JP2021185987A - レジストレーション方法、レジストレーションプログラム及び穿刺システム - Google Patents

Abstract

【課題】撮像装置と穿刺システムとのレジストレーションの正確度をさらに向上させる。
【解決手段】レジストレーション方法は、断層画像を取得するＣＴ装置２０６の撮像領域ＧＳにマーカー２０を配置する工程Ｓ１０と、ＣＴ装置２０６の主軸方向にずれた複数のＣＴ画像３００を得る工程Ｓ２０と、複数のＣＴ画像３００を利用して、マーカー２０の状態を示す３次元空間の直交座標系を基準とする幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４を得る工程Ｓ３０と、幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４を利用して、ＣＴ装置２０６が有するＣＴ座標系ＣＳ_Ｃに対するマーカー２０が有するマーカー座標系ＣＳＭのずれを得る工程Ｓ６０と、を有する。
【選択図】図６

Description

この発明は、穿刺装置のレジストレーション方法、穿刺装置のレジストレーションのためのコンピュータ用プログラム、及び穿刺システムに関する。

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穿刺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、まず、医療用撮影機器を用いて腫瘍の位置を確認する。次に、確認した腫瘍の位置に基づいて、穿刺位置及び穿刺角度を決定する。針を把持する外科穿刺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穿刺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。

そのためには、医療用撮影機器により撮影された医用画像データに基づいて、エンドエフェクタの位置と画像の基準位置のずれと、エンドエフェクタの向きと画像の向きのずれと、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及び角度を算出するために用いる。穿刺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たマーカーを開示する。特許文献１が開示する技術は、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。また、特許文献２は、またＣＴ画像と穿刺ロボットのレジストレーション方法に関する技術を開示する。この技術は、ＣＴから照射されるレーザーマーカーを用いる。さらに、本願発明者らは、特許文献３に開示されるレジストレーションマーカーを提案している。

特開２００９−１４２５６１号公報 米国特許第７４７７９２７号明細書 特開２０１８−１８７１７１号公報

ところで、穿刺における穿刺ロボットと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１ｄｅｇ以下が求められる。

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。しかし、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、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。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。

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る。従って、汎用性の観点から望ましくない。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。

さらに、特許文献３の場合には、マーカーの撮像と撮像データに基づく座標系の補正と、を繰り返し行う。つまり、補正の正確さは、１つ前のステップで行った補正の正確さに左右されてしまう。

そこで、本発明は、撮像装置に対するレジストレーション（位置合わせ）の正確度をさらに向上させるレジストレーション方法、レジストレーションプログラム及び穿刺システムを提供する。

本発明の一形態であるレジストレーション方法は、断層画像を取得する撮像装置の撮像領域にマーカーを配置する工程と、撮像装置の主軸方向にずれた複数の断層画像を得る工程と、複数の断層画像を利用して、撮像領域における３次元空間の直交座標系を基準として、マーカーの状態を示す評価ベクトルを得る工程と、評価ベクトルを利用して、直交座標系であって撮像装置が有する装置座標系に対するマーカーが有するマーカー座標系のずれを得る工程と、を有する。

この方法では、マーカー座標系のずれの評価を３次元空間の直交座標系を基準とした評価ベクトルによって行う。そして、この評価ベクトルは、マーカーの複数枚の断層画像を利用して得ることが可能である。つまり、レジストレーションのために、マーカーの撮像とずれの修正とを繰り返す必要がない。従って、レジストレーション方法によれば、撮像装置に対するレジストレーションの正確度をさらに向上させることができる。

一形態のレジストレーション方法において、評価ベクトルを得る工程は、評価ベクトルとして、マーカーの形状に基づく複数の幾何形状ベクトルを得る工程と、複数の幾何形状ベクトルを利用して、マーカー座標系のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を得る工程と、を含んでもよい。この工程によれば、マーカーの物理的な形状に基づいて評価ベクトルを得ることができる。

一形態のレジストレーション方法におけるずれを得る工程では、ずれとして、装置座標系のＸ軸に対するマーカー座標系のＸ軸の回転量と、装置座標系のＹ軸に対するマーカー座標系のＹ軸の回転量と、装置座標系のＺ軸に対するマーカー座標系のＺ軸の回転量と、を得てもよい。この工程によれば、マーカーの回転ずれ量を得ることができる。

一形態のレジストレーション方法は、評価ベクトルを利用して、マーカー座標系の原点を得る工程をさらに有し、ずれを得る工程では、ずれとして、装置座標系の原点を基準として、マーカー座標系の原点の位置を、装置座標系のＸ軸に沿う並進量、Ｙ軸に沿う並進量及びＺ軸に沿う並進量として得てもよい。この工程によれば、マーカーの並進ずれ量を得ることができる。

