JP2019512284A - 組織変形の存在下において手術を支援するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本明細書では、組織変形の存在下において手術を支援するためのシステム及び方法の様々な態様を開示する。ある実施形態によれば、システムは、解剖学的部位の複数の表面構造の１又は２以上の組織物質特性を受け取る電子装置を含む。解剖学的部位に関連する１又は２以上の境界条件を受け取ることもできる。変形前の解剖学的部位の第１の表面を対応する変形後の解剖学的部位の第２の表面と照合することによって、解剖学的部位の表面変位を判定することができる。判定された表面変位と、受け取った１又は２以上の組織物質特性と、受け取った１又は２以上の境界条件とに基づいて、解剖学的部位の体積変位場を計算することができる。【選択図】 図４Ａ

Description

〔関連出願との相互参照／引用による組み入れ〕
なし

本開示の様々な実施形態は、手術を支援するためのシステム及び方法に関する。具体的には、本開示の様々な実施形態は、組織変形の存在下において手術を支援するためのシステム及び方法に関する。

医用撮像法及び関連するセンサ及び／又は装置の分野の進歩は、臨床分析及び医療目的で身体内部を可視化する能力を可能にした。いくつかのシナリオでは、外科医が、実際に手術を行う前に被験者の複雑な解剖学的構造にアクセスする手術を計画することができる。外科医は、手術を受ける解剖学的部位の関心領域にアクセスするための１又は２以上の経路を計画することもできる。手術中に解剖学的構造の変位を思考によって評価することは、解剖学的構造の複雑度、及び手術中の解剖学的部位の組織が露出した後の特定の組織変形に起因して困難な場合がある。適切に補正が行われなければ、正確かつ安全に手術を行うことが困難な場合もある。

現行のシステム及び技術は、手術中に、解剖学的部位の術中撮像を用いて、露出した解剖学的部位の解剖学的構造及び組織変形を可視化する。しかしながら、このような術中撮像は、術中撮像中における放射線被曝のリスクなどの様々な理由で被験者にとって安全でない場合もある。従って、外科医にとっての複雑さを軽減し、より高い精度で安全に手術を行うために安全で正確で素早い支援を行う改善された技術及び／又はシステムが必要と考えられる。

当業者には、説明したシステムと本出願の残り部分において図面を参照しながら説明する本開示のいくつかの態様との比較を通じて、従来の伝統的な方法のさらなる制限及び不利点が明らかになるであろう。

実質的に少なくとも１つの図に示し、及び／又はこれらの図に関連して説明し、特許請求の範囲にさらに完全に示すような、組織変形の存在下において手術を支援するためのシステム及び方法について説明する。

全体を通じて同じ要素を同じ参照符号によって示す添付図面を参照しながら本開示の以下の詳細な説明を検討することにより、本開示のこれらの及びその他の特徴及び利点を理解することができる。

本開示の実施形態による、組織変形の存在下において手術を支援するためのネットワーク環境を示すブロック図である。 本開示の実施形態による、組織変形の存在下において手術を支援する例示的な電子装置のブロック図である。 本開示の実施形態による、組織変形の存在下において手術を支援するためのシステム及び方法を実装する例示的なシナリオを示す図である。 本開示の実施形態による、組織変形の存在下において手術を支援するためのシステム及び方法を実装する例示的なシナリオを示す図である。 本開示の実施形態による、組織変形の存在下において手術を支援するためのシステム及び方法を実装する例示的なシナリオを示す図である。 本開示の実施形態による、組織変形の存在下において手術を支援するためのシステム及び方法を実装する例示的なシナリオを示す図である。 本開示の実施形態による、組織変形の存在下において手術を支援する例示的な方法を実施するためのフローチャートである。 本開示の実施形態による、組織変形の存在下において手術を支援する例示的な方法を実施するためのフローチャートである。

開示する組織変形の存在下において手術を支援するためのシステム及び方法では、後述する実装を見出すことができる。本開示の例示的な態様は、解剖学的部位の複数の表面構造の１又は２以上の組織物質特性を電子装置によって受け取ることを含むことができる。解剖学的部位に関連する１又は２以上の境界条件を受け取ることもできる。変形前の解剖学的部位の第１の表面と、対応する変形後の解剖学的部位の第２の表面とを照合することにより、解剖学的部位の表面変位を判定することができる。判定された表面変位、受け取った１又は２以上の組織物質特性、及び／又は受け取った１又は２以上の境界条件に基づいて、解剖学的部位の体積変位場を計算することができる。

ある実施形態によれば、解剖学的部位の複数の表面構造は、不均質な解剖学的表面構造に対応することができる。ある実施形態によれば、解剖学的部位は、脳の少なくとも一部に対応することができる。複数の表面構造は、被験者の解剖学的部位に存在する時には、皮質、血管、脳室及び／又は腫瘍構造に対応することができる。

ある実施形態によれば、受け取った１又は２以上の境界条件は、変位境界条件及び／又は静止境界条件を含むことができる。解剖学的部位の複数の表面構造は、解剖学的部位に関連するデータセットの位置合わせに基づいて再現することができる。データセットは、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）スキャナ、又はＭＲＩスキャナを含むことができるマルチモーダルソースから受け取ることができる。

ある実施形態によれば、解剖学的部位の複数の表面構造の表面分割を実行することができる。表面分割は、解剖学的部位が手術前の開かれていない状態にある時に、変形前のＭＲＩデータを用いて実行することができる。ある実施形態によれば、二次元（２Ｄ）から３Ｄへのジオメトリ処理及び表面分割に基づいて、解剖学的部位の三次元（３Ｄ）構造を形成することができる。形成された３Ｄ構造は、第１の表面に対応する複数の表面構造を含むことができる。

ある実施形態によれば、立体ビジョンを利用して、変形後の解剖学的部位の１又は２以上の表面を再現することができる。立体ビジョンは、解剖学的部位が手術中の開かれた状態にある時に、変形後の表面変位を判定するために利用することができる。再現された変形後の解剖学的部位の１又は２以上の表面は、第２の表面に対応することができる。

ある実施形態によれば、再現された開かれた状態にある解剖学的部位の１又は２以上の表面と、開かれていない状態にある解剖学的部位の３Ｄ構造との位置合わせを３Ｄ座標系において実行することができる。解剖学的部位が少なくとも被験者の脳の一部である場合、位置合わせは、被験者の頭蓋骨の骨構造の整列を用いて行うことができる。

ある実施形態によれば、解剖学的部位の変形に関連するボクセルの変位を有限要素法（ＦＥＭ）フレームワークで測定することができる。ボクセルの変位は、対応する変形前のボクセルの位置に対する変形後の変位したボクセルの現在位置に基づいて測定することができる。測定は、判定された表面変位に基づいて解剖学的部位の体積内で行うことができる。ボクセルの変位の測定は、体積変位場の計算に対応することができる。解剖学的部位の体積は、解剖学的部位の組織内容全体を表すことができる。

ある実施形態によれば、変形補正のために、計算された体積変位場を複数の表面構造のうちの１つ又は２つ以上に適用することができる。解剖学的部位の複数の多次元グラフィックビューを生成することができる。複数の多次元グラフィックビューは、変形後に生成することができる。このようなグラフィックビューは、解剖学的部位が開かれた状態で変形している時に手術中に支援を行うために使用することができる。生成された複数の多次元グラフィックビューは、解剖学的部位の複数の表面構造における変位した１又は２以上の関心領域を含むことができる。生成された複数の多次元グラフィックビューは、変形後の体積の変化を表す解剖学的部位内の体積変位をさらに含むことができる。複数の多次元グラフィックビューは、１又は２以上の視点からの複数の表面構造を含む、解剖学的部位の３Ｄビューに対応することができる。

図１は、本開示の実施形態による、組織変形の存在下において手術を支援するためのネットワーク環境を示すブロック図である。図１には、電子装置１０２と、複数の医用撮像装置１０４と、１又は２以上の立体カメラ１０６と、サーバ１０８と、通信ネットワーク１１０とを含むことができるネットワーク環境１００を示す。さらに、解剖学的部位１１２、並びに被験者１１４及び外科医１１６などの１又は２以上のユーザも示す。電子装置１０２は、通信ネットワーク１１０を介して複数の医用撮像装置１０４、１又は２以上の立体カメラ１０６及びサーバ１０８に通信可能に結合することができる。

