JP2000139949A - 手術用顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
することを可能となり、手術時間の短縮、術者の疲労軽
減が可能となる手術用顕微鏡を提供することにある。 【解決手段】患者37の術部に対する鏡体3の3次元位
置を検出する第1の検出手段と、プローブ41の前記鏡
体2に対する3次元位置を検出する第2の検出手段と、
前記第1、第2検出手段の検出結果に基づき、前記プロ
ーブ41の術部に対する3次元位置を演算する演算部と
を具備したことを特徴とする手術用顕微鏡にある。
Description
で使用される医療機器の位置を確実に検出可能とする手
術用顕微鏡に関する。
を行うマイクロサージャリーにおいては、画像診断技術
の発展もあり、それら断層画像を用いた手術前の手術計
画作成、さらには手術中にもそれら画像情報を有効利用
し、より安全な手術を目指して手術機器の改良が進めら
れている。
もとに、手術用顕微鏡での観察位置を検出し、その画像
情報との統合が図られており、手術中に顕微鏡観察位置
に対応する断層画像情報が得られるようになってきてい
る。
の観察位置検出に関して、例えば特開平3−20504
8号公報があり、さらに手術用顕微鏡を含め、手術位置
検出手段としては、例えば特開平5−305073号公
報、また、観察視野内またはその近傍の位置を特定する
ための位置特定手段としては、例えば特開平6−175
033号公報が知られている。さらに、ロボットマニピ
ュレータによる手術器具の位置検出および制御として
は、例えば特開平4−231034号公報が知られてい
る。
顕微鏡を含め、内視鏡(硬性鏡)や処置具の位置検出手
段としては、その観察部位を手術前の断層画像と統合を
図るシステムは開示されている。
及び特開平4−231034号公報は、手術顕微鏡の鏡
体支持アームによる3次元位置検出においては、顕微鏡
下で処置具や内視鏡の位置検出を行う場合においても、
さらに処置具や内視鏡を支持し、3次元位置検出を行う
ための第2の支持アームもしくは、光学式の位置検出装
置を新たに手術室に設置しなければならず、前記支持ア
ームまたは前記位置検出装置が新たに手術室を占有して
しまうこととなっていた。
は、従来、顕微鏡とともに内視鏡(硬性鏡)や処置具の
位置検出を行う場合には、顕微鏡鏡体や術者、その他処
置具や医療機器が配置されて手術部位が煩雑なものとな
っている。また、顕微鏡下で使用される処置具や内視鏡
は、顕微鏡や術者の手や腕、その他手術部位周辺に配置
された医療機器が、信号部材とデジタイザの間に介在す
ることが発生し、位置検出が行えないといった要因とな
ることが多々発生していた。
は、処置具に取り付けられた複数の指標の互いの間隔を
ある程度とらなければ、デジタイザからそれぞれの指標
が重複して撮像されるため、位置検出が不可能となるこ
とが発生する。また、前記不具合を解決しようとすると
処置具に取り付けられた指標が大型化する問題があっ
た。
は、観察部位の指示により、鏡体を移動させるものであ
り、手術前の断層画像との相関がとられていない。よっ
て断層画像と顕微鏡観察視野の3次元位置の相関をとる
ことは不可能であり、さらにマニピュレータと接続され
た処置具によってマニピュレータを制御し、処置を行う
ことは不可能である。
もので、その目的とするところは、観察視野内またはそ
の近傍において鏡体に対する3次元相対位置の検出が可
能な手術用顕微鏡を提供することにある。
達成するために、請求項1は、術部に対する顕微鏡の3
次元位置を検出する第1の検出手段と、手術器具の前記
顕微鏡に対する3次元位置を検出する第2の検出手段
と、前記第1、第2の検出手段の検出結果に基づき、前
記手術器具の術部に対する3次元位置を演算する演算部
とを具備したことを特徴とする手術用顕微鏡にある。
次元位置検出装置と、鏡体を基準とする3次元位置検出
手段により、観察視野または鏡体近傍における3次元座
標を鏡体を基準とする相対位置で検出し、前記鏡体の3
次元位置検出装置による座標系に変換することを可能と
する。
位置を検出する検出手段によって位置検出可能な鏡体
と、前記鏡体の所定の位置に一端が取り付けられ、複数
