JP2014097220A - 手術支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】手術計画段階のインプラント部品の挿入状態と、術中に得られるＸ線撮影画像におけるインプラント部品の挿入状態との対比を容易にする手術支援装置を提供する。
【解決手段】実施形態の手術支援装置は、関節と前記関節を介して可動する第１の骨部と第２の骨部とを含む患部を撮像した３次元画像から、第１、第２の骨オブジェクトとが夫々分離、抽出された３次元オブジェクト画像を生成する骨オブジェクト抽出部と、前記患部を術中に撮影するＸ線画像における前記第１、第２の骨部の輪郭を抽出して術中Ｘ線輪郭画像を生成する一方、前記第１の骨オブジェクトと前記第２の骨オブジェクトとが、前記術中Ｘ線輪郭画像の前記第１の骨部と前記第２の骨部のそれぞれの輪郭に合致するように前記３次元オブジェクト画像を位置合わせして参照画像を生成するオブジェクト位置合わせ部と、前記Ｘ線画像と前記参照画像とを表示する表示部と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、手術支援装置に関する。

変形性股関節症やリウマチ等の股関節の病気の治療法として、骨頭壊死などで傷ついた損傷面を取り除いて人工股関節に置換する人工股関節形成術が知られている。人工股関節形成術では、通常、大腿骨頭を切除した後、ステム、大腿骨ヘッド、ライナー、臼蓋カップと呼ばれる４つのインプラント部品を患者の股関節部に埋め込む。

股関節の状態は患者ごとに異なるため、患者に応じてインプラント部品を適切に選択し、インプラント部品の挿入位置を患者に応じて決めることが重要となる。そこで、手術前に、当該患者のＣＴ画像を用いて、３次元的に最適なインプラント部品のサイズや、インプラント部品の挿入位置を手術計画として立案することが行われている（例えば、特許文献１等参照）。

また、手術中に患者をＸ線撮影装置で撮像し、得られたＸ線撮影画像を見ながら、インプラント部品の挿入位置を随時確認しつつ手術を進めるといったこともしばしば行われている。

特開２００６−２６３２４１号公報

手術計画で使用されるＣＴ画像は、通常、患者を仰臥位（仰向け）にさせた状態で撮影され、患者の膝や大腿部も真直ぐに伸びた状態で撮像される。一方、股関節置換手術は患者を側臥位の状態にして行われるため、膝や大腿は屈曲した状態となる。したがって、術中に撮像されるＸ線撮影画像と事前に撮影されたＣＴ画像とでは、手術対象となる関節の曲り具合が異なる。このため、術中に２つの画像を比較しようとしても、両画像における関節やインプラント部品の対応関係が分かりづらい。

また、術中の患者は側臥位であるため、術者の患者を医師が見る視線方向と、手術計画でのＣＴ画像の撮像方向とは異なる。このため、術中のインプラント部品の挿入状態が、手術計画時の期待する状態に合っているのか否かを、ＣＴ画像を参照して確認しようとしても、対応関係が分かりづらい。

一方、近年では、患者への負担を減らす等の観点から、非常に狭い切開領域（例えば、１０ｃｍ以下の切開領域）から侵入して手術を行う、最小侵襲手術（MIS: Minimum Invasive Surgery）がしばしば行われるようになっている。この種の最小侵襲手術では、切開範囲が狭いため、術中に内部の大腿骨とインプラント部品との位置関係が分かりづらく、インプラント部品が正しい位置、正しい角度で挿入されているかが分かりづらい。また、切開範囲が狭いことにより、術中に傷つけてはならない血管や神経の走行状態を把握しづらいという問題もある。

そこで、手術計画段階のインプラント部品の挿入状態と、術中に得られるＸ線撮影画像におけるインプラント部品の挿入状態との対比を容易にする一方、術者が狭い切開範囲から見る術中のインプラント部品の挿入状態やその周囲の状態と、手術計画段階におけるインプラント部品の挿入状態やその周囲状態との対比を容易にする手術支援装置が要望されている。

実施形態の手術支援装置は、患者の関節を人工関節で置換する手術を支援する手術支援装置において、前記関節と前記関節を介して可動する第１の骨部と第２の骨部とを含む患部を撮像した３次元画像から、前記第１の骨部に対応する第１の骨オブジェクトと、前記第２の骨部に対応する第２の骨オブジェクトとが夫々分離、抽出された３次元オブジェクト画像を生成する骨オブジェクト抽出部と、前記患部を撮影するＸ線画像を前記患者の術中に入力し、入力した前記Ｘ線画像における前記第１の骨部と前記第２の骨部の輪郭を抽出して術中Ｘ線輪郭画像を生成する一方、前記第１の骨オブジェクトと前記第２の骨オブジェクトとが、前記術中Ｘ線輪郭画像の前記第１の骨部と前記第２の骨部のそれぞれの輪郭に合致するように前記３次元オブジェクト画像を位置合わせして参照画像を生成するオブジェクト位置合わせ部と、前記Ｘ線画像と前記参照画像とを表示する表示部と、を備えたことを特徴とする。

