JP2011125420A - 針状手術器具の刺入支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】針状手術器具を刺入する際に、患者固有の弾性力学的数値に基づいて、臓器の変形予測を正確に行い、針状手術器具を患者の深部にある臓器に安全かつ正確に刺入できるようにする。
【解決手段】断層画像撮像装置により撮像した臓器の断層画像に基づいて、臓器の形状及び刺入された針状手術器具の形状の数値情報、並びに両者の位置の数値情報を演算する手段と、臓器に微小な振動を与える振動手段と、前記断層画像撮像装置によるエラストグラフィによって、前記振動手段による臓器の振動を解析し、臓器の弾性力学的数値分布を演算し、前記針状手術器具について予め入力された弾性力学的数値とに基づいて、前記針状手術器具の刺入による前記臓器と前記針状手術器具の弾性力学的変形を数値的に予測する、前記針状手術器具を刺入する際の支援情報を提示する支援情報提示手段とを設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、手術中に超音波画像や磁気共鳴画像で観察しながら、生検や薬液注入、アブレーションのために針状手術器具を患者の深部にある臓器に刺入する際の針状手術器具の刺入支援装置に関するものである。

穿刺針を用いた医療行為は病変のサンプルをとる生検や病変に薬液を直接投与する注射、ラジオ波で組織を焼灼するアブレーションなど様々である。穿刺による正常組織への損傷は穿刺経路に限定されるため、非常に低侵襲な外科的治療診断行為である。特に患者の深部にある臓器の病変に到達させる場合は、超音波画像や磁気共鳴画像で刺入経路や病変周辺を観察して、安全を確認しながら刺入させる。

しかし、下記非特許文献１にも記載されているように、患者の深部にある臓器の病変に正確に到達させるには多くの困難が伴う。その困難の一つに臓器や針状手術器具の変形が挙げられる。すなわち、針状手術器具を刺入する際に発生する切削力や摩擦力により、臓器や針状手術器具が変形し、これによって目標が刺入経路から大きく外れて針状手術器具が目標に到達できない場合がある。

これとは別に、下記特許文献１にあるように手術を模擬する手術シミュレーションのために臓器の変形を予測する様々な方法が開発されている。その中で有限要素法による変形予測が最も一般的である。有限要素法は、特定の支配方程式で表現され、かつ特定の領域を持つ連続な場に、特定の境界条件が加えられたときの状態量を予測する際に、連続な場を解法が容易な有限個の要素に離散化して、数値的に近似計算する手法である。
臓器変形予測においては、ＭＲＩやＸ線ＣＴといった断層画像から各臓器の形状を数値的に表現し、そして適当な大きさの要素に分割する。そして、フックの法則などの弾性力学方程式を選び、それぞれの要素毎に適当な弾性力学的数値を選ぶ。そして変位の拘束や摩擦力、切削力などの境界条件を設定する。そしてこれらの方程式と境界条件を満たす変形量を線型方程式や非線形方程式の解法により数値的に求めることになる。
しかし、臓器や病変の弾性力学的数値は、患者毎に異なるため、正確な臓器変形予測は困難であり、そのため手術シミュレーションに用いられても実際の治療に適用することはできない。

一方で弾性の違いにより病変を発見するために、弾性率や歪みといった弾性力学的数値の分布を無侵襲に測定するエラストグラフィが数多く開発されている。
例えば、下記特許文献２、３にみられるように、超音波エラストグラフィでは、超音波振動に同期して位相を少しずつ変化させながら機械的振動を加え、このときの位相に応じて臓器の各部位に生じる変位から臓器の弾性率などの弾性力学的数値の分布を可視化する。

また、下記特許文献４、５には、磁気共鳴エラストグラフィにおいて、同様にＭＲＩ撮像に同期して位相を少しずつ変化させながら機械的振動を加え、このときの位相に応じて臓器の各部位に生じる変位から臓器の弾性率などの弾性力学的数値の分布を可視化することが提案されている。

特開２００８−１３４３７３号公報 特開平１１−２１６１３９号公報 特開２００４−０５７６５３号公報 特表２００５−５０７６９１号公報 特表２００２−５４３９５２号公報

