JP6878435B2 - 医療機器の追跡 - Google Patents

Description

本発明は、医療機器の追跡の分野に関し、具体的には、医療機器の追跡システム、医療機器の追跡方法、コンピュータプログラム要素及びコンピュータ可読媒体に関する。

可動型デバイス、フレキシブルカテーテル又はより硬いアーム若しくはシャフトといった医療機器は、病状の診断及び治療の低侵襲的処置に使用される。幾つかの応用及び状況では、画像支援外科的介入において、例えば動脈及び神経といった重要な周囲構造を損傷することなく繊細な処置を行うために、医療機器の位置及び向きを把握することが重要である。例えば国際特許公開ＷＯ２０１５／０３２６７６Ａ１は、介入デバイスの位置及び形状を決定する電磁追跡センサについて説明している。

幾つかの追跡方法は、データベースに記憶される医療機器の寸法に関する情報を必要とする。例えば米国特許出願公開第２０１２／０２５９２０４Ａ１号は、機器に軸に沿って可視性要素を提供することについて説明している。これにより、特定の機器を特徴付ける要素の位置がデータベースに記憶される。

したがって、限られた数の既知の医療機器しか追跡できない。

医療機器の追跡を容易にする必要がある。

本発明の目的は、独立請求項の主題によって解決される。更なる実施形態は、従属請求項に組み込まれる。なお、以下に説明される本発明の態様は、医療機器の追跡システム、医療機器の追跡方法、コンピュータプログラム要素及びコンピュータ可読媒体に等しく適用される。

本発明の第１の態様によれば、関心フィールド内の細長い医療機器を追跡するシステムが提供される。システムは、追跡装置と処理ユニットとを含む。

追跡装置は、医療機器の画像を取得し、当該画像は、医療機器の先端から離れたマーカ位置で医療機器上に置かれた機器マーカを含む。

処理ユニットは、ｉ）取得された画像内で少なくとも１つの線セグメント及び機器マーカを検出し、ｉｉ）検出された少なくとも１つの線セグメントから、検出された機器マーカに対応する線セグメントを選択することによって医療機器を特定し、ｉｉｉ）基準マーカに接触する医療機器に基づいて、医療機器の先端の位置のオフセットを決定する。

一例では、真っすぐで細長い医療機器が使用される。医療機器が追跡される医療処置中、機器マーカが基準として使用される。医療機器の一部が被験者の中にあっても医療機器の先端位置を示すために、マーカと先端位置とのオフセットが決定される。このために、医療機器を被験者に挿入する前に、被験者上の基準マーカが医療機器先端によって接触される。

機器先端による基準マーカの接触は、追跡装置によって検出される。例えば基準マーカが追跡装置によって提供される画像内で可視である場合、機器先端と医療器具との接触は、提供された画像から検出される。この応用のコンテキストにおいて、「接触」とは、物理的な接触とだけでなく、仮想的な接触（つまり、医療機器を基準マーカの十分に近くにして、したがって、追跡画像のうちの１つ以上の追跡画像では、機器表現とマーカ表現とは重なる）とも理解される。

したがって、接触は、機器の先端自体の位置が、十分な信頼性で追跡画像内に確立されていなくても検出される。

一例では、少なくとも１つの基準マーカが被験者上に提供される。例えば基準マーカのセットが患者の外部上に提供されてもよい。この場合、追跡装置は、機器位置の追跡に加えて、患者の動きも追跡する。

このようにすると、複数の医療機器の幾何学的情報を記憶するデータベースを作成する必要がない。（データベース内の既知の医療機器とは対照的に）未知のデバイスでも、ユーザは、医療機器上の機器マーカを単に使用して、医療機器の一部が被験者内であっても医療機器を追跡することができる。したがって、多様な医療機器を追跡することができる。

「医療機器上に置かれた機器マーカ」との表現は、当該機器マーカが医療機器に取り付けられた別箇のマーカであることと、当該機器マーカが医療機器の一体部分であることとを含む。

一実施形態では、医療機器を追跡するのに単一の機器マーカで十分である。単一のマーカと機器先端とのオフセットは、機器先端と基準マーカとの接触インタラクションによって確実に決定される。

