２３０）と、
   前記画像取り込みサブシステムの画像取り込み構成要素（３００）のうちの前記電磁気式トラッキング・サブシステムによりトラッキングを受けている１つの構成要素に対して共形的に取り付けられたトラッカー・ユニット（３１０）であって、該ユニットが取り付けられる画像取り込み構成要素の表面と該ユニットが形状一致するようにして共形的に取り付けられているトラッカー・ユニット（３１０）と、
   を備える医用トラッキング・システム（２００）。
2. 前記トラッカー・ユニット（３１０）が受信器（２１０）である、請求項１に記載のシステム（２００）。
3. 前記トラッカー・ユニット（３１０）が送信器（２２０）である、請求項１に記載のシステム（２００）。
4. 前記ユニット（３１０）は取り付けられる画像取り込み構成要素が電気伝導性材料からなるハウジングを有する、請求項１に記載のシステム（２００）。
5. 前記共形的に取り付けられるトラッカー・ユニット（３１０）は画像取り込み構成要素のうちの前記１つに面一取り付けされている、請求項１に記載のシステム（２００）。
6. 画像取り込みサブシステム（２４０）の画像取り込み構成要素（３００）に取り付けられたコイルアレイを備えたトラッカー装置（３１０）であって、該画像取り込み構成要素は電磁気式トラッキング・サブシステム（２３０）によってトラッキングされており、該画像取り込みサブシステムは医学的手技中に画像を取り込むように構成されており、該電磁気式トラッキング・サブシステムは医学的手技中に１つまたは複数の医用器具及び画像取り込みサブシステムの１つまたは複数の画像取り込み構成要素をトラッキングするように構成されており、該コイルアレイは該アレイが画像取り込み構成要素の表面と形状一致するようにして共形的に取り付けられているトラッカー装置（３１０）。
7. 前記コイルアレイは少なくとも１つのソレノイドコイルを含む、請求項６に記載の装置（３１０）。
8. 前記コイルアレイが取り付けられる画像取り込み構成要素（３００）は電気伝導性材料からなるハウジングを有する、請求項６に記載の装置（３１０）。
9. 前記電磁気式トラッキング・サブシステム（２３０）は前記共形的に取り付けられたコイルアレイをトラッキングするように構成したマルチチャンネル単独コイル電磁気式トラッカーを備える、請求項６に記載の装置（３１０）。
10. 前記共形的に取り付けられるコイルアレイは前記画像取り込み構成要素に対して面一取り付けされている、請求項６に記載の装置（３１０）。