JP2021112361A - 医療用ナビゲーション装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡易な構成で使用環境の影響を受けることの少ない医療用ナビゲーション装置を提供することを目的とする。【解決手段】患者の治療や手術の支援に用いられる医療用ナビゲーション装置1であって、カメラ部2と、光源部4と、画像部55を備えたマーカ50と、画像部55の撮影画像から、マーカ50の位置情報を算出するマーカ位置算出部31と、患者の仮想モデル画像と仮想デバイス画像を、カメラ部2が撮影した撮影画像に重ね合わせて表示する表示画像処理部32を備え、光源部4は、部屋の照明器具の照明光のスペクトルのピークの波長よりも長い波長の領域に、スペクトルのピークを有する光を発光するものであり、撮影画像は、照明光のスペクトルのピークよりも長い波長の光に基づく画像である、医療用ナビゲーション装置1。【選択図】 図1
Description
本開示は、患者の手術や治療の支援に用いて好適な医療用ナビゲーション装置に関する。
従来から、手術用器具や手術を行う患者の部位などに固定されたマーカを追跡して、外科手術を行う医療従事者の支援を行う外科用ナビゲーションシステムが知られている(特許文献1参照。)。この外科用ナビゲーションシステムでは、カメラユニット等がマーカを逐次追跡し、手術用器具や患者の対象部位などの位置に関する情報を医療従事者に提供したり、それらの位置に関する情報に基づき、手術用器具などの動きを制限する情報を医療従事者に提供したりすることなどが行われている。
また、所定の模様等の画像が設けられた画像部を備えた光学マーカをカメラにて撮影し、その撮影された画像部の画像状態に基づいて光学マーカの座標を算出し、実空間の画像に、診断画像を重畳表示させる合成画像提示システムも知られている(例えば特許文献2参照。)。この技術では、所謂、拡張現実(AR:Augmented Reality)技術が用いられており、手術などを行う医療従事者などに、カメラにて撮影された実空間の画像に、別途入手した診断画像が重畳表示される。
上述の特許文献1に記載された技術では、マーカを追跡するための光学式のカメラシステムや、非光学式のセンサなどが用いられており、システムが複雑になってしまうという問題があった。また、特許文献2に記載された技術では、カメラにて撮影された画像部の画像状態によって、当該画像部を備えるマーカの座標が算出されるため、使用環境によっては、マーカの座標を算出するための適切な画像が得られない場合があるという問題があった。例えば、強い照明が用いられる環境下などでは、カメラからの画像が明るくなりすぎてしまい、必要な情報が識別可能なマーカの画像部の画像が得られない場合があるという問題があった。
本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであって、簡易な構成で使用環境の影響を受けることの少ない、医療用ナビゲーション装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本開示は、以下の手段を提供する。
本開示にかかる医療用ナビゲーション装置は、患者の治療や手術の支援に用いられる医療用ナビゲーション装置であって、カメラ部と、少なくとも前記患者の所定の部位を照らす光源部と、所定の模様が付された画像部を備えたマーカと、前記カメラ部が撮影した、医療用デバイスに取り付けられた前記マーカの前記画像部の画像から、前記マーカの位置情報を算出するマーカ位置算出部と、前記位置情報に基づいて、別途取得された前記患者の診断画像に基づいて生成された前記患者の所定の部分に対応する仮想モデル画像と、前記マーカが取り付けられた前記医療用デバイスに対応する仮想デバイス画像を、前記カメラ部が撮影した撮影画像に重ね合わせて表示する表示画像処理部を備え、前記光源部は、前記医療用ナビゲーション装置が使用される部屋の照明器具の照明光のスペクトルのピークの波長よりも長い波長の領域に、スペクトルのピークを有する光を発光するものであり、前記撮影画像は、前記照明光のスペクトルのピークよりも長い波長の光に基づく画像であることを特徴とする。
本開示にかかる医療用ナビゲーション装置は、患者の治療や手術の支援に用いられる医療用ナビゲーション装置であって、カメラ部と、少なくとも前記患者の所定の部位を照らす光源部と、所定の模様が付された画像部を備えたマーカと、前記カメラ部が撮影した、医療用デバイスに取り付けられた前記マーカの前記画像部の画像から、前記マーカの位置情報を算出するマーカ位置算出部と、前記位置情報に基づいて、別途取得された前記患者の診断画像に基づいて生成された前記患者の所定の部分に対応する仮想モデル画像と、前記マーカが取り付けられた前記医療用デバイスに対応する仮想デバイス画像を、前記カメラ部が撮影した撮影画像に重ね合わせて表示する表示画像処理部を備え、前記光源部は、前記医療用ナビゲーション装置が使用される部屋の照明器具の照明光のスペクトルのピークの波長よりも長い波長の領域に、スペクトルのピークを有する光を発光するものであり、前記撮影画像は、前記照明光のスペクトルのピークよりも長い波長の光に基づく画像であることを特徴とする。
上記において、前記光源部は、そのスペクトルのピークが赤外線領域にある光を発光するものであり、前記撮影画像は、前記赤外線領域の光に基づく赤外線画像であることが好ましい。
