JP6242394B2 - 超音波画像から追跡システムへの正確で迅速な点マッピング - Google Patents
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Description
本開示は、医療機器に、より具体的には、医療又は他のアプリケーションにおける種々異なる座標系間の迅速な位置合わせ（registration）のためのシステム及び方法に関する。
手術ナビゲーションのための超音波の使用は、グローバル座標系内でのトランスデューサの追跡を必要とする。光学又は電磁（ＥＭ）追跡センサは、通常、トランスデューサに取り付けられ、トランスデューサの位置及び方向の追跡を可能にする。超音波（ＵＳ）画像空間と取り付けられた追跡装置空間との間の固定されたマッピングが、空間内の超音波プローブの追跡のために決定される必要がある。しかしながら、多くの従来のマッピング・アプローチは、制御点の画像座標を識別するためにヒューマン・インタラクションを必要とする。手動によるやり方は、多くの数の制御点を必要とするため、時間がかかる。これは、超音波誘導システムを商品化する及びメンテナンスする場合に問題をもたらす。
ヒューマン・インタラクション又は画像処理は、超音波画像内の制御点の画像座標を分割する必要がある。この分割は、超音波画像内で可視化されるツール先端部の十分でない解像度のために困難である。手動による分割は、しばしば較正において操作者エラーを引き起こし、較正処理を退屈で時間のかかるものにする。加えて、２つの座標系間の正確なマッピングは、多くの数の制御点を必要とし、処理が手動で行われる場合、これは特に困難である。更に、手動インタラクションを用いると、しばしば対応する点照合を取得するのに必要な時間が長いために、較正の内部手順の品質管理が実行されない。
本発明の原理に従って、固定の幾何学的形状を有する較正ツールを含む、画像と追跡システムとの間の座標をマッピングするためのシステムが提供される。較正ツールは、撮像モードに関係する第１センサと、追跡モードに関係する第２センサとを含む。第１センサ及び第２センサは、固定の幾何学的形状の上の既知の位置に配置され、搭載される。撮像システムは、画像空間内の較正ツールの位置を決定するために、第１センサを撮像システムの視野内に位置決めするように構成される。追跡システムは、追跡空間内の較正ツールの同じ位置を決定するために、第２センサを追跡するように構成される。センサモジュールは、画像空間及び追跡空間を較正ツールのアーチファクトに基づいて共通の座標系にマッピングするように構成される。
例えば、センサモジュールは、較正ツールの単一ポーズを用いて、画像空間と追跡空間との間の位置合わせを較正することができる。しかしながら、センサモジュールは、較正の正確さを向上させるために、較正ツールの複数のポーズを用いて、画像空間と追跡空間との間の位置合わせを較正することが可能である。センサモジュールは、較正の正確さを向上させるために、撮像プローブを複数のポーズに動かすことによって、画像空間と追跡空間との間の位置合わせを較正することも可能である。固定の幾何学的形状は、立方体を含むことができ、第１センサ及び第２センサは、立方体の面の上に配置され、搭載されることができる。固定の幾何学的形状は、針を含み、第１センサ及び第２センサは、針に沿って配置され、搭載されることも可能である。第１センサは、超音波受信機を含むことができ、画像空間は、超音波ボリューム画像空間を含むことができる。第２センサは、電磁（ＥＭ）追跡センサを含むことができ、追跡空間は、生成されたＥＭ場を含むことができる。第２センサは、追跡空間内の較正ツールの位置を決定するために、光ファイバ形状センシングセンサを含むことも可能である。更に、第１センサは、流れる造影剤を受信するように構成される超音波受信機を含むことが可能である。第１センサは、流れる造影剤が第１センサのヘッド部内でのみ見えるように構成されることができる。更に、構成ツールは、生体内較正のための介入ツールを含むことが可能である。
付加的に、本発明の原理に従って、固定の幾何学的形状を有する較正ツールを提供するステップを含む画像と追跡システムとの間の座標をマッピングするための方法が提供される。較正ツールは、撮像モードに関係する第１センサと、追跡モードに関係する第２センサとを含む。第１センサ及び第２センサは、固定の幾何学的形状の上の既知の位置に配置され、搭載される。第１センサは、画像空間内の較正ツールの位置を決定するために、撮像システムの視野内に位置決めされる。第２センサは、追跡空間内の較正ツールの同じ位置を決定するために、追跡される。画像空間及び追跡空間は、較正ツールのアーチファクトに基づいて共通の座標系にマッピングされる。