第１の実施形態の手術支援装置の構成例を示す図。 ３次元画像データから骨オブジェクトを分離、抽出する処理の概念を説明する図。 術中Ｘ線輪郭画像の概念を説明する図。 ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）と術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入前）とを位置合わせする処理の概念を示す図。 ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）と術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入後）とを位置合わせする処理の概念を示す図。 表示部に表示する画像の他の例を示す第１の図。 表示部に表示する画像の他の例を示す第２の図。 第２の実施形態の手術支援装置の構成例を示す図。 第２の実施形態における、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像を術者の視線方向から見た画像として表示する例を示す図。 第３の実施形態において、３次元画像データから骨オブジェクトと血管／神経オブジェクトとを分離、抽出する処理の概念を説明する図。 血管／神経オブジェクト付きのＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）と術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入前）とを位置合わせする処理の概念を示す図。 血管／神経オブジェクト付きのＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）と術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入後）とを位置合わせする処理の概念を示す図。 血管／神経オブジェクト付きのＣＴオブジェクト３Ｄ画像を術者の視線方向から見た画像として表示する例を示す図。 実施形態の手術支援装置を人工膝関節置換手術に適用する例を説明する第１の図。 実施形態の手術支援装置を人工膝関節置換手術に適用する例を説明する第２の図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

実施形態の手術支援装置１は、股関節や膝関節等の関節を人工関節で置換する手術を支援する装置である。以下、人工股関節置換手術を例にして手術支援装置１を説明するため、人工股関節置換手術について簡単に説明しておく。

人工股関節置換手術は、変形股関節症やリウマチなどの股関節の病気が悪化した場合に、骨頭壊死などで傷ついた股関節の損傷面を取り除き、人工股関節に置き換える手術である。人工股関節は、通常、ステム、大腿骨ヘッド、ライナー、臼蓋カップと呼ばれる４つのインプラント部品から構成される（図２の右下の図参照）。人工股関節置換手術は、手術の対象となる股関節が上側になるように患者を側臥位の状態で寝かせ、その状態で、概ね、以下の手順で行われる。

（１）患部である股関節を露出させるために皮膚等を切開する。（２）大腿骨頭（大腿骨の股関節側の頭部）を除去する。（３）臼蓋（骨盤側関節部の凹部）を処理する。（４）処理した骨盤側関節部の凹部にインプラント部品である臼蓋カップを挿入し、さらにその上からライナーを押し込む。（５）大腿骨髄腔を処理する。（６）処理した大腿骨髄腔にインプラント部品であるステムを挿入する。（７）ステムの頭部に大腿骨ヘッドを取り付ける。（８）大腿骨ヘッドを、ライナーを介して臼蓋カップに嵌合させ、その後傷口を閉じる。

上記の術中には、患部をＸ線装置で撮像し、術者（医師）は、このＸ線撮像によって得られる術中Ｘ線画像により、術中のインプラント部品（以下、単に部品と呼ぶ）の挿入位置を随時確認している。

一方、前述したように、術前計画においては、患者の患部を事前にＣＴ装置で撮像したＣＴ３次元画像が使用される。さらに、ＣＴ３次元画像から骨盤や大腿骨の骨部を骨オブジェクトとして抽出し、抽出した骨オブジェクトに対してステム等の部品を３Ｄポリゴン等でモデル化した部品オブジェクトを挿入し、適正な部品の選択や部品の適正な挿入位置を術前計画として事前に決定することも行われている。

しかしながら、術中のＸ線撮像は、通常、側臥位の状態の患者を撮像するため、術中Ｘ線画像は股関節が屈曲した状態の画像となる。これに対して、術前計画で使用されるＣＴ３次元画像は、通常、仰臥位の状態の患者を撮像した画像であるため、股関節や膝が伸びた状態の画像である。このため、術中Ｘ線画像と、術前計画で得られたＣＴ３次元画像とを術中に対比しようとしても、関節の曲り具合が両者で異なるため、術前計画で得られたＣＴ３次元画像を十分に活用することができなかった。

また、術者は側臥位の患者を上方向から見るため、術者の視線方向と、術前計画で得られたＣＴ３次元画像の表示方向は必ずしも一致せず、この観点からも術前計画で得られたＣＴ３次元画像を十分に活用することができなかった。

さらに、近年多く行われる最小侵襲手術の場合には、切開範囲が狭いため、術中に傷つけてはならない血管や神経の走行状態を把握しづらいという問題もあった。実施形態の手術支援装置１は、上記の問題を解決するものである。

