JP2018187171A - Registration marker and utilization program for registration marker - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a design of a registration marker, enabling a coordinate system of a robot to be accurately aligned with a coordinate system of a medical image on a photographed medical image, and to provide an image processing and calculation means for aligning the coordinate systems of both robot and medical image.SOLUTION: The registration marker is a structure made of resin material. The registration marker comprises a base 2, and oblique prismatic bodies 3, 4, 5, 6 each of which is a cuboid, extends in a direction perpendicular to the base 2 and is installed on the base 2a at a prescribed inclination. The base 2 may have a hole for connection with other equipment. A target surface serving as a reference plane of a marker can be identified correctly with respect to the CT imaging reference surface coordinate system by referring to quadrangles 14, 15, 16, 17 shown in a sectional drawing of the oblique prismatic bodies 3, 4, 5, 6, and thereby the reference axis of the image can be determined correctly in an image photographed by CT.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

この発明は、医用画像上でロボットを操作するためのレジストレーションマーカーと、そのレジストレーションマーカーを用いた撮影された医用画像をコンピュータによって処理する際に使用されるコンピュータ用のプログラムに関する。   The present invention relates to a registration marker for operating a robot on a medical image, and a computer program used when a medical image photographed using the registration marker is processed by a computer.

CT、MRI等の医療用撮影機器から得られた医用画像をガイドとして外科ロボットを操作する治療がある。例えば、がん腫瘍に対して生検や薬剤注入などの穿刺治療を行う際には、腫瘍の位置を医療用撮影機器で確認し、医用画像を基に穿刺位置・角度を決定する。針を把持する外科ロボットのエンドエフェクタを正確に指定した位置・角度に移動するためには、取得した医用画像とロボットのエンドエフェクタの三次元座標系を正確に一致(レジストレーション)させる必要がある。もし座標系がずれていた場合、画像上で指定した位置からずれてしまい、穿刺の正確性の低下や他機器との干渉が生じる可能性がある。   There is a treatment in which a surgical robot is operated using a medical image obtained from a medical imaging device such as CT or MRI as a guide. For example, when a puncture treatment such as biopsy or drug injection is performed on a cancer tumor, the position of the tumor is confirmed with a medical imaging device, and the puncture position and angle are determined based on a medical image. In order to move the end effector of the surgical robot that holds the needle to a precisely specified position / angle, it is necessary to accurately match (register) the acquired medical image and the three-dimensional coordinate system of the end effector of the robot. . If the coordinate system is deviated, the coordinate system is deviated from the designated position on the image, and there is a possibility that the accuracy of puncture will be reduced and interference with other devices may occur.

そのためには、例えばCTにより撮影されたCT画像データに基づいて、エンドエフェクタの位置及び向きと画像の基準位置及び向きのずれを正確に算出する必要がある。エンドエフェクタの位置を正確に算出するためには、エンドエフェクタに取り付けたレジストレーションマーカーを撮影する必要がある。
レジストレーションマーカーは、得られた二次元画像群からマーカーの位置・角度を算出するものである。ロボットのレジストレーションに限らず、位置取得のための医用撮影用マーカーは提案されている。例えば特許文献1のマーカーは、非造影剤で形成されたベース及び3つの球体から構成されており、撮影したCT画像から三次元画像を構築し、撮影された画像上において基準点を特定することが可能である。またCT画像とロボットのレジストレーション方法に関しては、特許文献2がCTから照射されるレーザーマーカーを用いた方法を提案している。
For this purpose, for example, it is necessary to accurately calculate the position and orientation of the end effector and the reference position and orientation of the image based on CT image data captured by CT. In order to accurately calculate the position of the end effector, it is necessary to photograph the registration marker attached to the end effector.
The registration marker calculates the position / angle of the marker from the obtained two-dimensional image group. Not only robot registration but also medical imaging markers for position acquisition have been proposed. For example, the marker of Patent Document 1 is composed of a base formed of a non-contrast agent and three spheres, and constructs a three-dimensional image from the captured CT image and specifies a reference point on the captured image. Is possible. Regarding the CT image and robot registration method, Patent Document 2 proposes a method using a laser marker irradiated from CT.

特開2009−142561号公報JP 2009-142561 A 米国特許第7477927号明細書US Pat. No. 7,747,927

ところで、穿刺におけるロボットとCT画像のレジストレーションに求められる精度は非常に高い。特に身体深部の腫瘍を対象とした穿刺治療では位置誤差は0。5mm以下、角度誤差は1°以下が求められる。上記特許文献1の場合、二次元画像群から三次元画像を構築し、球体のマーカーの位置を特定しようと試みているが、ボクセルデータを用いていることや正確な画像検出が難しい球体を取り扱っているため、高精度な補正は難しい。また上記特許文献2の場合、可視光のレーザーを基準にレジストレーションを行っているが、CTから照射されるマーカーレーザー幅は2mm程度あるため、その分が誤差になると考えられる。   By the way, the accuracy required for registration of a robot and CT images in puncture is very high. In particular, a puncture treatment for a deep body tumor requires a position error of 0.5 mm or less and an angle error of 1 ° or less. In the case of the above-mentioned Patent Document 1, an attempt is made to construct a three-dimensional image from a group of two-dimensional images and specify the position of the marker of the sphere. However, the use of voxel data and spheres that are difficult to detect accurately are handled. Therefore, highly accurate correction is difficult. In the case of Patent Document 2, registration is performed using a visible light laser as a reference. However, since the width of the marker laser irradiated from the CT is about 2 mm, it is considered that an error will occur.

