JP2023064079A - 手術中に患者の身体を位置決めし、患者の位置を追跡するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】手術中に患者の身体を位置決めし、患者の位置を追跡するための装置を提供する。【解決手段】患者の体型に適合されるか、または患者の体型から逸脱するように適合されて、手術中の患者の身体の外形が形状キャプチャ中の身体の外形と同一になるように患者の身体を所望の形状にする、患者受容デバイスを付加製造するために３Ｄ形状生成デバイスを使用する。患者受容デバイス１４は、位置特定システムによって検出可能な少なくとも１つのトラッカ要素１６を備える。位置特定システムは、手術中少なくとも１つのトラッカ要素の位置および／または向きを示すデータを取り込むように適合され、それによって、特定の自然または人工ランドマークのない軟組織上または軟組織内での外科手術の場合に特に重要なことに、外科医が手術場所からのライブ画像を方向付け／ナビゲートすることを可能にする。【選択図】図１

Description

本発明は、手術中に患者の身体を位置決めし、患者の位置を追跡するための装置に関する。

米国特許第９４３３３８７号明細書は、患者から頭蓋または他のスキャンを得るためのシステムを開示している。システムは、診断スキャンテーブルと、患者の身体の輪郭の一部に適合する金型と、を備える。１つの実施形態では、患者の頭部を取り囲むためのマスクが、提供される。センサが、圧力読み取り値を得るために金型またはマスク内に置かれ、圧力読み取り値は、嚥下動作などの患者の動きを示すことができる。センサの信号は、患者の動きによるスキャン中の不正確さを回避するために使用され得る。そうするために、センサは、スキャンシステムに結合される。

さらに、米国特許出願公開第２０１９／０１０５４２３号明細書は、患者の肢部の支持を開示している。この支持体は、格子構造を形成する可撓性多管腔チュービングインターレースのネットワークを備える。この多管腔チュービングを膨張させることにより、支持体内の肢部を固定することができる。

Ｖ．Ｅｄｗａｒｄ，Ｃ．Ｗｉｎｄｉｓｈｂｕｒｇｅｒらの、「Ｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆＭＲＩ Ａｒｔｉｆａｃｔ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ａ Ｎｏｖｅｌ Ｐｌａｓｔｅｒ Ｃａｓｔ Ｈｅａｄ Ｈｏｌｄｅｒ」（２０００年９月にオンライン公開、Ｗｉｌｅｙ－Ｌｉｚ，Ｉｎｃ社）の記事は、ｆＭＲＩスキャン中に患者の頭部を固定および再位置決めするための石膏鋳造ヘッドホルダを開示している。プラスチック鋳造ヘッドホルダは、意図しない頭部の動きの大きさを減少させ、動きアーチファクトを低減する。プラスチック鋳造ヘッドホルダは、完全硬化状態において硬性である可鍛性固定材料を有するヘッドマスクを備える。

例えば超音波画像検査、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）または磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）があるため、手術前に患者の身体から画像を取得するための多種多様な技術があるが、外科医は、手術中にカメラで見た物体および組織を識別することに依然として問題を抱えている可能性がある。

米国特許出願公開第２０１６／０２４９９８７号明細書では、センサが、手術前に患者の解剖学的構造に取り付けられ、手術中、コンピューティングユニットが、手術中患者の解剖学的構造を位置合わせすることを可能にするセンサと通信する。センサを取り付けるために使用される患者の解剖学的構造は、例えば骨または比較的剛性の器官である。しかし、このアプローチは、実際の手術の前に追加の侵襲的外科的介入を必要とし、これは、患者にとって追加の費用および追加の肉体負担を意味する。また、筋肉、腱、靭帯、脂肪、線維組織、リンパおよび血管などの患者の軟組織は、患者の身体の再配置中に変形する可能性があり、すなわち患者の身体または患者の身体の一部の位置および／または向きが変化する可能性がある。再配置は、重量の再分配をもたらし、ひいては患者の身体の変形をもたらし得る。

したがって、上記で述べた問題を回避し、外科医が手術中に方向付けるのを助けることが強く望まれている。

この目的は、請求項１に記載の装置および請求項１４に記載の方法によっても解決される。

本発明の装置は、体型取り込みデバイスと、処理ユニットと、３Ｄ形状生成デバイスと、位置特定システムと、を備える。体型取り込みデバイスは、患者の身体の少なくとも一部の（外側輪郭）形状を取得するように適合される。処理ユニットは、患者の身体を少なくとも部分的に受容するように適合された患者受容デバイスのデータ表現を生成するように適合される。受容デバイスのデータ表現は、患者の形状に基づいて生成される。患者の形状という用語は、患者の身体の外側輪郭として理解することができる。３Ｄ形状生成デバイスは、データ表現に基づいて患者受容デバイスの少なくとも一部を付加製造するように適合される。例えば、形状生成デバイスは、３Ｄ印刷デバイスとすることができる。患者受容デバイスは、（患者受容）デバイスに接続され、患者受容デバイスの位置および向きを示すように適合された少なくとも１つのトラッカ要素を備える。位置特定システムは、手術中に少なくとも１つのトラッカ要素の位置および／または向きを示すデータをキャプチャするように適合される。患者の体型スキャンは、患者の身体の少なくとも一部の（外側輪郭）形状を収集する医用スキャンまたはライブスキャンが実行される前に実行することができる。