一例によれば、機器マーカは、生体適合反射性塗料、蛍光塗料、固有の反射反応を有し、医療機器を形成する材料及び粘着テープの群のうちの少なくとも１つを含む。

機器マーカは、医療機器に取り付けられる又は噴霧されてよい。

一例によれば、生体適合反射性塗料及び／又は蛍光塗料は、帯域幅選択的である発光を持つ。

このようにすると、反射性塗料又は蛍光塗料の励起／発光は、フィルタリングされた光源及び／又はカメラが位置決定に使用される一方で、シーンのビデオ画像は乱されないままであるように帯域幅選択的である。

或いは又は更に、機器のランドマーク自体が機器マーカとして使用されてもよい。一例では、医療機器の２つの部分間の境界が機器マーカとして使用される。例えば機器のシャフトとハンドル部との境界（境界はシャフト方向に垂直である）が、機器追跡を可能とするように追跡画像内で十分にはっきりと可視である。このような移行部を検出することによって、デバイスに別箇（人工）のマーカを取り付けることなく、機器を追跡することが可能となる。

医療機器を追跡するには、一例では、少なくとも１つのカメラを有する光学追跡装置が使用される。したがって、少なくとも１つのカメラからの画像を使用することによって、医療機器の３次元位置が決定される。一例では、正確な３次元追跡を可能とするために、少なくとも２つの光学カメラが使用される。代案として又は更に、３次元追跡のための入力として、奥行き測定値で向上された光学画像を生成する単一の奥行き分解カメラが使用されてもよい。

或いは、少なくとも２つのカメラと光源とを使用することによって、医療機器の３次元モデルを生成することができる。例えばカメラシステムの前で医療機器を回転させて、一連の画像から３次元モデルを計算することができる。カメラ及び光源は、使用される反射性材料の種類に適した特定の波長フィルタを有してよい。様々な反射性材料及び特定波長のフィルタセットを使用することによって、手術に使用される１つ以上の機器を特定することができる。

本発明の第２の態様によれば、関心フィールド内の医療機器を追跡する方法が提供される。当該方法は、
ａ）医療機器の先端から離れたマーカ位置で医療機器上に置かれた機器マーカを含む医療機器の画像を取得するステップと、
ｂ）画像内で、関心フィールド内の少なくとも１つの線セグメントを検出するステップと、
ｃ）機器マーカを検出するステップと、
ｄ）検出された少なくとも１つの線セグメントから、検出された機器マーカに対応する線セグメントを選択することによって医療機器を特定するステップと、
ｆ）医療機器を用いて基準マーカに接触することによって、医療機器先端の位置のオフセットを決定するステップとを含む。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明される実施形態から明らかとなり、また、当該実施形態を参照して説明される。

本発明の例示的な実施形態は、次の図面を参照して以下に説明される。

図１は、医療機器の追跡システムの一例を概略的に示す。 図２は、関心フィールドの一例を概略的に示す。 図３は、医療機器の追跡方法の一例の基本ステップを示す。 図４は、方法の更なる一例を示す。 図５は、方法の更なる一例を示す。

図面は模式的に説明されているに過ぎず、正確な縮尺ではない。同じ参照符号は、図面全体を通して同じ又は同様の特徴を指す。

図１は、関心フィールド１２内の医療機器１０を追跡するシステム１００を概略的に示す。

システム１００は、追跡装置１６と、処理ユニット１８とを含む。機器マーカ１４の追跡を可能とするために、機器マーカ１４は、マーカ位置２０において医療機器１０上に置かれる。

「関心フィールド」との用語は、外科フィールド、手術フィールド等といった医療機器がその中で使用されるフィールドに関する。

「医療機器」との用語は、生物組織を変更するといった外科処置又は手術中に所望の効果を実行する特定の動作を行う特別にデザインされたツール又はデバイスに関する。

図１に示される例では、医療機器１０は、真っすぐで細長い機器シャフト３０と、ハンドル３８とを含む。機器マーカ１４は、医療機器先端２８から離れて機器シャフト３０上に取り付けられる。或いは又は更に、シャフト３０とハンドル３８との境界が、機器マーカ１４’として使用されてもよい。