電子装置１０２は、解剖学的部位１１２の表面変位を判定するように構成できる好適なロジック、回路、インターフェイス及び／又はコードを含むことができる。表面変位は、変形前後の解剖学的部位１１２の表面を照合することによって判定することができる。電子装置１０２は、手術を受ける解剖学的部位１１２の組織変形が存在する手術をリアルタイム又は準リアルタイムで支援することができる。電子装置１０２の例としては、以下に限定するわけではないが、コンピュータ支援外科手術システム又はロボット支援外科手術システムに関連するユーザ端末、医療機器、電子手術器具、ディスプレイ装置及び／又はコンピュータ装置を挙げることができる。

複数の医用撮像装置１０４は、被験者１１４の解剖学的部位１１２などの内部構造又は解剖学的部位の視覚表現を作成するために使用される診断装置に対応することができる。このような内部構造又は解剖学的部位の視覚表現は、被験者１１４が術前状態にある時に臨床分析及び医療介入のために作成することができる。複数の医用撮像装置１０４は、解剖学的部位１１２に関連するデータセットを取得するために使用されるマルチモーダルソースとすることができる。複数の医用撮像装置１０４の例としては、以下に限定するわけではないが、Ｘ線コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナ、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）スキャナ、磁気共鳴血管造影（ＭＲＡ）スキャナ、流体減衰反転回復法（ＦＬＡＩＲ）ベースのスキャナ、及び／又は陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）スキャナを挙げることができる。

１又は２以上の立体カメラ１０６は、被験者１１４の解剖学的部位１１２などの解剖学的部位の３Ｄ立体画像又は３Ｄ構造データを取り込んで生成するように構成できる好適なロジック、回路、インターフェイス及び／又はコードを含むことができる。空間内の異なる視点から複数の画像を取得して、術中状態にある解剖学的部位１１２の３Ｄ立体画像又は３Ｄ構造データを生成することができる。異なる視点からの複数のカメラ、単一の立体カメラの複数のカメラレンズ、又は単一の移動カメラを用いて、立体画像対などの複数の画像を取得することができる。これらの１又は２以上の立体カメラ１０６の立体ビジョンから、術中状態にある剥き出しの脳表面などの露出面の３Ｄ構造データを再現することができる。ある実施形態によれば、顕微鏡手術を行うために使用される外科用顕微鏡に１又は２以上の立体カメラ１０６を取り付けることができる。

サーバ１０８は、複数の医用撮像装置１０４から取得した１又は２以上のデータセットを受け取って中央に記憶するように構成できる好適なロジック、回路、インターフェイス及び／又はコードを含むことができる。１又は２以上のデータセットは、解剖学的部位１１２に組織変形が発生する前の、術前状態にある解剖学的部位１１２の撮像データに対応することができる。ある実施形態によれば、１又は２以上のデータセットは、マルチモーダル画像に対応することができる。ある実施形態によれば、サーバ１０８は、予め記憶されている１又は２以上のデータセットを通信ネットワーク１１０を介して電子装置１０２に提供するように構成することができる。ある実施形態によれば、電子装置１０２は、１又は２以上のデータセットを複数の医用撮像装置１０４から直接受け取ることができる。ある実施形態によれば、サーバ１０８及び電子装置１０２は、いずれもコンピュータ支援外科手術システムの一部とすることができる。ある実施形態によれば、サーバ１０８は、当業者に周知の複数の技術を用いて複数のクラウドベースのリソースとして実装することができる。サーバ１０８の例としては、以下に限定するわけではないが、データベースサーバ、ファイルサーバ、アプリケーションサーバ、ウェブサーバ、及び／又はこれらの組み合わせを挙げることができる。

通信ネットワーク１１０は、電子装置１０２、複数の医用撮像装置１０４、１又は２以上の立体カメラ１０６、及び／又はサーバ１０８が互いに通信できるようにする媒体を含むことができる。通信ネットワーク１１０は、有線又は無線通信ネットワークとすることができる。通信ネットワーク１１０の例としては、以下に限定するわけではないが、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）、クラウドネットワーク、ロングタームエボリューション（ＬＴＥ）ネットワーク、一般電話サービス（ＰＯＴＳ）、メトロポリタンエリアネットワーク（ＭＡＮ）及び／又はインターネットを挙げることができる。ネットワーク環境１００内の様々な装置は、様々な有線及び無線通信プロトコルに従って通信ネットワーク１１０に接続するように構成することができる。このような有線及び無線通信プロトコルの例としては、以下に限定するわけではないが、伝送制御プロトコル及びインターネットプロトコル（ＴＣＰ／ＩＰ）、ユーザデータグラムプロトコル（ＵＤＰ）、ハイパーテキスト転送プロトコル（ＨＴＴＰ）、ファイル転送プロトコル（ＦＴＰ）、ＺｉｇＢｅｅ、ＥＤＧＥ、赤外線（ＩＲ）、ＩＥＥＥ８０２．１１、８０２．１６、セルラー通信プロトコル、及び／又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（ＢＴ）通信プロトコルを挙げることができる。

解剖学的部位１１２は、人間被験者１１４などの被験者の解剖学的部位及び／又は臓器とすることができる。解剖学的部位１１２は、複数の表面構造を含むことができる。解剖学的部位１１２の複数の表面構造は、不均質な解剖学的表面構造とすることができる。解剖学的部位１１２の複数の表面構造の各表面構造は、独自の組織物質特性を有することができる。ある実施形態によれば、解剖学的部位１１２を被験者１１４の脳（頭蓋領域）、又は脳の少なくとも一部とすることができる。このような実施形態では、複数の表面構造を脳の皮質、血管及び／又は脳室とすることができる。複数の表面構造は、被験者１１４の脳内の腫瘍構造をさらに含むことができる。ある実施形態によれば、解剖学的部位１１２を、やはり不均質な解剖学的表面構造を含む心臓（心領域）とすることができる。

当業者であれば、本開示の範囲は、図示のような開示する被験者１１４の解剖学的部位１１２の手術を支援するシステム及び方法の実装に限定されるものではないと理解するであろう。ある実施形態によれば、開示するシステム及び方法は、動物被験者の解剖学的部位又は解剖学的部位の手術を支援するために使用することもできる。さらに、開示するシステム及び方法は、上述したような脳又は心臓以外の解剖学的部位又は領域の手術を支援するのに役立つこともできる。

手術時には、電子装置１０２を、ＭＲＩスキャナから解剖学的部位１１２に関連する少なくとも１つのデータセットを受け取るように構成することができる。データセットは、被験者１１４の頭蓋骨のスライスなどの、解剖学的部位１１２の体積を通じて撮影されたスライス面を表す複数の２Ｄ画像を含むことができる。このデータセットは、手術前に（術前状態で）撮影されたＭＲＩデータに対応することができる。電子装置１０２は、受け取った解剖学的部位１１２に関連するデータセットを位置合わせするように構成することができる。

ある実施形態によれば、電子装置１０２は、マルチモーダルソースから解剖学的部位１１２に関連する複数のデータセットを受け取るように構成することができる。マルチモーダルソースは、ＭＲＩ、ＣＴ、ＰＥＴ、ＦＲＡＩＲ及びＭＲＡベースの医用撮像法を用いて解剖学的部位１１２に関連する複数のデータセットを取得する複数の医用撮像装置１０４とすることができる。ある実施形態によれば、ＣＴ及びＭＲＩなどの異なるマルチモーダルソースからの解剖学的部位１１２に関連する複数のデータセットを位置合わせするために、複数のデータセットが重複内容を有していなければならない。このような実施形態では、電子装置１０２を、受け取った解剖学的部位１１２に関連する複数のデータセットを重複内容の識別に基づいて位置合わせするように構成することができる。

電子装置１０２は、受け取ったＭＲＩスキャナからのデータセット又はマルチモーダルソースからの複数のデータセットに基づき、位置合わせに基づいて解剖学的部位１１２の複数の表面構造を再現するように構成することができる。例えば、解剖学的部位１１２が脳である場合、電子装置１０２は、小脳皮質、大脳皮質、脳の血管構造及び／又は脳室などの脳の表面構造を再現することができる。

ある実施形態によれば、電子装置１０２は、再現された解剖学的部位１１２の複数の表面構造の表面分割を行うように構成することができる。表面分割は、解剖学的部位１１２が手術前の開かれていない状態にある時に、解剖学的部位１１２の組織の変形前のＭＲＩデータを用いて実行することができる。