あるいは、患者の身体部分の形状は、例えば医用スキャンにおいて身体部分の自動皮膚セグメント化を利用して、事前に形状スキャンを実行する必要なく医用スキャンから直接得ることができる。医用スキャンから患者の身体部分の形状を直接取得することにより、医用スキャンから手術までの患者の身体部分の位置のさらなる変化のリスクを低減することができる。機械的スキャナ、レーザスキャナ、構造化光照明およびカメラシステム、立体またはマルチカメラシステム、または任意の他の適切な形状取得デバイスを、身体またはその少なくとも一部の形状をスキャンするために使用することができる。患者の体型を特徴付けるそのように取得されたデータは、患者受容デバイスのデータ表現を生成するために処理ユニットで使用される。患者受容デバイスの内側形状は、患者の身体の（外側輪郭）形状に適合させることができる。代替的または追加的に、患者受容デバイスの内側形状の少なくとも一部は、患者の身体の正確な外側輪郭形状から逸脱してもよく、これにより、患者の身体の少なくとも一部を再配置すること、および／または、例えば、患者の軟組織の一部を改質することによって、患者の身体の重量を再分配することが可能になる。

３Ｄ形状生成デバイスは、特に、３次元構造を作成する石膏、繊維ガラスまたは樹脂ベースの鋳造物を印刷することができる。このプロセスは、患者受容デバイスを設計する際の構造上の制限を取り除くことによって、患者の身体に対する患者受容デバイスのより良好な嵌合を可能にすることができる。本発明の概念は、外科用窓用のカバー構造および／または患者の身体からの患者受容デバイスの容易な取り付けおよび取り外しを可能にするジョイントなどの可動に接続された構造／部材を含むことをさらに可能にすることができる。

患者受容デバイスは、外科処置中に、医用撮像中と同じ形状または補正された形状に患者を位置決めおよび／または成形するために使用される。

少なくとも１つのトラッカ要素は、患者受容デバイスに接続され、患者受容デバイスの位置および向きを示すように適合される。言い換えれば、少なくとも１つのトラッカ要素は、自由な向き（軸Ｘ、Ｙ、Ｚ周りの角度方向）と組み合わせて、受容デバイスの空間内の少なくとも１つの点の位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を示すように適合される。あるいは、患者受容デバイスの空間的な位置および向きを示すために、２つ以上のトラッカ要素が設けられてもよい。

さらに、装置は、トラッカ要素のいずれかの位置および／または向きを示すデータを取り込むための位置特定システム、例えば、カメラ、ＣＴスキャナ、Ｘ線装置、または任意の他の装置もしくは医用撮像デバイスを備える。

第２の実施形態では、本装置は、医用撮像システムと、ライブ撮像デバイスと、計算ユニットとをさらに備える。医用撮像システムは、少なくとも１つのトラッカ要素に関して患者の関心領域の少なくとも１つの少なくとも２次元医用画像を取得するように適合される。画像は、術前スキャンで、または手術中にも取得されてもよい。患者受容デバイスへのトラッカの取り付けは、患者受容デバイスと共に位置特定され得る。医用撮像デバイスは、トラッカ要素が同じ座標系に位置する座標系内でスキャン画像を生成する、処理ユニットを備えることができる。

手術場所では、手術中のトラッカの位置および／または向きを示すデータを取り込むための位置特定システムが、設けられる。トラッカの位置および／または向きに関するデータは、少なくとも１つの追跡カメラによって取り込むことができる。カメラは、手術場所に近い場合もそうでない場合もあるが、一定の距離に保たれる。しかし、見通し線の視認性が確保されるべきである。

あるいは、患者受容デバイスが無線周波数（ＲＦ）信号、光信号または超音波信号などの少なくとも１つの信号を発することができる能動的追跡方法が、使用されてもよい。患者受容デバイスの信号を受信し、手術中の患者受容デバイスの位置および／または向きを取り込む／得るために使用することができる。例えば、ＲＦトラッカは、製造中または製造後に患者受容デバイスに埋め込むことができる。その場合、データは、トラッカが置かれる場所から取り込まれ／送信される。