上記において、前記撮影画像は、850nm以上の長さの波長の光に基づく画像であることが好ましい。
上記において、前記光源部は、前記カメラ部と隣接して設けられていることが好ましい。
上記において、前記光源部は、前記カメラ部と隣接して設けられていることが好ましい。
上記において、前記光源部は、前記照明光のスペクトルの波長のピークよりも長い波長の光を発光する複数の発光部を備え、前記発光部は、前記カメラ部の周囲を囲んで配置されていることが好ましい。
本開示の医療用ナビゲーション装置によれば、簡易な構成で使用環境の影響を受けることの少ない医療用ナビゲーション装置を提供することができるという効果を奏する。
本出願が開示する技術の一実施形態に係る医療用ナビゲーション装置1について、主に図1から図11を参照しながら説明する。以降の説明では、本開示にかかる医療用ナビゲーション装置1が、整形外科領域の人工股関節置換術に用いられる例に適用して説明を行う。即ち、医療用ナビゲーション装置1が、病院などの手術室に配置され、手術や治療に用いられる器具等や、設置用の器具に取り付けられたインプラント用の医療機器(以降において「インプラント」とも記載する。)の位置情報をリアルタイムで表示したり、インプラントを設置する予定位置、更にはその設置の目安となる仮想画像などを、患者の体位に連動して逐次表示したりするなどして、使用者を支援する外科手術用の医療用ナビゲーションとして用いられる例に適用して以降の説明を行う。
なお以降の説明において、人工股関節置換術にて使用されるインプラントは公知のものであり、骨盤側に取り付けられるカップ部、大腿骨側に取り付けられるステム部、及びステム部の端部に取り付けられカップと嵌め合わされるインナーヘッド部から主に構成されている例に適用して説明を行う。また、患者の骨盤のカップが設置される箇所(臼蓋)などを、カップの設置に適した形状に削るための医療用の器具を「リーマ」と、大腿骨にステムを設置するために大腿骨の内側(大腿骨髄腔)を処理する医療用の器具を「ラスプ」とも記載する。更に、カップを所定の箇所に設置するための器具を「カップ設置ツール」とも記載する。
<1.構成の説明>
本実施形態に係る医療用ナビゲーション装置1は、本体部10と複数のマーカ50から主に構成されている。
本実施形態に係る医療用ナビゲーション装置1は、本体部10と複数のマーカ50から主に構成されている。
本体部10は、医療用ナビゲーション装置1の本体装置であり、カメラ2、光源部4、カメラアーム5、カート6、モニタ7、処理装置30から主に構成されている。なお本実施形態において本体部10は、各構成部がカート6に取り付けられて、一体として構成されている例に適用して説明を行うが、これに限定される訳ではない。例えば、モニタ7や処理装置30が別体として構成されていてもよい。
カメラ2は、公知の光学式デジタルカメラであり、レンズ部21と、集光された光に基づいて撮影画像を電気信号として出力する撮像部22を主に備えている。カメラ2は、光学機器を所望の方向に向けて固定する公知の保持具である雲台3に取り付けられている。この雲台3は、図示されていないコントローラによって、取り付けられたカメラ2の位置や角度を調節することができる。
光源部4は、赤外線領域の光を主に含む光を発光する図示されていない発光素子を備えた光源である。本実施形態では、光源部4は、スペクトルのピークが赤外線領域にある光を発光する発光部を備えている例に適用して以降の説明を行う。ここで赤外線領域の光とは、可視光線よりも波長の長い光の領域であって、例えばその波長が約700nm以上の波長(約700〜1000,000nm)の光のことをいう。
なお光源部4は、その光のスペクトルのピークが、医療用ナビゲーション装置1が用いられる照明器具の照明光のスペクトルが存在しない波長の長い領域にある光を発光するものであることが好ましい。具体的には、光源部4は、近赤外線(例えば約700〜2,500nm)の領域にある光を発光するものであるものが好ましく、850nmよりも波長の長い領域にスペクトルのピークを有する近赤外線の光を発光するものであれば更に好ましい。なお、光源部4は、赤外線領域以外の波長の光を含む光を発光するものであってもよい。
光源部4は、その光の照射方向が、カメラ2の撮影方向と同じ側を向くようにしてカメラ2と隣接して配置されている。換言すれば、光源部4は、カメラ2の撮影範囲を少なくとも含む範囲を照射するように、カメラ2と隣接し、並んで配置されている。
カメラアーム5は、カメラ2、及び光源部4を保持する公知の可動式のアーム装置であり、複数のアーム部と、それらを回転可能に接続する複数のジョイント部から主に構成されている。カメラアーム5の一方の端部は、詳細は後述するカート6に固定されている。また他方の端部には、カメラ2、及び光源部4が固定されている。ジョイント部は、接続されたアーム部を所望の角度に回転して固定することができるものである。このため使用者は、カメラアーム5に取り付けられたカメラ2、及び光源部4を、所望の位置に配置して固定することができる。なお、カメラアーム5の内側には、カメラ2や光源部4に繋がる図示されていないケーブルなどが配線されている。
カート6は、モニタ7、処理装置30、及び光源部4や処理装置30に電源を供給する電源部8などを搭載すると共に、その端部に取り付けられたカメラアーム5を支持する部分である。カート6には、移動用のキャスタが設けられている。このため使用者は、使用状況に応じて本体部10を、所望の場所に移動させて設置することができる。なお、カート6の下側の部分に、光源部4や処理装置30の電源用のバッテリを設けた構成としてもよい。モニタ7は、処理装置30からの信号などに基づいて、表示を行う公知のモニタデバイスである。