また、レジストレーションに求められる時間や設置コストも重要である。上記特許文献1の場合、三次元画像を処理する必要があるため補正計算に時間を要することが想定される。また、上記特許文献2の場合、CT毎にレーザーの設置位置やベッドとの位置関係が異なってくるため汎用性の観点から望ましくない。   Also, the time required for registration and the installation cost are important. In the case of the above-mentioned patent document 1, it is assumed that correction calculation takes time because it is necessary to process a three-dimensional image. In the case of the above-mentioned Patent Document 2, the laser installation position and the positional relationship with the bed differ for each CT, which is not desirable from the viewpoint of versatility.

そこで本発明は、撮影した二次元のCT画像群から基準面に対するロボットのエンドエフェクタの位置・角度を算出可能な幾何形状を有したレジストレーションマーカー及び算出結果からロボットの位置・角度を補正するレジストレーションプログラムを提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a registration marker having a geometric shape capable of calculating the position / angle of the robot end effector with respect to the reference plane from the photographed two-dimensional CT image group, and the registration for correcting the position / angle of the robot from the calculation result. The purpose is to provide a management program.

(1)本発明のレジストレーションマーカーは、医用画像を撮影する平面に対して該平行となる位置関係で設置されるベースと、前記ベースを含む基準平面の法線方向に延伸する垂直平面内において前記ベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜角柱体を備えていて、前記ベースと前記斜角柱体は医用撮像装置で造影可能な材料で形成されたレジストレーションマーカーである。   (1) The registration marker of the present invention is provided in a vertical plane extending in a normal direction of a reference plane including the base and a reference plane including the base, the base being set in parallel with the plane for taking a medical image. An oblique prism body extending at a predetermined gradient with respect to the base is provided, and the base and the oblique prism body are registration markers formed of a material that can be contrasted by a medical imaging apparatus.

(2)本発明のレジストレーションマーカーは、医用画像を撮影する平面に対して該平行となる位置関係で設置されるベースと、前記ベースを含む基準平面の法線方向に延伸しかつ互いに並行ではない複数の垂直平面内において前記ベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜角柱体を備えていて、前記ベースと前記斜角柱体は医用撮像装置で造影可能な材料で形成されたレジストレーションマーカーである。   (2) The registration marker of the present invention extends in a normal direction of a base installed in a parallel positional relationship with a plane for taking a medical image and a reference plane including the base, and is not parallel to each other A registration unit formed of a material that can be contrasted by a medical imaging apparatus, and the base unit and the oblique column body are provided with an oblique column body extending at a predetermined gradient with respect to the base in a plurality of vertical planes. It is a marker.

(3)本発明のレジストレーションマーカーは、医用画像を撮影する平面に対する角度および/あるいは変位を測定可能であり、前記医用画像は、CT画像、MRI画像、フルオロスコープ画像も含んでもよい。   (3) The registration marker of the present invention can measure an angle and / or displacement with respect to a plane on which a medical image is taken, and the medical image may include a CT image, an MRI image, and a fluoroscope image.

(4)本発明のレジストレーションマーカーは、上記(1)記載の垂直平面内において上記(1)記載の前記ベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜角柱体と、前記垂直平面と平行ではない非平行平面内において上記(1)記載の前記ベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜角柱体を備えていてもよい。   (4) The registration marker of the present invention includes an oblique column body extending at a predetermined gradient with respect to the base described in (1) above in the vertical plane described in (1), and parallel to the vertical plane. Alternatively, an oblique prism body extending with a predetermined gradient with respect to the base described in (1) above may be provided in a non-parallel plane.

(5)本発明のレジストレーションマーカーは、医療画像を撮影する平面に対する異なる2方向の角度と上記(1)記載のベースに垂直な方向の位置を共に測定可能なものであってもよい。   (5) The registration marker of the present invention may be capable of measuring both the angle in two different directions with respect to the plane on which the medical image is taken and the position in the direction perpendicular to the base described in (1) above.

(6)本発明の活用プログラムは、上記(1)〜(5)のいずれか1項に記載のレジストレーションマーカーを活用するためのプログラムであって、
前記斜角柱体を2つ以上備え,これらの配置、寸法、ロボット及びそれに類する他機器に対する位置関係とCT画像による断面に現れる平行四辺形の形状変化ならびにCT画像の解像度を予め記憶しておく処理と、
前記レジストレーションマーカーをロボット及びそれに類する他機器における予め定めた位置に設置して撮影したCT画像データにおいて現れた前記斜角柱体の断面となる平行四辺形の幾何量を記憶するための画像表示処理と、
を含むことを特徴とするレジストレーションマーカーの活用プログラムである。
(6) The utilization program of the present invention is a program for utilizing the registration marker according to any one of (1) to (5) above,
Processing to store in advance two or more oblique prisms and store their arrangement, dimensions, positional relationship to the robot and other similar devices, the shape change of the parallelogram appearing in the cross section of the CT image, and the resolution of the CT image When,
Image display processing for storing a parallelogram geometric amount that is a cross-section of the oblique column body that appears in CT image data that is captured by setting the registration marker at a predetermined position in a robot and other similar devices When,
This is a registration marker utilization program characterized by including:

(7)本発明の活用プログラムは、上記(1)〜(6)のいずれか1項に記載のレジストレーションマーカーを活用するためのプログラムであって、
前記記憶された幾何量から上記(1)に記載のレジストレーションマーカーの基準平面の、CT撮像基準面座標系に対する回転角度を算出して記憶する処理と、
前記記憶された回転角度によってロボット及びそれに類する他機器をレジストレーションマーカーの基準平面とCT撮像基準面座標系が平行になるような動作命令と、
を含むことを特徴とするレジストレーションマーカーの活用プログラムである。
(7) The utilization program of the present invention is a program for utilizing the registration marker according to any one of (1) to (6) above,
A process of calculating and storing a rotation angle of the reference plane of the registration marker according to (1) with respect to the CT imaging reference plane coordinate system from the stored geometric amount;
An operation command such that the reference plane of the registration marker and the CT imaging reference plane coordinate system are in parallel with the robot and other similar devices according to the stored rotation angle;
This is a registration marker utilization program characterized by including:

