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図面 (19)

課題

プローブの場所を確認するための磁気追跡システムにおける磁界摂動要素補正を、磁界摂動要素が既知の位置にある間、反応磁界モデルを作成する装置を提供する。

解決手段

磁界場所センサは、追跡システムの磁界摂動要素と磁界発生器34,36,38との間に配置される。プローブ上の場所センサ及び磁界センサからの磁界の示度は、磁界摂動要素が存在する間に得られる。磁界摂動要素の位置は、場所センサの示度、及び反応磁界モデルから計算した予測された反応磁界から推定される。補正された測定値は、場所センサにより検出された磁界から、予測された反応磁界を減算することによって、得られる。プローブセンサからの示度は、プローブの真の位置を計算するために、補正された測定値を用いて調整される。

概要

背景

本明細書内で使用する特定の頭字語及び略語の意味を表1に示す。

広範な医療処置は、身体内に、センサチューブカテーテル分配装置、及び移植片などの物体定置することを伴う。これらの処置中、医師が物体及びその周囲を可視化することを支援するためにリアルタイム撮像方法がしばしば用いられる。いくつかの方法において、磁界を利用する物体を用いて物体を追跡する。しかし、磁界での擾乱により追跡誤差が生じる場合がある。

x線蛍光透視鏡を用い、磁気追跡システム連動して過程監視しつつ、カテーテルを患者の体内に挿入することが多い。処置中、利用可能な、又は同時的に作成可能な解剖学マップの特別な目視検査として、また、患者の体内に位置し得る他の器具を見るために、蛍光透視鏡を作動させる場合がある。そのため、手術者は、患者のできるだけ近くに検出器を定置することを好む。これにより、スタッフに対する放射線量を最小限にして、投影される画像の大きさを最大限にする。しかし、蛍光透視鏡検出器を定置する場所が、患者に近すぎると、その金属成分が、磁気追跡システムにとって不可欠な磁界測定値を歪める。この歪みにより、磁気追跡システムが、場所及び向きについて、その真の値からの明らかなずれを報告することになる。並進のずれは、数センチメートルに及ぶ場合があり、回転のずれは、数度にもなる場合がある。このようなずれにより、手術者が、磁気追跡システムを信頼しなくなることもあり、あるいは、歪みを認識しなかった手術者の判断を誤らせる場合もある。

開示を参照により本明細書に援用する、Osadchyらの米国特許第6,147,480号は、磁界に反応する物品の導入に起因する干渉の存在下、及び物体の付近にて、エネルギー場を用いて物体を追跡するための方法を記載している。

本発明の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に援用する、Montagらの米国特許出願公開第2012/0165656号は、複数の磁気送信機を用いて、領域内に磁界を発生させることと、該領域内に磁界摂動要素を導入することと、を記載している。本方法は、磁界摂動要素の中の各磁気送信機の複数の画像を特徴づけることと、該特徴づけられた画像に基づいて領域内の反応磁界を計算することと、を含む。本方法は、領域内にプローブ位置付け、該プローブにおける摂動磁界を測定することと、該測定された摂動磁界及び該計算された反応磁界に応じてプローブの場所を決定することと、を更に含む。

概要

プローブの場所を確認するための磁気追跡システムにおける磁界摂動要素の補正を、磁界摂動要素が既知の位置にある間、反応磁界モデルを作成する装置を提供する。磁界場所センサは、追跡システムの磁界摂動要素と磁界発生器34,36,38との間に配置される。プローブ上の場所センサ及び磁界センサからの磁界の示度は、磁界摂動要素が存在する間に得られる。磁界摂動要素の位置は、場所センサの示度、及び反応磁界モデルから計算した予測された反応磁界から推定される。補正された測定値は、場所センサにより検出された磁界から、予測された反応磁界を減算することによって、得られる。プローブセンサからの示度は、プローブの真の位置を計算するために、補正された測定値を用いて調整される。

目的

本発明の実施形態は、対象領域内の磁界で生じた摂動の補正のための方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

装置であって、領域内に磁界を発生させるための複数の磁界発生器と、該領域内に導入された磁界摂動要素と、該磁界摂動要素と該磁界発生器との間に配置された磁界場所センサと、プロセッサであって、該磁界摂動要素が、既知の位置にある間に、それぞれの反応磁界を計算することによって、反応磁界モデルを作成する工程と、該磁界摂動要素が、該領域内の新たな位置に定置されるとき、かつプローブ磁界センサを有するプローブの遠位部が、該領域内に導入されるとき、該プローブ磁界センサから該磁界発生器によって生じた摂動磁界の第1の測定値を得る追加の工程と、該場所センサから、該摂動磁界の第2の測定値を得る追加の工程と、該第2の測定値から、該磁界摂動要素の該新たな位置を再構成する追加の工程と、該反応磁界モデルから、該再構成された新たな位置について予測された反応磁界を得る追加の工程と、該第2の測定値から、該予測された反応磁界を減算することによって、補正された測定値を得る追加の工程と、該補正された測定値により、該第1の測定値を調整する追加の工程と、該調整された第1の測定値を用いて、該プローブ磁界センサの位置を計算する追加の工程と、を実行する工程と、を実行するよう構成されている、プロセッサと、を含む、装置。

請求項2

前記プロセッサが、前記第2の測定値と前記予測された反応磁界との差に基づいて、コスト関数を定義することと、前記第2の測定値において得られた前記摂動磁界のパラメータ最適値を求めることによって、該コスト関数を最小化することと、該パラメータの該最適値を有する最適化された反応磁界を定義することと、によって、補正された測定値を得るために動作する、請求項1に記載の装置。

請求項3

前記パラメータが、前記場所センサの、3つの場所パラメータと、3つの向きパラメータと、を含む、請求項2に記載の装置。

請求項4

前記場所センサが、3つの場所センサの組立体を含み、該3つの場所センサから第2の測定値を得る工程が、25個の出力パラメータを決定することを含み、最適化された反応磁界を定義することが、該25個の出力パラメータを変更することを含む、請求項3に記載の装置。

請求項5

前記第1の測定値を調整する工程が、前記第1の測定値から、前記最適化された反応磁界を減算することを含む、請求項2に記載の装置。

請求項6

前記第1の測定値を調整する工程が、前記第1の測定値を、前記磁界摂動要素と前記場所センサの場所との間の空間転送行列として特徴づけることと、前記最適化された反応磁界を、反応磁界行列として特徴づけることと、該空間転送行列と該反応磁界行列との積を計算することと、を含む、請求項2に記載の装置。

請求項7

前記摂動要素が、蛍光透視鏡検出器と、蛍光透視鏡コリメーターと、を含み、前記最適化された反応磁界を、反応磁界行列として特徴づけることが、該蛍光透視鏡検出器の複数の衛星ポイントにおける推定された磁界値の第1の行列と、該蛍光透視鏡コリメーターの複数の第2の衛星ポイントにおける推定された磁界値の第2の行列との積として、該反応磁界行列を計算することを含む、請求項6に記載の装置。

請求項8

前記第1の行列に、値が前記蛍光透視鏡検出器の反応磁界モデルを特徴づける定数の第1の行列を乗じ、前記第2の行列に、値が前記蛍光透視鏡コリメーターの反応モデルを特徴づける定数の第2の行列を乗じ、第1の行列積及び第2の行列積をそれぞれ定義する、請求項7に記載の装置。

請求項9

前記プロセッサが、前記新たな位置を再構成する前記工程、及び予測された反応磁界を得る前記工程を先行して実行することで得た、該予測された反応磁界のインスタンスを用いて、補正された測定値を得るために動作する、請求項1に記載の装置。

請求項10

反応磁界モデルを作成する工程が、前記磁界摂動要素内の磁気送信機の複数の画像を特徴づけることと、該特徴づけられた画像に基づいて、前記領域内の前記反応磁界を計算することと、を含む、請求項1に記載の装置。

請求項11

前記反応磁界を計算することが、球面調和関数展開を用いて実行される、請求項10に記載の装置。

請求項12

反応磁界モデルを作成する工程が、該反応磁界モデルのそれぞれの反応磁界を、6つの自由度を有する前記磁界摂動要素の場所及び向きのパラメータを含むとして特徴づけることを含む、請求項1に記載の装置。

請求項13

方法であって、較正段階において、複数の磁界発生器を用いて、領域内に磁界を発生させる工程と、該領域内の既知の位置に、磁界摂動要素を定置する工程と、該磁界摂動要素が、該既知の位置にある間に、それぞれの反応磁界を計算することによって、反応磁界モデルを作成する工程と、を実行する工程と、操作段階において、該領域内の新たな位置に、該磁界摂動要素を定置する工程と、該磁界摂動要素と該磁界発生器との間に、磁界場所センサを配置する工程と、プローブの遠位部を該領域内に導入する工程であって、プローブ磁界センサが、該遠位部に配置される、工程と、該磁界発生器により、摂動磁界を再発生させる工程と、該プローブ磁界センサから、該摂動磁界の第1の測定値を得る工程と、該場所センサから、該摂動磁界の第2の測定値を得る工程と、該第2の測定値から、該磁界摂動要素の該新たな位置を再構成する工程と、該反応磁界モデルから、該再構成された新たな位置について予測された反応磁界を得る工程と、該第2の測定値から、該予測された反応磁界を減算することによって、補正された測定値を得る工程と、該補正された測定値により、該第1の測定値を調整する工程と、該調整された第1の測定値を用いて、該プローブ磁界センサの位置を計算する工程と、を実行する工程と、を含む、方法。

