JP2013530028A - 擬似特徴を使用する腹部表面マッチングのためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

経皮的外科応用における画像誘導治療（ＩＧＴ）（画像誘導インターベンション（ＩＧＩ）とも呼ばれる）のための登録を目的として処置前画像を使用するためのシステムおよび方法。擬似特徴ならびに患者の腹部および臓器の表面を使用して誘導のために必要な登録および関係の設定を行う。誘導情報を高度化するために血管系、腫瘍、および臓器の三次元画像を生成できる。本発明は詳細な処置前計画を容易とし、それにより処置時間を著しく短縮する。それは、放射線に対する患者の被曝も最小化する。

Description

本出願は、２０１０年５月４日にLogan W. Clementsらにより提出され、この出願日の優先権をもつ米国仮特許出願第６１／３３１，２５２号の利益および優先権を主張する。米国仮特許出願第６１／３３１，２５２号の明細書、図面および完全開示は、すべての目的のために特定の引用により本明細書に包含される。

本発明は、NIH SBIR Grant Contract No. CA119502による米国政府の部分的支援の下に行われた。米国政府は、この発明に一定の権利をもつ。

発明の分野
本発明は、一般的に経皮的外科処置中の画像誘導のための腹部表面マッチングのためのシステムおよび関連方法に関する。

発明の背景
しばしば画像誘導インターベンション（ＩＧＩ）とも呼ばれる画像誘導治療（ＩＧＴ）は、腹部臓器腫瘍の位置特定のための使用において広範な注目および臨床的容認を得ている。ＩＧＴを利用する処置は、腫瘍の生検およびアブレーションを含んでいるが、それらに限定されない。

ＩＧＴは、基本的に経皮的処置中における医用画像の相互作用的利用を記述し、しばしばインターベンション的放射線医学のための「グローバル・ポジショニング・システム」（ＧＰＳ）と呼ばれる。たとえば、自動車用ＧＰＳにおいて、車両の現在位置はダッシュボード上に位置する電子道路地図に正確に表示されるか、または「登録」される。自動車の移動につれて、その位置は、この道路地図上で更新される。運転者は、ＧＰＳの案内により自分の車両がいまどこにいるか、どこにいたか、どこに向かっているか知ることができ、そして、選択した目的地への計画経路をたどることができる。ＩＧＴは、インターベンション的処置に先立って理想的に獲得され、十分に検討される患者の高精度断層撮影医用画像を示す３−Ｄ「道路地図」上の追跡される医療機器により、医師が同じことを行うことを可能にする。ＩＧＴ処置における重要な段階は、実際の「患者」空間と医用画像空間間の精密な登録である。

理想的なＩＧＴ処置では、種々の分野の種々の医師と協議して実際の処置のおそらく数日前の術前診断画像から３Ｄマップまたは計画図を生成する。経皮的処置の当日、患者および医療機器の位置は、インターベンション室のこれらの術前画像上に正確に表示されるか、または「登録」される。医師が装置を移動すると、その先端の正確な位置が３−Ｄ画像上で更新される。これにより医師は、選択された目的地（たとえば、腫瘍またはその他の対象病変）への計画された経路を迅速にたどることができる。装置の正確な位置は、術中コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、２−Ｄ蛍光透視法、または超音波（ＵＳ）撮像等を含むリアルタイム画像の形式で確認される。

すべての目的のために特定の引用により本明細書に全面的に包含されている米国特許第７，８５３，３０７号、「 Methods, Apparatuses, And Systems Useful In Conducting Image Guided Interventions」は、非組織基準マーカー／皮膚基準マーカーを使用して術前画像を患者空間に登録する方法を開示している。この発明は、患者の腹部に貼付されるＸ線不透過基準マーカー（皮膚基準マーカーとも言われる）および処置直前の患者の腹部の全面ＣＴスキャン（処置中画像とも言われる）を使用し、かつ、ポイントベースの登録を行って腹部上の基準マーカーの位置と処置中ＣＴ画像上のその対応する位置間の対応を実現する。同様に、すべての目的のために特定の引用により本明細書に全面的に包含されている米国特許第６，７８５，５７１号、「 Device and Method for Registering A Position Sensor In An Anatomical Body」は、患者の身体に挿入された追跡される装置を使用して術前画像を患者空間に登録する方法を開示している。

これらの先行技術には、両方とも、インターベンション処置中に非常に詳細な診断画像を容易に使用することができないという欠点がある。これは、医師が病変および血管系の詳細画像を利用できないこと、および理想的な処置計画を生成する時間をもたないということも意味する。既存技術は、患者を少なくとも２回（処置前診断画像のために１回および処置中画像のために２回目）スキャンすることも必要としているが、これは患者のＸ線放射被曝を増大する。したがって、高品質診断ＣＴまたはＭＲ医療画像を使用する登録を行うことにより、経皮的誘導のためにこれらの画像を直接使用することが理想的である。先行技術において検討されているポイントベース登録技法は正確でなく、不正確な登録はインターベンション処置中の誘導の精度を落とす。

