JP2018187399A - ハイブリッド画像/ハンズフリー制御によるシーンレンダラー - Google Patents
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Abstract
【解決手段】特定の患者の手術をシミュレートするために、組織動態モデルを患者特有のスキャン画像14に結び付けることにより医療処置を正確な動的手法でシミュレートする。器具の特徴を患者特有のスキャン画像に結び付けることにより、特定患者の静態/静止医用画像を動的でインタラクティブな画像に変換して医用デバイスをはじめとする医療器具とインタラクトする。該方法は、組織の動的画像を追加および/または調節するツールと、組織の動的画像に任意の幾何学的形状を描写してその形状をモデリングシステムに追加する能力と、を含む。
【選択図】図1
Description
本願は、2012年5月25日に出願され、参照により本明細書に組み入れられる、米国特許仮出願第61/651,775号の利益を主張するものである。
本願は一般に、外科処置をシミュレートするためのシステムおよび方法に関する。より詳細には、本願は、ハンズフリー制御を利用して組織動態モデルを患者特有の映像に結び付けることにより、静態/静止医用画像を動的でインタラクティブな映像に変換して、医療器具(例えば手術器具、プローブ、および/または移植可能な医療デバイス)とインタラクトするためのシステムおよび方法に関する。
非限定的に、ディスプレイと;ディスプレイに組織を表示して、対応する実際の生体組織を現実的に表現するために、組織の動的画像をディスプレイへの表示用に作成する画像ジェネレータと;ディスプレイへの表示のためにユーザー入力によりもたらされる操作を通して組織の動的画像と動的にインタラクトするユーザーツールのツールモデルを作成するユーザーツールジェネレータと;実際の生体組織内には存在するが最初に表示された組織の動的画像には存在しないため、表示された組織の動的画像を、次に追加または改良された特色と共にディスプレイに表示する、解剖学的構造を補正するために組織の特色を追加または改良することによりディスプレイに表示された組織の動的画像を調節するツールを提供するユーザーインターフェースと、を含む、医療処置を実施するためのモデリングシステムをはじめとする複数の例示的実施形態が提供される。このツールモデルは、ディスプレイに表示され、医療処置を現実的にシミュレートするために組織の動的画像と動的にインタラクトする。
コンピュータシステムを準備するステップと;
コンピュータデバイスに接続されたディスプレイを準備するステップと;
コンピュータシステムに保存する特定患者の生体組織についての患者画像情報を得るステップと;
コンピュータシステムを利用して、特定患者の生体組織の動的画像をディスプレイへの表示用に患者画像情報を用いて作成することにより、組織の動的画像をディスプレイに表示して、特定患者の対応する実際の組織を現実的に表現するステップと;
コンピュータシステムを利用して、ディスプレイに表示するためにユーザーによる操作入力を介して組織の動的画像と動的にインタラクトするユーザーツールモデルを作成するステップと;
コンピュータシステムへのユーザー入力を利用して、特定患者の実際の生体組織内には存在するが最初に表示された組織の動的画像には存在しないため、表示された組織の動的画像を、次に追加または改良された特色と共にディスプレイに表示する、表示用に組織の特色を追加または改良して解剖学的構造を補正することによりディスプレイに表示された組織の動的画像を調節するステップと;
コンピュータシステムを利用して、組織の動的画像とユーザーの入力によるユーザーツールモデルとのインタラクションを示す医療処置の現実的なシミュレーションをディスプレイへの表示用に作成するステップと、
を含む、手術のシミュレーションを実施する方法が提供される。