(8)本発明の活用プログラムは、上記(1)〜(6)のいずれか1項に記載のレジストレーションマーカーを活用するためのプログラムであって、
前記動作命令によってレジストレーションマーカーの基準平面座標系とCT撮像基準面座標系が平行なった状態において再度取得されたCT画像において上記(5)に記載のプログラムにより記憶された幾何量によりレジストレーションマーカーの基準平面のCT撮像基準面がこの座標平面に垂直な方向に離れた距離を算出して記憶する処理と、
前記記憶された距離によってロボットをレジストレーションマーカーの基準平面とCT撮像基準面座標系が一致するような動作命令と、
を含むことを特徴とするレジストレーションマーカーの活用プログラムである。
(8) The utilization program of the present invention is a program for utilizing the registration marker according to any one of (1) to (6) above,
In the CT image obtained again in a state where the reference plane coordinate system of the registration marker and the CT imaging reference plane coordinate system are parallel by the operation command, the registration marker is stored by the geometric amount stored by the program described in (5) above. A process for calculating and storing a distance in which the CT imaging reference plane of the reference plane is separated in a direction perpendicular to the coordinate plane;
The operation command such that the reference plane of the registration marker and the CT imaging reference plane coordinate system match the robot according to the stored distance,
This is a registration marker utilization program characterized by including:

本発明によれば、医用画像とロボットの正確なレジストレーションが簡便かつ高精度に可能となるマーカー及びプログラムを提供することができ、臨床現場において有効な治療に寄与することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the marker and program which enable accurate registration of a medical image and a robot simply and with high precision can be provided, and it can contribute to an effective treatment in a clinical field.

この発明の実施形態に係るレジストレーションマーカー1の正面図である。1 is a front view of a registration marker 1 according to an embodiment of the present invention. マーカー1の側面図にベース2に平行な2つの医用画像撮影断面を直線によって示した図である。It is the figure which showed two medical image photography cross sections parallel to the base 2 in the side view of the marker 1 with the straight line. マーカー1の側面図に側面に対して垂直な2つの医用画像撮影断面を直線によって示した図である。It is the figure which showed two medical image photography cross sections perpendicular | vertical with respect to the side surface to the side view of the marker 1 with the straight line. この発明の実施形態に係るレジストレーションマーカー1の背面図である。It is a rear view of the registration marker 1 which concerns on embodiment of this invention. この発明の実施形態に係るレジストレーションマーカー1の等角投影図である。1 is an isometric view of a registration marker 1 according to an embodiment of the present invention. 図2または図3において直線7で示された平面で医用画像を撮影した時のマーカー1の断面図である。It is sectional drawing of the marker 1 when a medical image is image | photographed by the plane shown by the straight line 7 in FIG. 2 or FIG. 図2において直線8で示された平面で医用画像を撮影した時のマーカー1の断面図である。It is sectional drawing of the marker 1 when a medical image is image | photographed by the plane shown by the straight line 8 in FIG. 図3において直線9で示された平面で医用画像を撮影した時のマーカー1の断面図である。It is sectional drawing of the marker 1 when a medical image is image | photographed by the plane shown by the straight line 9 in FIG. この発明の一実施形態に係るプロブラムの処理内容を説明するためのフォローチャートである。It is a follow chart for demonstrating the processing content of the program which concerns on one Embodiment of this invention.

本発明に係るレジストレーションマーカーは、四方に配置された斜角柱から構成されており、CT撮像基準面に対するロボットの位置・角度のずれによってCT画像に描出される形状が変化することが大きな特徴である。描出された形状から画像処理を用いてマーカーの断面形状の幾何量を把握する。断面形状は直線から構成されているため、円形状と比較して画像処理における誤差は小さくなる。また斜角柱を四方に配置することで、同一マーカーで位置・角度の両方のずれが計算可能となる。さらに、角度計算の際の補正計算には三角関数が用いられるが、直角柱ではなく斜角柱を用いることで、CT撮像基準面付近における微小な角度のずれの計算も高精度に実施可能となる。   The registration marker according to the present invention is composed of oblique prisms arranged in four directions, and has a major feature that the shape depicted in the CT image changes due to the deviation of the position / angle of the robot with respect to the CT imaging reference plane. is there. The geometric amount of the cross-sectional shape of the marker is grasped from the drawn shape using image processing. Since the cross-sectional shape is composed of straight lines, the error in image processing is smaller than that of a circular shape. Further, by arranging the oblique prisms in all directions, it is possible to calculate both the positional and angular deviations with the same marker. Furthermore, trigonometric functions are used for the correction calculation in the angle calculation. By using an oblique prism instead of a right prism, it is possible to calculate a minute angle deviation near the CT imaging reference plane with high accuracy. .

