JP2012217805A - 手術支援システム及びコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】術前に、手術対象物の適切な切離ラインを把握することができるようにする。
【解決手段】切離された手術対象物Ｌを表示するための手術支援システム１であって、処理を実行する処理装置２を備えている。前記処理装置２は、手術対象物の切離位置の入力を受け付ける位置入力処理と、前記位置入力処理によって入力された前記切離位置の部分が切離された手術対象物の画像データを生成する画像生成処理と、手術対象物の画像データを表示装置に表示させる表示処理と、を実行する。前記処理装置２は、前記位置入力処理、前記画像生成処理、前記表示処理を含む一連の処理を繰り返し実行して、切離がインタラクティブに行えるよう構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、手術支援システム及びコンピュータプログラムに関するものである。

近年、ＣＴやＭＲ画像等の高精細医用画像から患者の体内について、より詳細な所見及び観測が可能となっている。非特許文献１には、ＣＴやＭＲ画像などを用いた手術支援システムについて開示されている。

井関洋，南部恭二郎，"ディジタル画像の手術システムへの応用−医療情報の可視化−"，日本放射線技術学会雑誌，pp.891-895，2001

手術支援システムとして、肝臓などの手術対象物の切離ラインを術前に確認できるシステムが望まれる。
つまり、手術対象物の内部の様子は、ＣＴ等の高精細医用画像を確認することで、術前にある程度は把握することが可能である。しかし、ＣＴ等の高精細医用画像を見るだけでは、実際の手術において、手術対象物の、どの位置をどの方向から切離すれば、どのような部位が表れるのかを的確に把握することは困難である。つまり、ＣＴ等の高精細医用画像を見るだけでは、術前に、手術対象物の適切な切離ラインを確認することが困難である。

手術対象物の切離をシミュレーションで表現する場合、手術対象物に対してユーザが切離ラインを設定しておき、設定された切離ラインに従って一刀両断的に切離された後の手術対象物を表示することも考えられる。この場合、切離された後の手術対象物の様子を確認することはできるが、より適切な切離ラインを把握することは困難である。

そこで、本発明は、術前に、手術対象物の適切な切離ラインを把握することができるようにすることを目的とする。

（１）本発明は、切離された手術対象物を表示するための手術支援システムであって、処理を実行する処理装置を備え、前記処理装置は、手術対象物の切離位置の入力を受け付ける位置入力処理と、前記位置入力処理によって入力された前記切離位置の部分が切離された手術対象物の画像データを生成する画像生成処理と、手術対象物の画像データを表示装置に表示させる表示処理と、を実行するものであり、前記処理装置は、前記位置入力処理、前記画像生成処理、前記表示処理を含む一連の処理を繰り返し実行して、切離がインタラクティブに行えるよう構成されていることを特徴とする手術支援システムである。

（２）前記表示処理における複数の表示モードを切り替え可能であり、前記複数の表示モードとして、前記手術対象物の表面だけを視認可能な表面表示モードと、前記手術対象物の内部を視認可能な内部表示モードと、が含まれるのが好ましい。

（３）前記表示切替処理は、前記位置入力処理、前記画像生成処理、前記表示処理を含む一連の処理が繰り返し実行される途中において、前記表示モードの切り替えを指示する入力を受け付けることで実行されるのが好ましい。

（４）前記画像生成処理では、前記位置入力処理によって入力された前記切離位置の周囲の所定領域を除去することで、切離後手術対象物の画像データを生成することができる。

（５）前記手術対象物の画像データには、前記手術対象物の特定部分の領域を示すデータが含まれ、前記画像生成処理において除去される前記所定領域の大きさは、前記特定部分と、前記手術対象物における前記特定部分以外の部分と、では異なるように設定されているのが好ましい。

（６）前記画像生成処理において除去される前記所定領域の大きさは、前記特定部分の方が、前記手術対象物における前記特定部分以外の部分よりも、小さく設定されているのが好ましい。

