JP3198130B2

JP3198130B2 - 手術シミュレーションシステム

Info

Publication number: JP3198130B2
Application number: JP29147791A
Authority: JP
Inventors: 昭南大橋; 通孝菅原; 均佐藤; 和宏田村
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 1991-11-07
Filing date: 1991-11-07
Publication date: 2001-08-13
Anticipated expiration: 2016-08-13
Also published as: JPH05123327A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、医用画像を用いる手術
シミュレーションシステムに係り、特に手術の現実感を
創出できる手術シミュレーションシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】人体は３次元構造であるが、当初の医用
画像は、Ｘ線写真に代表されるように２次元への投影像
であり、その後Ｘ線ＣＴ、ＭＲＩ、超音波等に代表され
る医用画像により３次元の情報が得るようになった。

【０００３】しかし、これらの医用画像は断層像として
撮影されるため、画像１枚１枚はやはり２次元の画像で
あり、この断層像を複数枚撮影して組み合わせることに
より３次元画像が得られる。そこで、現状ではほとんど
の場合、医師は複数枚の断層画像を観察して自分の頭の
中で３次元画像を構築しているが、これには熟練を要
し、また定量的な把握は困難である。

【０００４】一方では、３次元画像の３次元としての表
示が行われている。特に仮想空間に３次元表示を行うこ
とは公知の技術であり、ＣＧ（コンピュータ・グラフィ
ックス）の分野で盛んである。３次元表示に関しては多
くの文献があるが、最新のものとしては、電気学会誌１
９９１年２月号に特集が組まれており、その中では医用
画像への応用についても触れている。

【０００５】医用画像における３次元表示は、両眼視
差、運動視差を利用する方式もあるが、表面表示が利用
される場合が多い。しかし、表面表示で問題になるの
は、画像を２値化していることである。すなわち、２値
化画像は濃淡像ではないため、診断にはあまり適してい
ない。

【０００６】このため、医用画像の３次元表示は、手術
シミュレーションシステムに応用したものが多い。例え
ば、１）腫瘍、血管、重要組織などを３次元表示して、その
位置、大きさを把握する２）骨の一部を切断、移動する場合の手術シミュレーシ
ョンを行うなどの手術シミュレーションシステムが、例えば“メデ
ィカル・イメージング・テクノロジー（Medical Imagin
g Technology）”１９８９年３月号および１９９０年６
月号に報告されている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】しかしながら、上述の手
術シミュレーションシステムは画像表示のレベルに止ま
っており、本格的な手術シミュレーションシステムとは
いえない。なぜならば、１）ＣＴ画像、ＭＲＩ画像など各種の画像にはそれぞれ
特色があり（例えばＣＴ画像は骨が、またＭＲＩ画像は
臓器が鮮明に投影される）、１種類の画像だけで手術に
掛かるすべての腫瘍、血管、重要組織などを実際の手術
時に目に写るような有様で撮影することは困難である。
そのためには複数の種類の画像を、それぞれの画像の利
点を生かしながら合成して表示（以下「合成表示」とい
う）することが必要であるが、このようなシステムは存
在していない。

【０００８】最近ではＰＡＣＳ（Picture Archiving an
d Communication System；医用画像保管通信システム）
により、複数の種類の画像をまとめて表示することも行
われているが、ＰＡＣＳではあくまでも画像を種類別に
独立に表示するのであり、ここでいう合成表示ではな
い。手術シミュレーションに必要な合成表示とは、複数
の種類の画像を１枚の画像に合成して表示することであ
る。

【０００９】２）表示方法が固定されており、表示にお
けるヒューマン・インターフェースが十分でない（操作
者が表示方法に変更を加えたりすることができない）。

【００１０】３）システムにメス、ドリルなどの模擬手
術具を取り入れ、かつこの模擬手術具を人体画像に重畳
して表示し、その模擬手術具を通して伝わる人体組織か
らの抵抗感や人体組織に触れたときの音の発生など、現
実感を伴う手術シミュレーションが体験できない。現実
感のあるシミュレーションシステムとしては、航空機の
飛行訓練のためのシミュレーションシステムがよく知ら
れているが、医用に応用したシミュレーションシステム
は未だに存在していない。