Ａｂｏｌｈａｓｓａｎｉ，ｅｔ．ａｌ．，"Ｎｅｅｄｌｅ ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｉｎｔｏ ｓｏｆｔ ｔｉｓｓｕｅ： Ａ ｓｕｒｖｅｙ"， Ｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ２９（２００７），４１３−４３１

しかしながら、実際の針状手術器具の刺入に当たり、患者毎に異なる臓器の弾性力学的な数値をリアルタイムに利用することについては、先行技術文献のいずれにも提案されていない。そこで、本発明の目的は、刺入中に超音波画像や磁気共鳴画像といった断層画像で観察しつつ、かつ患者固有の弾性力学的数値に基づいて臓器の変形予測を正確に行い、針状手術器具を患者の深部にある臓器に安全かつ正確に刺入できるようにすることにある。

この目的を達成するため、本発明の針状手術器具の刺入支援装置は、次のような技術的手段を講じた。
すなわち、
（１）断層画像撮像装置により撮像した臓器の断層画像に基づいて、臓器の形状及び刺入された針状手術器具の形状の数値情報、並びに両者の位置の数値情報を演算する手段と、臓器に微小な振動を与える振動手段と、前記断層画像撮像装置によるエラストグラフィによって、前記振動手段による臓器の振動を解析し、臓器の弾性力学的数値分布を演算する弾性力学的数値分布演算手段と、該弾性力学的数値分布演算手段により求めた前記臓器の弾性力学的数値分布と、前記針状手術器具について予め入力された弾性力学的数値とに基づいて、前記針状手術器具の刺入による前記臓器と前記針状手術器具の弾性力学的変形を数値的に予測する弾性力学的変形予測手段と、該弾性力学的変形予測手段による予測結果に基づいて、前記針状手術器具を刺入する際の支援情報を提示する支援情報提示手段とを具備させた。

（２）上記（１）の針状手術器具の刺入支援装置において、前記支援情報を、前記針状手術器具を操作する穿刺マニピュレータへの制御情報とした。

（３）上記（１）、（２）の針状手術器具の刺入支援装置において、前記支援情報をディスプレイに表示するようにした。

（４）上記（１）〜（３）の針状手術器具の刺入支援装置において、前記支援情報を音声表示するようにした。

（５）上記（１）〜（４）の針状手術器具の刺入支援装置において、前記支援情報を力覚提示するようにした。

（６）上記（１）ないし（５）の針状手術器具の刺入支援装置において、前記エラストグラフィを、針状手術器具の基部であって、刺入時患者の皮膚に接触する基部に配設した振動素子により患者の内臓を振動させることにより行うようにした。

（７）上記（１）ないし（５）の針状手術器具の刺入支援装置において、前記エラストグラフィを、断層画像撮像装置内部に配設した振動素子により患者の内臓を振動させることにより行うようにした。

（８）上記（１）ないし（５）の針状手術器具の刺入支援装置において、前記エラストグラフィを、前記針状手術器具に配設した振動素子により患者の内臓を振動させることにより行うようにした。

本発明によれば、臓器の形状及び刺入された針状手術器具の位置、形状情報及びエラストグラフィによって演算された臓器の弾性力学的数値分布に基づいて、診断治療を行うべき臓器と針状手術器具の弾性力学的変形を数値的に予測し、針状手術器具を刺入する際の支援情報を提示したり、穿刺マニピュレータへの制御情報とすることができるので、針状手術器具を患者の深部にある臓器に安全かつ正確に刺入することが可能となる。

磁気共鳴画像装置内のベッドに置かれた患者の肝臓内にある腫瘍に磁気共鳴画像で観察しながら注射針を穿刺マニピュレータによって刺入する実施例を示す。 本発明の実施例に関わる刺入支援装置を使用した際のブロック図を示す。