患者は、医用撮像プロセス中に患者がいたのと同じ患者受容デバイスの個々に成形された部分内に置かれるため、患者の身体は、手術中、医用スキャン中にあったのと同じ形状をとる。したがって、位置特定システムによって取り込まれたデータは、患者受容デバイスの位置および向き、したがって患者の組織構造の位置を正確に示す。形状適応受容デバイスは、ここで、患者の身体を再成形し、患者のすべての組織が医用スキャン中と同じ場所にあることを確実にする。これは、柔軟性が高く、特定の天然または人工のランドマークがない軟組織上または軟組織内での外科手術にとって特に重要である。計算ユニットは、スキャン画像およびライブ画像を位置合わせして混合し、外科医に完璧な向きを提供することができる。特に、本発明のシステムは、以下の利点を提供した。

１．患者の身体内に追跡マーカまたはマーキングを埋め込むための術前介入は必要ない。

２．骨または標的構造にねじ、ピンなどを使用する必要はない。したがって、さらなる外科的処置および潜在的な合併症を回避することができる。

３．外科手術中に追加の医用撮像デバイスを使用する必要性が低減されるか、またはさらには不要である。

４．本発明の方法およびシステムは、剛性の解剖学的構造（骨があるため）または変形を伴う器官に依存しない。

本発明は、患者の外側輪郭または位置の変化によって引き起こされる体重の再分配による患者の胴体の輪郭の変化を回避する。したがって、本発明は、医用画像を取得し、その後に外科的処置を実行することを可能にする。外科的処置は、医用撮像中の位置とは異なる患者の位置で実行され得る。

特に、処理ユニットは、患者の身体の別個の形状スキャンを回避することができるように、医用スキャン画像を使用して少なくとも１つの外側輪郭形状を計算するようにさらに適合される。

好ましくは、患者受容デバイスは、可動テーブルと、可動テーブル上に配置可能であり、可動テーブルに接続可能な付加製造された構造体と、を備える。付加製造された構造体は、可動テーブルに取り外し可能に接続され得る。可動テーブルは、患者の身体を支持することができる。

特に、３Ｄ形状生成デバイスは、可動テーブルの上側表面に置かれ、取り外し可能に接続され得る付加製造された構造体を追加的に構築するように適合される。あるいは、付加製造された構造体は、いくつかの部品で別々に構築され、構築後に一緒に組み立てられる。

好ましくは、付加製造された構造の内側形状は、患者の外側輪郭形状に少なくとも部分的に調整される。これにより、医用スキャンからの患者の位置および／または向きを維持および／または手術のために再確立することが可能になる。

追加的または代替的に、付加製造された構造体の内側形状は、外側輪郭形状から少なくとも部分的に逸脱して、患者の身体を所望の位置、向き、および／または形状にすることができる。これにより、患者の身体または患者の身体の少なくとも一部を、元の位置、向きおよび／または形状と比較して外科医が手術中に関心領域に良好にアクセスすることを可能にする位置、向きおよび／または形状にすることが可能になる。

さらに付加製造された構造体は、組み立て可能、分解可能、および再組み立て可能な少なくとも２つの部品を備えることができる。そのため、より速い構築プロセスおよび個々の部材のより低い複雑さが、結果として生じる。受容構造体はまた、より容易に取り外しまたは再組み立てすることができる。

好ましくは、受容デバイスは、手術場所を露出させる開口部を備えることができる。この開口部により、手術場所への容易なアクセスが可能になる。開口部は、開口部を開閉することを可能にするカバーフラップを備えることができる。

好ましくは、トラッカ要素は、空間内の患者受容デバイスの位置および向きを示すように適合される。少なくとも１つのトラッカ要素は、受容デバイスに堅固に接続される。位置特定システムは、装置の手術場所に置かれ、空間内の少なくとも１つのトラッカ要素の位置（および必要に応じて向き）を三角法で決定するための少なくとも２つのカメラまたは他の位置検出器を備える。位置特定システムは、空間内のトラッカ要素の位置を決定する三角測量測定を実行するように適合させることができる。さらに、撮像システムは、カメラの位置特定および向きを検出するように適合された検出システムに接続された少なくとも１つのトラッカ要素または任意の他のセンサを備えることができる。検出システムは、それに応じてライブ画像およびスキャン画像を位置合わせすることができる計算ユニットに接続することができる。

さらに、計算ユニットは、組織構造のグラフィカル表現を生成するための構造検出ユニットを備えることができる。グラフィック表現は、医用画像から得ることができる。グラフィック表現は、外科医が他の領域または組織と区別する領域または組織を示すように適合された線、記号、着色領域またはその他のものであってもよい。これらのグラフィック構造は、ライブ画像と混合することができ、それによって、外科医が関心領域内で治療される構造を見つけるのを助ける。