【００１１】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、適切な画像表示を含めて手術の現実感を創出できる
手術シミュレーションシステムを提供することを目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、操作者が握って動かすことのできる模擬手
術道具を備え、複数のモダリティの画像から手術対象部
分の各組織を含む画像を合成する画像合成手段と、前記
合成した画像を３次元表示する３次元画像表示手段と、
前記模擬手術道具をその動きを含めて前記画像に重畳表
示する重畳表示手段と、前記重畳表示手段において模擬
手術道具が組織に接したとき、両者の硬度に対応する音
を発生し、模擬手術道具に反発力を与える人工現実感創
出手段を具備する手術シミュレーションシステムを提供
する。

【００１３】

【作用】本発明の手術シミュレーションシステムは、モ
ダリティによってコントラストの高低がある人体組織に
ついて、複数のモダリティの画像を同じ位置、尺度、ず
れ角で合成するため、実際の手術時に目にすると同じ３
次元の人体組織像を鮮明に見ることができる。また、本
発明の手術シミュレーションシステムは実寸大の模擬手
術道具を装備してかつ人体組織とともに画像表示する。
そして、操作者がこれを握って動かすと、それに伴っ
て、画像上の模擬手術道具が移動して人体組織に触れ、
その際メス、ドリルなど模擬手術道具の種類と骨、軟組
織など人体組織の関係に基づき、実際の手術時に予想さ
れる音を発生し、また操作者が握る模擬手術道具に反発
力を与える。

【００１４】

【実施例】以下添付の図面を参照して本発明の実施例を
説明する。

【００１５】図１は、本発明の一実施例に係る手術シミ
ュレーションシステム１の構成図である。すなわち、制
御部２には画像合成部３、超並列処理装置４およびエキ
スパートシステム５が接続し、アトラスデータベース６
も重要組織認識部７を介して制御部２に接続する。ま
た、人工現実感発生部８も制御部２に接続するが、この
人工現実感発生部８には、３次元位置入力装置９、フォ
ースフィードバック（force-feedback）装置１０および
音声出力装置１１も接続し、さらに仮想空間表示部１２
も仮想空間作成部１３を介して人工現実感発生部８に接
続する。

【００１６】画像合成部３には複数のモダリティ（ＭＲ
Ｉ、ＣＴ、ＵＳ［超音波］、ＮＭ［核医学］等）の画像
デ−タが合成のために入力されるが、一方では理想的な
人体の３次元解剖図をディジタル化して保存するアトラ
スデータベース６からその解剖図データが重要組織認識
部７に出力される。重要組織認識部７では、入力してき
た解剖図デ−タから腫瘍、血管、臓器など複数の種類
（モダリティ）の画像にまたがって撮影される人体の重
要組織を認識し、その重要組織を制御部２を介して画像
合成部３に送る。

【００１７】画像合成部３は、送られてきた重要組織
と、制御部２を介して行われるエキスパートシステム
（学習によって得た人体組織に関する知識をデータベー
ス化した質問応答性能を示すシステム）５との応答をを
基に、複数のモダリティの画像の位置関係を把握し、こ
れらの画像を合成する。なお、重要組織認識部７、エキ
スパートシステム５および画像合成部３で大量のデ−タ
処理を必要とするときは、制御部２を介して超並列処理
装置４でそのデ−タ処理に掛かる高速演算が実行され
る。したがって本実施例の手術シミュレーションシステ
ム１では、必要な合成画像を高速で得ることができる。

【００１８】画像合成部３で形成された合成画像は、制
御部２と人工現実感発生部８を介して仮想空間作成部１
３に送られ、ここで指定された視線方向から見た３次元
画像にデ−タ変換される。そして、つづく仮想空間表示
部１２で仮想空間に３次元表示される。

