JP2021533484A - 術中変位に見舞われた内部器官の解剖学的部分の手術を支援する外科支援装置 - Google Patents

Abstract

本明細書では、神経外科を支援する外科支援装置及び方法の様々な態様を開示する。外科支援装置は、保護部分の切開に起因する被験者の解剖学的部分の初期位置変位を決定する回路を含む。切開部を通じた解剖学的部分の解剖学的表面のビューを取り込むために異なる指定位置の外科画像取り込み装置から取り込まれた複数の立体画像に基づいて第１の深度値が推定される。推定された第１の深度値に対する関心手術領域の位置の残存変位が決定される。決定された残存変位に基づいて、手術腔内の関心手術領域の正しい深度を示す手術案内情報が生成される。生成された手術案内情報の表示は、外科支援装置に結合されたディスプレイ画面上で制御される。【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、医用撮像技術及びコンピュータ支援外科技術に関する。具体的には、本開示の様々な実施形態は、術中変位に見舞われた内部器官の解剖学的部分の手術を支援する外科支援装置及び方法に関する。

医用撮像分野の進歩は、多くの場合に外科医によって手動で行われる複雑な外科的プロセスの自動化及びリアルタイム支援の道を開いてきた。１つのこのようなプロセスでは、手術中に、被験者の脳などの内部器官が、脳液の排出による初期脳変位に起因し得る必然的変形を受け、その後に例えば切除変形を受けることがある。変形の主な原因の１つは、外科医が脳の露出部位の標的脳組織を手術しようと試みている間に発生する組織変形に起因する術中脳変位（ｉｎｔｒａｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｂｒａｉｎ ｓｈｉｆｔ）である。脳の露出部位における変形の影響は、術前に（すなわち、術前撮像中に）取得された所定の組織位置に対する手術中の標的脳組織の特定が困難になる原因となる。従って、このような変形は、手術中に外科医を標的組織とは異なる組織に導き、或いは異なる外科医同士の標的組織の不正確な位置決め仮定を引き起こす恐れがある。

通常、外科医は、医療行為中に過去の同様の外科的処置の経験に基づいて脳組織の変形を補償する。しかしながら、過去の経験に基づいて仮定しながら変形を補償するだけでは、外科的処置の正確さ及び精度に影響が及ぶ場合もある。また、外科的処置の実行精度は外科医の経験レベルにも大きく依存し、従って手術中の組織変形に起因する術中脳変位を推定する上で外科医を支援できる改善された解決策が必要とされている。

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示す本開示のいくつかの態様とを比較することにより、従来の慣習的な手法のさらなる限界及び不利点が明らかになるであろう。

少なくとも１つの図に実質的に示し、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、術中変位に見舞われた内部器官の解剖学的部分の手術を支援する外科支援装置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、術中変位に見舞われた内部器官の解剖学的部分の手術を支援するネットワーク環境を示す図である。 本開示の実施形態による、術中変位に見舞われた内部器官の解剖学的部分の手術を支援する例示的な外科支援装置のブロック図である。 本開示の実施形態による、脳の解剖学的部分の変形による術中変位に見舞われた脳のビューを示すシナリオである。 本開示の実施形態による、脳の解剖学的部分の変形に起因する術中脳変位の推定を示す脳の解剖学的部分の代表図である。 本開示の実施形態による、術中変位に見舞われた内部器官の解剖学的部分の手術を支援する例示的な動作を示すフローチャートである。 本開示の実施形態による、術中変位に見舞われた内部器官の解剖学的部分の手術を支援する例示的な動作を示すフローチャートである。

術中変位に見舞われた内部器官（例えば、脳）の解剖学的部分（例えば、後頭葉、側頭葉など）の手術を支援する外科支援装置及び方法では、本開示のいくつかの実施形態を見出すことができる。本開示の様々な実施形態は、外科画像取り込み装置（例えば、実体顕微鏡）と、外科画像取り込み装置に通信可能に結合された変位補償回路（ｓｈｉｆｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）とを含むことができる外科支援装置を提供することができる。外科画像取り込み装置は、被験者（例えば、人間の被験者）の身体の解剖学的部分の複数の立体画像を取り込むように構成することができる。解剖学的部分は、内部器官を取り囲む保護部分（例えば、頭蓋骨）の切開後に外科画像取り込み装置に曝される内部器官の規定部分とすることができる。外科支援装置は、内部器官の解剖学的部分の異なる領域が手術を受けた時に、解剖学的部分に発生する（例えば、組織変形に起因する）異なる術中変位を最適にモデル化することができる。開示する外科支援装置は、脳の組織変形に起因し得る異なる術中変位をモデル化することで、外科医が正確に手術を行うのに役立つとともに、（従来、外科医による経験に基づく術中変位仮定に起因して存在していた）全外科的処置に対する偏見を排除する。外科支援装置は、残存変位（ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｈｉｆｔ）（すなわち、術中変位）を示す可視化を含むことができる正確な案内情報を確実にする。さらに、外科支援装置は、手術前に（すなわち、術前段階中）に得られた所定の組織位置に対して手術中（すなわち、術中段階中）に外科医が解剖学的部分の標的組織を簡単に特定するための案内を生成して提供することができる。外科支援装置は、手術中、標的組織（例えば、関心手術領域）への手術器具のナビゲーションが正確に支援されるように手術案内情報を生成して、外科支援装置に結合されたディスプレイ画面上に出力することができる。これにより、外科医は、手術中の組織変形に起因する術中脳変位を正しく判定することによって、手術腔（ｓｕｒｇｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ）内の標的組織を特定することができる。

図１に、本開示の実施形態による、術中変位に見舞われた内部器官の解剖学的部分の手術を支援するネットワーク環境を示す。図１には、外科支援装置１０２と、複数の医用撮像装置１０４と、外科画像取り込み装置１０６と、医用データサーバ１０８とを含むことができるネットワーク環境１００を示す。いくつかの実施形態では、外科支援装置１０２にディスプレイ画面１１０を統合することができる。いくつかの実施形態では、ディスプレイ画面１１０を周辺装置として外科支援装置１０２に通信可能に結合することができる。ある実施形態によれば、通信ネットワーク１１２を介して外科支援装置１０２を外科画像取り込み装置１０６及び医用データサーバ１０８に通信可能に結合することができる。さらに、被験者１１６などの被験者の内部器官の解剖学的部分１１４、及び外科支援装置１０２に関連する外科医１１８又は手術助手などのユーザも示す。

外科支援装置１０２は、被験者１１６の解剖学的部分１１４の関心手術領域の位置における残存変位（すなわち、術中変位）を既知の関心手術領域の位置に対して決定するように構成できる好適なロジック、回路及びインターフェイスを含むことができる。残存変位は、外科医１１８が被験者１１６の解剖学的部分１１４の手術を行うのを支援するために生成される情報の一部とすることができる。外科支援装置１０２は、手術中における解剖学的部分１１４の組織変形の場合に外科医１１８にリアルタイム又は準リアルタイムな支援を提供することができる。外科支援装置１０２の例としては、以下に限定するわけではないが、専門医療グレード機械、コンピュータ支援外科システム又はロボット支援外科システムを挙げることができる。いくつかの実施形態では、外科支援装置１０２を、ＭＲＩ又はＸ線システムなどの医療機器又は機械の内部に組み込み装置として統合することができる。いくつかの実施形態では、外科支援装置１０２を、ディスプレイ装置と一体化することもできるコンピュータ装置とすることができる。外科支援装置１０２の例としては、以下に限定するわけではないが、術中磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）、開放型ＭＲＩ（ｏｐｅｎ ＭＲＩ）装置、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナ、又は陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）を挙げることができる。

複数の医用撮像装置１０４は、被験者１１６の解剖学的部分１１４などの内部構造又は解剖学的部分の視覚的表現を生成する医療検査機器（例えば、術前又は術中検査）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分の視覚的表現は、被験者１１６が術前状態又は術中状態にある時に臨床分析及び医療介入のために生成することができる。複数の医用撮像装置１０４は、マルチモーダルソース（ｍｕｌｔｉｍｏｄａｌ ｓｏｕｒｃｅｓ）（例えば、ＭＲＩデータ、ＣＴスキャンデータ、ＰＥＴデータ、開放型ＣＴデータなどのソース）とすることができる。これらのマルチモーダルソースは、解剖学的部分１１４に関連するデータセットを取得するために使用することができる。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、流体減衰式反転回復法（ＦＬＡＩＲ）に基づくスキャナ、及び／又は陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）スキャナを挙げることができる。