の関節が駆動可能であるロボットマニピュレータと、前
記ロボットマニピュレータの他端に固定された機器と、
術部の断層画像を表示する表示部と、目的部位または範
囲を入力する入力手段と、前記目的部位または範囲まで
の機器の移動量を演算する演算部と、前記移動量に基づ
き、ロボットマニピュレータを駆動させる駆動手段とを
具備したことを特徴とする手術用顕微鏡にある。
前記3次元位置検出手段により検出される指標と、前記
指標に設けられた入力部と、前記入力部の状態によって
取り付けられた機器の位置検出目的部位の情報を判別す
る手段とを具備したことを特徴とする手術用顕微鏡にあ
る。
図面に基づいて説明する。図1は手術用顕微鏡全体の概
略的構成図、図2は鏡体部分を拡大した側面図、図3は
鏡体部の内部構成を示す断面図、図4は手術用顕微鏡全
体の機能構成を示すブロック図、図5はワークステーシ
ョンのモニタ上に表示される画像の例を示す図である。
面を移動自在なベース4と、該ベース4上に支柱5が立
設され、その支柱5の上体部には、図示しない照明用光
源が内蔵された第1アーム6の一端が軸O1を中心に回
動自在に取り付けられている。
O2を中心に回動自在に第2アーム7の一端が取り付け
られている。この第2アーム7は上下移動操作を行うべ
く、リンク機構とバランス調整用のスプリング部材から
なるパンタグラファームであり、その他端には、軸O3
を中心に回動自在に第3アーム8が取り付けられてい
る。第3アーム8は、軸O4を中心とした鏡体2の術者
の観察方向に対する前後方向の俯仰、軸O5を中心とし
た術者の左右方向の俯仰を可能としたアームである。第
3アーム8の他端には鏡体2が設けられている。
調整を行い、位置固定を行うために、これらの回転軸O
1〜O5における回転部には図示しない電磁ブレーキが
各々設けられている。前記電磁ブレーキは支柱5に内蔵
された図示しない電磁ブレーキ電源回路と接続され、前
記電磁ブレーキ電源回路は、図2に示すように、鏡体2
に一体に固定されたグリップ9に設けられたスイッチ1
0と接続されている。
11、変倍光学系12、一対の結像レンズ13a,13
b、一対の接眼レンズ14a,14bを有しており、各
々術部からの観察光軸上に順に配置されており、立体観
察光学系を構成している。結像レンズ13a,13bに
よる結像面は、夫々接眼レンズ14a,14bの焦点位
置になるべく配置されている。尚、図2に示す、15は
鏡体2の焦点位置である。対物レンズ11は図示しない
モータと連結され、光軸方向に移動可能に構成され、位
置センサ16によりレンズ位置が検出できるように構成
されている。
元座標を検出するための信号板である。信号板17には
信号部材として3個のLED18a,18b,18cが
一体に固定されている。図4に示すように、LED18
a,18b,18cはそれぞれLED制御装置19と接
続されている。さらに前記LED制御装置19は計測装
置20と接続されている。信号板17は鏡体2の側面の
所定の位置に位置決めされ、一体に固定されている。
タである。ロボットマニピュレータ21は第1アーム2
2、第2アーム23、第3アーム24と先端で処置具が
把持可能な処置具接続部25及び回動可能な関節26a
〜26fが設けられている。尚、この実施形態において
は処置具として超音波吸引装置40に接続されたプロー
ブ41が着脱可能に固定されている。
と一体に固定されている。第1アーム22と第2アーム
23は軸S1を回転軸とする関節26aと、紙面に垂直
なS2を回転軸とする関節26bを介して連結されてい
る。同様に第2アーム23と第3アーム24は軸S3を
回転軸とする関節26cと、紙面に垂直なS4を回転軸
とする関節26dを介して連結されている。また、第3
アーム24と処置部接続部25は軸S5を回転軸とする
関節26eと、紙面に垂直なS6を回転軸とする関節2
6fを介して連結されている。
れるエンコーダ28a〜28fとモータ27a〜27f
を有している。エンコーダ28a〜28fはワークステ
ーション29と接続されている。また、モータ27a〜
27fは支柱5内部に設けられたモータ駆動手段42と
接続され、モータ駆動手段42はワークステーション2
9と接続されている。
位置に位置決めされ着脱可能に連結されている。プロー