請求項14

補正された測定値を得る工程が、前記第2の測定値と前記予測された反応磁界との差に基づいて、コスト関数を定義することと、前記第2の測定値において得られた前記摂動磁界のパラメータの最適値を求めることによって、該コスト関数を最小化することと、該パラメータの該最適値を有する最適化された反応磁界を定義することと、を含む、請求項13に記載の方法。

請求項15

前記パラメータが、前記場所センサの3つの場所パラメータと、3つの向きパラメータと、を含む、請求項14に記載の方法。

請求項16

前記場所センサが、3つの場所センサの群を含み、該3つの場所センサから第2の測定値を得る工程が、25個の出力パラメータを決定することを含み、最適化された反応磁界を定義することが、該25個の出力パラメータを変更することを含む、請求項15に記載の方法。

請求項17

前記第1の測定値を調整する工程が、前記第1の測定値から、前記最適化された反応磁界を減算することを含む、請求項14に記載の方法。

請求項18

前記第1の測定値を調整する工程が、前記第1の測定値を、前記磁界摂動要素と前記場所センサの場所との間の空間転送行列として特徴づけることと、前記最適化された反応磁界を、反応磁界行列として特徴づけることと、該空間転送行列と該反応磁界行列との積を計算することと、を更に含む、請求項14に記載の方法。

請求項19

前記摂動要素が、蛍光透視鏡検出器と、蛍光透視鏡コリメーターと、を含み、前記最適化された反応磁界を、反応磁界行列として特徴づけることが、該蛍光透視鏡検出器の複数の衛星ポイントにおける推定された磁界値の第1の行列と、該蛍光透視鏡コリメーターの複数の第2の衛星ポイントにおける推定された磁界値の第2の行列との積として、該反応磁界行列を計算することを含む、請求項18に記載の方法。

請求項20

前記第1の行列に、値が前記蛍光透視鏡検出器の反応磁界モデルを特徴づける定数の第1の行列を乗じ、前記第2の行列に、値が前記蛍光透視鏡コリメーターの反応モデルを特徴づける定数の第2の行列を乗じ、第1の行列積及び第2の行列積をそれぞれ定義する、請求項19に記載の方法。

請求項21

前記第1の行列積及び前記第2の行列積が、多極係数を含む、請求項20に記載の方法。

請求項22

補正された測定値を得る工程が、前記新たな位置を再構成する前記工程、及び予測された反応磁界を得る前記工程を先行して実行することで得た、該予測された反応磁界のインスタンスを用いて行われる、請求項13に記載の方法。

請求項23

反応磁界モデルを作成する工程が、前記磁界摂動要素内の磁気送信機の複数の画像を特徴づけることと、該特徴づけられた画像に基づいて、前記領域内の前記反応磁界を計算することと、を含む、請求項13に記載の方法。

請求項24

前記反応磁界を計算することが、球面調和関数展開を用いて実行される、請求項23に記載の方法。

請求項25

反応磁界モデルを作成する工程が、該反応磁界モデルのそれぞれの反応磁界を、6つの自由度を有する前記磁界摂動要素の場所及び向きのパラメータを含むとして特徴づけることを含む、請求項13に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、身体内定置された物体の位置を感知することに関する。より詳細には、本発明は、カテーテル追跡システムの改良に関する。

背景技術

0002

本明細書内で使用する特定の頭字語及び略語の意味を表1に示す。

0003

0004

広範な医療処置は、身体内に、センサチューブカテーテル分配装置、及び移植片などの物体を定置することを伴う。これらの処置中、医師が物体及びその周囲を可視化することを支援するためにリアルタイム撮像方法がしばしば用いられる。いくつかの方法において、磁界を利用する物体を用いて物体を追跡する。しかし、磁界での擾乱により追跡誤差が生じる場合がある。

0005

x線蛍光透視鏡を用い、磁気追跡システム連動して過程監視しつつ、カテーテルを患者の体内に挿入することが多い。処置中、利用可能な、又は同時的に作成可能な解剖学マップの特別な目視検査として、また、患者の体内に位置し得る他の器具を見るために、蛍光透視鏡を作動させる場合がある。そのため、手術者は、患者のできるだけ近くに検出器を定置することを好む。これにより、スタッフに対する放射線量を最小限にして、投影される画像の大きさを最大限にする。しかし、蛍光透視鏡検出器を定置する場所が、患者に近すぎると、その金属成分が、磁気追跡システムにとって不可欠な磁界測定値を歪める。この歪みにより、磁気追跡システムが、場所及び向きについて、その真の値からの明らかなずれを報告することになる。並進のずれは、数センチメートルに及ぶ場合があり、回転のずれは、数度にもなる場合がある。このようなずれにより、手術者が、磁気追跡システムを信頼しなくなることもあり、あるいは、歪みを認識しなかった手術者の判断を誤らせる場合もある。

0006

開示を参照により本明細書に援用する、Osadchyらの米国特許第6,147,480号は、磁界に反応する物品の導入に起因する干渉の存在下、及び物体の付近にて、エネルギー場を用いて物体を追跡するための方法を記載している。

0007

本発明の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に援用する、Montagらの米国特許出願公開第2012/0165656号は、複数の磁気送信機を用いて、領域内に磁界を発生させることと、該領域内に磁界摂動要素を導入することと、を記載している。本方法は、磁界摂動要素の中の各磁気送信機の複数の画像を特徴づけることと、該特徴づけられた画像に基づいて領域内の反応磁界を計算することと、を含む。本方法は、領域内にプローブ位置付け、該プローブにおける摂動磁界を測定することと、該測定された摂動磁界及び該計算された反応磁界に応じてプローブの場所を決定することと、を更に含む。

課題を解決するための手段

0008

いくつかの現在の磁気追跡システム、例えば、Biosense Webster,Inc.,(3333 Diamond Canyon Road,Diamond Bar,CA 91765)から市販されているCARTO(登録商標)3 Systemは、現在、金属干渉を検出するための内部機構を有する。通常、心臓内部のカテーテルについての5mmの推定された場所誤差に対応する特定の閾値を越えると、システムは、手術者に警告を発する。5mmを越える場所誤差により、不正確なマップにつながる場合もあり、これにより、システムが無効になり、有害になる可能性もある。これを軽減するのに、蛍光透視鏡検出器を患者のからより遠くへ動かす。20mmの平均場所誤差に対応する第2の閾値があり、ここで、システムは、心臓活動のマップを作成する際に得られたデータの使用を許可しない。このような内部警告機構は、有用ではあるが、かなりの許容誤差を有する場合があり、該機構を信頼して上述の歪みの影響を補正することはできない。したがって、より高度な場所誤差検出技術が望ましい。

0009

本発明の実施形態は、磁気追跡システムと蛍光透視鏡との間に連携をもたらすことを不要にしつつ、場所追跡誤差を補正する。これまでの、このような連携には、追跡誤差を適宜補正するために、蛍光透視鏡構成要素の場所及び向きを磁気追跡システムに通知することが必要であった。

0010

本発明の実施形態による方法が提供され、該方法は、複数の磁界発生器を用いて、領域内に磁界を発生させることと、該領域内の既知の位置に、磁界摂動要素を定置することと、該磁界摂動要素が、該既知の位置にある間に、それぞれの反応磁界を計算することによって、反応磁界モデルを作成することと、によって、較正段階において実行される。

0011

本方法は、該領域内の新たな位置に、該磁界摂動要素を定置することと、該磁界摂動要素と該磁界発生器との間に、磁界場所センサを配置することと、プローブの遠位部を該領域内に導入することと、によって、操作段階において更に実行される。プローブ磁界センサは、該遠位部に配置される。該方法は、該磁界発生器により、摂動磁界を再発生させることと、該プローブ磁界センサから、該摂動磁界の第1の測定値を得ることと、該場所センサから、該摂動磁界の第2の測定値を得ることと、該第2の測定値から、該磁界摂動要素の該新たな位置を再構成することと、該反応磁界モデルから、該再構成された新たな位置について予測された反応磁界を得ることと、該第2の測定値から、該予測された反応磁界を減算することによって、補正された測定値を得ることと、該補正された測定値により、該第1の測定値を調整することと、該調整された第1の測定値を用いて、該プローブ磁界センサの位置を計算することと、によって、更に実行される。

0012

本方法の一態様によると、補正された測定値を得ることが、前記第2の測定値と前記予測された反応磁界との差に基づいて、コスト関数を定義することと、前記第2の測定値において得られた前記摂動磁界のパラメータ最適値を求めることによって、該コスト関数を最小化することと、該パラメータの該最適値から最適化された反応磁界を定義することと、を含む。

0013

本方法の一態様によると、前記パラメータが、前記場所センサの3つの場所パラメータと、3つの向きパラメータと、を含む。

0014

本方法の更なる態様によると、前記場所センサが、3つの場所センサの群を含み、該3つの場所センサから第2の測定値を得ることが、25の出力パラメータを決定することを含み、最適化された反応磁界を定義することが、該25の出力パラメータを変更することを含む。