（１）第１の実施形態
図１は第１の実施形態に係る手術支援装置１の構成例を示す図である。

実施形態の手術支援装置１は、３次元データ保存部１０、骨オブジェクト抽出部１２、ポリゴン部品挿入部１４、Ｘ線画像保存部２０、オブジェクト位置合わせ部３０、画像合成部４０、表示部５０、等を備えて構成される。また、オブジェクト位置合わせ部３０は、その内部構成として、オブジェクト回転部３２、オブジェクト輪郭投影画像生成部３４、Ｘ線画像骨部輪郭抽出部３６、Ｘ線画像位置合わせ基準点特定部３７、合致判定部３８等を有する。

図１に示す手術支援装置１は、例えば汎用のコンピュータ装置を基本ハードウェアとして用いることができる。そして、上記の表示部３４を除く各構成部はコンピュータ装置に搭載されたプロセッサにプログラムを実行させることにより実現できる。この場合、プログラムは、コンピュータ装置内の適宜の記憶装置に予め保存しておいてもよいし、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体に記録しておき、上記のコンピュータ装置に適宜インストールしてもよい。或いは、コンピュータ装置に接続されるネットワークを介して、プログラムをコンピュータ装置にインストールしてもよい。この他、上記の各構成部の一部又は総てを、ロジック回路やＡＳＩＣ等のハードウェアで実現することも可能である。或いは、上記の各構成部をハードウェアとソフトウェアとを組み合わせて実現することできる。

図１の３次元データ保存部１０には、手術の前にＣＴ装置２００で撮像した３次元画像データが保存される。この３次元画像データの撮像領域には、手術の対象となる関節、骨盤（第１の骨部）、大腿骨（第２の骨部）が含まれている。以下では、３次元画像データがＣＴ装置２００で撮像されたものとして説明するが、ＣＴ装置２００以外の撮像装置、例えば、ＭＲＩ装置で撮像された３次元画像データでもよい。

骨オブジェクト抽出部１２は、３次元データ保存部１０に保存された３次元画像データから、骨盤、右大腿骨、左大腿骨に対応する３次元オブジェクトデータ（以下、骨オブジェクトと呼ぶ）を抽出する。

具体的には、ＣＴ値が、例えば１０００ＨＵ以上の領域を骨の全体領域としてまず抽出する。そして、抽出された骨の全体領域に対して数ボクセル分、公知の膨張処理（Dilate）と縮小処理（Erode）といった画像処理を施すことによって、骨盤と左右の大腿骨にそれぞれ対応する骨オブジェクト（骨盤オブジェクトと、左右の大腿骨オブジェクト）を分離、抽出する。

図２（ａ）及び（ｂ）は、３次元画像データから骨オブジェクトを分離、抽出する処理の概念を説明する図である。図２（ａ）に示すように、ＣＴ装置２００は、通常、仰臥位の状態で患者を撮像し、３次元画像データを取得する。このため、この３次元画像データから骨オブジェクトを分離、抽出した画像（以下、この画像を、「ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）」と呼ぶ）では、図２（ｂ）に示すように、股関節が伸び、また、左右の大腿骨も略平行な状態の画像となる。

ポリゴン部品挿入部１４は、図２（ｃ）に示すように、手術対象部位である股関節に対応するＣＴオブジェクト３Ｄ画像の部位に、画像データとしてのインプラント部品４００を挿入する。前述したように、股関節置換手術におけるインプラント部品４００は、図２（ｃ）に示すように、臼蓋カップ４０２、ライナー４０４、大腿骨ヘッド４０６、ステム４０８と呼ばれる４つの部品からなる。ポリゴン部品挿入部１４は、これらのインプラント部品４００の３次元形状を３Ｄポリゴン等でモデル化した部品オブジェクトのデータを予め保有している。そして、ポリゴン部品挿入部１４は、これらの部品オブジェクトをＣＴオブジェクト３Ｄ画像内の所望の位置に配置することによって、部品挿入後のＣＴオブジェクト３Ｄ画像を生成する。なお、部品オブジェクトをＣＴオブジェクト３Ｄ画像内に「配置する」と、部品オブジェクトをＣＴオブジェクト３Ｄ画像に「挿入する」は、同じ意味で使用している。

部品オブジェクトのサイズや配置位置は、特許文献１等に開示されている公知技術を用いて決定することができる。或いは、マウス等を用いた手動操作によって、部品オブジェクトのサイズの調整や、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像に対する位置合わせを行ってもよい。

部品オブジェクトを配置するにあたり、骨盤の臼蓋部と大腿骨骨頭部の状態が、臼蓋カップ４０２とステム４０８のサイズに合わせて削った術後の状態になるように、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像を予め加工し、その後部品オブジェクトを配置するようにしても良い。また、元々、左右の大腿骨の脚長差がある場合は、部品オブジェクトの挿入に併せて、手術対象となる方の大腿骨の位置（骨盤との相対位置）をずらして位置合わせするようにしても良い。