例えば、マッピングは、較正ツールの単一ポーズを用いて、画像空間と追跡空間との間の位置合わせを較正するステップ含むことができる。マッピングは、較正の正確さを向上させるために、較正ツールの複数のポーズを用いた、画像空間と追跡空間との間の位置合わせを較正するステップを含むことも可能である。更に、マッピングは、較正の正確さを向上させるために、撮像プローブを複数のポーズに動かすことによる、画像空間と追跡空間との間の位置合わせを較正するステップを含むことができる。固定の幾何学的形状は、立方体を含むことができ、第１センサ及び第２センサは、立方体の面の上に配置され、搭載されることができる。固定の幾何学的形状は、針を含み、第１センサ及び第２センサは、針に沿って配置され、搭載されることも可能である。第１センサは、超音波受信機を含むことができ、画像空間は、超音波ボリューム画像空間を含むことができる。第２センサは、電磁（ＥＭ）追跡センサを含むことができ、追跡空間は、生成されたＥＭ場を含むことができる。第２センサは、光ファイバ形状センシングセンサを含み、第２センサを追跡することは、光ファイバ形状センシングセンサからのフィードバックを用いて追跡空間内の較正ツールの位置を決定することを含むことも可能である。更に、第１センサは、流れる造影剤を受信するように構成される超音波受信機を含むことができ、前記方法は、更に、例えば、超音波受信機を通って造影剤を圧送させることを含むことができる。
更に、本発明の原理に従って、画像と追跡システムとの間の座標をマッピングするための別の方法が提供され、前記方法は、固定の幾何学的形状を有する較正ツールを提供するステップであって、前記較正ツールは、超音波画像内に現れるように構成される超音波受信機と、追跡モードに関係する追跡センサとを含み、前記超音波受信機及び追跡センサは、固定の幾何学的形状の上の既知の位置に配置されて搭載される当該較正ツールを提供するステップと、画像空間内の較正ツールの位置を決定するために、追跡された超音波プローブに関係する超音波撮像システムの視野内に前記超音波受信機を位置決めするステップと、追跡空間内の較正ツールの同じ位置を決定するために追跡センサを追跡するステップと、画像空間内及び追跡空間内の両方において、追跡された超音波プローブに対する較正ツールの座標系を変換することによって、画像空間及び追跡空間を較正ツールのアーチファクトに基づいて共通の座標系にマッピングするステップと、を含む。
例えば、マッピングは、較正ツールの単一ポーズを用いて、画像空間と追跡空間との間の位置合わせを較正するステップを含むことができる。しかしながら、マッピングは、較正の正確さを向上させるために、較正ツールの複数のポーズを用いた、画像空間と追跡空間との間の位置合わせを較正するステップを含むことも可能である。更に、マッピングは、較正の正確さを向上させるために、追跡したプローブを複数のポーズに動かすことによる、画像空間と追跡空間との間の位置合わせを較正するステップを含むことも可能である。固定の幾何学的形状は、立方体を含むことができ、超音波受信機及び追跡センサは、立方体の面の上に配置され、搭載されることができる。固定の幾何学的形状は、針を含み、超音波受信機及び追跡センサは、針に沿って配置され、搭載されることも可能である。追跡センサは、電磁（ＥＭ）追跡センサを含むことができ、追跡空間は、生成されたＥＭ場を含むことができる。追跡センサは、光ファイバ形状センシングセンサを含み、追跡センサを追跡することは、光ファイバ形状センシングセンサからのフィードバックを用いて追跡空間内の較正ツールの位置を決定することを含むことも可能である。更に、超音波受信機は、流れる造影剤を受信するように構成されることができ、前記方法は、更に、例えば、超音波受信機を通って造影剤を圧送させることを含むことができる。
本開示のこれら及び他の目的、特徴、並びに有利な点は、添付の図面に関連して読まれるべきである、例示的な実施形態の下記の詳細な説明から明らかになるだろう。
本開示は、以下の図面を参照しながら、好ましい実施形態の下記の説明を詳細に提示する。
本原理によると、医療処置及び他の処置において、画像空間を追跡空間に迅速且つ自動的にマッピングすることを可能にするために、非常に多くの数の制御点を自動的に収集するシステム及び方法が提供される。埋め込み式の一つ以上の（受動又は能動）超音波センサを含むツールが提供される。これらセンサは、サブミリメートルの正確さで位置決めできる。ツールは、埋め込み式の空間追跡センサも含み、これは、超音波センサに関して工場で較正され得る。これは、追跡センサと超音波センサとの迅速な自動協働位置決めを可能にし、ツールの単一超音波スナップショットビューのみで実行することもできる。