好ましくは、３Ｄ形状生成デバイスは、少なくとも１つのトラッカ要素を追加的に構築するように適合され、少なくとも１つのトラッカ要素は、可動テーブルの（上側表面）および／または付加製造された構造体の（上側）表面に接続可能である。あるいは、トラッカ要素がアクティブトラッカである場合、少なくとも１つのトラッカ要素は、患者受容構造に埋め込まれてもよい。トラッカ要素がパッシブトラッカである場合、トラッカ要素は、互いに離間し、位置特定システムによって位置特定可能なリフレクタ要素を備えることができる。

好ましくは、位置特定システムは、少なくとも１つのトラッカ要素ならびに空間の位置および向きを三角法で決定するための少なくとも２つのカメラを備える。あるいは、位置特定システムは、画像だけでなく深度情報も取得する３Ｄカメラを備えることができる。

特有の実施形態では、装置は、関心領域内の患者の身体を治療するための器具を含むことができる。器具は、任意の種類のＲＦ外科用、凍結外科用、プラズマ外科用または任意の他の外科用器具であってもよい。特に、器具は、ライブ撮像デバイスの視野内に置かれるように適合される。ライブ撮像デバイスは、器具の一部、トロカールに挿入された別個のカメラ、または患者の身体、身体上、または身体内に置かれた別個のカメラであってもよい。

本発明の方法は、患者の身体の少なくとも一部の外側輪郭形状を取得するステップと、外側輪郭形状に基づいて、患者の身体を少なくとも部分的に受容する患者受容デバイスのデータ表現を生成するステップと、データ表現に基づいて患者受容デバイスの少なくとも一部を付加的に製造するステップと、患者受容デバイスの位置および向きを示す患者受容デバイスの少なくとも１つのトラッカ要素を接続するステップと、手術中の少なくとも１つのトラッカ要素の位置を示すデータを取り込むステップと、を含む。

好ましくは、患者受容デバイスを製造するステップは、患者の身体の（外側輪郭）形状に少なくとも部分的に調整され、および／または（外側輪郭）形状から部分的に逸脱して、患者の身体を所望の位置、向き、および／または形状にする内側形状を備える付加製造された構造体を付加的に構築することを含む。

装置に関して述べた特徴および利点は、本発明の方法にも適用される。

さらなる詳細および特徴は、図面、明細書および特許請求の範囲にも見出すことができる。

体型取り込みデバイス内における患者が内部に置かれた患者受容デバイスの概略図である。 患者が内部に置かれた患者受容デバイス、医用撮像デバイス、および３Ｄ形状生成デバイスの概略図である。 患者が内部に置かれた患者受容デバイス、医用撮像デバイス、および３Ｄ形状生成デバイスの概略図である。 手術中に患者を位置特定するための位置特定システムを含む、本発明の装置のために手術場所の患者受容デバイスに置かれた患者の概略図である。 医用撮像デバイスによって提供されるスキャン画像の概略図である。 外科医に提供されるスキャン画像、ライブ画像、および混合画像を示す図である。 ライブ画像を取得するためのカメラの概略図である。 スキャン画像、スキャン画像から得られた患者の組織構造のボリュームモデル、および組織構造の空間表現に位置合わせされたライブ画像を示す図である。 患者受容デバイスおよびその上に置かれた患者の断面図である。 受容デバイスの長手方向断面図である。

図１は、患者の身体１３の少なくとも一部の形状Ｓを取得するように適合された体型取り込みデバイス１１を備える体型取り込みのための装置１０を示す。患者２２は、可動テーブル２３上に置かれる。図１では、体型取り込みデバイス１１は、画像と同時に深度情報を取得する３Ｄカメラである。体型取り込みデバイス１１は、矢印Ｒで示す患者の体長軸Ｂの周りで回転される。体型取り込みデバイス１１は、患者の体型Ｓに基づいて患者受容デバイス１４のデータ表現（モデル）Ｍを生成するように適合された処理ユニット１２に通信可能に接続される。患者受容デバイス１４は、患者の身体１３を少なくとも部分的に受容するように適合される。処理ユニット１２には、３Ｄ形状生成デバイス１５が通信可能に接続される。本例において、３Ｄ形状生成デバイス１５は、処理ユニット１２から患者受容デバイス１４のモデルＭを受け取る３Ｄ印刷デバイス１５である。３Ｄ印刷デバイス１５は、受け取ったモデルＭに基づいて患者受容デバイス１４を付加製造するように適合される。

