JP2732618B2

JP2732618B2 - 解剖映像装置

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Publication number: JP2732618B2
Application number: JP63284811A
Authority: JP
Inventors: ジョージ・エス・アレン
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-11-10
Filing date: 1988-11-10
Publication date: 1998-03-30
Anticipated expiration: 2013-03-30
Also published as: GB2246936A; AU657438B2; US5016639A; AU658333B2; GB9113228D0; US5097839A; CA1317036C; AU657436B2; BR8805881A; CA1334035C; US5094241A; DE3838011A1; US5397329A; GB2212371B; GB9113229D0; US5211164A; AU2459388A; GB8824928D0; FR2627075B1; SE8804056D0

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は解剖映像装置に関するものである。

〔従来技術〕

臨床医が人体の解剖学的構造を忠実に観察することが
できる診断技術は患者と医師の両方にとって有益であ
る。コンピュータレントゲン断層写真（CT）Ｘ線映像装
置あるいは該磁気共鳴（NMR）装置のような断面像を与
える映像システムによって、手術あるいは他の侵入的に
技術を用いずに人体の解剖構造の映像化を促進すること
ができる。このような映像システムでは患者を走査し、
患者の解剖学的構造をある形に再生して熟練した医師に
よって評価することができる。

このような技術を十分経験した医師は患者の解剖映像
を評価し、何等かの異常があるか否かを決めることがで
きる。腫瘍や癌の形態を取る異常があると、周囲の領域
とは識別することができる形として映像に現れる。コン
トラストの差ができるのは周囲の人体組織とは異なる映
像特性があるからである。その上腫瘍や癌を示すコント
ラスト形態は、健康な人には通常このような形態が現れ
ないような場所に現れる。

一旦癌が識別されると、癌を除去あるいは破壊する幾
つかの治療が行われるが、これには化学療法、放射線療
法及び手術がある。化学療法では癌を破壊するために薬
剤が患者の体に投与される。治療の間通常では映像装置
が治療経過を見るために用いられ、患者は周期的に走査
にかけられ、治療期間に取られた映像と比較して癌の形
態に何等かの変化があるかどうかが確認される。

放射線治療では映像装置によって生成された癌の映像
が放射線学者によって用いられ、放射線装置を調節して
癌のみに方向づけ、一方では周囲の正常組織への副作用
を最小限にし、あるいは全くないようにする。放射線治
療の間、映像システムはまた化学療法で述べられたとの
同じように患者の経過を追跡するのにも用いられる。

手術して癌を除去する場合は、手術中の外科医が患者
の癌の映像に導かれることになる。手術の前に映像を再
度見ておくことによって、外科医は癌に到達しこれを切
除する最上の戦略を決めることができる。手術が終わる
と、さらに走査が行われて、手術の成功及び患者の以後
の経過を評価する。

〔発明の解決すべき課題〕

上記の走査技術に関連する問題点は、映像装置によっ
て異なる時期に取られた映像の、あるいは本質的には同
じ時期であるが、例えばCT及びMRIのような異なった映
像様式を用いて取られた同じ解剖領域の断面を正確に選
択し比較することが不可能であるということである。映
像の比較における不正確さは走査技術及び患者の解剖構
造の断面“スライス”の範囲内にどのようにして映像シ
ステムが映像を生成するかを説明することによってより
良く理解されるであろう。１つのスライスは放射ビーム
あるいは磁界によって露出されるかあるいは励起される
患者の解剖構造の断面の範囲内のある大きさの要素を示
し、その情報はフィルムかあるいは他の実態的な媒体に
記録される。映像は映像装置に対して患者の位置がどの
ようになっているかによって決まるスライスから作ら
れ、患者の向きを変えることにより大きさの異なる要素
がスライスに導入されることになる。従って比較の目的
のため異なる時期に取られた解剖のほぼ等しい大きさの
２つのセットからは、各々のセットから選択された２つ
の映像がどの程度まで共通の面があるかはわからないた
め、セット内の２つの映像の間に起こる変化を正確に決
定するのに用いるような比較情報をえられない。

このようなエラーの臨床応用での欠点を例として患者
の体内の癌の診断に外科医あるいは他の医師が用いる診
断法によって説明する。患者に癌があると、癌の密度及
び場所は走査装置によって生成される映像によって決め
られる。医師が患者の治療法を査定するには、２つの走
査診断が必要である。患者はまず初期走査にかけられ、
診断する解剖構造、例えば脳を通してたくさんのスライ
スが生成される。走査中、患者は映像装置に対して実質
的に固定した位置に保持される。前のスライスと平行に
あらかじめ決められた距離で特定走査の各スライスが取
られる。医師はスライスの映像を使用して癌を評価す
る。しかしもし医師が所定のある期間にわたって癌の形
態変化を査定したいならば、第２の、すなわち“追跡”
走査を行わなければならない。

走査工程は繰り返されるが、患者はもとの走査とは異
なる位置に置かれるため、走査の比較は妨げられる。追
跡評価で得られるスライスはもとのスライスと比較され
る場合にたまたま別の角度で取られることもあり得る。
従ってそのような場合作られた映像は実際に以前に取ら
れたものよりも体積がさらに大きくなる。その結果外科
医は比較スキャンが異なる期間に取られた場合癌の大き
さに関して誤った印象を得ることも有り得る。このため
スライスごとの比較はうまくいかない。

同様にある外科技術のためには、頭蓋骨内の癌の同じ
セグメントの正確かつ信頼できる周期的な走査を得るこ
とが望ましい。もし手術の前及び後の走査が不正確だ
と、医師は手術結果の正確な画像を得ることができな
い。前記の化学療法のような他の治療法にも同じ不正確
さは現れる。

従って映像システムは腫瘍や癌の手術その他の治療法
に不可欠な役割を果たしており、与えられた時期の人体
内の望ましい位置を決定する方法は現在欠乏している。
例えば米国特許第4583538号（オニークらによる）明細
書には、CTスキャンのスライス中に識別することができ
る患者の皮膚上に置かれた局所装置が記載されている。
基準点はCTスキャン上の点に正確に相関する装置上の位
置から選択される。そしてCTスキャン上の局所装置の計
測は患者上の装置と相関される。