本発明の別の形態であるレジストレーションプログラムは、断層画像を取得する撮像装置の撮像領域にマーカーを配置する工程と、撮像装置の主軸方向にずれた複数の断層画像を得る工程と、複数の断層画像を利用して、撮像領域における３次元空間の直交座標系を基準として、マーカーの状態を示す評価ベクトルを得る工程と、評価ベクトルを利用して、直交座標系であって撮像装置が有する装置座標系に対するマーカーが有するマーカー座標系のずれを得る工程と、をコンピュータに実行させる。このプログラムによれば、マーカーの撮像とずれの修正とを繰り返す必要がないレジストレーション方法を実行できる。従って、レジストレーションプログラムによれば、撮像装置に対するレジストレーションの正確度をさらに向上させることができる。

本発明のさらに別の形態である断層画像を取得する撮像装置に隣接して配置される穿刺システムは、ロボットアームの端部に穿刺装置とマーカーとが設けられた穿刺ロボットと、穿刺ロボットの動作を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、撮像装置の撮像領域にマーカーを配置するように、ロボットアームを動作させ、撮像装置の主軸方向にずれた複数の断層画像を撮像装置から取得し、複数の断層画像を利用して、撮像領域における３次元空間の直交座標系を基準として、マーカーの状態を示す評価ベクトルを取得し、評価ベクトルを利用して、直交座標系であって撮像装置が有する装置座標系に対するマーカーが有するマーカー座標系のずれを取得する。この穿刺システムは、上記のレジストレーション方法を実行する制御装置を備えている。従って、撮像装置に対する穿刺ロボットのレジストレーションの正確度をさらに向上させることができる。

本発明によれば、本発明は、撮像装置に対するレジストレーション（位置合わせ）の正確度をさらに向上させるレジストレーション方法、レジストレーションプログラム及び穿刺システムが提供される。

図１は、実施形態の穿刺システムの構成を示す概略図である。 図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）は、装置座標系と穿刺ロボット座標系とのずれを説明するための図である。 図３は、レジストレーションマーカーの斜視図である。 図４は、穿刺ロボット制御装置のハードウェア構成を示す図である。 図５は、穿刺ロボット制御装置の機能ブロック図である。 図６は、レジストレーション方法の主要な工程を示す図である。 図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）及び図７（ｄ）は、レジストレーション方法のいくつかの工程を概略的に示す図である。 図８は、幾何形状ベクトルを得る手法を説明するための図である。 図９は、幾何形状ベクトルとマーカー座標系との関係を示す斜視図である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、マーカー原点を得る工程を説明するための図である。 図１１は、マーカー原点を得る工程を説明するための図である。

近年、生体組織診断、ラジオ焼灼術及び薬剤注入などの穿刺治療の実績は、コンピュータ断層撮像法（CT:Computed Tomography）、核磁気共鳴画像法（MRI:MagneticResonance Imaging）、Ｘ線透視撮影法（X-ray Fluoroscopy）、超音波画像法などの原理を利用する医用画像診断装置を用いることで向上しつつある。しかし、現在行われている医用画像診断装置を利用する穿刺治療は、いくつかの課題を有する。

第１の課題は、施術に際し、一定の技量が必要となる点である。穿刺治療には、細い穿刺針を用いる。その結果、患者に対する侵襲性が低く、患者に与える負担を抑制できる。しかし、細い穿刺針は非常にたわみやすい。このたわみに起因して、患者の体内に存在する目標への正確な穿刺が困難になる。従って、施術に際しては、熟練の技術を要する。第２の課題は、撮影室と操作室との往復による施術時間の増加である。医用画像診断装置を利用した施術では、撮像と針先位置の確認とを繰り返す。この繰り返しによって施術完了までに相当の時間を要する。そこで、熟練の技術を要することなく行い得る高精度な自動穿刺と、遠隔操作による施術時間の短縮と、を実施可能な穿刺システムが望まれている。上記の事情に鑑み、本願発明者らは、鋭意検討を重ねることにより、本実施形態に示す穿刺システムを開発するに至った。

この穿刺システムは、図１に示す施術環境に適用できる。患者２０１は撮像室２０２に入室し、操作者２０３は操作室２０４に入室する。撮像室２０２には、例えば、コンピュータ断層画像撮像装置（以下「ＣＴ装置２０６」と称する）、ベッド２０７及び穿刺システム１の主要部（穿刺支援穿刺ロボットシステム２）が配置されている。操作室２０４は、壁２０８によって撮像室２０２から隔てられている。操作室２０４にも穿刺システム１の操作端末３が配置されている。つまり、穿刺システム１は、互いに隔てられた部屋に跨って配置される。操作者２０３は、穿刺システム１を操作及び／または監視しながら、施術を行う。施術中に要する処置は、操作室２０４に配置された穿刺システム１の操作端末３によって行う。その結果、施術の開始から終了にわたって、操作者２０３は、基本的に撮像室２０２に立ち入る必要がない。