外科画像取り込み装置１０６は、精密立体カメラ（ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ ｃａｍｅｒａ）に取り付けられたデジタル実体顕微鏡とすることができる。外科画像取り込み装置１０６は、被験者１１６の解剖学的部分１１４などの解剖学的部分を取り込んで、その３次元（３Ｄ）立体画像又は３Ｄ構造データを生成するように構成することができる。術中状態の解剖学的部分１１４の３Ｄ立体画像又は３Ｄ構造データを生成するために、空間内の異なる視点から複数の画像を取得することができる。立体画像ペアなどの複数の画像は、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使用して取得することができる。或いは、通信ネットワーク１１２を介して外科画像取り込み装置１０６に外科支援装置１０２を通信可能に結合することもできる。外科画像取り込み装置１０６の例としては、以下に限定するわけではないが、実体顕微鏡、立体カメラ及び外科用カメラを挙げることができる。また、場合によっては、顕微鏡下手術／手術を行うために使用される外科用顕微鏡に外科画像取り込み装置１０６を取り付ける（又は統合する）こともできる。

医用データサーバ１０８は、通信ネットワーク１１２を介して１又は２以上の予め記憶された撮像データのデータセットを外科支援装置１０２に送信するように構成できる好適なロジック、回路及びインターフェイスを含むことができる。１又は２以上の予め記憶された撮像データのデータセットは、解剖学的部分１１４の組織変形前に術前状態で測定された解剖学的部分１１４の画像データに対応することができる。また、１又は２以上の予め記憶されたデータセットは、マルチモーダル画像（例えば、ＭＲＩ、ＣＴスキャン、ＰＥＴ、開放型ＣＴからのデータ）に対応することもできる。

ある実施形態によれば、医用データサーバ１０８及び外科支援装置１０２をコンピュータ支援外科システムとして統合することができる。医用データサーバ１０８及び外科支援装置１０２は、いずれもコンピュータ支援外科システムの一部とすることができる。いくつかの実施形態では、医用データサーバ１０８を、当業者に周知の複数の技術を使用して複数のクラウドベースリソースを通じて実装することができる。他の実施形態では、本開示の範囲から逸脱することなく、医用データサーバ１０８の機能を外科支援装置１０２が実装することもできる。医用データサーバ１０８は、クラウドストレージ、仮想クラウドストレージ、又はオンプレミス（ｏｎ ｐｒｅｍｉｓｅ）データストレージのうちの少なくとも１つを含むことができる。医用データサーバ１０８は、例えば医療保険の相互運用性と説明責任に関する法律（ＨＩＰＡＡ）などの１又は２以上の標準又は法律に準拠することができる。

ディスプレイ画面１１０は、外科支援装置１０２が生成できる手術案内情報を表示するように構成できる好適なロジック、回路及びインターフェイスを含むことができる。外科支援装置１０２は、手術中に解剖学的部分１１４の手術案内情報をディスプレイ画面１１０上にレンダリングするようにさらに構成することができる。ディスプレイ画面１１０は、解剖学的部分１１４の組織のリアルタイム又は準リアルタイムな変形に従う解剖学的部分１１４の手術案内情報で更新することができる。組織は、手術中に内部器官の保護部分の切開後に変形することがある。ディスプレイ画面１１０は、スマートフォンなどの異なる装置の一部とすることができる。また、ディスプレイ画面１１０は、ポータブル電子装置、ウェアラブル電子装置、非ポータブル電子装置、又は被験者１１６が手術を受けることができる手術室内の医療装置の一部とすることもできる。外科医１１８などのディスプレイ画面１１０のユーザは、ディスプレイ画面１１０のユーザインターフェイスからの視覚的支援、指示及び／又は案内を受けて外科支援装置１０２を操作することができる。

通信ネットワーク１１２は、外科支援装置１０２、外科画像取り込み装置１０６及び／又は医用データサーバ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１１２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１１２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、従来の電話サービス（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１１２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）、ＩＥＥＥ ８０２．１１、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。

手術中、ユーザ（例えば、外科医１１８）は、外科支援装置１０２を利用して被験者１１６の解剖学的部分１１４に外科的又は診断的処置を行うことができる。解剖学的部分１１４は、保護部分（例えば、脳を取り囲む頭蓋骨又は頭蓋）によって取り囲まれた内部器官の一部とすることができる。解剖学的部分１１４（例えば、頭頂葉、前頭葉、側頭葉又は後頭葉など）は、内部器官を取り囲む保護部分の切開後に露出する内部器官の一部である。換言すれば、解剖学的部分１１４は、手術中に保護部分の一部を除去した後に露出する内部器官の一部とすることができる。外科医１１８は、解剖学的部分１１４の複数の関心手術領域を特定することができる。各関心手術領域は、解剖学的部分に存在する異なる組織タイプに基づく異なる材料特性に関連することができる。これらの材料特性は、解剖学的部分１１４の組織タイプに関連する引張弾性値（ｔｅｎｓｉｌｅ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｖａｌｕｅ）（例えば、ヤング率）及び（例えば、ｋｇ／ｍ３の単位で測定される）組織密度を含むことができる。

いくつかの実施形態では、解剖学的部分１１４を、被験者１１６の脳（又は大脳）の一部又は少なくとも脳部位とすることができる。解剖学的部分１１４は、被験者１１６の頭蓋骨（又は頭蓋）の一部（例えば、頭頂骨、後頭骨、側頭骨又は前頭骨など）を切開又は除去した後に、外科画像取り込み装置１０６及び外科医１１８に曝されることができる。このような実施形態では、複数の関心手術領域を、解剖学的部分１１４に存在する脳組織、血管網及び脳室とすることができる。複数の関心手術領域は、被験者１１６の脳内に存在する腫瘍構造（例えば、悪性又は良性組織）をさらに含むことができる。

外科支援装置１０２は、解剖学的部分１１４に関連する少なくとも術前マルチモーダル画像のデータセットを医用データサーバ１０８から取り出すように構成することができる。いくつかの実施形態では、外科支援装置１０２が、複数の医用撮像装置１０４から術前マルチモーダル画像のデータセットを直接取り出すことができる。データセットは、被験者１１６の頭蓋骨のスライスなどの、解剖学的部分１１４の体積のスライス面を表す複数の２Ｄ画像を含むことができる。データセットは、手術前に撮影された術前状態の内部器官のＭＲＩデータセットに対応することができる。外科支援装置１０２は、解剖学的部分１１４に関連する取り出されたデータセットを画像誘導神経外科システム（ＩＧＮＳ）又はその他の撮像システムに登録するように構成することができる。ＩＧＮＳは、外科支援装置１０２の一部とすることも、或いは解剖学的部分１１４の異なるタイプの変形に起因する変位に関連する入力を外科支援装置１０２の外部から受け取ることもできる。このような事例では、ＩＧＮＳが、外科支援装置１０２から入力として受け取られた情報を強調表示するように解剖学的部分１１４（又は内部器官）の視覚モデルを更新することができる。

マルチモーダルソースは、以下に限定するわけではないが、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）、流体減衰式反転回復法（ＦＬＡＩＲ）、及び磁気共鳴血管造影（ＭＲＡ）に基づく医用撮像法を含むことができる異なる撮像法を利用できる医用撮像装置１０４とすることができる。このような異なる技術を利用して、解剖学的部分１１４の異なる特性を例示する複数のデータセットを取得し、及び／又は解剖学的部分１１４の測定に分解能を加えることができる。

外科支援装置１０２は、内部器官の保護部分の切開前に解剖学的部分１１４に関連する解剖学的表面（例えば、解剖学的部分１１４の露出面）の第１の位置を決定するように構成することができる。第１の位置は、異なるマルチモーダルソース（例えば、ＭＲＩスキャナ）から取り出された術前マルチモーダル画像のデータセットに基づいて決定することができる。その後、いくつかの例では、外科支援装置１０２を、解剖学的部分１１４の切開後に露出した組織タイプ（又は組織の様々なタイプ）に関連する材料パラメータを医用データサーバ１０８から取り出すように構成することができる。材料パラメータは、解剖学的部分１１４の組織タイプの引張弾性値と、組織タイプに関連する組織密度とを含むことができる。