（７）前記特定部分は、前記手術対象物中の血管とすることができる。

（８）前記手術対象物には、位置入力処理によって切離位置が入力されても切離されない切離不可領域が設定されているのが好ましい。

（９）前記切離不可領域は、腫瘍を含む領域であるのが好ましい。

（１０）前記位置入力処理は、前記表示装置に表示されている前記手術対象物上に表示された切離位置表示体の位置を、前記切離位置の入力として受け付けるものであるのが好ましい。

（１１）他の観点からみた本発明は、コンピュータを前記（１）〜（１０のいずれか１項に記載の処理装置として機能させるためのコンピュータプログラムである。

本発明によれば、術前に、手術対象物の適切な切離ラインを確認することができる。

手術支援システムの構成図である。 処理装置による処理のフローチャートである。 肝臓の各部の画像データである。 （ａ）は肝臓画像データの表示画面中の切離位置表示体を示す図であり、（ｂ）は切離位置表示体及びその周囲の切除領域を示す図である。 肝臓が切離される様子を示す図である。 表示モードの状態遷移図である。 （ａ）は表面表示モードでの肝臓の画像データであり、（ｂ）は内部表示モードでも肝臓の画像データである。 肝臓が切離される様子を示す図である。 （ａ）は２つの切除領域を示す図であり、（ｂ）は血管を含む領域の切除前の模式図であり、（ｃ）は血管を含む領域の切除後の模式図である。 肝臓に設定された切離不可領域を示す図である。 画面の表示例である。 画面の表示例である。 切離位置表示体とそれに付随する補助線を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
［１．手術支援システムの全体構成］
図１は、手術支援システム１を示している。この手術支援システム１は、処理装置２、表示装置３、及び入力装置４を備えている。処理装置２は、ＣＰＵ及びメモリ等の記憶媒体を備えたコンピュータによって構成されている。表示装置３は、処理装置２に接続されたディスプレイ等によって構成されている。入力装置４は、処理装置２に接続されたキーボード、マウス、３次元入力デバイス等によって構成されている。

処理装置２を構成するコンピュータには、当該コンピュータを手術支援システムの処理装置２として機能させるためのコンピュータプログラムがインストールされている。以下に説明する処理装置２の機能は、当該コンピュータプログラムがコンピュータによって実行されることによって発揮されるものである。

［２．システムの処理］
まず、処理装置２は、手術対象物の画像データ（ボリュームデータ）の読み込みを行う（ステップＳ１）。手術対象物の画像データは、処理装置２内部に保存されていてもよいし、処理装置２の外部に保存されていてもよい。
図３は、手術対象物としての肝臓の画像データを示している。図３の画像は、複数の腹部ＣＴ画像から生成されたものである。図３（ａ）〜図３（ｃ）は肝臓内の血管の画像データであり、図３（ａ）は肝動脈相、図３（ｂ）は門脈相、図３（ｃ）は肝静脈の画像データを示している。また、図３（ｄ）は肝部（肝実質）の画像データを示している。なお、肝部の画像データは肝臓内の腫瘍をも示すものであってもよい。
なお、以下では、肝臓手術の実質切離を例として説明するが、手術対象物が肝臓に限定されるものではない。

図３の４つの画像データは、合成され、肝部内の血管配置が表現された肝臓Ｌの画像データが得られる。合成直後の初期の肝臓Ｌの画像データは、後述の表示処理（ステップＳ８）と同様の表示処理にて、表示装置の画面に表示される。

本実施形態のシステム１では、表示された肝臓の切離位置を指定するためのデバイスとして３次元入力デバイス４ｃを用いる。つまり、本実施形態のシステム１において、３次元入力デバイス４ｃは、手術対象物である肝臓を切離する仮想メスとして機能する。なお、３次元入力デバイス４ｃとしては、例えば、ハップティックデバイスを利用することができるが、それに限定されるものではない。

ユーザ（医師）が、３次元入力デバイス４ｃを操作すると、３次元での操作移動量及び移動方向が、処理装置２に与えられる。３次元入力デバイス４ｃの操作に応じて、肝臓Ｌの画像データとともに画面上に表示された切離位置表示体Ｐが移動する。図４（ａ）において、切離位置表示体Ｐは、球状体として表されている。この切離位置表示体Ｐは、３次元入力デバイス４ｃの入力に応じて、３次元画像データで示される肝臓Ｌの内外の任意の位置に移動することができる。
本システム１において、切離位置表示体Ｐは、仮想メスの位置に相当する。したがって、切離位置表示体Ｐを肝臓Ｌの位置に移動させると、その位置を切離することができる。

