JP4290398B2 - 身体部位に挿入された検査器具の３次元位置の検出装置および放射線画像作成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、身体部位に挿入された医療検査器具の３次元位置を、放射線源と放射線検出器とを備えた放射線画像を作成する放射線画像作成装置を使用して自動的に検出する装置および放射線画像作成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば内視鏡等の非可撓性の検査器具を扱う医師が、これを所望の目標領域に動かすことができるように、この器具の各位置又は状態に関する情報を動かしている間に得ることが必要である。今迄医師は、この関連情報をＸ線システムで撮影された検査又は身体部位の透視画像により得ている。大抵の場合、２つの異なる方向又は互いにある角度をなす２つの画像面から連続的な透視画像が作られる。これら画像は、その医師には１つの共通の或いは２つの互いに並置されたモニタに表示される。多くの場合、これら画像面が互いに垂直をなす２つの画像により担当医師は器具の位置を決定し、この器具がどのように空間内で動いているかを確認できる。しかしながらこの場合、医師は、必要な情報を得るため、同時に２つのモニタ、即ち画像を覘かねばならないという不都合がある。更にもう１つの欠点は、この２つの画像が単なる投影画像であることにある。即ち、投影方向の身体部分が互いに重なっている。それ故、最終的に、医師にとって、実際に与えられている２次元の幾何学的関係をこの２次元投影画像により認識し、器具が今実際に身体部位にどのように位置しているか、そして所望の目標領域に到達するためには、どのように、かつどの方向に器具を更に動かさねばならないかを把握することが困難である。
【０００３】
これに代わって、特に本件の場合のように問題となる非可撓性の器具の場合、ナビゲーションシステムを使用することも公知である。このために１つ又は複数のナビゲーション用のマーキングを被検者の不動の位置、例えば皮膚、骨等に及びその位置において検出する検査器具に固定する。公知のナビゲーションシステムは光学カメラと赤外線光を放出するダイオードをマーキングに用いる。その他の技術では、音響又は磁気センサを使用する。通常、ナビゲーションシステムの座標系に関する全ての位置を検出し、続いて画像作成を行うＣアームの座標系に移す。この方法もまた非常に複雑である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、簡単に検査器具の３次元位置の検出を可能とする検査器具の３次元位置の検出装置および放射線画像作成装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
検査器具の３次元位置の検出装置に関する課題は、身体部位に挿入され、互いに幾何学的配置関係の既知の少なくとも３つのマーキングが設けられた検査器具の３次元位置を、放射線源と放射線検出器を備え放射線画像を作成する放射線画像作成装置を使用して検出する装置において、
・身体部位の１つの２次元投影画像を作成する手段、
・この１つの投影画像に示され放射線に対し不透過性の少なくとも３つのマーキングの位置（ｕ_i、ｖ_i）を求める手段、
・放射線画像作成装置におけるこの少なくとも３つのマーキングの空間座標（ｘ_i、ｙ_i、ｚ_i）を、前記位置（ｕ_i、ｖ_i）と前記１つの投影画像に属する投影マトリクスとによりマーキングの既知の幾何学的配置関係を考慮して求める手段
を備えることによって解決される。
【０００６】
