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JP6261516B2 - リアルタイムナビゲーショントラッキングのためのシャフトトラッカー - Google Patents

リアルタイムナビゲーショントラッキングのためのシャフトトラッカー Download PDF

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Description

本発明は一般に、低侵襲処置及び低侵襲手術中の処置器具(intervention instrument)のナビゲーションのトラッキングに関する。本発明は特に、処置器具のナビゲーションのトラッキングを容易にする、処置器具のシャフトに統合されたシャフトトラッカー(shaft tracker)に関する。
電磁(「EM」)トラッキング及び光学トラッキングは、多くの低侵襲処置及び低侵襲手術にとって有用な手段であることが証明されている。具体的には、電磁トラッキング又は光学トラッキングの援用により、術中リアルタイム画像診断モダリティ(inter-operative real-time imaging modalities)(例えば、X線、内視鏡及び超音波)を術前画像診断モダリティ(pre-operative imaging modalities)(例えば、コンピュータ断層撮影や核磁気共鳴画像法)に結び付けることで、術前のロードマップがリアルタイム撮像の誘導の支援に用いられ得る。それに加えて、処置器具に取り付けられた又は内蔵された電磁トラッキングセンサコイル又は光学トラッキングマーカを有することにより、該器具の先端が動的にトラッキングされる。それにより、医師は該器具の位置及び向き並びに該器具と目標の解剖学的部位との関係を画像融合に基づいて正確に特定し得る。
従来、器具のトラッキングを可能にする2つのアプローチが存在する。
第1のアプローチは、図1に示す同軸導入器システム(coaxial introducer system)に形成された位置トラッカーを含む。具体的には、トラッキングされる(tracked)導入器システム20は、位置センサ22及びカニューレ23を有する探り針21を用いる。カニューレ23は、探り針21の収容に用いられる経路(channel)として機能する。探り針21は、解剖領域内にカニューレ23を導入するのに用いられるトラッキングされる針として機能する。カニューレ23は、探り針21と結合することにより、所望とする目標の解剖学的部位に誘導され、センサ22はカニューレ22の先端位置情報を提供する。カニューレ23が所望の解剖学的部位に設置されると、探り針21が引き抜かれて、カニューレ23が目標の解剖学的部位に対して相対的に位置付けられる。カニューレ23を介して必要な器具を挿入することにより、該器具が目標の解剖学的部位に導入される。このアプローチの欠点は、カニューレ23から探り針21を引き抜いてしまうと、カニューレ23の先端をトラッキングすることができなくなってしまうという点である。そのため、カニューレ23を所定位置で保持し且つ目標の解剖学的部位に留まっていると見做す必要がある。それに加えて、器具には常にカニューレ23との互換性がある訳ではなく、また上記の導入器システムは使い捨てであることからコストがかかる。最後に、カニューレ23の導入により、解剖学的領域への挿入部の直径が不可避的に大きくなる。そのような直径の増大は外見的な理由(cosmetic reasons)から望ましくなく、多くの臨床的状況で推奨されていない。
図2に示すように、第2のアプローチは、位置センサ33を有するハブトラッカー(hub tracker)32を含む。ハブトラッカー32は、器具30のシャフト31の近位ハブに取り付けられるように設計されている。ハブトラッカー32は、一般的な器具に広く適合するように設計され得る。ハブトラッカー32が器具30に取り付けられると、シャフト31の遠位端からハブトラッカー32までの離隔距離を特定するために校正が必要となり、該校正によりシャフト31の遠位端の位置情報がトラッキングされ得る。