＜穿刺支援穿刺ロボットシステム＞
穿刺支援穿刺ロボットシステム２は、穿刺ロボット４と、ロボット制御装置６と、を有する。穿刺ロボット４は、複数の関節を有する多自由度のアーム型穿刺ロボットである。この穿刺ロボット４は、ロボット制御装置６によって制御される。ロボット制御装置６は、プランニング装置７から提供された情報に基づいて、穿刺ロボット４に制御信号を提供する。

＜穿刺ロボット制御装置＞
ロボット制御装置６は、プランニング装置７から提供された情報に基づいて、穿刺ロボット４を動作させる。また、ロボット制御装置６は、穿刺ロボット４に設けられた種々のセンサの情報に基づいて、穿刺針の状態を得る。ロボット制御装置６は、例えば、コンピュータであり、当該コンピュータが所定のプログラムを実行することにより、上記の機能が実現される。

＜プランニング装置７＞
プランニング装置７は、穿刺支援穿刺ロボットシステム２の動作条件を決めるコンピュータシステムである。プランニング装置７は、患者２０１の断層画像といった画像情報を利用して、穿刺パスと、穿刺制御量と、を算出する。ここで「穿刺パス」とは、体表上の穿刺開始位置と穿刺目標とを結んだ線であり、穿刺針を通過させる軌跡をいう。また、「穿刺パスプランニング」とは、穿刺針のたわみ（穿刺目標に針先が到達した際の誤差）が最も小さくなる穿刺パスを設定することをいう。さらに、「穿刺制御」とは、穿刺針のたわみを低減するための穿刺針の動き制御をいう。また、「穿刺制御プランニング」とは、穿刺制御において、通過する組織に応じて、たわみを最小化する最適な制御パラメータを設定することをいう。

＜穿刺ロボット＞
穿刺ロボット４は、ロボット台車９と、ロボットアーム１１と、穿刺装置１２と、薬剤注入装置１３と、レジストレーションマーカー（以下「マーカー２０」と称する）と、を有する。ロボット台車９は、穿刺ロボット４の架台である。ロボット台車９は、ローラーを備えており、所望の場所に容易に移動させることができる。例えば、施術時には、ロボット台車９をＣＴ装置２０６の近傍やベッド２０７の近傍に配置する。また、施術を行わないときは、ロボット台車９をＣＴ装置２０６から離れた保管場所に移動させる。つまり、穿刺ロボット４は、施術ごとに保管場所から移動させるものであってよい。

ロボットアーム１１は、穿刺装置１２、薬剤注入装置１３及びマーカー２０を所望の位置に配置する。つまり、ロボットアーム１１は、第１の端部がロボット台車９に固定され、第２の端部に穿刺装置１２、薬剤注入装置１３及びマーカー２０が配置されている。ロボットアーム１１は、アクチュエータ、モータ、振動素子といった駆動ユニットを有する。さらに、ロボットアーム１１は、穿刺装置１２の位置及び姿勢を得るためのいくつかの角度センサを有してもよい。

＜座標系の関係＞
穿刺ロボット４は、ＣＴ装置２０６を用いて得た断層画像に基づいて穿刺目標の位置を特定する。そして、穿刺ロボット４は、当該穿刺目標に対して穿刺針を差し込む。この場合に、穿刺目標の位置は、ＣＴ装置２０６に設定されているＣＴ座標系ＣＳ_Ｃ（装置座標系）に基づいて表現される。一方、穿刺ロボット４の動作は、穿刺ロボット４に設定されているロボット座標系ＣＳ_Ｒに基づいている。そうすると、断層画像から穿刺目標の位置に正確に穿刺を行うためには、ＣＴ座標系ＣＳ_Ｃとロボット座標系ＣＳ_Ｒとの間で座標変換を行う。つまり、ＣＴ座標系ＣＳ_Ｃに従う穿刺目標の位置を示す座標情報を、ロボット座標系ＣＳ_Ｒに従う座標情報に変換する。この動作のためには、ＣＴ座標系ＣＳ_Ｃとロボット座標系ＣＳ_Ｒとの数学的な関係が既知であることを要する。

以下の説明では、ＣＴ装置２０６のＣＴ座標系ＣＳ_Ｃとして、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。

しかし、ＣＴ座標系ＣＳ_Ｃとロボット座標系ＣＳ_Ｒとの関係は、穿刺動作ごとに変わる。より詳細には、第１の患者に対する穿刺動作を行うときのＣＴ座標系ＣＳ_Ｃとロボット座標系ＣＳ_Ｒとの関係は、別の第２の患者に対する穿刺動作を行うときのＣＴ座標系ＣＳ_Ｃとロボット座標系ＣＳ_Ｒとの関係と異なる場合があり得る。なぜならば、ＣＴ装置２０６は、床に固定された固定物である。しかし、穿刺ロボット４は、床に固定されていない移動体である。例えば、穿刺ロボット４は、穿刺動作を行うごとに、保管場所からＣＴ装置２０６の近傍に移動させる。そうすると、穿刺ロボット４をＣＴ装置２０６の近傍に配置したとき、ＣＴ装置２０６に対する穿刺ロボット４の位置を常に一定の関係に再現することは困難である。

