CN104066403A - 手术支援装置 - Google Patents

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川崎友宽
五十岚匠真
藤原惠梦
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Toshiba Corp
Toshiba Medical Systems Corp
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Abstract

实施方式的手术支援装置的特征在于，具备：骨目标提取部，生成从对患部进行摄像而得到的三维图像将第1、第2骨目标分别分离、提取出的三维目标图像，其中所述患部包括关节和通过所述关节而可动的第1骨部及第2骨部；目标对位部，提取在手术中对所述患部进行摄影的X射线图像中的所述第1、第2骨部来生成手术中X射线骨部提取图像，另一方面，以使所述第1骨目标和所述第2骨目标与所述手术中X射线骨部提取图像的所述第1骨部和所述第2骨部分别符合的方式，使所述三维目标图像对位来生成参照图像；以及显示部，显示所述X射线图像和所述参照图像。

Description

手术支援装置
技术领域
本发明的实施方式涉及手术支援装置。
背景技术
作为变形性股关节症、风湿病等股关节的疾病的治疗法，已知将由于骨头坏死等而损伤了的损伤面去掉而置换为人工股关节的人工股关节形成术。在人工股关节形成术中，通常，在将股骨头切除之后，将被称为主干(stem)、大腿骨头、衬板、髋臼杯的4个植入部件埋入到患者的股关节部中。
股关节的状态针对每个患者而不同，所以根据患者适当地选择植入部件，根据患者决定植入部件的插入位置变得重要。因此，在手术之前，使用该患者的CT图像，三维地将最佳的植入部件的尺寸、植入部件的插入位置创建为手术计划(例如参照专利文献1等)。
另外，经常在手术中，用X射线摄影装置对患者进行摄像，一边观察所得到的X射线摄影图像，一边在随时确认植入部件的插入位置的同时进行手术。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2006-263241号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
关于在手术计划中使用的CT图像，通常在使患者成为仰卧位(仰面朝天)的状态下摄影，在患者的膝、大腿部也笔直地伸展了的状态下摄像。另一方面，股关节置换手术在使患者成为侧卧位的状态下进行，所以膝、大腿成为弯曲了的状态。因此，在手术中摄像的X射线摄影图像和事先摄影了的CT图像中，成为手术对象的关节的弯曲程度不同。因此，即使在手术中比较两个图像，也难以得知两个图像中的关节、植入部件的对应关系。
另外，由于手术中的患者是侧卧位，所以手术人员的医生观察患者的视线方向、和手术计划中的CT图像的摄像方向不同。因此，即使想要参照CT图像来确认手术中的植入部件的插入状态是否与手术计划时的期待的状态符合，仍难以得知对应关系。
另一方面，近年来，根据减少向患者的负担等观点，经常进行从非常窄的切开区域(例如10cm以下的切开区域)侵入来进行手术的、最小侵袭手术(MIS：Minimum Invasive Surgery，微创手术)。在这种最小侵袭手术中，切开范围窄，所以在手术中难以得知内部的大腿骨和植入部件的位置关系，难以得知是否在正确的位置、以正确的角度插入了植入部件。另外，还有由于切开范围窄，而难以掌握在手术中不得损伤的血管、神经的遍布状态这样的问题。
因此，期望如下的手术支援装置：该手术支援装置使得易于对比手术计划阶段的植入部件的插入状态、和在手术中得到的X射线摄影图像中的植入部件的插入状态，另一方面，易于对比手术人员从窄的切开范围观察的手术中的植入部件的插入状态及其周围的状态、和手术计划阶段中的植入部件的插入状态及其周围状态。
解决技术问题的技术方案