このツールは、処理の間、自動システムセットアップのために生体内外で使用することができる。本原理は、ツール先端部を分割する必要性を完全に除去し、これによって使いやすさを増大するために採用される。加えて、本原理は、低減された操作者エラーによって、協働位置決めのスピード及び正確さを増大し、２つの座標系間のロバストなマッピングにおいて多くの制御点を迅速に収集する能力によって、ロバスト性を向上させる。
本発明は、医療機器に関して説明されるが、本発明の教示は広範囲にわたり、撮像と追跡との組み合わせの任意の機器又はシステムに適用可能であることを理解されたい。いくつかの実施形態では、本原理は、複雑な生物学的システム又は機械システムの追跡又は分析に採用される。特に、本原理は、生物学的システムの内部追跡処置、肺、消化管、***器官、血管などの身体の全ての領域における処置に適用可能である。図に示された要素は、ハードウェア及びソフトウェアの様々な組み合わせで実装可能であり、単一の要素又は複数の要素内で組み合わせ可能な機能を提供することができる。
図に示された様々な要素の機能は、専用のハードウェア、及び、適切なソフトウェアとの関連においてソフトウェアを実行可能なハードウェアを使用することによって、提供可能である。プロセッサによって提供される場合、機能は、単一の専用プロセッサによって、単一の共有プロセッサによって、又は、その一部が共有可能な複数の個々のプロセッサによって、提供可能である。さらに、「プロセッサ」又は「コントローラ」という用語の明示的な使用は、ソフトウェアを実行可能なハードウェアを排他的に言及するものと解釈されるべきではなく、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）ハードウェア、ソフトウェアを記憶するための読み取り専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダム・アクセス・メモリ（「ＲＡＭ」）、不揮発性ストレージなどを黙示的に含むことができるが、これらに限定されない。
さらに、本発明の原理、態様、及び実施形態、並びに、その特定の例を記載する本明細書の全ての文章は、その構造的及び機能的な両方の等価物を包含することが意図される。加えて、このような等価物は、現在知られた等価物、及び、将来開発される等価物（すなわち構造に関係なく同じ機能を実行する、開発される任意の要素）の両方を含むことが意図される。従って、例えば、当業者であれば、本明細書に提示されたブロック図が、本発明の原理を具体化する例示のシステム構成要素及び／又は回路の概念図を表すことを理解するだろう。同様に、任意のフロー・チャート、フロー図などが、コンピュータ読み取り可能記憶媒体内に実質的に表すことが可能であり、コンピュータ又はプロセッサが明示的に示されているか否かにかかわらず、このようなコンピュータ又はプロセッサによってそのように実行可能である、様々なプロセスを表すことが理解されるだろう。
さらに、本発明の実施形態は、コンピュータ又は任意の命令実行システムによって、或いはこれらに関連して使用するためのプログラム・コードを提供する、コンピュータ使用可能又はコンピュータ読み取り可能記憶媒体からアクセス可能な、コンピュータ・プログラム製品の形式を取ることが可能である。この説明のために、コンピュータ使用可能又はコンピュータ読み取り可能記憶媒体は、命令実行のシステム、装置、又はデバイスによって、或いはこれらに関連して使用するためのプログラムを、包含、記憶、通信、伝搬、又は移送することができる任意の装置があり得る。媒体は、電子、磁気、光、電磁、赤外線、又は半導体のシステム（或いは、装置又はデバイス）、並びに伝搬媒体があり得る。コンピュータ読み取り可能媒体の例は、半導体又はソリッド・ステート・メモリ、磁気テープ、取り外し可能コンピュータ・ディスケット、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、剛性磁気ディスク、及び光ディスクを含む。光ディスクの現行例は、コンパクト・ディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクト・ディスク読み取り／書き込み（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）、ブルーレイ（登録商標）、及びＤＶＤを含む。