本発明は、唯一の投影画像によりＣアームの座標系における検査器具の３次元位置の検出を可能にする。検査器具に配置され、放射線に対し不透過性の少なくとも３つのマーキングが見られる１つの２次元投影像により、先ず投影像における、従って放射線検出器の面におけるその２次元位置ｕ_i、ｖ_iを求める。その際マーキング相互の幾何学的配置は既知である。即ちマーキングが空間的に相互にどのような関係にあり、検査器具に配置されているかは既に判っている。処理された投影画像について既知であり、かつ放射線源及び検出器位置等に関して全ての関連する各投影画像の幾何学的データを備えている投影マトリクスにより、次に、投影画像において求められたマーキング位置並びにマーキングの配置に関する既知の幾何学的関係によりこれらマーキングが空間のどこにあるかを検出できる。投影画像におけるマーキングの写像の位置は、当然に、空間におけるその位置に関係し、一方それは放射線源の焦点と検出器面との間にあるからである。
【０００７】
その際、空間座標（ｘ_i、ｙ_i、ｚ_i）を求めるべく、先ず放射線源の焦点と投影画像における各位置（ｕ_i、ｖ_i）の間の接続線を直接与える一群の一次方程式を作成し、その後この方程式群から幾何学配置を参照して空間座標を求める。
【０００８】
検査器具におけるマーキングの幾何学的、即ち空間的配置は任意であり、例えば一線上に一定の距離間隔で配置できる。また他の位置も考えられる。重要なのは、単にその相互関係、即ち距離間隔とそれらで作る角度が既知なことである。また３つ以上のマーキングも使用できる。ただその場合に注意すべきは、投影画像において、どの３つのマーキングが（そして空間座標を求めるには投影画像において少なくとも３つのマーキングが見えねばならない）具体的に表示されているかが認識でき、その結果対応する幾何学的データが利用可能なことである。
【０００９】
医師が検出した情報を確信をもって開きかつ表示できるようにすべく、検査器具の挿入前に撮影した複数の２次元投影により、先ずマーキングを表示する身体部位の３次元立体画像を作成するとよい。即ち、医師はマーキング座標をその場で検出する間、これらをその検出後直ちに３次元立体画像に表示し、その結果器具がどのようにあるかを正確に知る。マーキングの表示は、特にこれらを一線に沿い器具に配置することで充分である。更に、立体画像に検査器具自体を表示することもまた当然考えられる。これは、検査器具に固定して配置したマーキングの座標が判った後に、問題なく正しい状態で立体画像に挿入できる。
【００１０】
放射線画像作成装置に関する課題は、放射線源及び放射線検出器並びに画像作成・計算手段を含み、
・相互の幾何学的配置関係において既知の少なくとも３つのマーキングを備えた検査器具が挿入された身体部位の１つの２次元投影画像を作成し、
・この１つの投影画像に示され放射線に対し不透過性の少なくとも３つのマーキングの位置（ｕ_i、ｖ_i）を求め、
・この位置（ｕ_i、ｖ_i）と前記１つの投影画像に属する投影マトリクスによりマーキングの既知の幾何学的な配置関係を考慮し、画像作成装置の座標系における少なくとも３つのマーキングの空間座標（ｘ_i、ｙ_i、ｚ_i）を求める
ことによって解決される。
【００１１】
その際画像作成・計算手段は、放射線源の焦点と投影画像におけるそのときの位置（ｕ_i、ｖ_i）との間の直接接続線を記述する一群の一次方程式を用いて幾何学配置関係を考慮し空間座標（ｘ_i、ｙ_i、ｚ_i）を求めるべく形成できる。更にこの画像作成・計算手段を介して、単にマーキングだけを又は検査器具自体を、２次元投影画像により求めた立体画像に挿入できる。検査器具を挿入するときは、画像作成・計算手段で求めた空間座標に関連して、立体画像に記入すべき」検査器具の表示を記入するとよい。当然種々多様な検査器具が身体内部に挿入されることがあるので、異なるタイプに各々対応し、使用者側で予め選択又は特定可能な画像を記入するのがよく、その場合それら画像は正確な姿勢で記入される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明のその他の長所、特徴及び細部を、以下に記載する構成例並びに図面について明らかにする。
【００１３】
図１は本発明による方法を実行するための装置を原理図の形で示す。この装置１はＣアーム３と、これに配置された放射線源４並びに放射線検出器５とを備えたＣアームシステム２からなる。放射線源４はＸ線放射器として、放射線検出器５はＸ線画像増幅器或いは平面画像検出器として形成されている。