術中状態では、手術中に保護部分の一部が（切除前）除去された時点で、解剖学的部分１１４（又は時には内部器官全体）が解剖学的部分１１４（又は内部器官）の異なる組織の周囲で突然の体液（例えば、脳脊髄液）喪失に見舞われることがある。この突然の体液喪失により、切開後に露出した解剖学的部分１１４の解剖学的表面が変位することがある。或いは、突然の体液喪失後に、露出した解剖学的表面が（解剖学的表面にわたって均一又は不均一に）変形することもある。さらに、このような喪失は、切除処置中に連続的に（又は不連続的に）発生することもある。

この突然の体液喪失に起因する変形を測定するために、外科画像取り込み装置１０６は、解剖学的部分１１４の解剖学的表面（例えば、脳の側頭葉の外面）の初期位置変位を決定するように構成することができる。解剖学的表面の初期位置変位は、保護部分の切開によって発生することがある。解剖学的部分１１４の解剖学的表面の初期位置変位は、解剖学的表面の第１の位置から解剖学的表面の第２の位置まで決定することができる。第１の位置は、切開前に見られる術前状態において保護部分によって取り囲まれた解剖学的表面の位置に対応することができ、第２の位置は、切開後に見られる術中状態における解剖学的表面の位置に対応することができる。外科画像取り込み装置１０６は、解剖学的部分１１４の複数の立体画像を取り込むことができる。

術中状態における解剖学的表面の第２の位置を決定するために、外科支援装置１０２は、外科画像取り込み装置１０６のステレオビジョンを利用して解剖学的部分１１４の解剖学的表面の初期位置変位の第２の位置を決定するように構成することができる。その後、解剖学的表面の第１の位置に関連する術前深度値と、第２の位置における解剖学的表面の対応する深度値との比較に基づいて初期位置変位を決定することができる。第１の位置は、登録データセット内の内部器官の術前マルチモーダル画像から術前状態において推定することができ、第２の位置は、取り込まれた複数の立体画像に基づいて推定することができる。

術中状態では、例えば解剖学的部分１１４の組織構造の異なる複雑度、重力の影響、及び／又は術中状態において組織（又は解剖学的部分１１４）が露出している際の解剖学的部分１１４の周囲の脳脊髄液などの体液のさらなる喪失などの異なる要因に起因して、解剖学的部分１１４の異なる組織がさらに変形することがある。このような要因は、解剖学的部分１１４の異なる組織の柔軟度、収縮期／拡張期血圧、及び／又は手術中の解剖学的部分１１４に関連する保護部分又は支持構造の変位の度合いを含むこともできる。

いくつかの実施形態では、（外科医１１８が）手術器具を使用して解剖学的部分１１４に切除処置が行っている間に、解剖学的部分１１４（又は内部器官）がさらに（切除変形と呼ばれる）変形を受けることがある。切除変形は、外科医１１８が解剖学的部分１１４の関心手術領域から（単複の）特定の組織を切除するために手術腔を通じて手術器具を案内する際に発生することがある。組織変形（又は切除変形）は、特定の解剖学的組織構造の変位を引き起こすこともあり、従って手術腔を通じて関心手術領域にアクセスする（及び／又はそれを切除する）ために（外科医１１８が術前状態で予め推定した）手術器具を案内できる深度が手術中に修正されることがある。

外科支援装置１０２は、このような変形の影響と、関連する深度の修正とをモデル化することが必要となり得る。初期位置変位は、解剖学的部分１１４の全体的な術中変位の原因となり得る複数のパラメータのうちの１つにすぎないと考えられる。外科支援装置１０２は、外科画像取り込み装置１０６のステレオビジョンを利用して、解剖学的表面の第２の位置から解剖学的部分１１４の手術腔の底部に存在する関心手術領域までの第１の深度値を推定するようにさらに構成することができる。第１の深度値は、切開後に取得される解剖学的部分１１４の解剖学的表面のビューを取り込むために異なる指定位置の外科画像取り込み装置１０６から取り込まれた複数の立体画像に基づいて推定される見掛けの深度とすることができる。

第１の深度値は第２の位置から推定されるので、第１の深度値の推定は、体液の急激な喪失に起因する初期位置変位（例えば、初期術中脳変位）の寄与を考慮する。一方で、第１の深度値は、組織変形の影響を考慮せずに推定することができる。組織変形（又は切除変形）の影響は、初期位置変位の寄与と同様であると考えることができる。例えば、解剖学的表面の初期位置変位を「１０ｍｍ」とし、同様に組織変形に起因する手術腔の深度の変位を「６ｍｍ」とすることができる。このような値は、外科的処置のタイプ、及び切開後に露出する解剖学的表面の面積に基づいて異なることができる。従って、外科画像取り込み装置１０６は、推定された第１の深度値に対する関心手術領域の位置の残存変位を決定するように構成することができる。この残存変位は、解剖学的部分１１４の組織変形に起因する第１の深度値の推定の偏差を、決定された残存変位によって手術腔内の関心手術領域の第２の深度値に対して補償できるように決定することができる。残存変位は、解剖学的部分１１４の組織タイプに関連する材料パラメータと推定された第１の深度値との第１の関係モデルに基づいて決定することができる。第１の関係モデルは、少なくとも材料パラメータと、決定された解剖学的表面の初期位置変位と、手術器具に関連する配向情報と、推定された第１の深度値との間の多変量関係の多項式展開とすることができる。手術腔内の関心手術領域の第２の深度値は、外科支援装置１０２が第２の関係モデルに基づいて決定することができる。第２の関係モデルは、少なくとも材料パラメータと、決定された解剖学的表面の初期位置変位と、手術器具に関連する配向情報と、推定された第１の深度値との間の多変量関係の多項式展開によって取得することができる。

外科支援装置１０２は、外科医１１８を支援するために、決定された残存変位に基づいて、手術腔内の関心手術領域の正しい深度を示すために第１の深度値から第２の深度値に補正すべき深度量を含む手術案内情報を生成するように構成することができる。換言すれば、手術案内情報は、正しい深さ及び実際の関心手術領域の位置に到達するために手術腔内で手術器具を垂直に移動させることができる深度を示すことができる。外科医１１８は、外科的処置中に正確な案内情報を利用して解剖学的部分１１４の術中変位の影響を補償することができる。

いくつかの実施形態では、外科支援装置１０２が、解剖学的部分１１４の３次元（３Ｄ）グラフィックモデルを生成するようにさらに構成される。解剖学的部分１１４の３Ｄグラフィックモデルの生成は、決定された解剖学的表面の初期位置変位、推定された第１の深度値、決定された残存変位、及び決定された手術腔の第２の深度値に基づくことができる。解剖学的部分１１４の３Ｄグラフィックモデルの生成は、マルチモーダルソースから受け取られた術前マルチモーダル画像の登録データセットにさらに基づくことができる。

外科支援装置１０２は、（変形後の）解剖学的部分１１４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の存在下での解剖学的部分１１４の複数の多次元グラフィックビューの生成及び表示は、解剖学的部分１１４に手術を行う外科医１１８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。複数の多次元グラフィックビューは、ユーザが医学的要件通りに制御、修正及び視覚化することができる。外科支援装置１０２の詳細な動作については、例えば図２においてさらに説明する。

いくつかの実施形態では、開示する外科支援装置１０２を使用して、異なる動物被験者の異なる解剖学的部分の手術中に支援を行うこともできる。これらの解剖学的部分は、組織変形及び／又は術中変位に見舞われる恐れがある脳、心臓又はその他の内部器官の一部とすることができる。

図２は、本開示の実施形態による、術中変位に見舞われた内部器官の解剖学的部分の手術を支援する例示的な外科支援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、外科支援装置１０２を示す。外科支援装置１０２は、補償回路２０２などの１又は２以上の回路と、メモリ２０４と、ネットワークインターフェイス２０６と、Ｉ／Ｏ装置２０８などの１又は２以上の入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置とを含むことができる。補償回路２０２は、プロセッサ２１０を含むことができる。補償回路２０２は、メモリ２０４、ネットワークインターフェイス２０６及びＩ／Ｏ装置２０８に通信可能に結合することができる。また、ネットワークインターフェイス２０６は、補償回路２０２の制御下で通信ネットワーク１１２を介して医用データサーバ１０８などの１又は２以上の医用データサーバと通信することもできる。