部品オブジェクトの挿入前の大腿骨オブジェクトでは、大腿骨頭の中心が股関節の回転中心である。一方、部品オブジェクト挿入後では、挿入された部品オブジェクトのうち、大腿骨ヘッド４０６の中心が股関節の回転中心となる。ポリゴン部品挿入部１４は、これらの回転中心の３次元座標位置を求め、後述する術中Ｘ線画像との位置合わせに使用する基準点（以下、夫々、ＣＴ画像基準点（部品挿入前）、及びＣＴ画像基準点（部品挿入後）と呼ぶものとする）として保持する。

なお、位置合わせされた部品オブジェクトのうち、ステム４０８と大腿骨ヘッド４０６に対応する部品オブジェクトは大腿骨オブジェクトに固定されるオブジェクトであり、臼蓋カップ４０２とライナー４０４に対応する部品オブジェクトは、骨盤オブジェクトに固定されるオブジェクトである。部品オブジェクトが挿入されたＣＴオブジェクト３Ｄ画像を、「ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）」と呼ぶものとする。ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）、及びＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）は、いずれも手術の前の術前計画の段階で作成される。

手術中においては、患者の骨盤及び大腿骨を含む領域が、適宜のタイミングでＸ線装置３００によって撮像される。手術中にＸ線装置３００で撮像される画像、即ち、術中Ｘ線画像は２次元の画像であり、この術中Ｘ線画像は、図２に示すＸ線画像保存部２０に保存される。手術中のＸ線撮像は複数回行われ、インプラント部品を挿入する前にも撮像されるし、インプラント部品を挿入した後にも撮像される。

図１のオブジェクト位置合わせ部３０は、術前計画で作成されたＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）における骨オブジェクトと術中Ｘ線画像に写った骨部との位置合わせを行う。或いは、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）における骨オブジェクト及び部品オブジェクトと、術中Ｘ線画像における骨部及びインプラント部品との位置合わせを行う。

オブジェクト位置合わせ部３０のＸ線画像骨部輪郭抽出部３６は、術中Ｘ線画像に写った骨部（骨盤及び左右の大腿骨）や、インプラント部品の輪郭を抽出して、２次元の術中Ｘ線輪郭画像を生成する。

図３は、術中Ｘ線輪郭画像の概念を説明する図である。前述したように、股関節置換手術は、図３（ａ）に示すように、患者を側臥位の状態にして行われる。このため、手術の対象となる側の大腿骨は股関節を中心にして下方に回転した状態となる。

一方、手術中のＸ線撮像は、側臥位の状態の患者の腹側から、或いは背側から行われる。したがって、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、術中Ｘ線輪郭画像においても、手術の対象となる側の大腿骨は股関節を中心にして下方に回転した状態となる。なお、図３（ｂ）は、インプラント部品を挿入する前の術中Ｘ線輪郭画像（以下、「術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入前）」と呼ぶ）を例示し、図３（ｃ）はインプラント部品挿入後の術中Ｘ線輪郭画像（以下、「術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入後）」と呼ぶ）を例示している。

図４は、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）と術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入前）とを位置合わせする処理の概念を示す図である。同様に、図５は、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）と術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入後）とを位置合わせする処理の概念を示す図である。

オブジェクト位置合わせ部３０のＸ線画像基準点特定部３８は、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）と術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入前）とを位置合わせする場合には、術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入前）（図４（ａ））において抽出されている大腿骨の輪郭形状に基づいて、大腿骨頭の中心に相当する位置を検出して、「Ｘ線画像基準点（部品挿入前）」とする（図４（ｂ）における黒丸）。一方、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）と術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入後）とを位置合わせする場合には、術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入後）（図５（ａ））において抽出されているインプラント部品の大腿骨ヘッドの中心に相当する位置を輪郭形状と位置関係に基づいて検出して、「Ｘ線画像基準点（部品挿入後）」とする（図５（ｂ）における黒丸）。

他方、前述したように、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）においてもＣＴ画像基準点（部品挿入前）（図４（ｃ）における黒丸）、及びＣＴ画像基準点（部品挿入後）（図５（ｃ）における黒丸）が夫々求められている。

そこで、オブジェクト位置合わせ部３０のオブジェクト回転部３２は、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）に対しては、ＣＴ画像基準点（部品挿入前）を中心に大腿骨オブジェクトを、最初の段階では任意の角度θだけ回転させる（図４（ｄ））。同様に、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）に対しては、ＣＴ画像基準点（部品挿入後）を中心に、大腿骨オブジェクトと、これに固定されている部品オブジェクト（ステムと大腿骨ヘッド）とを、任意の角度θだけ回転させる（図５（ｄ））。

次に、オブジェクト輪郭投影画像生成部３４は、任意角度θだけ回転させたＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）、或いは、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）を、術中Ｘ線画像と同じ視線方向、同じ視野角で透視投影した画像（以下、ＣＴオブジェクト２Ｄ画像（部品挿入前）、或いは、ＣＴオブジェクト２Ｄ画像（部品挿入後）を呼ぶ。）を生成する。