患者受容デバイス１４は、患者受容デバイス１４に堅固に接続された少なくとも１つのトラッカ要素１６を備える。トラッカ要素１６は、患者受容デバイス１４の位置および向きを示すように適合される。この例では、３つのトラッカ要素１７、１８、１９があり、これらはこの場合、互いに既知の距離でツリー２０の端部に固定されたボールである。ボール１７ａ、１８ａ、１９ａは、撮像システム２１によって視認可能な光反射または光吸収ボールであってもよい。この場合、患者の位置および向きを明確に示すために、３つの追跡要素１７、１８、１９が設けられる。しかし、ツリー２０の端部に置かれた３つのボール１７ａ、１８ａ、１９ａは、患者の位置および向きをかなり良好に示すが、患者受容デバイス１４の異なる位置に互いに独立して３つの異なるボールを置くことも可能である。

トラッカ要素１７、１８、１９が光学的に検出される場合、これらは、患者受容デバイス１４の視認側に置かれる。さらに、トラッカ要素１６として、例えば、受容デバイス１４に堅固に接続された１つの立方体など、１つだけのアイテムを使用することが可能である。異なる設計を有する他のトラッカ要素も十分に適用可能である。

製造後、患者の身体が所望の位置、向き、および／または形状になるように、患者受容デバイス１４を患者の身体の所望の領域の上または周りに置くことができる。例えば、患者の身体１３の所望の領域は、患者の身体１３上に固定および／または塗装された基準マーカ２７を用いて形状スキャンの前にマークされてもよい。患者の身体の所望の領域は、図１の患者の胴体である。

図２は、患者２２の胴体が内部に置かれた患者受容デバイス１４、および医用撮像デバイス２１の図である。医用撮像デバイス２１は、ＭＲＩシステムまたはＣＴシステムがあるため、術前医用スキャンを取得するための任意のタイプの医用撮像システムとすることができる。ＣＴシステムは、Ｘ線源と、Ｘ線源からＸ線を受け取り、図５に示すようなスキャン画像２５（２５ａ～２５ｚ）を生成する処理ユニット（画像処理ユニット）２４にデータを送出するように適合されたＸ線検出器と、を備えることができる。画像処理ユニット２４は、Ｘ線検出器によって供給される信号を処理するように適合された任意のタイプのコンピュータであってもよい。画像処理ユニット２４は、スキャン画像２５を内部に記憶するための記憶装置２６に接続される。代替的または追加的に、術中スキャン装置２４ａは、例えばＣＲシステム、超音波撮像装置２４ｂ、または動作中に医用スキャン画像２５を提供するのに適した任意の他のシステム内に設けられてもよい。

医用撮像システム２４は、撮像システムの動作中、例として、患者の身体１３のスキャン中、トラッカ要素１７、１８、１９の位置を示すデータを取り込むための手段として追加的に使用されてもよい。あるいは、追跡要素１７、１８、１９を検出して位置確認し、画像２５を追跡要素１７、１８、１９に対する空間的関係にするために、別個の位置特定システムが設けられてもよい。

図３は図２の例を示すが、医用スキャンの前に（図１に示すような）形状スキャンが実行されていない場合の例を示す。患者の身体の形状Ｓは、画像処理ユニット２４内のスキャン画像２５から抽出される。形状Ｓは、処理ユニット１２に提供され、この処理ユニットは、３Ｄ印刷デバイス１５に送られる患者受容デバイス１４の（三次元）モデルＭを生成する。３Ｄ印刷デバイス１５は、患者受容デバイス１４の少なくとも一部を付加製造する。ここでも、製造後、患者の身体が図１の文脈で上述したように所望の位置、向き、および／または形状になるように、患者受容デバイス１４を患者の身体の所望の領域の上または周りに置くことができる。

装置の一部は、図４に示す手術場所２８であってもよい。患者は、ここでも、図１、図２、図３に示すスキャン／撮像場所の可動テーブル２３と同一であり得るテーブル上に置かれる。しかし、典型的には、テーブル２３ａは、通常の手術室で典型的に使用されるものとは異なるテーブルである。テーブル２３、２３ａが同一であるか否かにかかわらず、付加製造された構造体３１は、図１、図２、図３に示すように医用撮像中と同じ形状に患者の身体にするために使用される。さらに、追跡要素１７、１８、１９は、撮像／スキャン中および手術中にも患者の身体１３に対して同じ位置にある。

手術場所２８には、記憶装置２６に接続された位置特定処理ユニット３０に供給されるデータを取り込むために、位置特定システム２９が、設けられている。位置特定処理ユニット３０は、図２、図３の画像処理ユニット２４と同一であってもよく、あるいは、異なるまたは別個の処理ユニットであってもよい。処理ユニット２４、３０は、位置特定システム２９からデータを受け取り、トラッカ要素１７、１８、１９の位置および向き、したがって患者の身体１３の位置決めおよび向きを決定するように適合された任意のタイプのコンピュータまたはプロセッサであってもよい。位置特定システム２９は、追跡要素１７、１８、１９がカメラ３２の組み合わせられた視野内にあるように向けられた少なくとも２つのカメラ３２を備えることができる。処理ユニット３０または２４は、テーブル２３ａが静止したままである場合、手術が開始する前に三角測量によってトラッカ要素１７、１８、１９を位置確認するように適合される。テーブル２３ａが動かされる場合、位置特定システム２９は、患者の身体１３の位置特定および向きの決定を繰り返すことができる。あるいは、位置特定は、手術中に位置特定システム２９によって連続的に実行されてもよい。