補償回路２０２は、被験者１１６の内部器官の解剖学的部分１１４の変形に起因する術中変位（すなわち、残存変位）を外科医（例えば、外科医１１８）が補償するのを支援する案内情報をレンダリングするように構成できる好適なロジック、回路及びインターフェイスを含むことができる。外科医１１８は、レンダリングされた案内情報に基づいて、解剖学的部分１１４の手術腔内の正しい深度で手術器具を動かすことができる。いくつかの実施形態では、補償回路２０２を、当業で周知の異なるプロセッサ技術に基づいて実装することができる。補償回路２０２の例は、ｘ８６ベースのプロセッサ、ｘ８６−６４ベースのプロセッサ、縮小命令セットコンピューティング（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ティング（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ティング（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、補償回路２０２が実行できる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、解剖学的部分１１４の関心手術領域の組織タイプに関連する１又は２以上の材料特性のデータセットを記憶するように構成することができる。データセットは、医用データサーバ１０８から取り出してメモリ２０４に記憶することができる。メモリ２０４は、外科画像取り込み装置１０６が取り込んだ複数の立体画像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は、被験者１１６などの被験者の生理学的データ又は病歴に関連する１又は２以上の患者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もできる。

メモリ２０４は、手術腔内の関心手術領域を切除するために利用される手術器具の垂直基準軸に対する配向情報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は、オペレーティングシステム及び関連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）、電気的消去可能なプログラマブルＲＯＭ（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。

ネットワークインターフェイス２０６は、（図１に示すように）通信ネットワーク１１２を介して複数の医用撮像装置１０４、外科画像取り込み装置１０６、医用データサーバ１０８及び／又はディスプレイ画面１１０と通信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。ネットワークインターフェイス２０６は、外科支援装置１０２と通信ネットワーク１１２との有線又は無線通信をサポート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２０６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、加入者識別モジュール（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。

Ｉ／Ｏ装置２０８は、ユーザから入力を受け取り、受け取った入力に基づい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、回路及び／又はインターフェイスを含むことができる。Ｉ／Ｏ装置２０８は、外科画像取り込み装置１０６から入力を受け取ってディスプレイ画面１１０に出力を提供することができる。Ｉ／Ｏ装置２０８は、専用バス及び／又はチャネルを介して外科画像取り込み装置１０６及びディスプレイ画面１１０に結合することができる。入力装置の例としては、以下に限定するわけではないが、外科画像取り込み装置１０６、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、ディスプレイ画面１１０、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。

プロセッサ２１０は、メモリ２０４に記憶された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、回路及び／又はインターフェイスを含むことができる。プロセッサ２１０の例は、ｘ８６ベースのプロセッサ、ｘ８６−６４ベースのプロセッサ、ＡＳＩＣプロセッサ、ＣＰＵ、ＥＰＩＣプロセッサ、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。

プロセッサ２１０によって実行される動作については、図３Ａ及び図３Ｂにおいて被験者１１６の脳を関心解剖学的部分１１４として例に挙げて説明している。それにもかかわらず、解剖学的部分１１４は、本開示の範囲を限定することなく被験者１１６の他の解剖学的部分とすることもできる。

図３Ａは、本開示の実施形態による、脳の解剖学的部分の変形に起因する術中変位に見舞われた脳のビューを示すシナリオである。図３Ａの説明は、図１及び図２の要素に関連して行う。図３Ａには、術中段階において切開された頭蓋骨３０２内の脳の術中ビュー３００Ａを示す。術中ビュー３００Ａは、被験者１１４の頭蓋骨３０２と、基準点３０４と、頭蓋骨３０２の切開後に露出した解剖学的部分３０６と、解剖学的部分３０６の手術腔３０８と、関心手術領域３１０とを含む。また、手術器具３１２、手術器具３１２の配向を示す角度３１４Ａ、脳の重量が作用する垂直基準軸３１４Ｂ、解剖学的部分３０６の周囲の既知の位置における実体顕微鏡３１６Ａ及び実体顕微鏡３１６Ｂも示す。

基準点３０４は、解剖学的部分３０６の基準位置としての役割を果たすことができ、基準点３０４の位置は、手術の術前段階及び術中段階全体を通じて不変である。基準点３０４は、脳脊髄液の喪失と共に組織変形が生じた場合、外科支援装置１０２が術中変位を特定した後に脳の再構成３Ｄグラフィックモデルを登録するためにさらに利用することができる。

解剖学的部分３０６は、頭蓋骨３０２の切開後に外科画像取り込み装置１０６（例えば、実体顕微鏡３１６Ａ及び実体顕微鏡３１６Ｂ）に曝される脳の規定部分とすることができる。手術中、外科医１１８は、基準点３０４と、被験者１１４の術前画像から識別された関心手術領域３１０（例えば、腫瘍又は異常増殖に関連する領域）の既知の位置とに基づいて頭蓋骨３０２の切開を行うことができる。悪性癌組織などの組織は、解剖学的部分３０６の手術腔３０８から切除することが必要となり得る。このような組織は、手術腔３０８の関心手術領域３１０に存在することができる。外科医１１８は、このような組織が存在する手術腔３０８の底部に手術器具３１２をさらに案内することができる。その後、外科医１１８は、手術器具３１２を使用して、解剖学的部分３０６に存在する組織を除去することができる。頭蓋骨３０２の切開後、脳は、解剖学的部分３０６の組織の周囲に保持されている脳脊髄液をもはや保持することができず、従って脳、又は具体的には解剖学的部分３０６は、体液の喪失及び重力の影響によって変形することがある。

解剖学的部分３０６は、頭蓋骨３０２の切開後の突然の体液喪失及び解剖学的部分３０６の明らかな変形に起因して初期位置変位を受けることがある。脳が術中状態にある間は、解剖学的部分３０６が変形し、従って術中脳変位によって組織の位置が変化する恐れがある。従って、（残存変位とも呼ばれる）術中脳変位の推定が必要となり得る。また、いくつかの例では、術中状態の脳（又は解剖学的部分３０６）の３Ｄグラフィックモデルを再構成するために、事前に分かっていた解剖学的部分３０６の組織の（単複の）位置を更新することがさらに必要となり得る。

手術中、外科医１１６は、手術器具３１２を利用して、手術腔３０８の関心手術領域３１０の組織を垂直基準軸３１４Ｂに対して切除することができる。垂直基準軸３１４Ｂは、解剖学的部分３０６の重量が作用する方向に対応することができる。手術器具３１２は、垂直基準軸３１４Ｂに対して（「θ」で表す）角度３１４Ａを成す。角度３１４Ａは、手術中の手術器具３１２の配向情報の一部とすることができる。手術器具３１２の配向情報及び解剖学的部分３０６の異なる組織の材料特性は、手術中の解剖学的部分３０６の変形に影響を与えることもある。

プロセッサ２１０は、外科支援装置のメモリ２０４から、又は医用データサーバ１０８から直接脳の材料特性を取り出すように構成することができる。プロセッサ２１０は、保護部分（例えば、頭蓋骨３０２）の切開後に露出する（例えば、神経細胞及び神経膠成分などを特徴とする）組織タイプに関連する材料パラメータを考慮して材料特性を処理することができる。材料パラメータとしては、以下に限定するわけではないが、解剖学的部分３０６内の組織タイプの引張弾性値、及び組織タイプに関連する組織密度（例えば、ヤング率）を挙げることができる。脳の解剖学的部分３０６の組織タイプは、以下に限定するわけではないが、灰白質、白質、神経組織及び腫瘍組織を含むことができる。

プロセッサ２１０は、外科支援装置１０２のメモリ２０４から手術器具３１２の配向情報を取り出すようにさらに構成することができる。配向情報は、関心手術領域３１０の組織を切除するために手術器具３１２を手術腔３０８内に案内した時点で取り出すことができる。また、配向情報は、垂直基準軸３１４Ｂに対して決定される。手術器具３１２の配向情報の値は、解剖学的部分３０６の残存変位（又は術中脳変位）の推定のために第１の関係モデル及び第２の関係モデルを適用する際にさらに実装することができる。術中脳変位の推定の詳細については、図３Ｂにおいてさらに詳細に説明している。

図３Ｂは、本開示の実施形態による、脳の解剖学的部分の変形に起因する術中脳変位の推定を示す脳の解剖学的部分の代表図である。図３Ｂの説明は、図１、図２及び図３Ａの要素に関連して行う。図３Ｂには、いずれも手術中に組織変形及び脳脊髄液の喪失に起因する術中脳変位を受けた解剖学的部分３０６及び手術腔３０８の代表図３００Ｂを示す。

