JP2016135177A - 手術支援プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 術具を用いて切除される切除部位に別の部位から切り取った組織の形状を合致させるため、移植元の組織の部位を定め、切り取り寸法を決定し、患者の移植前の姿と、移植後の姿の差を演算させながら、最適解を追求し、移植作業のシミュレーションをインタラクティブに行うことができる手術支援プログラムを提供する。
【解決手段】 対象となる患者の患部を除去し、患者の別の部位の骨を採取し患部の元の位置に移植する際に、患部の輪郭を３Ｄ画像上において表示し、移植した骨との位置誤差を算出し、モニタ上に表示し、位置誤差の大きさを画像上に対応させて表示したことを特徴とする手術シミュレーション装置。
【選択図】 図３

Description

本発明は、手術のシミュレーションを行う手術支援プログラムに関する。

近年、適切な手術を行うために、手術支援装置による手術のシミュレーションが活用されている。従来の手術支援装置は、例えば、Ｘ線ＣＴ画像やＭＲＩ画像（核磁気共鳴画像）、によって撮影された画像の断層画像情報を蓄積する断層画像情報取得部と、断層画像情報取得部に接続されたメモリと、メモリに接続されたボリュームレンダリング演算部と、ボリュームレンダリング演算部の演算結果を表示するディスプレイと、ディスプレイに表示された表示対象物に対して切除・変形などの指示を行う入力部とを備えていた。

例えば、特許文献１には、断層画像を用いて生成される３次元ボリューム画像データを用いて術前に切除部位を確認し、仮想的に切削することが開示されている。また非特許文献１には切除した部分に腓骨から骨を移植する時の移植シミュレーションに関する方法が開示されている。

ＷＯ２０１１／１１８２０８

口腔腫瘍 ２２巻４号 １２８〜１３３頁 "下顎骨切除に対する新しい腓骨皮弁再建システムの有用性"

しかしながら、上記従来の手術支援装置では、以下に示すような問題点を有している。すなわち、上記特許文献１の公報に開示された手術支援装置では、単に切除を行うことができるが、切除した部分に別の組織を移植するシミュレーションはできなかった。

また非特許文献１には、図１において、３Ｄシミュレーション骨切り面の決定が示され、３Ｄ画像を用いてシミュレーションする手法が開示されている。非特許文献１の図１で開示されている方法では、Ｆまで作業を行った後、骨切り面を修正したい場合に、再度Ｂにもどってやり直さなければならず、その煩わしさや切除部に移植する骨の大きさなどの決定に際し、目分量による曖昧さが存在する。

本発明の課題は、術具を用いて切除される切除部位に別の部位から切り取った組織の形状を合致させるため、移植元の組織の部位を定め、切り取り寸法を決定し、患者の移植前の姿と、移植後の姿の差を演算させながら、最適解を追求し、移植作業のシミュレーションをインタラクティブに行うことができる手術支援プログラムを提供することにある。

本発明は、下記の発明に係る。
１. 対象となる患者の患部を除去し、患者の別の部位の骨を採取し患部の元の位置に移植する際に、患部の輪郭を３Ｄ画像上において表示し、移植した骨との位置誤差を算出し、モニタ上に表示し、位置誤差の大きさを画像上に対応させて表示したことを特徴とする手術シミュレーション装置。
２. 切除対象部の輪郭および移植した骨の輪郭を３Ｄ画像上において検出し、移植骨長、移植前表面積、移植後表面積および再建率等の形状指標をリアルタイムに算出し、ユーザに提示可能にしたことを特徴とする１に記載の手術シミュレーション装置。
３. 別の部位の骨を採取するに先立って、骨を含む断層画像を撮影し、骨に付随する少なくとも血管が認識できるように撮影条件を設定した画像を同時に撮影し、血管と骨を一緒に認識できる画像を移植用の画像として用いたことを特徴とする１に記載の手術シミュレーション装置。
４. 前記位置誤差を利用することで、ユーザが入力した移植配置に対し、部分的に周辺に位置する切断面の配置位置または腓骨回転角を自動探索することで、より位置誤差の少ない配置を手術者に提示することを特徴とする１に記載の手術シミュレーション装置。
５. ユーザが立案した移植計画に基づき、実際の手術の際に骨切りおよび移植用のサージカルガイドの形状を三次元プリンタで印刷可能なフォーマットを出力可能であることを特徴とする１に記載の手術シミュレーション装置。