米国特許第4341220号明細書に記載されているような
患者の頭蓋骨にぴったりとあてはまるフレームのような
外部装置が上記の問題のいくつかを正確に解決するため
に提示されている。フレームには３つのプレートがあ
り、各プレートは４つの側面の内３つの側面上の複数の
スロットを限定している。スロットの長さは変化し、長
さの順に順序だっている。フレーム上で限定され存在す
るフレーム座標はスロットの変化する高さに対応する。
頭蓋骨及び脳のスライスが映像装置によって取られる
と、スライスによって形成される面は３つのプレートと
交差する。スライス内の完全スロットの数は各プレート
に関してカウントされて、脳のターゲット面の座標が決
まる。従ってターゲットの座標を的確に示すのに必要な
CTスキャンはただ１つである。

他の方法では解剖部分にカテーテルを挿入する。例え
ば米国特許第4572198号明細書には、磁界を励起したり
弱めたりするために先端にコイルが巻かれたカテーテル
が記載されている。磁界が弱ければNMR装置で検出する
ことができるため、NMR装置に関するカテーテル先端の
位置を的確に示すことができる。

本発明は上記のような従来の映像装置に関する上記の
欠点の多くを解決している。本発明は、映像様式が異な
り時期が異なっていても、異なる時間に取られた走査が
以前の走査と実質的に同一な映像を生成することが確実
に行える方法及び装置を提供する。このため解剖構造の
変化をより正確に査定することができる。その結果医師
は頭蓋骨内にある癌の大きさ、部位及び密度あるいは断
面に関してより正確に知ることができる。

このためレーザ法のような非侵入的な方法で特に癌を
除去する場合の外科的な方法を促進する。癌の部位及び
大きさを正確に決めることができるため、レーザビーム
を癌に直接集中することができる。外科的な方法の一部
として、手術の結果として癌が除去されたりあるいは実
質的に大きさが変化したかどうかを決めるのに走査を間
欠的に用いることができる。レーザ等の手術器具はそれ
に応じて調整される。本発明によって得られる映像技術
は正確であるため、医師は手術中に破壊される正常組織
の量が最小限に押さえられることが確認できる。

〔課題解決のための手段〕

本発明の解剖映像装置は、解剖部分の断面のスライス
された映像を生成する映像装置と、この映像装置によっ
て生成された映像を表示するための表示手段と、グログ
ラム可能なデータ処理コンピュータと、映像装置によっ
て識別可能である解剖部分に関して時間的に固定されて
いる座標系を定める手段とを具備し、この座標系を定め
る手段は映像装置によって検出可能に構成された解剖さ
れる患者の体内に注入して固定されている素子を含み、
データ処理コンピュータは第１の走査の期間中映像装置
によってスライスされた映像が得られるようにプログラ
ムされ、映像装置およびデータ処理コンピュータは協働
して第１の走査の期間中に生成されたスライスされた映
像と実質的に等しいスライスされた映像を第２の走査の
期間中に生成することを特徴とする。

このような解剖映像装置において座標系を定める手段
として患者の体内に注入して固定される基準インプラン
トは、第１および第２の部分から成り、この第１の部分
が映像システムによって検出されるように構成されてお
り、第２の部分が骨の全体を貫通せず、また骨にひび割
れを生じることなく皮膚の下の骨に固着されるように構
成されており、第１の部分が映像システムによって検出
されることができるような十分な大きさおよび材質で構
成され、また皮膚と骨の間の境界に設置された時に皮膚
の損傷が最小ですむ程度の小さなものであり、第１の部
分が少なくとも球形の部分を有し、第２の部分を骨に固
定するための器具と協働する表面を定める部分を備えて
いる。

このような基準インプラントは、例えば頭蓋骨に移植
することが可能であり、映像システムの放射線によって
検出することのできる材料で構成されている。ここで記
載される基準インプラントは、移植中に頭蓋骨がひび割
れたり頭蓋骨を貫通して突出するような頭蓋骨への悪い
副作用を持たないように構成される。頭蓋骨と皮膚の間
が十分に露出されて解剖部分の外部特性を歪めることも
ない。さらに基準インプラントは少なくとも頭蓋骨の皮
膚と骨の境界面で頭蓋骨部分に設けられていて、映像装
置による映像化を促進している。少なくともインプラン
トの一部分は断面が対称的で、例えば頭蓋骨部分におけ
るスライスがインプラントの大きさの中心位置を定める
のに用いられるようになっている。このためインプラン
ト映像を基準点として用いることによって追跡調査の後
続スライスを正確に適切な位置及び方向に変換すること
が容易になる。

上記は先行技術の欠点及び本発明の利点いついて説明
したが、以下の望ましい実施例の詳細な説明からその他
の利点も明らかにされるであろう。

〔実施例〕

第１図には人体の基準インプラント10が示されてお
り、このインプラントは映像システムによって検出する
ことができる。基準インプラント10は第１の部分12と第
２の部分14から構成されている。第１の部分12は（皮膚
の下に設けられている場合の）映像システムによって検
出されるように構成されている。第２の部分14は全体が
骨を貫通したり骨を破砕したりしないで皮膚の下の骨に
固着されるように構成されている。第１の部分12は映像
システムによって検出される程度の十分に大きい材料か
ら構成され、また皮膚と骨の間の接触面に設けられた場
合に皮膚の損傷が最小限になる程度に十分小さい。第１
の部分12にはまた、球形で第２の部分14を骨に固定する
ための器具と協働する表面を限定する部分が少なくとも
設けられている。さらに、３個の基準インプラント10を
人体の組織部分に設けることによって、第１の期間、す
なわち初期診断で取られた映像を複写するために映像シ
ステムによって捕らえた組織部分の特定の映像スライス
を再生することができる。このため熟練医師が問題の組
織部分を示す選択スライスへの治療の経過を正確に追跡
することができる。

その上、３個の基準インプラント10の存在によって、
ターゲット（例えば腫瘍）が外部の座標系に関して識別
できる。次にターゲットを保持する組織部分が、例えば
機械的にあるいは正確な放射線照射で適切に処理され
る。