すべての目的のために特定の引用により本明細書に全面的に包含されている米国特許出願第６０／８５９，４３９号、「 Apparatus And Methods For Compensating For Organ Deformation, Registration Of Internal Structures To Images, And Applications Of The Same」は、術前診断画像を使用する登録を行う方法について詳述している。当該特許において開示されている登録方法は、術前診断画像から生成される表面および外科的またはインターベンション的処置中に得られる表面ならびに「突起解剖学的特徴」（両方の表面上で容易に識別できる解剖学的領域）を使用し、かつ、外科的またはインターベンション的処置中に得た表面を術前表面と位置合わせさせるために剛体表面ベースの登録を行う。しかしながら、この方法は、「突起解剖学的特徴」が両方の組の表面上で容易に識別できるという仮定に依存している。さらに、「突起解剖学的特徴」は、経皮的処置中には入手され得ない。したがって、皮膚マーカーおよび突起解剖学的特徴以外の何かを使用する登録を行う必要がある。

画像誘導外科手術において突起解剖学的特徴を使用する表面登録は、 Clementsらによる“ Robust surface registration using salient anatomical featues in image-guided liver surgery,” Medical Imaging 2006: Visualizaton, Image-guide Procedure, and Display: Proc. of the SPIE (2006)および Clementsらによる“ Robust surface registration using salient anatomical featues for image-guided liver surgery: Algorithm and validation,” Medical Physics, Vol. 35, No. 6 pp. 2528-2540 (2008)においてより詳しく述べられている。これらのコピーは、特別の引用によりこの出願に全面的に含まれている米国仮出願第６１／３３１，２５２号に添付されている。

発明の概要
本発明は、種々の実施形態において、インターベンション誘導のために対比処置前画像を使用するシステムおよび方法を含んでいる。先行技術は処置中画像を使用するので、医師は、３Ｄ画像を生成するために十分な時間をもつことができず、また、詳細な処置計画を生成する時間もない。対照的に、本発明は、血管系、腫瘍、および臓器の３Ｄ画像を高度誘導情報のために使用する。さらに、本発明は、周到な処置前計画を容易とし、それにより処置時間を著しく低減する。本発明は、処置中画像の代わりに処置前画像を使用するので、それは患者の放射線被曝も最小化とする。それは、透視室への取り込みのために作業の流れの観点からも効率的である。

本発明の１つの実施形態では、登録のためおよび誘導のために必要な関係を確立するために擬似特徴（ pseudo-features）および表面を使用する。擬似特徴は、患者の外部表面上で識別された明確な特徴を含み、非接触撮像装置（レーザー・レンジ・スキャン等）または接触式撮像装置（手持ち超音波プローブまたは光学的に追跡されるペンプローブ）を使用して入手することができる。対応する擬似特徴は、患者の術前診断画像から入手した外部術前表面上に記録される。登録アルゴリズムにより擬似特徴を外部表面と組み合わせる。

他の実施形態では、本発明は、登録のために擬似特徴のほかに臓器表面も使用する。１つの例示的実施形態では、術前診断画像から入手した肝臓の表面などの臓器表面および術中超音波または術中ＣＴ等の術中撮像装置を使用して入手した肝臓の術中表面記述を使用する。これらの臓器表面は、外部表面および擬似特徴を使用して入手した登録を精緻化するために使用するか、または登録のための主表面として使用する。

この登録の他の例示的実施形態は、術前診断画像および術中画像（それが得られた場合）を使用する画像ベース登録等を含むが、これらに限定されない。

図１は、腹部表面獲得のために使用するハードウェアの例を示す。 図２は、追跡される経皮的アブレーション機器（percutaneous ablation instrumentation）の位置を処置前断層撮影画像データ上にマッピングするためのナビゲーション・ソフトウェア・プログラム・インターフェースの例を示す。 図３は、処置術前画像データから擬似特徴を描写するプロセスを示す。 図４は、擬似特徴領域の描写後の表面登録のプロセスを示す。 図５は、確認試行において使用した腹部表面および臓器モデルの画像の例を示す。 図６は、サンプル腹部登録結果の画像の例および２つの表面間の最接近点距離測定値のテクスチャ・マッピングを示す。 図７は、サンプル腹部登録結果の画像の別の例および２つの表面間の最接近点距離測定値のテクスチャ・マッピングを示す。 図８は、サンプル腹部登録結果の画像のもう１つの例および２つの表面間の最接近点距離測定値のテクスチャ・マッピングを示す。