0015

本方法の更なる態様によると、前記第1の測定値を調整することが、前記第1の測定値から、前記最適化された反応磁界を減算することを含む。

0016

本方法の追加の態様によると、前記第1の測定値を調整することが、前記第1の測定値を、前記磁界摂動要素と前記場所センサの場所との間の空間転送行列として特徴づけることと、前記最適化された反応磁界を、反応磁界行列として特徴づけることと、該空間転送行列と該反応磁界行列との積を計算することと、を更に含む。

0017

本方法の更に他の態様によると、前記摂動要素が、蛍光透視鏡検出器と、蛍光透視鏡コリメーターと、を含み、前記最適化された反応磁界を、反応磁界行列として特徴づけることが、該蛍光透視鏡検出器の複数の衛星ポイントにおける推定された磁界値の第1の行列と、該蛍光透視鏡コリメーターの複数の第2の衛星ポイントにおける推定された磁界値の第2の行列との積として、該反応磁界行列を計算することを含む。

0018

本方法の更に他の態様によると、前記第1の行列に、値が前記蛍光透視鏡検出器の反応磁界モデルを特徴づける定数の第1の行列を乗じ、前記第2の行列に、値が前記蛍光透視鏡コリメーターの反応モデルを特徴づける定数の第2の行列を乗じ、第1の行列積及び第2の行列積をそれぞれ定義する。

0019

本方法の追加の態様によると、前記第1の行列積及び前記第2の行列積が、多極係数を含む。

0020

本方法の他の態様において、前記新たな位置を再構成すること、及び予測された反応磁界を得ることを先行して実行することで得た、該予測された反応磁界のインスタンスを用いて、補正された測定値を得る。

0021

本方法の更に他の態様によると、反応磁界モデルを作成することは、磁界摂動要素内の磁気送信機の複数の画像を特徴づけることと、特徴づけられた画像に基づいて、領域内で反応磁界を計算することと、を含む。

0022

本方法の更に他の態様によると、前記反応磁界を計算することが、球面調和関数展開を用いて実行される。

0023

本方法の一態様によると、反応磁界モデルを作成することが、該反応磁界モデルのそれぞれの反応磁界を、6つの自由度の前記磁界摂動要素の場所及び向きのパラメータを含むとして特徴づけることを含む。

0024

領域内に磁界を発生させるための複数の磁界発生器と、該領域内の磁界摂動要素と、該磁界摂動要素と該磁界発生器との間に配置された磁界場所センサと、プロセッサであって、磁界摂動要素が、既知の位置にある間に、それぞれの反応磁界を計算することによって、反応磁界モデルを作成するよう構成されている、プロセッサと、を含む本発明の実施形態による装置が更に提供される。動作中、該磁界摂動要素が、該領域内の新たな位置に定置され、かつ、上にプローブ磁界センサを有するプローブの遠位部が、該領域内に導入される。該プロセッサは、該プローブ磁界センサから該磁界発生器によって生じた摂動磁界の第1の測定値を得、該場所センサから、該摂動磁界の第2の測定値を得、該第2の測定値から、該磁界摂動要素の該新たな位置を再構成し、該反応磁界モデルから、該再構成された新たな位置について予測された反応磁界を得、該第2の測定値から、該予測された反応磁界を減算することによって、補正された測定値を得、該補正された測定値により、該第1の測定値を調整し、該調整された第1の測定値を用いて、該プローブ磁界センサの位置を計算するよう更に構成されている。

図面の簡単な説明

0025

本発明をより深く理解するため、発明を実施するための形態を例として参照すると、発明を実施するための形態は、同様の要素に同様の参照番号を付した以下の図面と併せ読むべきものである。
本発明の実施形態に従う、位置感知システムの概略図である。
本発明の実施形態に従う、図1に示すシステムにおけるプローブの遠位端を示す、概略的詳細図である。
本発明の実施形態に従い評価される磁界を示す図である。
いくつかのパラメータを変更しつつ、コスト関数への影響を示すデータプロット図である。
いくつかのパラメータを変更することのコスト関数への影響を示す他のデータプロット図である。
本発明の実施形態に従う、反応磁界のシミュレーションを行うための構成の図である。
本発明の実施形態に従い、公式化された方程式である。
本発明の実施形態に従い、公式化された行列方程式である。
本発明の実施形態に従う、標準ER技術についてプロットされたシミュレーション結果のグラフによる比較である。
本発明の実施形態に従う、渦電流を示す概略図である。
本発明の実施形態に従う、図1に示すシステムにおける特定の要素の概略図である。
本発明の実施形態に従い、公式化された方程式である。
本発明の実施形態に従い、公式化された方程式である。
本発明の実施形態に従い、公式化された方程式である。
本発明の実施形態に従う、磁界摂動による磁気センサの場所追跡誤差を補正するための方法のフローチャートである。
本発明の実施形態に従う、カテーテルの端部を追跡するためのシステムの概略図である。
本発明の実施形態に従い得られた場所誤差の結果のグラフによる比較プロット図である。
本発明の実施形態に従い得られた場所誤差の分布の比較プロット図である。

実施例

0026

以下の説明では、本発明の種々の原理の深い理解を促すため、多くの具体的な詳細について記載する。しかし、これらの詳細は、必ずしも、本発明の実施のために常にすべてが必要とされるものではない点は、当業者には明らかであろう。この場合、一般的な概念を不要に曖昧にすることのないよう、周知の回路制御論理、並びに従来のアルゴリズム及び処理に関するコンピュータプログラム命令の詳細については、詳しく示していない。

0027

概論
本発明の実施形態は、対象領域内の磁界で生じた摂動の補正のための方法を提供する。摂動は、通常、金属成分である磁界摂動要素を磁気送信機によって発生した磁界へ導入することによって起こる。本発明の一態様において、蛍光透視鏡によって生じる干渉磁界の、簡単に計算可能な数学的推定が得られる。推定された干渉磁界は、磁気追跡システムの磁気センサから得た測定値から減算されて、補正された測定値が得られる。補正された測定値を用いて、センサの真の場所及び向きを計算する。

0028

本開示において、摂動要素中の渦電流によって発生した干渉磁界は、反応磁界モデルを用いて扱う。摂動要素の存在を補正するために、反応磁界モデルは、磁気追跡システムの各磁気送信機が摂動要素中で送信機の複数の画像を作成すると仮定する。反応磁界モデルは、各画像がそれぞれの反応磁界を発生させて、それが送信機によって発生した磁界を全体で摂動させるよう作用すると仮定する。

0029

各画像は、通常は多極子、すなわち、双極子四極子及び/又は高次極子の組み合わせとして特徴づけられ得る。各画像の特性は、とりわけ画像を生じさせる送信機磁界にも依存する。反応磁界モデルは、通常、磁界を球面調和関数展開によって表すことができると仮定することによって、また画像の特性に従って、多極子画像のそれぞれから反応磁界を計算する。反応磁界モデルについて、以下に詳述する。

0030

次に、図面に関して、まず図1を参照すると、図1は、本発明の実施形態に従う、カテーテルプローブ22の遠位端21の位置を感知するよう構成されている位置感知システム10の概略図である。通常、プローブ22は、システム10の操作段階中に医療専門家によって患者の体腔又は器官中に挿入され、システムの較正段階中には存在しない。明確化のために、図1では、プローブ22を破線で示している。患者は、通常、位置感知システム10を操作することができる医療専門家によって実行される処置中に、磁界の手術台24上に横たわる。磁界は、概ね同様の交流磁界発生器34、36、38の組立体である場所パッド26を患者の下に位置付けることによって発生し、該磁界発生器のそれぞれが、3つの磁界発生コイルを有するため、場所パッド26は、合計9つの発生コイルを含むことになる。磁界発生器34、36、38は、楕円形で概略的に示す領域30内に交流磁界を発生させる。磁界発生器34、36、38は、異なる周波数での動作、又は時分割多重化によって区別し得る。明確化及び簡略化のために、図1には患者及び医療専門家の双方とも示されていない。

0031

システム10は、制御ユニット50を採用し、該ユニット50は、通常、適切な信号処理回路を有するコンピュータであるプロセッサ52を含む。このプロセッサは、メモリ54を使用するが、メモリ54は、通常、揮発性データ記憶装置不揮発性データ記憶装置の両方を含むものであり、このメモリ54内にオペレーティングシステム10のデータが記憶される。プロセッサは、プローブ22の場所の視覚的ディスプレイ56を提供し得るコンソールを駆動するよう接続されている。