図1は、患者特有のスキャン画像(CT、MRIなど)(14)がシステムのコンソール(10)に送られ、三次元の現実的な解剖学的表示(18)を作成するアルゴリズムが、テクスチャ、陰影、付影および他のキュー(Cue)を画像に加え、機械的性質のアルゴリズム(16)が機械的挙動特性を画像に割り付けて、画像を静止/静態画像から動的なインタラクティブ画像/モデルに転換する、システム1の一適用例の例示的実施形態を示している。フォースフィードバック(20)を有する、または有さないインターフェースが、システムに接続されて、システムが作成する画像/モデルを外科医/オペレータ(12)に操作させることができ;外科医は、それらのツールおよびインプラントの特徴を含むツールおよびインプラントのライブラリからツールおよびインプラントを選択することができる。その後、外科医は、現実的で動的な手法で患者の生体の操作可能で動的なインタラクティブ三次元画像/モデルで仮想手術を実施する。
図2は、サージカルシアターにより導入されたコラボレイティブシアターコンセプトの高レベルの例示的実施を示す。次世代のブロードバンドインフラストラクチャー25を活用することにより、異なる病院のSRP21、22、23・・・を利用している個人が連携して、国中および世界中の外科医に、例えば2つ以上に分散された場所からSRPに、外科症例を共同的に計画させて、手術に向けて一緒に患者症例でリハーサルすることができる。このコラボレイティブシアターで、過去のサージカルシアター症例を観察するだけでなく遠隔教育および指導を提供することにより、外科医に最良の実践方法を研究させることができる。コラボレイティブシアターは、連携していてSRPを利用している全ての病院で、最新の知識および最近の「最良実践法」へのアクセスを増加させることができる。更に、以下に記載されるハンズフリー操作は、コラボレイティブシアターコンセプトに用いることができる。
システムレベルデザインの説明は、先行の区分に概説されている。視覚レンダリングエンジンで、3D MRIおよびCTの患者特有の画像を分析して、特定の画像の解剖学的構造および特色を表すコンピュータ化されたセグメント化モジュールを作成する。医療市場は、膨大な数の先進的デジタル・イメージング・アンド・コミュニケーション・イン・メディスン(Digital Imaging and Communication in Medicine)−DICOM(1)ビューワを有する。それらの特色を組み合わせば、相互参照し得る3枚の異なるパネルの層状白黒断面から、患者の臓器の3D画像の静態サブセットをフライスルーする完全な能力まで様々である。加えて、臓器の様々な機能的および動的変化をムービークリップの形態で記録する4Dおよび5D機能も存在する。取込み画像または動画と同様に見事なことは、それらが、決められた時間内での一定のスナップショット画像セットということである。
この区分では、衛星画像を現実的な三次元画像にレンダリングすることが可能なフライトシミュレーション画像ジェネレータの改良であるサージカルシアターの「現実的視覚」セグメント、サージカルシアターの現実的画像ジェネレータ(RIG)に変換してCT/MRI DICOM画像を取扱い、患者特有の現実的活動的なCT/MRI画像に実時間レンダリングするモデル、および外科医が直接的な人の間隔により臓器とインタラクトする直視下手術/従来の手術に不可欠なモデル、に焦点を当てる。
SRPでは、手術部位および組織/構造周辺の患者特有DICOMデータを動的でインタラクティブな3Dモデルに変換することによる脳の動脈瘤クリッピング手術を計画して、物理的にリハーサルするために、神経手術用の現実的な「本物そっくりの」全没入型実習が作成される。既存の手術の準備用デバイスとは異なり、SRPは、(i)患者特有の組織の外観、感触および機械的挙動の微細なキュー、(ii)患者特有の解剖学的構造の3Dディスプレイ、(iii)3D組織モデルの実時間手術と同様の操作、そして将来的には(iv)「全没入型」実習のための外科医へのハプティックフィードバック、を提供することができる。生きた生体組織の構成および機械的性質が複雑であるため、そのような現実的で「本物そっくりの」レンディションを開発するには、以下のサブデベロップメント(sub−development)が求められる(図6):ビルトインのセグメント化関心体積(Volume of Interest)(VOI)モデルジェネレータ(Model Generator)(611)を有するDICOM画像体積リーダー(DICOM Image Volume Reader)(602)およびビューワ、(ii)3D画像ジェネレータ(IG)(604)、(iii)実時間軟組織変形エンジン(Real Time Soft Tissue Deformation Engine)(RTTDE)(612)、(iv)手術の分散型インタラクティブシミュレーション(SDIS)ネットワーク(610)、(v)シミュレーションエグゼクティブアプリケーション(Simulation Executive Application)(SimExec)ソフトウエア(601)、(vi)外科医ユーザーインターフェース(Surgeon User Interface)(SUI)(605)、および(vii)ユーザーインタープリターエンジン(User Interpreter Engine)(UIIE)(613)、(vi)ツールライブラリの心拍数、血流などの視覚用VisCHasDBデータベース。