例示的実施形態の詳細な説明
１つの例示的実施形態では、本発明は、経皮的外科処置中に画像誘導を提供するために、腹部の処置中表面画像を処置前画像データ（たとえば、磁気共鳴画像（ＭＲＩ）またはコンピュータ断層撮影（ＣＴ）結果）から抽出した表面に登録するフレームワークを提供することを意図する。登録は、２つの座標空間間の数学的関係を決定する方法であり、かつ、画像誘導外科（ＩＧＳ）装置の重要な構成要素である。ＩＧＳの目標は、医師が、追跡される外科機器のオーバーレイ・ディスプレイ経由のインターベンション中に、高解像度・高コントラストの処置前断層撮影画像データを相互作用的に使用できるようにすることである。

腹部の処置中表面画像は、レーザー・レンジ・スキャン（ＬＲＳ）技術を使用して、光学的に追跡されるスタイラスペンにより手動的に、または腹部表面抽出のために使用できるその他の画像モダリティを経由して獲得することができる（たとえば、処置中に得られる超音波、ＣＴ、またはＭＲＩ画像）。次に画像誘導システム内で登録プロセスを使用して、インターベンション内における誘導のために処置前画像データを相互作用的に使用するために必要な数学的マッピングを与える。

本発明の例示的実施形態において使用される主なハードウェア構成要素は、経皮的処置中の表面および擬似特徴の獲得の方法に特に関連する要素を含む。光学的に追跡されるプローブ２（左）およびレーザー・レンジ・スキャナー４（右）を含むかかるハードウェアの例を図１に示す。市販追跡装置（ Northen Digital, Inc., Waterloo, Ontarioにより供給されているもの等）とともに使用するように設計されている光学的に追跡されるプローブを使用して手動の表面獲得および擬似特徴描写を達成することができる。レーザー・レンジ・スキャン（ＬＲＳ）技術を使用して非接触式により高解像度表面スキャン・データを生成することができる。これらの技術は例示的実施形態として両方とも等しく有用であるが、術中ＵＳ、ＣＴ、またはＭＲ等を含むがそれらに限定されないその他の方法の腹部表面獲得も使用できる。

経皮的処置中に表面データ獲得を実行できるハードウェアのほかに、本発明の１つの実施形態の方法およびシステムを使用する画像誘導装置もソフトウェア・インターフェース経由で誘導情報を提供できる。図２は、追跡される経皮的アブレーション機器の位置を処置前断層撮影データ上にマップするために本発明の１つの実施形態を使用するナビゲーション・ソフトウェア・インターフェースの例を示す。１つの特定の例においては、本発明の例示的実施形態を使用して処置前断層画像データ上における追跡される機器の位置の表示（図２において十字線６として示す）を可能にする数学的変換を計算する。十字線６の位置は追跡される先端位置を示す一方、ライン８（１つの実施形態では青色）は装置の軌跡を示す。これより精巧な画像も提供することができる。その場合、装置の軌跡を表示し、かつ、軌跡および装置の位置を手術前に計画したターゲットに対して相対的に表示することができる。この機能は、本発明の例示的実施形態と先行技術間の差別化要素であることに注意するべきである。特に、処置前画像データを誘導のために使用することにより、処置前計画および３−Ｄモデル生成が可能になる。図２の右下隅に示した誘導画面は、先行技術では現在不可能である。

１つの例示的実施形態では、本発明の登録方法は、次のステップを含む。

１．処置前画像データからの腹部表面の抽出および擬似特徴の描写
第１に、腹部表面を処置前画像データから抽出する。１つの実施形態では、腹部表面抽出方法は、腹部臓器の実質（ paranchyma）内のシード点の入力を契機として開始される半自動プロセスである。このシード点から、組織領域と空気領域間の差異を決定することができ、そして腹部を抽出することができる。次に、先行技術において肝臓表面生成のために記述されている方法と同じ方法により、セグメント化された腹部画像で腹部表面を碁盤目状とする。別の実施形態では、自動的に腹部表面を生成する。

碁盤目状にされた腹部表面が与えられた後、次に、登録プロセスで使用するために一連の擬似特徴を腹部表面に手動により記録する。先行技術において記述されている「突起解剖学的特徴」とは対照的に、擬似特徴は処置中に識別できる患者の腹部上の領域であるが、それは腹部自体の上の特定の解剖学的ランドマークに直接一致せず、かつ、内部臓器の解剖学的領域に関係しない領域である。「擬似特徴」領域は、登録プロセス中に表面データを最初に位置合わせさせるために使用される。図３に示す考えられる擬似特徴領域の例は、患者の正中線沿いの上下方向に、およびへそで交差する垂直線に鉛直の患者の腹部をよぎって表示されている一つながりの特徴点１０，２０を含んでいる。これは、上、下、左、および右方向に一致する４つの別々の特徴の生成を可能にする。