処理装置30は、主にカメラ2によって撮影された撮影画像を処理したり、手技を支援するための情報を生成し、それらの情報をモニタ7に表示させたりする処理を行う部分である。本実施形態において処理装置30は、公知のタブレット型PCに、専用のソフトウェアがインストールされたものである例に適用して以降の説明を行う。なお処理装置30は、ノート型PCやデスクトップ型PCに専用のソフトウェアがインストールされたものであってもよい。
処理装置30は、マーカ位置算出部31、表示画像処理部32、仮想モデル画像構成部33、操作表示部34、及び記憶部35を主に備えている。本実施形態では、これらの各部の機能が、PCのハードウェアと、PCにインストールされている専用のソフトウェアが協働することによって実現されている例に適用して以降の説明を行う。なお処理装置30の上記の各部の一部、あるいはその全てが、専用のハードウェアから構成されていてもよい。あるいは処理装置30が、専用のソフトウェアがインストールされた複数のPCから構成されていてもよい。
仮想モデル画像構成部33は、別途撮影された患者のX線CTの診断画像から、使用者が指定した骨盤などの所定の部位の仮想の立体画像(以降において「仮想モデル画像」とも記載する。)を、公知の画像処理方法によって生成する部分である。なお、仮想モデル画像を生成するために、他のモダリティの画像診断装置から得られた画像が用いられてもよい。
また仮想モデル画像構成部33は、マーカ50が取り付けられる手術や治療に用いられる器具等の寸法や形状に関する情報、及びインプラントなどの寸法や形状に関する情報に基づいて、当該器具や、カップ設置ツールなどのインプラント設置用の器具に取り付けられたインプラント(以降、これらを総称して「医療用デバイス」とも記載する。)などの仮想のモデル画像(以降において「仮想デバイス画像」とも記載する。)も生成する。
マーカ位置算出部31は、カメラ2が撮影した詳細は後述するマーカ50の画像部55の撮影画像から、マーカ50の位置や傾きに関する位置情報を算出する機能を有する部分である。
表示画像処理部32は、マーカ位置算出部31が算出した位置情報に基づいて、カメラ2の撮影画像に、仮想モデル画像、及び仮想デバイス画像を重ね合わせて、逐次モニタ7に表示する機能を有する部分である。また表示画像処理部32は、仮想モデル画像をカメラ2の撮影画像に重ね合わせて表示するために、仮想モデル画像と、患者の対象部位における撮影画像の位置合わせを行う機能も有している。
操作表示部34は、使用者が操作を行うために必要な表示などを行う表示部としての機能と、使用者が操作を行う操作部としての機能を有した部分である。本実施形態では、操作表示部34は、タッチパネル式のディスプレイデバイスと、タッチパネル式のディスプレイデバイスの制御を行う処理部から構成されている例に適用して以降の説明を行う。なお使用者による操作は、操作表示部34による他、処理装置30に接続された図示されていないフットスイッチによっても行われる。また、タッチパネル式のディスプレイデバイスの代わりに、通常のディスプレイと、マウスやキーボードなどの公知の入力デバイス、及びそれらのインターフェースが用いられた構成としてもよい。あるいは処理装置30が、使用者の手などの動きに対応した入力が行われるゼスチャー入力機能や、音声入力機能などを有した構成としてもよい。
記憶部35は、SSDなどの不揮発性メモリやハードディスクなどの公知の記憶媒体である。記憶部35には、専用のソフトウェアや、仮想モデル画像に関する情報等が記憶されている。また記憶部35には、インプラントの形状や寸法などに関する情報や、手術や治療に用いられる器具等の形状や寸法などに関する情報などの情報が記憶されている。また、処理装置30は、WiFi(「WiFi」は登録商標。)やLANケーブルを介して、病院のネットワークなどとの接続を行うネットワーク機能や、USBポートやDVDなどの光学ドライブなど、氾用のPCが有するその他の機能をも有している。
マーカ50は、手術や治療に用いられる器具等(以降において「器具等」とも記載する。)に取り付けられて、手術ナビゲーションを行う際に必要となる、医療用デバイスの位置情報を取得する際に用いられるものであり、薄型の略直方体形状をしている(図2(a)〜図2(c)参照。)。
マーカ50の、使用時に主にカメラ2の側を向く面には、所定の模様が施された画像部55が設けられている。この画像部55は、カメラ2にて撮影された画像部55の撮影画像から、そのマーカ50とカメラ2の相対的な位置情報を算出する公知の方法に用いられる模様や記号が含まれている。
本実施形態では、画像部55に、縞模様と、当該模様の上に設けられたレンチキュラレンズと、マーカ50を識別するための識別情報を現す識別画像が少なくとも備えられている例に適用して以降の説明を行う(図2(a)〜図2(c)参照。)。