【００１９】一方、３次元位置入力装置９は、メス、ド
リルなどの模擬手術具に連結し、操作者はこの模擬手術
具を握って３次元的に移動させる（操作する）ことがで
きる。また、仮想空間作成部１３は、操作者が３次元位
置入力装置９で操作する模擬手術具に対応した形状・動
きをする仮想手術具像を作成し、これを仮想空間表示部
１２で合成画像に重畳して３次元表示させる。したがっ
て、操作者は仮想空間表示部１２における合成画像と仮
想手術具像を見て、仮想手術具の像が目的の人体組織の
合成画像に接して手術目的に応じた動作をするよう模擬
手術具を操作するが、そうするとその模擬手術具の３次
元的動きは人工現実感発生部８と仮想空間作成部１３を
介して仮想空間表示部１２の仮想手術具像に反映され
る。

【００２０】ところで、実際の手術に当たっては、メス
やドリルなどの手術具が人体組織に触れ、動作するとき
は、その人体組織の硬さに応じて術者は抵抗を感じ、ま
た時には接触音、衝撃音（ドリルで骨を切削する音な
ど）が発生する。そこで人工現実感発生部８は、仮想手
術具とこの仮想手術が接触し、その中に分け入る人体組
織との関係から、操作者の握る模擬手術具への抵抗量
（フォースフィードバック）を求めてフォースフィード
バック装置１０に出力する。フォースフィードバック装
置１０は、人工現実感発生部８からの入力値に応じた抵
抗力を操作者の握る模擬手術具へ与える。

【００２１】また人工現実感発生部８は、同じく仮想手
術具とこの仮想手術が接触し、その中に分け入る人体組
織との関係から、実際の手術時に発生すると予想される
音のパラメータ（周波数、振幅等）をも算出し、音声出
力装置１１に出力する。音声出力装置１１は、その入力
値に応じた手術音を発生する。

【００２２】つぎに図２（Ａ）と（Ｂ）および図３
（Ａ）〜（Ｅ）を参照して、上述の画像合成部３で行わ
れる画像合成の方法を説明する。

【００２３】画像合成部３に入力される各モダリティの
画像は、スケール、撮影角度、撮影位置が異なるため、
これらを一致させないと画像を合成することはできな
い。そこで本実施例の手術シミュレーションにおいて
は、画像のスケール、撮影角度、撮影位置の基準となる
合成基準マーカを用い、画像間のスケール、撮影角度、
撮影位置を一致させた上で画像を合成する。以下ＣＴ画
像とＭＲＩ画像を合成する場合を例にとって説明する。

【００２４】図２（Ａ）の斜視図および図２（Ｂ）の平
面図に示した合成基準マーカ２０は、アルミニウム製の
Ｌ字型容器２１であり、中空部には水２２を満たす。ア
ルミニウムはＸ線ＣＴ撮影時にいわゆるＣＴナンバー
（濃度）が高く、逆にＭＲＩ画像においては、アルミニ
ウムは濃度が低く水の濃度が高くなる。よって、合成基
準マーカ２０は、Ｘ線ＣＴ装置においてはＭＲＩ装置に
おいても、高コントラストの画像になる。

【００２５】画像合成器３には、合成基準マーカ２０を
側において撮影した、図３（Ａ）に示すＣＴ画像２３と
図３（Ｃ）に示すＭＲＩ画像２４が入力される。図中、
符号ＲＯＩ１とＲＯＩ２はそれぞれ、同一の撮影位置
（スライス）における別々の関心領域である。そこで画
像合成器３では、まずＣＴ画像２３中の合成基準マーカ
２０の容器２１と容器２１に収容された水２２の角度の
ずれを調べ、ずれ角θだけ反時計回りに回転させて、図
３（Ｂ）に示すＣＴ画像２７を得る。