ある実施形態によれば、電子装置１０２は、２Ｄから３Ｄへのジオメトリ処理及び表面分割に基づいて解剖学的部位１１２の３Ｄ構造を形成するように構成することができる。２Ｄから３Ｄへのジオメトリ処理は、メッシュジオメトリ処理又はグリッドジオメトリ処理とすることができる。形成される３Ｄ構造は、再現された複数の表面構造を含むことができる。電子装置１０２は、形成された解剖学的部位１１２の３Ｄ構造の１又は２以上のビューを表示するように構成することができる。このような表示される１又は２以上のビューは、手術前の解剖学的部位１１２の組織変形前の解剖学的部位１１２の３Ｄ構造に対応することができる。外科医１１６は、表示された解剖学的部位１１２の３Ｄ構造の１又は２以上のビューに基づいて、解剖学的部位１１２に行うべき手術を計画することができる。

ある実施形態によれば、（手術が行われる）術中状態において、１又は２以上の要因によって解剖学的部位１１２の組織が変形していることがある。１又は２以上の要因の例としては、以下に限定するわけではないが、解剖学的部位１１２の組織構造の複雑度レベル、重力、及び／又は術中状態において組織が露出した際の解剖学的部位１１２の周囲における脳脊髄液などの体液の損失を挙げることができる。１又は２以上の要因としては、解剖学的部位１１２の組織の柔軟性範囲、血圧、及び／又は手術中の解剖学的部位１１２に関連する保護被覆又は支持構造の変位度合いを挙げることもできる。解剖学的部位１１２の組織変形は特定の解剖学的組織構造を変位させ、これによって解剖学的部位１１２内の関心領域にアクセスするための予め計画した経路を手術中に変更することもある。従って、外科医１１６は、手術を行っている間に変形領域及び組織構造の変位を素早く正確に知ることが有利となり得る。

ある実施形態によれば、電子装置１０２は、解剖学的部位１１２が手術中の開かれた状態にある時に、立体ビジョンを利用して変形後の表面変位を判定するように構成することができる。１又は２以上の立体カメラ１０６を使用して、術中状態にある解剖学的部位１１２の３Ｄ立体画像又は３Ｄ構造データを取り込んで生成することができる。電子装置１０２は、（変形後の）解剖学的部位１１２の１又は２以上の表面を再現するように構成することができる。

ある実施形態によれば、電子装置１０２は、再現された開かれた状態にある解剖学的部位１１２の１又は２以上の表面と開かれていない状態にある解剖学的部位の３Ｄ構造との位置合わせを３Ｄ座標系において行うように構成することができる。ある実施形態によれば、位置合わせは、組織変形前の術前状態及び組織変形後の術中状態などの両手術段階において変化しない解剖学的部位１１２の共通の基準点を用いて行うことができる。例えば、解剖学的部位１１２が脳である場合、被験者１１４の頭蓋骨の骨構造（この例では共通する不変の基準点）の整列を位置合わせに使用することができる。このような位置合わせは、単一ステップによる位置合わせとすることができる。

ある実施形態によれば、電子装置１０２は、解剖学的部位１１２の複数の表面構造の１又は２以上の組織物質特性を受け取るように構成することができる。電子装置１０２は、解剖学的部位１１２に関連する１又は２以上の境界条件をさらに受け取るように構成することができる。ある実施形態によれば、電子装置１０２は、変位（又は変形）境界条件及び静止境界条件などの２つの境界条件を受け取るように構成することができる。例えば、必ずしも解剖学的部位１１２の全ての表面構造が変位しないこともある。さらに、複数の表面構造の位置に起因して、一部の表面構造が他の表面構造に比べて変形しやすいこともある。好ましい位置又は関連する解剖学的構造からの支持に起因して変形する傾向が低い表面構造は、静止境界条件に対応することができる。上述したような、変形する傾向が比較的高いことを示す表面構造は、変形境界条件に対応することができる。従って、解剖学的部位１１２に関連するこのような受け取られる境界条件は、解剖学的部位１１２の表面変位の判定精度を高めることができる。

ある実施形態によれば、電子装置１０２は、解剖学的部位１１２の第１の表面（変形前）を、対応する解剖学的部位１１２の第２の表面（変形後）と照合するように構成することができる。第１の表面及び第２の表面は、異なる時点及び／又は変形状態における解剖学的部位１１２の同じ表面とすることができる。上述したように、解剖学的部位１１２の第１の表面は、形成される３Ｄ構造の（変形前の）少なくとも１又は２以上の表面に対応することができる。解剖学的部位１１２の第２の表面は、解剖学的部位１１２の再現された（変形後の）１又は２以上の表面に対応することができる。ある実施形態によれば、電子装置１０２は、照合の結果に基づいて解剖学的部位１１２の表面変位を判定するように構成することができる。

ある実施形態によれば、受け取った複数の表面構造の１又は２以上の組織物質特性と、受け取った１又は２以上の境界条件と、判定された解剖学的部位１１２の表面変位とを有限要素法（ＦＥＭ）フレームワークに供給することができる。ある実施形態によれば、電子装置１０２は、解剖学的部位１１２の体積変位場を計算するように構成することができる。計算される体積変位は、判定された表面変位と、受け取った１又は２以上の組織物質特性と、受け取った１又は２以上の境界条件とに基づくことができる。電子装置１０２は、このような解剖学的部位１１２の体積変位場の計算にＦＥＭフレームワークを利用するように構成することができる。

ある実施形態によれば、電子装置１０２は、ＦＥＭフレームワークにおいて（変形前の）解剖学的部位１１２に対する（変形後の）解剖学的部位１１２に関連するボクセルの変位を測定するように構成することができる。ボクセルの変位の測定は、判定された表面変位に基づいて解剖学的部位１１２の組織内容全体などの体積全体内で実行することができる。ボクセルの変位の測定は、体積変位場の計算に対応することができる。

ある実施形態によれば、電子装置１０２は、計算された変形補正のための体積変位場を解剖学的部位１１２の複数の表面構造のうちの１つ又は２つ以上に適用するように構成することができる。その後、電子装置１０２は、（変形後の）解剖学的部位１１２の複数の多次元グラフィックビューを生成することができる。生成される複数の多次元グラフィックビューは、解剖学的部位１１２の複数の表面構造における変位した１又は２以上の関心領域、及び／又は解剖学的部位１１２内の体積変位を含むことができる。体積変位は、変形後の体積の変化を表すことができる。複数の多次元グラフィックビューは、複数の表面構造を含む解剖学的部位１１２の３Ｄビューの１又は２以上の視点に対応することができる。

電子装置１０２は、生成された（変形後の）解剖学的部位１１２の複数の多次元グラフィックビューの表示を制御するように構成することができる。このような組織変形が存在する解剖学的部位１１２の複数の多次元グラフィックビューの生成及び表示は、外科医１１６が解剖学的部位１１２の手術を行っている間に外科医１１６をリアルタイム又は準リアルタイムで支援するために行うことができる。ユーザは、生成された複数の多次元グラフィックビューを医療要件通りに制御し、修正し、可視化することができる。

図２は、本開示の実施形態による、組織変形の存在下において手術を支援する例示的な電子装置のブロック図である。図２の説明は、図１の要素に関連して行う。図２には、電子装置１０２を示す。電子装置１０２は、プロセッサ２０２などの１又は２以上のプロセッサと、メモリ２０４と、Ｉ／Ｏ装置２０６などの１又は２以上の入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置と、ネットワークインターフェイス２０８とを含むことができる。Ｉ／Ｏ装置２０６は、ディスプレイ２１０を含むことができる。

プロセッサ２０２は、メモリ２０４、Ｉ／Ｏ装置２０６及びネットワークインターフェイス２０８に通信可能に結合することができる。ネットワークインターフェイス２０８は、プロセッサ２０２の制御下で通信ネットワーク１１０を介して複数の医用撮像装置１０４、１又は２以上の立体カメラ１０６、及び／又はサーバ１０８などの１又は２以上のサーバと通信することができる。

