JP2001238895A - 手術用ナビゲーションシステム用患者位置同定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マーカの像を含まない断層像を手術用ナビゲ
ーションシステムに用い得るようにして、緊急手術の際
のナビゲーションシステムの利用を可能にするとともに
手術用ナビゲーションシステムの利用を容易なものとす
ることにある。 【解決手段】 手術用ナビゲーションシステムの、手術
台の近傍に設置された多関節アームを操作して、前記手
術台上に手術対象部位を固定した患者の前記手術対象部
位の皮膚上の、較正点に設定した任意の三点以上の点を
前記多関節アームの先端で触り、それらの較正点の位置
を前記手術用ナビゲーションシステムに入力してそれら
の較正点の三次元座標を求め、その一方、前記患者の前
記手術対象部位の複数の断層像から、前記患者の前記手
術対象部位の皮膚の三次元曲面を再構成し、前記三点以
上の較正点が前記皮膚の三次元曲面上に載るように、前
記手術用ナビゲーションシステムが持つ前記断層像の座
標系と前記手術台の座標系との間の座標変換パラメータ
を変化させてそれらの座標系間の座標変換式を調整する
ことを特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、脳神経外科などの
手術の際、術者が患者の頭部等の手術対象部位にある手
術操作部位とＣＴ（コンピュータ断層撮影）などの断層
像（画像）の位置関係を把握できるように支援する手術
用ナビゲーション（手術操作部位案内）システムに関
し、特には、患者を手術台に移した時に、事前にマーカ
を含めた断層像の撮影を行わずに患者と断層像との相対
位置関係を同定する方法および装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】脳神経外科手術などで用いられる手術用
ナビゲーションシステムでは、手術を行う手術台に固定
された座標系と、手術前にＣＴ等の断層像を撮影した際
のＣＴガントリー座標系との間の座標変換が必須であ
り、この種の位置合わせには、従来は、手術前にＣＴ等
の断層像を撮影する際、患者の頭部の３点（例えば、両
耳と、鼻の付け根）にマーカ（鉛の小球）を配置し、画
像上で、これらの点が明確に認知できるようにしておい
て、手術開始前に、手術台に固定されたナビゲーション
システムを動作させ、アーム先端でこれらの点を順次辿
ることにより、ナビゲーションシステム内の座標変換器
部へこれらの点の座標を読み込むことが必須であった。

【０００３】従って、従来はマーカの像を含まない断層
像をナビゲーション用に用いることができず、緊急手術
の際にナビゲーションシステムを利用することが困難で
あった。また、十分に準備時間がある場合でも、同一面
内に３点のマーカを捉えるようにする撮像は手順が煩雑
なため、かかるマーカの使用が手術用ナビゲーションシ
ステム普及のひとつの障害となっていた。

【０００４】それゆえ本発明は、手術の準備段階で、付
加的なマーカ点の設置および撮像作業を省き、マーカの
像のない通常の断層像のみを用いて手術用ナビゲーショ
ンシステムを動作させ得るようにすることを目的として
いる。

【０００５】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記目的を達成する本発明の手術用ナビゲーションシステ
ム用患者位置同定方法は、手術用ナビゲーションシステ
ムの、手術台の近傍に設置された多関節アームを操作し
て、前記手術台上に手術対象部位を固定した患者の前記
手術対象部位の皮膚上の、較正点に設定した任意の三点
以上の点を前記多関節アームの先端で触り、それらの較
正点の位置を前記手術用ナビゲーションシステムに入力
してそれらの較正点の三次元座標を求め、その一方、前
記患者の前記手術対象部位の複数の断層像から、例えば
内挿法により、前記患者の前記手術対象部位の皮膚の三
次元曲面を再構成し、前記三点以上の較正点が前記皮膚
の三次元曲面上に載るように、前記手術用ナビゲーショ
ンシステムが持つ前記断層像の座標系と前記手術台の座
標系との間の座標変換パラメータを変化させて、それら
の座標系間の座標変換式を調整することを特徴とするも
のである。

【０００６】かかる方法によれば、マーカの像を含まな
い断層像の座標系と手術台の座標系との間の座標変換式
を自動的に調整して、患者の手術対象部位と断層像との
相対位置関係を同定することができるので、マーカの像
を含まない断層像を手術用ナビゲーションシステムに用
い得て、緊急手術の際のナビゲーションシステムの利用
を可能にするとともに、付加的なマーカ点の設置および
撮像作業を省いて、手術用ナビゲーションシステムの利
用を容易なものとし、ひいては手術用ナビゲーションシ
ステムの普及を図ることができる。