この発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。

図１には、磁気共鳴画像装置１内のベッド２に横たわった患者３の肝臓４内にある腫瘍５に、注射針８を穿刺マニピュレータ９により刺入する様子を示している。注射針８は周辺組織６を介して肝臓４を穿刺している。また穿刺経路周辺には腫瘍５の他に、大血管などの重要組織７がある。
図１に示されている実施例においては、針状手術器具の刺入到達目標は腫瘍５で、刺入対象は肝臓４や腫瘍５、周辺組織６で、断層画像を撮像する手段として磁気共鳴画像装置１を、針状手術器具として、腫瘍５へ薬液を注射する注射針８を使用し、その刺入は穿刺マニピュレータ９により実行される。穿刺マニピュレータ９は制御情報に基づいて精密に制御されるようになっている。患者３の腹部に接触する基端部に振動素子１０が配設されており、術前、術中に、患者の腹部に振動を与えるようになっている。

図示されていないが実施例では、位置形状数値演算手段と弾性力学的数値分布演算手段、境界条件入力手段、変形予測手段、穿刺計画決定手段を備えたコンピュータ等からなる計算機と、支援情報を提示するディスプレイ等からなる支援情報提示装置が設けられている。

図２は、実施例の刺入支援装置を使用した際のブロック図を示している。本発明の特徴点であるエラストグラフィを用いた臓器変形予測手段について説明する。

術前または術中に得られた断層画像は計算機に取り込まれ、周知の位置形状数値情報演算手段により、肝臓４と腫瘍５、周辺組織６と注射針８の位置と形状の数値情報が演算される。また、周知の手段により肝臓４と周辺組織と注射針８は有限個の要素に離散化される。

この実施例では、振動素子１０によって肝臓４や腫瘍５、周辺組織６に機械的振動を加えると同時に磁気共鳴画像装置１により断層画像を撮像し、周知のエラストグラフィを用いて弾性力学的数値分布を演算することができる。

また、ベッド２による患者３の拘束、肝臓４や周辺組織６と注射針８との間に生ずる切削力や摩擦力といった境界条件を入力する。穿刺中であれば術前断層画像との差や、穿刺マニピュレータ９等に取り付けられた力覚センサ等周知の手法を用いて得られた状態を境界条件として加えることが出来る。

変形予測には周知の有限要素法を用いる。有限要素法では、支配方程式と有限個に離散化された要素の位置形状情報と弾性力学的数値、境界条件が必要とされる。支配方程式は歪みと応力の関係を記述する式で、ここではフックの法則や大変形の予測に適したMooney-Rivlin式などを用いる。前述の位置形状数値情報演算手段により演算された肝臓４と腫瘍５、周辺組織６と注射針８の位置と形状の数値情報、前述のエラストグラフィを用いて解析した弾性力学的数値、前述の入力された境界条件がそれぞれ使用される。未知の数値条件については統計的数値を用いるか、既知の数値条件から推定するが、その方法はここでは特定しない。

注射針８の刺入位置と方向、刺入力、刺入速度を適当に選び、これを初期条件として設定する。そして境界条件と支配方程式を満たす各要素の歪みと応力を、線形方程式や非線形方程式の周知の解法を用いて求める。注射針８を漸次刺入させたときの境界条件を繰り返し計算することで、この時の注射針８と肝臓４と腫瘍５、周辺組織６の変形を予測する。

この注射針８の刺入位置と方向、刺入力、刺入速度などの初期条件を変えて変形予測を繰り返すことで、最適な刺入計画を見つける。最適な計画は正確に目標位置に到達できることと、大血管などの重要組織７に注射針８が干渉しないことなどである。

決定された穿刺計画に基づき、支援情報が決定され提示される。支援情報としては、刺入位置や方向、刺入力、刺入速度等である。これらの支援情報が穿刺マニピュレータ９の制御情報に変換され、穿刺が実行される。穿刺マニピュレータ９や注射針８に注射針８の刺入方向を能動的に変える機能がある場合は、その制御情報として支援情報を利用することができる。

穿刺マニピュレータ９は制御情報に基づき、穿刺を実行する。

穿刺中は磁気共鳴画像を撮像し、注射針８と肝臓４や腫瘍５、周辺臓器６の様子が観察され、腫瘍５に到達したか、重要臓器７に干渉しないか、注射針８が予測された経路から大幅に外れていないかを確認する。