本発明では腓骨から取りだした骨を下顎骨切断面に移植するシミュレーションを行う場合、患者の元の下顎骨の輪郭をＣＴなどの断層画像より算出し、移植した骨を当てはめた状態との差分を自動で算出し、最適な切除と移植をインタラクティブに行うことができるものである。

そしてこの目的を達成するために、本発明の切除移植シミュレーション装置は、断層画像情報取得部と、メモリと、ボリュームレンダリング演算部と、ディスプレイと、入力部と、輪郭検出部、形状誤差算出部、色情報設定部と、を備えている。メモリは、断層画像情報取得部に接続されており、断層画像情報のボクセル情報を格納する。ボリュームレンダリング演算部は、メモリに接続されており、ボクセル情報に基づいて、視線に対して垂直の方向においてボクセル情報をサンプリングする。ディスプレイは、ボリュームレンダリング演算部の演算結果を表示する。入力部は、ディスプレイに表示された表示対象物に対する切除指示、移植計画指示を入力する。

切除範囲は、マウスなどの入力によって定義された複数の切断平面等によって定義され、メモリへ転送される。システムは切除される範囲とそれ以外の範囲を異なる表示方法でユーザに視覚的に提示する。以上のように、スライス情報を３次元画像に変換し、ディスプレイ上において、切除すべき部分を画像を観察することによって判断し、切除すべき部分を決定する。ここで、上記スライス画像としては、例えば、Ｘ線ＣＴやＭＲＩ等の医用機器を用いて取得された２次元画像が含まれる。

次に、ディスプレイ上において、切除した部分に移植するための骨部の形状、分割数を、移植候補である骨部の断層画像より得て、同じくスライス情報を３次元画像に変換した画像を観察することにより決定する。本発明はこの時、切除した部分に移植するために移植する骨の個数、形状を決定するために、画像上においてシミュレーションを実施し、移植作業を短時間で最も安全・最適に行うためのシミュレーションおよび評価方法を提案するものである。移植候補決定部は、ユーザの入力（平行移動、回転含む）に基づいて、前記切除範囲に移植すべき骨に対し、その採取すべき範囲、切断面の角度および移植先への配置箇所を算出する。

患者の患部を切除したシミュレーション画像から輪郭を算出した輪郭検出部は、一定の密度でレイキャスティング走査によって、切除前の形状における移植前表面点、および移植後の形状における移植後表面点をそれぞれ検出する。また、腫瘍の浸食等によって、切除前形状に大きな欠損や変形がある場合に対し、ユーザの入力による輪郭の補足や、正常な形状を保っている顔面の反対側の顎骨輪郭で代用することも可能である。

形状誤差算出部は、前記の移植前表面点に対応する移植後表面点間の距離誤差をそれぞれ求め、統計的にこれらの平均誤差、最大誤差等の形状評価指標値を算出する。また移植前表面点すべてによって構成される移植前表面積、移植後表面点すべてによって構成される移植後表面積をそれぞれ求めることによって、再建率等も算出する。

ボリュームラベル設定部では、元の形状に対する移植後表面点それぞれの誤差等の評価指標値に基づき、ボリュームレンダリングに用いられるボクセルラベルに変換し、メモリに転送する。ここで、ボクセルラベルは、誤差の大小、復元度合い等を示すための情報であってボクセル情報と同じ構成を有し、初期状態では、ボクセルラベルとして決誤差がない場合は０.５）に設定される。

色情報設定部は予めユーザまたは本システムによって決定されたルールに基づき、評価指標値を視覚的にフィードバックするための色情報を算出するためのカラールックアップテーブルを生成し、メモリに転送する。