装置の一部は、図４および図７に別個に示しようにライブ画像を取得するための別のカメラとすることができるライブ撮像デバイス３３である。カメラ３３の視野３４は、手術が行われる予定の患者の身体１３の関心領域３５である。図８は、視野４によってカバーされる関心領域３５を示す。カメラ３３は、腹腔鏡カメラおよび内視鏡カメラ、または関心領域３５のライブ画像３６を生成するのに適し、適合された任意の他のタイプのカメラであってもよい。

ライブ画像３６は、図４に示すように、処理ユニット２４または３０に供給され得る。処理ユニット２４、３０は、図６の右上の図に示されている任意のライブ画像３６を処理することができる。ライブ画像３６は、実際の組織構造３７と、器具３８の先端と、を含むことができる。器具３８および／またはカメラ３３の位置および向きを検出するために、任意のタイプの位置特定システムが使用されてもよい。カメラ３３を位置特定するための位置特定システム３９は、少なくとも１つのトラッカ要素４４、例として図７に示すように３つのトラッカ要素４５、４６、４７を備えることができる。トラッカ要素１７、１８、１９と同様である。他のタイプの追跡システムが、同様に使用されてもよい。

図９では、患者受容デバイス１４およびその上に置かれた患者２２の断面図を表示する。図９の例における患者受容デバイス１４は、可動テーブル２３に接続された付加製造された構造体３１を備える。付加製造された構造体３１は、例えば、付加製造によって個々に製造する、すなわち３Ｄ印刷することができる、４つの部材４８、４９、５０、５１を備える。部材４８、４９、５０、５１は、例えば個々の部材の接合部にロックおよび／またはラッチ機構を用いて、取り外し可能に組み立てることができる。少なくとも１つのトラッカ要素１６は、付加製造された構造体３１の外側表面に堅固に接続される。図９に示すように、トラッカ要素１６は、付加製造された構造体３１の１つの部材４８に接続される。トラッカ要素１６は、ツリーを介して部材４８と機械的に接続された３つのボール１７、１８、１９を備える。あるいは、付加製造された構造体３１は、一体部分としてモノリシックに形成することができる。この代替形態では、フラップ、ジョイント、および／またはロックおよび／またはラッチ機構を設けて、患者受容デバイス上への装着を単純化することができる。

図１０は、図９の破線に沿って切断した患者受容デバイス１４の長手方向断面図を示す。図１０は、体型取り込みデバイス１１によって取得された外側輪郭形状Ｓを示す。患者２２を所望の形状Ｄにするために、付加製造された構造体３１の内部形状は、スキャン形状Ｓからはずれる。図１０の例では、主に部分５１の内側形状は、患者の形状Ｓからはずれる。

これまでに説明した装置は、以下のように動作する。

手術前に、患者はテーブル２３上に置かれ、体型取り込みデバイス１１は、図１に示すように患者の身体１３の形状Ｓを取得する。処理ユニット１２は、３Ｄ印刷デバイス１５に送信される患者受容デバイス１４のモデルＭを計算する。３Ｄ印刷デバイス１５は、受け取ったモデルＭに基づいて患者受容デバイス１４を印刷する。次いで、印刷された受容デバイス１４は、患者上に置かれ、図２に示すような医用撮像スキャンを実行することができる。処理ユニット４が医用画像から患者の身体の形状Ｓを抽出することができる場合、患者受容デバイス１４は、図３に示すように医用画像から抽出されたモデルＭに基づいて３Ｄ印刷デバイス１５によって構築される。

患者受容デバイス１４が製造され、患者の上または周りに置かれた後、撮像システム２１は、スキャン画像２５ａ～２５ｚを取得することができ、これらの画像は、処理ユニット２４によって記憶装置２６内に記憶される。その後、患者は、受容デバイス１４を離れて手術の準備をすることができ、手術は、短期間内に、時には数時間または数日以内に行われ得る。

手術のために、患者は、受容デバイスが図４に示すように身体１３上またはその周りに置かれる状態にして自らの身体をテーブル２３に置くことによって、図４に示すように患者受容デバイス１４に再び入る。患者受容デバイス１４は、外科医が手術前または手術中に開くことができる開口部（窓）４０を備えることができる。窓４０は、手術または外科医の必要に応じて排他的に設計されてもよい。あるいは、外科医は、窓４０を介して身体にアクセスできるように、付加製造された構造要素のうちの１つまたは複数の部品内に窓４０を切り開かなければならないことがある。