例えば、図２（ａ）はＣＴ座標系ＣＳ_Ｃにロボット座標系ＣＳ_Ｒが一致する理想的な状態を示す。しかし、実際には、図２（ｂ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示すように、ＣＴ座標系ＣＳ_Ｃにロボット座標系ＣＳ_Ｒが一致しないことがあり得る。例えば、図２（ｂ）に示すように、ＣＴ座標系ＣＳ_Ｃの原点にロボット座標系ＣＳ_Ｒの原点が一致するが、ＣＴ座標系ＣＳ_Ｃの向きにロボット座標系ＣＳ_Ｒの向きが一致しない場合があり得る。逆に、図２（ｃ）に示すように、ＣＴ座標系ＣＳ_Ｃの原点にロボット座標系ＣＳ_Ｒの原点が一致せず、ＣＴ座標系ＣＳ_Ｃの向きにロボット座標系ＣＳ_Ｒの向きが一致する場合もあり得る。さらに、図２（ｄ）に示すように、ＣＴ座標系ＣＳ_Ｃの原点にロボット座標系ＣＳ_Ｒの原点が一致しないし、ＣＴ座標系ＣＳ_Ｃの向きにロボット座標系ＣＳ_Ｒの向きも一致しない場合もあり得る。

そこで、ＣＴ装置２０６の近傍に穿刺ロボット４を配置するごとに、ＣＴ座標系ＣＳ_Ｃとロボット座標系ＣＳ_Ｒとの数学的な関係を得る作業を行う。この動作を、レジストレーション方法と称する。そして、レジストレーションには、ロボットアーム１１の端部に設けられたマーカー２０を用いる。マーカー２０には、ロボット座標系ＣＳ_Ｒとは別のマーカー座標系ＣＳ_Ｍが設定される。マーカー座標系ＣＭ_Ｓとロボット座標系ＣＳ_Ｒとの関係は、既知であり、基本的に不変である。そこで、マーカー２０を用いて、マーカー座標系ＣＳ_ＭとＣＴ座標系ＣＳ_Ｃとの位置関係を得る。そして、当該位置関係を用いて、ＣＴ座標系ＣＳ_Ｃとロボット座標系ＣＳ_Ｒとの関係を得る。

＜レジストレーションマーカー＞
マーカー２０は、四方に配置された斜立角柱から構成されており、ＣＴ撮像基準面に対する穿刺ロボット４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２０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。また斜立角柱を四方に配置することで、同一のマーカー２０で位置及び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、直角柱ではなく斜立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。

マーカー２０は、ロボットアーム１１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、穿刺ロボット４のロボットアーム１１であってもよい。上記の穿刺ロボット４は、ＣＴ装置２０６に並設されて当該ＣＴ装置２０６と一緒に使用される。

マーカー２０は、造影材料からなる角柱体を備えている。マーカー２０の使用状態において、角柱体は、ＣＴ装置２０６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、穿刺ロボット４が使用されるとき、角柱体は、ＣＴ装置２０６の撮像領域ＧＳに位置する。角柱体は造影材料からなるので、ＣＴ装置２０６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２０の全体が造影材料で一体的に形成されてもよい。

ＣＴ装置２０６では、ＸＹ平面に平行な断層の断層画像であるＣＴ画像が得られる。このとき、上記角柱体を横切るＣＴ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２０との位置関係によって相違する。従って、ＣＴ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、ＣＴ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。

上記のように断層とマーカー２０との位置関係が導出可能であるので、ＣＴ装置２０６とマーカー２０との位置関係が認識可能である。また、ＣＴ装置２０６に載置されている患者２０１と穿刺ロボット４との位置関係が認識可能である。

マーカー２０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、ＣＴ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２０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２０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。

上記のようなマーカー２０の一例として、図３には、マーカー２０の斜視図が示される。マーカー２０は、平板状の矩形のベース２１を備えている。ベース２１には複数の接続用穴（不図示）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２０は穿刺ロボット４のロボットアーム１１に固定される。マーカー２０は、ベース２１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２１がＸＹ平面に平行になるようなマーカー２０の姿勢に対応させてＸ、Ｙ、Ｚを用いる。また、ベース２１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。

マーカー２０は、ベース２１の四辺の縁部にそれぞれ立設された４つの斜立角柱２２、２３、２４、２５を備えている。ベース２１と４つの斜立角柱２２、２３、２４、２５とが一体的に形成されてもよい。４つの斜立角柱２２、２３、２４、２５は、すべて同一形状をなしている。斜立角柱２２と斜立角柱２４は、ベース２１の互いに対向する辺の縁部に設けられている。斜立角柱２３と斜立角柱２５は、ベース２１の互いに対向する辺の縁部に設けられている。すべての斜立角柱２２、２３、２４、２５は、ベース２１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、すべての斜立角柱２２、２３、２４、２５の柱軸は、ＸＹ平面に対して４５°の角度で交差している。