实施方式的手术支援装置，支援将患者的关节用人工关节置换的手术，其特征在于，具备：骨目标提取部，生成从对患部进行摄像而得到的三维图像将第1骨目标和第2骨目标分别分离、提取出的三维目标图像，其中所述患部包括所述关节和通过所述关节而可动的第1骨部及第2骨部，所述第1骨目标与所述第1骨部对应，所述第2骨目标与所述第2骨部对应；目标对位部，在所述患者的手术中输入对所述患部进行摄影的X射线图像，提取输入的所述X射线图像中的所述第1骨部和所述第2骨部来生成手术中X射线骨部提取图像，另一方面，以使所述第1骨目标和所述第2骨目标与所述手术中X射线骨部提取图像的所述第1骨部和所述第2骨部分别符合的方式，使所述三维目标图像对位来生成参照图像；以及显示部，显示所述X射线图像和所述参照图像。
附图说明
图1是示出第1实施方式的手术支援装置的结构例的图。
图2是说明从三维图像数据将骨目标分离、提取的处理的概念的图。
图3是说明手术中X射线轮廓图像的概念的图。
图4是示出使CT目标3D图像(部件插入前)和手术中X射线轮廓图像(部件插入前)对位的处理的概念的图。
图5是示出使CT目标3D图像(部件插入后)和手术中X射线轮廓图像(部件插入后)对位的处理的概念的图。
图6是示出在显示部中显示的图像的其它例子的第1图。
图7是示出在显示部中显示的图像的其它例子的第2图。
图8是示出第2实施方式的手术支援装置的结构例的图。
图9是示出第2实施方式中的、将CT目标3D图像显示为从手术人员的视线方向观察的图像的例子的图。
图10是说明在第3实施方式中，从三维图像数据将骨目标和血管/神经目标分离、提取的处理的概念的图。
图11是示出使带血管/神经目标的CT目标3D图像(部件插入前)和手术中X射线轮廓图像(部件插入前)对位的处理的概念的图。
图12是示出使带血管/神经目标的CT目标3D图像(部件插入后)和手术中X射线轮廓图像(部件插入后)对位的处理的概念的图。
图13是示出将带血管/神经目标的CT目标3D图像显示为从手术人员的视线方向观察的图像的例子的图。
图14是说明将实施方式的手术支援装置应用于人工膝关节置换手术的例子的第1图。
图15是说明将实施方式的手术支援装置应用于人工膝关节置换手术的例子的第2图。
符号说明
1：手术支援装置；10：三维数据保存部；12：骨目标提取部；14：多边形部件插入部；20：X射线图像保存部；30：目标对位部；32：目标旋转部；38：符合判定部；40：图像合成部；50：显示部；60：图像旋转部
具体实施方式
以下，根据附图，说明本发明的实施方式。
实施方式的手术支援装置1是支援将股关节、膝关节等关节用人工关节置换的手术的装置。以下，为了以人工股关节置换手术为例子说明手术支援装置1，对人工股关节置换手术简单地进行说明。
人工股关节置换手术是在变形股关节症、风湿病等股关节的疾病恶化了的情况下，将由于骨头坏死等而损伤了的股关节的损伤面去掉，而置换为人工股关节的手术。人工股关节通常由被称为主干、股骨头、衬板、髋臼杯的4个植入部件构成(参照图2的右下的图)。在人工股关节置换手术中，以使作为手术的对象的股关节位于上侧的方式使患者以侧卧位的状态睡下，在该状态下，大致按照以下的步骤进行。
(1)为了使作为患部的股关节露出，将皮肤等切开。(2)去除股骨头(大腿骨的股关节侧的头部)。(3)处理髋臼(骨盆侧关节部的凹部)。(4)在处理了的骨盆侧关节部的凹部中插入作为植入部件的髋臼杯，进而从其上压入衬垫。(5)处理大腿骨髓腔。(6)在处理了的大腿骨髓腔中插入作为植入部件的主干。(7)在主干的头部安装股骨头。(8)使股骨头经由衬垫嵌合到髋臼杯，之后闭合伤口。
在上述手术中，用X射线装置对患部进行摄像，手术人员(医生)通过利用该X射线摄像得到的手术中X射线图像，随时确认手术中的植入部件(以下简称为部件)的插入位置。
另一方面，如上所述，在术前计划中，使用事先用CT装置对患者的患部进行摄像而得到的CT三维图像。进而，还进行从CT三维图像将骨盆、大腿骨的骨部作为骨目标提取，针对提取了的骨目标，插入用3D多边形等对主干等部件进行模型化而得到的部件目标，将适合的部件的选择、部件的适合的插入位置作为术前计划而事先进行决定。