ボリュームレンダリング演算部は、メモリに格納されているボクセル情報等に基づいて、視線に対して垂直で、かつＺ方向の間隔が一定の複数枚のスライス情報を３次元画像としてディスプレイに表示させる。また、ボリュームラベル設定部によってメモリに転送したボクセルラベルおよび色情報設定部によってメモリに転送されたカラールックアップテーブルに基づいて、３次元画像の各ボクセルに着色し、ユーザに現在の移植配置計画の優劣を視覚的にフィードバックする。

前記形状誤差算出部における距離誤差の算出、およびボリュームレンダリング演算は並列演算手法を導入可能であり、汎用GPU等の演算デバイスを用いて実時間で算出することにより、ユーザは計画の優劣を確認しながら試行錯誤を行うことができ、ユーザ利便性の向上に大きく貢献する。

移植手術用ガイド形状生成部では、ユーザが決定した移植計画に基づき、切除器具を補助するためのサージカルガイドの形状を自動または半自動で設計し、三次元プリンタで印刷可能なフォーマット等で出力する。

患部である切除すべき切除部位に、別の部位から切り取った組織を移植し、移植後の形状を合致させるため、移植元の組織の部位を定め、切り取り寸法を決定し、移植作業のシミュレーション実際の手術に用いるためのサージカルガイド設計を行うことができる手術支援プログラムを提供することができ、複雑な移植手術を短時間に安全に実施できる。

本発明の一実施形態に係るパーソナルコンピュータ（移植シミュレーション装置）を含む手術支援システムの構成を示す図。 ボリューム空間と形状誤差に基づいた着色の指定を示す概念図。 形状誤差算出するための検出方向決定方法を示す画像。 切除部指定方法を示す画像。 移植の対象である腓骨形状を示す画像。 移植時の元の顎形状と移植した骨から形成した形状との差を示す画像。

本発明の一実施形態に係る移植シミュレーション装置について、図１〜図６を用いて説明する。

図１に示す移植シミュレーション装置は、パーソナルコンピュータ１に専用ソフトウエアを持たすことにより動作する。移植シミュレーション装置１は、ディスプレイ２と、入力部（キーボード入力３、マウス入力４、およびタブレット入力５）と、を備えている。キーボード入力３は、キーボードタイプのものである。また、マウス入力４は、マウスタイプのものである。タブレット入力５は、タブレットタイプのものである。

断層画像情報取得部６には、ボクセル情報抽出部７を介して、断層画像情報部８が接続されている。つまり、断層画像情報部８では、ＣＴあるいはＭＲＩから断層画像情報が供給され、この断層画像情報がボクセル情報抽出部７により、ボクセル情報として抽出される。そして、このボクセル情報が、断層画像情報取得部６を介して、メモリ９のボクセル情報格納部１０に格納される。

メモリ９は、パーソナルコンピュータ１内に設けられており、ボクセル情報格納部１０以外にボクセルラベル格納部１１、色情報格納部１２を備えている。

また、メモリ９には、ボリュームレンダリング演算部１３が接続されている。
ボリュームレンダリング演算部１３は、メモリ９のボクセル情報格納部１０に格納されているボクセル情報、およびボクセルラベル格納部１１に格納されているボリュウム空間１４を構成するボクセルラベル、色情報格納部１２に格納されている色情報に基づいて、視線に対して垂直で、かつＺ方向の間隔が一定の複数枚のスライス情報を算出する。そして、ボリュームレンダリング演算部１３は、その演算結果を３次元画像としてディスプレイ２に表示する。また、ボリュームレンダリング演算部１３には、バス１６を介して、レイキャスティング走査距離を測定する輪郭検出部１５が接続されている。

輪郭検出部１５には、輪郭線生成部１７と形状誤差算出部１８とが接続されている。形状誤差算出部１８は、ボクセルラベル格納部１１と、ボクセルラベル設定部１９に接続されている。

バス１６には、上記以外に、色情報格納部１２、ウィンドウ座標変換部２０が接続されている。また、ウィンドウ座標変換部２０はマウスなどの２次元入力を３次元に変換し、輪郭検出部１５と色情報設定部２１に情報を供給する。色情報設定部２１は、色情報格納部１２に接続されている。