代表図３００Ｂには、解剖学的部分３０６の解剖学的表面の第１の位置３１８と、解剖学的表面の第２の位置３２０とを示す。第１の位置３１８は、頭蓋骨３０２の切開前に取得され、第２の位置３２０は頭蓋骨３０２の切開後に取得される。手術腔３０８の関心手術領域３１０の見掛けの位置３２２及び実際の位置３２４も示す。見掛けの位置３２２は、最初に第２の位置３２０に対する（「ｄ」によって表す）第１の深度値において推定することができ、実際の位置３２４は、第１の位置３１８に対する（「ｌ」によって表す）第２の深度値においてさらに推定することができる。第１の位置３１８と第２の位置３２０との差分は、（「ｓ」によって表す）初期位置変位とすることができ、第１の深度値（ｄ）と第２の深度値（ｌ）との差分は、（同様に「Δｌ」によって表す）残存変位とすることができる。

外科画像取り込み装置１０６（例えば、既知の位置における実体顕微鏡３１６Ａ及び実体顕微鏡３１６Ｂ）は、解剖学的部分３０６（すなわち、この例では脳の一部）の複数の立体画像を取り込むように構成することができる。外科画像取り込み装置１０６は、精密立体カメラに取り付けられたデジタル実体顕微鏡とすることができる。外科支援装置１０２は、保護部分（すなわち、頭蓋骨３０２）の切開に起因する解剖学的部分３０６の解剖学的表面の第１の位置３１８から第２の位置３２０への初期位置変位（ｓ）を決定するように構成することができる。第１の位置３１８は、解剖学的部分３０６の術前脳表面（すなわち、解剖学的表面）に対応することができる。同様に、第２の位置３２０は、手術中の頭蓋骨の開放後の脳脊髄液喪失後の解剖学的部分３０６の術中脳表面（すなわち、解剖学的表面）に対応することができる。

初期位置変位（ｓ）は、脳の術前マルチモーダル画像の第１の位置３１８における解剖学的表面に関連する術前深度値と、取り込まれた複数の立体画像から推定される第２の位置３２０における解剖学的表面の対応する深度値との比較に基づいて決定することができる。初期位置変位（ｓ）は、全体的な術中脳変位（すなわち、残存変位（Δｌ））の一部までしか寄与しないものとすることができる。解剖学的部分３０６の変形は非線形的な場合もあり、従って解剖学的部分３０６の一部の変形が大きく、一部の変形が小さいこともある。代表図３００Ｂから、残存変位（Δｌ）は以下のような多項式（１）によって表すことができる。

（１）

外科支援装置１０２は、解剖学的表面の第２の位置３２０から解剖学的部分３０６の手術腔３０８の底部に存在する関心手術領域までの第１の深度値（ｄ）を推定するようにさらに構成することができる。第１の深度値（ｄ）は、解剖学的部分３０６の解剖学的表面のビューを取り込むために切開によって生じた開口部を介して異なる指定位置の外科画像取り込み装置１０６（例えば、既知の位置にある実体顕微鏡３１６Ａ及び実体顕微鏡３１６Ｂ）から取り込まれた複数の立体画像に基づいて推定される見掛けの深度とすることができる。

外科支援装置１０２は、推定された第１の深度値（ｄ）に対する関心手術領域３１０の位置の残存変位（Δｌ）を決定するようにさらに構成することができる。残存変位（Δｌ）は、（解剖学的部分３０６の組織タイプに関連する）材料パラメータと推定された第１の深度値（ｄ）との第１の関係モデルに基づいて決定することができる。残存変位（Δｌ）は、第１の深度値（ｄ）の推定の偏差が、決定された残存変位（Δｌ）によって手術腔３０８内の関心手術領域３１０の第２の深度値（ｌ）に対して補償されるように決定することができる。

残存変位（Δｌ）は、外科支援装置１０２が少なくとも材料パラメータと、決定された解剖学的表面の初期位置変位（ｓ）と、手術器具３１２に関連する配向情報と、推定された第１の深度値（ｄ）との間の多変量関係の多項式展開に基づいて導出できる第１の関係モデルに基づいて決定することができる。第１の関係モデルは、取り出された配向情報と、解剖学的部分３０６の組織タイプの材料パラメータと、推定された第１の深度値（ｄ）との２次関係に基づくことができる。第１の関係モデルは、以下のような方程式（２）によって表され、

（２）
ここでのｋの値は、組織密度（ρ）、重力（ｇ）による加速度及び角度３１４Ａの所与の値の定数であり、μは、関心手術領域３１０の組織タイプのヤング率を表す。「ｋ」は、以下のような方程式（３）によって与えられる。

（３）

第１の関係モデルは、変形及び関連する術中脳変位の異なる可能性を導出するためにさらに利用できる第２の関係モデルから導出することもできる。第２の関係モデルは、解剖学的部分３０６に関連する組織の材料パラメータと、決定された初期位置変位（ｓ）と、手術器具３１２に関連する配向情報と、推定された第１の深度値（ｄ）との間の多変量関係の多項式展開によって取得することができる。いくつかの実施形態では、外科支援装置１０２を、解剖学的部分３０６の切開後に露出する組織タイプに関連する材料パラメータをメモリ２０４から取り出すようにさらに構成することができる。材料パラメータは、解剖学的部分３０６の組織タイプの引張弾性値と、組織タイプ（例えば、灰白質、白質、腫瘍性組織など）に関連する組織密度（ρ）とを含むことができる。引張弾性値は、解剖学的部分３０６の組織タイプの弾性特性を示すヤング率（μ）に対応することができる。

第２の関係モデルは、以下のような方程式（４）、（５）及び（６）によって表される。

（４）

（５）
関心手術領域３１０の組織が硬組織である場合、組織のヤング率（μ）は、定数（ｋ）と初期位置変位（ｓ）との積よりも大幅に大きくなり得る。従って、このような場合、方程式（５）は、以下のような方程式（６）に単純化される。

（６）

ある実施形態によれば、方程式（１）及び（２）と（６）との比較に基づいて方程式（２）を導出することもできる。方程式（２）を第１の関係モデルとして利用して、定数（ｋ）と、第１の深度値（ｄ）と、関心手術領域３１０の組織のヤング率（μ）との２次関係によって与えられる残存変位（Δｌ）を決定することができる。方程式（６）は、方程式（５）の多項式展開における不定項数の近似後に導出することができる。従って、近似では、方程式（５）の最初の３つの項（例えば、ｓ＋（μｄ／μ＋ｋｓ）−ｋ（μｄ）²／（μ＋ｋｓ）³）のみを採用して残りの項（例えば、Ο（（ｋμｄ）／（μ＋ｋｓ）²）³）を無視することができる。外科支援装置１０２は、（方程式（６）によって表される）第２の関係モデルを利用して、解剖学的表面の第１の位置３１８に対する解剖学的部分３０６の手術腔３０８内の関心手術領域３１０の第２の深度値（ｌ）を決定するように構成することができる。

残存変位（Δｌ）の決定後、外科支援装置１０２は、解剖学的部分３０６の３次元（３Ｄ）グラフィックモデルを生成するようにさらに構成することができる。３Ｄグラフィックモデルは、決定された解剖学的表面の初期位置変位（ｓ）と、推定された第１の深度値（ｄ）と、決定された残存変位（Δｌ）と、手術腔３０８内の関心手術領域３１０の決定された第２の深度値（ｌ）とに基づいて生成することができる。

外科支援装置１０２は、手術腔３０８内の関心手術領域３１０の正しい深度を示すために第１の深度値（ｄ）から第２の深度値（ｌ）に補正すべき深度量を含む手術案内情報を生成するようにさらに構成することができる。手術案内情報は、決定された残存変位（Δｌ）に基づいて生成することもできる。

外科支援装置１０２は、外科支援装置１０２に結合されたディスプレイ画面１１０における生成された手術案内情報の表示を制御するように構成することができる。生成された手術案内情報の表示は、手術腔３０８内の第２の深度値（ｌ）における関心手術領域３１０への手術器具３１２のナビゲーションが容易になるように制御することができる。その後、外科支援装置１０２は、生成された３Ｄグラフィックモデル及び手術案内情報の表示をリアルタイム又は準リアルタイムで更新するようにさらに構成することができる。換言すれば、表示は、手術腔３０８の第１の深度値（ｄ）、残存変位（Δｌ）及び第２の深度値（ｌ）の推定値のリアルタイム又は準リアルタイムな変化に従って更新することができる。ある実施形態によれば、外科支援装置１０２は、ディスプレイ画面１１０における解剖学的部分３０６の３Ｄグラフィックモデルのレンダリングを連続して制御するようにさらに構成することができる。これにより、手術腔３０８内の第２の深度値（ｌ）における関心手術領域３１０への手術器具３１２の連続する簡単なナビゲーションが促される。手術案内情報は、生成された解剖学的部分３０６の３Ｄグラフィックモデルに基づいてさらに生成することができる。