0032

システム10は、蛍光透視鏡コントローラ61によって操作され、かつ手術台24上の患者の蛍光透視画像を作成することができる、蛍光透視鏡60を含む。蛍光透視鏡コントローラ61を制御ユニット50のサブユニットとして示すが、制御ユニット50とは別個に実施してもよい。蛍光透視鏡60は、本明細書ではコリメーター62と称される視準されたX線源及び検出器64を含む多数のセクションを有する。コリメーター62及び検出器64は、それらを、横軸68、及び該横軸68を通って紙面に垂直な軸の、2つの軸の周りで回転させる別のセクションであるCアーム66によって、共に連結されている。Cアーム66は、コリメーター62及び検出器64が、平行軸68に対して平行の方向などに、空間で位置を変えることも可能にする。Cアーム66は、蛍光透視鏡60の軸68周囲の回転の際に、互いに固定された配列に、及び互いから一定の距離にて、コリメーター62及び検出器64を保持する。通常、蛍光透視鏡60によって作成される画像は、平行軸68の周りの任意の向きに回転した蛍光透視鏡60で作成してもよく、その向きは、患者のニーズ及びシステム10を操作する専門家の条件に応じて選択される。

0033

通常、蛍光透視鏡60は、プローブ22が使用されるのとほぼ同時にその画像を作成するよう作動する。しかし、領域30に近接する、蛍光透視鏡60の金属成分は、領域30内の磁界発生器34、36、38によって発生した磁界を変える。上記の通り、これらの改変に対する補正なしでは、プローブ22の測定された場所における誤差がもたらされる。本明細書に記載されるように、本発明の実施形態は、手術台24に対する蛍光透視鏡60の向き又は位置に関係なく、蛍光透視鏡60によって生じる磁界摂動を補正し、したがって、プローブ22の測定された場所における全ての誤差を防ぐ。

0034

通常、システム10は、単純化のために図には示されていないが、以下の説明で必要なものとして言及される、他の要素を含む。例えば、システム10は、ECG同期信号を制御ユニット50に与えるために、1つ以上の体表面電極から信号を受信するように結合されたECGモニターを備えてもよい。

0035

図1の構成は、概念的明確化のためだけに選択された構成例である。代替的な実施形態では、任意の他の好適な構成を用いることもできる。通常、プロセッサ52は、本明細書に記載される機能を実行するようにソフトウェアプログラムされる。そのソフトウェアは、例えば、ネットワークを介して電子形式でプロセッサにダウンロードしてもよく、あるいは、それに代わって、若しくはそれに加えて、磁気的メモリ、光学的メモリ、又は電子的メモリなどの非一時的な有形メディア上に提供及び/又は格納してもよい。

0036

システム10は、領域30内の磁界発生器34、36、38によって発生した磁界をプロットすることができる装置も含み得る。本発明の一実施形態では、マッパー70が、磁界をプロットするために用いられ、マッパーは、プラスチックシートなどの固体ベース上の既知の位置に固定するよう据え付けられた磁界検出器72のアレイを含む。マッパー70は、場所パッド26に対して既知の所定の位置及び向きで手術台24上に位置付けられるように構成されている。一実施形態では、マッパー70は、72個の検出器を含む。通常、検出器は、磁界及びすべてのその無視できない勾配測定可能であるように、マッパー70内に構成される。代替の実施形態において、マッパーは、およその寸法が150×250×250mmである矩形の箱の中に分布した78個の検出器を有する。

0037

マッパー70は、磁界検出器72からの磁気測定を用いて、通常は左右に対して、並びに頭及び足に対してほぼ中央に位置付けてもよい。

0038

システム10の操作に関する次の説明では、マッパー70は、磁界をプロットするために用いられることが仮定されるが、マッパーは、領域30内の磁界を測定するための1つの例示的なシステムであることが理解され、既知の位置に移動させることが可能な1つ又は2つ以上の磁界検出器などの任意の他の好適なシステムを使用してもよい。このような代替的磁界プロッティングシステムは、当該技術分野における当業者には明らかとなるであろうし、本発明の範囲内にあることが想定される。

0039

磁界検出器72は、ホール効果プローブ又はセンサ46に概ね類似するセンサなどのような、磁界の大きさ及び方向を測定するための任意の好都合な3軸センサを含んでもよい。このようなセンサの示度は、3次元座標系における3要素列ベクトルとして表し得る。場所パッド26の3つの磁界発生器34、36、38は、合計9つの送信コイルを有する。したがって、磁界検出器72のそれぞれは、9×3=27の入力パラメータを含む磁界に反応する。以下の考察から分かるように、システム10のように9つの磁界コイルがある場合、場所パッド26における三次元センサ組立体の出力は、18の場所及び向き出力パラメータを含む。磁界検出器72からの示度は、通常、接続ケーブル74によって制御ユニット50に転送されるが、無線伝送のような任意の他の好都合な転送方法を用いてもよい。

0040

以下に詳述する通り、マッパー70は、システム10の較正中に使用されるため、マッパー70及びケーブル74を破線で示す。システム10がその操作段階にあるときには、マッパー70及びケーブル74は取り外される。

0041

ここで図2を参照すると、図2は、本発明の実施形態に従う、遠位端21(図1)を示す概略的詳細図である。遠位端21は、電磁センサ46の一部としての3つの概ね直交するコイル40、42、44を含む。遠位端21は、通常、アブレーション電極又はマッピング電極48など、他の要素を含む。磁界発生器34、36、38により発生した磁界は、コイルが感知した磁界に従い、センサ46のコイル中に電気信号を生成する。センサ46のコイルからの電気信号は、プローブ22の位置の座標及び向きの座標を決定するよう信号を解析する制御ユニット50に運ばれる。1組の直交xyz軸に対して座標を参照してもよい。

0042

プローブ22の位置及び向きを検出するための遠位端21中のコイルの他の配列は、当該技術分野において既知である。1つのそのような配列は、磁界の投影を測定する1つのコイルを使用する。コイル40、42、及び44により例示されるものとは異なるコイル配列を説明するために、当該技術分野における当業者は、必要な変更を加えて本記載を適合させることが可能であろう。

0043

反応磁界モデル
1つの反応磁界モデルが、上述のMontagの米国特許出願公開第2012/0165656号から既知である。反応磁界モデルに関する以下の説明により、本発明の原理の理解が容易になるであろう。

0044

ここで、図3を参照すると、図3は、本発明の実施形態に従って評価される、磁界を示す図である。反応磁界モデルの背景にある基礎物理は、振動磁界が、任意の導体において電流誘導することである。可能な限り単純にした構成を図3に示す。ソース78、例えば、システム10における磁界発生器34、36、38(図1)の1つは、時間変動磁界(点線で表したソース磁界82)を生じさせる振動電流のソースループ80を生成する。ソース磁界82は、導電ループ84の近くで時間変動磁束を生じさせる。アンペアの法則により、時間変動磁束は、電流をもたらし、今度は、ソース磁界82に干渉する磁界(破線で表した反応磁界86)を発生させる。センサ88は、測定された磁界(ベクトル90として示す)を経験することになり、該磁界は、ソース磁界82と反応磁界86との重層である。磁気追跡システムが採用する磁気場所アルゴリズムは、通常、センサ88の測定された磁界とソース78からの既知の磁界構成との比較に基づく。いかなる測定値干渉も場所及び向きの誤差をもたらす。

0045

ソースループ80が安定した周波数で振動している場合、我々は、誘導電界振幅についての式を静的問題の解とみなすことができる。反応磁界モデルの一般形は、一次方程式である。



Breaction(x、y、z)は、空間の任意のポイントにおける誘導反応磁界の(ベクトル)振幅を表す。Btransmittedは、ソース磁界を表す。
Treactionは、反応行列である。

0046

反応ループ物理特性は、Treactionに含まれる。この例において、これがループの範囲である。暗黙周波数依存も、この項に含まれる。Tspatial(x、y、z)は、センサコイルにおいて起きていることから、空間における任意のポイントへの接続である。我々が、双極子源になるように反応ループを近似する場合、周知の公式がある。



方程式(2)において、mは、Treaction・Btransmittedを表し、方程式の残りは、方程式(1)のTspatial(x、y、z)を表し、r=(x、y、z)である。

0047

反応磁界は、6つの自由度の磁界摂動要素の場所及び向きを特徴づけることが、上記の考察から明らかになろう。

0048

実際、反応磁界は、単純な導電ループではなく、やや大きな金属の物体によって生じ、本発明に照らして最も重要であるのは、蛍光透視鏡60のソースコリメーター及び検出器の組立体である。この場合、反応について数学的解を求めることは、より一層複雑な課題である。

0049

適応型FERアルゴリズムの概要
CARTOの計測値に対する蛍光透視鏡の影響は、CARTOシステムによって生じる、発生した磁界に対する付加的な磁界反応である。蛍光透視鏡の場所及び反応磁界モデルが既知である場合、反応は、無効になり得、CARTO磁気追跡システムにおける測定値の精度が回復する。

0050

適応型FERは、患者の胸の上に磁気センサを有する場所パッチセンサ(本明細書において「胸センサ」と称することもある)から得た測定値より、蛍光透視鏡場所を再構成する。3軸センサ測定は、9つの磁気ベクトル場、又は27の数をもたらす。これらを使用して、3つの場所パラメータ及び3つの向きパラメータを求める。あきらかに、システムにおいて、高レベル冗長性が存在する。我々は、3つの場所パッチセンサをまとめることにより、期待された測定値のための数学モデルを作成することができ、該数学モデルは、6*3=18個のセンサパラメータ、並びに7つのCARTO−蛍光透視鏡座標転送パラメータを含むことが分かった。これら18+7=25個のパラメータを「出力パラメータ」と称する)。我々は、数学モデルと1組の実際の測定値との差に対して最適化を行い、蛍光透視鏡位置を求める。これには、センサ場所又は蛍光透視鏡の姿勢に関する高度な知識が不要である。場所パッチセンサが静止したままである、あるいは任意の一定の相対場所を有するという前提もない。