刺入到達目標に到達した場合は穿刺を終了し、所要の治療や診断を行う。

注射針８の刺入経路、あるいは刺入力とその予測との差異が所定値以下であれば、策定された刺入計画に沿って刺入を継続する。所定値以上の場合や、重要臓器７に干渉しそうになれば、穿刺の中止や再計画を行う。この際、前述の位置形状数値情報演算手段による注射針８と肝臓４や腫瘍５、周辺組織６の位置と形状の数値情報の演算、エラストグラフィによる肝臓４や腫瘍５、周辺組織６の弾性力学的数値分布演算、変形予測に基づいて、刺入計画を再度策定し、上述のフローを繰り返す。

上記の実施例では、断層画像を撮像する手段として磁気共鳴画像装置１を使用した場合について説明したが、超音波画像装置を使用した場合にも有効である。

上記の実施例では、注射針８を刺入する手段として穿刺マニピュレータ９を使用した場合について説明したが、医師によるマニュアル穿刺の場合にも有効である。その際は、例えば、策定した刺入計画に基づく注射針８の刺入位置や方向、付与すべき刺入力を、ディスプレイ上や音声、力覚提示装置で支援情報として医師に提示し、再度刺入計画を策定する必要が生じた場合は、警告を行い、刺入計画再策定のための注射針の微少操作などを促す。

また、上記の実施例では、エラストグラフィを行うため、注射針８の基端部に振動素子１０を設けたが、磁気共鳴画像装置１の内部等に、患者の体内組織に振動を与える振動装置を配しても、注射針８に配することで肝臓４の深部に効率的に振動を伝えるようにしてもよい。

本発明は患者の深部にある臓器から病変のサンプルを採る生検や、病変への薬液の注射、針状手術器具による放射線照射、加熱などの処置に際し、刺入位置の正確性、安全性を格段に高める装置として広く利用可能である。

１ 磁気共鳴画像装置
２ ベッド
３ 患者
４ 臓器
５ 腫瘍
６ 周辺組織
７ 重要組織
８ 注射針
９ 穿刺マニピュレータ
１０ 振動素子

Claims (8)

1. 断層画像撮像装置により撮像した臓器の断層画像に基づいて、臓器の形状及び刺入された針状手術器具の形状の数値情報、並びに両者の位置の数値情報を演算する手段と、
   臓器に微小な振動を与える振動手段と、
   前記断層画像撮像装置によるエラストグラフィによって、前記振動手段による臓器の振動を解析し、臓器の弾性力学的数値分布を演算する弾性力学的数値分布演算手段と、
   該弾性力学的数値分布演算手段により求めた前記臓器の弾性力学的数値分布と、前記針状手術器具について予め入力された弾性力学的数値とに基づいて、前記針状手術器具の刺入による前記臓器と前記針状手術器具の弾性力学的変形を数値的に予測する弾性力学的変形予測手段と、
   該弾性力学的変形予測手段による予測結果に基づいて、前記針状手術器具を刺入する際の支援情報を提示する支援情報提示手段とからなる針状手術器具の刺入支援装置。
2. 前記支援情報を、前記針状手術器具を操作する穿刺マニピュレータへの制御情報としたことを特徴とする請求項１記載の針状手術器具の刺入支援装置。
3. 前記支援情報をディスプレイに表示するようにした請求項１または２記載の針状手術器具の刺入支援装置。
4. 前記支援情報を音声表示するようにした請求項１ないし３記載の針状手術器具の刺入支援装置。
5. 前記支援情報を力覚提示するようにした請求項１ないし４記載の針状手術器具の刺入支援装置。
6. 前記エラストグラフィを、針状手術器具の基部であって、刺入時患者の皮膚に接触する基部に配設した振動素子により患者の内臓を振動させることにより行うようにした請求項１ないし５記載の針状手術器具の刺入支援装置。
7. 前記エラストグラフィを、断層画像撮像装置内部に配設した振動素子により患者の内臓を振動させることにより行うようにした請求項１ないし５記載の針状手術器具の刺入支援装置。
8. 前記エラストグラフィを、前記針状手術器具に配設した振動素子により患者の内臓を振動させることにより行うようにした請求項１ないし５記載の針状手術器具の刺入支援装置。