ハブトラッカー32の利点は、多くの様々な器具と互換性があり、ゲージサイズや長さによって制限されないという点である。それに加えて、ハブトラッカー32は患者の体外にあるため、ハブトラッカー32は器具の操作(例えば、腫瘍の熱アブレーション)の妨げになることがなく、図1の導入器システム20の挿入部の寸法を増大することもない。このアプローチの欠点は、位置センサ33がシャフト31の遠位端から離れた場所に位置しているため、シャフト31が何等かの形で屈曲することにより精度が不十分になってしまうという点である。それに加えて、ハブトラッカー32をシャフト31の近位ハブに取り付けた後で、ユーザーは校正ステップを行う必要がある。さらに、校正ステップの必要をなくすために、ハブトラッカー32はシャフト31にフィットするように設計され得るが、そのようなデザインによってハブトラッカー32がシャフト31に束縛され(tie)、ハブトラッカーは他の器具と広く用いることができないかもしれない。
本発明は、前述の従来のデザインの欠点を緩和する、器具のシャフトと統合され且つ遠位端のマーカとして機能するシャフトトラッカーを提供する。
本発明の第1の形態は、シャフトと、シャフトトラッカーとを用いる処置器具である。シャフトは遠位端と近位ハブとの間に延びており、シャフトトラッカーはシャフトを部分的に又は完全に取り囲み、前記遠位端と前記近位ハブとの間の前記シャフトに沿って主トラッキング位置(primary tracking position)に移動可能である。主トラッキング位置は、解剖領域への前記遠位端の入口から該解剖領域内の前記遠位端の目標位置までの距離から導出される。シャフトトラッカーは、主トラッキング位置で又は主トラッキング位置からオフセットされた位置で(offset from)前記解剖領域に対して相対的に前記シャフトトラッカーをトラッキングするように動作可能な主位置センサを含む。
本発明の第2の形態は、上記の処置器具と、シャフトに沿ってシャフトトラッカーを解剖領域に対して相対的にトラッキングする主位置センサとやりとりを行うトラッキングワークステーションとを用いる処置システムである。
本発明の第3の形態は、上記の処置器具を解剖領域に対してナビゲートする工程と、処置器具が解剖領域に対してナビゲートされるのに伴ってシャフトトラッカーをトラッキングする工程とを含む処置方法である。
本発明の上記の及び他の形態並びに本発明の様々な特徴及び利点は、添付の図面と併せて下記の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を読むことでさらに明らかになる。下記の詳細な説明及び図面は、本発明を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定しない。本発明の範囲は、添付の請求項及びその同等物によって規定される。
図1は、当該技術分野で周知の同軸導入器システムの例示実施形態を示す。 図2は、当該技術分野で周知のハブトラッカーの例示実施形態を示す。 図3は、本発明に係るシャフトトラッキングシステムの例示実施形態を示す。 図4は、本発明に係るシャフトトラッキング方法の例示実施形態を表すフローチャートを示す。 図5は、本発明に係るシャフトトラッカーの第1の例示実施形態を示す。 図6は、図3に示すフローチャートに係る、図5に示すシャフトトラッカーの第1の例示の処置実施形態を示す。 図7は、図3に示すフローチャートに係る、図5に示すシャフトトラッカーの第1の例示の処置実施形態を示す。 図8は、図3に示すフローチャートに係る、図5に示すシャフトトラッカーの第1の例示の処置実施形態を示す。 図9は、本発明に係るシャフトトラッカーの第2の例示実施形態を示す。 図10は、図3に示すフローチャートに係る、図9に示すシャフトトラッカーの第2の例示の処置実施形態を示す。 図10は、図3に示すフローチャートに係る、図9に示すシャフトトラッカーの第2の例示の処置実施形態を示す。 図10は、図3に示すフローチャートに係る、図9に示すシャフトトラッカーの第2の例示の処置実施形態を示す。
図3に示す処置システム40は、トラッキングワークステーション50及び処置器具60を用いる。
トラッキングワークステーション50は、トラッキングワークステーション(例えば、電磁トラッキングワークステーション又は光学トラッキングワークステーション)の援用により、術中リアルタイム画像診断モダリティ(例えば、X線、内視鏡又は超音波)を術前画像診断モダリティ(例えば、コンピュータ断層撮影又は核磁気共鳴画像法)にレジストレーションするように構造上構成された任意のワークステーションである。当業者であれば分かるように、画像レジストレーションは、解剖領域への入口(entry point)から該解剖領域内の目標位置に処置器具60を術中にナビゲートするための視覚的ガイドとして、解剖領域の術前画像及び/又は術中画像を利用することを目的とする。この目的を達成するために、トラッキングワークステーションは、本明細書で後述する、器具60に包含された位置センサを含む。トラッキングワークステーション50の例としては、限定されないが、フィリップス社が販売するPERCUNA V(商標)画像融合/ナビゲーション装置が挙げられる。