【０００７】また上記目的を達成する本発明の手術用ナ
ビゲーションシステム用患者位置同定装置は、手術台の
近傍に設置された多関節アームと、その多関節アームの
先端の位置の三次元座標を求めるアーム先端位置算出手
段と、そのアーム先端位置算出手段が算出した前記アー
ムの先端の位置および患者の手術対象部位の断層像を画
面上に表示する画面表示手段と、を具える手術用ナビゲ
ーションシステムにおいて、前記手術台上に手術対象部
位を固定した患者の前記手術対象部位の複数の断層像か
ら、例えば内挿法により、その患者の前記手術対象部位
の皮膚の三次元曲面を再構成する皮膚曲面再構成手段
と、前記患者の前記手術対象部位の皮膚上の較正点に設
定した任意の三点以上の点を前記多関節アームの先端で
触って得た三点以上の較正点の位置から前記アーム先端
位置算出手段が算出したそれらの較正点の三次元座標
と、前記皮膚曲面再構成手段が再構成した前記患者の前
記手術対象部位の皮膚の三次元曲面とから、前記三点以
上の較正点が前記皮膚の三次元曲面上に載るように、前
記手術用ナビゲーションシステムが持つ前記断層像の座
標系と前記手術台の座標系との間の座標変換パラメータ
を変化させて、それらの座標系間の座標変換式を調整す
る座標変換式調整手段と、を具えてなるものである。

【０００８】かかる装置にあっては、皮膚曲面再構成手
段が、手術台上に手術対象部位を固定した患者の手術対
象部位の複数の断層像に内挿法を適用してその患者の手
術対象部位の皮膚の三次元曲面を再構成し、座標変換式
調整手段が、患者の前記手術対象部位の皮膚上の較正点
に設定した任意の三点以上の点を手術用ナビゲーション
システムの多関節アームの先端で触って得た三点以上の
較正点の位置からそのシステムのアーム先端位置算出手
段が算出したそれらの較正点の三次元座標と、皮膚曲面
再構成手段が再構成した前記患者の前記手術対象部位の
皮膚の三次元曲面とから、前記三点以上の較正点が前記
皮膚の三次元曲面上に載るように、手術用ナビゲーショ
ンシステムが持つ断層像の座標系と手術台の座標系との
間の座標変換パラメータを、例えば遺伝的アルゴリズム
等に従って変化させて、それらの座標系間の座標変換式
を調整する。

【０００９】従ってこの発明の装置によれば、マーカの
像を含まない断層像の座標系と手術台の座標系との間の
座標変換式を自動的に調整して、患者の手術対象部位と
断層像との相対位置関係を同定することができるので、
マーカの像を含まない断層像を手術用ナビゲーションシ
ステムに用い得て、緊急手術の際のナビゲーションシス
テムの利用を可能にするとともに、付加的なマーカ点の
設置および撮像作業を省いて、手術用ナビゲーションシ
ステムの利用を容易なものとし、ひいては手術用ナビゲ
ーションシステムの普及を図ることができる。

【００１０】なお、この発明の装置においては、前記患
者の手術対象部位は、より好ましくは患者の頭部とす
る。頭部は皮膚のすぐ内側に頭蓋骨があるため、患者の
体位の変化等による皮膚の三次元曲面の変化が僅かなの
で、座標変換式の調整を比較的容易に行い得るからであ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図
１は、本発明の手術用ナビゲーションシステム用患者位
置同定方法の一実施例に用いる、本発明の手術用ナビゲ
ーションシステム用患者位置同定装置の一実施例を示す
構成図であり、この実施例の患者位置同定装置は、通常
の手術用ナビゲーションシステムに附設されている。

【００１２】すなわち、上記手術用ナビゲーションシス
テムは従来型のもので、図示しない手術台の近傍に設置
された多関節アーム１と、その多関節アーム１の先端の
位置を上記手術台を規準とした座標系で算出する、アー
ム先端位置算出手段としてのアーム先端位置算出部２
と、そのアーム先端位置算出部２が算出した手術台の座
標系でのアーム１の先端の位置を患者の手術対象部位の
断層像の座標系での位置に変換する、これもアーム先端
位置算出手段としての座標変換部３と、その座標変換部
３が変換した断層像の座標系でのアーム１の先端の位置
と患者の手術対象部位の断層像とを画面上に表示する、
画面表示手段としての画面表示装置（ＣＲＴ）４とを具
えており（例えば米国特許第 5050608号参照）、ここ
で、アーム先端位置算出部２と座標変換部３とは、具体
的には、通常のパーソナルコンピュータによって構成さ
れている。