ブ41は、図4に示すように超音波吸引装置40と接続
され、前記超音波吸引装置40はワークステーション2
9と接続されている。
次元座標における位置を検出するためのデジタイザ(光
学式位置検出装置)である。デジタイザ30は受信部材
として2台のCCDカメラ31a,31bと前記CCD
カメラ31a,31bの位置を固定させているカメラ支
持部材32とスタンド34により構成され、手術室に設
置されている。前記CCDカメラ31a,31bは夫々
計測装置20と接続され、計測装置20はA/D変換器
33を介してワークステーション29と接続されてい
る。
続されるとともに、術前においてあらかじめCTやMR
Iといった図示しない画像診断装置による断層画像デー
タ、及び前記断層画像データを加工し、3次元に再構築
されたデータが記録されている。
療対象となる患者37に張り付けられたマーク部材であ
る。Ob−XbYbZbは前記マーク部材35a,35
b,35cを基準に定義される生体座標系である。
す。患者37の術前断層画像に基づく3次元に再構築さ
れた画像とともに、手術用顕微鏡1の焦点位置15とプ
ローブ41の先端部分が重像されている。また、38は
公知のマウスポインタであり、39はマウスポインタ3
8により入力された目的部位となる切除範囲である。
する。手術前にあらかじめ撮影したCT,MRI装置な
どの断層画像を3次元画像データに再構築し、ワークス
テーション29に記録する。手術を始めるにあってはワ
ークステーション29内の断層画像データと術部の座標
の相関をとるべくマーク部材35a,35b,35cを
用いてキャリブレーション(生体座標系Ob−XbYb
Zbの記憶)を行う。
には生体座標系が記憶され、モニタ43の3次元画像デ
ータはモニタ43上で画像における生体座標系に表示さ
れる。
0を押すことにより軸O1〜O5に内蔵された電磁ブレ
ーキによるロックを解除し、鏡体2を移動して術部45
の観察部位に焦点位置15を位置決めする。
する。対物レンズ11から鏡体2へ入射した光束は、変
倍光学系12、結像レンズ13a,13b、接眼レンズ
14a,14bを透過して観察され、術者44は術部を
所望の倍率で観察する。観察像の焦点位置が合わないと
きは、対物レンズ11を図示しないモータにより駆動
し、焦準を行う。
a,18b,18cを検出し、計測装置20及びA/D
変換器33で信号処理されて、ワークステーション29
によって、信号板17の生体座標系における位置及び姿
勢が算出される。信号板17は鏡体2の所定位置に取り
付けられているので、演算により鏡体2の生体座標系に
対する位置及び姿勢が算出される。
1の位置情報がワークステーション29に伝送される。
ワークステーション29では対物レンズ11の位置情報
から鏡体2に対する焦点位置15の相対位置が算出され
る。
姿勢と、鏡体2に対する焦点位置15の相対位置から、
生体座標系における焦点位置15の位置が演算される。
モニタ43には画像上の生体座標系に3次元画像データ
と焦点位置15が重像されて、表示される。
点位置15が3次元画像データによる画像に重像された
モニタ43に表示されるので、術者44は3次元画像デ
ータによる画像上において、顕微鏡の観察位置を知るこ
とができるのは先行例により既知の技術である。
先端位置は次のようにして算出される。ロボットマニピ
ュレータ21の各関節26a〜26fはエンコーダ28
a〜28fにより、回転角がワークステーション29に
伝送される。ワークステーション29では一般に知られ
ている数学的手法により鏡体2に固定された第1アーム
22に対する第2アーム23の位置、第2アーム23に
対する第3アーム24の位置、第3アーム24に対する
処置具接続部25の位置が順次計算される。
ローブ41を固定しているので、プローブ41の所定の
位置から先端までの長さにより、鏡体2に対するプロー
ブ41の先端の相対位置及び姿勢が演算される。鏡体2
の生体座標系における位置は既知であるので、生体座標
系におけるプローブ41の先端座標及び姿勢が算出され
る。
音波吸引装置のプローブを所望の位置に動かし、制御す
るための作用を説明する。まず、オペレーター46がモ
ニタ43上において、マウスポインタ38で切除範囲3