したがって、例えば被験者内に挿入された場合に医療機器先端２８が遮られても、機器マーカ１４、１４’が、医療機器先端２８の位置を示す基準を提供することができる。

一例では、機器マーカ１４は、生体適合反射性塗料、蛍光塗料、固有反射反応を有し、医療機器の一部を形成する材料及び粘着テープの群のうちの少なくとも１つを含む。

腫瘍手術に使用される蛍光染料と同様の蛍光染料を蛍光塗料として使用してもよい。当該蛍光塗料は生体適合性があるべきである。蛍光染料の例としては、インドシアニングリーン（ＩＣＧ）、フルオレセイン、フォトフリン、５−アミノレブリン酸（ＡＬＡ）、パテントブルー、メチレンブルー等が挙げられる。

生体適合反射性塗料又は蛍光塗料は、例えば低侵襲外科処置中に、使用される外科又は腹腔鏡機器といった医療機器上に被覆又は噴霧される。

反射性コーティング又は蛍光染料コーティングは、染料又はコーティング材料の効率に基づいて、何回か使用後に再塗布される。コーティング材料は、反復使用のために、高圧滅菌可能又は消毒可能である。

或いは、医療機器の一部、例えばシャフト３０の一部が、固有の反射反応又は蛍光反応を有する材料で作られてもよい。つまり、医療機器の一部が、医療機器先端２８の位置を示す機器マーカとして使用されてもよい。

更なる例では、機器マーカ１４は、例えば医療機器の中心軸の周りに、しっかりと留められるまで巻き付けられる１片の粘着テープである。

粘着テープは、例えば医療機器シャフト上を摺動する例えばシリコーンゴムスリーブ、熱収縮チューブ又は永久的に塗られた、エッチングされた若しくは彫刻されたマーカを含む材料から作られる。

上記機器マーカは、医療機器を取り囲む方向に延在するパターンを任意選択的に有してもよい。

図１に示される例では、機器マーカ１４は、線のパターンを有する。線の本数及び／又は線の太さといった線のパターンは、様々な医療機器を区別するために変えられる。更なる例では、同じパターンがある医療機器は、例えば医療機器のシャフトの太さを利用して区別される。

パターンの他の例としては、例えば２次元バーコード、色コード等が挙げられる。このようにすると、医療機器は全方向において検出又は追跡される。

医療機器１０は追跡装置１６によって追跡される。追跡装置１６は、応用及び状況に応じて、光学追跡装置、超音波追跡装置又は任意の他の適切な追跡装置であってよい。

図１に示される例では、追跡装置１６は、図１に示される２つのカメラといった少なくとも２つの光学センサ３２を含む光学追跡装置であり、複数の医療機器を同時に追跡することができる。互いに対する光学センサ３２の位置及び向きが、例えば剛性機械的構成を介して分かる。これに代えて又は加えて、光学追跡装置は、光学画像を奥行き測定値と共に提供する奥行き分解カメラを含む。

国際特許公開ＷＯ２０１０／０６７２８１Ａ１に説明されるように、例えば光学センサは、医用撮像システム内のＸ線デバイスに対して決定された空間関係で支えられる。

反射性材料又は蛍光材料が使用される場合、光学センサ３２は、使用される反射性材料又は蛍光材料の種類に適した波長フィルタを含む。手術に使用される１つ以上の医療機器は、様々な反射性材料と、特定波長のフィルタセットとを使用することによって特定される。

追跡システム１６は、医用撮像システム（例えば上記ＣアームＸ線システム）の一部として又は別箇の追跡ユニットとして手術セットアップに組み込まれる。

以下、本技術の説明を容易とするために、一般に本明細書では光学追跡装置について説明するが、当然ながら、他の追跡装置も本技術の範囲内である。

図２は、医療機器１０が中にある関心フィールド１２の一例を概略的に示す。

追跡システム１００は、関心フィールド１２内の線セグメント２２（実線で示される）を検出し、図１に示される機器マーカ１４又はマーカ１４’を検出する。処理ユニット１８は、検出された機器マーカに対応する線セグメント２４（破線で示される）を、医療機器１０として選択し、マーカ位置２０を、医療機器先端２８の先端位置のオフセット２６を決定するための基準として使用する。