図４Ａ及び図４Ｂに、本開示の実施形態による、術中変位に見舞われた内部器官の解剖学的部分の手術を支援する例示的な動作を示すフローチャートを集合的に示す。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、図３Ａ及び図３Ｂの要素に関連して行う。フローチャート４００による方法は、外科支援装置１０２に実装することができる。方法は、４０２から開始して４０４に進む。

４０４において、解剖学的部分１１４に関連する１又は２以上のデータセットを被験者１１６の内部器官のデータベースに登録することができる。１又は２以上のデータセットは、被験者１１６の解剖学的部分１１４（又は内部器官全体）の術前マルチモーダル画像を含むことができる。この登録は、術中段階、すなわち手術中に内部器官の解剖学的部分を視覚的にモデル化し、又は手術前に解剖学的部分の関心手術領域を特定するために行うことができる。外科支援装置１０２は、解剖学的部分１１４に関連する１又は２以上のデータセットを被験者１１６の内部器官のデータベースに登録するように構成することができる。

４０６において、被験者１１６の身体の解剖学的部分１１４の複数の立体画像を取り込むことができる。外科画像取り込み装置は、被験者１１６の身体の解剖学的部分１１４の複数の立体画像を取り込むように構成することができる。複数の立体画像は、切開部を通じた解剖学的部分１１４の解剖学的表面のビューを取り込むように、異なる指定位置の外科画像取り込み装置１０６から取り込むことができる。

４０８において、解剖学的部分１１４の切開後に露出した組織タイプに関連する材料パラメータをメモリ２０４から取り出すことができる。外科支援装置１０２は、解剖学的部分１１４の切開後に露出した組織タイプに関連する材料パラメータをメモリ２０４から取り出すように構成することができる。材料パラメータは、解剖学的部分１１４の組織タイプの引張弾性値と、組織タイプに関連する組織密度とを含むことができる。

４１０において、外科支援装置１０２のメモリ２０４から、手術腔内の関心手術領域を切除するために利用される手術器具の、手術腔内の垂直基準軸に対する配向情報を取り出すことができる。外科支援装置１０２は、手術腔内の関心手術領域を切除するために利用される手術器具の垂直基準軸に対する配向情報を取り出すように構成することができる。

４１２において、データセットの登録に基づいて切開前の解剖学的表面の第１の位置を決定することができる。プロセッサ２１０は、データセットの登録に基づいて切開前の解剖学的表面の第１の位置を決定するようにさらに構成することができる。

４１４において、取り込まれた複数の立体画像に基づいて切開後の解剖学的表面の第２の位置を決定することができる。プロセッサ２１０は、取り込まれた複数の立体画像に基づいて切開後の解剖学的表面の第２の位置を決定するようにさらに構成することができる。

４１６において、脳の術前マルチモーダル画像における解剖学的表面の第１の位置に関連する術前深度値と、第２の位置における解剖学的表面の対応する深度値との比較に基づいて初期位置変位を決定することができる。プロセッサ２１０は、脳の術前マルチモーダル画像における解剖学的表面の第１の位置に関連する術前深度値と、第２の位置における解剖学的表面の対応する深度値との比較に基づいて初期位置変位を決定するように構成することができる。

４１８において、解剖学的表面の第２の位置から解剖学的部分１１４の手術腔の底部に存在する関心手術領域までの第１の深度値を推定することができる。プロセッサ２１０は、解剖学的表面の第２の位置から解剖学的部分１１４の手術腔の底部に存在する関心手術領域までの第１の深度値を推定するように構成することができる。第１の深度値は、切開後に取得される解剖学的部分１１４の解剖学的表面のビューを取り込むために異なる指定位置の外科画像取り込み装置１０６から取り込まれた複数の立体画像に基づいて推定される見掛けの深度とすることができる。第１の深度値の推定については、例えば図３Ｂにおいて図示し説明した。

４２０において、少なくとも材料パラメータと、決定された解剖学的表面の初期位置変位と、手術器具に関連する配向情報と、推定された第１の深度値との間の多変量関係の多項式展開によって第２の関係モデルを取得することができる。プロセッサ２１０は、少なくとも材料パラメータと、決定された解剖学的表面の初期位置変位と、手術器具に関連する配向情報と、推定された第１の深度値との間の多変量関係の多項式展開によって第２の関係モデルを取得するように構成することができる。

４２２において、解剖学的表面の第１の位置に対する解剖学的部分１１４の手術腔内の関心手術領域の第２の深度値を決定することができる。プロセッサ２１０は、解剖学的表面の第１の位置に対する解剖学的部分１１４の手術腔内の関心手術領域の第２の深度値を決定するように構成することができる。第２の深度値は、少なくとも材料パラメータと、決定された解剖学的表面の初期位置変位と、手術器具に関連する配向情報と、推定された第１の深度値との間の多変量関係の多項式展開によって取得される第２の関係モデルに基づいて決定することができる。第２の深度値の決定については、例えば線図３Ｂにおいて図示し説明した。

４２４において、少なくとも材料パラメータと、決定された解剖学的表面の初期位置変位と、手術器具に関連する配向情報と、推定された第１の深度値との間の多変量関係の多項式展開に基づいて、第２の関係モデルから第１の関係モデルを導出することができる。第１の関係モデルは、取り出された配向情報と、組織タイプの材料パラメータと、推定された第１の深度値（ｄ）との２次関係に基づくことができる。プロセッサ２１０は、第２の関係モデルから第１の関係モデルを導出するように構成することができる。

４２６において、推定された第１の深度値に対する関心手術領域の位置の残存変位を決定することができる。プロセッサ２１０は、推定された第１の深度値に対する関心手術領域の位置の残存変位を決定するように構成することができる。残存変位の決定は、解剖学的部分の組織タイプに関連する材料パラメータと、推定された第１の深度値との第１の関係モデルに基づくことができる。残存変位は、解剖学的部分１１４の組織変形に起因する第１の深度値の推定の偏差が、決定された残存変位によって手術腔内の関心手術領域の第２の深度値に対して補償されるように決定することができる。

４２８において、解剖学的部分１１４の３次元（３Ｄ）グラフィックモデルを生成することができる。プロセッサ２１０は、解剖学的部分１１４の３次元（３Ｄ）グラフィックモデルを生成するように構成することができる。３Ｄグラフィックモデルは、決定された解剖学的表面の初期位置変位と、推定された第１の深度値と、決定された残存変位と、手術腔内の関心手術領域の決定された第２の深度値とに基づいて生成することができる。

４３０において、生成された解剖学的部分１１４の３Ｄグラフィックモデルに基づいて手術案内情報を生成することができる。プロセッサ２１０は、手術腔内の関心手術領域の正しい深度を示すために第１の深度値から第２の深度値に補正すべき深度量を含む手術案内情報を生成するように構成することができる。手術案内情報は、決定された残存変位に基づいて生成することができる。

４３２において、外科支援装置１０２に結合されたディスプレイ画面上で、生成された手術案内情報の表示を手術腔内の第２の深度値における関心手術領域への手術器具のナビゲーションが容易になるように制御することができる。プロセッサ２１０は、外科支援装置１０２に結合されたディスプレイ画面上で、生成された手術案内情報の表示を手術腔内の第２の深度値における関心手術領域への手術器具のナビゲーションが容易になるように制御するよう構成することができる。

４３４において、手術腔の第１の深度値、残存変位及び第２の深度値の推定のリアルタイム又は準リアルタイムな変化に従って、生成された３Ｄグラフィックモデル及び手術案内情報の表示を更新することができる。プロセッサ２１０は、手術腔の第１の深度値、残存変位及び第２の深度値の推定のリアルタイム又は準リアルタイムな変化に従って、生成された３Ｄグラフィックモデル及び手術案内情報の表示を更新するように構成することができる。