0051

一般的に、磁界検出器72の1つの反応磁界を以下の方程式で説明することができ、



式中、rot(α,β,γ)は、回転行列であり、s.h.多項式は、磁界発生器34、36、38の磁界発生コイルの、コイルの中心に関する球面調和関数多項式であり、係数は、磁界源を説明する数値定数である。

0052

磁界検出器72の1つにおける検出器64によって生じる反応磁界を推定することができ、






式中、rot(φ,θ,Ψ)は、CARTO磁界検出器と蛍光透視鏡検出器座標系との間の回転を表す。

0053

先に参照した米国特許出願公開第2012/0165656号の教示に従い、球面調和関数の中心(「展開ポイント」としても知られる)を選択し得る。

0054

よって、3つの場所パッチセンサの場合、(3×6)+7=25の未知数を求めるため81の入力数が存在する。球面調和関数多項式という用語は、先の方程式と同じ意味を有し、






は、検出器衛星ポイントにおける推定されたLP磁界である。



は、検出器反応磁界行列であり、反応磁界モデルから計算する。衛星ポイント及び反応磁界モデルについて、以下で説明する。

0055

コリメーター62によって生じる反応磁界を推定するために、同様の方程式を書いてもよい。

0056

システム10の場合、磁界センサが経験する推定された反応磁界は、検出器64及びコリメーター62の推定された反応磁界の付加的な磁界の影響である。



よって、場所パッチセンサkについては、以下の通りである。

0057

Cアームが検出器とコリメーターとの共同運動強制するため、7つの独立パラメータが存在する。3つの回転角、蛍光透視鏡の回転中心のxオフセット及びyオフセット、検出器のzオフセット(SIDにより変動する)、及びコリメーターのzオフセットである。

0058

一旦、7つの蛍光透視鏡転送パラメータが既知になると、患者の体内のカテーテルにおける磁気センサを補正するために、先に参照した米国特許出願公開第2012/0165656号に開示された蛍光透視鏡の影響低減(FER)の適用において、該パラメータを用いることができる。

0059

システム10において、測定値は、磁気センサから、頻繁に、通常、16msの間隔で得られる。測定値iは、先の測定値i−1において推定された回転パラメータ及び反応磁界を用いて、調整される。

0060

単軸センサの場合、回転行列の項は、ベクトル



に置き換えられる。

0061

3つの場所センサを採用する実施形態において、推定された磁界と測定された磁界との差のベクトルは、



であり、式中、



は、センサiにおいてi番目に測定された磁界であり、



は、i番目に推定された磁界である。

0062

次に、コスト関数



は、最小化され、センサ及び蛍光透視鏡磁界パラメータの同時解をもたらす。3つの場所センサを用いる場合、各3軸場所センサは、27の数字、すなわち(図1の例における)3つの磁界発生器の中の9つの9の送信コイルのそれぞれに対する三次元ベクトルを測定することが先の考察から想起されるであろう。3つの場所センサ全てを読み取ることは、81個の入力パラメータ及び25個の出力パラメータに関係する。出力パラメータは、コスト関数の最小化において変動する。入力パラメータは、変動しない。コスト関数は、測定された磁界及び推定された磁界のパラメータの値を実数マッピングする。コスト関数の最小化は、誤った判定の不利益を最小化する。最小化に好適な多くの最適化の方法が知られている。一実施形態において、ガウスニュートン法レーベンバーグ・マーカー変数が用いられている。この技術は、Wolfram Research(100 Trade Center Drive,Champaign,IL61820−7237)から市販されているMathematica(登録商標)などのプログラム、及びC、C++などのプログラム言語において実施するのに強力で好都合である。

0063

ここで図4を参照すると、図4は、回転LAO−RAO蛍光透視鏡パラメータ(rot(α,β,γ)として上に示す)を変動させる間の、コスト関数に対する影響を示すデータプロット図である。極小値が明確に認められた。

0064

ここで図5を参照すると、図5は、SIDオフセットパラメータを変更する間のコスト関数に対する影響を示すデータプロット図である。コスト関数は、このパラメータにおける変動に対する感受性が低いが、それにも関わらず、範囲の広い最小値(a broad minimum)は、認められない。

0065

便宜上、この実施形態において、3つの場所パッチセンサが選ばれた。より大きな数を用い得るが、その場合、解の更なる優決定が行われることになり、精度は若干良くなるが、コンピュータ資源コストと実行時間とのトレードオフである。3つ未満の場所、実際、1つの場所センサでも、解をもたらす。後者の選択によりコストと複雑さを低減することになるが、最適とは言えない結果をもたらすことが予想される。表2は、場所センサの数を変更することの影響を示す。

0066

0067

あるいはまた、1つ又は2つ以上の場所パッチセンサを、カテーテル自体の中のセンサコイルに置き換えることもできる。しかし、この方法は、干渉が最も強いときに、最も効果を発揮することが分かった。胸パッチセンサは、カテーテル電極よりも検出器に近く、反応磁界は、特に、検出器位置に対して、より影響されやすい。適応型FERアルゴリズムも、コリメーター位置に影響されやすいが、送信コイルが、コリメーターとセンサとの間にあるため、コリメーターからの相互干渉は、コリメーターの上方のセンサの高さと無関係である。せいぜい、蛍光透視鏡検出器の表側が垂直、すなわち、患者の側に向いているとき、カテーテルセンサが、若干の有用な情報を提供することが予想されるのみである。この最も端の位置で、1つ又は2つの胸パッチセンサのみが、多くの有用な情報を提供する。カテーテルセンサは、異なる垂直面にあり、若干の限られた追加の情報を与える。

0068

反応磁界の分析的シミュレーション。
大きな導電性物体の反応をモデリングするための手法を求めるため、準静的電磁界の基礎物理学を考察することが役立つ。CARTOシステムは、1〜4kHzの範囲の電磁界を一斉送信する。導体が、このような振動磁界に定置された場合、磁界は、導体に衝突し、電流を誘導する。電荷変位により、電界が生じる。任意の導体の顕著な特質は、材料中の自由な電荷が、動き始めて、誘導電界を相殺することである。その結果、入射界は、



程度の深さまで浸透するのみであり、式中、μは、透磁率であり、σは、導電率であり、νは、周波数である。2kHzにおける室温の銅について、結果は、約1.5mmであり、アルミニウムなど、他の一般的な導体についても、同様の結果が出た。これは、蛍光透視鏡コリメーター及び検出器組立体の寸法よりもかなり小さく、電流が実質的に表面上を流れることを意味し、我々は、電流が表面に全く浸透していないかのように動作することができる。金属ケーシングが重要であるのは、干渉源としてのみであり、内部の構成要素としてではないことも意味する。反応磁界は、導電体の表面にあるため、通常の構成要素は、送信された磁界の通常の構成要素を、厳密に無効にする。実際、起こっていることは、超伝導体が、その内部から磁界を放出するように、渦電流が、導体の内側から全ての磁界を放出する傾向にあることである。磁気追跡システムによる測定値に干渉するのは、導体の外側の反応磁界である。これらは、同じ形状の超伝導体について対応する静的問題を解くことにより、計算可能である。(Landau and Lifshitz,Electrodynamics of Continuous Media,section 45)。

0069

上記のCARTOシステムは、シミュレーション例において使用された。CARTOシステムにおける反応磁界の動作について、我々に教示することができる分析的モデルを得るために、我々は、静的とみなされるCARTOシステムの磁界における蛍光透視鏡に匹敵する寸法の超伝導球の動作のシミュレーションを実行した。我々は、Lidell及びLehtolaによる論文IEEE Trans.Magnetics 128:4、1992、pp 1930〜1934)に記載された画像磁荷を用いて反応磁界のモデルを構成した。

0070

ここで図6を参照すると、図6は、本発明の実施形態に従う、反応磁界のシミュレーションを行うための構成の概略図である。図の底部の点92は、場所パッド26の磁界発生器34、36、38(図1)の1つを表す。概略化した蛍光透視鏡構成要素である導電球94が、ポイントのグリッドにより表した結像ボリューム96の上方にある。このような構成における反応磁界は、導電球94の表面上を流れる渦電流の複雑なパターンによる。しかし、反応磁界は、画像磁気源のポイント双極子源98から来ているものとしてモデリングすることができ、これは、衝突する横磁界と、軸方向磁界に反応する一連の双極子に対する反応である。双極子は、1次元シンボル100によって示す。ポイント双極子源及び双極子ストリングの場所は、導電球の大きさ、及び送信機からの距離によって決定する。その強度は、これらの寸法の関数であり、送信された磁界の強度に比例する。画像電荷は、数学的便宜であるため、導電球94内部の場の詳細は、重要でない。