少なくとも２つの異なる期間でおける映像スライスを
正確に比較するために、２つの基準インプラント10がま
ず患者の人体の問題の望ましい領域に移植される。次に
患者は映像システム中に置かれ、連続した断面スライス
の映像が取られ、これには例えば問題の初期ターゲット
である腫瘍部分が含まれる。得られた映像データから、
３つの信頼インプラントの位置が決められ、内部座標系
がインプラントに関して限定される。映像データは、そ
れが望ましい場合はさらに再方式化されて、その方向が
映像期間中にもともと得られたスライスとは異なる映像
スライスを示すようにすることができる。これらの映像
スライスが表す診断情報によって、患者の手術、化学療
法あるいは放射線療法に関して適正な決定が行われる。
映像データはまたCT、PETあるいはNMRのような幾つかの
異なる型の映像から、人体組織の性質は異なるが同じ面
が得られるように用いられる。

後にさらに映像データを得ることが決まったならば、
患者は映像システムに戻されて映像データを得る工程が
繰り返される。基準インプラント10は第２の映像期間に
関して位置づけられ、基準インプラント10に関して同じ
内部座標系が限定される。第２の映像期間に関して同じ
内部座標系が定められると、内部座標系とこの座標を伴
う映像の変換及び回転が、第１の映像期間に確立された
座標系に関して決められる。診断に用いられる第１の映
像期間から識別された映像スライスが第２の映像期間か
ら捜し出される。次に、１つは第１の映像期間からまた
１つは第２の映像期間からの２つの映像スライスが、も
しあれば患者の人体組織部分にどのような変化が生じた
かを決めるために比較される。

さらに詳細に説明すると、３次元の非同一線上の座標
系によって３つの明確な同一線上にない点が完全に限定
されることが必要とされる。識別可能な点が３つ以上あ
る場合は、システムが過剰に決定されて座標系を決定す
るのに３つの点が選択される。識別可能な別々の点が３
つより少い場合は、システムは決定されず１つあるいは
２つの識別可能な点に関する位置は決定されない。

既知の３つの分離された点の位置によって、直交座標
系が確立できるような面が識別される。人体内で時間の
変化に対して３つの点の相対位置が固定されている場合
は、座標系が確立されて、時間的にも固定化される。固
定された内部座標系を人体にずっと限定する能力には重
要な分枝がある。人体のある位置に関してずっと面に固
定される完全に限定された内部座標系によって、例をあ
げただけでもCTスキャン、NMRスキャンあるいはPETスキ
ャンのような映像システムに取られた人体の後続映像を
比較することができる。このように比較することで、も
し人体内のあらかじめ決められた位置に変化があるなら
ば、どのような変化があるかを臨床医が見ることができ
る。

人体に関する固定座標系を用いることによって、時間
経過にしたがって座標を比較することができる。しかし
組織あるいは人体材料はずっと座標のあらかじめ決めら
れた設定された場所に必ずしも固定されているわけでは
ない。時間が経過すると、組織は変換し手術に続く通常
の変化が起こる。それにもかかわらず、いろいろな性質
（映像の型によって）の組織を同じ座標系で異なる時間
において比較する能力は診断上大きな利点である。

原則として、座標系を限定する（のに必要な）３つの
点はいろいろな方法で選択することができる。脳あるい
は頭部に関する一実施例では、２つの耳と歯、あるいは
２つの耳と鼻に３個の点がある。あるいは、頭蓋骨の映
像スライスによって点のセットが与えられ、これらの点
から３つの点が選択されて人体の座標系を形成する。人
体に移植され走査中にコントラストの高い映像を形成す
る３つの基準点によって、座標系を限定する最も信頼で
きる方法が与えられることが望ましい。分析中の人体の
同じ接近した領域に３個の点があり、これらの点はまた
CT映像装置及びNMR映像装置のような異なる映像システ
ムによって識別可能でありまた計測可能であることが理
想的である。

完全に限定された座標系を形成するために、３つの分
離した同一直線上にない基準点を検出することが必要で
ある。人体に固定された完全に定められた座標系の形成
に関して、検出の必要性によって、基準インプラント10
を人体を映像化するシステムによって検出されうる材料
で構成することが必要となる。基準インプラント10には
人体内のあらかじめ決められた位置をマークする手段と
からなる第１の部分12を有する（第１図参照）。第１の
部分、すなわちマーカー12は周囲の材料と比較して映像
内に高いコントラストを与えることが理想的である。材
料マーカー12はまた映像に与える歪が可能な限り小さく
なるように構成され、その表示の大きさは最小限になっ
ている。マーカー12はまた人体での使用上安全であり、
装着人が不快感や意識を感じることはないように構成し
なければならない。

マーカー12は映像システムによる位置決めを容易にす
るために対称体となっている。マーカー12が走査される
と、対称であるためにインプラントを通る任意の面によ
って基本的に同じ映像及びその中心位置を決める能力が
与えられる。マーカー12の中心を識別する能力が重要で
あるのは、座標システムを限定する際に正確に同じ点を
再生して見付け出し用いることができるからである。従
って座標系を以前の配列から置き換えることによって、
それに続く同じ座標系の再形成で生じる誤差を最小限に
することができる。例えば球の任意の面の映像は常に円
形であるため、対称体に関してマーカー12の理想的な形
態は球形である。

球形対象物の半径を知り標準アルゴリズムを適用する
ことによって、球を通る任意の面から球形マーカー12の
中心を決めることができる。球の中心を決めるアルゴリ
ズムはインプラントの適切な位置をマークするためにオ
ペレータの相互作用を必要とする。対象物の中心はオペ
レータの相互作用を通して識別される円形輪郭の境界か
らうまく概算して決めることができる。例えば基準イン
プラントの映像の密度分布に関する優先情報を持ち、ま
たそれらが球対称であると仮定することによって、映像
を通しての走査プロファイルがベル状分布となり、この
分布の境界がここから決められる。境界から中心点が計
算される。特に基準インプラント10の物理的な大きさが
走査スライスの大きさを越えた場合に、基準インプラン
トの大きさ及び隣接スライスに関する相対的な位置によ
ってはさらにスライスが必要となる。

３個の基準インプラント（10a,10b,10c）の大きさの
中心が決められると、その内の２個（10a,10b）が、例
えば座標系のｘ軸ベクトルを決定し、ベクトル10aと10
b、10aと10cのベクトル積が第5A図（以下にさらに詳細
に説明される）に示されているように座標系を完全に定
める。