但是，在手术中的X射线摄像中，通常是对侧卧位的状态的患者进行摄像，所以手术中X射线图像成为股关节弯曲了的状态的图像。相对于此，在术前计划中使用的CT三维图像通常是对仰卧位的状态的患者进行摄像而得到的图像，所以是股关节、膝伸展了的状态的图像。因此，即使想要在手术中对比手术中X射线图像、和在术前计划中得到了的CT三维图像，也由于关节的弯曲程度在两者中不同，所以无法充分地利用在术前计划中得到了的CT三维图像。
另外，手术人员由于从上方向观察侧卧位的患者，所以手术人员的视线方向、和在术前计划中得到了的CT三维图像的显示方向未必一致，根据该观点也无法充分地利用在术前计划中得到了的CT三维图像。
进而，在近年来广泛进行的最小侵袭手术的情况下，还存在由于切开范围窄，所以难以掌握在手术中不得损伤的血管、神经的遍布状态这样的问题。实施方式的手术支援装置1解决上述问题。
(1)第1实施方式
图1是示出第1实施方式的手术支援装置1的结构例的图。
实施方式的手术支援装置1构成为具备三维数据保存部10、骨目标提取部12、多边形部件插入部14、X射线图像保存部20、目标对位部30、图像合成部40、和显示部50等。另外，目标对位部30具有目标旋转部32、目标轮廓投影图像生成部34、X射线图像骨部轮廓提取部36、X射线图像对位基准点确定部37、和符合判定部38等作为其内部结构。
图1所示的手术支援装置1能够将例如通用的计算机装置用作基本硬件。另外，除了上述显示部34以外的各构成部能够通过使在计算机装置中搭载的处理器执行程序来实现。在该情况下，程序既可以预先保存于计算机装置内的适宜的存储装置中，也可以预先记录到磁盘、光磁盘、光盘、半导体存储器等可移动记录介质中，适宜地安装到上述计算机装置。或者，也可以经由与计算机装置连接的网络，将程序安装到计算机装置中。另外，还能够通过逻辑电路、ASIC等硬件实现上述各构成部的部分或者全部。或者，能够组合硬件和软件来实现上述各构成部。
在图1的三维数据保存部10中，保存有在手术之前用CT装置200摄像所得的三维图像数据。在该三维图像数据的摄像区域中，包括成为手术的对象的关节、骨盆(第1骨部)、大腿骨(第2骨部)。以下，设为三维图像数据是用CT装置200摄像所得的数据而进行说明，但也可以是用CT装置200以外的摄像装置、例如MRI装置摄像所得的三维图像数据。
骨目标提取部12从在三维数据保存部10中保存的三维图像数据，提取与骨盆、右大腿骨、左大腿骨对应的三维目标数据(以下称为骨目标)。
具体而言，例如将1000HU以上的区域作为骨的整体区域，首先提取CT值。然后，针对提取的骨的整体区域，将公知的膨胀处理(Dilate)和缩小处理(Erode)这样的图像处理实施几个体素量，从而将与骨盆和左右的大腿骨分别对应的骨目标(骨盆目标、和左右的大腿骨目标)分离、提取。
图2(a)以及(b)是说明从三维图像数据将骨目标分离、提取的处理的概念的图。如图2(a)所示，CT装置200通常以仰卧位的状态对患者进行摄像，取得三维图像数据。因此，在从该三维图像数据将骨目标分离、提取所得的图像(以下将该图像称为“CT目标3D图像(部件插入前)”)中，如图2(b)所示，成为股关节伸展并且左右的大腿骨也大致平行的状态的图像。
多边形部件插入部14如图2(c)所示，在与作为手术对象部位的股关节对应的CT目标3D图像的部位，插入作为图像数据的植入部件400。如上所述，股关节置换手术中的植入部件400如图2(c)所示，由被称为髋臼杯402、衬垫404、股骨头406、主干408的4个部件构成。多边形部件插入部14预先保有将这些植入部件400的三维形状用3D多边形等进行模型化而得到的部件目标的数据。然后，多边形部件插入部14将这些部件目标配置于CT目标3D图像内的期望的位置，从而生成部件插入后的CT目标3D图像。另外，将部件目标“配置”于CT目标3D图像内、和将部件目标“插入”CT目标3D图像，是以相同的意思使用的。
能够使用在专利文献1等中公开的公知技术，来决定部件目标的尺寸、配置位置。或者，也可以通过使用鼠标等的手动操作，进行部件目标的尺寸的调整、针对CT目标3D图像的对位。
在配置部件目标时，也可以以使骨盆的髋臼部和大腿骨骨头部的状态成为与髋臼杯402和主干408的尺寸符合地切削而得的手术后的状态的方式，预先加工CT目标3D图像，之后配置部件目标。另外，在本来存在左右的大腿骨的脚长差的情况下，也可以与部件目标的插入一并地，使成为手术对象的一方的大腿骨的位置(与骨盆的相对位置)错开而对位。