0071

シミュレーションと方程式(1)との対応関係は、以下の通りである。Btransmittedは、大きな導電性物体に近接する送信された磁界を表す。図6の例において、我々は、値が、導電球94を包含するポイント102における送信機磁界である行列を構成する。Treactionは、導電球94の磁気反応特質を表し、該特質は、導電球の場所に対して不変である。当面、これを未知数の行列としておく。Tspatial(x、y、z)は、転送関数であり、該転送関数は、磁気モーメントの場所の、場所に関する空間における任意のポイントに対して場を与える。我々は、ポイント双極子構成要素の双極子源について、既知の場の分布を用いて、一連の双極子にわたる磁界にわたって積分し、ストリング構成要素を得て、座標(x、y、z)に関して空間関数を求める。導電球94の中心に対して定義され、z軸が導電球94と送信機との間の方向である基準座標系において、TreactionとBtransmittedとの積は、画像源要素の磁気モーメントを表す。これは、モーメントの強度が、Btransmittedに線形比例することを意味し、該Btransmittedは、送信機に対する導電球の場所及び向きにのみ依存する。

0072

この概念をテストするために、我々は、解析解に関する我々の先験的知識を用いて、redで示すポイントの所与の組において反応磁界を計算した。ここで図7を参照すると、図7は、本発明の実施形態に従う、公式化された方程式(3)である。我々は、クロネッカー積を用いた方程式の右辺に移動させることにより、Treactionを求めたが、式中、記号「(red)」は、ポイント104(図6に小さな点で示す、を指し、「(blue)」は、ポイント102(より大きな点で示す)を指す。我々は、TreactionとBtransmittedとの積は、解析解に導入されたものと同じ磁気双極子モーメントを返すことを確認した。

0073

更に、我々は、球の場所の大きな組から情報を同時に入力し、BtransmittedとBreactionのいくつかの組を鎖状につないで、Treactionを求めた。ここで図8を参照すると、図8は、本発明の実施形態に従う方程式(4)である。方程式(4)は、より高次元の行列方程式であり、式中、Loc1からLocNは、CARTOが用いるマッピング量における座標を指し、符号Tは、行列転置を示す。

0074

次に、我々は、高レベルの精度で、TreactionとBtransmittedの積が、モーメントを生成し、該モーメントは、Treactionを計算するのに用いた組に含まれない球の場所について、解析解と合致したことを示した。つまり、同じTreactionが、複数のBsatelliteの組と共に作用する。Bsatelliteは、干渉源の表面の近くのポイント、例えば、ポイント102(図6)において評価されたソース磁界を表す。TreactionとBsatelliteの独立が、概念の証明を表す。

0075

ここで図9を参照すると、図9は、本発明の実施形態に従う、標準FER技術についてプロットされたマッピング量全体にわたるシミュレーション結果のグラフ表示である。x軸は、未補正の場所誤差を表し、y軸は、補正した場所誤差を表す。プロットされたFER及び適応型FERを使用したデータは、図9の鍵に示す通り、区別される。シミュレーションにおいて、蛍光透視鏡の姿勢及びCARTOセンサの結果的な誤差が推定された。ソースと干渉データシミュレートされた。5%レベルノイズ、すなわち、磁界発生器中の電流の変動により生じ得る擬似磁界を、シミュレーションに加えると、FERとシミュレートされた適応型FERの性能は、同程度である。

0076

較正
当然、我々が渦電流を補正する必要がある蛍光透視鏡構成要素のいずれも、完全な球形ではない。我々は、柔軟性と特殊性バランスがとれた反応磁界の数学モデルに想到することにおいて、より実践的な手法が必要である。実質的に自由度がない球形導体のモデルとは違い、実用モデルは、反応磁界の複雑なパターンを正確に記述するのに十分な自由度を有する必要があるが、有する自由度が多すぎてはならない。さもなければ、Treactionを求めることが、優決定の解につながり、解を求めるために使用される蛍光透視鏡構成の組において存在しない蛍光透視鏡の姿勢に対して発散し得る。

0077

我々の選択は、磁気多極ポイントソース集まりに基づき、反応磁界を記述することである。各ソースの磁界を記述するために、我々は、球面調和関数展開を用いる。球面調和関数は、自由空間の任意の静磁界を記述するための完全な基礎を提供する。我々が選択する球面調和関数展開の順序、及び展開の中心の数は、上記で言及した自由度の制御を表す。よって、実用反応磁界モデルは、磁界摂動要素内の各磁気送信機の複数の画像を特徴づけることと、特徴づけられた画像に基づいて、領域内で反応磁界を計算することと、によって作成される。

0078

我々の選択は、電流ループと渦電流に関する経験に従う。単一円形電流ループの場は、楕円関数の組み合わせにより、分析的に記述可能である。ループの中心からいくつかの半径分離れた距離で、場は、双極子によって正確に記述可能である(球面調和関数展開におけるL=1の項)。金属成分と、CARTOマッピングポイントと、金属の表面上の渦電流の次元との間の距離の適切な割合である、1〜4の半径の範囲において、以下に説明する通り、我々は、Lのより大きい値を用いる必要がある。

0079

ここで図10を参照すると、図10は、本発明の実施形態に従う、渦電流を示す概略図である。図10は、検出器64の表側、並びにコリメーター62の表面(図1)の渦電流を示す。図の外周周辺の矢印106は、端部周辺の電流の流れを表す。反対方向に流れる電流は、相殺されるため、これは、4つの電流ループ108と数学的に同等である。蛍光透視鏡が、患者の胸の近くに定置されたとき、電流ループ108の半径の長さは、患者の体内のカテーテルからの検出器の距離とほぼ同じである。矢印106が表す電流ループの半径は、その距離の数倍である。我々は、元々の中心における5番目のポイント112に加えて、電流ループ108のそれぞれの中心110における球面調和関数について、展開の中心を設定すると、磁界の優決定なしで、球面調和関数展開におけるL=3までの項を用いた反応磁界の正確なモデルを得ることができることが、実験的に分かった。

0080

ここで図11を参照すると、図11は、本発明の実施形態に従う図1に示す必須要素の概略図である。図11は、実際の実験における幾何学的配置を表す。標準的矩形の座標系114を参照すると、アステリスク116は、それぞれ、磁界発生器の3つの同心コイルを表し、該コイルは、z=0の平面の三角形の上に存在する。ポイント118(大きい黒丸で示す)は、球面調和関数の展開の中心である。ポイント120(小さい白丸で示す)は、マッピング量内の選択されたポイントである。矩形122、124は、蛍光透視鏡検出器64及びコリメーター62表面の輪郭を表す。ポイント126、128(より大きな黒い点で示す)は、検出器64及びコリメーター62における主要な金属の干渉源を囲むポイントの組である。反応方法の基本的な前提は、金属の反応が、ポイント126、128の場所パッド26(図1)における磁界発生器によって発生する磁界の値にのみ依存することである。これらのポイントは、金属を取り囲み、それらに沿って動くため、「衛星ポイント」と称する。これらのポイントにおけるLP磁界の磁界を、Bsatelliteと示す。

0081

ここで図12を参照すると、図12は、本発明の実施形態に従うBreactionの方程式(5)である。方程式(5)は、上記のシミュレーションケースと同様である。大きな違いは、2つの干渉源があり、それぞれが独自のTreaction行列を有する点である。方程式(5)において、detは、検出器(上)側を指し、colは、コリメーター(下)側を指す。所与のポイントにおける各ソースからの反応磁界を、その干渉源を中心とする座標系、すなわちポイント118の1つにおいて計算する。項(xdet、ydet、zdet)、(xcol、ycol、zcol)及び(xCARTO、yCARTO、zCARTO)は、全て、同じポイントに対応している。記号



は、金属を中心とする座標とCARTO座標との間の回転行列を表す。後述の動作中、方程式(5)を適用して、更なる登録処置なしで、CARTOと蛍光透視鏡座標系との間の変換における変化の自動動的追跡を提供する。



は、金属中心の枠における行列球面調和関数展開多項式を示し、



の積は、球面調和関数係数の行列を形成する。蛍光透視鏡の姿勢が変化する度に、



更新される。

0082

場所及び向きの補正
方程式(5)は、場所(xCARTO、yCARTO、zCARTO)について推定された反応磁界を表す。この場所は、必ずしも真のセンサ場所ではない。CARTOセンサの測定値がMであると仮定する。場所及び向きのアルゴリズムを適用することにより、初期の場所及び向きであるrinit及びOinitが与えられる。方程式(5)を用いて、補正された測定値を求めることができる。

0083

方程式(6)は、蛍光透視の影響低減アルゴリズムの根本的要素である。我々は、以降、一般にLNOと呼ぶ、CARTO場所アルゴリズムを、補正された測定値のMcorrに適用することにより、補正された場所及び向きを得ることができる。

0084

ここで、測定値のrcorr及びOcorrを、方程式(6)に入れて、rinit及びOinitを置き換えて、更に正確な補正された測定値を得ることができる。反応磁界及びそれらの勾配は、概して、送信された磁界の最大数パーセントであり、r及びOの値は、ほぼ常に、4つの反復の中で、正確なセンサ場所及び向きが、まず方程式(6)に入れられた場合に到達するであろう値と同じ値に収束する。