次に、同じ数字が同一又は類似の要素を表す図面を参照するが、最初に図１を参照すると、撮像システムと追跡システムとの間の位置合わせによって手術空間を較正するためのシステム１００が、一実施形態に従って例示的に示されている。システム１００は、処置を監視する及び／若しくは管理するワークステーション又はコンソール１１２を含むことができる。ワークステーション１１２は、好ましくは１つ以上のプロセッサ１１４と、プログラム及びアプリケーションを記憶するためのメモリ１１６とを含む。センサモジュール１１５は、メモリ１１６に記憶されてもよく、又は別体のユニットとして含まれてもよい。センサモジュール１１５は、較正装置の位置及び方向を解釈し、撮像システム１３４及び追跡システム１３２の座標系を位置合わせするために、高性能の較正装置又はツール１３０、撮像システム１３４、及び追跡システム１３２からデータを受信する。センサモジュール１１５は、少なくとも２つのシステムからフィードバックを受信するように構成され、更に付加的なシステムが使用されてもよい。センサモジュール１１５は、一座標系を他の座標系に変換することができ、つまり、ローカル座標系を通常のグローバル座標系に変換することができ、又は、場合によっては、中間座標系若しくは他の座標系を使用することができる。
特に有用な一実施形態では、２つのシステムは、追跡システム１３２及び撮像システム１３４を含む。追跡システム１３２は、磁場発生装置１４２と、追跡座標空間内の空間位置を追跡するための追跡センサ（例えばコイル）とを含む電磁（ＥＭ）追跡システムを含んでもよい。他の追跡システムは、光学追跡システム、光学形状センシングシステム、又は任意の他の適切な追跡システムを含んでもよい。この実施形態では、ＥＭ追跡センサは、撮像プローブ１４６（他の撮像モダリティも考えられる）上のセンサ１４４と、センサ１５２とを含む。撮像システム１３４は、撮像座標空間内の内臓器官などの構造を撮像するために、構造を撮像するためのプローブ１４６を使用する超音波撮像システムを含んでもよい。
引き続き図１を参照しながら図２を参照すると、高性能な較正装置１３０は、この例では、装置１３０内で既知の幾何的関係を備える、ＥＭセンサ１５２及び超音波センサ（受信機）１５４を含む。高性能な較正装置又はツール１３０は、それぞれの座標系間の位置合わせを可能にするために、画像又は追跡信号アーチファクトを作り出す又は残す。ＥＭセンサ１５２及び受信機１５４は、好ましくは、これらそれぞれの座標系によってこれらに提供された磁場又はエネルギーに反応する受動装置である。装置１３０は、好ましくは、形状及びその方向が種々異なる座標系で識別できるように、既知の又は特徴的な形状を含む。一実施形態では、装置１３０は、その上又はその中にセンサ１５２及び／又は受信機１５４を有する立方体などの固定の幾何学的筐体１２４を含む。立方体の場合、センサ１５２及び／又は受信機１５４は、立方体の各面の上又は付近に配置される。ツール１３０のための他の固定の幾何学的形状は、針形、楕円形、円形などを含む。
装置１３０は、（例えばプローブ１４６で定義された原点に基づく）超音波（ＵＳ）撮像座標系１２６から（例えば磁場発生装置で定義された原点に基づく）追跡空間座標系１２８への迅速で正確且つロバストなマッピングを提供する。他の原点が、所与の例の代わりに又は加えて採用されてもよい。装置１３０は、受動超音波受信機１５４及びＥＭセンサ１５２の１つ以上の工場較正済みのアレンジメントを含んでもよい。これら受信機１５４及び／又はセンサ１５２は、装置１３０の外部又は内部に配置される。装置１３０は、（患者に外部からの）術前較正又は生体内の較正の品質管理のための介入ツールとして使用されてもよい。
超音波センサ１５４の位置は、高解像度（例えばサブミリメートル）で識別することができ、ＥＭ追跡位置に位置合わせされることができ、これによって、較正の正確さを向上させる。装置１３０の使いやすさを考えると、短い時間で多くの数の測定値を取得する能力が可能であり、これは、術前のＵＳプローブの迅速な較正のための、又は術中の較正の忠実度の迅速なチェックのため座標系をマッピングすることによって、較正をよりロバストなものにする。装置１３０は、２Ｄ画像及び３Ｄ画像の両方に使用されてもよい。
装置１３０の一実施形態では、複数（例えば５つの自由度（ＤＯＭ））のＥＭセンサ１５２及び受動超音波受信機１５４は、これらセンサ１５２、１５４の構成が製造工程中に互いに較正され得るように、ツールに埋め込まれる。これらの超音波受信機１５４は、超音波ボリューム１４８の視野（プローブ１４６又は他のソースによって作られた窓）に入った場合、サブミリメートルの正確さで識別されることができる。