【００１３】そしてこの実施例の患者位置同定装置も、
上記のパーソナルコンピュータによって構成されたもの
で、別途に患者の手術対象部位を撮像した多数のＸ線Ｃ
ＴやＭＲＩ（核磁気共鳴像）等の断層像Ｉからそれぞれ
皮膚抽出処理を行い、それらの皮膚の輪郭線間の内挿処
理を行うことで患者の手術対象部位の皮膚の三次元曲面
を再構成する、皮膚曲面再構成手段としての曲面生成部
５を具えるとともに、三次元曲面を特定するのに必要な
三点以上の、較正点としての皮膚上サンプル点の三次元
座標を記憶するサンプル点座標保持部６と、サンプル点
の各三次元座標を断層像座標に変換する座標変換部７
と、サンプル点と皮膚面との空間的な距離の和を評価す
る適応度評価部８と、座標変換部７で座標変換に用いる
パラメータ群を遺伝的アルゴリズムに従って変更するパ
ラメータ調整部９（例えば日本国特許第 2873955号参
照）とを具えており、それら座標変換部７、適応度評価
部８およびパラメータ調整部９は、座標変換式調整手段
に対応している。

【００１４】かかる実施例の装置を用いた、上記実施例
の患者位置同定方法では、例えば患者の頭部を手術対象
部位とする場合に、多関節アーム１の先端で、上記手術
台に載せられた患者の、その手術台に固定された頭部Ｈ
の頭皮上の三点以上の任意の点をサンプル点として触っ
て、アーム先端位置算出部２により、それらのサンプル
点の三次元座標を上記手術台を規準とした座標系で算出
し、次いでそれらのサンプル点の位置を、サンプル点座
標保持部６により記憶する。

【００１５】この一方、曲面生成部５により、あらかじ
めＸ線ＣＴやＭＲＩで撮像して磁気ディスク内等に読み
込んでおいた上記患者の頭部Ｈについての複数枚の断層
像からそれぞれ頭皮部輪郭線の抽出処理を行い、それら
の輪郭線間の内挿処理を行うことで、頭皮の三次元曲面
を再較正する。次いで座標変換部７により、手術台の座
標系で表現された上記各サンプル点の座標に座標変換を
施して、上記断層像の座標系で表現する。このとき、座
標変換式に含まれるパラメータを調整する必要がある
が、このパラメータ探索は、各サンプル点と頭皮面間の
距離を評価基準として、適応度評価部８とパラメータ調
整部９とにより行う。

【００１６】上記各サンプル点と頭皮面との間の距離を
最小化する座標変換パラメータの調整過程でパラメータ
調整部９は、各サンプル点と頭皮の三次元曲面との距離
の、上記三点以上のサンプル点全体についての和を最小
化する最適化を行うが、この評価関数は多数の極小点を
含み、通常の勾配法では真の最小点への到達が困難であ
る。そこでこの実施例では、上記最適化の作業に遺伝的
アルゴリズムを導入して、真の最小点への短時間での到
達を可能にしている。また、この実施例では、最適整合
処理の高速化のために、チャンファ・マッチング（cham
fer matching）を用いている。

【００１７】次いでこの実施例では、上記の処理で定ま
った座標変換パラメータを座標変換部３に与えて多関節
アーム１の先端の位置を断層像の座標系に変換して、そ
のアーム先端の位置を上記患者の頭部Ｈについての断層
像とともにＣＲＴ４の画面上に重畳表示し、これ以降の
ナビゲーション動作を行う。このナビゲーション動作に
ついては、従来型の多関節アームを有する手術用ナビゲ
ーションシステムに関する上記米国特許第 5050608号に
詳述されているので、ここでは詳細な説明を省略する。

【００１８】図２は、上記実施例の患者位置同定方法お
よび装置の評価試験において、ＭＲＩで得た断層像から
再構成した頭皮曲面ＨＣの上に３０個のサンプル点ＣＰ
を遺伝的アルゴリズムに従った座標変換によって位置合
わせした結果を示すものであり、上記のパーソナルコン
ピュータとしては、インテル社のペンティアムII（商品
名）プロセッサを具えたパーソナルコンピュータを用い
ている。このパーソナルコンピュータでは、最適な座標
変換パラメータを得るための演算処理は約５秒で済ん
だ。