処置器具60は、遠位端61d及び近位ハブ61pを有するシャフト61と、遠位端61d及び近位ハブ61pの間でシャフト61を部分的に又は完全に取り囲むシャフトトラッカー62とを有するように構造上構成された任意の器具である。シャフトトラッカー62は、遠位端61dと近位ハブ61pとの間のシャフト61に沿って、所定刻み(例えば、1mm刻み)の任意の距離目盛り66により特定される主トラッキング位置に移動可能である。シャフトトラッカー62は、主トラッキング位置で又は主トラッキング位置からオフセットされた位置で、解剖領域に対して相対的にシャフトトラッカー62のトラッキングを提供する主位置センサ63(例えば、電磁トラッキングワークステーションからの電磁コイル又は光学トラッキングワークステーションからの光学マーカ)を含む。
実際には、シャフト61の大きさ及び形状は任意であり且つ特定の低侵襲処置又は低侵襲手術に適した任意の材料で構成され得る(例えば、針、カニューレ、ガイドワイヤ等)。
処置器具60の変形例60’は、遠位端61dと近位ハブ61pとの間でシャフト61を部分的に又は完全に取り囲む補助トラッカー64を有するように構造上構成されている。補助トラッカー64は、シャフトトラッカー62と近位ハブ61pとの間のシャフト61に沿って、任意の距離目盛り65により特定される補助トラッキング位置に移動可能である。あるいは、補助トラッカー64は補助トラッキング位置に固定され得る。補助トラッカー64は、補助トラッキング位置で又は補助トラッキング位置からオフセットされた位置で、解剖領域に対して相対的に補助トラッカー64のトラッキングを提供する補助位置センサ65(例えば、電磁トラッキングワークステーションからの電磁コイル又は光学トラッキングワークステーションからの光学マーカ)を含む。
動作時、システム40は、図4に示すフローチャート70が表す本発明のシャフトトラッキング方法を実行する。
具体的には、フローチャート70のステージS71は、高いトラッキング精度が必要な場合に、任意でシャフト60の遠位端61dに対して相対的にシャフトトラッカー62を校正することを含む。ステージS71の一実施形態では、シャフトトラッカー62と遠位端61dとの予測差(estimated offset)が、必要に応じてシャフトセンサ62と遠位端61dとの実際差(actual offset)に校正される。例えば、無菌状態下でこの校正を行えるようにする旋回ツール(pivoting tool)は、支点がカット形成された簡素な追跡面を有する。シャフト61の遠位端61dを上記の支点に置き、シャフトトラッカー62とシャフト60の遠位端61dとの間の感知距離を測定する。実際には、旋回ツールは滅菌可能であり且つ再利用可能である。シャフトトラッカー62は、ゲージサイズの異なる処置器具に広く適合するように形成され得るため、中心位置合わせ機構(centering mechanism)を利用しどのようなゲージでもシャフト61がシャフトトラッカー62の中心で維持されるようにすることで、起こり得る横方向オフセットを除去(account for)するようにしてもよい。あるいは、ユーザーが器具60のゲージを入力し、その後にソフトウェアが結果として生じる軸外シフトを除去するプログラミング工程を用いてもよい。
処置器具60で補助トラッカー64を用いる場合は、必要に応じて補助トラッカー64をトラッカー62と同様に校正する。
フローチャート70のステージS72は、解剖領域への遠位端61dの入口から解剖領域内の遠位端61dの目標位置までの距離から導出される主トラッキング位置に対して相対的に、シャフト61に沿ってシャフトトラッカー62を事前に位置決めすること(pre-positioning)を含む。例えば、解剖領域への遠位端61dの入口から解剖領域内の遠位端61dの目標位置までの距離はXmmであり、主トラッキング位置は≧Xmmと決定される。