次に、合致判定部３８は、インプラント部品の挿入前においては、ＣＴオブジェクト２Ｄ画像（部品挿入前）のＣＴ画像基準点（部品挿入前）と、Ｘ線画像基準点（部品挿入前）とが一致し、かつ、ＣＴオブジェクト２Ｄ画像（部品挿入前）の骨盤オブジェクトの輪郭と術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入前）中の骨盤の輪郭とが一致するように、ＣＴオブジェクト２Ｄ画像（部品挿入前）を術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入前）に位置合わせする。

同様に、インプラント部品の挿入後においては、ＣＴオブジェクト２Ｄ画像（部品挿入後）のＣＴ画像基準点（部品挿入後）と、Ｘ線画像基準点（部品挿入後）とが一致し、かつ、ＣＴオブジェクト２Ｄ画像（部品挿入後）の骨盤オブジェクトの輪郭と術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入後）中の骨盤の輪郭とが一致するように、ＣＴオブジェクト２Ｄ画像（部品挿入後）を術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入後）に位置合わせする。

次に、合致判定部３８は、２つの２次元画像の輪郭情報の相互情報量を計算する。即ち、インプラント部品の挿入前においては、ＣＴオブジェクト２Ｄ画像（部品挿入前）と術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入前）の輪郭情報の相互情報量を計算し、インプラント部品の挿入後においては、ＣＴオブジェクト２Ｄ画像（部品挿入後）と術中Ｘ線輪郭画像（部品挿入後）の輪郭情報の相互情報量を計算する。

ここで、相互情報量とは、２つの画像がどれだけ相関があるかを示す定量的な指標である。相互情報量の計算は、例えば、文献 “WR Crum, DLG Hill, DJ Hawkes (2003) Information theoretic similarity measures in non-rigid registration. IPMI-2003, pp.378-387”に記載された方法を用いることができる。

その後、合致判定部３８は、計算された相互情報量が十分高い値に収束したか否かを判定する。

合致判定部３８が、十分に収束していないと判定した場合には、オブジェクト回転部３２の処理に戻る。オブジェクト回転部３２は、大腿骨オブジェクト（或いは大腿骨オブジェクトとこれに固定されているステムと大腿骨ヘッドの部品オブジェクト）を、さらに任意の角度θだけ回転させ、再度、オブジェクト輪郭投影画像生成部３４にて、ＣＴオブジェクト２Ｄ画像（部品挿入前）、或いは、ＣＴオブジェクト２Ｄ画像（部品挿入後）を生成する。そして、合致判定部３８は、再度、相互情報量を用いた合致判定を行う。

このように、オブジェクト回転部３２、オブジェクト輪郭投影画像生成部３４、及び合致判定部３８では、骨盤と大腿骨の回転角度をパラメータとして、相互情報量を用いた逐次近似法により、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像と術中Ｘ線輪郭画像との位置合わせを行う。骨盤と大腿骨の回転角度を、相互情報量が高くなる方向に変化させていくことにより、逐次近似処理を収束させることができる。

上記の説明では、２つの画像の輪郭情報を位置合わせの対象としたが、両画像の骨盤、大腿骨の領域（部品挿入後においてはさらにインプラント部品の領域）を抽出して、オブジェクトの領域情報を位置合わせの対象としてもよい。また、両画像の画素値情報を位置合わせの対象としてもよい。

合致判定部３８において十分に収束したと判定されると、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像における骨盤と大腿骨との角度が、術中Ｘ線輪郭画像における骨盤と大腿骨との角度に十分に合致したと判定されると、オブジェクト回転部３２は、そのＣＴオブジェクト３Ｄ画像（位置合わせされたＣＴオブジェクト３Ｄ画像）を画像合成部４０に出力する。

画像合成部４０は、位置合わせされたＣＴオブジェクト３Ｄ画像を、サーフェイスポリゴンレンダリングなどの方法によってレンダリングした画像を参照画像として生成する。そして、部品挿入前においては、図４（ｅ）に示すように、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）のレンダリング画像（参照画像）と、術中Ｘ線画像（部品挿入前）とを並べて表示させる、或いは、参照画像と術中Ｘ線画像（部品挿入前）とを重ね合わせて、表示部５０に出力する。また、同様に、部品挿入後においては、図５（ｅ）に示すように、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）のレンダリング画像（参照画像）と、術中Ｘ線画像（部品挿入後）とを並べて列表示させる、或いは、参照画像と術中Ｘ線画像（部品挿入前）とを重ね合わせて、表示部５０に出力する。表示部５０はこれらの画像をディスプレイ画面に表示する。

術中Ｘ線画像（部品挿入後）は、実際に挿入されたインプラント部品の位置、或いは実際に挿入しつつあるインプラント部品を撮像したものであるのに対して、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）は、術前計画で決定したインプラント部品の位置を示すものである。このため、術者は、２つの画像を対比させることにより、インプラント部品が計画された位置に挿入されているか否かを容易に判断することができる。