SDISに基づくアーキテクチャは、フライトシミュレーションテクノロジーのコア能力である実時間性能を維持しながら、厳密な「実時間」拘束の下で多量の情報を取り扱うと同時に、最高忠実性、微細なキューおよび計算能力についての独特の卓越した可能性を促す。SDISネットワークの特色の1つが、中央サーバーまたはプロセッサが全く存在せず、各シミュレーションノード(ノードは、画像ジェネレータ、ユーザーインターフェース、機械的モデリングコンピュータなどであってもよい)が、共通の仮想環境、つまり血管、組織およびシミュレーションノードのそれぞれで受け留められ維持される他のモデルの独自コピーを維持し;そのようなモデルのそれぞれが別個の「エンティティー」として取り扱われること、である。このアーキテクチャは、厳密な実時間拘束の下で同調的手法で複数のPCを動作させて、シミュレートされたシーンの最高忠実性を送達するSRPの先駆的で独特の能力を実現することができる。これは、外科医が直接のヒトの感覚により臓器とインタラクトする直視下手術/従来の手術のリハーサルを可能にする没入型シナリオを作成する。
先に、そして関連出願において議論された通り、アップデートされたサージカルシアターは、複数の形式(例えば、デジタル・イメージング・アンド・コミュニケーション・イン・メディスン−DICOM)のシーンファイル(例えば、医用スキャンファイル)からインタラクティブ画像/シーンへの画像のハイブリッドレンダリング(体積および表面)のための方法を提供する。アウトプット画像/シーンは、二次元または三次元にすることができ、幾何学的配置、ビューポイント、テクスチャ、照光、陰影、および濃淡の情報、ならびに仮想シーンの説明の他の要素を含む。図8は、本明細書の以下に議論される具体的詳細と共にアップレートされた特色を示すフローチャートを示す。
画像/シーンを回転、運動および移動させる(図10A〜図10Bに示された手の動きと、画像121および122のそれぞれ移動および再配向を参照)
ズームインおよびズームアウトする
ライブラリから要素を選択して、それを画像/シーンに追加する
画像/シーン内の要素をドラッグおよびドロップする
1つ以上の要素をコマンドして、1つ以上の他の要素とインタラクトする、例えば動脈瘤用クリップを配置させて、それを動脈瘤上で閉じさせるようコマンドし、その後、「閉じる」をコマンドして、クリップ(表面要素)を動脈瘤(体積要素)とインタラクトさせて、動脈瘤の物理的圧搾およびクリップの運動(開いたブレードから閉じたブレードへ)を行う
要素を選択し、それを画像/シーンから取り出す
画像/シーンが複数のスライスで積層/構築されている場合(CT/MRIなど)、スライス間でスクロールする
シーンの対象物を選択し、その後、それを所望の3D位置にドラッグすることにより、対象物を再配置する。これにより、非限定的にツールと組織のインタラクション(図11においてドラッグされている具132の場合)またはシーンの測定を実施すること(測定マーカ131をドラッグする場合、図11参照)が可能になる。
概説:スキャナー(MRI、CTなど)から作成された医用画像は、スキャンされた解剖学的構造に関する物理的、機能的構造または他の情報を提供する。様々な理由、中でもスキャナーの制約により、解剖学的構造で、得られた画像において明瞭に見ることができるのは、全てではない。この現象/限定についての2つの例は、以下の通りである:
1−MRでは、スキャンがいつも可視であるとは限らない。具体的例は、微小血管圧迫の処置に対する脳スキャンの画像に見出される場合があり、そこでは脳血管は神経に接触していて、神経への物理的圧力を生じており、それらのスキャンでは、血管がスキャンされた画像で可視であることが多いが、神経は観察できない。