手術の開始時または開始前に、追跡要素１７、１８、１９の位置を取り込む位置特定システム２９が、起動される。そのため、処理ユニット２４、３０は、図８に示すように、患者の身体の位置をスキャン画像２５ａ～２５ｚに位置合わせする。さらに、処理ユニット２４または処理ユニット３０は、患者の身体の少なくとも一部、例として関心領域３５のボリュームモデル４１を生成することができる。

カメラ３３の位置および向きを決定するための位置特定システム２９または任意の他の追跡システムは、データを連続的に処理し、このデータから、処理ユニット２４、３０は、カメラ３３の視野３４の位置および向き、したがってライブ画像３６の位置およびライブ画像の視線方向を決定する。図８に示すように、ライブ画像３６は、スキャン画像２５ａ～２５ｚとは異なる方法でボリュームモデル４１を交差させることができる。しかし、処理ユニット２４、３０は、少なくとも関心領域３５において、図８の左上の図に示すようなボリュームモデル４１の合成画像を生成することができる。そのために、処理ユニットは、ライブ画像２５と同じ平面内にボリュームモデル４１を交差させることができる。

次いで、処理ユニット２４、３０は、ライブ画像４２（図６の右上の図）を、ライブ画像４２が有するのと同じ場所で同じ向きでボリュームモデル４１を交差させることによって導出されたボリュームモデル図と合体させ、混合する。図６は、カメラ３９によって見られた組織構造４３との混合された画像５１を示し、特定の組織構造４３は、撮像によって見出され、器具４４によって治療される予定である。

さらに、処理ユニット２４または３０は、代替的または追加的に、組織構造のグラフィック表現４８を生成し、それらのグラフィック表現４８をライブ画像に混合することができる。スキャン画像２５、ボリュームモデル４１と交差することによって得られる画像、およびスキャン画像の少なくとも１つから、またはボリュームモデル４１から得られたグラフィック表現４８のいずれも、「ライブ画像」と混合するためのスキャン画像であると考えられる。装置は、混合された画像を再生するための画像ディスプレイ４９をさらに備える。ディスプレイ４９は、スクリーン、仮想現実ヘッドセット、または混合された画像を示すための別の段であってもよい。

本発明のシステムは、患者の体型を取得するために体型取り込みデバイスを使用し、患者の体型に少なくとも部分的に適合されるか、または患者の体型から少なくとも部分的に逸脱するように適合されて、手術中の患者の身体の外形が形状キャプチャ中の身体の外形と同一になるように患者の身体を所望の形状にする、患者受容デバイスを付加製造するために３Ｄ形状生成デバイスを使用する。患者受容デバイスは、位置特定システムによって検出可能な少なくとも１つのトラッカ要素を備える。位置特定システムは、手術中少なくとも１つのトラッカ要素の位置および／または向きを示すデータを取り込むように適合され、それによって、特定の自然または人工ランドマークのない軟組織上または軟組織内での外科手術の場合に特に重要なことに、外科医が手術場所からのライブ画像を方向付け／ナビゲートすることを可能にする。

１０ 体型取り込みのための装置
１１ 体型取り込みデバイス
１２ 処理ユニット
１３ 患者の身体
１４ 患者受容デバイス
１５ ３Ｄ形状生成デバイス（３Ｄ印刷デバイス）
１６ トラッカ要素
１７～１９ 個々のトラッカ要素（ボール）
２０ トラッカツリー
２１ 撮像システム
２２ 患者
２３ 可動テーブル
２３ａ 手術用テーブル
２４ 画像処理ユニット
２５ スキャン画像
２６ 記憶装置
２７ 基準マーカ
２８ 手術場所
２９ 位置特定システム
３０ 位置特定処理ユニット
３１ 付加製造された構造体
３２ カメラ
３３ ライブ撮像デバイス（カメラ）
３４ 視野
３５ 関心領域
３６ ライブ画像
３７ 実際の組織構造
３８ （手術）器具
３９ カメラ３３用の位置特定システム
４０ 開口部（窓）
４１ ボリュームモデル
４２ 混合画像
４３ さらなる組織構造
４４ カメラ３３の少なくとも１つのトラッカ要素
４５～４７ 個々のトラッカ要素（ボール）
４８ グラフィカル表現
４９ 画像ディスプレイ
Ｂ 患者の身体の長さ軸
Ｍ データ表現（モデル）
Ｒ 矢印（スキャン方向）
Ｄ 所望の形状
Ｓ 患者の身体の外側輪郭形状

Claims (15)