本発明に係るレジストレーションプログラムは、撮像したCT画像に描出されたマーカーの断面形状の各頂点及び各辺の幾何量を画像処理によって取得し、その幾何量からCT撮像基準面に対するマーカーの位置・角度のずれを計算し、計算結果からロボットの位置・角度をCT撮像基準面に合わせるように指令するプログラムであって、マーカーの大きさやCTスキャンの設定などの基本データを入力しプログラム内を初期化するステップと、取得したCT画像群からマーカー断面形状の幾何量を取得し、CT撮像基準面に対するマーカーの位置・角度のずれを計算するステップと、計算結果からロボットの位置・角度を調整するステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする。   The registration program according to the present invention obtains the geometric amount of each vertex and each side of the cross-sectional shape of the marker depicted in the captured CT image by image processing, and from the geometric amount, the position of the marker relative to the CT imaging reference plane This is a program that calculates the angle deviation and instructs the position and angle of the robot to match the CT imaging reference plane based on the calculation result, and inputs basic data such as marker size and CT scan settings to initialize the program. The step of obtaining the geometrical amount of the marker cross-sectional shape from the acquired CT image group, calculating the deviation of the marker position / angle with respect to the CT imaging reference plane, and adjusting the position / angle of the robot from the calculation result And causing the computer to execute the steps.

以下、図面を参照しつつ本発明に係るレジストレーションマーカー及びレジストレーションマーカーの活用プログラムの実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of a registration marker and a registration marker utilization program according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本実施形態のレジストレーションマーカー(以下単に「マーカー」という。)は、ロボットの所定の部位に取付けられ、当該所定の部位の位置を認識するために使用される。上記の所定の部位とは、ロボットのエンドエフェクタであってもよい。上記のロボットは、医用撮像装置に並設されて当該医用撮像装置と一緒に使用される。医用撮像装置は患者の断層などの医用画像を撮影する装置である。医用撮像装置の例としては、CT装置、MRI装置、及びフルオロスコープ装置等がある。すなわち、上記の医用画像の例としては、CT画像、MRI画像、フルオロスコープ画像等がある。   The registration marker of this embodiment (hereinafter simply referred to as “marker”) is attached to a predetermined part of the robot and used to recognize the position of the predetermined part. The predetermined portion may be an end effector of a robot. The robot described above is juxtaposed with the medical imaging apparatus and used together with the medical imaging apparatus. A medical imaging apparatus is an apparatus that captures a medical image such as a tomogram of a patient. Examples of medical imaging devices include CT devices, MRI devices, and fluoroscope devices. That is, examples of the medical image include a CT image, an MRI image, and a fluoroscope image.

本実施形態のマーカーは、造影材料からなる角柱体を備えている。マーカーの使用状態において、角柱体は、医用撮像装置の頭尾方向に対して傾斜した方向に延在している。なお、角柱体の延在方向とは、角柱体の柱軸の延在方向を意味する。また、ロボットが使用されるとき、角柱体は、医用撮像装置の撮影可能領域内に位置する。角柱体は造影材料からなるので、医用撮像装置によって角柱体の断層が撮影可能である。造影材料として樹脂が用いられてもよい。また、マーカー全体が造影材料で一体的に形成されてもよい。   The marker of the present embodiment includes a prismatic body made of a contrast material. In the usage state of the marker, the prismatic body extends in a direction inclined with respect to the head-to-tail direction of the medical imaging apparatus. Note that the extending direction of the prismatic body means the extending direction of the column axis of the prismatic body. Further, when the robot is used, the prismatic body is located within the imageable area of the medical imaging apparatus. Since the prismatic body is made of a contrast material, a tomogram of the prismatic body can be imaged by a medical imaging apparatus. A resin may be used as the contrast material. Further, the entire marker may be integrally formed of a contrast material.

以下の説明では、医用撮像装置の頭尾方向をZ方向、鉛直方向をY方向、Z方向とY方向の両方に直交する方向をX方向と呼ぶ場合がある。また、Z方向に直交する平面をXY平面、Y方向に直交する平面をZX平面、X方向に直交する平面をYZ平面と呼ぶ場合がある。また、Z方向に平行な軸周りの回転をθZ回転、また、Y方向に平行な軸周りの回転をθY回転、また、X方向に平行な軸周りの回転をθX回転と呼ぶ場合がある。   In the following description, the head-to-tail direction of the medical imaging apparatus may be referred to as the Z direction, the vertical direction as the Y direction, and the direction orthogonal to both the Z direction and the Y direction as the X direction. A plane orthogonal to the Z direction may be referred to as an XY plane, a plane orthogonal to the Y direction may be referred to as a ZX plane, and a plane orthogonal to the X direction may be referred to as a YZ plane. Further, rotation around an axis parallel to the Z direction may be referred to as θZ rotation, rotation around an axis parallel to the Y direction may be referred to as θY rotation, and rotation around an axis parallel to the X direction may be referred to as θX rotation.

医用撮像装置では、XY平面に平行な断層の断層画像(医用画像)が得られる。このとき、上記角柱体を横切る断層の画像には、角柱体の断面が現れる。この断面の状態は、実物の上記断層と実物のマーカーとの位置関係によって相違する。従って、断層画像に現れた角柱体の断面の状態に基づき、所定の演算を行えば、実物の断層と実物のマーカーとの位置関係を導出することができる。ここで、「断面の状態」には、断層画像上における断面の並進方向の位置、断面の回転方向の位置、断面の形状等が含まれてもよい。また、断面が複数現れる場合には、「断面の状態」には、複数の断面同士の位置関係が含まれてもよい。また、「位置関係」には、並進方向の位置関係及び回転方向の位置関係が含まれてもよい。   In the medical imaging apparatus, a tomographic image (medical image) of a tomogram parallel to the XY plane is obtained. At this time, a cross section of the prismatic body appears in the image of the tomography crossing the prismatic body. The state of this cross section differs depending on the positional relationship between the real fault and the real marker. Therefore, if a predetermined calculation is performed based on the cross-sectional state of the prismatic body that appears in the tomographic image, the positional relationship between the real fault and the real marker can be derived. Here, the “section state” may include the position of the section in the translational direction on the tomographic image, the position of the section in the rotation direction, the shape of the section, and the like. When a plurality of cross sections appear, the “cross-section state” may include a positional relationship between the plurality of cross sections. Further, the “positional relationship” may include a positional relationship in the translation direction and a positional relationship in the rotation direction.