2−MR、CT、または他のスキャンでは、解剖学的構造の一部が可視の場合があるが、様々な理由、とりわけスキャナーの制約により、解剖学的構造の一部しか可視にならない。一例は、CTまたはMRIスキャンの画像であり、血管構造の一部が可視であり、他の部分が可視でない場合がある。この例では、血管の画像は、歪曲し、そして/または完全なものにならない。
Claims (23)
- シミュレートされた医療処置をユーザーが行うことを可能にするためのモデリングシステムであって、前記システムが、
1つ以上のコンピュータと、
前記ユーザーに画像を表示するためのディスプレイと、
特定患者の組織の特徴を保存するためのデータベースと、
前記ディスプレイ上で表示するために、前記特定患者の保存された特徴に基づいて前記特定患者の組織の動的現実的画像を生成するためのソフトウエアを実行するために前記コンピュータのうち1つ以上を用いる画像ジェネレータであって、前記組織の現実的画像が提供され、前記特定患者の組織を示す付影およびテクスチャを含む外観を示す、画像ジェネレータと、
医療処置で用いられる実際のユーザーツールの複数のユーザーツールモデルを提供するためのユーザーツールライブラリを保存するためのデータベースと、
前記ユーザーツールモデルのうち1つを選択するために前記ユーザーからの入力を受け取るための第1のユーザーインターフェースと、
前記ディスプレイ上で表示するために、選択されたユーザーツールモデルの現実的なツール画像を生成するためのソフトウエアを実行するために、前記コンピュータのうち1つ以上を用いるユーザーツールジェネレータと、
前記ユーザーの手の動きに基づいて前記ユーザーからハンズフリー入力を受け取るためのカメラを含む第2のユーザーインターフェースであって、前記ハンズフリー入力が、実時間での前記ディスプレイ上での前記ユーザーへの表示のために、前記シミュレートされた医療処置の間に前記組織の現実的画像と動的にインタラクトするために、前記選択されたユーザーツールモデルの画像および/または前記組織の画像を動的に操作するためのものであり、前記ユーザーツールモデルの画像と前記組織の画像との間の動的インタラクションが、現実的な機械的インタラクションを呈する現実的な視覚的特色を有する画像を用いて前記ディスプレイ上に表示される、第2のユーザーインターフェースと、
を備える、モデリングシステム。 - 前記組織の動的画像上で任意の幾何学的形状を描写する能力を提供する、前記組織の動的画像を調節するツールを更に備える、請求項1に記載のモデリングシステム。
- 前記組織の動的画像を調節するツールが、前記組織の動的画像の不完全な解剖学的構造を完全にする能力を提供するツールを含む、請求項2に記載のモデリングシステム。
- 前記組織の動的画像を調節するツールが、前記組織の動的画像の一部のテクスチャ、照光、陰影および/または濃淡を改良する能力を提供する、請求項2〜3のいずれか一項に記載のモデリングシステム。
- 前記組織の動的画像を調節するツールが、前記組織の動的画像の1つ以上の部分とインタラクトするツールをコマンドする能力を提供するツールを含む、請求項2〜4のいずれか一項に記載のモデリングシステム。
- 前記組織の動的画像を調節するツールが、表示された画像からの除去のための、前記ツールのモデルの要素および/または前記組織の動的画像を選択する能力を提供するツールを含む、請求項2〜5のいずれか一項に記載のモデリングシステム。
- 前記組織の動的画像を調節するツールが、対象を選択して、前記対象を前記画像内での表示のために望ましい位置にドラッグすることにより、表示された画像内の対象を再配置する能力を提供するツールを含む、請求項2〜6のいずれか一項に記載のモデリングシステム。
- 前記組織の動的画像を調節するツールが、前記動的画像内の解剖学的構造を増強および統合する能力を提供するツールを含む、請求項2〜7のいずれか一項に記載のモデリングシステム。
- 前記組織の動的画像を調節するツールが、前記組織の動的画像に付加するための任意の幾何学的形状を描写する能力を提供するツールを含む、請求項2〜8のいずれか一項に記載のモデリングシステム。
- 異なる移植片の複数のモデルのライブラリを保存するためのデータベースと、
前記組織の画像と動的にインタラクトするために、前記ユーザーツールモデルを伴う使用のために前記複数のモデルから1つのインプラントモデルを選択するための第3のユーザーインターフェースと、