【００２６】つぎに、画像合成器３は、図３（Ｂ）のＣ
Ｔ画像２３における容器２１の内側寸法ａと図３（Ｃ）
のＭＲＩ画像２４の水２２においてその内側寸法ａに対
応する寸法ｂを比較し、両画像のスケールの一致を調べ
る。ここではａ＞ｂであるため、図３（Ｃ）のＭＲＩ画
像２４をａ／ｂ倍に拡大して、図３（Ｄ）に示すＭＲＩ
画像２８を得る。その結果、図３（Ｂ）中の容器２１の
内側寸法ａと図３（Ｄ）中の水の寸法ｂ´は等しくな
る。

【００２７】最後に、画像合成器３は、ＣＴ画像２７と
ＭＲＩ画像２８が同一のスケール・撮影角度になったた
め、両者を重ね合わせて合成し、図３（Ｅ）に示す合成
画像３０を得る。

【００２８】つぎに、仮想空間表示部１２における３次
元表示の例を説明する。図４（Ａ）は手術対象である頭
部全体の表面表示（３次元表示の一種）である。この画
面は任意の方向に回転させて任意の方向から観察するこ
とができる。

【００２９】実際の手術においては、この頭部表面を切
開していくわけであるから、シミュレーションの際は、
表面を切開した頭部内部の像が欲しい。本実施例におい
ては、図４（Ｂ）に示すように、任意の方向から任意の
大きさの穴を開けることができる。そして、穴の奥の像
については、以下に複数の種類の表示方法を用意してお
り、これらは操作者が適宜選択することができる。また
穴以外の部分については表面表示が多いが、他の表示方
法も可能である。

【００３０】本実施例においては、穴の奥の像につい
て、３種類の表示方法が可能である。１）図５（Ａ）に示す断層面の濃淡画像：穴の奥の全領
域について、断層面のグレーレベル濃淡表示を行う。断
層面は穴の深さ方向において任意に設定可能である。濃
淡画像は空間分解能、密度分解能に優れているため、所
定深さの位置におけるすべての組織を詳細に観察するこ
とができる。

【００３１】２）図５（Ｂ）に示す組織の疑似３次元画
像：特定の腫瘍、組織などを人間が穴から覗いたように
疑似３次元で表示する。表示に掛かる腫瘍、組織など
は、予め指定しておくと、重要組織認識部７が腫瘍や組
織をとらえて事前に３次元画像を作成しておく。この３
次元画像の作成に当たっては、その組織を認識・観察し
やすいモダリティの医用画像を用いる。疑似３次元画像
は、組織全体を把握するのに適しているため、腫瘍と血
管の位置関係等を確認することができる。

【００３２】３）図５（Ｃ）に示す組織の濃淡画像：先
の２）疑似３次元画像のときと同様に指定した腫瘍、組
織が、１）と同様の濃淡表示される。２）の疑似３次元
画像によって腫瘍と血管の位置関係等を確認した後、腫
瘍等をより詳細に確認する場合に適している。

【００３３】以上３つの表示方法はそれぞれに長所・短
所がある。このため、従来のようにただ１種類の表示方
法では手術シミュレーション用としては適当でないが、
本実施例によれば、場合に応じて適切な表示方法を選択
できるという利点が生まれる。

【００３４】ついで、半透明３次元表示（半透明表示）
について説明する。疑似３次元表示の一つに半透明表示
がある。半透明表示とは、例えば骨を半透明、内部の腫
瘍などを表面表示することにより、骨を透かして内部の
腫瘍などを観察できるようにする表示方法である。本実
施例では半透明にする部分を組織ではなく、表面からの
任意の深さで指定する。

【００３５】よって、先の図４（Ａ）は手前の頭骨の透
明度が０の半透明表示とみなすこともでき、図６はこの
図４（Ａ）の観察者から見た深さと透明度の関係をグラ
フで示したものである。すなわち、この場合は手前の頭
骨より浅いところで透明度が０になっているため、手前
の頭骨の表面だけがみえ、頭骨内部の様子は観察できな
い。