在部件目标的插入前的大腿骨目标中，股骨头的中心是股关节的旋转中心。另一方面，在部件目标插入后，插入的部件目标中的、股骨头406的中心成为股关节的旋转中心。多边形部件插入部14求出这些旋转中心的三维坐标位置，保持为后述与手术中X射线图像的对位中使用的基准点(以下分别称为CT图像基准点(部件插入前)、以及CT图像基准点(部件插入后))。
另外，对位了的部件目标中的、与主干408和股骨头406对应的部件目标是固定于大腿骨目标的目标，与髋臼杯402和衬垫404对应的部件目标是固定于骨盆目标的目标。将插入了部件目标的CT目标3D图像称为“CT目标3D图像(部件插入后)”。CT目标3D图像(部件插入前)、以及CT目标3D图像(部件插入后)都是在手术之前的术前计划的阶段中制作的。
在手术中，在适宜的定时，通过X射线装置300，对包括患者的骨盆以及大腿骨的区域摄像。在手术中用X射线装置300摄像的图像、即手术中X射线图像是二维的图像，该手术中X射线图像保存到图2所示的X射线图像保存部20中。手术中的X射线摄像进行多次，在插入植入部件之前也摄像、或者在插入植入部件之后也摄像。
图1的目标对位部30进行在术前计划中制作的CT目标3D图像(部件插入前)中的骨目标、和手术中X射线图像中映现的骨部的对位。或者，进行CT目标3D图像(部件插入后)中的骨目标以及部件目标、和手术中X射线图像中的骨部以及植入部件的对位。
目标对位部30的X射线图像骨部轮廓提取部36提取手术中X射线图像中映现的骨部(骨盆以及左右的大腿骨)、植入部件的轮廓，生成二维的手术中X射线轮廓图像。
图3是说明手术中X射线轮廓图像的概念的图。如上所述，如图3(a)所示，使患者成为侧卧位的状态，进行股关节置换手术。因此，作为手术的对象的一侧的大腿骨成为以股关节为中心向下方旋转了的状态。
另一方面，从侧卧位的状态的患者的腹侧、或者从背侧，进行手术中的X射线摄像。因此，如图3(b)、(c)所示，在手术中X射线轮廓图像中，作为手术的对象的一侧的大腿骨也成为以股关节为中心而向下方旋转了的状态。另外，图3(b)例示插入植入部件之前的手术中X射线轮廓图像(以下称为“手术中X射线轮廓图像(部件插入前)”)，图3(c)例示植入部件插入后的手术中X射线轮廓图像(以下称为“手术中X射线轮廓图像(部件插入后)”)。
图4是示出使CT目标3D图像(部件插入前)和手术中X射线轮廓图像(部件插入前)对位的处理的概念的图。同样地，图5是示出使CT目标3D图像(部件插入后)和手术中X射线轮廓图像(部件插入后)对位的处理的概念的图。
目标对位部30的X射线图像基准点确定部38在使CT目标3D图像(部件插入前)和手术中X射线轮廓图像(部件插入前)对位的情况下，根据在手术中X射线轮廓图像(部件插入前)(图4(a))中提取的大腿骨的轮廓形状，检测与股骨头的中心相当的位置，设为“X射线图像基准点(部件插入前)”(图4(b)中的黑圈)。另一方面，在使CT目标3D图像(部件插入后)和手术中X射线轮廓图像(部件插入后)对位的情况下，根据轮廓形状和位置关系，检测在手术中X射线轮廓图像(部件插入后)(图5(a))中提取的与植入部件的股骨头的中心相当的位置，设为“X射线图像基准点(部件插入后)”(图5(b)中的黑圈)。
另一方面，如上所述，在CT目标3D图像(部件插入前)中，也分别求出CT图像基准点(部件插入前)(图4(c)中的黑圈)、以及CT图像基准点(部件插入后)(图5(c)中的黑圈)。
因此，目标对位部30的目标旋转部32针对CT目标3D图像(部件插入前)，以CT图像基准点(部件插入前)为中心，使大腿骨目标在最初的阶段中旋转任意的角度θ(图4(d))。同样地，针对CT目标3D图像(部件插入后)，以CT图像基准点(部件插入后)为中心，使大腿骨目标、和固定于其上的部件目标(主干和股骨头)旋转任意的角度θ(图5(d))。
接下来，目标轮廓投影图像生成部34生成将旋转了任意角度θ的CT目标3D图像(部件插入前)、或者CT目标3D图像(部件插入后)以与手术中X射线图像相同的视线方向、相同的视角进行透视投影而得到的图像(以下称为CT目标2D图像(部件插入前)、或者、CT目标2D图像(部件插入后))。