【００１４】
画像作成動作を制御しかつ表示すべき画像を検出するため画像作成・計算手段６が設けられ、これにより全ての関連機能、Ｃアームの動き或いは放射線源及び放射線検出器の制御並びに座標系の検出及び本来の画像検出及び表示であれ、全ての機能が制御される。画像表示自体はモニタ７で行われる。
【００１５】
被検者８には、常時観察下、非可撓性の医療検査器具９、即ち非可撓性の器具本体を持つ器具を挿入せねばならない。器具９には、図示の実施例では放射線に対して不透過性の３つのマーキング１０を、その位置を安定して配置している。器具本体におけるマーキング１０の幾何学的配置は既知である。図示の例ではマーキング１０は一線に配置され、それぞれ所定の、既知の距離ｌで互いに離れて配置されている。なお、このマーキング１０を順に「ａ、ｂ、ｃ」で呼ぶ。その場合、マーキングからマーキング迄の距離はｌ_ab、ｌ_ac、ｌ_bcで定義する。
【００１６】
検査器具９の位置を常時管理すべく固定Ｃアームシステム２より連続的に、この検査器具９が挿入される身体部位を撮影する。このＣアームシステムは時間的に連続する一連の２次元投影画像を提供する。検査器具９の現在位置を検出すべく１つの投影画像Ｐが一連の投影画像から取り出され、分析される。これについては図２で詳しく説明する。
【００１７】
図２は、放射線源４及び放射線検出器５の特定位置で身体部位を撮影した投影画像Ｐ、即ち検出器画像を示す。この画像Ｐ上の３つのマーキング１０を、各々ａ、ｂ、ｃで示す。投影画像Ｐにおいて、マーキングａ、ｂ、ｃは位置データ（ｕ_a、ｖ_a）、（ｕ_b、ｖ_b）及び（ｕ_c、ｖ_c）により２次元画像面に記入される。
【００１８】
更に、既知の投影画像Ｐに対し、Ｃアームシステムの座標系上での放射線源と放射線検出器の位置に関する詳しい情報とその他の関連画像作成情報を含む投影マトリクスは公知である。検査器具に配置された３つのマーキングを、図２に１０ａ、１０ｂ、１０ｃで示す。これらマーキングを投影画像Ｐに写像するには、これらを放射線源４の焦点と検出器面の間のビーム通路に置かねばならない。特に、表示された投影Ｐに対し放射線源４の焦点の位置を含む（焦点は図２中にＦで示す）投影マトリクスと、マーキング１０ａ、１０ｂ、１０ｃ相互の相対位置に基づく幾何学的周辺条件とにより、マーキング１０ａに対する実際の空間座標Ｘ_a＝（ｘ_a、ｙ_a、ｚ_a）、マーキング１０ｂに対する実際の空間座標Ｘ_b＝（ｘ_b、ｙ_b、ｚ_b）及びマーキング１０ｃに対する実際の空間座標Ｘ_c＝（ｘ_c、ｙ_c、ｚ_c）を計算できる。なお、この場合、マーキング１０ａ、１０ｂ、１０ｃは焦点Ｆから投影画像Ｐにおける各点ａ、ｂ、c迄の直線上にあらねばならない。空間座標系Ｘ_a、Ｘ_b及びＸ_cの決定は、Ｃアームシステム２の座標系（ｘ、ｙ、ｚ）で行う。
【００１９】
ここで空間座標Ｘ_a、Ｘ_b及びＸ_cが既知ならば、マーキングが検査器具９に固定的に配置されているので、必然的に座標系（ｘ、ｙ、ｚ）における検査器具９の正確な位置が求められる。
【００２０】
医師の評価が可能な表示のため、診断前に、Ｃアームを回転して撮影した２次元投影画像により、公知の再構築法を用いて３次元体積が再構築される。３次元立体画像の表示はモニタ７で行う。更に検査器具９の空間座標を決定した後モニタ７に示された３次元体積にこれが正確な状態で入力される。このため画像作成・計算手段に、種々の検査器具のデータを入力するとよく、この結果、その構造及び寸法から正しい検査器具の状態及び寸法を正確に立体画像に挿入できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による装置の基本的構成を示す。
【図２】 空間座標の求め方を説明するための投影図を示す。
【符号の説明】
１ 画像作成装置
２ Ｃアームシステム
３ Ｃアーム
４ 放射線源
５ 放射線検出器
６ 画像作成・計算手段
７ モニタ
８ 被検者
９ 検査器具
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、ａ、ｂ、ｃ マーキング