表示用の画像の種類は上記に限定されるものではなく、種々の形態を取りうる。例えば、図６（ａ）に示すように、部品挿入前においては、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）のレンダリング画像と術中Ｘ線画像（部品挿入前）との並列表示に加えて、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）のレンダリング画像を表示してもよい。或いは、図６（ｂ）に示すように、部品挿入後においては、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）のレンダリング画像と術中Ｘ線画像（部品挿入後）との並列表示に加えて、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）のレンダリング画像を表示してもよい。

さらに、図７に示すように、部品挿入後においては、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）のレンダリング画像と術中Ｘ線画像（部品挿入後）との並列表示に加えて、２つの画像の差分画像を表示してもよい。差分画像には、実際に挿入されたインプラント部品の位置、或いは挿入されつつあるインプラント部品の位置と、術前計画で決定したインプラント部品の位置との差分がより直接的に表示されることになる。このため、術者は、術中に差分の大小を見ながら、インプラント部品が計画どおりの位置に挿入されたか否かを直ちに判断することができる。

なお、術中に撮影するＸ線画像を２方向以上から撮像し、大腿骨に挿入されるインプラント部品の挿入の深さをより正確に検出できる手段を設け、術前計画で作成されたＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）における部品オブジェクトの挿入の深さと、術中Ｘ線画像から検出したインプラント部品の深さがより正確に対比できるようにしてもよい。

（２）第２の実施形態
図８は、第２の実施形態に係る手術支援装置１の構成例を示す図である。第２の実施形態に係る手術支援装置１は、位置合わせされたＣＴオブジェクト３Ｄ画像を、術者の視線方向から見た角度に回転させて表示させる画像回転部６０を有する構成となっている。

図９は画像回転部６０の動作概念を示す図である。前述したように、股関節置換手術は患者を側臥位の状態にして行われ、術者は手術対象となる股関節部や大腿骨を、通常、患者の上方から見ながら手術を実施することになる。そこで、第２の実施形態に係る手術支援装置１の画像回転部６０は、オブジェクト位置合わせ部３０にて位置合わせされたＣＴオブジェクト３Ｄ画像を回転させて、それらの向きを術者の視線方向に合致させる。例えば、画面の上方向が患者正面方向(Anterior)、画面下方向が患者背面方向(Posterior)、画面の正面側が手術対象となる大腿骨となるように、位置合わせされたＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）又はＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）を回転させ、画面正面方向からレンダリングした画像を生成する。そして、このレンダリング画像を参照画像として表示部５０に表示させる。

第２の実施形態に係る手術支援装置１によれば、術前計画で生成されたＣＴオブジェクト３Ｄ画像における股関節部が、術中における患者の股関節部の屈曲状態に合致するように位置合わせされ、さらに、その位置合わせされたＣＴオブジェクト３Ｄ画像が、術者の視線方向から見たレンダリング画像として表示部５０に表示される。このため、術者にとってより有用な支援画像を提供することができる。

なお、第１の実施形態で生成される、術中Ｘ線画像と同じ向きのＣＴオブジェクト３Ｄ画像のレンダリング画像と、第２の実施形態で生成される術者の視線方向から見たＣＴオブジェクト３Ｄ画像のレンダリング画像とを、表示部５０に並べて同時に表示しても良いし、切り換えて表示してもよい。

（３）第３の実施形態
前述した第１、第２の実施形態では、骨オブジェクト抽出部１２は、３次元データ保存部１０に保存された３次元画像データから、骨盤、右大腿骨、左大腿骨に対応する３次元オブジェクトデータ、即ち、骨オブジェクトを抽出するものとしていた。これに対して、第３の実施形態では、図１０（ａ）に示すように、骨オブジェクトに加えて、手術対象部位の近傍にある血管や神経を、骨オブジェクトと同様にしてオブジェクトとして抽出する（以下、血管や神経に対応するオブジェクトを血管／神経オブジェクトと呼ぶ）。即ち、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）は、骨オブジェクトと血管／神経オブジェクトからなる３次元画像となる。

そして、ポリゴン部品挿入部１４は、図１０（ｂ）に示すように、骨オブジェクトと血管／神経オブジェクトからなる３次元画像に対して、インプラント部品の部品オブジェクトを挿入する。

このようにして、第３の実施形態においては、血管／神経オブジェクトを含む、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）及びＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）が生成される。

オブジェクト位置合わせ部３０で行われる処理は第１、第２の実施形態と同じであり、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）及びＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）における、骨盤オブジェクトと大腿骨オブジェクトの角度θが、術中Ｘ線画像における骨盤と大腿骨の角度に合致するように決定される。

大腿骨オブジェクトをＣＴ画像基準点中心にして回転させる際には、血管／神経オブジェクトを、骨盤オブジェクトと大腿骨オブジェクトとの位置関係を保った状態で変形、移動、回転させる。また、変形に関しては、骨盤側にある血管（或いは神経）と、大腿骨側にある血管（或いは神経）を、骨盤と大腿骨との間の回転角度に基づいて湾曲させる。