ステージS72の術前にロックを行う(pre-operative locking)実施形態では、入口から目標位置までの距離が分かる術前画像により患者の解剖領域が分かっている。入口内に処置器具60を挿入する前に、目盛り66により又は遠位端61dから手動で測定することによりシャフトトラッカー62を動かし、主トラッキング位置にロックする。この実施形態の場合、フローチャート70のステージS73は、シャフトトラッカー62が入口と接するか又は実質的に入口と隣接するまで、処置器具60を入口内にナビゲートすることを含む。シャフトトラッカー62のロックされた主トラッキング位置に基づいて、シャフトトラッカー62が入口に接する際にシャフト61の遠位端61dが目標位置に達することになる。
処置器具が補助トラッカー64を用いる、ステージS72の術中動作の実施形態では、入口から目標位置までの距離が分かる術前画像により患者の解剖領域が分かっている。入口内に処置器具60を挿入する前に、シャフトトラッカー62をシャフト61の遠位端61dに動かして非固定状態で維持し、補助トラッカー64を補助トラッキング位置に動かしてロックする。あるいは、補助トラッカー64は補助トラッキング位置で固定され得る。この実施形態の場合、フローチャート70のステージS73は、処置器具60を入口内にナビゲートすることを含み、それによりシャフトトラッカー62が入口と接し、シャフト61に沿って主トラッキング位置の方向に動かされる。処置器具60は、シャフトトラッカー62と補助トラッカー64との間の距離が、シャフトトラッカー62が主トラッキング位置に移動したことを示すまでナビゲートされる。シャフトトラッカー62が主トラッキング位置に達したことに基づいて、シャフト61の遠位端61dが目標位置に達することになる。
本発明のさらなる理解を容易にするために、図5及び図9のそれぞれに示す器具60の例示実施形態160及び260を以下で説明する。
図5に示すように、処置器具160は、遠位端162及び近位ハブ163を有するシャフト161と、遠位端162及び近位ハブ163の間でシャフト161を完全に取り囲むシャフトトラッカー164とを有するように構造上構成された針である。シャフトトラッカー164は、遠位端162と近位ハブ136との間のシャフト161に沿って、所定刻み(例えば、1mm刻み)の距離目盛りによって特定されるシャフト位置に移動可能である。シャフトトラッカー164は、主トラッキング位置で又は主トラッキング位置からオフセットされた位置で、解剖領域に対して相対的にシャフトトラッカー164のシャフト位置のトラッキングを提供する主位置センサ165(例えば、電磁トラッキングワークステーションからの電磁コイル又は光学トラッキングワークステーションからの光学マーカ)を含む。
準備中(in preparation)、入口から目標位置までの距離が分かる術前画像により患者の解剖領域が分かっている。入口内に処置器具160を挿入する前に、図6に示すように目盛り66により又は遠位端61dから手動で測定することによりシャフトトラッカー164を動かして主トラッキング位置にロックする。動作時、図8に示すようにシャフトトラッカー164が入口と接するか又は入口81と隣接するまで、処置器具60が図7に示すように患者80の入口81内にナビゲートされる。シャフトトラッカー164のロックされた主トラッキング位置に基づいて、シャフトトラッカー164が入口81に接する際にシャフト161の遠位端162が目標位置82に達することになる。
図9に示すように、処置器具260は、遠位端262及び近位ハブ263を有するシャフト261と、遠位端262及び補助トラッカー266の間でシャフト261を完全に取り囲むシャフトトラッカー264と、シャフトトラッカー264及び近位ハブ263の間でシャフト261を完全に取り囲む補助トラッカー266とを有するように構造上構成された針である。シャフトトラッカー264は、遠位端262と補助トラッカー266との間のシャフト261に沿って、所定刻み(例えば、1mm刻み)の距離目盛りにより特定されるシャフト位置に移動可能である。シャフトトラッカー264は、主トラッキング位置で又は主トラッキング位置からオフセットされた位置で、解剖領域に対して相対的にシャフトトラッカー264のトラッキングを提供する主位置センサ265(例えば、電磁トラッキングワークステーションからの電磁コイル又は光学トラッキングワークステーションからの光学マーカ)を含む。