さらに、５番目の特徴３０が生成され、これは４つの特徴領域の交点を表している。交差領域の描写は、まず重畳点を見出すことにより行う。４つの領域内における重畳点を見出した後に、この方法では、これらの重畳点の集りの平均位置を計算し、次に平均重畳点から指定半径内にあるすべての点を集める。これらの５つの特徴領域を使用する登録精度は、ＩＧＳシステムにおける使用に適する。１つの例示的実施形態において、静脈相および動脈相のＣＴ一式から抽出した腹部表面を使用して登録試行を行い、これらの画像一式における３つの血管分岐部ターゲットの手動選択により誤差を測定した。平均表面残留誤差は０．７７ｍｍ（最大２．７ｍｍ）であったのに対し、表面下ターゲット誤差は３．３ｍｍ（最大３．６ｍｍ）であった。

２．処置中の表面および特徴の獲得
処置中プロトコルは、最初に、腹部表面を抽出できるＬＲＳ装置、光学的に追跡されるスタイラスペンまたはその他の画像モダリティを使用して患者の腹部の表面画像を獲得することを含む。図４に示す腹部表面画像を獲得した後、強調表示される特徴獲得プロトコルを行う。医師が光学的に追跡されるスタイラスペンまたは同様な装置を使用して患者の正中線に沿って上から下の方向に輪郭をデジタル化する。次に、正中線輪郭に直交し、患者の左から患者の右に向かい、へそで最初の輪郭と交差する輪郭をデジタル化する。これにより、図３に示すように、５つの別々の特徴が生成され、登録プロセスで使用される。輪郭獲得の順序に関する先験的情報が与えられた場合、これら５つの特徴は２つの掃引された輪郭（ swabbed coutours）から自動的に生成される。

３．登録変換の計算
モデルの生成および上述した擬似特徴領域の描写の後、表面登録を行う。表面登録方法は、先行技術において記述されている方法でよい。

本発明には、先行技術に勝る多数の長所がある。先行技術は、内部臓器表面から獲得した表面データの登録のために解剖学的特徴の使用を計画する。しかし、本発明の方法では、使用する特徴領域は「擬似特徴」であり、正式に定義される解剖学的ランドマークを指す「突起解剖学的特徴」の定義に属さない。さらに、本発明は、経皮的処置のためのＩＧＳ技術における使用のための登録を生成するのに対し、先行技術は、外科手術が行われる特定の対象臓器に関する登録を生成する。換言すると、本発明により生成される腹部表面登録は、任意の腹部臓器（たとえば、腎臓、肝臓等）に対する経皮的インターベンションのために使用できるが、先行技術の登録は、たとえば肝臓について実行できるが、その誘導情報は、患者の腎臓については正確でない。

経皮アプリケーションは先行技術において知られているが、本発明はかなり異なる。先行技術の経皮システムは、ポイントベースの方法を使用して登録を行う。対照的に、本発明は、表面ベース登録の方法である。ポイントベース登録は、皮膚貼付基準マーカーを使用して行われる。一般的に言えば、代替実施形態の登録プロトコルは、インターベンション室において追跡できる皮膚貼付マーカーの配置を含む。それにより全面ＣＴ断層画像一式が入手され、その中で皮膚貼付マーカーの位置を識別し、登録のために使用することができる。

登録のために皮膚貼付基準マーカーを使用することと本発明の表面ベース方法の間の差異は、多数の直接的意味合いを有する。第１に、対比される処置前診断断層画像一式の獲得中に皮膚貼付マーカーを使用することは不可能であるから、現在利用可能なシステムを使用するためには、処置の遂行の直前に基準マーカー構成を患者の腹部に貼付することを必要とする。基準マーカー装置を患者に貼付した後、患者の腹部の全面ＣＴスキャンを行う。この全面ＣＴスキャンは慣行的にＣＴ誘導経皮的処置により行われるが、このデータ一式が造影剤なしで獲得されることは珍しくなく、それは病変および血管系の画像を損なうことがある。本発明は、基準マーカーを必要としないので、誘導のための最初の登録を処置の直前に獲得されるＣＴスキャンの使用なしに行うことを可能にする。これは、現在のシステムがもたらすものに比べて、放射線量のさらなる大幅な最小化を容易にする。

さらに、対比される処置前画像データをインターベンション誘導のために使用することにより、本発明は、血管系、腫瘍、および臓器の詳細な３−Ｄ画像を高度の誘導情報のために利用することができる。現在の技術は処置前ＣＴデータを誘導のために使用できないので（基準マーカー制約のために）、処置中に使用する３−Ｄ画像を生成するための十分な時間がない。

