JP2021112361A - 医療用ナビゲーション装置 - Google Patents

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。

特表２０１５−５３４４８０号公報 特許第６０９５０３２号公報

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。

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。

図１（ａ）は、一実施形態の医療用ナビゲーション装置の外観図である。図１（ｂ）は、カメラ部を説明する図である。図１（ｃ）は、カメラ部を説明する図である。 図２（ａ）は、医療用ナビゲーション装置のアタッチメントに取り付けられたマーカを説明する図である。図２（ｂ）は、他のアタッチメントに取り付けられたマーカを説明する図である。図２（ｃ）は、その他のアタッチメントに取り付けられたマーカを説明する図である。 図３（ａ）は、カップ設置ツールに取り付けられたマーカを説明する図である。図３（ｂ）は、ラスプに取り付けられたマーカを説明する図である。図３（ｃ）は、プローブに取り付けられたマーカを説明する図である。 医療用ナビゲーション装置を説明するブロック図である。 図５（ａ）は、照明器具の発光スペクトルの一例を示す図である。 図５（ｂ）は、照明器具の発光スペクトルの他の一例を示す図である。 医療用ナビゲーション装置のカメラ部による撮影画像の一例を説明する図である。 医療用ナビゲーション装置のカメラ部による撮影画像の他の一例を説明する図である。 医療用ナビゲーション装置のカメラ部による撮影画像の他の一例を説明する図である。 医療用ナビゲーション装置による処理の流れを説明するフロー図である。 医療用ナビゲーション装置による表示画像の一例を説明する図である。 医療用ナビゲーション装置による表示画像の他の一例を説明する図である。 図１２（ａ）は、変形例のカメラ部及び光源部を説明する図である。図１２（ｂ）は、変形例のカメラ部及び光源部を説明する図である。

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。

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。

（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。

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。

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。

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

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