上記のように断層とマーカーとの位置関係が導出可能であるので、医用撮像装置とマーカーとの位置関係が認識可能である。また、医用撮像装置に載置されている患者とロボットとの位置関係が認識可能である。   Since the positional relationship between the tomography and the marker can be derived as described above, the positional relationship between the medical imaging apparatus and the marker can be recognized. In addition, the positional relationship between the patient and the robot placed on the medical imaging apparatus can be recognized.

マーカーが備える角柱体は単数でもよいが複数であればより好ましい。この場合、断層画像上に現れる複数の断面の状態に基づいて、断層とマーカーとの位置関係をより詳細に認識することができる。或いは、上記位置関係を高精度に認識することができる。また、マーカーが備える複数の角柱体は、互いに平行でない方向に延在していることが好ましい。   Although the number of prisms provided in the marker may be one, it is more preferable if it is plural. In this case, the positional relationship between the tomogram and the marker can be recognized in more detail based on the state of the plurality of cross sections appearing on the tomographic image. Alternatively, the positional relationship can be recognized with high accuracy. Moreover, it is preferable that the some prismatic body with which a marker is provided is extended in the direction which is not mutually parallel.

上記のようなマーカーの一例として、図5には、マーカー1の斜視図が示される。マーカー1は、平板状の矩形のベース2を備えている。ベース2には複数の接続用穴が設けられている。接続用孔を用いたネジ止め等によって、マーカー1はロボットのエンドエフェクタに固定される。マーカー1は、ベース2がXY平面に略平行になるような姿勢で使用されてもよい。以下の説明では、ベース2がXY平面に平行になるようなマーカー1の姿勢に対応させてX,Y,Zを用いる。また、ベース2が呈する矩形の4辺のうちの2辺がX方向に延在し、他の2辺がY方向に延在するものとする。   As an example of the marker as described above, a perspective view of the marker 1 is shown in FIG. The marker 1 includes a flat rectangular base 2. The base 2 is provided with a plurality of connection holes. The marker 1 is fixed to the end effector of the robot by screwing using a connection hole or the like. The marker 1 may be used in such a posture that the base 2 is substantially parallel to the XY plane. In the following description, X, Y, and Z are used in correspondence with the posture of the marker 1 such that the base 2 is parallel to the XY plane. In addition, it is assumed that two of the four sides of the rectangle presented by the base 2 extend in the X direction and the other two sides extend in the Y direction.

マーカー1は、ベース2の四辺の縁部にそれぞれ立設された4つの斜角柱3,4,5,6を備えている。ベース2と4つの斜角柱3,4,5,6とが一体的に形成されてもよい。4つの斜角柱3,4,5,6は、すべて同一形状をなしている。斜角柱3と斜角柱5は、ベース2の互いに対向する辺の縁部に設けられている。斜角柱4と斜角柱6は、ベース2の互いに対向する辺の縁部に設けられている。すべての斜角柱3,4,5,6は、ベース2に直交する方向に対して傾斜した方向に延在している。具体的には、すべての斜角柱3,4,5,6の柱軸は、XY平面に対して45°の角度で交差している。   The marker 1 includes four oblique pillars 3, 4, 5, 6 erected on the edges of the four sides of the base 2. The base 2 and the four oblique columns 3, 4, 5, 6 may be integrally formed. The four oblique columns 3, 4, 5, 6 all have the same shape. The oblique column 3 and the oblique column 5 are provided at the edges of the sides of the base 2 facing each other. The oblique column 4 and the oblique column 6 are provided at the edges of the sides of the base 2 facing each other. All the oblique columns 3, 4, 5, 6 extend in a direction inclined with respect to the direction orthogonal to the base 2. Specifically, the column axes of all the oblique columns 3, 4, 5, 6 intersect with the XY plane at an angle of 45 °.

マーカー1をZX平面に投射したとき、斜角柱3の延在方向と斜角柱5の延在方向とが、Z方向に平行な軸を中心として線対称をなす。マーカー1をZX平面に投射したとき、斜角柱4の延在方向と斜角柱6の延在方向とは、両方ともZ方向に平行になる。マーカー1をYZ平面に投射したとき、斜角柱4の延在方向と斜角柱6の延在方向とが、Z方向に平行な軸を中心として線対称をなす。マーカー1をYZ平面に投射したとき、斜角柱3の延在方向と斜角柱5の延在方向とは、両方ともZ方向に平行になる。   When the marker 1 is projected onto the ZX plane, the extending direction of the oblique prism 3 and the extending direction of the oblique prism 5 are line-symmetric with respect to an axis parallel to the Z direction. When the marker 1 is projected onto the ZX plane, the extending direction of the oblique prism 4 and the extending direction of the oblique prism 6 are both parallel to the Z direction. When the marker 1 is projected onto the YZ plane, the extending direction of the oblique column 4 and the extending direction of the oblique column 6 are line-symmetric with respect to an axis parallel to the Z direction. When the marker 1 is projected onto the YZ plane, the extending direction of the oblique prism 3 and the extending direction of the oblique prism 5 are both parallel to the Z direction.