を更に備える、請求項1〜9のいずれか一項に記載のモデリングシステム。 - 前記組織の動的画像を調節するツールが、
前記組織の動的画像上で任意の幾何学的形状を描写し、
前記組織の動的画像の不完全な解剖学的構造を完全にし、または、
前記組織の動的画像の一部のテクスチャ、および/または照光を改良する
能力を提供するツールを含む、請求項2〜10のいずれか一項に記載のモデリングシステム。 - 前記モデリングシステムが、前記特定患者を伴う、前記ユーザーにより使用されている実際の手術用機器の運動を追跡することができる第4のユーザーインターフェースを更に備え、それにより、前記運動が、実時間での前記ディスプレイ上での前記ユーザーへの表示のために、前記シミュレートされた医療処置の間に前記組織の現実的画像と動的にインタラクトするために、前記選択されたユーザーツールモデルの画像および/または前記組織の画像を動的に操作するために用いられる、請求項1〜11のいずれか一項に記載のモデリングシステム。
- 前記第4のユーザーインターフェースが、GPS受信機、加速度計、磁気検出デバイス、またはカメラを含む、請求項12に記載のモデリングシステム。
- シミュレートされた医療処置をユーザーが行うことを可能にするためのモデリングシステムであって、前記システムが、
1つ以上のコンピュータと、
前記ユーザーに画像を表示するためのディスプレイと、
特定患者の組織の物理的特徴を保存するためのデータベースと、
前記ディスプレイ上で表示するために、前記特定患者の組織の動的現実的画像を生成するためのソフトウエアを実行するために前記コンピュータのうち1つ以上を用いる画像ジェネレータであって、前記組織の現実的画像が提供され、前記特定患者の組織を示す付影およびテクスチャを含む外観を示す、画像ジェネレータと、
医療処置で用いられる実際のユーザーツールの複数のユーザーツールモデルを提供するためのユーザーツールライブラリを備えるデータベースと、
前記ユーザーツールモデルのうち1つを選択するために前記ユーザーからの入力を受け取るための第1のユーザーインターフェースと、
前記ディスプレイ上で表示するために、選択されたユーザーツールモデルの現実的なツール画像を生成するためのソフトウエアを実行するために、前記コンピュータのうち1つ以上を用いるユーザーツールジェネレータと、
前記ユーザーからの入力を受け取るための第2のユーザーインターフェースであって、前記入力が、実時間での前記ディスプレイ上での前記ユーザーへの表示のために、前記シミュレートされた医療処置の間に前記組織の現実的画像と動的にインタラクトするために、前記選択されたユーザーツールモデルの画像を動的に操作するためのものである、第2のユーザーインターフェースと、
前記ユーザーの手の動きに基づいて前記ユーザーからハンズフリー入力を受け取るためのカメラを含む第3のユーザーインターフェースであって、前記ハンズフリー入力が、実時間での前記ディスプレイ上での前記ユーザーへの表示のために、前記シミュレートされた医療処置の間に前記組織の現実的画像と動的にインタラクトするために、前記選択されたユーザーツールモデルの画像および/または前記組織の画像を動的に操作するためのものであり、前記ユーザーツールモデルの画像と前記組織の画像との間の動的インタラクションが、現実的な機械的インタラクションを呈する現実的な視覚的特色を有する画像を用いて前記ディスプレイ上に表示される、第3のユーザーインターフェースと、
前記特定患者の実際の生体組織内にはあるが、最初に表示された組織の動的画像からは欠けている解剖学的構造を補正するために、表示のために前記組織の特色を追加または改良することにより前記ディスプレイ上に表示された組織の動的画像を調節するツールを提供する第4のユーザーインターフェースであって、それにより、表示された組織の動的画像が、追加または改良された特色と共に前記ディスプレイに続いて表示され、前記ユーザーツールモデルの画像と前記組織の画像との間の動的インタラクションが前記ディスプレイ上に表示され、保存された物理的特徴に基づいて現実的な機械的インタラクションを呈する現実的な視覚的特色を提供する、第4のユーザーインターフェースと、