さらに、画像誘導を行う直前に一連のＣＴ画像を獲得する必要性を回避することにより、本発明は、透視室への組み込みの故に作業の流れの観点から非常に効率的である。蛍光透視法は、リアルタイムの２−Ｄ投影像の獲得を可能とし、３−Ｄ画像誘導から大きな利益が得ることができるカテーテル配置処置のためにしばしば使用される。上述したように、代替実施形態において皮膚貼付基準を必要とすることは、誘導システム使用の直前にＣＴスキャンが獲得されることを必然的に要求する。この必須のスキャンは、本発明を使用する装置の場合に求められるものに比べて作業の流れの効率が悪くなる。

最後に、処置前画像データを使用することができるので、より克明な処置計画を本発明の使用に組み込むことができる。腹部上のニードル・エントリー・ポイントおよび必須ニードル軌跡を計画することは、処置時間および患者の放射線被曝の低減において極めて有益である。

本発明の方法の適用および有効性を実証するために、一連のシミュレーション登録試行を行った。図５に示す腹部表面および臓器モデルをＣＴ画像のサンプル一式から生成した。図５の画像は、肝臓、肝静脈および門脈、膵臓、腎臓、および脾臓のモデルならびにシミュレーション実験におけるターゲット誤差を計算するために使用された解剖学的基準の位置を示している。実験において使用した解剖学的ターゲット点は、次のとおりである：（１）右肝静脈付着点、（２）門脈分岐点、（３）胆嚢窩、（４）右腎静脈付着点、（５）左腎静脈付着点、（６）脾臓静脈付着点、および（７）膵臓付近の上腸間膜動脈。

腹部表面および臓器表面のモデルを生成した後、腹部表面上に擬似特徴を描写した。ＣＴ画像一式から生成した全面腹部表面の一部分を使用して、シミュレート対象のＬＲＳベースおよびプローブ・ベースの腹部表面獲得を生成し、次に、一連の揺動試行（ perturbation trials）を行って２つの可能な実施形態を使用する装置の登録精度を確認した。

シミュレート対象のＬＲＳベース表面獲得は、合計１２，０００および５，０００の表面点および擬似特徴点から構成される表面を含んでいた。手動的に獲得される表面はＬＲＳデータに比較してまばらになるので、シミュレート対象プローブ・ベース表面は、５，０００および３，０００の点から構成されていた。これらのシミュレート対象表面の生成において使用された全面ＣＴ腹部表面の全範囲は、経皮的インターベンション中に獲得できる腹部の範囲の合理的な見積もりであった。

表面獲得プロセスにおける位置特定誤差をシミュレートするために、表面点のそれぞれをランダム変位ベクトルにより揺動した。登録試行（Ｎ＝２００）を３種類の最大ベクトル規模について行った。最大ベクトル規模は、シミュレート対象ＬＲＳベース獲得については１ｍｍおよび５ｍｍに選んだが、他方、シミュレート対象プローブ・ベース表面獲得については１０ｍｍおよび２０ｍｍのベクトル規模を選択した。この技法を使用する表面獲得において手動誤差の方により高い傾向があるという事実から（たとえば、獲得中に腹部表面からプローブをわずかに持ち上げること）、より大きな規模をシミュレート対象プローブ・ベース表面について選択した。５ｍｍおよび２０ｍｍというベクトルの規模は、２つの例示的実施形態を使用する表面獲得に関する誤差について考えられる範囲の非常に大きい限度を表すことに注意するべきである。ランダム・ベクトルおよび規模は、均等分布乱数発生器を使用して発生させた。

変位ベクトル揺動のほか、表面の初期位置合わせも各登録試行について揺動させた。ランダム変換は、１組の６個のランダム・パラメータ（すなわち、３平行移動および３回転）を発生させることにより計算した。均等分布乱数発生器を使用して揺動変換マトリックスの回転パラメータ（θ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚ）および平行移動パラメータ（ｔ_ｘ，ｔ_ｙ，ｔ_ｚ）を与えた。回転パラメータは、間隔［−１８０°，１８０°］（μ＝−０．７±１０６．１）で発生させ、また、平行移動パラメータは、間隔［−２００ｍｍ，２００ｍｍ］（μ＝−３．４±１１９．３）で発生させた。次に先行技術により（すなわち、 Clementsらによる、参照は前記で示した）記述されている表面登録アルゴリズムを使用して登録を計算した。