装置１３０が、超音波ボリューム１４８の視野に入った場合、装置１３０の単一画像でさえも、２つの座標系（例えば撮像座標系及び追跡座標系）の迅速なマッピングを得るのには十分である。これは、迅速な較正を提供する能力をもたらす。より正確な又はロバストな協働位置決めが必要な場合、超音波プローブ１４６及び装置１３０は、プローブのＥＭ追跡機１４４、装置１３０上のＥＭセンサ１５２及び／又はＵＳボリューム１４８内の超音波受信機１５４の位置の１つ以上の測定値を同時に記録しながら互いに対して移動することができる。プローブ１４６の各構成で、超音波センサ１５４は、ＵＳボリューム１４８内で見える状態にあるべきである。この連続的なデータ収集は、２組の点位置合わせのための豊富なデータをもたらし、これによって、撮像座標系１２６と追跡座標系１２８との間の正確且つロバストな超音波マッピングをもたらす。
説明されたように、装置１３０は、別体の指定の較正器具を含んでもよく、又は介入医療機器若しくは器具１０２に含まれてもよい。医療機器１０２は、カテーテル、ガイドワイヤ、プローブ、内視鏡、ロボット、電極、ろ過装置、バルーン装置、又は他の医療コンポーネントなどを含んでもよい。
一実施形態では、ワークステーション１１２は、装置１３０がボリューム１４８内のどこにあったかの累積位置データを記録する。ワークステーション１１２は、対象物（患者）又はボリューム１４８の内部画像を見るためのディスプレイ１１８を含んでもよく、装置１３０及びその位置を示すオーバレイ又は他のレンダリングとしてＵＳ画像を含んでもよい。ディスプレイ１１８は、ユーザが、ワークステーション１１２並びにそのコンポーネント及び機能、又はシステム１００内の任意の他の要素とインタラクトすることも可能にする。これは、キーボード、マウス、ジョイスティック、力覚触覚装置を含むインタフェース１２０、又は、ユーザが、ワークステーション１１２からフィードバックを受け、ワークステーション１１２とインタラクトすることを可能にする任意の他の周辺機器若しくは制御装置によって、更に容易になる。
システム１００は、撮像システム１３４（例えば超音波）から追跡システム１３２への迅速なマッピングのために使用されてもよい。装置１３０は、ワンタイム（例えば、工場での）較正にも、プローブ又は他の設備のための品質管理サービス検査の一部としての周期的な較正検査においても使用することができる。加えて、本実施形態は、器具が体内にある間に、超音波較正の品質管理検査を行うために使用されてもよい。本原理は、画像誘導手術の分野、特に、誘導及び他の座標系（例えば他の画像モダリティ及び追跡システム）を用いた画像の融合を使用する外科的介入の分野に適用することができる。本原理は、人体模型、実習用模型、エンジン、他のデバイスなどを含む機械的システムを分析するのにも使用されてもよい。
図３を参照すると、模式図は、装置１３０を用いて座標系を位置合わせするための、例示としての一例を示している。装置１３０は、ＵＳ視野又はボリューム１４８に移動される。装置１３０は、磁場発生装置１４２によって発生した磁場内にも有る（図１）。プローブ１４２は、その上に搭載されたＥＭ追跡機１４４を含む。この態様では、ＥＭセンサ１５２は、プローブ１４６上のＥＭセンサ１４４に対して、及び、最終的には、追跡システム空間（Ｔ）のためのグローバル座標基準（Ｌ）に対して、基準位置及び方向を提供することができる。同様に、装置１３０及びＵＳ受信機１５４は、ＵＳ画像に視覚効果を提供する。これは、画像空間（Ｉ）内のプローブ１４６と装置１３０（及び／又はそのセンサ１５４）との間の相対的位置を可能にする。装置１３０の方向が分かり、方向が両方のレジームにおいて同一であることにより、２つのレジーム間及び／又はグローバル座標系１６２への位置合わせが提供される。図３は、画像空間（Ｉ）から追跡空間（Ｔ）への変換ＴＦＩと、追跡空間（Ｔ）からグローバル基準（Ｌ）への変換ＬＦＴとを模式的に示す。
図４を参照すると、装置１３０の別の実施形態は、針装置３３０を含む。この場合、ＥＭセンサ１５２と受動超音波受信機１５４との１つ以上の対が、装置３３０に埋め込まれる又は搭載される。ワークフローは、追跡システム及び撮像システムを較正する及びマッピングするための上記に説明されたワークフローに類似する。針装置３３０の少なくとも３つの画像が、一対の構成でマッピングを行うために必要である。これは、針装置３３０の形状によるものである。針装置３３０は、超音波プローブ１４６に対して種々異なる位置及び方向に設置されることができ、ＥＭセンサ（１５２）位置及び受信機（１５４）位置の同時読み込みは、同時に記録され得る。画像空間３３２及び追跡空間３３４内の針装置３３０の位置は、収集データを用いてブロック３３６で位置合わせすることができる。可視化をアシストするために、ＵＳセンサ１５４の位置を示すオーバレイ画像３３８が表示されてもよい。