接下来，符合判定部38在植入部件的插入前，以使CT目标2D图像(部件插入前)的CT图像基准点(部件插入前)、和X射线图像基准点(部件插入前)一致、并且使CT目标2D图像(部件插入前)的骨盆目标的轮廓和手术中X射线轮廓图像(部件插入前)中的骨盆的轮廓一致的方式，使CT目标2D图像(部件插入前)对位于手术中X射线轮廓图像(部件插入前)。
同样地，在植入部件的插入后，以使CT目标2D图像(部件插入后)的CT图像基准点(部件插入后)、和X射线图像基准点(部件插入后)一致、并且使CT目标2D图像(部件插入后)的骨盆目标的轮廓和手术中X射线轮廓图像(部件插入后)中的骨盆的轮廓一致的方式，使CT目标2D图像(部件插入后)对位于手术中X射线轮廓图像(部件插入后)。
接下来，符合判定部38计算两个二维图像的轮廓信息的互信息量。即，在植入部件的插入前，计算CT目标2D图像(部件插入前)和手术中X射线轮廓图像(部件插入前)的轮廓信息的互信息量，在植入部件的插入后，计算CT目标2D图像(部件插入后)和手术中X射线轮廓图像(部件插入后)的轮廓信息的互信息量。
此处，互信息量是指，表示两个图像相关何种程度的定量的指标。互信息量的计算能够使用例如文献“WR Crum，DLG Hill，DJHawkes(2003)Information theoretic similarity measures innon-rigid registration.IPMI-2003，pp.378-387”中记载的方法。
之后，符合判定部38判定计算的互信息量是否收敛为充分高的值。
符合判定部38在判定为未充分收敛的情况下，返回到目标旋转部32的处理。目标旋转部32使大腿骨目标(或者大腿骨目标和固定于其上的主干以及股骨头的部件目标)再旋转任意的角度θ，再次通过目标轮廓投影图像生成部34生成CT目标2D图像(部件插入前)、或者CT目标2D图像(部件插入后)。然后，符合判定部38再次进行使用互信息量的符合判定。
这样，在目标旋转部32、目标轮廓投影图像生成部34、以及符合判定部38中，将骨盆和大腿骨的旋转角度作为参数，通过使用互信息量的逐次近似法，进行CT目标3D图像和手术中X射线轮廓图像的对位。通过使骨盆和大腿骨的旋转角度向使互信息量变高的方向变化，能够使逐次近似处理收敛。
在上述说明中，将两个图像的轮廓信息作为对位的对象，但也可以提取两个图像的骨盆、大腿骨的区域(在部件插入后再植入部件的区域)，将目标的区域信息作为对位的对象。另外，也可以将两个图像的像素值信息作为对位的对象。在该情况下，也可以将上述“手术中X射线轮廓图像”这样的用语置换为“手术中X射线骨部提取图像”。
如果在符合判定部38中判定为充分地收敛，则判定为CT目标3D图像中的骨盆和大腿骨的角度与手术中X射线轮廓图像中的骨盆和大腿骨的角度充分地符合，此时，目标旋转部32将该CT目标3D图像(对位了的CT目标3D图像)输出到图像合成部40。
图像合成部40将通过表面多边形绘制等方法而绘制的图像作为参照图像，生成对位了的CT目标3D图像。然后，在部件插入前，如图4(e)所示，使CT目标3D图像(部件插入前)的绘制图像(参照图像)、和手术中X射线图像(部件插入前)排列显示，或者使参照图像和手术中X射线图像(部件插入前)重叠，输出到显示部50。另外，同样地，在部件插入后，如图5(e)所示，使CT目标3D图像(部件插入后)的绘制图像(参照图像)、和手术中X射线图像(部件插入后)纵列显示，或者使参照图像和手术中X射线图像(部件插入前)重叠，输出到显示部50。显示部50将这些图像显示于显示器画面中。
手术中X射线图像(部件插入后)是对实际插入的植入部件的位置、或者实际正在插入的植入部件进行摄像而得到的图像，相对于此，CT目标3D图像(部件插入后)是表示在术前计划中决定的植入部件的位置的图像。因此，手术人员通过对比两个图像，能够容易地判断植入部件是否被插入到计划的位置。