マーカー２０をＺＸ平面に投射したとき、斜立角柱２２の延在方向と斜立角柱２４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２０をＺＸ平面に投射したとき、斜立角柱２３の延在方向と斜立角柱２５の延在方向とは、両方ともＺ方向に平行になる。マーカー２０をＹＺ平面に投射したとき、斜立角柱２３の延在方向と斜立角柱２５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２０をＹＺ平面に投射したとき、斜立角柱２２の延在方向と斜立角柱２４の延在方向とは、両方ともＺ方向に平行になる。

以上のようなマーカー２０によれば、ＸＹ平面に平行な断層の断層画像に各斜立角柱２２、２３、２４、２５の４つの断面が現れる。そして、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２０との位置関係が認識可能である。その結果、断層撮像装置とマーカー２０との位置関係が認識可能であり、ＣＴ画像と穿刺ロボット４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。

＜ロボット制御装置＞
図４は実施形態に係る穿刺システム１が備えるロボット制御装置６を構成するコンピュータ１００の一般的なハードウェア構成の一例を示す図である。例えば、コンピュータ１００はプロセッサ１０１、主記憶部１０２、補助記憶部１０３、通信制御部１０４、入力装置１０５、および出力装置１０６を備える。プロセッサ１０１はオペレーティングシステムおよびアプリケーション・プログラムを実行する。主記憶部１０２は例えばＲＯＭおよびＲＡＭで構成される。補助記憶部１０３は例えばハードディスクまたはフラッシュメモリで構成され、一般に主記憶部１０２よりも大量のデータを記憶する。通信制御部１０４は例えばネットワークカードまたは無線通信モジュールで構成される。入力装置１０５は例えばキーボード、マウス、タッチパネルなどで構成される。出力装置１０６は例えばモニタおよびスピーカで構成される。

ロボット制御装置６の各機能要素は、補助記憶部１０３に予め記憶されるレジストレーションプログラム１１０により実現される。具体的には、各機能要素は、プロセッサ１０１または主記憶部１０２の上にレジストレーションプログラム１１０を読み込ませてプロセッサ１０１にそのレジストレーションプログラム１１０を実行させることで実現される。プロセッサ１０１はそのレジストレーションプログラム１１０に従って、通信制御部１０４、入力装置１０５、または出力装置１０６を動作させ、主記憶部１０２または補助記憶部１０３におけるデータの読み出しおよび書き込みを行う。処理に必要なデータまたはデータベースは主記憶部１０２または補助記憶部１０３内に格納されてもよい。

レジストレーションプログラム１１０は、撮像したＣＴ画像に描出されたマーカー２０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２０の位置及び角度のずれを計算し、計算結果から穿刺ロボット４の位置及び角度をＣＴ撮像基準面に合わせるように指令する。レジストレーションプログラム１１０は、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリなどの有形の記録媒体に固定的に記録された上で提供されてもよい。あるいは、レジストレーションプログラム１１０は、搬送波に重畳されたデータ信号として通信ネットワークを介して提供されてもよい。

ロボット制御装置６は１台のコンピュータ１００で構成されてもよいし、複数台のコンピュータ１００で構成されてもよい。複数台のコンピュータ１００を用いる場合には、これらのコンピュータ１００がインターネットやイントラネットなどの通信ネットワークを介して接続されることで、論理的に一つのロボット制御装置６が構築される。

コンピュータ１００の種類は限定されない。例えば、コンピュータ１００は据置型または携帯型のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）でもよいし、ワークステーションでもよいし、高機能携帯電話機（スマートフォン）、携帯電話機、携帯情報端末（ＰＤＡ）などの携帯端末でもよい。ロボット制御装置６は複数種類のコンピュータを組み合わせて構築されてもよい。

図５は、ロボット制御装置６の機能ブロック図である。上述したハードウェア及びレジストレーションプログラム１１０によって、図５に示される機能ブロックが実現される。ロボット制御装置６は、機能的構成要素として、画像入力部６ａと、幾何形状ベクトル取得部６ｂと、マーカー原点取得部６ｃと、マーカー座標系取得部６ｄと、回転誤差取得部６ｅと、並進誤差取得部６ｆと、アーム制御部６ｇと、を有する。これらの機能的構成要素の詳細な動作については、レジストレーション方法の欄において詳細に説明する。