プロセッサ２０２は、メモリ２０４に記憶されている命令セットを実行するように構成できる好適なロジック、回路、インターフェイス及び／又はコードを含むことができる。プロセッサ２０２は、当業で周知の多くのプロセッサ技術に基づいて実装することができる。プロセッサ２０２の例は、Ｘ８６ベースプロセッサ、Ｘ８６−６４ベースプロセッサ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）プロセッサ、複合命令セットコンピュータ（ＣＩＳＣ）プロセッサ、中央処理装置（ＣＰＵ）、明示的並列命令コンピュータ（ＥＰＩＣ）プロセッサ、超長命令語（ＶＬＩＷ）プロセッサ、及び／又はその他のプロセッサ又は回路とすることができる。

メモリ２０４は、プロセッサ２０２が実行できる機械コード及び／又は命令セットを記憶するように構成できる好適なロジック、回路及び／又はインターフェイスを含むことができる。メモリ２０４は、人間被験者１１４などの被験者の生理学的データ又は医療履歴に関連する１又は２以上のユーザプロファイルからの情報を記憶するように構成することができる。ある実施形態によれば、被験者１１４などの被験者の医療履歴が記憶されていないこともある。或いは、１又は２以上のユーザプロファイル情報項目をサーバ１０８に記憶することもできる。メモリ２０４は、アプリケーションＵＩなどのユーザインターフェイス（ＵＩ）を記憶することもできる。ＵＩは、解剖学的部位１１２の複数の多次元グラフィックビューを表示するために使用される三次元（３Ｄ）ビューア又は二次元（２Ｄ）ビューアとすることができる。メモリ２０４は、オペレーティングシステム及び関連するアプリケーションを記憶するようにさらに構成することができる。メモリ２０４の実装例としては、以下に限定するわけではないが、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、電子的消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）、ＣＰＵキャッシュ及び／又はセキュアデジタル（ＳＤ）カードを挙げることができる。

Ｉ／Ｏ装置２０６は、外科医１１６などのユーザから入力を受け取ってユーザに出力を提供するように構成できる好適なロジック、回路、インターフェイス及び／又はコードを含むことができる。Ｉ／Ｏ装置２０６は、電子装置１０２と外科医１１６などのユーザとの間の通信を容易にするように構成できる様々な入力装置及び出力装置を含むことができる。入力装置の例としては、以下に限定するわけではないが、タッチ画面、カメラ、キーボード、マウス、ジョイスティック、マイク、モーションセンサ、光センサ及び／又はドッキングステーションを挙げることができる。出力装置の例としては、以下に限定するわけではないが、ディスプレイ２１０、プロジェクタ画面及び／又はスピーカを挙げることができる。

ネットワークインターフェイス２０８は、（図１に示すような）通信ネットワーク１１０を介して複数の医用撮像装置１０４、１又は２以上の立体カメラ１０６及び／又はサーバ１０８と通信するように構成できる好適なロジック、回路、インターフェイス及び／又はコードを含むことができる。ネットワークインターフェイス２０８は、電子装置１０２と通信ネットワーク１１０との間の有線又は無線通信を支援する既知の技術を実装することができる。ネットワークインターフェイス２０８は、以下に限定するわけではないが、アンテナ、無線周波数（ＲＦ）トランシーバ、１又は２以上の増幅器、チューナ、１又は２以上の発振器、デジタルシグナルプロセッサ、コーダ−デコーダ（ＣＯＤＥＣ）チップセット、加入者アイデンティティモジュール（ＳＩＭ）カード及び／又はローカルバッファを含むことができる。ネットワークインターフェイス２０８は、有線又は無線通信を介して通信ネットワーク１１０と通信することができる。無線通信は、グローバル・システム・フォー・モバイル・コミュニケーションズ（ＧＳＭ）、拡張データＧＳＭ環境（ＥＤＧＥ）、広帯域符号分割多元接続（Ｗ−ＣＤＭＡ）、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ロングタームエボリューション（ＬＴＥ）、（ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ、及び／又はＩＥＥＥ８０２．１１ｎなどの）ワイヤレスフィデリティ（Ｗｉ−Ｆｉ）、ボイスオーバーインターネットプロトコル（ＶｏＩＰ）、Ｗｉ−ＭＡＸ、電子メール、インスタントメッセージング、及び／又はショートメッセージサービス（ＳＭＳ）のプロトコルなどの通信規格、プロトコル及び技術のうちの１つ又は２つ以上を使用することができる。

ディスプレイ２１０は、ブラウン管（ＣＲＴ）ベースのディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）ベースのディスプレイ、有機ＬＥＤディスプレイ技術、網膜ディスプレイ技術などの複数の既知の技術を通じて実現することができる。ある実施形態によれば、ディスプレイ２１０は、（外科医１１６などの）ユーザから入力を受け取ることができる。このようなシナリオでは、ディスプレイ２１０を、ユーザによる入力の提供を可能にするタッチ画面とすることができる。タッチ画面は、抵抗性タッチ画面、容量性タッチ画面、又は熱タッチ画面のうちの少なくとも１つに対応することができる。ある実施形態によれば、ディスプレイ２１０は、仮想キーパッド、スタイラス、ジェスチャ式入力、及び／又はタッチ式入力を通じて入力を受け取ることができる。このような場合、入力装置は、ディスプレイ２１０内に一体化することができる。

プロセッサ２０２は、動作時にネットワークインターフェイス２０８を用いて解剖学的部位１１２に関連する少なくとも１つのデータセットを受け取るように構成することができる。少なくとも１つのデータセットは、ＭＲＩスキャナから通信ネットワーク１１０を介して受け取ることができる。プロセッサ２０２は、受け取ったデータセットを、ネットワークインターフェイス２０８を用いてプロセッサ２０２に通信するようにさらに構成することができる。プロセッサ２０２は、受け取った解剖学的部位１１２に関連するデータセットの位置合わせを行うように構成することができる。ある実施形態によれば、プロセッサ２０２は、解剖学的部位１１２に関連する複数のデータセットを複数の医用撮像装置１０４などのマルチモーダルソースから受け取るように構成することができる。プロセッサ２０２によって実行される動作については、図３Ａ〜図３Ｄにおいて、対象の解剖学的部位１１２としての被験者１１４の脳を例に取ってさらに説明する。しかしながら、解剖学的部位１１２は、本開示の範囲を限定することなく被験者の他の解剖学的部位とすることもできる。

図３Ａ〜図３Ｄに、本開示の実施形態による、組織変形の存在下において手術を支援するためのシステム及び方法を実装するための例示的なシナリオをまとめて示す。図３Ａには、本開示の実施形態による、組織変形の発生前に手術に先立って受け取られる、脳の少なくとも一部に関連するＭＲＩデータの処理を示す。図３Ａの説明は、図１及び図２に関連して行う。図３Ａには、ＭＲＩデータ３０２と、脳３０４と、皮質構造３０４Ａと、血管構造３０４Ｂと、脳室構造３０４Ｃと、脳３０４の第１の３Ｄ構造３０６と、脳３０４の第２の３Ｄ構造３０８とを示す。

例示的なシナリオによれば、ＭＲＩデータ３０２は、ＭＲＩスキャナから受け取られた、脳３０４などの解剖学的部位１１２に関連するデータセットに対応することができる。ＭＲＩデータ３０２は、手術前に取り込むことができる。ＭＲＩデータ３０２は、解剖学的部位１１２の体積を通じて撮影された、被験者１１４の頭部のスライスなどのスライス面を表す複数の２Ｄ画像を含むことができる。脳３０４は、被験者１１４の解剖学的部位１１２に対応することができる。皮質構造３０４Ａ、血管構造３０４Ｂ及び脳室構造３０４Ｃは、脳３０４の複数の表面構造に対応することができる。ある実施形態によれば、皮質構造３０４Ａは、大脳皮質及び小脳皮質に対応することができる。脳３０４の第１の３Ｄ構造３０６は、２Ｄから３Ｄへのメッシュジオメトリ処理によって取得される３Ｄ構造に対応することができる。脳３０４の第２の３Ｄ構造３０８は、２Ｄから３Ｄへのグリッドジオメトリ処理によって取得される別の３Ｄ構造に対応することができる。

ある実施形態によれば、プロセッサ２０２は、ＭＲＩスキャナからＭＲＩデータ３０２を受け取るように構成することができる。ＭＲＩデータ３０２は、電子装置１０２のメモリ２０４に記憶することができる。ある実施形態によれば、ＭＲＩデータ３０２は、サーバ１０８などの中心記憶位置に記憶することができる。このような場合、プロセッサ２０２は、ネットワークインターフェイス２０８を用いて通信ネットワーク１１０を介してサーバ１０８からＭＲＩデータ３０２を受け取ることができる。