図５を参照すると、別の実施形態では、さまざまなセンサ、つまりＥＭセンサ１５２及び受動超音波受信機１５４は両方とも、介入ツール４０２に埋め込まれてもよい。ワークフローは、説明されたワークフローに類似する。このツール４０２は、身体の内部を撮像／追跡するのに有用である。追跡システムは、センサ１５２及び／又は光学的形状センシングシステム１７０を備えるＥＭ追跡システムを含んでもよい。光学的形状センシングシステムは、センサ１５２と共に使用されてもよく、又はセンサ１５２に取って替わってもよい。介入ツール４０２を超音波の視野（ＦＯＶ）中で動かすことによって、迅速な較正が得ることができ、較正が依然として忠実性を維持していることを確認するために、その後、術前に得られた基準構成と比較することができる。
図６を参照すると、別の実施形態では、装置１３０に類似する高性能な較正装置又はツール５０２は、埋め込み式の超音波受信機１５４と、一つ又は複数の光ファイバ５０４を備えた光学的形状センシングシステムとを含む。例示的な目的のために、装置５０２の立方体形状の筐体５０６のへりに沿って延在する光学的形状センシングファイバ５０４が表現されている。形状センシングファイバ５０４は、他の構成を有してもよく、筐体５０６は、他の形状を含んでもよいことを理解されたい。他の実施形態で説明された同じ技術を用いて、この装置５０２は、超音波画像の座標系を、ＥＭ追跡座標系の代わりに光学的形状センシング座標系５１０に較正するのに使用することができる。
引き続き図６を参照しながら再び図１を参照すると、装置５０２上の光学的形状センシングシステムは、一つ又は複数のセットパターンで装置５０２に結合された１つ以上の光ファイバ５０４を含む。光ファイバ５０４は、ケーブル１２７を通してワークステーション１１２に結合する。ケーブル１２７は、必要に応じて、光ファイバ、電気的結合、他の器具などを含んでもよい。
光ファイバ５０４を備える形状センシングシステムは、光ファイバブラッグ格子センサに基づいてもよい。光ファイバブラッグ格子（fiber optic Bragg grating（ＦＢＧ））は、特定の光の波長を反射し、全ての他の波長は透過する光ファイバの短いセグメントである。これは、ファイバコア内に屈折率の周期的な変化を追加することによって達成され、波長固有の誘電体反射鏡を生成する。従って、ファイバブラッグ格子は、特定の波長をブロックするために、インラインの光学フィルタとして、又は波長固有の反射器として使用することができる。
ファイバブラッグ格子の操作の背景にある基礎的な原理は、屈折率が変わる各界面でのフレネル反射である。いくつかの波長については、反射に対して強め合う干渉が存在し、結果として、透過に対して弱め合う干渉が存在するように、さまざまな或る周期の反射光は、位相が一致している。ブラッグ波長は、ひずみにも温度にも敏感である。これは、ブラッグ格子を光ファイバセンサのセンシング素子として使用することができることを意味する。ＦＢＧセンサでは、測定量（例えばひずみ）は、ブラッグ波長のシフトをもたらす。
この技術の一つの有利な点は、さまざまなセンサ素子をファイバの長さに渡って配置することができる点である。多数のＦＢＧセンサは、ファイバの長さに渡って位置づけられることができ、複数のコアが、同じシース内（例えば３以上のファイバセンシングコア）で共に使用されてよい。各ＦＢＧのひずみ測定値から、構造の曲率がその位置で推測される。複数の測定された位置から、装置５０２の位置及び方向が分かるように、３次元形状全体が決定される。
光ファイバブラッグ格子の代替案として、従来の光ファイバの固有後方散乱を活用することができる。このようなアプローチの一つは、標準的なシングルモード通信ファイバ内のレイリー散乱を使用することである。レイリー散乱は、ファイバコア内の屈折率のランダムなゆらぎの結果として発生する。これらランダムなゆらぎは、格子長に沿った振幅及び位相のランダムな変化を有するブラッグ格子としてモデル化することができる。この効果を、マルチコアファイバの単一長内を走る３つ以上のコアに用いることによって、３Ｄ形状及び関心表面のダイナミクスをたどることができる。
図７を参照すると、別の実施形態では、装置１３０に類似する高性能な較正装置６０２は、埋め込み式の超音波センサ６５４及びＥＭセンサ６５６を含む。超音波センサ６５４は、循環する造影剤６１４を含むように構成されている。各超音波センサ６５４は、“閉ループ”灌漑システム６０６を有するヘッド部６０４を含む。この灌漑システム６０６は、超音波造影剤６１４の循環を可能にする。ヘッド部６０４は、ステム６１０又は他の支持部材に接続されている。ステム６１０及びヘッド部６０４は、造影剤６１４を循環させるポンプ（不図示）に通じているチューブ６１２を含む。ステム６１０及び／又はヘッド部６０４は、ヘッド部６０４にある超音波造影剤６１４のみが超音波画像内で見えるように、超音波において低エコーであるようにデザインされている。センサ６５４のヘッド部６０４は、超音波透過性の材料でできている。センサのヘッド部６０４のサイズは、超音波周波数に依存し、サブミリメートルの寸法、例えば約０．１〜０．２ｍｍの寸法を含むべきである。