9と図示しないキーボードにより切除部分の深さを入力
する。入力が完了したら図示されないモニタ上のスイッ
チをマウスでクリックすることにより、ロボットマニピ
ュレータ21を駆動するための処理が開始される。
トマニピュレータ21を駆動処理開始時点でのプローブ
41の先端から切除空間の任意の座標まで駆動するため
の、各関節26a〜26fの必要な回転角を夫々算出す
る。さらに、前記回転角度からエンコーダ28a〜28
fのパルスを算出し、前記算出結果に基づきモータ駆動
手段30に制御信号を出力する。
7fに応じた駆動信号を夫々出力する。切除空間の任意
の座標にプローブ41の先端が到達すると、ワークステ
ーション29はさらに超音波吸引装置40に駆動信号を
出力し、プローブ41で吸引を開始する。
力された切除空間の全てを移動すべくロボットマニピュ
レータ21を駆動させるべく、切除空間の次の任意の座
標を決め、各関節26a〜26fのエンコーダ28a〜
28fによる回転角からモータ駆動手段30にモータ2
7a〜27fの制御信号を出力する。
返して、モニタ上で入力された切除空間を全てプローブ
41の先端が移動すると超音波吸引装置に停止信号を出
力する。プローブ41は前記一連の処理開始時点の位置
までロボットマニピュレータ21を動かし、切除作業を
終了する。
吸引装置)のプローブ先端位置を鏡体との相対位置とし
て検出するので、煩雑な術部周辺においても処置具の位
置検出が容易となり、手術時間の短縮、術者の疲労軽減
が可能となる。また、プローブをデジタイザで撮影する
必要がないのでデジタイザの設置の自由度が増し、限ら
れた手術空間を有効に使うことができる。
らコンピュータ上でのマウス、キーボードでの入力によ
り機器を正確に動かすことが可能となるので、術者によ
る技能の差が吸収され、より確実な手術が行えるととも
に、患者の負担軽減にもつながる。
として超音波吸引装置を例にあげたが、取り付ける処置
具とロボットマニピュレータの接続位置が特定されてい
ることで他の処置具を取り付けて、同様に使用すること
ができる。
は鏡体部分を拡大した側面図、図7は鏡体部の内部構成
を示す断面図、図8は手術用顕微鏡全体の機能構成を示
すブロック図であり、第1の実施形態と同一構成部分は
同一番号を付して説明を省略する。
レンズ13a,13bの間に90度横に光束の一部を偏
光すべく配置したハーフミラー100が備えられてい
る。さらに偏光された光束を再度上方に反射させるミラ
ー101が設けられている。103a,103bは前記
偏光された光束を結像するための一対の結像レンズであ
る。倍率光学系12には図示しない倍率検出手段が連結
され、倍率検出手段はワークステーション129と接続
されている。
ス104が取り付けられており、CCDカメラ105
a,105bが内蔵されている。CCDカメラ105
a,105bは夫々結像レンズ103a,103bによ
る結像面に配置されるようにカメラボックス104の所
定の位置に一体に固定されている。
々CCU106a,106bと接続され、CCU106
a,106bは3Dコンバータ107と接続されてい
る。前記3Dコンバータ107は3Dモニタ108と接
続されている。また、CCU106a,106bは計測
装置120と接続されている。前記計測装置120はA
/D変換器133を介してワークステーション129と
接続されている。
09の挿入部を示す。111は前記硬性鏡109の観察
像を取得するCCDカメラである。112は硬性鏡10
9の所定の位置に取り外し可能に固定された信号板であ
り、LED113a〜113dが固定されている。LE
D113a〜113dはLED制御装置119と接続さ
れている。
4a,114b,114cが設けられている。設定スイ
ッチ114a,114b,114cはそれぞれワークス
テーション129と接続されている。尚、ワークステー
ション129には信号板112の設定スイッチ114
a,114b,114cにより、信号板112が取り付
けられた処置具の種類と、取り付けられた状態及び処置
具の先端の位置関係が記録されている。
られた色マーカである。116はプローブ41の先端に
取り付けられた色マーカであり、色マーカ115と色の
配置が異なるものである。
する。第1の実施形態と同様にして鏡体102が位置決