４３６において、ディスプレイ画面１１０における解剖学的部分１１４の３Ｄグラフィックモデルのレンダリングを、手術腔内の第２の深度値における関心手術領域への手術器具の連続的ナビゲーションを容易にするように連続的に制御することができる。プロセッサ２１０は、ディスプレイ画面１１０における解剖学的部分１１４の３Ｄグラフィックモデルのレンダリングを、手術腔内の第２の深度値における関心手術領域への手術器具の連続的ナビゲーションを容易にするように連続的に制御するようさらに構成することができる。制御は終了に進む。

本開示の様々な実施形態は、外科医が被験者の内部器官の解剖学的部分の変形の術中変位（すなわち、残存変位）を補償するのを容易にする案内情報をレンダリングするために機械及び／又はコンピュータが実行できる機械コード及び／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。外科医は、解剖学的部分の手術腔内の正しい深度において手術器具を動かすことによって術中変位を補償することができる。機械及び／又はコンピュータは、これらの命令セットを実行して、被験者の解剖学的部分の複数の立体画像の取り込みを含むステップを実行することができる。解剖学的部分の切開後に露出する組織タイプに関連する材料パラメータをメモリから取り出すことができる。被験者の内部器官の解剖学的部分の術前マルチモーダル画像のデータセットを医用データサーバから登録することができる。関心手術領域を切除するために利用できる手術器具の垂直基準軸に対する外科的配向情報を取り出すことができる。保護部分の切開に起因する解剖学的部分の解剖学的表面の、（切開前の）解剖学的表面の第１の位置から（切開後の）解剖学的表面の第２の位置への初期位置変位を決定することができる。解剖学的表面の第２の位置に対する解剖学的部分の手術腔の底部における手術表面の第１の深度値（ｄ）を推定することができる。第１の深度値は、異なる位置値から取り込まれた複数の立体画像に基づいて推定することができる。解剖学的部分の組織タイプに関連する材料パラメータと推定された第１の深度値との第１の関係モデルに基づいて、推定された第１の深度値に対する手術表面の位置における残存変位を推定することができる。残存変位は、手術表面の組織変形に起因する第１の深度値の推定の偏差が、推定された残存変位によって手術腔内の手術表面の第２の深度値に対して補償されるように推定することができる。手術腔内の手術表面の第２の深度値への手術器具のナビゲーションを容易にするために手術案内情報を表示することができる。

本開示の例示的な態様は、被験者の身体の（解剖学的部分１１４などの）解剖学的部分の複数の立体画像を外科画像取り込み装置の異なる位置値から取り込むように構成された（外科画像取り込み装置１０６などの）外科画像取り込み装置を含む（外科支援装置１０２などの）外科支援装置を含むことができる。解剖学的部分は、内部器官を取り囲む保護部分の切開後に外科画像取り込み装置に曝される内部器官の規定部分とすることができる。外科支援装置１０２は、保護部分の切開に起因する切開前の解剖学的表面の第１の位置から切開後の解剖学的表面の第２の位置への解剖学的部分の解剖学的表面の初期位置変位を決定するように構成された（補償回路２０２などの）回路をさらに含むことができる。変位補償回路は、解剖学的表面の第２の位置に対する解剖学的部分の手術腔の底部における手術表面の第１の深度値を推定するように構成することができる。第１の深度値は、異なる位置値から取り込まれた複数の立体画像に基づいて推定することができる。変位補償回路は、推定された第１の深度値に対する手術表面の位置の残存変位を推定するように構成することができる。残存変位の推定は、解剖学的部分の組織タイプに関連する材料パラメータと推定された第１の深度値との第１の関係モデルに基づくことができる。残存変位は、手術表面の組織変形に起因する第１の深度値の推定の偏差が、推定された残存変位によって手術腔内の手術表面の第２の深度値に対して補償されるように推定することができる。変位補償回路は、手術腔内の手術表面の第２の深度値への手術器具のナビゲーションを容易にするために手術案内情報を表示するようにさらに構成することができる。

ある実施形態によれば、初期位置変位は、内部器官の術前マルチモーダル画像の第１の位置における解剖学的表面に関連する深度値と、取り込まれた複数の立体画像から推定される対応する第２の位置における解剖学的表面の深度値との比較に基づいて決定することができる。外科画像取り込み装置は、精密立体カメラに取り付けられたデジタル実体顕微鏡とすることができる。

解剖学的部分は、脳の一部を取り囲む頭蓋骨の切開後に露出する脳の部分とすることができる。手術表面は、少なくとも解剖学的部分に存在する脳組織、血管網及び脳室とすることができる。脳の部分の組織タイプは、灰白質、白質及び腫瘍のうちの少なくとも１つとすることができる。

ある実施形態によれば、補償回路は、解剖学的部分の切開後に露出する組織タイプに関連する材料パラメータを取り出すようにさらに構成することができる。組織の材料パラメータは、解剖学的部分の組織タイプのヤング率及び組織タイプに関連する組織密度の少なくとも一方を含むことができる。補償回路は、手術腔内の手術表面を切除するために利用できる手術器具の垂直基準軸に対する配向情報を取り出すようにさらに構成することができる。

ある実施形態によれば、第１の関係モデルは、取り出された配向情報と、組織タイプに関する材料パラメータと、推定された第１の深度値との２次関係に基づくことができる。変位補償回路は、解剖学的表面の第１の位置に対する解剖学的部分の手術腔内の手術表面の第２の深度値を推定するようにさらに構成することができる。第２の深度値は、少なくとも材料パラメータと、決定された解剖学的表面の初期位置変位と、手術器具に関連する配向情報と、推定された第１の深度値との間の多変量関係の多項式展開によって取得される第２の関係モデルに基づいて推定することができる。

ある実施形態によれば、補償回路は、第２の関係モデルから第１の関係モデルを導出するようにさらに構成することができる。このような第２の関係モデルからの第１の関係モデルの導出は、少なくとも材料パラメータと、決定された解剖学的表面の初期位置変位と、手術器具に関連する配向情報と、推定された第１の深度値との間の多変量関係の多項式展開に基づくことができる。

ある実施形態によれば、補償回路は、マルチモーダルソースから受け取られた内部器官の術前マルチモーダル画像のデータセットを登録するようにさらに構成することができる。補償回路は、データセットの登録に基づいて切開前の解剖学的表面の第１の位置を決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、補償回路は、決定された解剖学的表面の初期位置変位と、推定された第１の深度値と、決定された残存変位と、決定された手術腔の第２の深度値とに基づいて解剖学的部分の３次元（３Ｄ）グラフィックモデルを生成するようにさらに構成することができる。補償回路は、手術腔の第１の深度値、残存変位及び第２の深度値の推定のリアルタイムな変化に従って、生成された３Ｄグラフィックモデル及び手術案内情報の表示を更新するようにさらに構成することができる。補償回路は、ディスプレイ装置における解剖学的部分の３Ｄグラフィックモデルのレンダリングを、手術腔内の関心領域の第２の深度値への手術器具の連続ナビゲーションを容易にするように制御するようさらに構成することができる。いくつかの実施形態では、補償回路を、生成された解剖学的部分の３Ｄグラフィックモデルに基づいて手術案内情報を生成するようにさらに構成することができる。

本開示は、ハードウェアで実現することも、又はハードウェアとソフトウェアとの組み合わせ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との組み合わせは、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、特定の状況又は内容を本開示の教示に適合させるように多くの修正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内に収まる全ての実施形態を含むように意図される。

４００：フローチャート
４０２：開始
４０４：マルチモーダルソースから受け取られた術前マルチモーダル画像のデータセットを被験者の内部器官のデータベースに登録する
４０６：被験者の身体の解剖学的部分の複数の立体画像を取り込む
４０８：解剖学的部分の切開後に露出した組織タイプに関連する材料パラメータをメモリから取り出す
４１０：外科支援装置に備わるメモリから、手術腔内の関心手術領域を切除するために利用される手術器具の垂直基準軸に対する配向情報を取り出す
４１２：データセットの登録に基づいて切開前の解剖学的表面の第１の位置を決定する
４１４：取り込まれた複数の立体画像に基づいて切開後の解剖学的表面の第２の位置を決定する
４１６：保護部分の切開に起因する解剖学的部分の切開前の解剖学的表面の第１の位置から切開後の解剖学的表面の第２の位置への初期位置変位を決定する
４１８：解剖学的表面の第２の位置から解剖学的部分の手術腔の底部に存在する関心手術領域までの第１の深度値を推定する
４２０：少なくとも材料パラメータと、決定された解剖学的表面の初期位置変位と、手術器具に関連する配向情報と、推定された第１の深度値との間の多変量関係の多項式展開によって第２の関係モデルを取得する