【００３６】また先の図５（Ａ）は、頭骨およびその内
部組織全体を球とみなしたときの上部の半球が透明な半
透明表示とみなすこともできる。図７は、この図５
（Ａ）の観察者から見た深さと透明度の関係をグラフで
示したものであり、この場合は手前の頭骨および中央の
組織まで透明度が０で、それより深い部分は不透明のた
め、ほぼ中央の断面が観察できる。

【００３７】図８は、透明度を段階的に変化させた場合
の深さと透明度の関係を示すグラフである。この図にお
いては、手前の頭骨より浅いＰ１の深さまでは透明であ
るから、深さＰ１までの部分は表示されない。一方、深
さＰ１から深さＰ２（手前側頭骨からいくらか中央部に
向けて進んだ位置）まではほぼ半分の透明度であるか
ら、この間の組織は半透明で表示される。そして、深さ
Ｐ２より深くなると透明度が０であるから、この深さＰ
２の位置で断面が表示される。

【００３８】本実施例の手術シミュレーションシステム
においては、２つの深さＰ１（半透明）とＰ２（透明度
０）を任意の深さに設定でき、仮想空間作成部１３と仮
想空間表示部１２はその設定に応じた半透明画像を作成
し、表示する。よって、観察目的に応じて任意の深さの
組織を任意の透明度で表示させることができる。

【００３９】図９は、深さＰ１と深さＰ２間の透明度を
可変にした場合の深さと透明度の関係を示すグラフであ
る。深さＰ１から深さＰ２にかけては、透明度が連続的
に低下している。この場合、Ｐ１とＰ２の位置およびそ
れぞれの透明度Ｔ１とＴ２は任意に設定できる。

【００４０】ところで、上述の表面表示、半透明表示等
の３次元表示は、画像を種々の視線方向に対応して回転
表示することにより、体内の病巣および重要組織（血
管、神経、臓器）の位置、大きさ、ならびに両者の位置
関係を把握することができ、医用上有用な表示となる。
そしてその回転表示に当たっては、従来３次元画像デ−
タの中心座標を中心として回転していた。

【００４１】しかし、この回転方法では、注目する領域
（病巣、重要組織等）が中心座標から離れているとき
は、その領域が回転に伴って移動するため、その注目領
域周辺の状態を観察しずらくなる。

【００４２】そこで、本実施例における手術シミュレー
ションシステムにおいては、図１０（Ａ）に示すよう
に、頭蓋骨４０内の病巣４１を注目領域とした場合、こ
の病巣４１を回転表示の中心点とする。図中、符号４２
は病巣４１周辺の血管であり、回転中心は破線の円で囲
んだカーソル４３で表示される。

【００４３】このためには、手術シミュレーションシス
テムの操作者は、まず図１の３次元位置入力装置９か
ら、病巣４１を注目領域として指定する。すると、その
注目領域（病巣４１）の座標と３次元画像デ−タ表示上
の中心座標との３次元空間上のズレ（ｘ座標、ｙ座標、
ｚ座標において、それぞれｌ，ｍ，ｎだけズレていると
する）が計算される。

【００４４】つぎに操作者は、種々の視線方向（回転角
度）を同じく３次元位置入力装置９（例えば３次元ジョ
イスティックから入力する。このとき回転に伴って拡大
や縮小をすることもできる。手術シミュレーションシス
テムでは、回転角度が入力される度に、次の３次元アフ
ィン変換の式

【００４５】

【数１】

【００４６】（ここでｘ，ｙ，ｚは回転移動前の画像１
画素のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標、ｂ，ｃ，ｄ，ｆ，ｇ，
ｈは回転角度のパラメータ、ａ，ｅ，ｉは拡大または縮
小変換のパラメータを表す。）により、病巣４１を回転
の中心（カーソル４３内）として回転を行い、例えば図
１０（Ｂ）に示すような回転画像が得られる。