ある実施形態によれば、プロセッサ２０２は、受け取ったＭＲＩデータ３０２を処理して、ＭＲＩデータ３０２全体にわたる関連する内容を識別して位置合わせを実行するように構成することができる。ある実施形態によれば、プロセッサ２０２は、ＭＲＩデータ３０２の位置合わせのために被験者１１４の頭蓋骨の骨構造を整列させるように構成することができる。プロセッサ２０２は、受け取った脳３０４に関連するＭＲＩデータ３０２の位置合わせを行うように構成することができる。プロセッサ２０２は、位置合わせに基づいて、図３Ａに示すような皮質構造３０４Ａ、血管構造３０４Ｂ及び脳室構造３０４Ｃなどの脳３０４の複数の表面構造を再現するように構成することができる。

ある実施形態によれば、プロセッサ２０２は、再現された脳３０４の複数の表面構造、又は脳３０４の少なくとも一部の表面分割を実行するように構成することができる。表面分割は、脳３０４が手術前の開かれていない状態にある時に実行することができる。このような開かれていない状態では、脳３０４の組織が変形していないこともある。

ある実施形態によれば、プロセッサ２０２は、２Ｄから３Ｄへのジオメトリ処理及び表面分割に基づいて、３０６及び３０８によって示す脳３０４の１又は２以上の３Ｄ構造を形成するように構成することができる。脳３０４の第１の３Ｄ構造３０６は、メッシュジオメトリ処理技術によって取得される脳３０４の３Ｄ構造の例とすることができる。第２の３Ｄ構造３０８は、２Ｄから３Ｄへのグリッドジオメトリ処理によって取得される脳３０４の３Ｄ構造の別の例とすることができる。第１の３Ｄ構造３０６は、再現された血管構造３０４Ｂ及び脳室構造３０４Ｃを示す。第１の３Ｄ構造３０６は、皮質構造３０４Ａを三角形メッシュの形でさらに示す。第２の３Ｄ構造は、再現された皮質構造３０４Ａと、皮質構造３０４Ａの表面にオーバーレイされた、構造３０４Ｂの血管の一部とを示す。

プロセッサ２０２は、形成された脳３０４の３Ｄ構造３０６及び３０８の１又は２以上のビュー、脳３０４の他のＭＲＩデータ３０２、及び／又は予め記憶されている患者などの被験者の生理学的データのディスプレイ２１０上への表示を制御するように構成することができる。外科医１１６は、表示された１又は２以上のビューに基づいて、脳３０４に行うべき手術を計画することができる。

図３Ｂに、本開示の実施形態によるシステム及び方法を実装するための例示的なシナリオにおける、立体ビジョンに基づく変形後の脳３０４の３Ｄ表面再現を示す。図３Ｂの説明は、図１、図２及び図３Ａに関連して行う。図３Ｂには、手術中に脳３０４が開かれた状態にある時の脳３０４の立体面再現の概略図３１０を示す。さらに、脳３０４の立体データ３１０Ａ及び３Ｄ構造データ３１０Ｂも示す。図３Ｂには、脳３０４の３Ｄ構造データ３１０Ｂからの第１の拡大切断部３１０Ｃ及び第２の拡大切断部３１０Ｄをさらに示す。

ある実施形態によれば、１又は２以上の立体カメラ１０６を用いて立体データ３１０Ａを取り込み、術中状態にある脳３０４の３Ｄ立体画像又は３Ｄ構造データ３１０Ｂを生成することができる。既存のシステム及び技術には、解剖学的構造及び変形の存在を可視化するために術中ＭＲＩ撮像を使用できるものもある。このような術中ＭＲＩ撮像は、手術中に解剖学的部位１１２の組織が露出された時の放射線への被曝リスクに起因して、被験者にとって安全でない可能性がある。さらに、必要なＭＲＩスキャナ及び／又は複数の医用撮像装置１０４が手術室に備わっていないこともある。従って、術中段階において被験者１１４などの患者をこのような医療撮像のために別の部屋に移動させることが必要になり、これによって生命へのリスクがさらに高まる恐れがある。従って、場所を取るＭＲＩスキャナの代わりに１又は２以上の立体カメラ１０６を手術室内に配置することが比較的安全で容易となり得る。さらに、立体ビジョンからは、術中状態における解剖学的部位１１２の組織への放射線被曝のリスクがない。

プロセッサ２０２は、脳３０４の３Ｄ構造データ３１０Ｂから、組織変形後の脳３０４の皮質及び血管などの１又は２以上の表面を再現するように構成することができる。脳３０４の第１の拡大切断部３１０Ｃは、（変形後の）脳３０４の（点線矢印記号によって示す）皮質構造に対応する表面再現を示す。脳の第２の拡大切断部３１０Ｄは、立体ビジョンに基づく脳３０４の表面上の組織変形後の（点線矢印記号によって示す）血管構造の再現を示す。ある実施形態によれば、プロセッサ２０２は、再現された脳３０４の１又は２以上の表面（変形後）と形成された脳３０４の３Ｄ構造３０６及び３０８（変形前）との位置合わせを３Ｄ座標系において行うように構成することができる。

図３Ｃには、本開示の実施形態によるシステム及び方法を実装するための例示的なシナリオにおける、ＦＥＭフレームワークを用いた脳３０４の表面変形測定を示す。図３Ｃの説明は、図１、図２、図３Ａ及び図３Ｂの要素に関連して行う。図３Ｃには、複数の組織物質特性３１２と、変形境界条件３１４と、静止境界条件３１６と、表面変位測定データ３１８と、ＦＥＭフレームワーク３２０と、脳３０４の体積変位場３２２とを示す。

ある実施形態によれば、プロセッサ２０２は、脳３０４の皮質構造、血管構造、脳室構造の組織物質特性などの複数の組織物質特性３１２を受け取るように構成することができる。ある実施形態によれば、プロセッサ２０２は、脳３０４の変形境界条件３１４及び静止境界条件３１６を計算するように構成することができる。ある実施形態によれば、脳３０４などの被験者の様々な解剖学的部位について変形境界条件３１４及び静止境界条件３１６を予め定めることができる。プロセッサ２０２は、脳３０４の変形境界条件３１４及び静止境界条件３１６を受け取ることができる。

ある実施形態によれば、プロセッサ２０２は、変形前後の脳３０４の表面を照合することによって脳３０４に関連する表面変位を判定するように構成することができる。脳３０４に関連する判定された表面変位に対応する表面変位測定データ３１８は、メモリ２０４に記憶することができる。

既存の技術には、２つの表面を直接照合する代わりに点整合法を実行して変位を判定できるものもあるが、この方法は時間が掛かる計算集約的なプロセスになり得る。プロセッサ２０２は、２つの対応する変形前後の表面を直接照合することができるので、脳３０４の表面変位を素早く判定することができる。表面変位の判定が素早いと、他の関連する後続プロセスをさらに素早く処理することができ、手術の実施中に外科医１１６を素早くタイムリーに支援する上で有利となり得る。

ある実施形態によれば、受け取った複数の表面構造の複数の組織物質特性３１２をＦＥＭフレームワーク３２０に供給することができる。さらに、受け取った変形境界条件３１４及び静止境界条件３１６などの複数の境界条件、並びに表面変位測定データ３１８もＦＥＭフレームワーク３２０に供給することができる。

プロセッサ２０２は、体積変位場３２２の計算のためにＦＥＭフレームワーク３２０及び／又は生化学的モデリングを利用することができる。ある実施形態によれば、プロセッサ２０２は、受け取った表面変位測定データ３１８と、受け取った複数の組織物質特性３１２と、受け取った変形境界条件３１４及び静止境界条件３１６とに基づいて脳３０４の体積変位場３２２を計算することができる。

図３Ｄに、本開示の実施形態によるシステム及び方法を実装するための例示的なシナリオにおける変形補正を示す。図３Ｄの説明は、図１、図２、図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃの要素に関連して行う。図３Ｄには、体積変位場３２２を含む脳３０４の断面図３２４を示す。さらに、脳空間における体積変位場３２２の適用を示す脳３０４の第１のビュー３２６及び第２のビュー３２８、並びに解剖学的構造を体積変位領場３２２によって補正した脳３０４の出力３Ｄ構造３３０も示す。