補助トラッカー266は、シャフトトラッカー261と近位ハブ263との間のシャフト261に沿って、上記の距離目盛りにより特定される補助トラッキング位置に移動可能である。あるいは、図10に示すように、補助トラッカー266はシャフト261に沿って近位ハブ263と隣接して固定されている。図9に示すように、補助トラッカー266は、補助トラッキング位置で又は補助トラッキング位置からオフセットされた位置で解剖領域に対して相対的に補助トラッカー266のトラッキングを提供する補助位置センサ267(例えば、電磁トラッキングワークステーションからの電磁コイル又は光学トラッキングワークステーションからの光学マーカ)を含む。
準備中、入口から目標位置までの距離が分かる術前画像により患者の解剖領域が分かっている。図10に示すように入口83内に処置器具260を挿入する前に、シャフトトラッカー264(図9)をシャフト261の遠位端262に動かして非固定状態で維持し、補助トラッカー266を補助トラッキング位置に動かしてロックする。あるいは、補助トラッカー266は補助トラッキング位置で固定され得る。動作時、処置器具260が入口83(図11、図12)内にナビゲートされるため、シャフトトラッカー264が入口83と接し、目標位置84(図12)から入口83への距離から導出される主トラッキング位置の方向にシャフト261に沿って動かされる。処置器具260は、シャフトトラッカー264と補助トラッカー266との間の距離が、シャフトトラッカー264が主トラッキング位置に移動したことを示すまでナビゲートされる。シャフトトラッカー264が主トラッキング位置に達することに基づいて、シャフト261の遠位端262が目標位置84に達することになる。
本明細書に記載の図1〜図12の説明から、当業者は本発明の数々の利点を理解するだろう。
第1の例示の利点は、非常に高い正確性や精度を必要としない限り、校正段階が省略できる点である。具体的には、挿入遠位端が予め決まっており、シャフトトラッカーが術前又は術中に主トラッキング位置に動かされるため、遠位端に対して相対的にシャフトトラッカーを校正する必要なく、先端位置のトラッキングに必要な先端離間距離が本質的に提供される。
第2の例示の利点は、シャフトトラッカーは患者の体外に留まり、処置器具の挿入孔の寸法を増大することもないため、シャフトトラッカーが処置器具の操作の妨げとなることがない点である。そのため、シャフトトラッカーは、器具のシャフトに沿ってガンを転移させる(cancer seeding)という問題を呈さない。
第3の例示の利点は、シャフトトラッカーが近位ハブよりも遠位端の近くに位置することを含む処置に鑑みれば、精度が向上し且つ器具の屈曲による誤りが最小限に抑えられるという点である。
第4の例示の利点は、ゲージサイズが異なる器具にシャフトトラッカーが広く適合し、器具の取っ手のデザインからシャフトトラッカーが独立するという点である。
本発明を例示の態様、特徴及び実施形態を参照して説明してきたが、開示のシステム及び方法はそのような例示の態様、特徴及び/又は実施形態に限定されない。むしろ、当業者には本明細書で述べた説明から既に明らかなように、開示のシステム及び方法は、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、変更、変形及び改善を許容する。従って、そのような変更、変形及び改善は本発明の範囲に明らかに含まれる。

Claims (13)

  1. 位端と近位ハブとの間に延びシャフトと、
    シャフトを少なくとも部分的に取り囲み、前記遠位端と前記近位ハブとの間の前記シャフトに沿って主トラッキング位置に移動可能なシャフトトラッカーを含み、
    前記主トラッキング位置は、解剖領域への前記遠位端の入口から該解剖領域内の前記遠位端の目標位置までの距離から導出され、
    前記シャフトトラッカーは、前記解剖領域に対して相対的に前記シャフトトラッカーをトラッキングするように動作可能な主位置センサを含む、
    処置器具であって、
    当該処置器具は、前記シャフトを少なくとも部分的に取り囲み、前記シャフトトラッカーと前記近位ハブとの間の前記シャフトに沿って補助トラッキング位置に固定される補助トラッカーをさらに含み、
    該補助トラッカーは、前記解剖領域に対して相対的に前記補助トラッカーをトラッキングするように動作可能な補助位置センサを含む
    処置器具。
  2. 前記主位置センサは、電磁コイル及び光学マーカを含む群から選択される、請求項1に記載の処置器具。
  3. 前記シャフトは、前記遠位端と前記近位ハブとの間の増分距離を表す遠位端目盛りを含む、請求項1に記載の処置器具。