「オフセット」との用語は、空間的距離に関する。

医療機器の先端位置は、例えばスクリュードライバに取り付けられた椎弓根スクリューである（堅く）接続された部分の長さといった医療機器の可能な延長部を含む。

次に、図１及び図２の両方を参照するに、手術中、追跡システム１６は、関心フィールド１２を撮像し、関心フィールド１２の画像データを取得する。画像は、現実世界における直線が、画像において直線に見えるようにレンズ歪について補正される。しかし、低歪レンズが使用される場合、このステップは省略される。

処理ユニット１８は、例えばハフ（Hough）変換を介して、取得した画像データ内の直線を検出する。

処理ユニット１８は更に、検出された各直線の端点を決定する。検出された各直線について、線の端点間に広がる平面及びカメラ中心が記憶される。

処理ユニット１８は更に、検出された各直線について、各平面対の交差点を決定する。これは、開始点及び終了点を有する３次元線記述をもたらす。

検出された直線に沿って（又はその延長部上で）、機器マーカ１４は、例えばパターン認識によって、少なくとも１つのカメラ画像上で検出される。直線上で取り付けられた機器マーカ１４が検出される当該直線は、医療機器として特定され、追跡される。

例えば追跡画像において、追跡される医療機器１０と基準マーカ３４とのオーバーラップ又は交差が検出されると、つまり、機器１０が、基準マーカ３４まで、所定閾値未満の距離を有すると、オペレータは、先端位置を初期化することができる。基準マーカ３４は、通常、関心フィールド内又は関心フィールドに近いマーカであり、患者の動きを追跡するように使用される。

基準マーカ３４は、医療機器先端２８によって接触されるように設けられ、追跡装置によって得られた画像内に可視である。基準マーカ３４は、例えば円形であるが、医療機器先端２８によるマーカ３４の接触をより確実に確立するために、他の形状が使用されてもよい。例えば図１に示されるマーカ３４は、円形の本体を有し、そこから、機器１０がマーカに隣接するときに、追跡画像におけるマーカ３４の可視性を更に向上させるために、テール部が延在する。

処理ユニットは更に、選択した線セグメント２４に沿った機器マーカ１４と接触した基準マーカ３４との距離を検出し、検出した距離を、マーカ１４と先端位置２８とのオフセット２６を決定するための入力として使用する。

或いは、追跡装置１６は、関心フィールド１２の画像データを取得する。処理ユニット１８は、取得した画像データから３次元モデルを生成し、マーカ位置２０に基づいて、先端位置までのオフセット２６を計算する。

一実施形態（図示せず）では、追跡画像は、ディスプレイの画面上でユーザの目に見える形にされる。この場合、機器先端２８と基準マーカ３４との接触インタラクションに関するフィードバックが拡張現実ビューで与えられる。これにより、ユーザは、機器較正がうまく行われたこと、つまり、先端オフセットが決定されたことの視覚的フィードバックが与えられる。ユーザは、これに基づいて、次に、機器先端が被験者に挿入される介入手順を開始する。

更に、先端オフセットが初期化されると、線セグメントに沿った機器マーカ１４と先端位置２８との間の保存された距離を使用して、仮想機器（図示せず）が患者データ上に表示される。患者データは、低侵襲介入の前に登録される３次元断層撮影データセットであってよい。３次元断層撮影データセットは、例えばＣＴ／ＭＲ（コンピュータ断層撮影／磁気共鳴）データセット又はＸｐｅｒＣＴ／ＶａｓｏＣＴ／アンギオグラフィデータセットであってよい。