以上のようなマーカー1によれば、XY平面に平行な断層の断層画像に各斜角柱3,4,5,6の4つの断面が現れる。断層画像に現れる各斜角柱3,4,5,6の4つの断面の一例は、例えば、図6に示されるような断面10,11,12,13のようなものである。そして、上記4つの断面の状態に基づき、所定の演算によって、実物の断層と実物のマーカー1との位置関係が認識可能である。その結果、医用撮像装置とマーカー1との位置関係が認識可能であり、医用画像とロボットとの三次元座標系を正確に一致させるレジストレーション処理が可能である。   According to the marker 1 as described above, four cross sections of each of the oblique prisms 3, 4, 5, 6 appear in the tomographic image of the tomogram parallel to the XY plane. An example of four cross sections of each of the oblique prisms 3, 4, 5, 6 appearing in the tomographic image is, for example, a cross section 10, 11, 12, 13 as shown in FIG. Based on the states of the four cross sections, the positional relationship between the real fault and the real marker 1 can be recognized by a predetermined calculation. As a result, the positional relationship between the medical imaging device and the marker 1 can be recognized, and a registration process for accurately matching the three-dimensional coordinate system between the medical image and the robot is possible.

以下、図面を参照しながら、マーカー1について更に詳細な構成を説明し、マーカー1の活用プログラムについても詳細に説明する。   Hereinafter, the detailed configuration of the marker 1 will be described with reference to the drawings, and the utilization program of the marker 1 will be described in detail.

図1は、この発明の一実施形態に係るレジストレーションマーカー(以下単に「マーカー」という。)1の正面図であり、図2及び図3はマーカー1の側面図、図4はマーカー1の背面図、図5はマーカー1の等角投影図である。
図1〜5を参照して、マーカー1は、樹脂材料、たとえばPEEK樹脂で形成された板状のベース2を有している。
FIG. 1 is a front view of a registration marker (hereinafter simply referred to as “marker”) 1 according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 and FIG. 3 are side views of the marker 1, and FIG. FIG. 5 and FIG. 5 are isometric views of the marker 1.
1 to 5, the marker 1 has a plate-like base 2 formed of a resin material, for example, PEEK resin.

このマーカー1は、ロボットのエンドエフェクタに装着され、ロボットとCT画像の座標系を一致させる際に使用される。マーカー1のベース2は、平面視において、正方形の形態をしており、各機器への取り付け穴を有している。   This marker 1 is attached to the end effector of the robot and used when the robot and the coordinate system of the CT image are matched. The base 2 of the marker 1 has a square shape in plan view and has a mounting hole for each device.

マーカー1は、ベース2の側面に端部が一致し、平面方向に突出するように配置された斜角柱3、4、5、6を備えている。各斜角柱3、4、5、6は、樹脂材料、たとえばPEEK樹脂で構成されている。   The marker 1 includes oblique prisms 3, 4, 5, and 6 that are arranged so that the end portions thereof coincide with the side surfaces of the base 2 and project in the planar direction. Each oblique column 3, 4, 5, 6 is made of a resin material, for example, PEEK resin.

この実施形態では、各斜角柱3、4、5、6はベース2の側面に沿って45°に傾斜している。さらに、マーカー1は、たとえばPEEK樹脂の削り出しにより一体成型されていて、ベース2と各斜角柱3、4、5、6は一体となっている。
なお、削り出しによる一体成型に代え、ベース2の四方側面に各斜角柱3、4、5、6を重ねて接着する構成としてもよい。
In this embodiment, each oblique column 3, 4, 5, 6 is inclined at 45 ° along the side surface of the base 2. Further, the marker 1 is integrally molded by cutting out PEEK resin, for example, and the base 2 and the oblique prisms 3, 4, 5, 6 are integrated.
In addition, it replaces with the integral shaping | molding by cutting, and it is good also as a structure which piles up and adhere | attaches each diagonal column 3, 4, 5, 6 on the four side surfaces of the base 2. FIG.

図6は、CT撮像基準面に対して図5に示すマーカー1を平行に位置させ、なおかつマーカーの基準平面、すなわち撮像面7でCTを撮像した場合の断面を示す図である。その際、図6に示すように、マーカー1の断面は、各斜角柱3、4、5、6の断面である4つの平行四辺形断面10、11、12、13が表示される。   FIG. 6 is a diagram showing a cross section when the marker 1 shown in FIG. 5 is positioned in parallel to the CT imaging reference plane and the CT is imaged on the reference plane of the marker, that is, the imaging plane 7. At this time, as shown in FIG. 6, the cross section of the marker 1 is displayed with four parallelogram cross sections 10, 11, 12, and 13 which are cross sections of the oblique prisms 3, 4, 5, and 6.

また図7は、図5に示すマーカー1を、CT撮像基準面に対して傾いた撮像面8でCTを撮像した場合のマーカー1の断面を示す図である。その際、図7に示すように、マーカー1の断面は、各斜角柱3、4、5、6の断面である4つの平行四辺形断面14、15、16、17が表示される。平行四辺形断面10、11、12、13の各長辺の長さを基準として、表示された平行四辺形断面14、15、16、17の各長辺の長さの比率からマーカー1のCT撮像基準面からの角度を算出する。このとき45°の斜角柱を用いることで、CT撮像基準面近傍の微小角度の傾きの撮像面に対しても、少ない誤差で算出可能となる。   FIG. 7 is a view showing a cross section of the marker 1 when the CT shown in FIG. 5 is imaged on the imaging surface 8 inclined with respect to the CT imaging reference plane. At this time, as shown in FIG. 7, the cross section of the marker 1 is displayed with four parallelogram cross sections 14, 15, 16, and 17 that are cross sections of the respective oblique prisms 3, 4, 5, and 6. The CT of the marker 1 is calculated from the ratio of the lengths of the long sides of the displayed parallelogram sections 14, 15, 16, and 17 with the length of each long side of the parallelogram sections 10, 11, 12, and 13 as a reference. An angle from the imaging reference plane is calculated. At this time, by using an oblique column of 45 °, it is possible to calculate with a small error even for an imaging surface with a small angle of inclination near the CT imaging reference surface.