显示用的图像的种类不限于上述例子，而是可以采取各种方式。例如，如图6(a)所示，在部件插入前，除了CT目标3D图像(部件插入前)的绘制图像和手术中X射线图像(部件插入前)的并列显示以外，还可以显示CT目标3D图像(部件插入后)的绘制图像。或者，如图6(b)所示，在部件插入后，除了CT目标3D图像(部件插入后)的绘制图像和手术中X射线图像(部件插入后)的并列显示以外，还可以显示CT目标3D图像(部件插入前)的绘制图像。
进而，如图7所示，在部件插入后，除了CT目标3D图像(部件插入后)的绘制图像和手术中X射线图像(部件插入后)的并列显示以外，还可以显示两个图像的差分图像。在差分图像中，更直接地显示实际插入的植入部件的位置或者正在插入的植入部件的位置、与在术前计划中决定的植入部件的位置的差分。因此，手术人员能够在手术中一边观察差分的大小，一边立即判断植入部件是否插入到按照计划的位置。
另外，也可以设置从两个方向以上对在手术中摄影的X射线图像进行摄像，而能够更加正确地检测插入到大腿骨的植入部件的插入的深度的单元，并且能够更加正确地对比在术前计划中制作的CT目标3D图像(部件插入后)中的部件目标的插入深度、和从手术中X射线图像检测出的植入部件的深度。
(2)第2实施方式
图8是示出第2实施方式的手术支援装置1的结构例的图。第2实施方式的手术支援装置1成为具有使对位了的CT目标3D图像旋转为从手术人员的视线方向观察了的角度而显示的图像旋转部60的结构。
图9是示出图像旋转部60的动作概念的图。如上所述，使患者成为侧卧位的状态而进行股关节置换手术，手术人员通常一边从患者的上方观察成为手术对象的股关节部、大腿骨，一边实施手术。因此，第2实施方式的手术支援装置1的图像旋转部60使通过目标对位部30对位了的CT目标3D图像旋转，使它们的朝向与手术人员的视线方向符合。例如，以使画面的上方向成为患者正面方向(Anterior)、使画面下方向成为患者背面方向(Posterior)、使画面的正面侧成为作为手术对象的大腿骨的方式，使对位了的CT目标3D图像(部件插入前)或者CT目标3D图像(部件插入后)旋转，生成从画面正面方向绘制的图像。然后，使该绘制图像作为参照图像而显示于显示部50中。
根据第2实施方式的手术支援装置1，以使在术前计划中生成的CT目标3D图像中的股关节部与手术中的患者的股关节部的弯曲状态符合的方式对位，进而，将该对位了的CT目标3D图像作为从手术人员的视线方向观察的绘制图像而显示于显示部50中。因此，能够提供对于手术人员更有用的支援图像。
另外，也可以使在第1实施方式中生成的与手术中X射线图像相同的朝向的CT目标3D图像的绘制图像、和在第2实施方式中生成的从手术人员的视线方向观察的CT目标3D图像的绘制图像在显示部50中排列而同时显示，也可以切换地显示。
(3)第3实施方式
在上述第1、第2实施方式中，骨目标提取部12从在三维数据保存部10中保存的三维图像数据，提取与骨盆、右大腿骨、左大腿骨对应的三维目标数据、即骨目标。相对于此，在第3实施方式中，如图10(a)所示，除了骨目标以外，将处于手术对象部位的附近的血管、神经也与骨目标同样地提取为目标(以下将与血管、神经对应的目标称为血管/神经目标)。即，CT目标3D图像(部件插入前)成为由骨目标和血管/神经目标构成的三维图像。
然后，多边形部件插入部14如图10(b)所示，针对由骨目标和血管/神经目标构成的三维图像，插入植入部件的部件目标。
这样，在第3实施方式中，生成包括血管/神经目标的、CT目标3D图像(部件插入前)以及CT目标3D图像(部件插入后)。
由目标对位部30进行的处理与第1、第2实施方式相同，CT目标3D图像(部件插入前)以及CT目标3D图像(部件插入后)中的、骨盆目标和大腿骨目标的角度θ被决定为与手术中X射线图像中的骨盆和大腿骨的角度符合。
在使大腿骨目标以CT图像基准点为中心而旋转时，使血管/神经目标在保持了骨盆目标和大腿骨目标的位置关系的状态下变形、移动、旋转。另外，关于变形，使处于骨盆侧的血管(或者神经)、和处于大腿骨侧的血管(或者神经)根据骨盆与大腿骨之间的旋转角度而弯曲。
图11以及图12是说明使用手术中X射线图像，使带血管/神经目标的CT目标3D图像(部件插入前)和CT目标3D图像(部件插入后)分别对位的概念的图。在第3实施方式中，将带血管/神经目标的CT目标3D图像(部件插入前)和CT目标3D图像(部件插入后)的绘制图像作为参照图像而显示于显示部50中。另外，实质的处理的内容与图4以及图5大致相同，所以省略细节的说明。