図４（ｂ）に示すように、切離位置表示体Ｐの周囲には、所定の大きさの切除領域（所定領域）Ｃが設定されている。切除領域は、立方体形状の透明な領域として設定されている。切離位置表示体Ｐを肝臓の位置に移動させると、肝臓の画像データは、その切離位置表示体Ｐの周囲の切除領域Ｃに相当する部分が除去される。

なお、実際には、切離モードにあるときに、切離位置表示体Ｐを肝臓の位置に移動させると、その位置を切離することができるが、非切離モードにあるときに、切離位置表示体Ｐを肝臓の位置に移動させても、切離できない。
ここでは、ステップＳ２において切離モードにあると判定されたものとして説明し、非切離モードについては後述する。

図５（ａ）に示すように肝臓Ｌの外側に位置している切離位置表示体Ｐが、図５（ｂ）に示すように肝臓内部に向けて移動したものとする。この移動は、新たな切離位置が入力されたことに相当する（ステップＳ３；位置入力処理）。
切離位置表示体Ｐの位置が切離可能であるかの判定（ステップＳ４；詳細は後述）の後、その切離位置表示体Ｐの周囲の切除領域Ｃと肝臓Ｌの画像データとの合成が行われる（ステップＳ５；画像生成処理）。切除領域Ｃは、透明な領域であるから、肝臓Ｌの画像データとの合成が行われると、肝臓Ｌの画像データのうち、切除領域Ｃに相当する部分が除去された画像データが生成される。図５（ｃ）は、切除領域Ｃに相当する部分が除去された肝臓Ｌの画像データを示している。

切除領域は立方体であるため、除去された部分は、不自然に角ばった形状となっている。そこで、除去された部分のスムージング処理が行われる（ステップＳ６）。図５（ｄ）に示すように、スムージング処理によって、除去された部分は、その周囲の肝臓の形状との連続感のある形状に整形される。

そして、肝臓Ｌの画像データの各部（図３（ａ）〜（ｄ））の表面の色の設定と透明度の設定（再設定）が行われる。（表面処理；ステップＳ７）。色と透明度が設定された肝臓Ｌの画像データが表示処理にて表示装置に表示される（ステップＳ８）。
また、図３の４つの画像データに対応する各部は、それぞれ異なる色で表示されるように、それぞれの画像データの表面に異なる色が設定される。

肝臓Ｌの画像データの表示は、表示モードに従って行われる。本実施形態のシステム１において、肝臓の画像データの表示モードには、図６に示すように、表面表示モードＭ１と内部表示モードＭ２とがある。

表面表示モードＭ１は、手術対象物である肝臓の表面を表示するモードであり、肝臓の内部構造（血管又は腫瘍など）は見えない。図７（ａ）は、表面表示モードＭ１での肝臓Ｌの画像データ（ただし、切離前）の表示例を示している。表面表示モードでは、ステップＳ７において、肝部の表面の色として、不透明（透明度＝０）の色が設定される。表面表示モードは、実際の手術時において、医師が視認できる肝臓の形態を擬似的に示していることになる。

内部表示モードＭ２は、手術対象物である肝臓の表面形状とともに、肝臓の内部構造（血管又は腫瘍など）を可視化して表示するモードである。図７（ｂ）は、図７（ａ）と同様の肝臓Ｌの画像データを内部表示モードＭ２で表示した例を示している。内部表示モードでは、ステップＳ７において、肝部の表面の色として、有色透明の色（完全な透明と不透明の中間の透明度）が設定される。内部表示モードでは、まだ切除されていない部分の奥にある内部構造（血管等）を示すことができる。

なお、いずれのモードＭ１，Ｍ２においても、血管（図３（ａ）〜（ｃ）は、不透明の色が設定される。

表面表示モードＭ１と内部表示モードＭ２は、表示モード切替入力部４ａからの入力に応じて、切り替えられる。表示モードＭ１，Ｍ２の切替は、図２のステップＳ１より後の繰り返し処理の途中の任意の時点で行うことができる。つまり、本システムのユーザは、肝臓が表示されている間の任意の時点において表示モードＭ１，Ｍ２を切り替えて、所望の表示モードで肝臓を観察することができる。

