JP2009172124A

JP2009172124A - 手術ナビゲーションシステム、画像表示方法、コンピュータプログラム及び記録媒体

Info

Publication number: JP2009172124A
Application number: JP2008013463A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Sugano; 伸彦菅野
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: Osaka University NUC
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2009-08-06

Abstract

【課題】高い設備費がかかることなく、患者の骨を骨切り術具で切った部分を、手術中にすぐにナビゲーション画像に反映させることができる手術ナビゲーションシステム、画像表示方法、コンピュータプログラム及び記録媒体を提供する。
【解決手段】手術ナビゲーションシステムにおいて、手術中の患者の骨の画像１をコンピュータの表示部に表示する際に、患者の骨の３次元画像データ、骨切り術具の３次元画像データ、骨位置記憶部に蓄積された患者の骨の３次元座標検出データ、術具位置記憶部に蓄積された骨切り術具の３次元座標検出データに基づいて、患者の骨の３次元座標のうち、骨切り術具が通過した３次元座標の位置に、既に骨切りされたことを表す３次元画像１１を表示する。
【選択図】図４

Description

本発明は、手術ナビゲーションシステム、この手術ナビゲーションシステムにおける画像表示方法、この画像表示方法のためのコンピュータプログラム及び記録媒体に関する。

正確な手術には、術野の解剖学的所見から３次元的骨格の位置情報を術者が正確に把握することが必要不可欠である。そこで、３次元的骨格の位置情報を正確に把握するための手術ナビゲーションシステムが数多く提案されている。例えば、赤外線発光ダイオード（赤外線ＬＥＤ）と赤外線３次元位置計測カメラシステムを用いる方法では、赤外線ＬＥＤ又は赤外線反射体などのマーカーをつけた骨格や手術器具の空間位置を０．１ｍｍの精度で捉えることができる。そして、これと術前にＣＴスキャンやＭＲＩより得た３次元骨位置をコンピュータ上で適合し位置合わせさせることで、骨ノミなどの手術器具の方向や位置を、手術対象となる骨格に対してモニターに正確に計測表示することが可能となる（例えば、特許文献１などを参照）。
特表２００４−５００１８７号公報

このような手術ナビゲーションシステムは、術具を骨関節の画像とともに、リアルタイムで計測表示することで、正確な術具の位置情報を提供し、手術操作を誘導する。そのため、骨や関節の手術のなかで、骨切り術と呼ばれる一旦骨を切り離して角度を変えて再固定を行う手術や悪性骨腫瘍に対する広範切除術における骨切り操作においては、骨切り術具で骨を切ったところは、ナビゲーション画像上でも骨が切れて表示されるのが理想である。

しかしながら、手術ナビゲーションシステムにおいて、患者の骨関節の画像は、上述したように術前に患者をＣＴスキャンやＭＲＩで撮影することにより得ている。よって、手術中に患者の骨関節の状態が変化した場合に、その変化をナビゲーション画像に反映させるには、手術中の患者をＣＴスキャンやＭＲＩで撮影する必要があるが、手術中に患者を撮影するのに必要な設備を整えるには、莫大な費用がかかるし、上記の機器による撮影には少なからず時間がかかるという問題がある。

そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、高い設備費がかかることなく、患者の骨を骨切り術具で切った部分を、手術中にすぐにナビゲーション画像に反映させることができる手術ナビゲーションシステム、この手術ナビゲーションシステムにおける画像表示方法、この画像表示方法のためのコンピュータプログラム及び記録媒体を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、その一態様として、手術中の患者の骨の３次元座標を追跡する骨追跡装置と、手術中の骨切り術具の３次元座標を追跡する術具追跡装置と、これら追跡装置と通信可能に接続されたコンピュータとを備え、手術中の患者の骨の画像をコンピュータの表示部に表示することで、手術の支援を行う手術ナビゲーションシステムであって、前記コンピュータが、患者の骨の３次元画像データを記憶する骨画像記憶部と、骨切り術具の３次元画像データを記憶する術具画像記憶部と、前記骨追跡装置から、患者の骨の３次元座標検出データを間欠的に受信して記憶する骨位置記憶部と、前記術具追跡装置から、骨切り術具の３次元座標検出データを間欠的に受信して記憶する術具位置記憶部と、前記患者の骨の３次元画像データ、前記骨切り術具の３次元画像データ、並びに前記骨位置記憶部及び前記術具位置記憶部にそれぞれ蓄積された前記各３次元座標検出データに基づいて、患者の骨の３次元座標のうち、骨切り術具が通過した３次元座標の位置に、既に骨切りされたことを表す３次元画像を生成する画像生成部と、前記生成した画像を表示する表示部とを備えたことを特徴とするものである。

また、本発明は、別の態様として、手術中の患者の骨の３次元座標を追跡する骨追跡装置と、手術中の骨切り術具の３次元座標を追跡する術具追跡装置と、これら追跡装置と通信可能に接続されたコンピュータとを備えた手術ナビゲーションシステムにおいて、手術中の患者の骨の画像をコンピュータの表示部に表示する方法であって、患者の骨の３次元画像データを、コンピュータの骨画像記憶部に記憶するステップと、骨切り術具の３次元画像データを、コンピュータの術具画像記憶部に記憶するステップと、前記骨追跡装置から、患者の骨の３次元座標検出データを、コンピュータの骨位置記憶部に間欠的に送信するステップと、前記術具追跡装置から、骨切り術具の３次元座標検出データを、コンピュータの術具位置記憶部に間欠的に送信するステップと、前記患者の骨の３次元画像データ、前記骨切り術具の３次元画像データ、並びに前記骨位置記憶部及び前記術具位置記憶部にそれぞれ蓄積された前記各３次元座標検出データに基づいて、画像生成部によって、患者の骨の３次元座標のうち、骨切り術具が通過した３次元座標の位置に、既に骨切りされたことを表す３次元画像を生成するステップと、前記生成した画像を、コンピュータの表示部に表示するステップとを含むことを特徴とするものである。

さらに、本発明は、別の態様として、上記記載の画像表示方法をコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラムである。また、本発明は、別の態様として、上記記載の画像表示方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。

本発明によれば、骨に対して骨切り術具が通過したところは、骨が切れていることから、患者の骨の３次元座標のうち、骨切り術具が通過した３次元座標の位置に、既に骨切りされたことを表す３次元画像を表示することで、特に高い設備費をかけることなく、骨が切られた部分を、手術中にすぐにナビゲーション画像に反映させることができる。このように、骨が切られた部分を画像表示できるので、既に骨切りされた部分に再び骨切り術具を入れることを回避でき、骨切り操作を効率良く行うことができる。また、骨が切られた部分を画像表示できるので、３次元的に複雑な形状をした骨切り術でも、小切開で安全に正確に施行することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る手術ナビゲーションシステムの一実施の形態について説明する。図１は、本発明に係る手術ナビゲーションシステムの一実施の形態の全体的な構成を示す模式図である。図２〜図５は、本発明に係る手術ナビゲーションシステムのモニターに表示する画像の一例であって、図２及び図４は、患者の骨盤を患者の側面から見た画像であり、図３及び図５は、患者の骨盤を患者の正面から見た画像である。

なお、本実施の形態では、寛骨臼回転骨切り術の場合について説明するが、手術ナビゲーションシステムを用いた骨切り術であれば、股関節の手術に限らず、膝関節や脊椎などのその他の整形外科の手術にも、脳外科、耳鼻科などにおける手術にも、本発明に係る手術ナビゲーションシステムを用いることができる。