マーカ50の画像部55が設けられている面とは異なる面に、マーカ50を器具等に取り付けるためのアタッチメント51が備えられている。このアタッチメント51は、マーカ50が取り付けられる器具等に対応した様々なタイプがある。例えばカップ設置ツール56などに取り付け可能な形状をしたタイプ(カップ設置ツール56用アタッチメント)(図3(a)参照。)や、ラスプ57などの手術用の器具に取り付け可能な形状をしたタイプ(ラスプ57用アタッチメント)(図3(b)参照。)などがある。また、図示されていないリーマ58などの手術用の器具に取り付け可能な形状をしたタイプ(リーマ58用アタッチメント)や、患者の骨盤等の部位に固定される図示されていない固定ピン60に取り付け可能な形状をしたタイプ(固定ピン60用アタッチメント)などもある。
更に、患者の実際の位置と仮想モデル画像の位置合わせを行う際に、その先端を患者の所定部位に接触させて使用するプローブ59に取り付け可能な形状をしたタイプ(図3(c)参照。)もある。このため使用者は、手術ナビゲーションを行う際に位置情報が必要となる様々な部分に、マーカ50を取り付けることができる。なお、マーカ50が取り付けられる上記の器具等は例示であり、これに限定される訳ではない。
本実施形態においてアタッチメント51には、当該アタッチメント51が取り付けられる器具等を識別する識別画像を有する画像部55を備えたマーカ50が取り付けられている例に適用して以降の説明を行う。即ち、例えばカップ設置ツール56用のアタッチメント51には、カップ設置ツール56に対応した識別画像を有する画像部55を備えたマーカ50が取り付けられ、ラスプ57用のアタッチメント51には、ラスプ57に対応した識別画像を有する画像部55を備えたマーカ50が取り付けられている例に適用して以降の説明を行う。そして記憶部35には、識別画像が表す識別情報と、対応する器具等が紐づけられて記憶されている例に適用して以降の説明を行う。なお、使用の度に、使用者がマーカ50と、当該マーカ50が取り付けられた器具等を紐づけて記憶部35に記憶させる操作を行う構成としてもよい。
<カメラについて>
カメラ2のレンズ部21には、図示されていない光学フィルタ23が取り付けられている。この光学フィルタ23は、赤外線領域の光よりも波長の短い光を遮光し、赤外線領域の光を透過する赤外線透過フィルタである。即ち撮像部22には、光学フィルタ23を透過した所定の波長以上の赤外線領域の光が照射されるため、カメラ2は、赤外線領域の光に基づく赤外線画像を出力する。即ち、カメラ2は、赤外線カメラとして機能する。
カメラ2のレンズ部21には、図示されていない光学フィルタ23が取り付けられている。この光学フィルタ23は、赤外線領域の光よりも波長の短い光を遮光し、赤外線領域の光を透過する赤外線透過フィルタである。即ち撮像部22には、光学フィルタ23を透過した所定の波長以上の赤外線領域の光が照射されるため、カメラ2は、赤外線領域の光に基づく赤外線画像を出力する。即ち、カメラ2は、赤外線カメラとして機能する。
一般に、外科手術などの手術や治療が行われる部屋では、医師等の医療従事者がその手技を行い易くするために、無影灯など、強い光を発光する照明器具が使用される。このような照明器具が使用される環境下に配置されたマーカ50を、光学フィルタ23を取り付けない通常の状態のカメラ2にて撮影すると、適切な状態の画像部55の撮影画像を得ることが難しい。
即ち、強い光を発光する照明器具が使用される場合には、その照明器具からの光がカメラ2の調整可能な範囲を超えてしまい、撮影された画像が明るくなり過ぎてしまう。そのような場合には、画像部55の撮影画像が真っ白な画像となるなどして、画像部55が他の部分と区別できないような画像となってしまったり、画像部55の縞模様の濃淡などの違いが適切に識別できない画像となってしまったりする。この場合には、マーカ位置算出部が、マーカ50の位置情報を適切に算出することができない。
このような場合に、例えば画像の閾値を設けるなどして公知の画像処理を行い、画像部55を適切な状態で表示されるように撮影画像の調整をしても、他の部分が暗くなってしまい、全てのマーカ50の画像部55を適切な状態で表示されるように調節することは難しい(図6参照。)。また、そのような画像処理を行うと、カメラ2にて撮影した患者の撮影画像が暗くなり、手術や治療に必要な適切な画像情報を使用者に提供することができなくなってしまう。
一方、本実施形態のように、光学フィルタ23を取り付けたカメラ2にて撮影を行うと、所定の波長以上の赤外線領域の光が遮光された赤外線画像が得られる。即ち、照明器具から照射された強い光の多くが遮光され、主に光源部4から照射された赤外線領域の光に基づく撮影画像が得られる。一般に無影灯などの照明器具では、その光のスペクトルのピークが可視光の領域、即ち赤外線領域よりも波長の短い領域にある光源が用いられている。そのような光源では、赤外線の領域、即ち光のスペクトルの約700nmよりも波長が長い領域には、強い光の成分が含まれていない(図5(a)、図5(b)参照。)。このため、光学フィルタ23を取り付けたカメラ2にて撮影を行うことで、照明器具からの光の影響の少ない、画像部55の撮影画像を赤外線画像として得ることができる。また、手術や治療の支援に十分な画像情報を有した患者の撮影画像も同時に得ることができる。