【００４７】よって、本実施例の手術シミュレーション
システムによれば、病巣など注目する領域を中心に回転
表示ができるため、画像を見ながらの手術計画や手術シ
ミュレーションを容易に行える。

【００４８】本実施例における回転表示は、特に定脳位
手術（ステレオタクティクス）に応用できる。定脳位手
術は頭蓋骨に小さな穴を開けてそこから針状の治療器具
を挿入し、薬液を流し込んだり、出血を吸い上げたりす
る手術である。

【００４９】この定脳位手術で重要なのは、前述の治療
器具を目的の位置に確実に到達させることの他に、到達
に至るまでの経路において、他の組織への影響をできる
だけ少なくすることである。本実施例の手術シミュレー
ションシステムによれば、種々の回転表示により、回転
中心の組織に至る経路とその経路を通過する際の他組織
への影響を調べ、事前に最も他組織への影響が少ない治
療器具挿入経路を見つけ出すことが容易にできる。

【００５０】さらに、本発明の手術シミュレーションシ
ステムにおいては、視覚に訴える３次元画像表示の他
に、現実の手術に当って術者が体験するメス、ドリル等
による音、手応え等もつくり出すことができる。そこ
で、この実施例においては、このため、（１）３次元画
像デ−タの濃淡値を組織の硬さ（骨等）に関係づける手
段、（２）手術対象である組織の硬さに基づき、実際の
手術時に発生する音を合成して、操作者の耳に入れる手
段、および（３）手術対象である組織の硬さに基づき、
実際の手術時に発生する手術道具に対する手応えを合成
して、操作者に感じさせる手段の３つの手段を取り入れ
る。

【００５１】図１１は、この実施例に係る手術シミュレ
ーションシステムの概要を大まとめにして示したもので
ある。図中、デ−タ処理部５０は、図１における制御部
２、画像合成部３、超並列処理装置４、エキスパートシ
ステム５、アトラスデ−タベース６、重要組織認識部
７、人工現実感発生部８および仮想空間作成部１３を含
むもので、複数のモダリティ（ＣＴ、ＭＲＩ等）の画像
デ−タが入力されるとともに、この手術シミュレーショ
ンに係る種々の操作デ−タを入力される。

【００５２】一方、デ−タ処理部５０は、仮想空間表示
部１２および操作者ＯＰが手に握る模擬手術道具５１を
含むマニピュレータ部５２と接続する。仮想空間表示部
１２では、符号ＦＤで示す正面図（患者Ｐと模擬手術道
具５１を重畳した画像）が表示される。ここで、仮想空
間表示部１２は、実際には操作者ＯＰの眼前の操作卓５
４におけるやや斜めに倒れたディスプレイ５５であり、
正面図ＦＤはこのディスプレイ５５中に表示される。

【００５３】図１２はマニピュレータ部５２の構成図で
ある。すなわち、マニピュレータ部５２は模擬手術道具
５１に接続する３次元位置検出装置５７、および３次元
位置検出装置５７とともにデ−タ処理部５０に接続する
音声発生部５８と力発生部５９、ならびに音声発生部５
８に接続するスピーカ６０を備え、力発生部５９は模擬
手術道具５１に接続する。

【００５４】よって、図１との対応で述べると、模擬手
術道具５１と３次元位置検出装置５７は３次元位置入力
装置９に、音声発生部５８とスピーカ６０は音声出力装
置１１に、また力発生部５９と模擬手術道具５１がフォ
ースフィードバック装置１０に相当する。

【００５５】３次元位置検出装置５７は、模擬手術道具
５１の位置と動きを検出し、デ−タ処理部５０に送る。
よって、デ−タ処理部５０は、模擬手術道具５１の動き
に応じて、仮想空間上の模擬手術道具５１の画像を変更
・表示し、これとともに模擬手術道具５１が接している
画像上の画素値と模擬手術道具５１の動きを力発生部５
９および音声発生部５８に送る。