0085

CARTOシステムの実施においては、我々は、繰り返して作業しない。新しい測定値は、16ミリ秒毎に出るため、我々は、各測定値が前の測定値の繰り返しであるかのように、センサが、実質的に変化しないと考えられる。先のLNOの計算(方程式(7))の出力を、電流場補正への入力として使用する。

0086

システム反復又は蛍光透視鏡の動きの後の、FERアルゴリズムの第1の適用は、未補正の測定値についてのLNOの計算を使用して実行する。

0087

Treactionを決定するための蛍光透視鏡の検査



は、蛍光透視鏡検査過程によって決定される。第1の工程は、蛍光透視鏡座標系とCARTO座標系との間で登録を実行することである。次に、マッパー70(図1)のようなセンサの固定アレイを患者のベッドの上に定置する。このセンサアレイは、CARTO作業量の大きな部分を占める。場は、測定され、収容した蛍光透視鏡により記録される。これにより、センサ場所と摂動されない送信された磁界の両方の基準測定値が提供される。次に、測定値の組が、手術台の高さ、SID、LAO−RAO角度、任意で頭蓋−体の後端側角度の種々の値において、蛍光透視鏡の組によって記録される。測定値の組は、蛍光透視鏡の全ての臨床的作動位置に及んでいなければならない。位置及びセンサ毎に、反応磁界が計算される。



式中、iは、センサの表示であり、jは、蛍光透視鏡の姿勢の表示であり、j=0は、蛍光透視鏡が、収納されていることを示す。



の両方について同時に、方程式(5)を解くために、実際の状況について方程式(4)の相似形を書くことにより、我々は、項を再整理した。ここで図13を参照すると、図13は、再整理を示す、本発明の実施形態に従う方程式(10)である。

0088

ここで図14を参照すると、図14は、行列を合わせて合計を除くことを示す、本発明の実施形態に従う方程式(11)である。

0089

解く前に、我々は、1つの更なる修正を行う。我々は、Breaction及びBsatelliteに対し、それぞれの場所における送信された磁界の強度の逆関数により、重み付けする。CARTO座標系において、y軸は、心臓の中心から頭部に、x軸は、心臓の中心から左腕に、z軸は、天井に向けて、方向づけられる。重み付けは、高いzにおいて、解の感度を上げるよう作用する。方程式(11)は、左側の方程式の両辺に、右辺の第1の行列の一般逆行列乗算することにより、解くことができる。一般逆行列における公差の選択が重要である。公差が小さすぎると、解の優決定の可能性がある。公差が大きすぎると、最適とは言えない解につながることになる。公差の閾値をどこに設定するかを決めるために、我々は、1×10−9の非常に小さい公差の値から始めて、これ以上増やすと、較正データに対する性能を劣化させる所まで、値を徐々に増やした。我々の現在の作動値は、1×10−6である。

0090

一旦、我々が、



との連鎖を見つけると、それらを分離して、2つの反応行列を構成することができる。

0091

上記のFERアルゴリズムが、Mathematica(登録商標)及びCにおいて、実施された。Mathematicaの実施は、較正処置において用いられる。Cの実施は、臨床システム操作において用いられる。

0092

操作
ここで図15を参照すると、図15は、本発明の実施形態に従う、磁界の摂動による磁気センサの場所追跡誤差を補正するための方法のフローチャートである。そのプロセス工程は、明確に提示するために、図15では特定の線形的順序で示される。しかし、それらのプロセス工程の多くは、並列的に、非同期的に、又は異なる順序で実行し得ることが明白であろう。

0093

本方法の較正段階は、初期工程130で始まり、そこで図1に示すように、構成要素が準備される。

0094

次に、工程132において、磁界発生器34、36、38によって発生する磁界を摂動し得る全ての物体を、領域30及びその周辺から取り除く。そのような物体は、蛍光透視鏡60を含む。マッパー70は、場所パッド26に対するその所定の位置及び向きで手術台24の上に位置付けられ、磁界発生器34、36、38は、作動する。領域30における未摂動磁界における場所パッドセンサの場所を計算するために、制御ユニット50は、磁界検出器72を操作する。

0095

制御ユニット50は、磁界検出器72からの示度を受け付け、処理する。

0096

次に、工程134において、定位置の磁界摂動要素により、磁界の再マッピングを行う。このことは、先に参照した米国特許出願公開第2012/0165656号に記載の処置を用いて、実現し得る。

0097

工程134の完了後、工程136において、特定の蛍光透視鏡コリメーター及び検出器のための反応モデルを、「適応型FERアルゴリズムの概要」という見出しのセクションにおいて前述の通り、構成する。工程136で較正段階が完結する。較正段階は、特定の手術台及び磁気追跡システムとともに用いるために、特定の蛍光透視鏡を構成するときにのみ実行する必要があり得る。一般に、システムにおける幾何学的配置の何らかの変更、例えば、蛍光透視鏡構成要素の1つの交換がなければ、患者の診察の合間に較正を繰り返す必要はない。

0098

本方法の操作段階は、工程138から始まる。磁界発生器34、36、38を作動させる。ここで図16を参照すると、図16は、本発明の実施形態に従う、カテーテルの端部を追跡するための、システム140の概略図である。カテーテルを挿入された患者142が、マッパー70ではなく、ここでは手術台24に乗っている点を除いて、システム140は、図1のシステム10と多くの構成要素を共有している。手術者144は、心臓150内の心臓カテーテル148の遠位端146を誘導する。この処置は、1つの心臓カテーテルについて説明しているが、2つ以上のカテーテルを同時に用いる場合にも等しく適用可能である。カテーテル148の遠位部における磁気センサ152が与える信号に基づき、遠位端146の位置を確認するのが、磁気追跡システムの機能である。3つの磁気センサ154を患者142の胸に取り付ける。磁気センサ154は、センサ46(図2)と同じ3軸構造を有し得る。

0099

図15に戻ると、次の工程は、実質的に、磁気センサ154が得た測定値から蛍光透視鏡の現在位置を再構成することと、反応磁界モデルから、該再構成された位置について予測された反応磁界を得ることと、磁気センサ154が測定した磁界から、該予測された反応磁界を減算して、補正された測定値を得ることと、該補正された測定値により、磁気センサ152の示度から計算された磁界を調整することと、を伴う。調整された磁界は、磁気センサ152の実際の位置を計算するのに用いられる。

0100

較正について前述した通り、工程156において、摂動磁界のそれぞれの測定値が、繰り返して得られる。

0101

図16に戻ると、手術台24に3つの胸センサを示しているが、上記説明の通り、他の数のセンサを使用してもよい。胸センサは、好都合である。反応磁界が、検出器64の位置に、より影響されやすいため、磁気センサ154は、コリメーターよりも検出器の近くに位置させなければならない。磁界発生器34、36、38は、コリメーター62と磁気センサ154との間にあるため、コリメーター62に起因し得る相互干渉は、コリメーター62の上方の磁気センサ154の高さと無関係である。

0102

あるいは、磁気センサ154を、患者142の上方、すなわち患者142と検出器64との間に位置付けてもよい。これにより、追加の据え付け設備が必要になり、より不都合になるが、検出器64によって生じる摂動に対する感度が大きくなるという利点がある。実際、磁気センサ154は、同じ水平面に存在する必要はないが、異なる平面に位置付け得る。この構成により、蛍光透視鏡60のいくつかの位置におけるコリメーター62と検出器64に対する磁気センサ154の分差感度をもたらす結果となる。

0103

図15に戻ると、工程158において、工程136で展開した、工程156で得たセンサ測定値と、理論的場所パッドと反応モデルの反応磁界との合計と、の差に基づくコスト関数。先の考察から、この差は、



として計算されることが想起されるであろう。1つの好適なコスト関数は、



である。

0104

次に、工程160において、上記のコスト関数の最適化により、蛍光透視鏡パラメータ(3つの回転角、蛍光透視鏡の回転中心のxオフセット及びyオフセット、検出器のzオフセット、及びコリメーターのzオフセット)が、得られる。

0105

次に、ステップ162において、カテーテル148(図16)から、磁気センサ示度が、得られ、磁気追跡システムによって、カテーテルチップの未補正の位置及び向きが、得られる。

0106

ステップ164において、上記の方程式(5)〜(11)を用いた補正された位置及び向きを得るために、ステップ160で求めた蛍光透視鏡パラメータを、ステップ162で得られた未補正の示度に適用する。通常、制御は、ステップ156に戻り、カテーテルのチップの場所確認を繰り返す。

0107

確認精度の概要
ここで図17を参照すると、図17は、本発明の実施形態に従う、適応型FER及び標準FER法を用いて得た場所誤差の結果を比較するデータプロット図である。Siemens、General Electric及びPhillipsのモデルという3つの異なる蛍光透視鏡が採用された。動作中、標準FERは、CARTOシステムと蛍光透視鏡コントローラとの間の通信を必要とする一方、適応型FERは必要としないため、適応型FER性能は、標準FERの性能を近似し、標準FERは、プロット図で「通信」とラベル付けされる。