シミュレート対象ＬＲＳベース腹部登録の結果を下記の表１に要約する。揺動登録の結果は、表面二乗平均平方根（ＲＭＳ）残差（すなわち、ソースとターゲット表面間の最接近点距離のＲＭＳ）と表面下ランドマーク・ターゲット登録誤差（すなわち、登録後の内部解剖学的ターゲット位置間のＲＭＳ距離）の両方で報告される。登録試行において使用した７個の表面下解剖学的ターゲットの分布を図３に示す。選択されたターゲットは、経皮的インターベンションのターゲットとすることができる種々の内部腹部臓器中の種々の血管ターゲットを含む。

表１は、シミュレート対象ＬＲＳベース表面獲得を使用するときの表面下ターゲット誤差［単位ｍｍ−平均±標準偏差（最大値）］に関する登録結果の概要を示す。使用した表面は、全部で約１２，０００および５，０００の表面点および擬似特徴点から構成され、表面サンプリングおよび雑音変位規模の各組み合わせについて２００回の揺動登録を行った。参考のために、１２，０００点の表面を使用する試行の場合の最接近点距離は、１ｍｍおよび５ｍｍの最大変位規模に対して０．７２±０．１６ｍｍ（最大０．９３ｍｍ）および１．８４±０．０２ｍｍ（最大２．０４ｍｍ）であった。５，０００点の表面を使用する試行の場合の最接近点距離誤差は、１ｍｍおよび５ｍｍの最大変位規模に対して０．７３±０．１７ｍｍ（最大０．９６ｍｍ）および１．８４±０．０２ｍｍ（最大１．８８ｍｍ）であった。

登録試行の１つからの例示登録結果を図６に示す。図６の画像は、合計約１２，０００の表面点および擬似特徴点ならびに５ｍｍの最大雑音規模を含むシミュレート対象ＬＲＳベース腹部表面獲得について計算したサンプル腹部登録結果（左）および２つの表面間の最接近点距離測定値のテクスチャ・マッピング（右）である。参考のために、表面間の平均最接近点距離は、１．１６ｍｍ（最大３．５７ｍｍ）であった。

登録試行（Ｎ＝８００）のすべておよびすべての解剖学的ターゲットについて、平均ターゲット登録誤差（ＴＲＥ）が１ｍｍ未満であったことに注意するべきである。さらに、例示的実施形態の表面誤差揺動の程度と総合ターゲット精度の間にはほとんど相関がないように思われた。しかし、総合表面誤差は、表面獲得における雑音を表すランダム揺動ベクトルの最大規模とともに増大する。しかし、この試験は、この発明のＬＲＳベース実施形態が経皮的インターベンションにおける使用のために十分な誘導精度を与えることを実証している。

シミュレータ対象プローブ・ベース表面登録の結果の概要を下の表２に示す。

表２は、シミュレート対象プローブ・ベース表面獲得の表面下ターゲット誤差［単位ｍｍ−平均±標準偏差（最大値）］に関する登録結果の概要を示す。使用した表面は、全部で約５，０００および３，０００の表面点および擬似特徴点から構成され、表面サンプリングおよび雑音変位規模の各組み合わせについて２００回の揺動登録を行った。参考のために、５，０００点の表面を使用する試行の場合の最接近点距離は、１０ｍｍおよび２０ｍｍの最大変位規模に対して、それぞれ、３．４２±０．０４ｍｍ（最大３．５ｍｍ）および６．６８±０．０７ｍｍ（最大６．８ｍｍ）であった。３，０００点の表面を使用する試行の場合の最接近点距離は、１０ｍｍおよび２０ｍｍの最大変位規模に対して、それぞれ、３．４２±０．０４ｍｍ（最大３．５ｍｍ）超および６．６７±０．０９ｍｍ（最大６．９ｍｍ）であった。

揺動試行の１つからのサンプル登録結果を図５の画像に示す。示されているのは、合計約３，０００の表面点および擬似特徴点ならびに２０ｍｍの最大雑音規模を含むシミュレート対象プローブ・ベース腹部表面獲得について計算した腹部登録結果（左）および２つの表面間の最接近点距離測定値のテクスチャ・マッピング（右）である。参考のために、表面間の平均最接近点距離は、２．９１ｍｍ（最大１４．９５ｍｍ）であった。

極端に大きな最大揺動ベクトル規模を使用して手動腹部表面収集プロセスにおける雑音をシミュレートしたが、３，０００点でサンプルされ、２ｃｍの規模の最大雑音ベクトル規模にさらされた腹部表面の場合を除き、平均ターゲット誤差がすべての試行について１ｍｍ未満であったことに注意するべきである。極端な雑音揺動規模を使用したときでさえ、すべての試行（Ｎ＝８００）およびすべての解剖学的ターゲットについて、最大誤差は４ｍｍ未満であることが分かった。表２に示すＴＲＥ誤差は、経皮的画像誘導における登録のためのプローブ・ベースの手動による腹部表面および擬似特徴の獲得の例示的実施形態が、臨床的に有益であるために十分な精度の情報を与えることを示している。