【００５６】音声発生部５８では、デ−タ処理部５０か
ら送られてきた画素値と模擬手術道具５１の動きを模擬
手術道具５１の種類と関連づけ、手術の際に発生する音
（音質、音量等）をスピーカ６０を通して発生する。

【００５７】また、力発生部５９では、デ−タ発生部５
０から送られてきた画素値と模擬手術道具５１の動きを
模擬手術道具５１の種類と関連づけ、手術の際に発生す
る力（反発力、振動）を模擬手術道具５１を通して駆動
し、力を発生する。

【００５８】そして、これら音声発生部５８と力発生部
５９の出力（音量、音質、反発力、振動等）は、図示し
ないスイッチを操作して増減することができる。

【００５９】上述の音声発生部５８と力発生部５９で
は、一般に軟らかいものより硬いものを加工する際に発
生する音や反発力の方が大きいことから、手術対象とす
る組織の硬さ（画素値で判断できる）に基づいて手術時
に予想される音や反発力を発生する。

【００６０】図１３（Ａ）のグラフは、横軸が画素値、
縦軸が音量を示す。Ｘ線ＣＴ画像においては、被写体の
Ｘ線吸収値の分布は、ハンスフィールドナンバーと呼ば
れる値（空気＝−１０００、水＝０とする）に変換され
る。人体の骨組織（多量のＣａを含む）はＸ線をよく吸
収して１０００程度のハンスフィールドナンバーを示
し、他の軟組織にあっては４０程度のハンスフィールド
ナンバーとなることから、ハンスフィールドナンバーの
高い組織は硬いという傾向が認められる。そこで本実施
例においては、ハンスフィールドナンバーを基に、画素
値（−２０４８〜２０４７）から組織の硬さに対応する
音量および反発力を発生させる。

【００６１】すなわち、手術を行う際に発生する手術音
は、主に硬いものを砕く音、つまり骨を加工する際に発
生する音であるから、画素値が５００〜１０００程度の
骨組織の吸収値帯域において音を発生させ、画素値の増
加に伴って音量の出力を上げていく。この際手術道具の
種類に応じた変換テーブルを用意して、硬い組織を加工
する際には音色を高くするなどの変化を加えることもで
きる。

【００６２】他方、図１３（Ｂ）に示す反発力の大きさ
については、実際の手術時には、硬いものの加工には力
を要し、また軟らかい組織でも接触すれば感触はある。
そこで、手術対象となる組織の画素値（０〜１０００程
度）で力を発生させ、画素値の増加とともに徐々に出力
を大きくしていく。また特に硬い骨の加工にあっては、
振動も発生させる。これは手術道具の種類に応じた変換
テーブルを用意して、振動の振幅等を調整し、反発力に
合成する。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の手術シミ
ュレーションシステムによれば、実際の手術時に目にす
ると同じ３次元の人体組織像を鮮明に見ることができ、
かつ実際の手術時に予想される音を発生し、また操作者
が握る模擬手術道具に反発力を与えるため、極めて現実
感のある有効な手術シミュレーションを行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る手術シミュレーション
システムの構成図。

【図２】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ合成基準マーカの斜
視図と平面図。

【図３】（Ａ）はあるスライス位置におけるＣＴ画像を
示す図、（Ｂ）は（Ａ）のＣＴ画像をずれ角分回転した
ＣＴ画像を示す図、（Ｃ）は（Ａ）のＣＴ画像と同一ス
ライス位置におけるＭＲＩ画像を示す図、（Ｄ）は
（Ｃ）のＭＲＩ画像を拡大したＭＲＩ画像を示す図、
（Ｅ）は（Ｂ）のＣＴ画像と（Ｄ）のＭＲＩ画像を合成
した画像を示す図。