另外，也可以如图13所示，组合第3实施方式和第2实施方式。即，使对位了的带血管/神经目标的CT目标3D图像旋转，将从手术人员的视线方向观察了的绘制图像作为参照图像而显示于显示部50中。
如上所述，近年来，根据减少对于患者的负担等观点，经常进行从非常窄的切开区域侵入来进行手术的、最小侵袭手术(MIS：Minimum Invasive Surgery，微创手术)。在这种最小侵袭手术中，存在如下问题：由于切开范围窄，所以在手术中难以得知内部的大腿骨和植入部件的位置关系，难以得知是否在正确的位置、以正确的角度插入植入部件，由于切开范围窄而在手术中难以掌握不得损伤的血管、神经的遍布状态。
在上述各实施方式中，能够使得易于对比手术计划阶段的植入部件的插入状态、和在手术中得到的X射线摄影图像中的植入部件的插入状态。另外，能够使得容易地对比手术人员从窄的切开范围观察的手术中的植入部件的插入状态、处于其周围的血管、神经。另外，关于处于难以从手术人员观察的位置的血管、神经的存在和位置，通过参照带血管/神经目标的CT目标3D图像也变得易于掌握。
在此前的说明中，以股关节置换手术为例子说明了手术支援装置1的各实施方式，但手术支援装置1当然也能够应用于股关节置换手术以外的关节置换手术。图14以及图15是说明将手术支援装置1应用于人工膝(膝盖)关节置换手术的例子的图。
在人工膝关节置换手术中，也如图14(a)所示，与股关节置换手术同样地，生成从对成为对象的膝关节以及夹着它的大腿骨(第1骨部)和胫骨(第2骨部)进行摄像而得到的三维CT图像，提取的各骨目标的CT目标3D图像(部件插入前)。然后，以与在手术中(植入部件插入前)摄影的手术中X射线图像(图14(b))中映出的膝部的弯曲符合的方式，CT目标3D图像(部件插入前)被对位(图14(c))。另外，针对CT目标3D图像(部件插入前)插入了部件目标的CT目标3D图像(部件插入后)被生成为术前计划(图14(d))，同样地，以与在手术中(植入部件插入后)摄影的手术中X射线图像(图14(e))中映出的膝部的弯曲符合的方式，CT目标3D图像(部件插入后)被对位(图14(f))。然后，将对位了的CT目标3D图像的绘制图像(参照图像)与手术中X射线图像排列或者重叠地显示于显示部50。
另外，也可以如如图15(a)、(c)所示，除了大腿骨、胫骨的骨目标以外，将处于膝关节的周围的血管、神经也作为血管/神经目标提取，生成带血管/神经目标的CT目标3D图像(部件插入前)、CT目标3D图像(部件插入后)，在与手术中X射线图像对位之后，作为参照图像而显示于显示部50。
进而，也可以如图15(b)、(d)所示，使对位了的带血管/神经目标的CT目标3D图像(部件插入前)、CT目标3D图像(部件插入后)旋转至从手术人员的视线方向观察的方向而绘制，将这些绘制图像作为参照图像而显示于显示部50。
虽然说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式仅作为例示而提出，而不意在限定发明的范围。这些实施方式能够通过其它各种方式实施，能够在不脱离发明的要旨的范围内，进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围、要旨内，同样地包含于权利要求书中记载的发明及其等同范围内。

Claims (14)

1.一种手术支援装置，支援将患者的关节用人工关节置换的手术，其特征在于，具备：
骨目标提取部，生成从对患部进行摄像而得到的三维图像将第1骨目标和第2骨目标分别分离、提取出的三维目标图像，其中所述患部包括所述关节和通过所述关节而可动的第1骨部及第2骨部，所述第1骨目标与所述第1骨部对应，所述第2骨目标与所述第2骨部对应；
目标对位部，在所述患者的手术中输入对所述患部进行摄影的X射线图像，提取输入的所述X射线图像中的所述第1骨部和所述第2骨部来生成手术中X射线骨部提取图像，另一方面，以使所述第1骨目标和所述第2骨目标与所述手术中X射线骨部提取图像的所述第1骨部和所述第2骨部分别符合的方式，使所述三维目标图像对位来生成参照图像；以及