なお光学フィルタ23は、医療用ナビゲーション装置1が用いられる部屋の照明器具の光や、その部屋の環境光に含まれていない領域の光を透過する赤外線透過フィルタであることが好ましい。図5(a)または図5(b)を参照して具体的に説明をおこなうと、例えば850nmよりも長い波長の光を透過する赤外線透過フィルタが好ましい。これは、同じ赤外線透過フィルタであっても、例えば700nmよりも長い波長の光を透過する赤外線透過フィルタを用いた場合には、700nm〜800nmの波長の領域に照明器具の光のスペクトルが存在する(図5(a)、図5(b)参照。)。このため、撮影画像は、照明器具の光の成分の影響を受けた画像となってしまう(図7参照。)。一方、850nmよりも波長の長い光を透過する赤外線透過フィルタを用いた場合には、照明器具の光は、当該波長の領域の光を含んでいない。このため、照明器具の光の影響を受けない、より鮮明な撮影画像を取得することができる(図8参照。)。なお本実施形態では、光学フィルタ23が850nm以上の光を透過する公知の赤外線透過フィルタである例に適用して以降の説明を行う。なお、光学フィルタ23は、適切な撮影画像が得られるのであれば、上記とは異なる公知の赤外線透過フィルタが用いられてもよい。
<2.使用方法の説明>
続いて、本実施形態に係る医療用ナビゲーション装置1の使用方法について、主に図9〜図11を参照して説明を行う。なお、使用者による操作は、モニタ7や操作表示部34に表示される操作画面に従って行われる。
続いて、本実施形態に係る医療用ナビゲーション装置1の使用方法について、主に図9〜図11を参照して説明を行う。なお、使用者による操作は、モニタ7や操作表示部34に表示される操作画面に従って行われる。
(1)事前準備
はじめに、X線CT診断装置など公知の画像診断装置を用いて撮影した、患者の骨盤部を少なくとも含む診断画像から、公知の画像処理方法によって骨盤の三次元仮想モデル(仮想モデル画像)を作成する(S100)。具体的には、使用者による操作に従って、仮想モデル画像構成部33が、画像診断装置にて撮影された患者の診断画像の画像データに基づいて、骨盤に相当する部分のデータを抽出し、三次元の仮想モデル画像を作成する。生成された仮想モデル画像は、記憶部35に記憶される。
はじめに、X線CT診断装置など公知の画像診断装置を用いて撮影した、患者の骨盤部を少なくとも含む診断画像から、公知の画像処理方法によって骨盤の三次元仮想モデル(仮想モデル画像)を作成する(S100)。具体的には、使用者による操作に従って、仮想モデル画像構成部33が、画像診断装置にて撮影された患者の診断画像の画像データに基づいて、骨盤に相当する部分のデータを抽出し、三次元の仮想モデル画像を作成する。生成された仮想モデル画像は、記憶部35に記憶される。
続いて記憶部35に記憶されている、カップ設置ツール56やプローブ59、あるいはラスプ57やリーマ58などの器具等に関する情報が正しく設定されているか確認を行う。具体的には、それらの器具等のオフセット値が正しい値であるか確認を行い、必要な場合にはキャリブレーションを行う(S110)。ここでオフセット値とは、マーカ50が取り付けられる器具等が延びる方向の軸線と、マーカ50が取り付けられた部分の間の所定方向の距離のことをいう。
患者に関する情報や、アプローチの種類などの手技に関する情報、及び使用するインプラントに関する情報など、必要な情報を入力し、手術が行われる患者の登録を行う(S120)。なお、使用するインプラントに関する情報としては、使用するインプラントの製品名やカップやステムのサイズ等に関する情報(以降において「インプラント情報」とも記憶する。)を入力する。なお製品名やその型番などに紐づけられて、それぞれの種類のサイズ等に関する情報が予め記憶部35に記憶されており、使用者がその中から使用するインプラントを選択する構成としてもよい。必要な情報が入力されると、手術が行われる患者が登録される。この際、仮想モデル画像構成部33が生成した仮想モデル画像も、入力された情報と紐づけられて、記憶部35に記憶される。
続いて、インプラントを設置する予定位置に関する情報を入力する。具体的には、カップの設置予定位置やその設置角度に関する情報を入力する。入力された情報は、登録された患者に関する情報に紐づけられて、記憶部35に記憶される。
(2)手術前準備
はじめに所定の箇所にマーカ50を配置する。具体的には、カップ設置ツール56やプローブ59、及びラスプ57やリーマ58などの器具等に、それぞれに対応したアタッチメント51を用いてマーカ50を取り付ける。また、患者が載置される手術台の平面部など、手技の基準となる面にも、対応するアタッチメント51を用いてマーカ50を固定する。更に、患者の骨盤と大腿骨に、公知の方法で固定ピン60をそれぞれ固定する。そして、固定された固定ピン60に、固定ピン60用のアタッチメント51を用いてマーカ50をそれぞれ固定する。
はじめに所定の箇所にマーカ50を配置する。具体的には、カップ設置ツール56やプローブ59、及びラスプ57やリーマ58などの器具等に、それぞれに対応したアタッチメント51を用いてマーカ50を取り付ける。また、患者が載置される手術台の平面部など、手技の基準となる面にも、対応するアタッチメント51を用いてマーカ50を固定する。更に、患者の骨盤と大腿骨に、公知の方法で固定ピン60をそれぞれ固定する。そして、固定された固定ピン60に、固定ピン60用のアタッチメント51を用いてマーカ50をそれぞれ固定する。
続いて、手術が行われる患者の周囲の適切な箇所に本体部10を配置する。この際、カメラアーム5等を操作して、少なくとも患者の手術が行われる部分とその周囲が、光源部4から照射される光によって照らされるようにする。また、カメラ2が患者の手術が行われる手術部分を適切に撮影できる状態にセッティングする。特に骨盤と大腿骨の固定ピン60や手術台の平面部などに固定したマーカ50が、その画像部55が適切にカメラ2の撮影画像に含まれるように、本体部10やカメラアーム5を動かしてカメラ2を配置する。