1. 患者の身体を位置決めし、手術中に患者の位置を追跡するための装置であって、
   前記患者の身体（１３）の少なくとも一部の外側輪郭形状（Ｓ）を取得するように適合された体型取り込みデバイス（１１）と、
   前記患者の身体（１３）を少なくとも部分的に受容するように適合された患者受容デバイス（１４）のためのデータ表現（Ｍ）を、前記患者の体型（Ｓ）に基づいて生成するように適合された処理ユニット（１２）と、
   前記患者受容デバイス（１４）に接続され前記患者受容デバイス（１４）の位置および向きを示すように適合された少なくとも１つのトラッカ要素（１６）を備える前記患者受容デバイス（１４）の少なくとも一部を、前記データ表現（Ｍ）に基づいて付加的に製造するように適合された３Ｄ形状生成デバイス（１５）と、
   手術中に前記少なくとも１つのトラッカ要素の位置を示すデータを取り込むための位置特定システム（２９）と、を備える、装置。
2. 前記少なくとも１つのトラッカ要素に関して患者の関心領域の少なくとも１つの少なくとも２次元医用画像を取得するように適合された医用撮像システム（２１）と、
   手術場所のライブ画像を取得するためのライブ撮像デバイス（３３）と、
   手術中の前記トラッカ要素の位置の前記取り込まれたデータに従って、前記医用画像およびライブ画像を位置合わせ、混合するように適合された計算ユニット（２４）と、をさらに備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記処理ユニット（１２）が、前記少なくとも１つの医用画像（２５）を使用して前記少なくとも１つの形状（Ｓ）を計算するようにさらに適合される、請求項２に記載の装置。
4. 前記患者受容デバイス（１４）が、可動テーブル（２３）と、前記可動テーブル（２３）上に置くことができる付加製造された構造体（３１）と、を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記３Ｄ形状生成デバイス（１５）が、前記付加製造された構造体（３１）を一体品として付加的に構築するように適合される、請求項４に記載の装置。
6. 前記付加製造された構造体（２１）の内側形状が、前記患者の身体（１３）の前記外側輪郭形状（Ｓ）に少なくとも部分的に調整される、請求項４に記載の装置。
7. 前記付加製造された構造体（２１）の内側形状が、前記外側輪郭形状（Ｓ）から少なくとも部分的に逸脱し、前記患者の身体を所望の位置、向き、および／または形状（Ｄ）にする、請求項４に記載の装置。
8. 前記付加製造された構造体（３１）が、組み立て可能、分解可能および／または再組み立て可能な少なくとも２つの部材（４８、４９、５０、５１）を備える、請求項１に記載の装置。
9. 前記受容デバイス（１４）が、前記手術が行われる領域を露出させる開口部（４０）を備える、請求項１に記載の装置。
10. 前記トラッカ要素（１６）が、空間内の前記患者受容デバイス（１４）の前記位置および前記向きを示すように適合される、請求項１に記載の装置。
11. 前記３Ｄ形状生成デバイス（１４）が、前記少なくとも１つのトラッカ要素（１６）を付加的に構築するように適合され、前記少なくとも１つのトラッカ要素が、前記可動テーブル（２３）の表面および／または前記付加製造された構造体（３１）の表面に堅固に接続可能である、請求項４に記載の装置。
12. 前記トラッカ要素（１６）が、前記位置特定システム（２９）によって位置特定可能な離間したリフレクタ要素を備える、請求項１に記載の装置。
13. 前記位置特定システムが、空間内の前記少なくとも１つのトラッカ要素（２１）の前記位置および前記向きを三角法で決定するための少なくとも２つのカメラ（３７、３８）を備える、請求項１に記載の装置。
14. 患者の身体を位置決めし、手術中に前記患者の位置を追跡するための方法であって、
    前記患者の身体（１３）の少なくとも一部の外側輪郭形状（Ｓ）を取得するステップと、
    前記外側輪郭形状（Ｓ）に基づいて前記患者の身体（１３）を少なくとも部分的に受容するための患者受容デバイス（１４）のデータ表現（Ｍ）を生成するステップと、
    前記データ表現（Ｍ）に基づいて前記患者受容デバイス（１４）の少なくとも一部を付加製造するステップと、
    前記患者受容デバイス（１４）の前記位置および向きを示す少なくとも１つのトラッカ要素（１６）を前記患者受容デバイス（１４）に接続するステップと、
    手術中に前記少なくとも１つのトラッカ要素の位置を示すデータを取り込むステップと、を含む方法。
15. 前記患者受容デバイス（１３）を製造する前記ステップが、前記患者の身体（１３）の前記外側輪郭形状（Ｓ）に少なくとも部分的に調整され、および／または前記外側輪郭形状（Ｓ）から部分的に逸脱して、前記患者の身体（１３）を所望の位置、向き、および／または形状（Ｄ）にする内側形状を備える構造体（３１）を付加的に構築することを含む、請求項１４に記載の方法。

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