【００１９】上記の評価実験では、較正点として頭皮上
の３０個のサンプル点をランダムに選定し、その一方、
１ｍｍスライスで計測したＭＲＩ断面像から患者の頭皮
の三次元曲面を再構成し、その３０個のサンプル点を用
いて上記実施例の方法による座標変換パラメータの調整
を行なった。表１は、その評価実験の結果を表わすもの
である。

【００２０】

【表１】

【００２１】この表１から分るように上記実施例の方法
および装置による座標変換誤差は、多関節アーム１の先
端で頭部の各サンプル点を触れる際の読み取り誤差がな
い場合に平均約０．６ｍｍ、正規ノイズを含む場合でも
約０．９ｍｍと、手術用に必要とされる最大３ｍｍの誤
差範囲内に十分入るものであった。従って、上記実施例
の方法および装置によれば、ＣＴ等の断層像撮影の際に
位置合わせ用のマーカーを設置しなくても、実用上十分
な位置合わせ機能を実現することができる。

【００２２】以上、図示例に基づき説明したが、この発
明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、この発
明の患者位置同定装置は、手術用ナビゲーションシステ
ムを構成するコンピュータとは別体のコンピュータ等に
よって構成しても良い。またこの発明の患者位置同定装
置における座標変換式調整手段は、遺伝的アルゴリズム
以外の方法を用いて座標変換パラメータを調整するもの
でも良い。そしてこの発明における手術対象部位は、頭
部以外でも良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の手術用ナビゲーションシステム用患
者位置同定方法の一実施例に用いる、本発明の手術用ナ
ビゲーションシステム用患者位置同定装置の一実施例を
示す構成図である。

【図２】 上記実施例の患者位置同定方法および装置の
評価試験の結果を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 多関節アーム ２ アーム先端位置算出部 ３ 座標変換部 ４ 画面表示装置 ５ 曲面生成部 ６ サンプル点座標保持部 ７ 座標変換部 ８ 適応度評価部 ９ パラメータ調整部 ＣＰ サンプル点（較正点） Ｈ 頭部 ＨＣ 頭皮曲面 Ｉ 断面像

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 手術用ナビゲーションシステムの、手術
   台の近傍に設置された多関節アームを操作して、前記手
   術台上に手術対象部位を固定した患者の前記手術対象部
   位の皮膚上の、較正点に設定した任意の三点以上の点を
   前記多関節アームの先端で触り、それらの較正点の位置
   を前記手術用ナビゲーションシステムに入力してそれら
   の較正点の三次元座標を求め、 その一方、前記患者の前記手術対象部位の複数の断層像
   から、前記患者の前記手術対象部位の皮膚の三次元曲面
   を再構成し、 前記三点以上の較正点が前記皮膚の三次元曲面上に載る
   ように、前記手術用ナビゲーションシステムが持つ前記
   断層像の座標系と前記手術台の座標系との間の座標変換
   パラメータを変化させてそれらの座標系間の座標変換式
   を調整することを特徴とする、手術用ナビゲーションシ
   ステム用患者位置同定方法。
2. 【請求項２】 手術台の近傍に設置された多関節アーム
   （１）と、その多関節アームの先端の位置の三次元座標
   を求めるアーム先端位置算出手段（２）と、そのアーム
   先端位置算出手段が算出した前記アームの先端の位置お
   よび患者の手術対象部位の断層像を画面上に表示する画
   面表示手段（４）と、を具える手術用ナビゲーションシ
   ステムにおいて、 前記手術台上に手術対象部位を固定した患者の前記手術
   対象部位の複数の断層像から、その患者の前記手術対象
   部位の皮膚の三次元曲面を再構成する皮膚曲面再構成手
   段（５）と、 前記患者の前記手術対象部位の皮膚上の較正点に設定し
   た任意の三点以上の点を前記多関節アームの先端で触っ
   て得た三点以上の較正点の位置から前記アーム先端位置
   算出手段が算出したそれらの較正点の三次元座標と、前
   記皮膚曲面再構成手段が再構成した前記患者の前記手術
   対象部位の皮膚の三次元曲面とから、前記三点以上の較
   正点が前記皮膚の三次元曲面上に載るように、前記手術
   用ナビゲーションシステムが持つ前記断層像の座標系と
   前記手術台の座標系との間の座標変換パラメータを変化
   させてそれらの座標系間の座標変換式を調整する座標変
   換式調整手段（７，８，９）と、 を具えてなる、手術用ナビゲーションシステム用患者位
   置同定装置。
3. 【請求項３】 前記手術対象部位は前記患者の頭部
   （Ｈ）である、請求項２記載の手術用ナビゲーションシ
   ステム用患者位置同定装置。