図１に示すように、本実施の形態の手術ナビゲーションシステム１００は、患者の骨及び骨切り術具の各３次元座標を計測する３次元位置センサー１０４と、この３次元位置センサーと通信可能に接続されたコンピュータ１１０とから主に構成されている。手術の対象となる患者５０の腰部の皮膚上に、赤外線ＬＥＤを搭載したマーカー１０６が取り付けられている。また、骨切り術具である骨ノミ１０８も、赤外線ＬＥＤを搭載している。

３次元位置センサー１０４には、マーカー１０６及び骨ノミ１０８の赤外線ＬＥＤから照射された赤外線を撮影するために、複数の赤外線カメラ（図示省略）が設置されている。すなわち、赤外線ＬＥＤを搭載したマーカー１０６と複数の赤外線カメラを備えた３次元位置センサー１０４とで、手術中の患者の骨の３次元座標を追跡することができる。また、赤外線ＬＥＤを搭載した骨ノミ１０８とこの３次元位置センサー１０４とで、手術中の骨ノミ１０８の３次元座標を追跡することができる。

マーカー１０６及び骨ノミ１０８の３次元座標を正確に把握するため、３次元位置センサー１０４には、少なくとも３台の赤外線カメラを設置することが好ましい。また、骨ノミ１０８の３次元座標を正確に把握するため、骨ノミ１０８に複数の赤外線ＬＥＤを搭載することが好ましい。患者の骨の３次元座標を正確に追跡するため、患者５０に複数のマーカー１０６を取り付けたり、一つのマーカー１０６に複数の赤外線ＬＥＤを搭載することが好ましい。

コンピュータ１１０は、コンピュータ本体１１２と、このコンピュータ本体で生成した画像を表示するためのＣＲＴ又は液晶ディスプレイなどのモニター１１４と、コンピュータ本体を操作するためのキーボードやマウス、タッチパネル等の操作手段１１６とから主に構成されている。

コンピュータ本体１１２には、（１）患者の骨の３次元画像データを記憶する骨画像記憶部と、（２）骨切り術具の３次元画像データを記憶する術具画像記憶部と、（３）患者を撮影した複数の赤外線画像データを時系列に記憶する骨位置記憶部と、（４）骨切り術具を撮影した複数の赤外線画像データを時系例に記憶する術具位置記憶部と、（５）骨切り軌道の３次元位置データを記憶する骨切り軌道記憶部と、（６）骨切り予定範囲の３次元位置データを記憶する骨切り予定範囲記憶部とが設けられている。

また、コンピュータ本体１１２には、モニター１１４に表示する画像を生成する画像生成部が設けられている。この画像生成部には、更に、（７）骨切り軌道の３次元画像を生成する骨切り軌道画像生成部と、（８）骨切り予定範囲の３次元位置データを演算する骨切り予定範囲演算部と、（９）骨切り予定範囲の３次元画像を生成する骨切り予定範囲画像生成部と、（１０）患者の骨および骨切り術具が現在位置する３次元座標を演算する現在座標演算部と、（１１）患者の骨に対して骨切り術具の現在の位置を表す骨と骨切り術具の３次元画像を生成する現在画像生成部と、（１２）患者の骨の３次元座標のうち、骨切り術具が通過した３次元座標を演算する骨切り履歴演算部と、（１３）骨切り術具が骨を通過した３次元座標データを記憶する骨切り履歴記憶部と、（１４）骨切りを完了した位置にそのことを表す３次元画像を生成する骨切り履歴画像生成部とが設けられている。

以上の構成の手術ナビゲーションシステムを用いて、手術中の患者の骨の画像を表示する方法について説明する。

先ず、術前の準備として、ＣＴスキャンやＭＲＩ等の医療用画像撮影装置（図示省略）によって、患者５０の骨の３次元画像データを得る。この際、患者５０には既にマーカー１０６を取り付けておくことで、患者の骨の３次元画像データ中にマーカーの位置を加えることができる。この患者の骨の３次元画像データは、コンピュータ本体１１２の骨画像記憶部に記憶する。

また、骨ノミ１０８についても、ステレオカメラ等の３次元画像撮影装置（図示省略）で撮影し、骨ノミの３次元画像データを得る。このデータはコンピュータ本体１１２の術具画像記憶部に記憶する。