本体部10を所望の場所に配置されたら、本体部10に、所定の箇所に取り付けられたマーカ50を識別して登録する処理を行う。具体的には、操作画面に従って操作を行い、マーカ位置算出部31に、患者や手術台に固定されたマーカ50を順次識別させ、それぞれの箇所に固定されたマーカ50を登録する処理を行う(S130)。本実施形態ではマーカ位置算出部31が、マーカ50の画像部55の撮影画像に含まれている識別画像に基づいて、手術台に取り付けられたマーカ50、及び骨盤、及び大腿骨に固定されたマーカ50を識別順次識別して登録する処理を行う例に適用して以降の説明を行う。なお、使用者が所定の入力を行うことで、識別されたマーカ50が登録される処理が行われても良い。所定のマーカ50が正しく識別されたら、公知の人工股関節置換術に従い、大腿骨頸部を骨切りして取り外す処置を行う。
続いて、仮想モデル画像を患者の骨盤の位置情報と整合させる位置合わせ処理を行う(S140)。即ち、ICP(Interactive Closest Point)などの公知の画像処理技術を用いて、患者の骨盤部分の撮影画像と、仮想モデル画像を重ね合わせて表示するための位置合わせ処理を行う。
具体的には、モニタ7や操作表示部34に表示される指示に従って、マーカ50の取り付けられたプローブ59の先端にて、患者の骨盤の所定箇所を触れ、それらの箇所の位置情報を取得する処理を所定回数繰り返す(図10参照。)。なおマーカ位置算出部31は、マーカ50の撮像画像の状態から、マーカ50の位置情報を算出する。具体的に説明すると、マーカ位置算出部31は、マーカ50の撮影画像に含まれる画像部55の縞模様の間隔や濃淡の変化、あるいは四隅のマークのそれぞれの相対的な位置の関係(以降において「画像状態」とも記載する。)などから、公知の算出手段に従って、マーカ50の位置情報を算出する。またマーカ位置算出部31は、画像部55の撮影画像に含まれる識別画像から、当該マーカ50が取り付けられている器具等の種類も併せて識別する。
マーカ位置算出部31が、所定の箇所の位置情報を算出すると、表示画像処理部32が、ICPによる公知の画像処理技術による仮想モデル画像と実際の患者の骨盤の撮影画像の位置合わせ処理を行う。即ち、表示画像処理部32が、仮想モデル画像が骨盤の撮影画像の対応する部分に適切に重畳されて表示されるように、マーカ位置算出部31が算出した複数の位置情報と、骨盤の撮影画像の対応する部分の位置情報を整合させて紐づける処理を行う。
続けて表示画像処理部32は、患者の骨盤の実際の位置情報と、位置合わせ処理を行った仮想モデル画像の座標との理論上の位置ずれ(位置の誤差)を算出してその結果を表示すると共に、その位置の誤差が、予め定められた許容範囲内であるか判定する処理を行う(S150)。表示画像処理部32は、算出された位置の誤差が予め設定されている許容範囲内ではない場合(S150にてNo)には、使用者に対し、プローブ59の先端にて患者の骨盤の複数の箇所を再度触れて、追加の位置情報を取得することを求める表示を行う。そして表示画像処理部32は、追加の位置情報が取得されると、再び位置合わせ処理を行い、再び位置の誤差を算出する処理を行う。表示画像処理部32は、位置の誤差が予め設定されている許容範囲内となるまで、上記を繰り返す。
位置の誤差が許容範囲内となると(S150にてYes)、ナビゲーション処理が開始される。なお、本実施形態では、位置の誤差の許容範囲として、3mm以下が設定されている例に適用して以降の説明を行うが、位置の誤差の許容範囲はこれに限定される訳ではない。
(3)ナビゲーション
位置の誤差が所定の許容範囲内となると、手術のナビゲーションが開始される(S160)。具体的には、表示画像処理部32が、カメラ2が撮影した患者の撮影画像に、マーカ50が取り付けられた器具等の仮想デバイス画像や仮想モデル画像を重ね合わせた画像をモニタ7に逐次表示する(図11参照。)。マーカ位置算出部31は、各マーカ50の画像部55の画像状態に基づいて、それぞれのマーカ50の位置情報を逐次算出し、表示画像処理部32は、算出された位置情報に基づいて仮想デバイス画像や仮想モデル画像を逐次表示する。換言すれば、仮想デバイス画像や仮想モデル画像が、実際の器具等や患者の部位の動きと連動してリアルタイムに表示される。
位置の誤差が所定の許容範囲内となると、手術のナビゲーションが開始される(S160)。具体的には、表示画像処理部32が、カメラ2が撮影した患者の撮影画像に、マーカ50が取り付けられた器具等の仮想デバイス画像や仮想モデル画像を重ね合わせた画像をモニタ7に逐次表示する(図11参照。)。マーカ位置算出部31は、各マーカ50の画像部55の画像状態に基づいて、それぞれのマーカ50の位置情報を逐次算出し、表示画像処理部32は、算出された位置情報に基づいて仮想デバイス画像や仮想モデル画像を逐次表示する。換言すれば、仮想デバイス画像や仮想モデル画像が、実際の器具等や患者の部位の動きと連動してリアルタイムに表示される。