ある実施形態によれば、プロセッサ２０２は、ＦＥＭフレームワーク３２０内で（変形前の脳３０４の体積に対する変形後の）脳３０４の体積内のボクセルの変位を測定するように構成することができる。脳３０４の体積は、脳３０４の表面構造だけではなく、脳３０４の組織内容全体に対応することができる。ボクセルの変位の測定は、計算された体積変位場３２２の伝播に対応することができる。

ある実施形態によれば、プロセッサ２０２は、計算された体積変位場３２２を脳空間内で適用するように構成することができる。この適用は、脳３０４の複数の表面構造のうちの１つ又は２つ以上に対して変形補正のために行うことができる。第１のビュー３２６は、計算された体積変位場３２２を脳空間内で適用して脳３０４の皮質構造３０４Ａを補正することを示す。第２のビュー３２８は、計算された体積変位場３２２を脳空間内で適用して脳３０４の血管構造３０４Ｂ及び脳室構造３０４Ｃなどの他の解剖学的構造を補正することを示す。プロセッサ２０２は、脳３０４の体積内の測定されたボクセルの変位に基づいて体積補間を実行するように構成することができる。体積補間は、ＦＥＭフレームワーク３２０内に散在する形を取ることができる計算された体積変位場３２２からの高密度補間とすることができる。

ある実施形態によれば、プロセッサ２０２は、（点線矢印記号によって示す）複数の表面構造などの解剖学的構造を含む出力３Ｄ構造３３０を生成するように構成することができる。このような複数の表面構造は、体積変位場３２２によって正確に補正することができる。補正された複数の表面構造を含む出力３Ｄ構造３３０の生成は、体積補間にさらに基づくことができる。補正された複数の表面構造を含む出力３Ｄ構造３３０の生成及びその後の表示は、外科医１１６が脳３０４の手術を行っている間にリアルタイム又は準リアルタイムで行うことができる。ある実施形態によれば、脳３０４の複数の多次元グラフィックビューの出力３Ｄ構造３３０及びその他を様々な術中用途において使用することができる。例えば、生成された出力３Ｄ構造３３０を組織変形の定量化において使用し、さらにこれを用いて変形組織の生存率を求めることもできる。

ある実施形態によれば、プロセッサ２０２は、変形後の脳３０４の複数の多次元グラフィックビューの表示を制御するように構成することができる。出力３Ｄ構造３３０は、脳３０４の複数の多次元グラフィックビューのうちの１つ又は２つ以上とすることができる。他の生成される複数の多次元グラフィックビューも、脳３０４の複数の表面構造内の変位した１又は２以上の関心領域、及び／又は脳３０４内の体積変位を含むことができる。１又は２以上の視点からの複数の多次元グラフィックビューは、複数の表面構造を含む脳３０４の３Ｄビューに対応することができる。このような脳３０４の複数の多次元グラフィックビューの生成及び表示は、脳３０４の組織変形の存在下において外科医１１６を素早く正確に支援することができる。

ある実施形態によれば、複数の多次元グラフィックビューは、ディスプレイ２１０上に表示できるＵＩ上にレンダリングすることができる。表示される複数の多次元グラフィックビューは相互作用的なものとすることができ、Ｉ／Ｏ装置２０６から受け取られた入力に基づいてユーザ制御することができる。このような脳３０４の補正された複数の表面構造を含む多次元グラフィックビューの高度な可視化は、被験者１１４の画像誘導又はロボット支援開頭蓋手術などの手術におけるリアルタイム又は準リアルタイム支援のために利用することができる。

図４Ａ及び図４Ｂに、本開示の実施形態による、組織変形の存在下において手術を支援する例示的な方法を実施するためのフローチャートをまとめて示す。図４Ａ及び図４Ｂにはフローチャート４００を示す。フローチャート４００の説明は、図１、図２及び図３Ａ〜図３Ｄの要素に関連して行う。フローチャート４００による方法は、電子装置１０２において実施することができる。この方法は、ステップ４０２から開始してステップ４０４に進む。

ステップ４０４において、複数の医用撮像装置１０４などの１又は２以上のマルチモーダルソースから解剖学的部位１１２に関連する１又は２以上のデータセットを受け取ることができる。受け取られる１又は２以上のデータセットは、手術前に解剖学的部位１１２に対して行われるＭＲＩなどの医用撮像に対応することができる。データセットの例は、図３Ａに示すような、ＭＲＩスキャナから受け取られる、脳３０４に関連するＭＲＩデータ３０２とすることができる。

ステップ４０６において、受け取った解剖学的部位１１２に関連する１又は２以上のデータセットの位置合わせを行うことができる。マルチモーダルソースから複数のデータセットを受け取った場合には、受け取った複数のデータセットにわたる重複内容の識別に基づいて、受け取った複数のデータセットを位置合わせすることができる。

ステップ４０８において、ＭＲＩスキャナ又はマルチモーダルソースから受け取った１又は２以上のデータセットに基づき、位置合わせに基づいて解剖学的部位１１２の複数の表面構造を再現することができる。再現される解剖学的部位１１２の複数の表面構造の例は、図３Ａに示して説明したような脳３０４の皮質構造３０４Ａ、血管構造３０４Ｂ及び脳室構造３０４Ｃとすることができる。

ステップ４１０において、再現された解剖学的部位１１２の複数の表面構造の表面分割を実行することができる。表面分割は、解剖学的部位１１２が手術前の開かれていない状態にある時に、解剖学的部位１１２の組織変形前のＭＲＩデータ３０２などのＭＲＩデータを用いて実行することができる。

ステップ４１２において、２Ｄから３Ｄへのジオメトリ処理及び表面分割に基づいて解剖学的部位１１２の３Ｄ構造を形成することができる。２Ｄから３Ｄへのジオメトリ処理は、メッシュジオメトリ処理又はグリッドジオメトリ処理とすることができる。形成される解剖学的部位１１２の３Ｄ構造の例は、メッシュジオメトリ処理技術によって取得される脳３０４の第１の３Ｄ構造３０６、及び／又は２Ｄから３Ｄへのグリッドジオメトリ処理技術によって取得される第２の３Ｄ構造３０８とすることができる（図３Ａ）。

ステップ４１４において、解剖学的部位１１２が手術中の開かれた状態にある時に、立体ビジョンを利用して解剖学的部位１１２の（変形後の）１又は２以上の表面を再現することができる。例えば、１又は２以上の立体カメラ１０６を用いて立体データ３１０Ａを取り込み、術中状態にある脳３０４の３Ｄ立体画像又は３Ｄ構造データ３１０Ｂを生成することができる。脳３０４の３Ｄ構造データ３１０Ｂからは、組織変形後の脳３０４の皮質及び血管などの１又は２以上の表面を再現することができる（図３Ｂ）。

ステップ４１６において、再現された開かれた状態にある解剖学的部位１１２の１又は２以上の表面と、開かれていない状態にある解剖学的部位１１２の３Ｄ構造との位置合わせを３Ｄ座標系において実行することができる。例えば、（変形後の）再現された脳３０４の１又は２以上の表面と（変形前の）形成された脳３０４の３Ｄ構造３０６及び３０８とを３Ｄ座標系において位置合わせすることができる。

ステップ４１８において、解剖学的部位１１２の複数の表面構造の１又は２以上の組織物質特性を受け取ることができる。１又は２以上の組織物質特性の例は、脳３０４の皮質構造３０４Ａ、血管構造３０４Ｂ及び／又は脳室構造３０４Ｃの組織物質特性とすることができる。

ステップ４２０において、解剖学的部位１１２に関連する１又は２以上の境界条件をさらに受け取ることができる。解剖学的部位１１２に関連する１又は２以上の境界条件の例は、脳３０４の変形境界条件３１４及び静止境界条件３１６とすることができる。

ステップ４２２において、変形前の解剖学的部位１１２の第１の表面を、対応する変形後の解剖学的部位１１２の第２の表面と照合することができる。解剖学的部位１１２の第１の表面は、形成された変形前の３Ｄ構造の少なくとも１又は２以上の表面に対応することができる。解剖学的部位１１２の第２の表面は、再現された変形後の解剖学的部位１１２の１又は２以上の表面に対応することができる。

ステップ４２４において、照合の結果に基づいて、解剖学的部位１１２の組織変形後の解剖学的部位１１２の表面変位を判定することができる。判定される解剖学的部位１１２の表面変位の例は、脳３０４に関連する判定された表面変位に対応する表面変位測定データ３１８とすることができる。