次に、手術室での手順について説明する。先ず、手術室における患者５０の骨の現在の３次元座標をコンピュータに登録するレジストレーションを行う。レジストレーションは、公知の方法で行うことができる。例えば、患者５０に取り付けたマーカー１０６の赤外線ＬＥＤを発光し、それを３次元位置センサー１０４で撮影することで、マーカー１０６の現在の３次元座標データを得ることができる。これを、術前に取得した骨の３次元画像データ中のマーカーの３次元座標データと対応づけることで、現在の患者の骨の３次元座標をコンピュータに登録することができる。

このように３次元位置センサー１０４で撮影したマーカー１０６の赤外線画像データ、すなわち、患者の骨の３次元座標を検出するデータは、コンピュータ本体１１２の骨位置記憶部に送信し、記憶する。レジストレーションが終了した後、患者の体が動いて骨の位置が変わることもあることから、手術中も間欠的に３次元位置センサー１０４でマーカー１０６を撮影し、その赤外線画像データを骨位置記憶部に逐次送信する。３次元位置センサー１０４の撮影の間隔は、０．２秒〜２．０秒の範囲が好ましく、０．５秒〜１．０秒の範囲がより好ましい。また、操作手段１１６を用いて、手動により、撮影することもできる。例えば、骨ノミ１０８が骨盤を切り込んで抜き出す直前の位置を、手動により撮影していくこともできる。

また、手術室における骨ノミ１０８の３次元座標をコンピュータに登録するレジストレーションを行う。このレジストレーションも上記と同様にして行うことができる。レジストレーションの後、上述した間欠的な３次元位置センサー１０４による撮影によって、マーカー１０６とともに、骨ノミ１０８も間欠的に撮影する。この骨ノミ１０８の赤外線画像データ、すなわち、骨ノミの３次元座標を検出するデータは、術具位置記憶部に逐次送信し、記憶する。

次に、患者の骨のうち、骨切り術により切り取る予定の骨の範囲を、操作手段１１６により入力する。この入力された骨切り予定範囲の３次元位置データは、骨切り予定範囲記憶部に記憶する。なお、寛骨臼回転骨切り術では、骨盤を寛骨臼に沿ってくり貫くように球状に骨切りするため、球状の骨切り軌道を、操作手段１１６により入力する。この入力された骨切り軌道の３次元位置データは、骨切り軌道記憶部に記憶する。そして、骨切り予定範囲演算部が、この骨切り軌道の３次元位置データと、患者の骨の３次元画像データとを用いて、入力された骨切り軌道により切り取られる骨の範囲の３次元位置データを演算する。この演算した骨切り予定範囲の３次元位置データを、骨切り予定範囲記憶部に記憶する。

レジストレーション及び骨切り予定範囲の入力が終わったら、寛骨臼回転骨切り術を開始する。寛骨臼回転骨切り術では、患者５０の股関節側面の皮膚を切開した後、骨盤の表面に骨ノミ１０８の刃を当て、骨ノミの柄をハンマー（図示省略）で叩く。これにより、骨ノミ１０８の刃が骨に刺さり、骨ノミが骨の内部へと移動する。ハンマーを複数回叩き、骨ノミ１０８の刃先が骨を貫通したら又は予定の深さまで切ったら、一旦骨ノミを骨盤から抜く。次に、骨ノミ１０８の刃を骨盤の別の位置に当て、再びハンマーで叩いて骨切りを行う。この作業を繰り返し行うことで、寛骨臼の周りの部分を球状に切り離すことができる。そして、この切り離した部分を回転移動させた後、再び骨盤に固定する。

このような骨切り術において、先ず、コンピュータ本体１１２の現在座標演算部では、逐次送信されるマーカー１０６の赤外線画像データ及び骨ノミ１０８の赤外線画像データのうちのそれぞれ最新のデータを用いて、患者の骨および骨ノミが現在位置する３次元座標を演算する。