以上のような構成を有する移植シミュレーション装置を用いて、図３ａ、図３ｂおよび図３ｃは、動作説明を行うための図面を示す。

実際の手術においては、移植シミュレーション装置を用いる前に、まず次のように手術計画を策定する。

最初に顎骨の患部を手術により取り除き、本人の腓骨から骨を移植する形状情報を、顎骨の患部を除去する前の顎骨の立体モデルから得る。図３は本発明に係る顎骨の切除部の輪郭線などの指定方法を示す説明図、図４は下顎骨の患部を示す説明図、図５は腓骨を切断するときの説明図、および図６は切除部に腓骨から移植する部分をはめ込むときの断面説明図である。

（１）顎骨の患部を除去する前の患者の頭部をＣＴスキャンなどの撮像手段によって撮像
し、顎骨の撮像データ（スライス情報）を得る。
（２）患部を除去する前の撮像データを基に、顎骨の仮想３次元モデルを作成する。
（３）作製された顎骨の仮想３次元モデルから、想定される患部の形状と同じ形状の仮想患部を除去する。

前記顎骨と、仮想患部を除去した顎骨の仮想立体モデルを使用して施術者が移植のシミュレーションを行う。このシミュレーションの結果から、必要であればチタンメッシュトレイや人工骨による形状の補正を行う。このように、施術者が移植のシミュレーションを行うことにより、骨芯の形状的な不具合を実際の移植前に把握し補正できると共に、施術者にとっては移植の手順などがより具体的にイメージできるので、移植手術の正確性や迅速性に大きく寄与することができる。

図３ａにおいて、患者の下顎部を含む断層画像が取得され、断層画像情報部８からの断層画像情報が入手され、これがボクセル情報抽出部７に供給される。

次に、ボクセル情報抽出部７でボクセル情報が抽出される。ボクセル情報は、断層画像情報取得部６を介して、メモリ９のボクセル情報格納部１０に格納される。ボクセル情報格納部１０に格納されるボクセル情報は、例えば、Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ，α）で構成される点の情報である。このとき、Ｉは当該点の輝度情報であり、ｘ，ｙ，ｚは座標点を示し、αは透明度情報である。

次に、図３ａにおいて、ボリュームレンダリング演算部１３により、ボクセル情報格納部１０に格納されているボクセル情報に基づいて、視線に対して垂直で、かつ間隔が一定の複数のスライス情報を算出し、スライス情報群を取得する。そして、スライス情報群は、ボリュームレンダリング演算部１３内に少なくとも一時的に格納される。例えば前記スライス情報群は２ｍｍ間隔で生成される。

図２は１０に格納されたボクセル情報の集団、ボリューム空間の説明の図面である。図２ａにおいて、１４がボリューム空間で、患者の下顎のＣＴ画像から得られたボリュームデータ２４と、ボクセルラベルの集合２２と移植した骨２７が移植前の形状である輪郭線に対して陥没しているか、突出しているかを示す。そのため、２３に示すボクセル空間のカラーラベルを変化させて、２５に示す通り、誤差に応じた色相を表示している。（図２ａ、２ｂ）

色の表示を行うため、各スライス情報に示された下顎下縁接平面定義時の４点からなるガイド線３１に対して輪郭検出部１５は一定間隔で垂直方向にスキャンし、表面の輪郭を検出し、１７の輪郭生成部に格納する。その結果は、図３ｂ表面の輪郭線（黄色線）３６により示される。（図３）

図３ｃにおいて、３Ｄ表示した下顎の形状と、輪郭から垂直方向にスキャンする法線を一緒に示した。移植前の顎骨形状と移植後の骨の形状誤差はこれらの法線に基づいて算出される。なお、図３ｃでは法線の間隔は粗く表示されているが、実際にはより高い精度で形状誤差を算出するため、０.５ｍｍ以下の間隔で法線を配置してスキャンに用いることが可能である。法線を密にすればするほど、演算量は増大するが、それぞれの法線に基づく誤差は独立に算出可能であることから、本発明ではＧＰＧＰＵ等の並列演算技術を利用することで、これらの誤差を高速に算出可能であり、インタラクティブなシミュレーションが可能である。