直径が１ないし10ミリメータ、望ましくは４ミリメー
タであるマーカー12は、例えば中空球形のチタニウムで
構成することができる。球の内部は、例えばアガロース
（agarose）ゲルで満たされ、このゲルにはいろいろな
望ましいドーパント（その選択はマーカー12が顕著にな
るように用いられる映像システムによる）が与えられ
る。マーカー12は基準インプラント10の第２の部分14と
密着している。

第２の部分14はインプラント10を人体に固着する手段
を提供している。骨はインプラント手段をその場所に保
持するのに良い材料であり、また人体内で長時間にわた
って固定位置に留どまっているため、マーカー12を人体
に固着する部位として好ましい。アンカー14の長さは固
着される骨に挿通するのに十分であり、また骨を破砕す
ることなくしっかりと埋め込むのにも十分であり、１な
いし10ミリメータ、特に３ミリメータが望ましい。アン
カー14は衝撃工具で駆動するのではなく骨にネジどめさ
れていて、骨を破砕する可能性を減らすようになってい
なければならない。アンカー14の材料としては、例えば
チタニウムが使用される。

基準インプラント10にはまた力を受けるための手段16
があり、それによってアンカー14が人体にしっかりと支
持される。アンカー14がネジであれば、アレンスパナを
受ける多角形の凹部16がマーカー12に設けられているこ
とが望ましい。関連する多角形凹部16にアレンスパナを
用いると、十字形の溝にフイリップススクリュドライバ
を用いたり、あるいは単一溝に標準スクリュドライバを
用いたりするよりもより対称的な構成体となる。

アンカー、この場合はネジ14を備えた基準インプラン
ト10を移植するには、皮膚を貫通し所望の骨の部位に到
達するために套管針（trocar）（図示されていない）を
用いることが望ましい。まず套管針を所望のアンカー部
位の皮膚に置き、内部のピアスロッドによって皮膚に力
をかける。次に套管針をそのまま保持しながらその内部
のピアスロッドを抜く。インプラント10の第１の部分12
の多角形凹部にアレンスパナヘッドがついているロッド
をはめ、インプラント10のネジ14がアンカー部分、例え
ば骨に接触するまで套管針中に挿入する。次にインプラ
ント10が骨に埋設されるまで套管針から延出しているロ
ッド部分に力をかける。このような工程は麻酔をかけた
状態で約５分間で行わなければならない。

３個の基準インプラント10を設けることは診断する組
織部分による。基本的には３個の基準インプラントは容
易に識別可能であって、また長時間にわたって相互位置
が固定されているように３つの位置に設けられる。例え
ば頭蓋骨及び脳の研究に着手するのであれば、インプラ
ント10aをヘアラインのすぐ上の頭蓋骨18の中央に置
き、他の２つのインプラント10b,10cはそれぞれ中央イ
ンプラント10aの後部位置の中央ラインの右及び左側に
設けることが望ましい（頭蓋骨18の前方及び上方からそ
れぞれ見た第2a図及び第2b図参照）。本発明の別の興味
ある箇所の例は胴であり、１つの基準インプラントを胸
骨の中央に設け、他の２つの基準インプラント10をそれ
ぞれ肋骨の横の右及び左側に設ける。あるいは、１個の
基準インプラント10を中心線の脊椎のとげのある部分に
設け、他の２個の基準インプラントをそれぞれ右及び左
の腸骨に設ける。

映像装置では空間の他の任意の位置を相対的に位置付
けることが可能な固定軸が提供される。その結果基準マ
ーカーの位置及びこれらのマーカーの座標形は映像装置
に対して相対的に位置付けることができる。本発明の特
徴によって、マーカーの位置を将来の参考に記録すべき
映像装置に対して配置することができる。後続の走査で
は、映像装置に対して患者の向きを変えても良い。この
新しい向きは、映像装置に関する基準マーカーを位置付
けまたはそれを以前の記録位置と比較することによって
計測される。比較法によって前の記録された走査に対応
する位置に後の走査の映像の向きを変えることができ、
一般的に映像スライスが常に前の記録されたスライスと
同じ断面になるようにできる。

実際の操作ではこれらの位置は座標系によって決ま
り、以下に説明するようにこれらのシステムの位置は回
転による変換によって得られる。

一旦基準インプラント10が設けられて座標系が定めら
れると、人体組織領域が同じ後続の映像と比較すること
ができる。例えば脳の映像が取られると、人体の頭部は
前の映像期間におけるその位置の下，上、あるいは側面
（第３図参照）に置かれる。頭部は前の映像期間中の方
向と比較するように回転される（第４図参照）。頭部を
前の映像期間と比較するように回転および変換しても良
い（第５図参照）。なぜ頭部を異なる向きにするかとい
う理由を考慮せずに、脳中の完全に定められた固定内座
標系を利用することによって、脳の以前の点あるいはス
ライスの映像を後続の映像情報から得ることができる。
これは第６図に示されているように、第１の診断で３個
の基準点によって定められた面の位置及び方向を、第２
の診断時に３個の基準点によって定められた同じ面の位
置及び方向と比較することによって行われる。簡単にす
るために、座標系の原点を与えられた基準点に位置させ
る。例えば時間の異なる同じ基準点（原点）の間のx,y,
z方向の距離を計測することによって、１つの座標系の
原点の他の座標系に対する変換が得られる。