そして、現在画像生成部では、上記の現在位置の３次元座標の演算結果と、骨および骨ノミの各３次元画像データとを用いて、図２及び図３に示すように、患者の骨に対して骨ノミの現在の位置を表す、患者の骨の３次元画像１と骨ノミの３次元画像１０を生成し、モニター１１４に表示する。これら３次元画像は、モニター１１４で術者が容易に患者の骨の位置を把握できるように、カラー画像で表示する。例えば、骨の画像１は白色で塗り、骨ノミの画像１０は赤色で塗る。

また、骨切り軌道画像生成部では、上記の現在位置の３次元座標の演算結果と、入力した骨切り軌道の３次元位置データと、患者の骨の３次元画像データを用いて、図２及び図３に示すように、骨切り軌道の３次元画像３０を生成し、モニター１１４に表示する。また、骨切り予定範囲画像生成部では、上記の現在位置の３次元座標の演算結果と、入力した又は演算した骨切り予定範囲の３次元位置データと、患者の骨の３次元画像データを用いて、骨切り予定範囲の３次元画像４０を生成し、モニター１１４に表示する。これら骨切り軌道および骨切り予定範囲の３次元画像３０、４０は、骨および骨ノミの明瞭な表示を妨げないように、それぞれ半透明な異なる色で示す。例えば、骨切り軌道３０は半透明な青色（図面中は破線）で、骨切り予定範囲４０は半透明な緑色（図面中は斜線部）で塗る。このように、骨切り軌道の３次元画像３０を表示することで、術者は、カーブした骨ノミ１０８の刃を患者の骨にどの角度で当てれば良いのかを容易に理解することができる。

骨切り履歴演算部では、骨位置記憶部および術具位置記憶部にそれぞれ蓄積されたマーカー１０６の赤外線画像データ及び骨ノミ１０８の赤外線画像データと、患者の骨および骨切り術具の各３次元画像データを用いて、患者の骨の３次元座標のうち、骨ノミが通過した３次元座標を演算する。この演算結果の３次元座標データは、骨ノミにより骨が切られた位置として骨切り履歴記憶部に記憶し、蓄積する。

骨切り履歴画像生成部では、骨切り履歴記憶部に蓄積された骨切り位置３次元座標データと、骨ノミの３次元画像データとを用いて、図４及び図５に示すように、骨ノミ１０８の先端が骨を貫通した際の３次元座標、又は骨ノミ１０８の先端が骨の最深部に達した際の３次元座標に、骨が切られたことを示す骨ノミの残像の３次元画像１１ａ〜１１ｄを生成し、モニター１１４に表示する。この骨ノミの残像画像１１は、骨や現在の骨ノミの明瞭な表示を妨げないように、半透明な色で示す。例えば半透明な水色（図面中は破線）で塗る。なお、骨が切られたことが分かる画像であれば、骨ノミの残像画像に限らず、単なる領域を示す３次元画像にしても良い。また、骨ノミの残像画像１１が複数ある場合、全て表示せずに、術者が見やすいように、操作手段１１６を用いて、選択して表示することもできる。さらに、骨切り履歴記憶部に蓄積された骨切り位置３次元座標データから、操作手段１１６を用いて、骨ノミの残像画像として適切な位置のものを選択して表示することもできる。例えば、手動で撮影した際の骨切り位置３次元座標データのみを用いて、骨ノミの残像画像を表示することもできる。

このようにモニター１１４に、患者の骨の３次元画像１に対して、既に骨ノミで骨切りされた部分に骨ノミの残像画像１１ａ〜１１ｄを表示することで、骨切りされた部分が識別可能になることから、既に骨切りされた部分に再び骨ノミ１０８を入れることを回避でき、骨切り操作を効率良く行うことができる。