以下、例として、カップを患者の骨盤に設置する手技のナビゲーションを行う例に適用して説明を行う。表示画像処理部32は、マーカ位置算出部31が算出した患者の骨盤に設けられたマーカ50の位置情報に基づいて、仮想モデル画像を患者の撮影画像の骨盤に対応する部分に重畳して逐次表示する。また、表示画像処理部32は、器具等に配置されたマーカ50のそれぞれの位置情報や、記憶部35に記憶されているリーマ58やカップ設置ツール56の形状や寸法に関する情報、及び使用されるカップのインプラント情報に基づいて、器具やカップ設置ツール56に取り付けられたカップの仮想の画像(仮想デバイス画像)を撮影画像に重畳して表示する処理を行う。更に表示画像処理部32は、使用者が予め入力したカップを設置する予定位置に関する情報や、設置予定位置に配置されたカップの状態を示す仮想のモデル画像を撮影画像に重畳して表示する処理も行う。
また、ステムを設置する手技のナビゲーションを行う場合を例に説明を行うと、表示画像処理部32は、ラスプ57に対応した仮想の三次元画像(仮想デバイス画像)を撮影画像に重畳して表示する処理を行う。具体的に説明を行うと、表示画像処理部32は、マーカ位置算出部31が算出した患者の大腿骨の位置情報、及びラスプ57の位置情報、及び記憶部35に記憶されているラスプ57の形状や寸法に関する情報に基づいて、仮想デバイス画像を、撮影画像に重畳して逐次表示する処理を行う。
使用者は、カメラ2による患者の撮影画像に重畳されて表示される仮想モデル画像や仮想デバイス画像などを参照しながら、切削などの処置を行ったり、カップやステムを設置、固定したりする処置を行う。なお表示画像処理部32は、例えばカップ設置ツール56などの器具の実際の位置や角度、あるいは設置されようとしているインプラントの実際の位置や角度を、使用者が予め入力したインプラントの設置予定位置に関する情報と比較してその差を表示する処理も行う。このため、使用者は、予め設定した設置予定位置と、実際に操作している器具とのずれ等を確認しながら手技をおこなうことができる。
インプラントの設置が終わったら、使用者はそれぞれが適切な位置に設置されていることを確認する作業を行う。具体的には、撮影画像に表示されている、使用者が予め入力した、インプラントを設置する予定の位置に関する情報と、実際に設置されたインプラントとを比較するなどして、実際に設置されたインプラントが、予定された位置に正しく設置されていることなどを確認する。
インプラントの設置位置に問題の無いことが確認されたら、ステム部に適切なサイズのインナーヘッド部を取り付けてカップ部とステム部を組み合わせる。そして、公知の人工股関節置換術に従って、手術を終了する処置を行う。
上記の構成からなる医療用ナビゲーション装置1によれば、光源部4から、照明器具の照明光のスペクトルのピークよりも、長い波長の領域にスペクトルのピークを有する光が照射される。またカメラ2には、照明光のスペクトルのピークよりも、長い波長の光を透過する光学フィルタ23が取り付けられている。従って、カメラ2は、照明光のスペクトルのピークよりも長い波長の領域にある光による撮影画像を出力する。このため、無影灯などの強い光を発する照明器具が使用される環境であっても、マーカ50の画像部55の画像を適切に撮影することができ、マーカ位置算出部31がそれぞれのマーカ50の位置情報を適切に算出することができる。よって、無影灯などの照明器具の影響を受けない医療用ナビゲーション装置1を提供することができる。
さらに光源部4からは、そのスペクトルのピークが赤外線領域の光が患者の所定の部位に照射される。またカメラには、赤外線領域の光を透過する光学フィルタ23が設けられている。従ってカメラ2は、赤外線領域の光に基づく赤外線画像を撮影して出力する。一般に、無影灯などの照明器具の照明光には、赤外線領域の波長の光が多く含まれていない。このため、更に照明光の影響を受けにくい医療用ナビゲーション装置1を提供することができる。
更に、カメラ2には850nmよりも長い波長の光を透過する光学フィルタ23が設けられている。一般に、無影灯などの照明器具の照明光には、850nm以上の波長の光は含まれていない。このため、更に照明光の影響を受けにくい医療用ナビゲーション装置1を提供することができる。
更に、光源部4は、カメラ2と隣接して配置されている。カメラ2と光源部4が離れた場所に配置された場合には、カメラ2の側から見た際に、患者の体の凹凸やその他の影響を受けて影ができてしまうなど、撮影画像に明暗のムラが生じてしまう場合がある。一方、本実施形態の光源部4は、カメラ2と隣接して設けられており、カメラ2と略同一の位置から、その撮影角度と略同一の角度で、カメラ2の撮影範囲を含む領域に光を照射する。従って、明暗の差の少ない撮影画像を取得することができる。このため、精度が高く、撮影画像が見やすい医療用ナビゲーション装置1を提供することができる。
なお上記の実施形態では、カメラ2と光源部4が、隣接して配置されている例に適用して説明を行ったが、例えば光源部4が、カメラ2のレンズ部21の周囲を囲む様にして配置されていてもよい。図12(a)及び図12(b)を参照して具体的に説明を行うと、光源部4Aを構成する複数の発光素子41が、レンズ部21Aの周囲を囲んで配置された構成としてもよい。この様にすれば、更に明暗の差の少ない撮影画像を取得することができる。このため、精度が高く、撮影画像が見やすい医療用ナビゲーション装置1を提供することができる。
なお、上記実施形態では、医療用ナビゲーション装置1が人工股関節置換術に用いられる例に適用して説明を行ったが、医療用ナビゲーション装置1が、例えば、口腔外科領域や脳神経外科など、他の外科領域の外科手術に用いられてもよい。例えば、人工膝関節置換術、脊椎手術、及び骨折手術などの外科手術に用いられてもよい。あるいは医療用ナビゲーション装置1が、歯科の治療や歯のインプラントなどに用いられてもよい。例えば、本開示にかかる技術を上記の実施形態に適用したものに限られることなく、これらの実施形態を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定するものではない。