＜レジストレーション方法＞
図６は、レジストレーション方法の主要な工程を示すフロー図である。図７は、レジストレーション方法の代表的な工程を模式的に図示したものである。図６に示すように、本実施形態のレジストレーション方法は、マーカーを配置する工程Ｓ１０と、ＣＴ画像を得る工程Ｓ２０と、幾何形状ベクトルを得る工程Ｓ３０と、マーカー原点を得る工程Ｓ４０と、マーカー座標系を得る工程Ｓ５０と、ずれを得る工程Ｓ６０と、を有する。

図８に示すように、レジストレーション方法では、ＣＴ画像の処理によってコーナーＤ１、Ｄ２の検出を行う。コーナーＤ１、Ｄ２とは、斜立角柱２２〜２５の各辺と撮像面の交点を意味し、画像上のコーナー座標が撮像面における斜立角柱の辺の通過点になる。通過点を複数の画像から取得し、画像間で繋ぐことによって斜立角柱の辺の方向ベクトルＶＳを取得する。この方向ベクトルを斜立角柱の幾何形状ベクトル（評価ベクトル）と称する。

図９に示すように、レジストレーション方法では、幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４を得る。幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４は、斜立角柱２２〜２５のそれぞれに対応する。また、幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４を足し合わせるとマーカー２０の中心軸の３次元ベクトルと一致する。そこで、幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４を足し合わせた合成ベクトルをマーカー２０の中心ベクトルと規定する。この中心ベクトルをもとにマーカー２０の３次元空間上の姿勢および位置を推定する。

＜マーカーを配置する工程Ｓ１０＞
マーカー２０をＣＴ装置２０６の撮像領域ＧＳに配置する。この動作は、アーム制御部６ｇにより実行される。

＜断層画像を得る工程Ｓ２０＞
次に、ＣＴ画像を得る。この動作は、画像入力部６ａによって実行される。画像入力部６ａは、ＣＴ装置２０６からマーカー２０に関する複数枚のＣＴ画像を受け取る。

＜幾何形状ベクトルを得る工程Ｓ３０＞
次に、幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４を得る。この動作は、幾何形状ベクトル取得部６ｂによって実行される。この工程Ｓ３０では、まず、同一の辺を構成する点を関連付ける（工程Ｓ３１）。次に、対象辺を構成する座標情報を得る（工程Ｓ３２）。そして、座標情報から幾何形状ベクトルを得る（Ｓ３３）。さらに詳細には、マーカー２０の３次元の軸方向を得るために、４個の斜立角柱２２〜２５の幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４をもとにＣＴ座標系ＣＳ_Ｃでの斜立角柱２２〜２５の方向を得る。マーカー座標系ＣＳＭはマーカー２０に固定されている。斜立角柱２２〜２５の幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４も同様に固定されている。そのため、マーカー２０の幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４とマーカー座標系ＣＳＭの各軸の相対的な関係性はマーカー２０の設計段階で決定している。そのため、マーカー２０の幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４をＣＴ座標系ＣＳ_Ｃで取得することができれば、幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４からマーカー座標系ＣＳ_Ｍを得ることができる。

＜マーカー原点を得る工程Ｓ４０＞
次に、マーカー原点ＯＲ_Ｍを得る。この動作は、マーカー原点取得部６ｃによって実行される。マーカー原点ＯＲ_Ｍの位置を得るために、マーカー２０における所望の一点を原点に設定する。幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４とコーナー座標からＣＴ座標系ＣＳ_Ｃにおけるマーカー原点ＯＲ_Ｍの位置を得る。レジストレーション方法では、マーカー原点ＯＲ_Ｍは、マーカー２０の中心軸ＣＬに存在するという第１条件（図１０（ａ）参照）と、斜立角柱２２〜２５との距離が最短であるという第２条件（図１０（ｂ）参照）と、を満たすものと設定した。

図１１に示すように、マーカー原点ＯＲ_Ｍを得るにあたって、複数のＣＴ画像３００を用いて幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４と中心ベクトルの通過点を抽出する。なお、４個の幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４の撮像面上の点は、それぞれの斜立角柱２２〜２５の断面の中心である。中心ベクトルの通過点は４個の幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４の中心である。あるＣＴ画像３００において、任意の幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４の通過点の３次元ベクトルをベクトルａ、中心ベクトルの通過点の三次元ベクトルをベクトルｂとする。そうすると、幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４と中心ベクトルを方向ベクトルとする直線が３次元空間上に一意に定まる。マーカー原点ＯＲ_Ｍは中心軸上に存在する（第１条件）。さらに、マーカー原点ＯＲ_Ｍは各斜立角柱２２〜２５と最短距離になる位置にある（第２条件）。従って、マーカー原点ＯＲ_Ｍは、この２本の直線の共通接線と中心軸とを方向ベクトルとする直線の交点に存在する。従って、幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４を方向ベクトルとする直線と共通垂線との交点Ｑ、中心ベクトルを方向ベクトルとする直線との交点Ｐと、を用いると共に、変数ｔ、ｓを用いて式（１）〜（４）が得られる。