显示部，显示所述X射线图像和所述参照图像。
2.根据权利要求1所述的手术支援装置，其特征在于，
所述目标对位部根据从所述X射线图像提取的所述第1骨部和所述第2骨部，求出所述手术中X射线骨部提取图像中的所述关节的旋转中心，
另一方面，所述目标对位部根据所述第1骨目标和所述第2骨目标，求出所述三维目标图像中的所述关节的旋转中心，使所述三维目标图像中的所述关节的旋转中心的位置与所述手术中X射线骨部提取图像中的所述关节的旋转中心的位置符合，使所述第1骨目标和所述第2骨目标中的某一方以所述三维目标图像中的所述关节的旋转中心为基准旋转，从而以使所述第1骨目标和所述第2骨目标与所述手术中X射线骨部提取图像的所述第1骨部和所述第2骨部分别符合的方式对位，来生成所述参照图像。
3.根据权利要求1所述的手术支援装置，其特征在于，
所述三维目标图像是以仰卧位的状态对所述患者进行摄像而得到的图像，
所述X射线图像是对以侧卧位的状态被做手术的所述患者进行摄像而得到的图像，
所述参照图像是以使针对所述三维目标图像的投影方向或者绘制方向与所述X射线图像的摄像朝向符合的方式生成的。
4.根据权利要求1所述的手术支援装置，其特征在于，
所述三维目标图像是根据术前计划而置换了所述人工关节之后的图像，所述参照图像是根据所述人工关节的置换后的所述三维目标图像而生成的图像。
5.根据权利要求1所述的手术支援装置，其特征在于，
所述三维目标图像是所述人工关节被置换之前的图像，所述参照图像是根据所述人工关节的置换前的所述三维目标图像而生成的图像。
6.根据权利要求3所述的手术支援装置，其特征在于，
所述人工关节具有插入到所述第2骨部的植入部件，
所述X射线图像是以能够检测所述植入部件的插入的深度的方式而摄像的图像。
7.根据权利要求1所述的手术支援装置，其特征在于，
所述三维目标图像是以仰卧位的状态对所述患者进行摄像而得到的图像，
所述X射线图像是对以侧卧位的状态而被手术的所述患者进行摄像而得到的图像，
所述参照图像生成部还根据所述三维目标图像生成与手术人员相对于所述患者的视线方向符合的第2参照图像，
所述显示部还显示所述第2参照图像。
8.根据权利要求7所述的手术支援装置，其特征在于，
所述三维目标图像是根据术前计划而置换了所述人工关节之后的图像，所述第2参照图像是根据所述人工关节的置换后的所述三维目标图像而生成的图像。
9.根据权利要求7所述的手术支援装置，其特征在于，
所述三维目标图像是置换所述人工关节之前的图像，所述第2参照图像是根据所述人工关节的置换前的所述三维目标图像而生成的图像。
10.根据权利要求7所述的手术支援装置，其特征在于，
所述目标图像生成部从所述三维图像，作为所述三维目标图像，生成除了所述第1以及第2骨目标以外，还将处于所述患部的附近的血管以及神经的至少一方作为血管/神经目标而分离、提取出的图像，
所述目标对位部在保持所述第1骨目标以及所述第2骨目标和所述血管/神经目标的位置关系的状态下，以使所述第1骨目标和所述第2骨目标与所述X射线骨部提取图像的所述第1骨部和所述第2骨部分别符合的方式对位，生成与手术人员相对于所述患者的视线方向符合并且包括所述血管/神经目标的参照图像，而作为所述第2参照图像。
11.根据权利要求10所述的手术支援装置，其特征在于，
所述三维目标图像是根据术前计划置换了所述人工关节之后的图像，所述第2参照图像是根据所述人工关节的置换后的所述三维目标图像而生成的图像。
12.根据权利要求10所述的手术支援装置，其特征在于，
所述三维目标图像是置换所述人工关节之前的图像，所述第2参照图像是根据所述人工关节的置换前的所述三维目标图像而生成的图像。
13.根据权利要求1至12中的任意一项所述的手术支援装置，其特征在于，
所述第1骨部是骨盆，所述第2骨部是大腿骨，所述关节是股关节。
14.根据权利要求1至12中的任意一项所述的手术支援装置，其特征在于，
所述第1骨部是大腿骨，所述第2骨部是胫骨，所述关节是膝关节。
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