特定のシーケンスで実行される３つの連続回転の手段
によって、与えられたデカルト座標系から別の座標系へ
の回転に関して変換を行えることが望ましい。次にオイ
ラー角度として知られる３つの角度が決定される。これ
らの３つのオイラー角度は変換の実行に必要な回転の３
つの連続角度である。オイラー角度の決定は、まず基準
インプラントによって決まる２つの面の交差を計算し、
次に基準ｘ軸及び交差線（Ψ:pai）の間の角度を計算
し、そして角度θ及び角度ψを計算することによって行
われる。この時点で３つのオイラー角度が決まる。第5A
図，第5B図及び第5C図に示された例では、変換の実行に
必要なシーケンスは、xyz軸の最初の系を第5A図に示さ
れているようにｚ軸に関して反時計方向に角度ψだけ回
転させることによって開始される。その結果できる座標
系はキシ（xi），エタ（eta），ゼタ（zeta）軸という
符号が付けられる。第２の段階では、中間軸キシ，エ
タ，ゼタがキシ軸に関してθ角度だけ反時計方向に回転
して、第5B図に示されるように別の中間セット、すなわ
ちキシ′軸，エタ′軸，ゼタ′軸が形成される（ここで
は第３の基準インプラント10cが理解を容易にするため
に図示されていない）。キシ′軸はxy面とキシ′エタ′
面との交差線でありノードのラインとして知られる。最
後にキシ′，エタ′，ゼタ′軸はゼタ′軸に関して角度
Ψだけ反時計方向に回転させて、第5C図に示されている
ように望ましいｘ′ｙ′ｚ′軸の座標系を構成する。従
ってオイラー角度θ，ψ，Ψはxyz座標系に対してｘ′
ｙ′ｚ′座標系の方向を完全に特定するため、３つの必
要な一般座標として作用する。

各々がマトリックスフォームに書き込むことができる
別々の回転の３重積として完全な変換マトリックスを書
くことによって、完全変換Ａの要素を得ることができ
る。従ってｚ軸に関する初期回転はマトリックスＤによ
って示すことができる。

xi＝Dx ただしxi及びｘは列マトリックスを示す。同様にキ
シ，エタ，ゼタからキシ′，エタ′，ゼタ′への変換は
マトリックスＣによって示され、ｘ′＝Cxi 最後のｘ′ｙ′ｚ′への回転はマトリックスＢによって
示される。

ｘ′＝Bxi′ 従って完全変換のマトリックスは次のように示すこと
ができる。

ｘ′＝Ax これは連続マトリックスの積である。

Ａ＝BCD マトリックスＤは次のように示される。

マトリックスＣは次のように示される。

マトリックスＢは次のように示される。

従ってマトリックスＡ＝BCDの積は上記の式によって
得られる。マトリックスの乗算の順番は識別されるタス
クにより、この場合xyz軸のセットからｘ′ｙ′ｚ′軸
のセットへの変換を定義する一旦オイラー角度が決まると、原則的に少なくとも方
向の問題は解決される。しかし計算の主な簡略化はオイ
ラーの定理を用いて行うことができる。

固定した人体の動きにおけるオイラーの定理では、一
点が固定した固定体の一般的な変位はある軸に関しての
回転とみなされる。

固定点が人体の軸のセットの原点として定められるな
らば、固定体の変位は人体の軸のセットの変換を含ま
ず、方向だけが変わるものとなる。そしてこの定理で
は、人体の軸のセットは常に最初の座標系の単一回転と
して得られるということになる。操作によって影響を受
けない回転の方向を残すことが回転の特徴である。言い
換えると、回転の軸方向にある任意のベクトルは回転の
前と後で同じ成分でなければならない。ベクトルの大き
さは影響を受けず、直交条件によって自動的に与えられ
ることが必要条件である。従って変換の前と後で、すな
わち両方の座標系において成分が同じベクトルＲが存在
するならば、オイラーの定理を証明することができる。
このことから、Ｒ′＝AR＝ＲこれはAR−kR（ただしｋは一定）として示される固有値
の問題である。ｋは定数であり、解が得られるｋの値は
マトリックスの固有値と言う。

固有値の式はとして示される。この式にはベクトルＲの成分X,Y,Zの
３つの同次の連立方程式のセットが含まれる。このた
め、これらの式は３つの成分の固定値、すなわち割合だ
けを与えることはない。従って成分の大きさは決定され
ないままである。同次式の場合上記の式の行列式が消
え、解によってｋの値が与えられる。実質的な直交マト
リックスの場合この式にはｋ＝＋１でなければならな
い。

一般的に式には３つの固有値に対応する３つの根があ
る。考えるとｋの対角線マトリックスが導かれる。

そしてマトリックス式はAR＝Rkのように示されるか、
あるいはＲ^＊＊（−１）によってＲ^＊＊（−１）AR＝ｋ
のように左から乗算される。この式は問題に対して有効
なアプローチを提供する。要素が望ましい固有値である
Ａを多角マトリックスに変形するマトリックスをさが
す。

最後に回転角度が決められる。回転角度の方向コサイ
ンは、固有値式にｋ＝１を設定し、Ｒの成分について解
くことによって得ることができる。マトリックスＡの跡
は回転角度を決めるために用いられることを示すことが
できる。Ａの跡、すなわちＴを計算しなければならな
い。すなわちＴ＝１＋cosW この式からＷが決められる。

上記の回転が何等かの意味を持つようにするために、
基準インプラント10a、あるいはいくつかの点が整列さ
れている２つの座標系の同じ面になければならない。こ
のため、１つの座標系に対応する位置における基準イン
プラント10aを他の座標系における基準インプラント10a
の位置に変換することが必要となる。望ましい座標系を
簡単に動かすことによって、デカルト座標系に関する線
量x,y,z、基準インプラント10aは同じ位置に保持されて
いる。デカルト座標系を別のシステムに変換するもっと
完全な説明には、ヘルベルト・ゴールドスタイン著、
“古典力学”（アヂソヌエズレイ社出版、レデイング、
MA、1965年、第107頁ないし第109頁）を参照されたい。

与えられたデカルト座標系の変換及び回転に関して任
意の点を得ることができる。任意の点を得ることができ
るために、点のセットから成る面もまた任意に得ること
ができる。例えば与えられた点を長時間にわたって観察
することが望ましければ、第１の時間に関して点の座標
が識別される。次に第２の時間に関する第１の時間にお
ける座標系に対応する変換及び回転情報が第１の時間に
おける点に与えられ、第２の時間における座標系におけ
る同一点の座標を指示する。そして第２の時間に関連す
る映像データをサーチして所望の点を見付ける。これは
座標系内の同じ点を時間の関数として得る多数の可能な
方法の中の１つでしかない。