図１１及び図１２は、術中Ｘ線画像を用いて、血管／神経オブジェクト付きのＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）とＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）とを夫々位置合わせする概念を説明する図である。第３の実施形態では、血管／神経オブジェクト付きのＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）とＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）のレンダリング画像が、参照画像として表示部５０に表示されることになる。なお、実質的な処理の内容は、図４及ぶ図５とほぼ同様であるため、細部の説明は省略する。

また、図１３に示すように、第３の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせてもよい。即ち、位置合わせされた血管／神経オブジェクト付きのＣＴオブジェクト３Ｄ画像を回転させ、術者の視線方向から見たレンダリング画像を参照画像として表示部５０に表示させる。

前述したように、近年では、患者への負担を減らす等の観点から、非常に狭い切開領域から侵入して手術を行う、最小侵襲手術（MIS: Minimum Invasive Surgery）がしばしば行われるようになっている。この種の最小侵襲手術では、切開範囲が狭いため、術中に内部の大腿骨とインプラント部品との位置関係が分かりづらく、インプラント部品が正しい位置、正しい角度で挿入されているかが分かりづらく、切開範囲が狭いことにより、術中に傷つけてはならない血管や神経の走行状態を把握しづらいという問題がある。

上述した各実施形態では、手術計画段階のインプラント部品の挿入状態と、術中に得られるＸ線撮影画像におけるインプラント部品の挿入状態との対比を容易にすることができる。また、術者が狭い切開範囲から見る術中のインプラント部品の挿入状態やその周囲にある血管や神経の対比を容易にすることができる。また、術者からは見えづらい位置にある血管や神経の存在や位置も、血管／神経オブジェクト付きのＣＴオブジェクト３Ｄ画像を参照することによって把握が容易となる。

ここまでの説明は、股関節置換手術を例に挙げて手術支援装置１の各実施形態を説明してきたが、手術支援装置１は、股関節置換手術以外の関節置換手術にも当然適用可能である。図１４及び図１５は、手術支援装置１を人工膝（ひざ）関節置換手術に適用する例を説明する図である。

人工膝関節置換手術においても、図１４（ａ）に示すように、股関節置換手術と同様に、対象となる膝関節及びこれを挟む大腿骨（第１の骨部）と脛骨（第２の骨部）を撮像した３次元ＣＴ画像から、各骨オブジェクトが抽出されたＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）が生成される。そして、術中（インプラント部品挿入前）に撮影される術中Ｘ線画像（図１４（ｂ））に写し出された膝部の屈曲に合致するように、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）が位置合わせされる（図１４（ｃ））。また、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）に対して部品オブジェクトを挿入したＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）が、術前計画として生成され（図１４（ｄ））、同様にして、術中（インプラント部品挿入後）に撮影される術中Ｘ線画像（図１４（ｅ））に写し出された膝部の屈曲に合致するように、ＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）が位置合わせされる（図１４（ｆ））。そして、位置合わせされたＣＴオブジェクト３Ｄ画像のレンダリング画像（参照画像）が、術中Ｘ線画像と並べられて、或いは重ね合わされて、表示部５０に表示される。

また、図１５（ａ）、（ｃ）に示すように、大腿骨や脛骨の骨オブジェクトに加えて、膝関節の周囲にある血管や神経も血管／神経オブジェクトとして抽出し、血管／神経オブジェクト付きのＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）やＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）を生成し、術中Ｘ線画像と位置合わせした後、参照画像として表示部５０に表示してもよい。

さらには、図１５（ｂ）、（ｄ）に示すように、位置合わせされた血管／神経オブジェクト付きのＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入前）やＣＴオブジェクト３Ｄ画像（部品挿入後）を、術者の視線方向から見た方向に回転させてレンダリングし、これらのレンダリング画像を参照画像として表示部５０に表示してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 手術支援装置
１０ ３次元データ保存部
１２ 骨オブジェクト抽出部
１４ ポリゴン部品挿入部
２０ Ｘ線画像保存部
３０ オブジェクト位置合わせ部
３２ オブジェクト回転部
３８ 合致判定部
４０ 画像合成部
５０ 表示部
６０ 画像回転部

Claims (14)