なお、表示モード切替入力部４ａとしては、マウスに設けられたボタン、３次元入力デバイス４ｃに設けられたボタン、又はキーボードの任意のキーが利用される。表示モード切替入力部４ａとして用いられるボタン等を操作する度に、図４に示すように、モードが他方のモードに遷移し、モード切替が行われる。

また、ステップＳ６において、透明な切除領域Ｃを合成すると、合成前の肝臓Ｌの画像データに比べて、切除された部分の表面には、色が未設定となる。

表面だけに色が設定されている画像データにおいて表面が除去された部分があると、除去された部分から物体の内部が透明に見えるため、当該物体は中空の物体のように見える。そこで、肝部のように中実の物体の場合、中空に見えないように、ステップＳ７では、除去された部分について、肝部の他の表面と同じ色が設定される。
一方、血管のように中空の物体の場合、除去された部分から内部が中空に見えた方が、自然であるため、除去された部分には色が設定されない。つまり、血管の表面の色の設定は、肝臓Ｌの画像データ生成の初期段階で行われるだけである。

以上のステップＳ２〜ステップＳ８の処理は、繰り返し行われる。つまり、切離位置の入力（切離位置表示体Ｐの移動）と、肝臓Ｌの画像データの再生成・表示と、が、繰り返し行われる。したがって、ユーザ（医師）は、画面上の仮想的な肝臓Ｌに対する切離を徐々に行うことができる。
例えば、図５（ｄ）に示すように部分的に切離された肝臓Ｌの画像データが表示（ステップＳ８）されている状態から、さらに、図８（ａ）のように切離位置表示体Ｐをさらに肝臓Ｌ側に移動させると（ステップＳ３）、現在の肝臓Ｌの画像データと切除領域Ｃとの合成が行われ（ステップＳ５）、スムージング及び表面処理（ステップＳ６，Ｓ７）が行われ、切離がさらに進んだ肝臓Ｌの画像データが再表示される（ステップＳ８）。

したがって、本システム１によれば、ユーザは、少し切離を行ってみたときの肝臓Ｌの内部の様子を把握して、次に肝臓のどの位置をどの方向から切るかを決めることができる。このように、システム１とユーザとの間で、インタラクティブに切離を徐々に進めることができる。
インタラクティブに徐々に切離を行うため、肝臓Ｌの内部の様子を考慮して、術前に適切な切離ラインを確認することが可能となる。

しかも、本システム１では、実際の手術で視認できる形態と同様の表示が行われる表面表示モードＭ１で切離を進めつつも、必要に応じて、随時、内部表示モードＭ２に切り替えることで、実際の手術では見えない肝臓Ｌの奥の様子を把握しつつ、切離を進めることができる。したがって、より適切な切離ラインを確認することが可能である。

［３．切除領域（ステップＳ５）］
切離位置表示体Ｐの周囲に設定される切除領域Ｃに関し、図５及び図８では、単一の大きさのものを示したが、実際には、図９（ａ）に示すように、切離位置表示体Ｐに対して複数（２つ）の異なる大きさの切除領域Ｃ１，Ｃ２が設定されている。
第１の切除領域Ｃ１は、肝臓Ｌの画像データ中、肝部(図３（ｄ）)の領域を除去するために設定された領域であり、第２の切除領域Ｃ２は、肝臓Ｌの画像データ中、特定部分の血管（図３（ａ）〜（ｃ））の領域を除去するために設定された領域である。
血管が切除されにくくするため、第２切除領域Ｃ２の大きさは、第１切除領域Ｃ１よりも小さく設定されている。切離を効率的に進めるには、１つの切除領域が大きいほうが好ましいが、実質切離の場合、血管は切離を進める上での目印ともなるものであり、切除されないほうが好ましいことがある。

そこで、肝部に対する第１切除領域Ｃ１を大きくしつつ、血管に対する第２切除領域Ｃ２を小さくすることで、切離位置表示体Ｐの位置が同じでも、肝部はより大きく切除され、血管は切除されにくくなる。