1…医療用ナビゲーション装置 2…カメラ 3…雲台 4、4A…光源部
5…カメラアーム 6…カート 7…モニタ 8…電源部 10…本体部
21,21A…レンズ部 22…撮像部 23…光学フィルタ
30…処理装置 31…マーカ位置算出部 32…表示画像処理部
33…仮想モデル画像構成部 34…操作表示部 35…記憶部
41…発光素子 50…マーカ 51…アタッチメント 55…画像部
56…カップ設置ツール 57…ラスプ 58…リーマ 59…プローブ
60…固定ピン
5…カメラアーム 6…カート 7…モニタ 8…電源部 10…本体部
21,21A…レンズ部 22…撮像部 23…光学フィルタ
30…処理装置 31…マーカ位置算出部 32…表示画像処理部
33…仮想モデル画像構成部 34…操作表示部 35…記憶部
41…発光素子 50…マーカ 51…アタッチメント 55…画像部
56…カップ設置ツール 57…ラスプ 58…リーマ 59…プローブ
60…固定ピン
Claims (5)
- 患者の治療や手術の支援に用いられる医療用ナビゲーション装置であって、
カメラ部と、
少なくとも前記患者の所定の部位を照らす光源部と、
所定の模様が付された画像部を備えたマーカと、
前記カメラ部が撮影した、医療用デバイスに取り付けられた前記マーカの前記画像部の画像から、前記マーカの位置情報を算出するマーカ位置算出部と、
前記位置情報に基づいて、別途取得された前記患者の診断画像に基づいて生成された前記患者の所定の部分に対応する仮想モデル画像と、前記マーカが取り付けられた前記医療用デバイスに対応する仮想デバイス画像を、前記カメラ部が撮影した撮影画像に重ね合わせて表示する表示画像処理部と、
を備え、
前記光源部は、
前記医療用ナビゲーション装置が使用される部屋の照明器具の照明光のスペクトルのピークの波長よりも長い波長の領域に、スペクトルのピークを有する光を発光するものであり、
前記撮影画像は、
前記照明光のスペクトルのピークよりも長い波長の光に基づく画像である、
医療用ナビゲーション装置。 - 前記光源部は、
そのスペクトルのピークが赤外線領域にある光を発光するものであり、
前記撮影画像は、
前記赤外線領域の光に基づく赤外線画像である請求項1に記載の医療用ナビゲーション装置。 - 前記撮影画像は、
850nm以上の長さの波長の光に基づく画像である、
請求項1または請求項2に記載の医療用ナビゲーション装置。 - 前記光源部は、
前記カメラ部と隣接して設けられている、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の医療用ナビゲーション装置。 - 前記光源部は、
前記照明光のスペクトルの波長のピークよりも長い波長の光を発光する複数の発光部を備え、
前記発光部は、前記カメラ部の周囲を囲んで配置されている、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の医療用ナビゲーション装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020006112A JP2021112361A (ja) | 2020-01-17 | 2020-01-17 | 医療用ナビゲーション装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020006112A JP2021112361A (ja) | 2020-01-17 | 2020-01-17 | 医療用ナビゲーション装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021112361A true JP2021112361A (ja) | 2021-08-05 |
Family
ID=77077389
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020006112A Pending JP2021112361A (ja) | 2020-01-17 | 2020-01-17 | 医療用ナビゲーション装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2021112361A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113876426A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-01-04 | 电子科技大学 | 一种与无影灯结合的术中定位跟踪系统及方法 |
-
2020
- 2020-01-17 JP JP2020006112A patent/JP2021112361A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113876426A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-01-04 | 电子科技大学 | 一种与无影灯结合的术中定位跟踪系统及方法 |
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