図８を参照すると、撮像システムと追跡システムとの間の座標をマッピングする方法が示されている。ブロック７０２では、固定の幾何学形状を有する較正ツールが提供される。較正ツールは、撮像モードに関係する第１センサと、追跡モードに関係する第２センサとを含む。第１センサ及び第２センサは、固定の幾何学的形状の上の既知の位置に配置され、搭載される。
ブロック７０４では、固定の幾何学的形状は、立方体を含んでもよく、第１センサ及び第２センサは、立方体の面の上に配置され、搭載される。ブロック７０６では、固定の幾何学的形状は、針を含んでもよく、第１センサ及び第２センサは、針に沿って配置され、搭載される。他の幾何学的形状も検討される。
ブロック７０８では、第１センサは、画像空間内の較正ツールの位置を決定するために、撮像システムの視野内に位置決めされる。第１センサは、超音波受信機を含んでもよく、画像空間は、超音波ボリューム画像空間を含んでもよい。一実施形態では、第１センサは、流れる造影剤を受信するように構成された超音波受信機を含む。ブロック７１０では、造影剤は、超音波画像内で受信機が見える状態にするために、超音波受信機内を圧送される。
ブロック７１６では、第２センサは、追跡空間内の較正ツールの同じ位置を決定するために追跡される。第２センサは、電磁（ＥＭ）追跡センサを含んでもよく、追跡空間は、生成されたＥＭ場を含んでもよい。第２センサは、光ファイバ形状センシングセンサを含んでもよく、ブロック７１８では、追跡空間内の較正ツールの位置は、光ファイバ形状センシングセンサからのフィードバックを用いて決定される。
ブロック７２２では、画像空間及び追跡空間は、較正ツールのアーチファクトに基づいて共通の座標系にマッピングされる。ブロック７２４では、マッピングは、較正ツールの単一ポーズを用いた、画像空間と追跡空間との間の位置合わせを較正するステップを含む。ブロック７２６では、マッピングは、較正の正確さを向上させるために、較正ツールの複数のポーズを用いた、画像空間と追跡空間との間の位置合わせを較正するステップを含む。ブロック７２８では、マッピングは、較正の正確さを向上させるために、撮像プローブを複数のポーズに動かすことによる、画像空間と追跡空間との間の位置合わせを較正するステップを含む。撮像プローブは、超音波プローブを含んでもよく、超音波プローブは、追跡されてもよい。
ブロック７３０では、介入処置などの処置が実行されてもよい。較正ツールは、生体外又は生体内の較正に使用されてもよい。較正ツールは、介入ツールを含んでもよく、又は介入ツールに含まれてもよく、生体内の再較正に使用されてもよい。
添付の請求項の解釈において、
ａ）「有する（comprising）」なる単語は、所与の請求項に挙げられた以外の他の要素又は行為の存在を排除するものではない、
ｂ）要素の前の「a」又は「an」なる単語は、このような要素の複数の存在を排除しない、
ｃ）請求項における如何なる参照符号も、これら請求項の範囲を限定するものではない、
ｄ）幾つかの「means（手段）」は、同じアイテム又はハードウェア若しくはソフトウェアにより実施される構造又は機能により示されてもよい、
ｅ）特に示されない限り、行為の特定配列が必要とされることは意図していない、
と理解されるべきである。
ａ）「有する（comprising）」なる単語は、所与の請求項に挙げられた以外の他の要素又は行為の存在を排除するものではない、
ｂ）要素の前の「a」又は「an」なる単語は、このような要素の複数の存在を排除しない、
ｃ）請求項における如何なる参照符号も、これら請求項の範囲を限定するものではない、
ｄ）幾つかの「means（手段）」は、同じアイテム又はハードウェア若しくはソフトウェアにより実施される構造又は機能により示されてもよい、
ｅ）特に示されない限り、行為の特定配列が必要とされることは意図していない、
と理解されるべきである。
（説明を目的とし、限定していない）超音波画像から追跡システムへの正確で迅速な点マッピングのための好ましい実施形態が説明されたことで、上記教示の観点から当業者により修正及び変更が行われ得ることを留意されたい。従って、添付の請求項により述べられるように、本明細書に開示される実施形態の範囲内である変更が公開した特定の実施形態に開示されることが理解されるべきである。故に、詳細に説明し、特に特許法により義務付けられるので、特許請求の範囲及び特許証により保護されるものは、添付した請求項に述べられる。
Claims (15)