Ｆ 焦点
ｌ 距離
Ｐ 投影画像
Ｘ_a、Ｘ_b、Ｘ_c 空間座標
ｘ、ｙ、ｚ 座標系

Claims (10)

1. 身体部位に挿入され、互いに幾何学的配置関係の既知の少なくとも３つのマーキングが設けられた検査器具の３次元位置を、放射線源と放射線検出器を備え放射線画像を作成する放射線画像作成装置を使用して検出する装置において、
   ・身体部位の１つの２次元投影画像（Ｐ）を作成する手段、
   ・この１つの投影画像（Ｐ）に示され放射線に対し不透過性の少なくとも３つのマーキングの位置（ｕ_i、ｖ_i）を求める手段、
   ・放射線画像作成装置におけるこの少なくとも３つのマーキングの空間座標（ｘ_i、ｙ_i、ｚ_i）を、前記位置（ｕ_i、ｖ_i）と前記１つの投影画像（Ｐ）に属する投影マトリクスとによりマーキングの既知の幾何学的配置関係を考慮して求める手段
   を備えることを特徴とする身体部位に挿入された検査器具の３次元位置の検出装置。
2. 空間座標（ｘ_i、ｙ_i、ｚ_i）を求めるべく、放射線源と１つの投影画像（Ｐ）における各位置（ｕ_i、ｖ_i）との間の直接接続線を記述する一連の一次方程式を作成し、しかる後この方程式群から幾何学的配置関係を考慮して空間座標を求めることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 一線上に配置した少なくとも３つのマーキングを備えた検査器具を使用することを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. 複数の２次元投影により、マーキングを表示する身体部位の３次元立体画像を作成することを特徴とする請求項１から３の１つに記載の装置。
5. 立体画像内に検査器具を表示することを特徴とする請求項１から４の１つに記載の装置。
6. 放射線源（４）及び放射線検出器（５）並びに画像作成・計算手段（６）を含み、
   ・相互の幾何学的配置関係において既知の少なくとも３つのマーキング（１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を備えた検査器具（９）が挿入された身体部位の１つの２次元投影画像（Ｐ）を作成し、
   ・この１つの投影画像（Ｐ）に示され放射線に対し不透過性の少なくとも３つのマーキングの位置（ｕ_i、ｖ_i）を求め、
   ・この位置（ｕ_i、ｖ_i）と前記１つの投影画像（Ｐ）に属する投影マトリクスによりマーキング（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）の既知の幾何学的な配置関係を考慮し、画像作成装置の座標系における少なくとも３つのマーキングの空間座標（ｘ_i、ｙ_i、ｚ_i）を求める
   ように形成されたことを特徴とする放射線画像作成装置。
7. 画像作成・計算手段（６）が、放射線源（４）の焦点（Ｆ）と投影画像（Ｐ）における各位置（ｕ_i、ｖ_i）との間の直接接続線を記述する一群の一次方程式により幾何学配置関係を考慮して空間座標（ｘ_i、ｙ_i、ｚ_i）を求めるべく形成されたことを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 画像作成・計算手段（６）が、２次元投影画像（Ｐ）により３次元立体画像を求め、該画像にマーキング（１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を表示すべく形成されたことを特徴とする請求項６又は７記載の装置。
9. 画像作成・計算手段（６）が、２次元投影画像（Ｐ）により３次元立体画像を求め、該画像に検査器具（９）を表示すべく形成されたことを特徴とする請求項６から８の１つに記載の装置。
10. 画像作成・計算手段（６）に、求められた空間座標に関連して立体画像に記入される検査器具（９）の表示が保存されていることを特徴とする請求項９記載の装置。

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