下顎骨４０のスライス情報群から生成した３Ｄ画像上に、図４に示す如く患部４１が示されている。この場合患部４１は例えばガン化した領域を示しており、周辺とともに切除の対象になっている。

移植する骨は腓骨から切り出され、下顎画像と同様に、患者の腓骨のＣＴ画像が取得され、断層画像情報部８からの断層画像情報が入手され、これがボクセル情報抽出部７に供給され記憶される。そして同様の手順でスライス情報群として、ボクセル情報格納部１０に格納される。

図５に示す通り、腓骨のスライス情報群を用いて３Ｄレンダリング画像が生成される。本実施例では腓骨４５は、切断され４２の腓骨Ａ，４３の腓骨Ｂ，４４の腓骨Ｃ、となる。これらの腓骨には図示しないが、血管が付随しており、移植後口腔内の血管に接続される。実施例では表示していないが、腓骨の断層画像は骨を撮影できるＣＴだけではなく、血管が表示できる条件のもとに撮像されたＣＴ，あるいはＭＲＩ画像を重畳して示すこともできる。

図６に示すように、下顎の患部が除去されて輪郭だけになった部分に、分割された腓骨４２，４３，４４が元の輪郭を保てるように移植される。この時、輪郭線に対して、移植した骨が輪郭内に仮置きされ、移植の骨の外形が、元の患者の下顎外形との形状誤差が１８の形状誤差算出部において算出され、１９のボクセルラベル設定部により表示される。

前記表示の方法としては、例えば色相によって表示させる。そして誤差が大きい時は赤、少なくなって時は緑に、図６に示す通り、色相を変化させて表示する。なお、色相を変化させる代わりに、色度、色濃度、あるいはコントラストを変化させてもよい。

なお、本実施形態では、切除工具等の仮想術具を用いて下顎部移植に対する手術のシミュレーションを実施する場合について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

前記形状誤差の評価指標を利用することで、ユーザが入力した移植配置に対し、部分的に周辺（切断面の配置位置または腓骨回転角等）を自動探索することで、より最適な解をインタラクティブにユーザへ提示することができ、短時間で高品質な手術計画を立案可能なインタフェースを提供することができる。

本発明の手術支援装置は、各種手術を実施する際の手術支援装置として広く適用可能である。

１ パーソナルコンピュータ（移植シミュレーション装置）
２ ディスプレイ（表示部）
３ キーボード（入力部）
４ マウス（入力部）
５ タブレット（入力部）
６ 断層画像情報取得部
７ ボクセル情報抽出部
８ 断層画像情報部
９ メモリ
１０ ボクセル情報格納部
１１ ボクセルラベル格納部
１２ 色情報格納部
１３ ボリュームレンダリング演算部（輪郭、距離算出部、シミュレーション部）

Claims (5)

1. 対象となる患者の患部を除去し、患者の別の部位の骨を採取し患部の元の位置に移植する際に、患部の輪郭を３Ｄ画像上において表示し、移植した骨との位置誤差を算出し、モニタ上に表示し、位置誤差の大きさを画像上に対応させて表示したことを特徴とする手術シミュレーション装置。
2. 切除対象部の輪郭および移植した骨の輪郭を３Ｄ画像上において検出し、移植骨長、移植前表面積、移植後表面積および再建率等の形状指標をリアルタイムに算出し、ユーザに提示可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の手術シミュレーション装置。
3. 別の部位の骨を採取するに先立って、骨を含む断層画像を撮影し、骨に付随する少なくとも血管が認識できるように撮影条件を設定した画像を同時に撮影し、血管と骨を一緒に認識できる画像を移植用の画像として用いたことを特徴とする請求項１に記載の手術シミュレーション装置。
4. 前記位置誤差を利用することで、ユーザが入力した移植配置に対し、部分的に周辺に位置する切断面の配置位置または腓骨回転角を自動探索することで、より位置誤差の少ない配置を手術者に提示することを特徴とする請求項１に記載の手術シミュレーション装置。
5. ユーザが立案した移植計画に基づき、実際の手術の際に骨切りおよび移植用のサージカルガイドの形状を三次元プリンタで印刷可能なフォーマットを出力可能であることを特徴とする請求項１に記載の手術シミュレーション装置。