或いは、患者データは、追跡カメラ画像のうちの１つ以上の追跡カメラ画像に加えてユーザに示されるライブＸ線データであってよい。

図３は、機器追跡方法２００の一例の基本ステップを示す。方法は次のステップを含む。

第１のステップ２０２（ステップａ）とも呼ぶ）において、医療機器の先端から離れたマーカ位置で医療機器上に置かれた機器マーカを含む医療機器画像が取得される。

第２のステップ２０４（ステップｂ）とも呼ぶ）において、画像内で、関心フィールド内の少なくとも１つの線セグメントが検出される。

第３のステップ２０６（ステップｃ）とも呼ぶ）において、機器マーカが検出される。

第４のステップ２０８（ステップｄ）とも呼ぶ）において、検出された少なくとも１つの線セグメントから、検出された機器マーカに対応する線セグメントを選択することによって医療機器が検出される。

オプションのステップ２１０（ステップｅ）とも呼ぶ）において、選択された線セグメントの向きに基づいて医療機器の向きが決定される。

第５のステップ２１２（ステップｆ）とも呼ぶ）において、医療機器を用いて基準マーカを接触することによって、医療機器先端の位置のオフセットが決定される。

図４は、方法２００のステップｆ）が更に、次のサブステップ：ｆ１）基準マーカを提供するステップ２２２、ｆ２）基準マーカに接触するように医療機器先端を使用するステップ２２４、ｆ３）選択された線セグメントに沿った機器マーカと接触された基準マーカとの距離を検出するステップ２２６と、ｆ４）検出した距離をオフセットとして使用するステップ２２８を含む更なる例を示す。

本発明の別の例示的な実施形態では、上記実施形態のうちの１つによる方法のステップを適切なシステム上で実行するように適応されていることによって特徴付けられるコンピュータプログラム又はコンピュータプログラム要素が提供される。

したがって、コンピュータプログラム要素は、コンピュータユニットに記憶されていてもよい。当該コンピュータユニットも、本発明の一実施形態の一部であってよい。当該コンピュータユニットは、上記方法のステップを行うか又はステップの実行を誘導する。更に、コンピュータユニットは、上記装置のコンポーネントを動作させる。コンピュータユニットは、自動的に動作するか及び／又はユーザの命令を実行する。コンピュータプログラムが、データプロセッサの作業メモリにロードされてよい。したがって、データプロセッサは、本発明の方法を実行する能力を備えている。

本発明のこの例示的な実施形態は、最初から本発明を使用するコンピュータプログラムと、アップデートによって、既存のプログラムを、本発明を使用するプログラムに変えるコンピュータプログラムとの両方を対象とする。

更に、コンピュータプログラム要素は、上記方法の例示的な実施形態の手順を満たすすべての必要なステップを提供することができる。

本発明の更なる例示的な実施形態によれば、ＣＤ−ＲＯＭといったコンピュータ可読媒体が提示される。コンピュータ可読媒体に、コンピュータプログラム要素が記憶され、コンピュータプログラム要素は上記セクションに説明されている。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又は他のハードウェアの一部として供給される光学記憶媒体又は固体媒体といった適切な媒体（具体的には、必ずしもそうである必要はないが、非一時的媒体）上に記憶される及び／又は分散配置されるが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介した形態といった他の形態で分配されてもよい。

しかし、コンピュータプログラムは、ワールドワイドウェブといったネットワークを介して提示され、当該ネットワークからデータプロセッサの作業メモリにダウンロードされてもよい。本発明の更なる例示的な実施形態によれば、ダウンロード用にコンピュータプログラム要素を利用可能にする媒体が提供され、当該コンピュータプログラム要素は、本発明の上記実施形態のうちの１つによる方法を行うように構成される。

なお、本発明の実施形態は、様々な主題を参照して説明されている。具体的には、方法タイプのクレームを参照して説明される実施形態もあれば、デバイスタイプのクレームを参照して説明される実施形態もある。しかし、当業者であれば、上記及び下記の説明から、特に明記されない限り、１つのタイプの主題に属する特徴の任意の組み合わせに加えて、様々な主題に関連する特徴の任意の組み合わせも、本願によって開示されていると見なされると理解できるであろう。しかし、すべての特徴は、特徴の単なる足し合わせ以上の相乗効果を提供する限り、組み合わされることが可能である。