0108

ここで図18を参照すると、図18は、本発明の実施形態に従う、従来及び適応型のFERを用いた場所誤差分布を比較するグラフプロット図である。

0109

当業者であれば、本発明が、以上で詳細に示し、説明したものに限定されない点を、理解するところであろう。むしろ、本発明の範囲は、以上で述べた種々の特徴の組み合わせ及び一部の組み合わせ、並びに上記の説明を読むことで当業者が想到するであろう、従来技術にはない特徴の変形及び改変をも含むものである。

0110

〔実施の態様〕
(1) 方法であって、
較正段階において、
複数の磁界発生器を用いて、領域内に磁界を発生させる工程と、
該領域内の既知の位置に、磁界摂動要素を定置する工程と、
該磁界摂動要素が、該既知の位置にある間に、それぞれの反応磁界を計算することによって、反応磁界モデルを作成する工程と、を実行する工程と、
操作段階において、
該領域内の新たな位置に、該磁界摂動要素を定置する工程と、
該磁界摂動要素と該磁界発生器との間に、磁界場所センサを配置する工程と、
プローブの遠位部を該領域内に導入する工程であって、プローブ磁界センサが、該遠位部に配置される、工程と、
該磁界発生器により、摂動磁界を再発生させる工程と、
該プローブ磁界センサから、該摂動磁界の第1の測定値を得る工程と、
該場所センサから、該摂動磁界の第2の測定値を得る工程と、
該第2の測定値から、該磁界摂動要素の該新たな位置を再構成する工程と、
該反応磁界モデルから、該再構成された新たな位置について予測された反応磁界を得る工程と、
該第2の測定値から、該予測された反応磁界を減算することによって、補正された測定値を得る工程と、
該補正された測定値により、該第1の測定値を調整する工程と、
該調整された第1の測定値を用いて、該プローブ磁界センサの位置を計算する工程と、を実行する工程と、を含む、方法。
(2) 補正された測定値を得る工程が、
前記第2の測定値と前記予測された反応磁界との差に基づいて、コスト関数を定義することと、
前記第2の測定値において得られた前記摂動磁界のパラメータの最適値を求めることによって、該コスト関数を最小化することと、
該パラメータの該最適値を有する最適化された反応磁界を定義することと、を含む、実施態様1に記載の方法。
(3) 前記パラメータが、前記場所センサの3つの場所パラメータと、3つの向きパラメータと、を含む、実施態様2に記載の方法。
(4) 前記場所センサが、3つの場所センサの群を含み、該3つの場所センサから第2の測定値を得る工程が、25個の出力パラメータを決定することを含み、最適化された反応磁界を定義することが、該25個の出力パラメータを変更することを含む、実施態様3に記載の方法。
(5) 前記第1の測定値を調整する工程が、前記第1の測定値から、前記最適化された反応磁界を減算することを含む、実施態様2に記載の方法。

0111

(6) 前記第1の測定値を調整する工程が、
前記第1の測定値を、前記磁界摂動要素と前記場所センサの場所との間の空間転送行列として特徴づけることと、
前記最適化された反応磁界を、反応磁界行列として特徴づけることと、
該空間転送行列と該反応磁界行列との積を計算することと、を更に含む、実施態様2に記載の方法。
(7) 前記摂動要素が、蛍光透視鏡検出器と、蛍光透視鏡コリメーターと、を含み、前記最適化された反応磁界を、反応磁界行列として特徴づけることが、該蛍光透視鏡検出器の複数の衛星ポイントにおける推定された磁界値の第1の行列と、該蛍光透視鏡コリメーターの複数の第2の衛星ポイントにおける推定された磁界値の第2の行列との積として、該反応磁界行列を計算することを含む、実施態様6に記載の方法。
(8) 前記第1の行列に、値が前記蛍光透視鏡検出器の反応磁界モデルを特徴づける定数の第1の行列を乗じ、前記第2の行列に、値が前記蛍光透視鏡コリメーターの反応モデルを特徴づける定数の第2の行列を乗じ、第1の行列積及び第2の行列積をそれぞれ定義する、実施態様7に記載の方法。
(9) 前記第1の行列積及び前記第2の行列積が、多極係数を含む、実施態様8に記載の方法。
(10)補正された測定値を得る工程が、前記新たな位置を再構成する前記工程、及び予測された反応磁界を得る前記工程を先行して実行することで得た、該予測された反応磁界のインスタンスを用いて行われる、実施態様1に記載の方法。

0112

(11)反応磁界モデルを作成する工程が、
前記磁界摂動要素内の磁気送信機の複数の画像を特徴づけることと、
該特徴づけられた画像に基づいて、前記領域内の前記反応磁界を計算することと、を含む、実施態様1に記載の方法。
(12) 前記反応磁界を計算することが、球面調和関数展開を用いて実行される、実施態様11に記載の方法。
(13) 反応磁界モデルを作成する工程が、該反応磁界モデルのそれぞれの反応磁界を、6つの自由度を有する前記磁界摂動要素の場所及び向きのパラメータを含むとして特徴づけることを含む、実施態様1に記載の方法。
(14) 装置であって、
領域内に磁界を発生させるための複数の磁界発生器と、
該領域内に導入された磁界摂動要素と、
該磁界摂動要素と該磁界発生器との間に配置された磁界場所センサと、
プロセッサであって、
該磁界摂動要素が、既知の位置にある間に、それぞれの反応磁界を計算することによって、反応磁界モデルを作成する工程と、
該磁界摂動要素が、該領域内の新たな位置に定置されるとき、かつプローブ磁界センサを有するプローブの遠位部が、該領域内に導入されるとき、
該プローブ磁界センサから該磁界発生器によって生じた摂動磁界の第1の測定値を得る追加の工程と、
該場所センサから、該摂動磁界の第2の測定値を得る追加の工程と、
該第2の測定値から、該磁界摂動要素の該新たな位置を再構成する追加の工程と、
該反応磁界モデルから、該再構成された新たな位置について予測された反応磁界を得る追加の工程と、
該第2の測定値から、該予測された反応磁界を減算することによって、補正された測定値を得る追加の工程と、
該補正された測定値により、該第1の測定値を調整する追加の工程と、
該調整された第1の測定値を用いて、該プローブ磁界センサの位置を計算する追加の工程と、を実行する工程と、を実行するよう構成されている、プロセッサと、を含む、装置。
(15) 前記プロセッサが、
前記第2の測定値と前記予測された反応磁界との差に基づいて、コスト関数を定義することと、
前記第2の測定値において得られた前記摂動磁界のパラメータの最適値を求めることによって、該コスト関数を最小化することと、
該パラメータの該最適値を有する最適化された反応磁界を定義することと、
によって、補正された測定値を得るために動作する、実施態様14に記載の装置。

0113

(16) 前記パラメータが、前記場所センサの、3つの場所パラメータと、3つの向きパラメータと、を含む、実施態様15に記載の装置。
(17) 前記場所センサが、3つの場所センサの組立体を含み、該3つの場所センサから第2の測定値を得る工程が、25個の出力パラメータを決定することを含み、最適化された反応磁界を定義することが、該25個の出力パラメータを変更することを含む、実施態様16に記載の装置。
(18) 前記第1の測定値を調整する工程が、前記第1の測定値から、前記最適化された反応磁界を減算することを含む、実施態様15に記載の装置。
(19) 前記第1の測定値を調整する工程が、
前記第1の測定値を、前記磁界摂動要素と前記場所センサの場所との間の空間転送行列として特徴づけることと、
前記最適化された反応磁界を、反応磁界行列として特徴づけることと、
該空間転送行列と該反応磁界行列との積を計算することと、を含む、実施態様15に記載の装置。
(20) 前記摂動要素が、蛍光透視鏡検出器と、蛍光透視鏡コリメーターと、を含み、前記最適化された反応磁界を、反応磁界行列として特徴づけることが、該蛍光透視鏡検出器の複数の衛星ポイントにおける推定された磁界値の第1の行列と、該蛍光透視鏡コリメーターの複数の第2の衛星ポイントにおける推定された磁界値の第2の行列との積として、該反応磁界行列を計算することを含む、実施態様19に記載の装置。

0114

(21) 前記第1の行列に、値が前記蛍光透視鏡検出器の反応磁界モデルを特徴づける定数の第1の行列を乗じ、前記第2の行列に、値が前記蛍光透視鏡コリメーターの反応モデルを特徴づける定数の第2の行列を乗じ、第1の行列積及び第2の行列積をそれぞれ定義する、実施態様20に記載の装置。
(22) 前記プロセッサが、前記新たな位置を再構成する前記工程、及び予測された反応磁界を得る前記工程を先行して実行することで得た、該予測された反応磁界のインスタンスを用いて、補正された測定値を得るために動作する、実施態様14に記載の装置。
(23) 反応磁界モデルを作成する工程が、
前記磁界摂動要素内の磁気送信機の複数の画像を特徴づけることと、
該特徴づけられた画像に基づいて、前記領域内の前記反応磁界を計算することと、を含む、実施態様14に記載の装置。
(24) 前記反応磁界を計算することが、球面調和関数展開を用いて実行される、実施態様23に記載の装置。
(25) 反応磁界モデルを作成する工程が、該反応磁界モデルのそれぞれの反応磁界を、6つの自由度を有する前記磁界摂動要素の場所及び向きのパラメータを含むとして特徴づけることを含む、実施態様14に記載の装置。

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