めされ、生体座標系において焦点位置15の位置がモニ
タ43上に表示される。
12に一体に固定されたLED113a〜113dをデ
ジタイザ30が検出することで可能となる。この時、設
定スイッチ114aが選択された状態がワークステーシ
ョン129に出力され、ワークステーション129は信
号板112が硬性鏡109に取り付けられていることを
認識して、あらかじめ記録されている信号板112と硬
性鏡109の相対位置と、信号板112の生体座標系に
おける座標から硬性鏡109の挿入部110の先端の座
標が演算される。
から鏡体102へ入射し、変倍光学系12を透過し、ハ
ーフミラー100で透過して直線に進む光束と、前記ハ
ーフミラー100で反射して90度偏光された光束に分
配される。直進した光束は結像レンズ13a,13bで
結像し接眼レンズ14a,14bを透過して観察され
る。
ー101で再度上方に反射し一対の結像レンズ103
a,103bで結像し、CCDカメラ105a,105
bに夫々投影される。撮影された画像は3Dモニタ10
8に立体画像として映し出されるとともに計測装置12
0に出力される。また、前記図示しない倍率検出手段に
より倍率光学系12における倍率がワークステーション
129に出力される。
bにより色マーカ115,116を検出し、鏡体102
に対するそれぞれの色マーカの相対位置を検出する手順
を示す。
CDカメラ105a,105bに映し出されている場合
において、第1の実施形態に示されているデジタイザに
よる検出と同様にして計測装置120、A/D変換器1
33で信号処理されて色マーカ115の鏡体102に対
する3次元座標が検出される。プローブ41の先端に取
り付けられた色マーカ116においても同様に検出され
る。
02の所定の位置に取り付けられているので、信号板1
12とCCDカメラ105a,105bの取付位置と、
前記倍率とから生体座標系における色マーカ115もし
くは116の座標がワークステーション129によって
演算される。
付け替えた時には相当する設定スイッチ114bまたは
設定スイッチ114cのいずれかを選択することによ
り、ワークステーション129にあらかじめ記録された
対応する処置具の情報から、処置具の先端のナビゲーシ
ョンが可能となる。
けられた信号板上のLEDがデジタイザから撮影不能と
なっても、顕微鏡下での処置時においては挿入部先端の
色マーカを鏡体に内蔵した一対のCCDカメラで検出し
て位置検出を行うので、第1の実施形態と同様に煩雑な
術部周辺においても、処置具の位置検出が可能となり、
手術時間の短縮、術者の疲労軽減、患者の負荷軽減の効
果がある。
る検出手段を備えることで、ロボットマニピュレータに
把持された処置具以外に、処置具先端部に色マーカを設
けた複数の処置具の位置検出を顕微鏡下で行うことが可
能となる。
カメラが検出するので、色マーカを小型化しても確実に
検出することができるとともに、詳細な動きを検出する
ことが可能となって、処置具先端部の微細な制御が可能
となるので、手術の進行がスムーズに行え、手術時間の
短縮及び術者の疲労軽減、患者の負荷軽減の効果があ
る。
音波吸引装置を用いたが、把持部にレーザー治療装置を
装着した例を次に説明する。断層画像データに基づき、
レーザー照射が目的範囲に向くようロボットマニピュレ
ータを駆動させる。目的範囲に向かったところでワーク
ステーションがレーザー照射を行うよう、レーザー治療
装置に出力する。照射されたレーザーは目的部位に映し
出されて1点の光点として鏡体内蔵の一対のCCDカメ
ラに映し出される。
はLEDの検出と同様に処理され、実際にレーザー照射
が行われている位置を3次元画像データによる画像上で
確認することが可能となる。また、3次元画像データか
ら病巣の深さが計算され、処置位置によってレーザー照
射の強さを病巣の厚さに応じて制御することが可能とな
る。
ー照射を行うことが避けられ、確実な処置が行えるとと
もに、手術をスムーズに進行することができるので、手
術時間の短縮および術者の疲労軽減、患者の負荷軽減の
効果がある。
られた信号板においては、手術中における硬性鏡の変更
や処置具への付け替え時にわざわざワークステーション