ステップ４２６において、受け取った複数の表面構造の１又は２以上の組織物質特性、受け取った１又は２以上の境界条件及び判定された解剖学的部位１１２の表面変位をＦＥＭフレームワーク３２０などのＦＥＭフレームワークに供給することができる。ＦＥＭフレームワーク及び／又は生化学的モデリングを利用して、受け取ったデータを分析することができる。

ステップ４２８において、判定された表面変位と、受け取った１又は２以上の組織物質特性と、受け取った１又は２以上の境界条件とに基づいて、解剖学的部位１１２の体積変位場３２２を計算することができる。電子装置１０２は、解剖学的部位１１２の体積変位場の計算にＦＥＭフレームワークを利用するように構成することができる。計算される解剖学的部位１１２の体積変位場の例は、図３Ｃに示して説明したような脳３０４の体積変位場３２２とすることができる。

ステップ４３０において、ＦＥＭフレームワーク内で、変形後の解剖学的部位１１２に関連するボクセルの変位を変形前の解剖学的部位１１２に対して測定することができる。ボクセルの変位は、解剖学的部位１１２の組織内容全体について測定することができる。

ステップ４３２において、変形補正のために、計算された体積変位場を解剖学的部位１１２の複数の表面構造のうちの１つ又は２つ以上に適用することができる。例えば、第１のビュー３２６は、計算された体積変位場３２２を脳空間内で適用して脳３０４の皮質構造３０４Ａを補正することを示す。第２のビュー３２８は、計算された体積変位場３２２を脳空間内で適用して脳３０４の血管構造３０４Ｂ及び脳室構造３０４Ｃなどの他の解剖学的構造を補正することを示す（図３Ｄ）。脳３０４の体積内の測定されたボクセルの変位に基づいて体積補間を実行することができる。

ステップ４３４において、変形後の解剖学的部位１１２の複数の多次元グラフィックビューを生成することができる。生成される複数の多次元グラフィックビューは、解剖学的部位１１２の複数の表面構造内の変位した１又は２以上の関心領域、及び／又は解剖学的部位１１２内の体積変位を含むことができる。体積変位は、変形に起因する解剖学的部位１１２の体積の変化及び／又は変位した組織部位を表すことができる。生成される複数の多次元グラフィックビューの例は、補正された脳３０４の複数の表面構造を含むことができる脳３０４の出力３Ｄ構造３３０とすることができる。

ステップ４３６において、ユーザ入力に基づいて、生成された変形後の解剖学的部位１１２の複数の多次元グラフィックビューのＵＩ上への表示を制御することができる。ユーザ入力は、電子装置１０２のディスプレイ２１０上にレンダリングされるＵＩを用いて受け取ることができる。複数の多次元グラフィックビューの表示は、外科医１１６によって提供される入力などの受け取られたユーザ入力に応答して変更し、更新することができる。制御は、ステップ４３８に進んで終了する。

本開示の実施形態によれば、組織変形の存在下において手術を支援するためのシステムは、電子装置１０２（図１）を含むことができる。電子装置１０２は、プロセッサ２０２（図２）などの１又は２以上の回路を含むことができる。プロセッサ２０２は、解剖学的部位１１２の複数の表面構造の１又は２以上の組織物質特性を受け取るように構成することができる。プロセッサ２０２は、解剖学的部位１１２に関連する１又は２以上の境界条件を受け取るようにさらに構成することができる。プロセッサ２０２は、変形前の解剖学的部位１１２の第１の表面と変形後の対応する解剖学的部位の第２の表面とを照合することによって解剖学的部位１１２の表面変位を判定するようにさらに構成することができる。プロセッサ２０２は、判定された表面変位と、受け取った１又は２以上の組織物質特性と、受け取った１又は２以上の境界条件とに基づいて解剖学的部位１１２の体積変位場を計算するようにさらに構成することができる。

本開示の様々な実施形態は、組織変形の存在下において手術を支援するように機械及び／又はコンピュータによって実行可能な機械コード及び／又は命令セットを記憶した非一時的コンピュータ可読媒体及び／又は記憶媒体、及び／又は非一時的機械可読媒体及び／又は記憶媒体を提供することができる。電子装置１０２における命令セットは、解剖学的部位１１２（図１）の複数の表面構造の１又は２以上の組織物質特性を受け取ることを含むステップを機械及び／又はコンピュータに実行させることができる。解剖学的部位１１２に関連する１又は２以上の境界条件を受け取ることもできる。変形前の解剖学的部位１１２の第１の表面を対応する変形後の解剖学的部位１１２の第２の表面と照合することによって、解剖学的部位１１２の表面変位を判定することができる。判定された表面変位と、受け取った１又は２以上の組織物質特性と、受け取った１又は２以上の境界条件とに基づいて、解剖学的部位１１２の体積変位場を計算することができる。

本開示は、ハードウェアの形で実現することも、又はハードウェアとソフトウェアの組み合わせの形で実現することもできる。本開示は、少なくとも１つのコンピュータシステム内で集中方式で実現することも、又は異なる要素を複数の相互接続されたコンピュータシステムにわたって分散できる分散方式で実現することもできる。本明細書で説明した方法を実行するように適合されたコンピュータシステム又はその他の装置が適することができる。ハードウェアとソフトウェアの組み合わせは、ロードされて実行された時に本明細書で説明した方法を実行するようにコンピュータシステムを制御することができるコンピュータプログラムを含む汎用コンピュータシステムとすることができる。本開示は、他の機能も実行する集積回路の一部を含むハードウェアの形で実現することができる。

本開示は、本明細書で説明した方法の実装を可能にする全ての特徴を含み、コンピュータシステムにロードされた時にこれらの方法を実行できるコンピュータプログラム製品に組み込むこともできる。本文脈におけるコンピュータプログラムとは、情報処理能力を有するシステムに、特定の機能を直接的に、或いはａ）別の言語、コード又は表記法への変換、ｂ）異なる内容形態での複製、のいずれか又は両方を行った後に実行させるように意図された命令セットの、あらゆる言語、コード又は表記法におけるあらゆる表現を意味する。

いくつかの実施形態を参照しながら本開示を説明したが、当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことができ、同等物を代用することもできると理解するであろう。また、本開示の範囲から逸脱することなく、本開示の教示に特定の状況又は内容を適合させるための多くの変更を行うこともできる。従って、本開示は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に該当する全ての実施形態を含むように意図されている。

４００ フローチャート
４０２ 開始
４０４ １又は２以上のマルチモーダルソースから解剖学的部位に関連する１又は２以上のデータセットを受け取る
４０６ 受け取った解剖学的部位に関連する１又は２以上のデータセットを位置合わせ
４０８ ＭＲＩスキャナ又はマルチモーダルソースから受け取った１又は２以上のデータセットに基づき、位置合わせに基づいて解剖学的部位の複数の表面構造を再現
４１０ 解剖学的部位が手術前の開かれていない状態にある時に、再現された解剖学的部位の複数の表面構造の表面分割を実行
４１２ ２Ｄから３Ｄへのジオメトリ処理及び表面分割に基づいて解剖学的部位の３Ｄ構造を形成
４１４ 解剖学的部位が手術中の開かれた状態にある時に、立体ビジョンを利用して解剖学的部位の（変形後の）１又は２以上の表面を再現
４１６ 再現された開かれた状態にある解剖学的部位の１又は２以上の表面と、形成された開かれていない状態にある解剖学的部位の３Ｄ構造との位置合わせを３Ｄ座標系において実行
４１８ 解剖学的部位の複数の表面構造の１又は２以上の組織物質特性を受け取る
４２０ 解剖学的部位に関連する１又は２以上の境界条件を受け取る
４２２ 変形前の解剖学的部位の第１の表面を、対応する変形後の解剖学的部位の第２の表面と照合

Claims (25)