【図４】（Ａ）は頭部全体の表面表示像、（Ｂ）〜
（Ｈ）はそれぞれ頭部に種々の方向から種々の大きさの
穴を開けたときの表面表示像を示す図。

【図５】（Ａ）は頭部断層面の濃淡画像、（Ｂ）は組織
の疑似３次元画像、（Ｃ）は頭部組織の濃淡画像を示す
図。

【図６】図４（Ａ）の観察者から見た深さと透明度の関
係を示すグラフ。

【図７】図５（Ａ）の観察者から見た深さと透明度の関
係を示すグラフ。

【図８】頭部断層面濃淡画像において透明度を段階的に
変化させる場合の深さと透明度の関係を示すグラフ。

【図９】頭部断層面濃淡画像において２つの深さ位置間
の透明度を連続的に変化させる場合の深さと透明度の関
係を示すグラフ。

【図１０】（Ａ）は病巣を含む頭蓋骨の３次元画像を示
す図、（Ｂ）は（Ａ）の画像を病巣を中心として回転し
た画像を示す図。

【図１１】操作卓の一部斜視図を含む上記手術シミュレ
ーションシステムの構成図。

【図１２】上記手術シミュレーションシステムにおける
マニピュレータ部の構成図。

【図１３】（Ａ）と（Ｂ）はそれぞれ画素値と音量およ
び反発力の関係を示すグラフ。

【符号の説明】

３画像合成部６アトラスデータベース７重要組織認識部９３次元位置入力装置１０フォースフィードバック装置１１音声出力装置１２仮想空間表示部２０合成基準マーカ４１病巣５１手術道具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤均栃木県大田原市下石上1385番地の１株式会社東芝那須工場内 (72)発明者田村和宏栃木県大田原市下石上1385番の１東芝メディカルエンジニアリング株式会社内 (56)参考文献特開平３−98080（ＪＰ，Ａ) 国際公開91／4711（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 19/00 G09B 9/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】操作者が握って動かすことのできる模擬
手術道具を備え、複数のモダリティの画像から手術対象
部分の各組織を含む画像を合成する画像合成手段と、前
記合成した画像を３次元表示する３次元画像表示手段
と、前記模擬手術道具をその動きを含めて前記画像に重
畳表示する重畳表示手段と、前記重畳表示手段において
模擬手術道具が組織に接したとき、両者の硬度に対応す
る音を発生し、模擬手術道具に反発力を与える人工現実
感創出手段を具備する手術シミュレーションシステム。
【請求項２】請求項１記載の手術シミュレーションシ
ステムで使用される画像合成方法であって、（１）複数
のモダリティの画像においてそれぞれ十分なコントラス
トで表示される部分を含む合成基準マーカを準備する工
程と、（２）この合成基準マーカを含めて被検体につい
て複数のモダリティの画像を得る工程と、（３）前記複
数のモダリティの画像をこれらの画像中の合成基準マー
カの大きさと角度のずれが解消するように回転、縮小・
拡大しながら重ね合せる工程を含む画像合成方法。
【請求項３】前記３次元画像表示手段は、手術対象を
表面表示する手段と、この手術対象の任意の表面に任意
の方向から任意の大きさの穴を開ける手段と、前記穴の
中の画像について、穴の奥部断層面の濃淡像、穴内の所
定組織の疑似３次元像、穴内所定組織断層面の濃淡像等
の３次元表示モードの内の任意のモードで表示する手段
を備える請求項１記載の手術シミュレーションシステ
ム。
【請求項４】前記３次元画像表示手段は、手術対象を
手前から任意の深さまで任意の透明度で半透明表示する
手段を含む請求項１記載の手術シミュレーションシステ
ム。
【請求項５】前記３次元画像表示手段は、手術対象画
像をその中の任意の点を中心として任意の角度だけ回転
して表示する手段を含む請求項１記載の手術シミュレー
ションシステム。
【請求項６】前記人工現実感創出手段は、模擬手術道
具の種類、模擬手術道具の位置と移動量、模擬手術道具
が接した人体組織の画素値を関連づけて、模擬手術道具
と人体組織の接触に対応する適当な音と反発力を発生す
る手段を含む請求項１記載の手術シミュレーションシス
テム。