同様に面あるいはスライス映像でも、スライス映像を
構成する点のセットの各点に同じ過程が適用される。そ
して第２の時間における座標系に対応する映像情報で望
ましい点がサーチされる。関連する映像情報と共にすべ
ての点が識別されると、これらの点は再方式化されて、
第１の時間における座標系に関する望ましい映像スライ
スに可能な限り近い映像スライスを生成する。勿論医師
によって最初の映像スライスから選択されたスライスの
位置は基準インプラントに関して決めなければならな
い。この目的のために、システムのｚ座標、すなわち高
さの座標を導入することが望ましい。これは映像セット
における任意のスライスに関して行うことができる。例
えば第１の基準インプラントを含むスライスを選択する
ことができる。

再方式化工程によって第２の時間の映像スライスから
映像点が取られ、これらの点を一緒に配列して第１の時
間の望ましい映像スライスに可能な限り同じ映像スライ
スを生成するのが理想的である。しかし実際には再方式
化された映像の生成に必要な点は、映像スライスが例え
ばその点の上か下で取られるために、存在しない場合が
多い。この場合望ましい映像スライスを準備できるよう
に、失なわれた点の表現が行われるように挿間が作用さ
れなければならない。例えば挿間の簡単な１つの方法で
は、存在しない望ましい点に最も近い既知の２つの点を
用いる。これらの２つの既知の点はまたその間に望まし
い点があるようにその点の反対側にあり、これらの映像
値を平均化する。例えば１つの点に関する映像の強度が
１ないし10ユニットの中の６ユニットであり、第２の点
の映像強度が４ユニットであり、またこの２つの点が望
ましい点からの距離が基本的に等しい場合、望ましい点
の映像強度は５ユニットが割り当てられる。第６図には
上記の工程全体のフローチャートが示されている。

内部座標系が映像データを得る異なる時間で同様に位
置付けられるならば、挿間は避けられる。これは３個の
基準インプラント10を映像データが得られる場合は常に
正確に同じ位置に設けることによって達成される。例え
ばＸ線装置によって、あるいは人体内の基準インプラン
トの位置を外部の座標系に関して表す以下に示す方法を
行い、またインプラントが映像が生じる第１の時間にど
こに位置付けられるかを知ることによって、人体を同じ
正確な位置に移動させることができる。人体を所定位置
に移動する１つの方法では、立体的に動くテーブルある
いはプラットフォームを用いることである。そのため座
標系がプラットフォームに関して人体内のどこにあるか
を知ると、第１の時間の映像データが得られる場合と全
く同じ方法で内部座標系が位置されるように、プラット
フォームを上下前後に動かしたり、回転させたりする。

第６図を参照して要約すると、この方法は以下の工程
から成る。

1. 最初の診断映像セット中に基準インプラントを位置
付け、内部座標系を確立する。

2. 最初のセット中の興味のあるスライスを選択する。

3. 基準インプラントによって決定される座標系と選択
されたスライスとの間の変換距離を決定する。

4. 追跡調査で基準インプラントを局所化する。

5. 座標系でのオイラー角度を決定する。

6. 最初のシステムにおいて選択されたスライスに対応
する変換されたスライスにおける座標の各点を決定す
る。

7. 軸方向における挿間を使用して各点における強度値
を決定する。（軸方向は映像テーブルの動きの方向とし
て定義される。）映像データの処理を行うハードウエア及びソフトウエ
アの実施例は多くあるが、各々は以下の機能に従って分
類することができる。

（１）断面映像の高速再構成を促進するハードウエア（２）オペレータ介入映像ディスプレィ（３）映像の記憶装置（４）映像のハードコピー能力ある実施例では現存のコンピュータ及び周辺装置を用
いて再方式化された映像の生成を行っている。

別の実施例では独立のシステムが用いられており、こ
のシステムでは映像が各々の映像装置から与えられて、
次に独立システムにおける比較解析を行う。映像装置の
コンピュータ部分の全体はすべての型の映像に適応する
ために、基本的に複写であり、プラス与えられたデータ
入力のいろいろなオプションでなければならない。そこ
ではマトリックスカメモのようなハードコピー能力も所
望され、それは永久記録は診断者にとって非常に貴重な
ものであるからである。

独立システム、または現存のシステムを上記の望まし
い再方式化を実行するために変形してでも、映像が２つ
の部分を保持するファイルとして記憶されることが望ま
しい。２つの部分とは（１）患者の人口統計学データ及
び診断自体に関する情報、すなわち露出あるいは映像工
程の技術的パラメータを含むヘッダと、（２）イメージ
マトリックスである。これら２つの部分は磁気ディスク
上に一時的に（通常は数日で）記憶され、磁気テープ、
またはフロッピーディスクのような永久記憶媒体に転送
されることが望ましい。このファイル構成に加えて、計
算の結果を含むサブファイルが追加される（例えばオイ
ラー角度が追加される）。

装置100は映像形成、信号処理を実行し、ある時間に
わたって比較することができる人体内の基本的に同じ座
標の映像を与えるか、あるいは腫瘍のようなターゲット
の位置を与えるために必要な表示を行ない、第７図に示
されている。このような装置100は、映像データを与え
る映像装置102を具備し、プログラム可能なコンピュー
タ104によって制御される。映像データは、従来技術で
良く知られている、患者107に近接してほぼ設けられて
いる映像装置102におけるソース106から得られる。映像
データは上記のように信号処理され、望ましい映像がデ
ィスプレィ108に表示される。さらに、オペレータコン
トロールパネル110を通してオペレータが介入し放射線
治療の応用ではターゲットディスプレィ112の座標中に
ターゲットの座標を表示することができる。

完全に限定された人体の内部座標系の利点は、放射線
治療に適用される。放射線治療では、外部の座標系の放
射性ビームの位置を内部座標系に関連させなければなら
ない。第５図では外部の座標系を非主要座標系と考え、
内部座標系を主要座標系と考えることができることが示
されている。点Ｐは腫瘍の位置を表すことができる。こ
の場合主要座標系での点Ｐの実際距離及び位置と、主要
座標系の原点の位置が重要である。点Ｐが内部の、すな
わち主要内部座標系に関して既知であり、また主要座標
系が外部の、すなわち主要でない座標系に関して既知で
あり、オイラーの回転角度も知られているならば、点Ｐ
の位置は外部座標系に関して知られている。例えば第７
図では、放射線治療あるいは外科治療において、内部座
標系Ａが外部座標系Ｂに関してどこにあるかを知ってい
ると、いろいろな用途が生じる。放射線治療では、腫瘍
の位置が内部座標系に関して既知であり、内部座標系が
癌細胞を殺すためのＸ線装置のような放射線源20を保持
する外部座標系に関して既知であるならば、放射を癌の
みに集中させることができるように癌に適用することが
可能である。このために放射線技師が人体の腫瘍のいろ
いろな映像を観察して放射線源をどこにあてるかを見積
もる思考作業を省き、腫瘍のみを放射することができ、
非常に望ましい。内部座標系における腫瘍の位置は、例
えば第１の映像期間によって識別することができる。こ
こから得られるデータは媒体に記憶され、この媒体は腫
瘍の位置を知り解剖映像を取り直すことが望ましくない
場合に呼び戻すことができる。