マーカー原点ＯＲ_Ｍの座標はベクトルＯＰで表されている。従って、変数ｔを求めることによりマーカー原点ＯＲ_Ｍの位置が得られる。変数ｔは、式（５）により得られる。

以上より、マーカー原点ＯＲ_Ｍは以下の式（６）により得られる。

なお、このマーカー原点ＯＲ_Ｍの座標は、ロボット座標系ＣＳ_ＲではなくＣＴ座標系ＣＳ_Ｃに基づく。ロボット座標系ＣＳ_Ｒとマーカー座標系ＣＳ_Ｍが一致していない場合は、式（６）により得た座標を、ロボット座標系ＣＳ_Ｒに変換する。レジストレーション方法では、回転修正によって座標系の方向軸を合わせたのちに、並進移動を行い原点の位置合わせを行う。従って、式（６）により得られる値を直接に使用している。

上記の工程Ｓ３０、Ｓ４０によって得た幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４及びマーカー原点ＯＲ_Ｍを用いて、マーカー座標系ＣＳＭを得る（工程Ｓ４０）。

＜ずれを得る工程Ｓ６０＞
次に、ずれを示す情報を得る。この動作は、回転誤差取得部６ｅ及び並進誤差取得部6ｆにより実行される。この方法では、１回の撮像でＣＴ座標系ＣＳ_Ｃとロボット座標系ＣＳ_Ｒの６次元の変位を得る。その後、回転量の取得と並進量の取得とをこの順で実行する。回転量を修正する時には幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４より導出した軸方向をもとに、実際に穿刺ロボット４の回転操作を行う。その結果、理想的には、次の動作として、並進量を修正する際には。ＣＴ座標系ＣＳ_Ｃに対するロボット座標系ＣＳ_Ｒとのずれには原点位置のずれのみが存在する。つまり、ロボット座標系ＣＳ_ＲのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の方向は、ＣＴ座標系ＣＳ_ＣのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の方向に一致する。換言すると、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸ごとに実行される修正量は、ＣＴ座標系ＣＳ_Ｃに基づくロボット座標系ＣＳ_Ｒの原点の位置の変位と同じである。

＜回転誤差を得る工程Ｓ６１＞
回転誤差を得る工程５１は、回転誤差取得部６ｅにより実行される。修正に必要な回転量を算出するために、回転軸を操作する順序を設定する。レジストレーション方法では実際のロボットアーム１１の操作で修正する際の回転順序を、ヨー軸、ピッチ軸及びロール軸の順に設定した。この修正の順序においてマーカー２０に与えられる回転操作Ｒは、下記式（７）、（８）及び（９）の積である。

またＣＴ座標系ＣＳ_Ｃから見たマーカー座標系ＣＳ_Ｍは斜立角柱２２〜２５の幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４を用いて、式（１１）、（１２）、（１３）を用いて得る。

軸方向を修正するためには、これらのマーカー座標系ＣＳ_ＭをＣＴ座標系ＣＳ_Ｃと一致させる。修正時の回転操作を示す行列は、式（１４）に示す。

従って、回転修正量は行列の要素を比較することで得る。それぞれの回転軸の修正量は、式（１５）、（１６）、（１７）により示す。

＜並進誤差を得る工程Ｓ６２＞
並進誤差を得る工程６２は、並進誤差取得部６ｆにより実行される。レジストレーション方法では並進量の修正は、回転量の修正の後に行う。従って、並進量の修正時にはマーカー座標系ＣＳＭとＣＴ座標系ＣＳ_Ｃの軸方向は一致している。つまり、ＣＴ座標系ＣＳ_Ｃでの原点として設定した点の３次元空間上の位置と穿刺ロボット４の並進操作によって移動する量は、一致する。並進移動の修正量は取得したマーカー２０の位置と同じであり、式（１８）により示される。式（１８）を用いて得た{ｘ、ｙ、ｚ}を、穿刺ロボット４のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の並進移動量として修正する。

＜作用効果＞
レジストレーション方法は、ＣＴ画像を取得するＣＴ装置２０６の撮像領域ＧＳにマーカー２０を配置する工程Ｓ１０と、ＣＴ装置２０６の頭軸方向（主軸方向）にずれた複数のＣＴ画像を得る工程Ｓ２０と、複数のＣＴ画像を利用して、撮像領域ＧＳにおける３次元空間の直交座標系を基準として、マーカー２０の状態を示す複数の幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４を得る工程Ｓ３０と、複数の幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４を利用して、直交座標系であってＣＴ装置２０６が有するＣＴ座標系ＣＳ_Ｃに対するマーカー２０が有するマーカー座標系ＣＳ_Ｍのずれを得る工程Ｓ６０と、を有する。