例えば、図９（ｂ）に示すように、血管Ｂ付近の肝部ＬＳを切除する場合を考える。この場合、図９（ｃ）に示すように、肝部ＬＳは、第１切除領域Ｃ１によって血管Ｂ付近も除去されるが、血管Ｂは、第２切除領域Ｃ２外であるため、切除されない。このように、血管を残しつつ切離を進めることが容易となっている。

なお、第２切除領域Ｃ２によって切除される特定部分は、血管に限られず、他の部分であってもよい。他の部分としては、例えば、腫瘍の部分が挙げられる。

［４．切離モード・非切離モード（ステップＳ２）］
これまでの説明では、切離位置表示体Ｐの位置にある肝臓Ｌは、常に切離されることを前提として説明していたが、切離は、切離モードのときに行われ、非切離モードのときは、切離位置表示体Ｐが肝臓Ｌの位置にあっても、切離は行われない。

切離モードと非切離モードは、切離モード切替入力部４ｂからの入力に応じて、切り替えられる。切離・非切離モードの切替は、図２のステップＳ１より後の繰り返し処理の途中の任意の時点で行うことができる。つまり、本システムのユーザは、肝臓が表示されている間の任意の時点において切離・非切離モードを相互に切り替えることができる。
なお、切離モード切替入力部４ｂとしては、マウスに設けられたボタン、３次元入力デバイス４ｃに設けられたボタン、又はキーボードの任意のキーが利用される。

ステップＳ２において、非切離モードであると判定された場合、切離位置表示体Ｐを移動させるための３次元入力デバイス４ｃの入力があっても、当該入力に応じて切離位置表示体Ｐを移動させるだけで（ステップＳ９）、切離位置の入力とはみなさない。したがって、肝臓Ｌの画像データと切除領域Ｃ１，Ｃ２との合成も行われず、切除は行われない。

また、肝臓Ｌの画像データの表示画面では、切離位置表示体Ｐ付近（後方）の位置を視点とし、切離位置表示体Ｐの移動方向を視野方向とした視野の画像が表示されるため、切離位置表示体Ｐが移動すると、それに応じて、視野も変更される（ステップＳ９）。したがって、例えば、非切離モードで、切離位置表示体Ｐを肝臓Ｌの内部に移動させれば、未切離の肝臓Ｌの内部を観察することもできる。なお、切離位置表示体Ｐの移動に応じて視野が変更される点については、切離モードでも同様に行われる。

［５．切離不可領域（ステップＳ４）］
切離モードであっても、図１０に示すように、手術対象物である肝臓Ｌの画像データに切離不可領域Ｎが設定されている場合には、その切離不可領域Ｎを切離することはできない。切離不可領域Ｎは、例えば、腫瘍を含む領域である。腫瘍を摘出する場合、腫瘍の周囲を切除することになるため、多くの場合、切離不可領域Ｎは腫瘍の範囲より大きく設定される。

切離ラインを確認する上で、本来の手術で切離されるべきでない腫瘍自体が切離されることは無意味であるから、ユーザが誤って腫瘍内に切離位置表示体Ｐを移動させても、切除が生じないようにすることで、利便性が高まっている。
なお、切離不可領域Ｎ内に切離位置表示体Ｐが進入した場合には、非切離モードと同様に、ステップＳ９の処理が行われる。

［６．表示例］
図１１及び図１２は、表示装置３による肝臓Ｌの画像データの表示例を示している。図１１は、切離前の肝臓を表示する画面であり、図１２は切離中の肝臓を表示する画面である。
表示装置３では、図１１及び図１２に示すように、４つの画面を同時に表示することができる。左上の画面は、球状の表示位置表示体Ｐの後方を視点として、表示位置表示体Ｐの移動方向を視野方向とした表示画面である。なお、図１１の左上の画面では、非切離モードかつ表面表示モードで切離位置表示体Ｐが肝臓Ｌの内部に侵入しているため、切離位置表示体Ｐが見えない状態にある。なお、左上の画面では、表示される肝臓Ｌの大きさは、拡大縮小可能である。