を何ら操作することなく、術者がナビゲーション対象と
なる器具に付け替えられ、手元でその設定を容易に変更
することが可能となる。また、本実施形態における信号
板上のスイッチが照光式で、照光部に対象となる処置具
を判別可能な表示があれば手元において現在選択されて
いる処置具を容易に確認することができる。
ーズにするので、手術時間の短縮、術者の疲労軽減、患
者の負荷軽減の効果がある。さらに、前記センサアーム
は、処置具ごとに複数のセンサアームを用意する必要が
なく、共通で使用できるため、術者は余計なコストをか
ける必要がなくなるという効果がある。
得られる。 (付記1)術部に対する顕微鏡の3次元位置を検出する
第1の検出手段と、手術器具の前記顕微鏡に対する3次
元位置を検出する第2の検出手段と、前記第1、第2検
出手段の検出結果に基づき、前記手術器具の術部に対す
る3次元位置を演算する演算部とを具備したことを特徴
とする手術用顕微鏡。
置を検出する検出手段によって位置検出可能な鏡体と、
前記鏡体の所定の位置に一端が取り付けられ、複数の関
節が駆動可能であるロボットマニピュレータと、前記ロ
ボットマニピュレータの他端に固定された機器と、術部
の断層画像を表示する表示部と、目的部位または範囲を
入力する入力手段と、前記目的部位または範囲までの機
器の移動量を演算する演算部と、前記移動量に基づき、
ロボットマニピュレータを駆動させる駆動手段とを具備
したことを特徴とする手術用顕微鏡。
3次元位置検出手段により検出される指標と、前記指標
に設けられた入力部と、前記入力部の状態によって取り
付けられた機器の位置検出目的部位の情報を判別する手
段とを具備したことを特徴とする手術用顕微鏡。
けられた指標と、この指標を撮像する顕微鏡に取り付け
られた複数の撮像手段とを有することを特徴とする付記
1記載の手術用顕微鏡。
観察光学系と一部共用することを特徴とする付記4記載
の手術用顕微鏡。 (付記6)前記第2の検出手段は、顕微鏡と手術器具を
連結する複数のアームと各関節の回転角を検出するセン
サとを有する付記1記載の手術用顕微鏡。
る指標に、色マーカーを用いたことを特徴とする付記4
記載の手術用顕微鏡。 (付記8)前記ロボットマニピュレータは機器の把持に
おいて、任意に着脱可能な把持部を有する付記2記載の
手術用顕微鏡。
取り付けたエネルギー処置具により、前記目的範囲を処
置する制御部を有することを特徴とする付記2記載の手
術用顕微鏡。
ば、手術用顕微鏡の鏡体の3次元位置検出手段と鏡体を
基準とする3次元位置検出手段により、観察視野または
鏡体近傍における3次元座標を鏡体を基準とする相対位
置で検出し、前記鏡体の3次元位置検出手段による座標
系に変換することを可能となり、手術時間の短縮、術者
の疲労軽減が可能となるという効果がある。
全体の概略的構成図。
すブロック図。
表示される画像の例を示す図。
大した側面図。
すブロック図。
Claims (3)
- 【請求項1】 術部に対する顕微鏡の3次元位置を検出
する第1の検出手段と、 手術器具の前記顕微鏡に対する3次元位置を検出する第
2の検出手段と、 前記第1、第2の検出手段の検出結果に基づき、前記手
術器具の術部に対する3次元位置を演算する演算部とを
具備したことを特徴とする手術用顕微鏡。 - 【請求項2】 術部に対する顕微鏡の3次元位置を検出
する検出手段によって位置検出可能な鏡体と、 前記鏡体の所定の位置に一端が取り付けられ、複数の関
節が駆動可能であるロボットマニピュレータと、 前記ロボットマニピュレータの他端に固定された機器
と、 術部の断層画像を表示する表示部と、 目的部位または範囲を入力する入力手段と、 前記目的部位または範囲までの機器の移動量を演算する
演算部と、 前記移動量に基づき、ロボットマニピュレータを駆動さ
せる駆動手段とを具備したことを特徴とする手術用顕微
鏡。 - 【請求項3】 前記請求項1または2において、 3次元位置を検出手段により検出される指標と、 指標に設けられた入力部と、 前記入力部の状態によって取り付けられた機器の位置検
出目的部位の情報を判別する手段とを具備したことを特
徴とする手術用顕微鏡。
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