Claims (17)

1. 外科支援装置であって、
   外科画像取り込み装置と、
   補償回路と、
   を備え、前記外科画像取り込み装置は、被験者の身体の解剖学的部分の複数の立体画像を取り込むように構成され、前記解剖学的部分は、内部器官を取り囲む保護部分の切開後に前記外科画像取り込み装置に曝される前記内部器官の規定部分であり、前記補償回路は、
   前記保護部分の切開に起因する切開前の解剖学的表面の第１の位置から切開後の前記解剖学的表面の第２の位置への前記解剖学的部分の前記解剖学的表面の初期位置変位を、前記内部器官の術前マルチモーダル画像の前記第１の位置における前記解剖学的表面に関連する術前深度値と、前記取り込まれた複数の立体画像から推定される前記第２の位置における前記解剖学的表面の対応する深度値との比較に基づいて決定し、
   前記解剖学的表面の前記第２の位置から前記解剖学的部分の手術腔の底部に存在する関心手術領域までの第１の深度値であって、切開部を通じた前記解剖学的部分の前記解剖学的表面のビューを取り込むために異なる指定位置の前記外科画像取り込み装置から取り込まれた前記複数の立体画像に基づいて推定された見掛けの深度である第１の深度値を推定し、
   前記解剖学的部分の組織タイプに関連する材料パラメータと前記推定された第１の深度値との第１の関係モデルに基づいて、前記解剖学的部分の組織変形に起因する前記第１の深度値の前記推定の偏差が前記手術腔内の前記関心手術領域の第２の深度値に対して補償されるように、前記推定された第１の深度値に対する前記関心手術領域の位置の残存変位を決定し、
   前記決定された残存変位に基づいて、前記手術腔内の前記関心手術領域の正しい深度を示すために前記第１の深度値から前記第２の深度値に補正される深度量を含む手術案内情報を生成し、
   前記外科支援装置に結合されたディスプレイ画面上で、前記生成された手術案内情報の表示を、前記手術腔内の前記第２の深度値における前記関心手術領域への手術器具のナビゲーションが容易になるように制御する、
   ように構成される、
   ことを特徴とする外科支援装置。
2. 前記外科画像取り込み装置は、精密立体カメラに取り付けられたデジタル実体顕微鏡である、
   請求項１に記載の外科支援装置。
3. 前記解剖学的部分は、脳部分を取り囲む前記保護部分に対応する頭蓋骨の切開後に露出する前記脳部分であり、前記関心手術領域は、少なくとも前記解剖学的部分に存在する脳組織、血管網及び脳室である、
   請求項１に記載の外科支援装置。
4. 前記脳部分の前記組織タイプは、灰白質、白質及び腫瘍のうちの少なくとも１つである、
   請求項３に記載の外科支援装置。
5. メモリをさらに備え、前記補償回路は、前記解剖学的部分の前記切開後に露出する前記組織タイプに関連する材料パラメータを前記メモリから取り出すようにさらに構成され、前記材料パラメータは、前記解剖学的部分の前記組織タイプの引張弾性値、及び前記組織タイプに関連する組織密度を含む、
   請求項１に記載の外科支援装置。
6. 前記補償回路は、前記外科支援装置に備わるメモリから、前記手術腔内の前記関心手術領域を切除するために利用される手術器具の配向情報を取り出すようにさらに構成される、
   請求項１に記載の外科支援装置。
7. 前記第１の関係モデルは、前記取り出された配向情報と、前記組織タイプの材料パラメータと、前記推定された第１の深度値との２次関係に基づく、
   請求項６に記載の外科支援装置。
8. 前記補償回路は、前記解剖学的表面の前記第１の位置に対する前記解剖学的部分の前記手術腔内の前記関心手術領域の前記第２の深度値を決定するようにさらに構成される、
   請求項１に記載の外科支援装置。
9. 前記第２の深度値は、少なくとも前記材料パラメータと、前記決定された前記解剖学的表面の初期位置変位と、前記手術器具に関連する配向情報と、前記推定された第１の深度値との間の多変量関係の多項式展開によって取得される第２の関係モデルに基づいて決定される、
   請求項１に記載の外科支援装置。
10. 前記補償回路は、少なくとも前記材料パラメータと、前記決定された前記解剖学的表面の初期位置変位と、前記手術器具に関連する前記配向情報と、前記推定された第１の深度値との間の多変量関係の多項式展開に基づいて、前記第２の関係モデルから前記第１の関係モデルを導出するようにさらに構成される、
    請求項９に記載の外科支援装置。
11. 前記補償回路は、マルチモーダルソースから受け取られた前記術前マルチモーダル画像のデータセットを前記被験者の前記内部器官のデータベースに登録するようにさらに構成される、
    請求項１に記載の外科支援装置。
12. 前記補償回路は、前記データセットの前記登録に基づいて、前記切開前の前記解剖学的表面の前記第１の位置を決定するようにさらに構成される、
    請求項１１に記載の外科支援装置。
13. 前記補償回路は、前記決定された前記解剖学的表面の初期位置変位と、前記推定された第１の深度値と、前記決定された残存変位と、前記決定された前記手術腔の第２の深度値とに基づいて前記解剖学的部分の３次元（３Ｄ）グラフィックモデルを生成するようにさらに構成される、
    請求項１に記載の外科支援装置。
14. 前記補償回路は、前記手術腔の前記第１の深度値、前記残存変位及び前記第２の深度値の推定のリアルタイム又は準リアルタイムな変化に従って、前記生成された３Ｄグラフィックモデル及び前記手術案内情報の表示を更新するようにさらに構成される、
    請求項１３に記載の外科支援装置。
15. 前記補償回路は、前記ディスプレイ画面における前記解剖学的部分の前記３Ｄグラフィックモデルのレンダリングを、前記手術腔内の前記第２の深度値における前記関心手術領域への前記手術器具の連続ナビゲーションを容易にするように連続して制御するようさらに構成される、
    請求項１４に記載の外科支援装置。
16. 前記補償回路は、前記生成された前記解剖学的部分の３Ｄグラフィックモデルに基づいて前記手術案内情報を生成するようにさらに構成される、
    請求項１４に記載の外科支援装置。
17. 外科画像取り込み装置と補償回路とを備えた外科支援装置において、
    前記外科画像取り込み装置が、被験者の身体の内部器官を取り囲む保護部分の切開後に前記外科画像取り込み装置に曝される前記内部器官の規定部分である解剖学的部分の複数の立体画像を取り込むステップと、
    前記補償回路が、前記保護部分の切開に起因する切開前の解剖学的表面の第１の位置から切開後の前記解剖学的表面の第２の位置への前記解剖学的部分の前記解剖学的表面の初期位置変位を、前記内部器官の術前マルチモーダル画像の前記第１の位置における前記解剖学的表面に関連する術前深度値と、前記取り込まれた複数の立体画像から推定される前記第２の位置における前記解剖学的表面の対応する深度値との比較に基づいて決定するステップと、
    前記補償回路が、前記解剖学的表面の前記第２の位置から前記解剖学的部分の手術腔の底部に存在する関心手術領域までの第１の深度値であって、切開部を通じた前記解剖学的部分の前記解剖学的表面のビューを取り込むために異なる指定位置の前記外科画像取り込み装置から取り込まれた前記複数の立体画像に基づいて推定された見掛けの深度である第１の深度値を推定するステップと、
    前記補償回路が、前記解剖学的部分の組織タイプに関連する材料パラメータと前記推定された第１の深度値との第１の関係モデルに基づいて、前記解剖学的部分の組織変形に起因する前記第１の深度値の前記推定の偏差が前記手術腔内の前記関心手術領域の第２の深度値に対して補償されるように、前記推定された第１の深度値に対する前記関心手術領域の位置の残存変位を決定するステップと、
    前記補償回路が、前記決定された残存変位に基づいて、前記手術腔内の前記関心手術領域の正しい深度を示すために前記第１の深度値から前記第２の深度値に補正される深度量を含む手術案内情報を生成するステップと、
    前記補償回路が、前記外科支援装置に結合されたディスプレイ画面上で、前記生成された手術案内情報の表示を、前記手術腔内の前記第２の深度値における前記関心手術領域への手術器具のナビゲーションが容易になるように制御するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。

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