他の３つの画面（右上、左下、右下の画面）は、肝臓Ｌの全体をそれぞれ異なる方向から表示して、切離中の肝臓Ｌの全体的な形態や切離位置表示体Ｐの位置をユーザに容易に把握させる。なお、当該他の３つの画面は、常に内部表示モードで表示され、左上の画面は、内部表示モードと表面表示モードとを切替可能である。

また、４つの画面間の関係の理解の容易のため、各画面の位置表示体Ｐには、図１３にも示すような３次元直交補助線Ｘ，Ｙ，Ｚが付随して表示される。各補助線Ｘ，Ｙ，Ｚは、それぞれ異なる色で表示され、４つの画面間で、同じ方向は同じ色で示されている。したがって、同一の肝臓Ｌを４つの画面で異なる方向・大きさで表示しても、ユーザが、画面相互の関係を理解しやすく、肝臓Ｌの３次元的構造や切離位置表示体Ｐの３次元位置を把握するのが容易となっている。

なお、上記において開示した事項は、例示であって、本発明を限定するものではなく、様々な変形が可能である。また、本実施形態のシステム１は、術前に切離ライン確認に用いるだけでなく、術者の教育目的など他の目的にも利用することができる。

１ 手術支援システム
２ 処理装置
３ 表示装置
４ 入力装置
４ａ 表示モード切替入力部
４ｂ 切離モード切替入力部
４ｃ ３次元入力デバイス
Ｐ 切離位置表示体
Ｃ 切除領域
Ｃ１ 第１切除領域
Ｃ２ 第２切除領域

Claims (11)

1. 切離された手術対象物を表示するための手術支援システムであって、
   処理を実行する処理装置を備え、
   前記処理装置は、
   手術対象物の切離位置の入力を受け付ける位置入力処理と、
   前記位置入力処理によって入力された前記切離位置の部分が切離された手術対象物の画像データを生成する画像生成処理と、
   手術対象物の画像データを表示装置に表示させる表示処理と、
   を実行するものであり、
   前記処理装置は、
   前記位置入力処理、前記画像生成処理、前記表示処理を含む一連の処理を繰り返し実行して、切離がインタラクティブに行えるよう構成されている
   ことを特徴とする手術支援システム。
2. 前記表示処理における複数の表示モードを切り替え可能であり、
   前記複数の表示モードとして、
   前記手術対象物の表面だけを視認可能な表面表示モードと、
   前記手術対象物の内部を視認可能な内部表示モードと、
   が含まれる
   請求項１記載の手術支援システム。
3. 前記表示切替処理は、前記位置入力処理、前記画像生成処理、前記表示処理を含む一連の処理が繰り返し実行される途中において、前記表示モードの切り替えを指示する入力を受け付けることで実行される
   請求項２記載の手術支援システム。
4. 前記画像生成処理では、前記位置入力処理によって入力された前記切離位置の周囲の所定領域を除去することで、切離後手術対象物の画像データを生成する
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の手術支援システム。
5. 前記手術対象物の画像データには、前記手術対象物の特定部分の領域を示すデータが含まれ、
   前記画像生成処理において除去される前記所定領域の大きさは、前記特定部分と、前記手術対象物における前記特定部分以外の部分と、では異なるように設定されている
   請求項４記載の手術支援システム。
6. 前記画像生成処理において除去される前記所定領域の大きさは、前記特定部分の方が、前記手術対象物における前記特定部分以外の部分よりも、小さく設定されている
   請求項５記載の手術支援システム。
7. 前記特定部分は、前記手術対象物中の血管である
   請求項５又は６記載の手術支援システム。
8. 前記手術対象物には、位置入力処理によって切離位置が入力されても切離されない切離不可領域が設定されている
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の手術支援システム。
9. 前記切離不可領域は、腫瘍を含む領域である
   請求項８記載の手術支援システム。
10. 前記位置入力処理は、前記表示装置に表示されている前記手術対象物上に表示された切離位置表示体の位置を、前記切離位置の入力として受け付けるものである
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の手術支援システム。
11. コンピュータを請求項１〜１０のいずれか１項に記載の処理装置として機能させるためのコンピュータプログラム。