- 固定の幾何学的形状を有する較正ツールであって、撮像モードに関係する第１センサと、追跡モードに関係する第２センサとを含み、前記第１センサ及び第２センサは、前記固定の幾何学的形状上の既知の位置に配置され、搭載される当該較正ツールと、
画像空間内の前記較正ツールの位置を決定するために、撮像システムの視野内に前記第１センサを位置決めする撮像システムと、
追跡空間内の前記較正ツールの同じ位置を決定するために、前記第２センサを追跡する追跡システムと、
前記画像空間及び前記追跡空間を前記較正ツールのアーチファクトに基づいて共通の座標系にマッピングするセンサモジュールと、
を有する、画像と追跡システムとの間の座標をマッピングするためのシステム。 - 前記センサモジュールは、前記較正ツールの単一ポーズを用いて、前記画像空間と前記追跡空間との間の位置合わせを較正する、請求項１に記載のシステム。
- 前記固定の幾何学的形状は、立方体を含み、前記第１センサ及び前記第２センサは、前記立方体の面上に配置され、搭載される、請求項１に記載のシステム。
- 前記第１センサは、超音波受信機を含み、前記画像空間は、超音波ボリューム画像空間を含む、請求項１に記載のシステム。
- 前記第２センサは、電磁（ＥＭ）追跡センサを含み、前記追跡空間は、生成されたＥＭ場を含む、請求項１に記載のシステム。
- 前記センサモジュールは、較正の正確さを向上させるために、前記較正ツールの複数のポーズを用いて、前記画像空間と前記追跡空間との間の位置合わせを較正する、請求項１に記載のシステム。
- 前記センサモジュールは、較正の正確さを向上させるために、撮像プローブを複数のポーズに動かすことによって、前記画像空間と前記追跡空間との間の位置合わせを較正する、請求項１に記載のシステム。
- 前記第２センサは、追跡空間内の前記較正ツールの前記位置を決定するために、光ファイバ形状センシングセンサを含む、請求項１に記載のシステム。
- 前記固定の幾何学的形状は、針を含み、前記第１センサ及び前記第２センサは、前記針に沿って配置され、搭載される、請求項１に記載のシステム。
- 前記第１センサは、造影剤を循環可能に構成される超音波受信機を含む、請求項１に記載のシステム。
- 前記第１センサは、前記造影剤が前記第１センサのヘッド部内でのみ見えるように構成される、請求項１０に記載のシステム。
- 前記較正ツールは、生体内較正のための介入ツールを含む、請求項１に記載のシステム。
- 固定の幾何学的形状を有する較正ツールであって、前記較正ツールは、撮像モードに関係する第１センサと、追跡モードに関係する第２センサとを含み、前記第１センサ及び前記第２センサは、前記固定の幾何学的形状上の既知の位置に配置され、搭載される当該較正ツールを提供するステップと、
画像空間内の前記較正ツールの位置を決定するために、撮像システムの視野内に前記第１センサを位置決めするステップと、
追跡空間内の前記較正ツールの同じ位置を決定するために、前記第２センサを追跡するステップと、
前記画像空間及び前記追跡空間を前記較正ツールのアーチファクトに基づいて共通の座標系にマッピングするステップと、
を含む、画像と追跡システムとの間の座標をマッピングするための方法。 - マッピングは、前記較正ツールの単一ポーズの一つを用いた、前記画像空間と前記追跡空間との間の位置合わせを較正するステップを含み、前記固定の幾何学的形状は、少なくとも１つの立方体を含み、前記第１センサ及び第２センサは、前記立方体の面上に配置され、搭載され、又は、前記前記固定の幾何学的形状は、針を含み、前記第１センサ及び第２センサは、前記針に沿って配置され、搭載される、請求項１３に記載の方法。
- 固定の幾何学的形状を有する較正ツールであって、前記較正ツールは、超音波画像内に現れる超音波受信機と、追跡モードに関係する追跡センサとを含み、前記超音波受信機及び前記追跡センサは、前記固定の幾何学的形状上の既知の位置に配置され、搭載される当該較正ツールを提供するステップと、
画像空間内の前記較正ツールの位置を決定するために、追跡された超音波プローブに関係する超音波撮像システムの視野内に前記超音波受信機を位置決めするステップと、
追跡空間内の前記較正ツールの同じ位置を決定するために、前記追跡センサを追跡するステップと、
前記画像空間内及び前記追跡空間内の両方において、前記追跡された超音波プローブに対する前記較正ツールの座標系を変換することによって、前記画像空間及び前記追跡空間を、前記較正ツールのアーチファクトに基づいて共通の座標系にマッピングするステップと、
を有する、画像と追跡システムとの間の座標をマッピングするための方法。
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