腹部表面を単に経皮的画像誘導のための登録を目的として使用することに加えて、もう１つの実施形態では、内部臓器から獲得した別の表面データを使用して登録を容易にする。かかる表面データは、種々の画像モダリティを通じて獲得することができる。１つの実施形態では、超音波撮像から臓器表面画像を得る。かかる追加表面データは、特定の内部臓器に関して装置の精度の向上に資する。さらに、この特定の実施形態は、経皮的処理において使用される先行技術に関して完璧に新規である。経皮的画像誘導の領域におけるすべての既知の先行技術は、登録のために患者の腹部に貼付される基準装置を使用するが、内部臓器の画像からの表面情報またはその他の情報は使用されない。

さらなる実験では、肝臓のシミュレート対象超音波表面データを生成して上述の前記登録試行に使用されたシミュレート対象腹部表面データとともに使用した。この登録実験において使用した表面サンプリングは、５，０００点の腹部表面および擬似特徴表面のほか、１，０００点の超音波から得たシミュレート対象肝臓表面を含んでいた。さらに、３，０００点の腹部表面および擬似特徴表面を５００点のシミュレーション対象肝臓表面とともに使用した。

前述の実験において行ったように、表面獲得における雑音は、シミュレート対象表面点のそれぞれについて発生されるランダム変位ベクトルの添加によりシミュレートした。試行は、１０ｍｍの最大変位ベクトル規模を使用して行った。さらに、２つの表面間の初期位置合わせは、前述したランダム変換マトリックスによる揺動を媒介して生成した。続いて、行われた表面登録は、先行技術において記述されているように（上記で示した Clementsの参考文献において記述されているように）進められた。

内部臓器表面データとともに使用されたシミュレート対象の腹部表面および擬似特徴データの結果を下記の表３に示す。

表２は、超音波画像から得たシミュレート対象肝臓表面データとともにシミュレート対象プローブ・ベース表面獲得を使用するときの表面下ターゲット誤差［単位ｍｍ−平均±標準偏差（最大値）］に関する登録結果の概要を示す。使用した表面は、全部で約５，０００の腹部表面点および擬似特徴点、併用された１，０００の肝臓表面点ならびに約３，０００の腹部表面点および擬似特徴点、併用された５００の肝臓表面点から構成された。表面サンプリングと雑音変位規模の各組み合わせについて２００回の揺動登録を行った。参考のために、５，０００点の腹部表面および１，０００点の肝臓表面を使用する試行に関する最接近点距離は、３．４２±０．０３ｍｍ（最大３．５ｍｍ）であった。３，０００点の腹部表面および５００点の肝臓表面を使用する試行に関する最接近点距離は、３．４２±０．０４ｍｍ（最大３．５ｍｍ）であった。

この実験の一部として行ったサンプル登録の画像を図８に示す。示されているのは、肝臓のシミュレート対象超音波表面データを含むシミュレート対象プローブ・ベース腹部表面獲得について計算したサンプル腹部登録結果（左）および２つの表面間の最接近点距離測定値のテクスチャ・マッピング（右）である。示されているシミュレート対象表面は、合計で約５０００の腹部表面点および擬似特徴点ならびに超音波画像経由で獲得された約１０００のシミュレート対象肝臓表面点を含んでいた。この画像化登録では、１０ｍｍの最大雑音ベクトル規模を使用した。参考のために、表面間の平均最接近点距離は、１．８４ｍｍ（最大６．７０ｍｍ）であった。

結果は、内部臓器表面データの包含が平均で１ｍｍ未満のＴＲＥ測定値をもたらしたこと、および登録精度が表２において報告した精度と同様であることを示している。さらに、登録試行のすべて（Ｎ＝４００）およびすべての解剖学的ターゲットについて、最大ＴＲＥ測定値が２．３ｍｍであることが見出された。プローブ・ベース腹部および擬似特徴の獲得を使用する例示的実施形態と同様に、表３のデータは、内部臓器表面を含めることが経皮的画像誘導のために適切な登録精度も与えることを示している。