1. 手術支援のためのシステムであって、
   電子装置における１又は２以上の回路を備え、該１又は２以上の回路は、
   解剖学的部位の複数の表面構造の１又は２以上の組織物質特性を受け取り、
   前記解剖学的部位に関連する１又は２以上の境界条件を受け取り、
   変形前の前記解剖学的部位の第１の表面を対応する変形後の前記解剖学的部位の第２の表面と照合することによって前記解剖学的部位の表面変位を判定し、
   前記判定された表面変位と、前記受け取った１又は２以上の組織物質特性と、前記受け取った１又は２以上の境界条件とに基づいて、前記解剖学的部位の体積変位場を計算する、
   ように構成される、
   ことを特徴とするシステム。
2. 前記解剖学的部位の前記複数の表面構造は、不均質な解剖学的表面構造に対応する、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記解剖学的部位は、脳の少なくとも一部に対応し、前記複数の表面構造は、被験者の前記解剖学的部位に存在する時には、皮質、血管、脳室及び／又は腫瘍構造のうちの２つ又は３つ以上に対応する、
   請求項１に記載のシステム。
4. 前記受け取った１又は２以上の境界条件は、少なくとも変位境界条件及び／又は静止境界条件を含む、
   請求項１に記載のシステム。
5. 前記１又は２以上の回路は、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）スキャナ又は該ＭＲＩスキャナを含むマルチモーダルソースから受け取られた前記解剖学的部位に関連するデータセットの位置合わせに基づいて、前記解剖学的部位の前記複数の表面構造を再現するようにさらに構成される、
   請求項１に記載のシステム。
6. 前記１又は２以上の回路は、前記解剖学的部位が手術前の開かれていない状態にある時に、前記変形前のＭＲＩデータを用いて前記解剖学的部位の前記複数の表面構造の表面分割を実行するようにさらに構成される、
   請求項１に記載のシステム。
7. 前記１又は２以上の回路は、二次元（２Ｄ）から３Ｄへのジオメトリ処理及び前記表面分割に基づいて前記解剖学的部位の三次元（３Ｄ）構造を形成するようにさらに構成され、前記形成される３Ｄ構造は、前記第１の表面に対応する前記複数の表面構造を含む、
   請求項６に記載のシステム。
8. 前記１又は２以上の回路は、前記解剖学的部位が手術中の開かれた状態にある時に、前記表面変位の前記判定のために立体ビジョンを利用して前記変形後の解剖学的部位の１又は２以上の表面を再現するようにさらに構成され、前記再現された前記変形後の解剖学的部位の１又は２以上の表面は、前記第２の表面に対応する、
   請求項７に記載のシステム。
9. 前記１又は２以上の回路は、前記再現された前記開かれた状態にある前記解剖学的部位の１又は２以上の表面と、前記開かれていない状態にある前記解剖学的部位の前記３Ｄ構造との位置合わせを３Ｄ座標系において実行するようにさらに構成され、前記解剖学的部位が少なくとも前記被験者の脳の一部である場合、前記位置合わせは、前記被験者の頭蓋骨の骨構造の整列を用いて行われる、
   請求項８に記載のシステム。
10. 前記１又は２以上の回路は、前記変形後の前記解剖学的部位に関連するボクセルの変位を前記変形前の前記解剖学的部位に対して有限要素法（ＦＥＭ）フレームワークにおいて測定するようにさらに構成され、前記測定は、前記判定された表面変位に基づいて前記解剖学的部位の体積内で行われ、前記ボクセルの変位の前記測定は、前記体積変位場の前記計算に対応し、前記解剖学的部位の前記体積は、前記解剖学的部位の組織内容全体を表す、
    請求項１に記載のシステム。
11. 前記１又は２以上の回路は、前記計算された体積変位場を変形補正のために前記複数の表面構造のうちの１つ又は２つ以上に適用するようにさらに構成される、
    請求項１に記載のシステム。
12. 前記１又は２以上の回路は、前記解剖学的部位が開かれた状態で変形している時に手術中に支援を行うために、前記変形後の解剖学的部位の複数の多次元グラフィックビューを生成するようにさらに構成され、前記生成された複数の多次元グラフィックビューは、前記解剖学的部位の前記複数の表面構造における変位した１又は２以上の関心領域、及び／又は前記変形後の体積の変化を表す前記解剖学的部位内の体積変位を含む、
    請求項１１に記載のシステム。
13. 前記複数の多次元グラフィックビューは、１又は２以上の視点からの前記複数の表面構造を含む、前記解剖学的部位の２又は３以上の三次元ビューに対応する、
    請求項１２に記載のシステム。
14. 手術支援のための方法であって、
    電子装置における１又は２以上の回路が、解剖学的部位の複数の表面構造の組織物質特性を受け取るステップと、
    前記１又は２以上の回路が、前記解剖学的部位に関連する１又は２以上の境界条件を受け取るステップと、
    前記１又は２以上の回路が、変形前の前記解剖学的部位の第１の表面を対応する変形後の前記解剖学的部位の第２の表面と照合することによって前記解剖学的部位の表面変位を判定するステップと、
    前記１又は２以上の回路が、前記判定された表面変位と、前記受け取った１又は２以上の組織物質特性と、前記受け取った１又は２以上の境界条件とに基づいて、前記解剖学的部位の体積変位場を計算するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
15. 前記解剖学的部位は、脳の一部に対応し、前記複数の表面構造は、被験者の前記解剖学的部位に存在する時には、皮質、血管、脳室及び／又は腫瘍構造のうちの２つ又は３つ以上に対応する、
    請求項１４に記載の方法。
16. 前記受け取った１又は２以上の境界条件は、少なくとも変位境界条件と静止境界条件とを含む、
    請求項１４に記載の方法。
17. 前記１又は２以上の回路が、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）スキャナ又は該ＭＲＩスキャナを含むマルチモーダルソースから受け取られた前記解剖学的部位に関連するデータセットの位置合わせに基づいて、前記解剖学的部位の前記複数の表面構造を再現するステップをさらに含む、
    請求項１４に記載の方法。
18. 前記１又は２以上の回路が、前記解剖学的部位が手術前の開かれていない状態にある時に、前記変形前のＭＲＩデータを用いて前記解剖学的部位の前記複数の表面構造の表面分割を実行するステップをさらに含む、
    請求項１４に記載の方法。
19. 前記１又は２以上の回路が、二次元（２Ｄ）から３Ｄへのジオメトリ処理及び前記表面分割に基づいて前記解剖学的部位の三次元（３Ｄ）構造を形成するステップをさらに含み、前記形成される３Ｄ構造は、前記第１の表面に対応する前記複数の表面構造を含む、
    請求項１８に記載の方法。
20. 前記１又は２以上の回路が、前記解剖学的部位が手術中の開かれた状態にある時に、前記表面変位の前記判定のために立体ビジョンを利用して前記変形後の解剖学的部位の１又は２以上の表面を再現するステップをさらに含み、前記再現された前記変形後の解剖学的部位の１又は２以上の表面は、前記第２の表面に対応する、
    請求項１９に記載の方法。
21. 前記１又は２以上の回路が、前記再現された前記開かれた状態にある前記解剖学的部位の１又は２以上の表面と、前記開かれていない状態にある前記解剖学的部位の前記３Ｄ構造との位置合わせを３Ｄ座標系において実行するステップをさらに含み、前記解剖学的部位が前記被験者の脳の一部である場合、前記位置合わせは、前記被験者の頭蓋骨の骨構造の整列を用いて行われる、
    請求項２０に記載の方法。
22. 前記１又は２以上の回路が、前記変形後の前記解剖学的部位に関連するボクセルの変位を前記変形前の前記解剖学的部位に対して有限要素法（ＦＥＭ）フレームワークにおいて測定するステップをさらに含み、前記測定は、前記判定された表面変位に基づいて前記解剖学的部位の体積内で行われ、前記ボクセルの変位の前記測定は、前記体積変位場の前記計算に対応し、前記解剖学的部位の前記体積は、前記解剖学的部位の組織内容全体を表す、
    請求項１４に記載の方法。
23. 前記１又は２以上の回路が、前記計算された体積変位場を変形補正のために前記複数の表面構造のうちの１つ又は２つ以上に適用するステップをさらに含む、
    請求項１４に記載の方法。
24. 前記１又は２以上の回路が、前記解剖学的部位が開かれた状態で変形している手術中に支援を行うために、前記変形後の解剖学的部位の複数の多次元グラフィックビューを生成するステップをさらに含み、前記生成された複数の多次元グラフィックビューは、前記解剖学的部位の前記複数の表面構造における変位した１又は２以上の領域、及び／又は前記変形後の体積の変化を表す前記解剖学的部位内の体積変位を含む、
    請求項１４に記載の方法。
25. 前記複数の多次元グラフィックビューは、１又は２以上の視点からの前記複数の表面構造を含む、前記解剖学的部位の三次元ビューに対応する、
    請求項２４に記載の方法。