本発明は、図面及び上記説明において詳細に例示され、説明されたが、当該例示及び説明は、例示的に見なされるべきであり、限定的に見なされるべきではない。本発明は、開示される実施形態に限定されない。開示された実施形態の他の変形態様は、図面、開示内容及び従属請求項の検討から、請求項に係る発明を実施する当業者によって理解され、実施される。

請求項において、「含む」との用語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、また、「ａ」又は「ａｎ」との不定冠詞も、複数形を排除するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項に引用される幾つかのアイテムの機能を果たしてもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されることだけで、これらの手段の組み合わせを有利に使用することができないことを示すものではない。請求項における任意の参照符号は、範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (13)

1. 関心フィールド内の細長い医療機器を追跡するシステムであって、
   追跡装置と、
   処理ユニットと、
   を含み、
   前記追跡装置は、前記医療機器の画像を取得し、前記画像は、前記医療機器の先端から離れたマーカ位置で前記医療機器上に置かれた機器マーカを含み、
   前記処理ユニットは、ｉ）取得された前記画像内で複数の線セグメント及び前記機器マーカを検出し、ｉｉ）検出された前記複数の線セグメントから、検出された前記機器マーカに対応する線セグメントを選択することによって前記医療機器を特定し、ｉｉｉ）基準マーカに接触する前記医療機器に基づいて、前記医療機器の前記先端の位置のオフセットを決定する、システム。
2. 前記処理ユニットは更に、選択された前記線セグメントに沿った前記機器マーカと接触された前記基準マーカとの間の距離を検出し、検出された前記距離を前記オフセットの決定において使用する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記機器マーカは、
   生体適合反射性塗料、
   蛍光塗料、
   固有の反射反応を有し、前記医療機器を形成する材料、及び、
   粘着テープの群のうちの少なくとも１つを含む、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記生体適合反射性塗料及び／又は前記蛍光塗料は、帯域幅選択的である発光を持つ、請求項３に記載のシステム。
5. 前記機器マーカは、前記医療機器の表面に沿って接線方向に延在するパターンを有する、請求項１から４の何れか一項に記載のシステム。
6. 前記機器マーカは、前記医療機器の２つの部分間の境界を含む、請求項１又は２に記載のシステム。
7. 前記機器マーカは、ニードルのシャフトとハンドルとの間の境界である、請求項６に記載のシステム。
8. 前記追跡装置は、前記関心フィールドの画像データを取得し、
   前記処理ユニットは、取得された前記画像データから３次元モデルを生成し、前記マーカ位置に基づいて前記先端の位置までの前記オフセットを計算する、請求項１から７の何れか一項に記載のシステム。
9. 前記追跡装置は、少なくとも１つのカメラを含む光学追跡システムである、請求項１から８の何れか一項に記載のシステム。
10. 関心フィールド内の医療機器を追跡する方法であって、
    ａ）前記医療機器の先端から離れたマーカ位置で前記医療機器上に置かれた機器マーカを含む前記医療機器の画像を取得するステップと、
    ｂ）前記画像内で、前記関心フィールド内の複数の線セグメントを検出するステップと、
    ｃ）前記機器マーカを検出するステップと、
    ｄ）検出された前記複数の線セグメントから、検出された前記機器マーカに対応する線セグメントを選択することによって前記医療機器を特定するステップと、
    ｆ）前記医療機器を用いて基準マーカに接触することによって、医療機器先端の位置のオフセットを決定するステップと、
    を含む、方法。
11. ステップｆ）は更に、
    ｆ１）基準マーカを提供するステップと、
    ｆ２）前記基準マーカに接触するように前記医療機器先端を使用するステップと、
    ｆ３）選択された前記線セグメントに沿った前記機器マーカと接触された前記基準マーカとの間の距離を検出するステップと、
    ｆ４）検出された前記距離を前記オフセットとして使用するステップと、
    を含む、請求項１０に記載の方法。
12. プログラムがコンピュータによって実行されると、前記コンピュータに請求項１０又は１１に記載の方法のステップを行わせる命令を含む、コンピュータプログラム。
13. 請求項１２に記載のコンピュータプログラムを記憶した、コンピュータ可読媒体。

Images