その他の実施形態は、以下等を含むがこれらに限定されない：
● 種々の撮像および機器を使用する腹部表面および擬似特徴のデータの獲得
○ 実施形態の例は、光学的または磁気的に追跡される手動スタイラスペン装置および腹部表面および表面擬似特徴の自動獲得のために使用できる非接触撮像装置（たとえば、レーザー・レンジ・スキャン）を使用する表面獲得を含む。
○ 次に、画像誘導装置における使用のために必要な数学的登録変換を計算するために腹部表面を擬似特徴とともに使用する。
● 腹部表面を擬似特徴および他の画像モダリティから抽出した内部臓器表面と組み合わせて使用する経皮的画像誘導のための表面マッチングの実行
○ 例示的実施形態は、超音波（ＵＳ）画像から抽出した肝臓表面データおよび追跡されるスタイラスペンにより獲得した腹部表面データを経皮的画像誘導を目的とする登録のために使用することを含む。
● 他の画像モダリティから抽出した臓器表面獲得による腹部表面と擬似特徴のマッチングの精緻化
○ １つの例示的実施形態は、処置前断層画像データと術中腹部表面の間の登録を擬似特徴により計算する誘導システムに関するものである。次にこの初期登録を最初の姿勢として使用して、手術室において獲得された内部腹部臓器表面と処置前画像データから抽出した臓器表面間の精緻化された登録を計算する。
● 処置画像データから処置前画像データへの画像対画像登録を経由して処置断層画像一式上において経皮的誘導情報を与えること
○ 経皮的画像誘導装置は処置前断層画像間の登録を行うため、「リアルタイム」処置画像データと処置前画像データ間の登録を行うことにより、処置全体を通じて「リアルタイム」で獲得される画像データに経皮的誘導情報を及ぼすことができる。

上述したように、当然のことながら、本明細書において記述したこれらの実施形態および例示は、本発明の原理およびその実際的応用を最も分かりやすく示すために選択され、記述されたものであり、それにより当業者が種々の実施形態において考えられる特定の使用に適する種々の変更を伴って本発明を最もよく利用できるようにすることを目的としている。本発明の特定の実施形態について記述したが、これらの実施形態は網羅的と解されることを期していない。当業者にとってすぐに分かる変更がいくつか存在する。

Claims (18)

1. 経皮的外科処置のための登録を行う方法であって、
   処置前画像データから患者の外部表面の一部分のコンピュータ・モデルを生成するステップと、
   生成された前記表面上に一連の擬似特徴を記録するステップと、
   前記患者の前記外部表面の対応する部分の処置中画像を獲得するステップと、
   前記患者の前記外部表面の前記対応する部分上の１つまたは複数の輪郭をデジタル化することにより一連の処置中擬似特徴を生成するステップと、
   前記処置前データから生成された前記モデルの前記処置中患者表面データへの位置合わせまたは登録を行うステップと
   を含む方法。
2. 患者の前記外部表面の前記部分が、前記患者の腹部を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記患者表面の前記処置中画像が、レーザー・レンジ・スキャナーまたは光学的もしくは磁気的に追跡されるスタイラスペンもしくは装置により獲得される、請求項１に記載の方法。
4. 前記擬似特徴が、前記患者の正中線沿いの上下方向の一連の点およびへそで交差する垂直線に鉛直な前記患者の腹部をよぎる一連の点の交差により形成される４個の象限を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記擬似特徴が、前記４個の象限の交点を表す５番目の特徴をさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 位置合わせまたは登録の前記ステップが、前記患者の１つまたは複数の内部臓器の処置前表面データの使用をさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記位置合わせに基づく前記経皮的外科処置を容易にするためのデータを表示するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記表示が、前記患者の一部分の三次元モデルをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記三次元モデルが、前記患者腹部の前記表面および前記腹部内の１つまたは複数の臓器を含む、請求項８に記載の方法。
10. 画像誘導外科（ＩＧＳ）処置の実行中に使用するために身体的空間データを収集・処理するシステムであって、
    術前データに基づく患者の外部表面の一部分のコンピュータ・モデルを格納する記憶媒体と、
    前記患者の前記外部表面に関する術間表面データを生成する少なくとも１つのセンサー装置と、
    前記記憶媒体および前記センサー装置と通信的に結合され、前記コンピュータ・モデルおよび術間表面データの位置合わせを得るために構成される処理要素と
    を含むシステム。
11. 前記処理要素に結合され、前記位置合わせに基づく前記ＩＧＳ処置を容易にするデータを表示するように構成される表示装置をさらに含む、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記表示が、前記患者の一部分の三次元モデルをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記三次元モデルが、前記患者腹部の前記表面および前記腹部の内部の１つまたは複数の臓器を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ＩＧＳ処置が経皮的処置である、請求項１０に記載のシステム。
15. 前記記憶媒体がさらに前記患者における対象の非剛体構造のコンピュータ・モデルを格納できる、請求項１０に記載のシステム。
16. 患者の前記外部表面の前記部分が、前記患者の腹部を含む、請求項１０に記載のシステム。
17. 前記センサー装置がレーザー・レンジ・スキャナーまたは光学的もしくは磁気的に追跡されるスタイラスペンもしくは装置を含む、請求項１０に記載のシステム。
18. 前記位置合わせが、前記コンピュータ・モデルおよび前記術中表面データのための対応する擬似特徴の生成により得られる、請求項１０に記載のシステム。

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