また図8は、図5に示すマーカー1をCT撮像基準面に対して平行移動した撮像面9でCTを撮像した場合のマーカー1の断面を示す図である。その際、図8に示すように、マーカー1の断面は、各斜角柱3、4、5、6の断面である4つの平行四辺形断面18、19、20、21が表示される。平行四辺形断面10、11、12、13の中心位置を基準として、表示された平行四辺形断面18、19、20、21の中心位置の距離から、マーカー1のCT撮像基準面からの位置を算出する。   FIG. 8 is a diagram showing a cross section of the marker 1 when CT is imaged on the imaging surface 9 obtained by translating the marker 1 shown in FIG. 5 with respect to the CT imaging reference plane. At that time, as shown in FIG. 8, four parallelogram sections 18, 19, 20, and 21, which are sections of the respective oblique prisms 3, 4, 5, and 6, are displayed as the section of the marker 1. The position of the marker 1 from the CT imaging reference plane is determined from the distance of the center position of the displayed parallelogram sections 18, 19, 20, and 21 with the center position of the parallelogram sections 10, 11, 12, and 13 as a reference. calculate.

図9は、この発明の一実施形態に係るマーカー1を活用するためのプログラムの処理内容の流れを表すためのフローチャートである。次に、図9を参照して、マーカー1を活用するためのプログラムの内容について説明をする。
最初に、ロボットのエンドエフェクタにマーカー1を取り付け、CT撮像が可能な位置まで動かす。プラグラムがスタートすると、まずマーカー1の規格寸法が記憶されているか否かの判別がされ、マーカー1の規格寸法が記憶されていない場合、規格寸法の入力が求められる。
マーカー1の規格寸法とは、図1で説明したマーカー1のベース2の各四辺の長さ、斜角柱3、4、5、6の外形寸法である。
FIG. 9 is a flowchart for showing a flow of processing contents of a program for utilizing the marker 1 according to the embodiment of the present invention. Next, the contents of the program for utilizing the marker 1 will be described with reference to FIG.
First, the marker 1 is attached to the end effector of the robot and moved to a position where CT imaging is possible. When the program starts, it is first determined whether or not the standard dimension of the marker 1 is stored. If the standard dimension of the marker 1 is not stored, input of the standard dimension is required.
The standard dimensions of the marker 1 are the lengths of the four sides of the base 2 of the marker 1 described with reference to FIG. 1 and the external dimensions of the oblique pillars 3, 4, 5, 6.

次に、CT撮像を行い、画像データを入力する。その際に、CT画像の解像度の情報が記憶されているか否かの判別がされ、CT画像の解像度が記憶されていない場合、解像度の入力が求められる。   Next, CT imaging is performed and image data is input. At that time, it is determined whether or not the resolution information of the CT image is stored, and if the resolution of the CT image is not stored, the input of the resolution is required.

そしてその後、CT画像が表示され、そこから画像処理を用いてマーカー1の断面形状の幾何量を取得し、CT撮像基準面に対するマーカー1の回転角度を算出する。算出結果を用いて、マーカー基準平面とCT撮像基準面が平行になるようにロボットのエンドエフェクタを移動するようにロボットに指令する。   Then, after that, a CT image is displayed, from which the geometric amount of the cross-sectional shape of the marker 1 is acquired using image processing, and the rotation angle of the marker 1 with respect to the CT imaging reference plane is calculated. Using the calculation result, the robot is instructed to move the end effector of the robot so that the marker reference plane and the CT imaging reference plane are parallel.

その後、もう一度CT撮像を行い、データを入力する。表示されたCT画像から、画像処理を用いてマーカー1の断面形状の幾何量を取得し、CT撮像基準面に対するマーカー1の基準面の距離を算出する。算出結果を用いて、マーカー基準平面の中心点とCT撮像基準面の中心点が一致するようにロボットのエンドエフェクタを移動するようにロボットに指令する。   Then, another CT image is taken and data is input. The geometric amount of the cross-sectional shape of the marker 1 is acquired from the displayed CT image using image processing, and the distance of the reference surface of the marker 1 with respect to the CT imaging reference surface is calculated. Using the calculation result, the robot is instructed to move the end effector of the robot so that the center point of the marker reference plane matches the center point of the CT imaging reference plane.

最後に、CT撮像基準面の座標系は、マーカー1とロボットの位置関係を介してロボットの座標系に座標変換されて記憶される。換言すれば、CT画像上で指定したピクセル位置は、ロボット座標系の三次元位置情報として変換される。   Finally, the coordinate system of the CT imaging reference plane is coordinate-converted and stored in the robot coordinate system via the positional relationship between the marker 1 and the robot. In other words, the pixel position designated on the CT image is converted as three-dimensional position information of the robot coordinate system.