この方法では、マーカー座標系ＣＳ_Ｍのずれの評価を３次元空間の直交座標系を基準とした複数の幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４によって行う。そして、複数の幾何形状ベクトルＶ１〜Ｖ４は、マーカー２０の複数枚のＣＴ画像を利用して得ることが可能である。つまり、レジストレーションのために、マーカー２０の撮像とずれの修正とを繰り返す必要がない。換言すると、ＣＴ画像を得る撮像動作は、１回でよい。従って、レジストレーション方法によれば、ＣＴ装置２０６に対する穿刺システム１のレジストレーションの正確度をさらに向上させることができる。

例えば、マーカー２０の撮像とずれの修正とを繰り返す従来のレジストレーション方法では、撮像とずれの修正とを複数回繰り返すことによって実現できる精度を、本実施形態のレジストレーション方法は、１回の撮像と１回のずれの修正とにより実現できる。

換言すると、この方法では、複数のＣＴ画像から立体的な姿勢情報を取得した後に、姿勢を比較して修正値を算出する。この場合には、寸法値は不要である。その結果、１回の測定で修正を完了することができる。

＜変形例＞
本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。

（１）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、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ベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜立角柱体を備えており、ベースと斜立角柱体は断層撮像装置で造影可能な材料で形成されていてもよい。

（２）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、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ベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜立角柱体を備えており、ベースと斜立角柱体は断層撮像装置で造影可能な材料で形成されてもよい。

（３）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、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。

（４）マーカーは、上記（１）記載の垂直平面内において上記（１）記載のベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜立角柱体と、垂直平面と平行ではない非平行平面内において上記（１）記載のベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜立角柱体を備えていてもよい。

（５）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。

１…穿刺システム、１１…ロボットアーム、１２…穿刺装置、２０…マーカー、１００…コンピュータ、１１０…レジストレーションプログラム、ＣＳ_Ｍ…マーカー座標系、Ｖ１〜Ｖ４…幾何形状ベクトル。

Claims (6)

1. 断層画像を取得する撮像装置の撮像領域にマーカーを配置する工程と、
   前記撮像装置の主軸方向にずれた複数の前記断層画像を得る工程と、
   複数の前記断層画像を利用して、前記撮像領域における３次元空間の直交座標系を基準として、前記マーカーの状態を示す評価ベクトルを得る工程と、
   前記評価ベクトルを利用して、前記直交座標系であって前記撮像装置が有する装置座標系に対する前記マーカーが有するマーカー座標系のずれを得る工程と、を有する、レジストレーション方法。
2. 前記評価ベクトルを得る工程は、
   前記評価ベクトルとして、前記マーカーの形状に基づく複数の幾何形状ベクトルを得る工程と、
   複数の前記幾何形状ベクトルを利用して、前記マーカー座標系のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を得る工程と、を含む、請求項１に記載のレジストレーション方法。
3. 前記ずれを得る工程では、前記ずれとして、前記装置座標系のＸ軸に対する前記マーカー座標系のＸ軸の回転量と、前記装置座標系のＹ軸に対する前記マーカー座標系のＹ軸の回転量と、前記装置座標系のＺ軸に対する前記マーカー座標系のＺ軸の回転量と、を得る、請求項１又は２に記載のレジストレーション方法。
4. 前記評価ベクトルを利用して、前記マーカー座標系の原点を得る工程をさらに有し、
   前記ずれを得る工程では、前記ずれとして、前記装置座標系の原点を基準として、前記マーカー座標系の原点の位置を、前記装置座標系のＸ軸に沿う並進量、Ｙ軸に沿う並進量及びＺ軸に沿う並進量として得る、請求項１〜３の何れか一項に記載のレジストレーション方法。
5. 断層画像を取得する撮像装置の撮像領域にマーカーを配置する工程と、
   前記撮像装置の主軸方向にずれた複数の前記断層画像を得る工程と、
   複数の前記断層画像を利用して、前記撮像領域における３次元空間の直交座標系を基準として、前記マーカーの状態を示す評価ベクトルを得る工程と、
   前記評価ベクトルを利用して、前記直交座標系であって前記撮像装置が有する装置座標系に対する前記マーカーが有するマーカー座標系のずれを得る工程と、をコンピュータに実行させる、レジストレーションプログラム。
6. 断層画像を取得する撮像装置に隣接して配置される穿刺システムであって、
   ロボットアームの端部に穿刺装置とマーカーとが設けられた穿刺ロボットと、
   前記穿刺ロボットの動作を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記撮像装置の撮像領域にマーカーを配置するように、前記ロボットアームを動作させ、
   前記撮像装置の主軸方向にずれた複数の前記断層画像を前記撮像装置から取得し、
   複数の前記断層画像を利用して、前記撮像領域における３次元空間の直交座標系を基準として、前記マーカーの状態を示す評価ベクトルを取得し、
   前記評価ベクトルを利用して、前記直交座標系であって前記撮像装置が有する装置座標系に対する前記マーカーが有するマーカー座標系のずれを取得する、穿刺システム。

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