を備える、モデリングシステム。 - 前記組織の動的画像を調節するツールが、前記組織の動的画像上で任意の幾何学的形状を描写する能力を提供するツールを含む、請求項14に記載のモデリングシステム。
- 前記組織の動的画像を調節するツールが、前記組織の動的画像の不完全な解剖学的構造を完全にする能力を提供するツールを含む、請求項14〜15のいずれか一項に記載のモデリングシステム。
- 前記組織の動的画像を調節するツールが、前記組織の動的画像の一部のテクスチャ、照光、陰影および/または濃淡を改良する能力を提供するツールを含む、請求項14〜16のいずれか一項に記載のモデリングシステム。
- 前記特定患者の医療画像が、動脈瘤の画像を含み、前記動的画像が、前記動脈瘤の画像を含み、更に、前記ユーザーツールが、前記組織の画像と動的にインタラクトするために動脈瘤用クリップモデルを適用するための動脈瘤用クリップアプライヤーを含む、請求項14〜17のいずれかに記載のモデリングシステム。
- 前記モデリングシステムが、前記特定患者を伴う、前記ユーザーにより使用されている実際の手術用機器の運動を追跡することができる第5のユーザーインターフェースを更に備え、それにより、前記運動が、実時間での前記ディスプレイ上での前記ユーザーへの表示のために、前記シミュレートされた医療処置の間に前記組織の現実的画像と動的にインタラクトするために、前記選択されたユーザーツールモデルの画像および/または前記組織の画像を動的に操作するために用いられる、請求項14〜18のいずれか一項に記載のモデリングシステム。
- 前記第5のユーザーインターフェースが、GPS受信機、加速度計、磁気検出デバイス、またはカメラを含む、請求項19に記載のモデリングシステム。
- シミュレートされた医療処置をユーザーが行うことを可能にするためのモデリングシステムであって、前記システムが、
1つ以上のコンピュータと、
前記ユーザーに画像を表示するためのディスプレイと、
前記ディスプレイ上で表示するために、前記特定患者の組織の動的現実的画像を生成するためのソフトウエアを実行するために前記コンピュータのうち1つ以上を用いる画像ジェネレータであって、前記組織の現実的画像が提供され、実際の組織を示す付影およびテクスチャを含む外観を示す、画像ジェネレータと、
医療処置で用いられる実際のユーザーツールの複数のユーザーツールモデルを提供するためのユーザーツールライブラリを保存するためのデータベースと、
前記ユーザーツールモデルのうち1つを選択するために前記ユーザーからの入力を受け取るための第1のユーザーインターフェースと、
前記ディスプレイ上で表示するために、選択されたユーザーツールモデルの現実的なツール画像を生成するためのソフトウエアを実行するために、前記コンピュータのうち1つ以上を用いるユーザーツールジェネレータと、
前記特定患者を伴う、前記ユーザーにより使用されている実際の手術用機器の運動を追跡することができる第2のユーザーインターフェースであって、それにより、前記運動が、実時間での前記ディスプレイ上での前記ユーザーへの表示のために、前記シミュレートされた医療処置の間に前記組織の現実的画像と動的にインタラクトするために、前記選択されたユーザーツールモデルの画像および/または前記組織の画像を動的に操作するために用いられる、第2のユーザーインターフェースと、
を備える、モデリングシステム。 - 前記第2のユーザーインターフェースが、GPS受信機、加速度計、磁気検出デバイス、またはカメラを含む、請求項21に記載のモデリングシステム。
- 前記モデリングシステムが、前記ユーザーの手の動きに基づいて前記ユーザーからハンズフリー入力を受け取るためのカメラを含む第3のユーザーインターフェースを更に備え、前記ハンズフリー入力が、実時間での前記ディスプレイ上での前記ユーザーへの表示のために、前記シミュレートされた医療処置の間に前記組織の現実的画像と動的にインタラクトするために、前記選択されたユーザーツールモデルの画像および/または前記組織の画像を動的に操作するためのものであり、前記ユーザーツールモデルの画像と前記組織の画像との間の動的インタラクションが、現実的な機械的インタラクションを呈する現実的な視覚的特色を有する画像を用いて前記ディスプレイ上に表示される、請求項21〜22のいずれか一項に記載のモデリングシステム。
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