1. 患者の関節を人工関節で置換する手術を支援する手術支援装置において、
   前記関節と前記関節を介して可動する第１の骨部と第２の骨部とを含む患部を撮像した３次元画像から、前記第１の骨部に対応する第１の骨オブジェクトと、前記第２の骨部に対応する第２の骨オブジェクトとが夫々分離、抽出された３次元オブジェクト画像を生成する骨オブジェクト抽出部と、
   前記患部を撮影するＸ線画像を前記患者の術中に入力し、入力した前記Ｘ線画像における前記第１の骨部と前記第２の骨部の輪郭を抽出して術中Ｘ線輪郭画像を生成する一方、前記第１の骨オブジェクトと前記第２の骨オブジェクトとが、前記術中Ｘ線輪郭画像の前記第１の骨部と前記第２の骨部のそれぞれの輪郭に合致するように前記３次元オブジェクト画像を位置合わせして参照画像を生成するオブジェクト位置合わせ部と、
   前記Ｘ線画像と前記参照画像とを表示する表示部と、
   を備えたことを特徴とする手術支援装置。
2. 前記オブジェクト位置合わせ部は、
   前記Ｘ線画像から抽出した前記第１の骨部と前記第２の骨部の輪郭から前記第１の骨部と前記第２の骨部との間のＸ線回転中心を求める一方、
   前記第１の骨オブジェクトと前記第２の骨オブジェクトとの間のオブジェクト回転中心の位置を、前記Ｘ線回転中心の位置に合致させ、前記第１の骨オブジェクトと前記第２の骨オブジェクトのいずれか一方を、前記オブジェクト回転中心を基準として回転させることにより、前記第１の骨オブジェクトと前記第２の骨オブジェクトとが、前記Ｘ線画像の前記第１の骨部と前記第２の骨部のそれぞれの輪郭に合致するように位置合わせして、前記参照画像を生成する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の手術支援装置。
3. 前記３次元オブジェクト画像は、前記患者を仰臥位の状態で撮像した画像であり、
   前記Ｘ線画像は、側臥位の状態で手術される前記患者を撮像した画像であり、
   前記参照画像は、前記３次元オブジェクト画像に対する投影方向又はレンダリング方向が前記Ｘ線画像の撮像向きと合致するように生成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の手術支援装置。
4. 前記３次元オブジェクト画像は、術前計画によって前記人工関節が置換された後の画像であり、前記参照画像は、前記人工関節の置換後の前記３次元オブジェクト画像から生成された画像である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の手術支援装置。
5. 前記３次元オブジェクト画像は、前記人工関節が置換される前の画像であり、前記参照画像は、前記人工関節の置換前の前記３次元オブジェクト画像から生成された画像である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の手術支援装置。
6. 前記人工関節は、前記第２の骨部に挿入されるインプラント部品を有し、
   前記Ｘ線画像は、前記インプラント部品の挿入の深さを検出できるように撮像される画像である、
   ことを特徴とする請求項３に記載の手術支援装置。
7. 前記３次元オブジェクト画像は、前記患者を仰臥位の状態で撮像した画像であり、
   前記Ｘ線画像は、側臥位の状態で手術される前記患者を撮像した画像であり、
   前記参照画像生成部は、前記患者に対する術者の視線方向と合致する第２の参照画像を前記３次元オブジェクト画像からさらに生成し、
   前記表示部は、前記第２の参照画像をさらに表示する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の手術支援装置。
8. 前記３次元オブジェクト画像は、術前計画によって前記人工関節が置換された後の画像であり、前記第２の参照画像は、前記人工関節の置換後の前記３次元オブジェクト画像から生成された画像である、
   ことを特徴とする請求項７に記載の手術支援装置。
9. 前記３次元オブジェクト画像は、前記人工関節が置換される前の画像であり、前記第２の参照画像は、前記人工関節の置換前の前記３次元オブジェクト画像から生成された画像である、
   ことを特徴とする請求項７に記載の手術支援装置。
10. 前記オブジェクト画像生成部は、
    前記第１及び第２の骨オブジェクトの他、前記患部の近傍にある血管及び神経の少なくとも一方が血管／神経オブジェクトとして分離、抽出された画像を、前記３次元画像から前記３次元オブジェクト画像として生成し、
    前記オブジェクト位置合わせ部は、
    前記第１の骨オブジェクト及び前記第２の骨オブジェクトと前記血管／神経オブジェクトとの位置関係を保った状態で、前記第１の骨オブジェクトと前記第２の骨オブジェクトとが、前記Ｘ線画像の前記第１の骨部と前記第２の骨部のそれぞれの輪郭に合致するように位置合わせし、前記患者に対する術者の視線方向と合致し、かつ、前記血管／神経オブジェクトを含む参照画像を、前記第２の参照画像として生成する、
    ことを特徴とする請求項７に記載の手術支援装置。
11. 前記３次元オブジェクト画像は、術前計画によって前記人工関節が置換された後の画像であり、前記第２の参照画像は、前記人工関節の置換後の前記３次元オブジェクト画像から生成された画像である、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の手術支援装置。
12. 前記３次元オブジェクト画像は、前記人工関節が置換される前の画像であり、前記第２の参照画像は、前記人工関節の置換前の前記３次元オブジェクト画像から生成された画像である、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の手術支援装置。
13. 前記第１の骨部は骨盤、前記第２の骨部は大腿骨であり、前記関節は股関節である、
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の手術支援装置。
14. 前記第１の骨部は大腿骨、前記第２の骨部は脛骨であり、前記関節は膝関節である、
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の手術支援装置。

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