例えば腫瘍が位置付けられている人体32中の特定の位
置を照射する方法の１つは、ベース36が外部座標系Ｂの
原点（0,0,0）として選択することができるロボットア
ーム34を用いることである。ロボットアーム34の先端38
にはセンサー40が設けられている。センサー40は金属検
出器、超音検出器あるいは人体32内の基準インプラント
10の位置を感知することのできる任意の装置であってよ
い。基準インプラント10が頭蓋骨18に設けられ、そこに
腫瘍があるならば、ロボットアーム34の先端38にあるセ
ンサー40は、頭蓋骨18内の基準インプラント10に接触す
るまでアーム34によって動かされる。ロボットアーム34
の動きは、アーム34のベース36に関するセンサー40の位
置、外部座標Ｂの原点０がわかるように、コンピュータ
（図示されていない）によって追跡される。アームを追
跡する手段は良く知られており、回転を検出するアーム
34の臨界位置にあるセンサー（図示されていない）、あ
るいはアーム34の接合点42の動きによって行われる。ロ
ボットアーム34の構成における固定した長さの情報と共
にコンピュータにこの構成を供給することによって、ア
ーム34の先端38の位置は常に知られている。アーム34の
先端38が頭蓋骨18の基準インプラント10上に位置される
時、基準インプラント10によって限定される内部座標系
Ａの位置は外部座標系Ｂに関して知られる。回転のオイ
ラー角度及び内部座標系Ａに対してコンピュータに知ら
れている腫瘍の位置が与えられることにより、外部座標
系Ｂ中の腫瘍の位置が決まる。腫瘍の位置は、例えばす
でに記憶された映像を通して、また基準インプラント10
も適切な位置に置かれると相互に相対的に固定するとい
う事実から、内部座標系が知られる。放射線源20とこの
放射線源をどこに向けるかは、外部座標系Ｂに対するコ
ンピュータによって知られる。腫瘍が外部座標系Ｂのど
こにあるかという情報を保持するコンピュータによって
放射線源20を脳の腫瘍部位に適切に向けて放射すること
ができる。一般的に外部座標系に対する内部座標系内の
点Ｐの位置は、２つの座標系の原点の間の距離が知られ
ており、上記のようにオイラー角度が知られている場合
に決まる。

手術の場合、３個の基準点によって定められる内部座
標系によって、例えば組織を通して腫瘍を切除するよう
にレーザを用いることができる。オペレーティングシア
タにある映像システムは、入力データに基づいてレーザ
を導くコンピュータシステムに与えられる映像データを
断続的に取るように設けられる。レーザが組織を切断す
ると、組織内の変化が映像システムを通して明らかにな
り、固定内部座標系に関して追跡される。レーザがあら
かじめ決められた位置に到達するか、あるいは組織のあ
らかじめ決められた位置がレーザによって除去されるな
らば、レーザを制御し映像データを処理するコンピュー
タはレーザの動作を停止させる。

本発明による動作において、基準インプラントが患者
の適切な位置に設けられた後は、映像データが第１の時
間に取られ記憶される。例えばその後は毎年というよう
に決まった間隔で患者は映像システムか、あるいはそれ
に似たシステムの位置に置かれ、追跡映像を得る。次に
最も近時に受けた映像データが上記のように再方式化さ
れて、前の期間で行われたのと同じ体の断面の忠実度の
高い映像を取る。そして最後の期間からの映像を前の期
間のものと比較し（前の期間が多数ある場合はすべての
セッションを比較に用いることができる）て、腫瘍のよ
うな異常部の進行あるいは退行のような重要な変化があ
るかどうかが決められる。異なる時間間隔で取られたい
ろいろな映像期間から集められた映像データは、勿論、
前の期間で得た再方式化映像のような色々な方法で比較
され、前の期間に対して最も近時の期間の映像スライス
を単に比較するものではなく、最近時の期間から選択さ
れた興味のある映像スライスを示す。前記のように比較
は多くの目的で行なうことができる。すなわち、（ａ）
治療をせずに腫瘍の成長を単に追跡すること、（ｂ）放
射線あるいは化学療法のような治療法を評価すること、
あるいは（ｃ）手術治療の追跡を行うこと等である。