なお、本実施の形態では、術前に患者の骨の３次元画像データを取得する際の基準点を示すマーカーと、手術中に患者の骨の３次元座標を検出する際の基準点を示すマーカーとを、同一のマーカーで行う場合について説明したが、異なるマーカーを用いても良い。例えば、患者の骨の位置をより精密に追跡するために、手術中の患者の骨の３次元座標を検出するマーカーとして、開創部の患者の骨に直接固定するマーカーを用いることができる。

本発明に係る手術ナビゲーションシステムの一実施の形態の全体的な構成を示す模式図である。図１に示すモニターに表示される３次元画像の一例であって、患者の骨盤を患者の側面から見た画像である。図１に示すモニターに表示される３次元画像の一例であって、患者の骨盤を患者の正面から見た画像である。図１に示すモニターに表示される３次元画像の一例であって、患者の骨盤を患者の側面から見た画像である。図１に示すモニターに表示される３次元画像の一例であって、患者の骨盤を患者の正面から見た画像である。

符号の説明

１骨の３次元画像
１０骨ノミの現在位置の３次元画像
１１骨ノミの残像を示す３次元画像
３０骨切り軌道の３次元画像
４０骨切り予定範囲の３次元画像
５０患者
１００手術ナビゲーションシステム
１０４３次元位置センサー
１０６マーカー
１０８骨ノミ
１１０コンピュータ
１１２コンピュータ本体
１１４モニター
１１６操作手段

Claims

手術中の患者の骨の３次元座標を追跡する骨追跡装置と、手術中の骨切り術具の３次元座標を追跡する術具追跡装置と、これら追跡装置と通信可能に接続されたコンピュータとを備え、手術中の患者の骨の画像をコンピュータの表示部に表示することで、手術の支援を行う手術ナビゲーションシステムであって、
前記コンピュータが、
患者の骨の３次元画像データを記憶する骨画像記憶部と、
骨切り術具の３次元画像データを記憶する術具画像記憶部と、
前記骨追跡装置から、患者の骨の３次元座標検出データを間欠的に受信して記憶する骨位置記憶部と、
前記術具追跡装置から、骨切り術具の３次元座標検出データを間欠的に受信して記憶する術具位置記憶部と、
前記患者の骨の３次元画像データ、前記骨切り術具の３次元画像データ、並びに前記骨位置記憶部及び前記術具位置記憶部にそれぞれ蓄積された前記各３次元座標検出データに基づいて、患者の骨の３次元座標のうち、骨切り術具が通過した３次元座標の位置に、既に骨切りされたことを表す３次元画像を生成する画像生成部と、
前記生成した画像を表示する表示部と
を備えた手術ナビゲーションシステム。
手術中の患者の骨の３次元座標を追跡する骨追跡装置と、手術中の骨切り術具の３次元座標を追跡する術具追跡装置と、これら追跡装置と通信可能に接続されたコンピュータとを備えた手術ナビゲーションシステムにおいて、手術中の患者の骨の画像をコンピュータの表示部に表示する方法であって、
患者の骨の３次元画像データを、コンピュータの骨画像記憶部に記憶するステップと、
骨切り術具の３次元画像データを、コンピュータの術具画像記憶部に記憶するステップと、
前記骨追跡装置から、患者の骨の３次元座標検出データを、コンピュータの骨位置記憶部に間欠的に送信するステップと、
前記術具追跡装置から、骨切り術具の３次元座標検出データを、コンピュータの術具位置記憶部に間欠的に送信するステップと、
前記患者の骨の３次元画像データ、前記骨切り術具の３次元画像データ、並びに前記骨位置記憶部及び前記術具位置記憶部にそれぞれ蓄積された前記各３次元座標検出データに基づいて、画像生成部によって、患者の骨の３次元座標のうち、骨切り術具が通過した３次元座標の位置に、既に骨切りされたことを表す３次元画像を生成するステップと、
前記生成した画像を、コンピュータの表示部に表示するステップと
を含む画像表示方法。
請求項２に記載の方法をコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
請求項２に記載の方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。