  4. 前記補助位置センサは、電磁コイル及び光学マーカを含む群から選択される、請求項に記載の処置器具。
  5. 遠位端と近位ハブとの間に延びるシャフトと、
    該シャフトを少なくとも部分的に取り囲み、前記遠位端と前記近位ハブとの間の前記シャフトに沿って主トラッキング位置に移動可能なシャフトトラッカーとを含み、
    前記主トラッキング位置は、解剖領域への前記遠位端の入口から該解剖領域内の前記遠位端の目標位置までの距離から導出され、
    前記シャフトトラッカーは、前記解剖領域に対して相対的に前記シャフトトラッカーをトラッキングするように動作可能な主位置センサを含む、
    処置器具であって、
    当該処置器具は、前記シャフトを少なくとも部分的に取り囲み、前記シャフトトラッカーと前記近位ハブとの間の前記シャフトに沿って補助トラッキング位置に移動可能な補助トラッカーをさらに含み、
    補助トラッカーは、前記解剖領域に対して相対的に前記補助トラッカーをトラッキングするように動作可能な補助位置センサを含む、
    置器具。
  6. 前記補助位置センサは、電磁コイル及び光学マーカを含む群から選択される、請求項に記載の処置器具。
  7. 位端と近位ハブとの間に延びたシャフトと、該シャフトを少なくとも部分的に取り囲み、前記遠位端と前記近位ハブとの間の前記シャフトに沿って主トラッキング位置に移動可能なシャフトトラッカーを含む処置器具と、
    トラッキングワークステーションとを含み、
    前記主トラッキング位置は、解剖領域への前記遠位端の入口から該解剖領域内の前記遠位端の目標位置までの距離から導出され、
    前記シャフトトラッカーは主位置センサを含み、
    前記トラッキングワークステーションは、前記解剖領域に対して相対的に前記主位置センサをトラッキングするように動作可能である、
    処置システムであって、
    当該処置システムは、前記シャフトを少なくとも部分的に取り囲み、前記シャフトトラッカーと前記近位ハブとの間の前記シャフトに沿って補助トラッキング位置に固定された補助トラッカーをさらに含み、
    該補助トラッカーは、前記解剖領域に対して相対的に前記補助トラッカーをトラッキングするように動作可能な補助位置センサを含む
    処置システム。
  8. 前記主位置センサは、電磁コイル及び光学マーカを含む群から選択される、請求項に記載の処置システム。
  9. 前記シャフトは、前記遠位端と前記近位ハブとの間の増分距離を表す遠位端目盛りを含む、請求項に記載の処置システム。
  10. 前記補助位置センサは、電磁コイル及び光学マーカを含む群から選択される、請求項に記載の処置システム。
  11. 遠位端と近位ハブとの間に延びたシャフトと、該シャフトを少なくとも部分的に取り囲み、前記遠位端と前記近位ハブとの間の前記シャフトに沿って主トラッキング位置に移動可能なシャフトトラッカーとを含む、処置器具と、
    トラッキングワークステーションとを含み、
    前記主トラッキング位置は、解剖領域への前記遠位端の入口から該解剖領域内の前記遠位端の目標位置までの距離から導出され、
    前記シャフトトラッカーは主位置センサを含み、
    前記トラッキングワークステーションは、前記解剖領域に対して相対的に前記主位置センサをトラッキングするように動作可能である、
    処置システムであって、
    当該処置器具は、前記シャフトを少なくとも部分的に取り囲み、前記シャフトトラッカーと前記近位ハブとの間の前記シャフトに沿って補助トラッキング位置に移動可能な補助トラッカーをさらに含み、
    補助トラッカーは、前記解剖領域に対して相対的に前記補助トラッカーをトラッキングするように動作可能な補助位置センサを含む、
    置システム。
  12. 前記補助位置センサは、電磁コイル及び光学マーカを含む群から選択される、請求項11に記載の処置システム。
  13. 前記解剖領域に対する前記シャフトトラッカーのトラッキングに対応して、前記トラッキングワークステーションは、前記解剖領域の画像内に示される前記解剖領域への前記入口から前記解剖領域内の前記目標位置に前記シャフトの前記遠位端をナビゲートするのをモニタリングするように動作可能である、請求項7又は11に記載の処置システム。
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