放射線治療に関する本発明の操作では、まず腫瘍が患
者の人体中で識別される。次に患者が少なくとも腫瘍領
域が映写されるように映像システム中に位置される。映
像システムは内部座標系中の腫瘍の位置を決めるのに用
いられる。従って例えば映像データは、放射線治療が行
われるごとに、腫瘍の位置が新しい映像を得ることなく
識別できるように、後に用いられるように記憶される。
次に患者は放射線源の前に置かれ、放射線治療が行われ
るごとに記憶された映像期間からの情報が放射線源を操
作しているコンピュータに送られる。内部座標は、例え
ば前記のように、外部座標系の既知の位置に関して１つ
の基準インプラントを位置付けることにより、外部座標
系に関して位置付けられる。内部座標系の位置が外部座
標系に関してわかると、腫瘍の位置は記憶された映像情
報から内部座標系に関してすでに知られているために、
外部座標系に関してもわかる。次に放射線源が、例えば
映像及び位置データを受けるコンピュータによって人体
内の腫瘍に向けられる。手術の場合は、基準インプラン
トを用いる工程は上記の放射線治療の工程と同様であ
る。腫瘍が外部座標系に関して位置付けし、また内部座
標系の位置が外部座標系に関してわかれば、腫瘍の位置
は外部座標系に関してわかる。従って映像システムを相
互作用モードにし、コンピュータによって手術器具を腫
瘍に導くことができる。映像システムが一定してコンピ
ュータに映像データを供給することによって、コンピュ
ータは手術の進行及び程度範囲を追跡することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第1a図乃至第1c図は基準インプラントの側面図及び上面
図である。第2a図及び第2b図は頭蓋骨内の基準インプラ
ントの望ましい位置の側面図及び正面図である。第３図
は相互に変換される２つの座標系の対照図である。第４
図は相互に回転された２つの座標系の対照図である。第
５図，第5a図，第5b図及び第5c図は相互に変換及び回転
をされた２つの座標系の対照図である。第６図は人体に
対する内部座標系における異なる２つの時間の同じ点Ｐ
を決めるフローチャートである。第７図は本発明の望ま
しい実施例の側面図である。第８図は外部座標系に関し
て内部座標系中の点Ｐの位置を決めるフローチャートで
ある。 10……基準インプラント、12……第１の部分（マーカ
ー）、14……第２の部分（アンカー）、18……頭蓋骨、
20……放射線源、32……人体、34……ロボットアーム、
40……センサー、102……映像装置、104……コンピュー
タ、108……ディスプレィ、110……制御パネル。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１および第２の部分から成り、この第１
の部分が映像システムによって検出されるように構成さ
れており、前記第２の部分が骨の全体を貫通せず、また骨にひび割
れを生じることなく皮膚の下の骨に固着されるように構
成されており、前記第１の部分が映像システムによって検出されること
ができるような十分な大きさおよび材質で構成され、ま
た皮膚と骨の間の境界に設置された時に皮膚の損傷が最
小ですむ程度の小さなものであり、前記第１の部分が少なくとも球形の部分を有し、前記第
２の部分を骨に固定するための器具と協働する表面を定
める部分を備えていることを特徴とする基準インプラン
ト。
【請求項２】皮膚の下に設置された時に映像システムに
よって検出される材料から構成され、実質上球形であ
り、アレンヘッドツールと結合される内側が多角形の凹
部を備えている第１の部分と、インプラントを骨に固定するのに十分な長さであるが固
定したとき骨全体を貫通しないような長さのネジを具備
している第２の部分とを具備し、前記球形の第１の部分が皮膚と骨の間の境界に置かれた
時に皮膚の損傷が最小になる程度に小さなものであり、
前記第２の部分のネジが骨にひび割れを生じることなく
全体が骨にねず込まれており、前記ネジの長さが１乃至10ミリメータであり、前記球の
直径が１乃至10ミリメータであることを特徴とする基準
インプラント。
【請求項３】３個の基準インプラントを具備しているシ
ステムであって、各インプラントが、第１および第２の部分から成り、この第１の部分が皮膚
の下に置かれた時に映像システムによって検出されるよ
うに構成されており、前記第２の部分が骨全体を貫通せず、また骨にひび割れ
を生じることなく皮膚の下の骨に固着されるように構成
され、前記第１の部分がイメージングシステムによって検出さ
れることができるような十分の大きさおよび材質で構成
され、また皮膚と骨の間の境界に設置された時に皮膚の
損傷を最小にする程度に小さく、前記第１の部分は少なくとも、球形であって前記第２の
部分を骨に固定する器具と協働する表面を定める部分を
有している基準インプラントシステム。
【請求項４】解剖部分の断面のスライスされた映像を生
成する映像装置と、前記映像装置によって生成された映像を表示するための
表示手段と、グログラム可能なデータ処理コンピュータと、前記映像装置によって識別可能である解剖部分に関して
時間的に固定されている座標系を定める手段とを具備
し、この座標系を定める手段は前記映像装置によって検出可
能に構成された解剖される患者の体内に注入して固定さ
れている素子を含み、前記データ処理コンピュータは第１の走査の期間中前記
映像装置によってスライスされた映像が得られるように
プログラムされ、前記映像装置および前記データ処理コンピュータは協働
して前記第１の走査の期間中に生成されたスライスされ
た映像と実質的に等しいスライスされた映像を第２の走
査の期間中に生成することを特徴とする解剖部分の映像
スライスを生成する装置。
【請求項５】座標系を定める前記手段は３個の移植可能
な基準インプラントを含んでいる特許請求の範囲第４項
記載の装置。
【請求項６】前記映像装置および前記データ処理コンピ
ュータが協働してスライスされた映像を生成し、基準イ
ンプラントによって限定された座標系に関する第２の走
査の期間中に生成された前記スライスされた映像を第１
の走査期間中に得られたスライスされた映像と対応する
位置で生成するように再設定し、この再設定されたスラ
イスされた映像が表示手段によって表示される特許請求
の範囲第５項に記載の装置。
【請求項７】前記スライスされた映像を再設定はスライ
スされた映像の回転および変位を含んでいる特許請求の
範囲第６項に記載の装置。
【請求項８】解剖部分の断面のスライスされた映像を生
成する映像装置と、前記映像装置によって生成される映像を表示する表示手
段と、プログラム可能なデータ処理コンピュータと、前記映像装置によって識別可能である解剖部分に関して
内部座標系を定める手段とを具備し、この内部座標系を定める手段は前記映像装置によって検
出可能に構成され、解剖される患者の体内に注入して固
定された３個の基準インプラントを含み、前記データ処理コンピュータは第１の走査の期間中前記
映像装置によってスライスされた映像が得られるように
プログラムされ、前記映像装置および前記データ処理コンピュータは協働
して前記第１の走査の期間中に生成されたスライスされ
た映像と実質的に等しいスライスされた映像を第２の走
査の期間中に生成し、さらに、外部座標系に関して内部座標系を規定する手段
と、前記内部座標系を前記外部座標系に関連付けることによ
ってターゲットの位置を定める手段とを具備しているこ
とを特徴とする解剖部分のターゲットを処理する装置。
【請求項９】前記ターゲットの位置を定める手段が、外
部座標系に関して内部座標系を規定し、さらに外部座標
系に関する位置がわかっているロボットアームを備え、
前記コンピュータが内部座標系と既知の外部座標系との
間の関係を定めるようにプログラムされる特許請求の範
囲第８項記載の装置。