1 レジストレーションマーカー
2 ベース
3、4、5、6 斜角柱体
7 マーカーの基準平面で撮像した際の撮像面
8 撮像面7がベース1に垂直な方向に移動した撮像面
9 撮像面7がベース1に垂直な方向に移動した撮像面
10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21 平行四辺形断面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Registration marker 2 Base 3, 4, 5, 6 Inclined prism 7 Imaging surface 8 when imaged on the reference plane of the marker Imaging surface 9 in which the imaging surface 7 moves in a direction perpendicular to the base 1 Imaging surface 7 is the base Imaging surface 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 moved in a direction perpendicular to 1 Parallelogram section

Claims (8)

医用画像を撮影する平面に対して該平行となる位置関係で設置されるベースと、前記ベースを含む基準平面の法線方向に延伸する垂直平面内において前記ベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜角柱体を備えていて、前記ベースと前記斜角柱体は医用撮像装置で造影可能な材料で形成されたレジストレーションマーカー。   A base installed in a positional relationship that is parallel to the plane for taking a medical image, and a predetermined plane with respect to the base in a vertical plane extending in a normal direction of a reference plane including the base A registration marker comprising an extending oblique prism body, wherein the base and the oblique prism body are made of a material that can be contrasted by a medical imaging apparatus. 医用画像を撮影する平面に対して該平行となる位置関係で設置されるベースと、前記ベースを含む基準平面の法線方向に延伸しかつ互いに並行ではない複数の垂直平面内において前記ベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜角柱体を備えていて、前記ベースと前記斜角柱体は医用撮像装置で造影可能な材料で形成されたレジストレーションマーカー。   A base installed in a parallel position relative to a plane for taking a medical image; and a plurality of vertical planes extending in a normal direction of a reference plane including the base and not parallel to each other A registration marker formed of a material that can be contrasted with a medical imaging apparatus. 医用画像を撮影する平面に対する角度および/あるいは変位を測定可能であり、前記医用画像は、CT画像、MRI画像、フルオロスコープ画像も含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のレジストレーションマーカー。   3. The resist according to claim 1, wherein an angle and / or displacement with respect to a plane on which the medical image is taken can be measured, and the medical image includes a CT image, an MRI image, and a fluoroscope image. Marker. 請求項1記載の垂直平面内において請求項1記載の前記ベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜角柱体と、前記垂直平面と平行ではない非平行平面内において請求項1記載の前記ベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜角柱体を備えている請求項1〜3の何れか1項に記載のレジストレーションマーカー。   The oblique prism body extending at a predetermined gradient with respect to the base according to claim 1 in the vertical plane according to claim 1, and the non-parallel plane not parallel to the vertical plane according to claim 1. The registration marker of any one of Claims 1-3 provided with the oblique column body extended | stretched with the predetermined gradient with respect to a base. 医療画像を撮影する平面に対する異なる2方向の角度と請求項1記載のベースに垂直な方向の位置を共に測定可能なことを特徴とする、請求項1〜4の何れか1項に記載のレジストレーションマーカー。   The resist according to any one of claims 1 to 4, wherein both the angle in two different directions with respect to a plane for taking a medical image and the position in a direction perpendicular to the base according to claim 1 can be measured. Marker. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のレジストレーションマーカーを活用するためのプログラムであって、
前記斜角柱体を2つ以上備え,これらの配置、寸法、ロボット及びそれに類する他機器に対する位置関係とCT画像による断面に現れる平行四辺形の形状変化ならびにCT画像の解像度を予め記憶しておく処理と、
前記レジストレーションマーカーをロボット及びそれに類する他機器における予め定めた位置に設置して撮影したCT画像データにおいて現れた前記斜角柱体の断面となる平行四辺形の幾何量を記憶するための画像表示処理と、
を含むことを特徴とするレジストレーションマーカーの活用プログラム。
A program for utilizing the registration marker according to any one of claims 1 to 5,
Processing to store in advance two or more oblique prisms and store their arrangement, dimensions, positional relationship to the robot and other similar devices, the shape change of the parallelogram appearing in the cross section of the CT image, and the resolution of the CT image When,
Image display processing for storing a parallelogram geometric amount that is a cross-section of the oblique column body that appears in CT image data that is captured by setting the registration marker at a predetermined position in a robot and other similar devices When,
A registration marker utilization program characterized by including:
請求項1〜6のいずれか1項に記載のレジストレーションマーカーを活用するためのプログラムであって、
前記記憶された幾何量から請求項1に記載のレジストレーションマーカーの基準平面の、CT撮像基準面座標系に対する回転角度を算出して記憶する処理と、
前記記憶された回転角度によってロボット及びそれに類する他機器をレジストレーションマーカーの基準平面とCT撮像基準面座標系が平行になるような動作命令と、
を含むことを特徴とするレジストレーションマーカーの活用プログラム。
A program for utilizing the registration marker according to any one of claims 1 to 6,
A process of calculating and storing a rotation angle of the reference plane of the registration marker according to claim 1 with respect to the CT imaging reference plane coordinate system from the stored geometric amount;
An operation command such that the reference plane of the registration marker and the CT imaging reference plane coordinate system are in parallel with the robot and other similar devices according to the stored rotation angle;
A registration marker utilization program characterized by including:
請求項1〜6のいずれか1項に記載のレジストレーションマーカーを活用するためのプログラムであって、
前記動作命令によってレジストレーションマーカーの基準平面座標系とCT撮像基準面座標系が平行なった状態において再度取得されたCT画像において請求項5に記載のプログラムにより記憶された幾何量によりレジストレーションマーカーの基準平面のCT撮像基準面がこの座標平面に垂直な方向に離れた距離を算出して記憶する処理と、
前記記憶された距離によってロボットをレジストレーションマーカーの基準平面とCT撮像基準面座標系が一致するような動作命令と、
を含むことを特徴とするレジストレーションマーカーの活用プログラム。
A program for utilizing the registration marker according to any one of claims 1 to 6,
6. The CT image acquired again in a state in which the reference plane coordinate system of the registration marker and the CT imaging reference plane coordinate system are parallel by the operation command, according to the geometric amount stored by the program according to claim 5, Processing for calculating and storing the distance at which the CT imaging reference plane of the reference plane is separated in a direction perpendicular to the coordinate plane;
The operation command such that the reference plane of the registration marker and the CT imaging reference plane coordinate system match the robot according to the stored distance,
A registration marker utilization program characterized by including:
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