JP3269578B2 - 計算器に支援された定位形顕微手術用の手術顕微鏡 - Google Patents

計算器に支援された定位形顕微手術用の手術顕微鏡

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、請求項１の上位概念に
示されている計算器に支援される定位形の顕微外科用の
手術顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】手術顕微鏡を用いた通常の顕微手術にお
いて、手術顕微鏡により観察された視野ないしは瞬時に
観察された解剖状態の解釈の際に問題が多く生ずる。所
期の手術執行を実施可能にする目的で、像を提供する種
々の検査法（コンピュータトモグラフＣＴ、核スピン共
鳴ＮＭＲ，……）を用いて得られた診断データと、瞬時
にのぞかれた視野とを相関づけなけらばならないことが
多い。そのため顕微鏡視野の解釈と分析は外科医には困
難であり時間がかかる。
【０００３】この問題の解決手段は、定位法の使用に基
づいており、これによって手術中に診断データの迅速な
利用が可能になる。例えば米国特許明細書第４７２２０
５６号に手術顕微鏡ないしは操作法が示されている。こ
こでは反射結像装置を用いて、観察された視野に手術前
の診断過程から得られた画像を重畳することができる。
この場合、手術顕微鏡と患者との間の相関づけが、即ち
のぞかれた視野の座標の検出が、超音波発振器を用いた
手術顕微鏡空間座標の測定により行われる。次に手術顕
微鏡の空間座標から、その都度の実際の光学系データを
介して空間中の視野の位置が決定される。この場合、当
該の対象細部が視野平面に存在することが前提とされ
る。
【０００４】しかし視野の局所化および相応の診断デー
タとの相関化のための上記の方法は、重大な欠点を有す
る。例えば手術顕微鏡の光学系による結像は常に幾らか
の焦点深度を伴う。これは例えば神経外科においては慣
用の拡大率の場合は１０分の１ｍｍより小さい値から数
ｃｍまでの範囲にわたることがある。ところで手術の経
過中に解剖の詳細が必要になると、外科医は顕微鏡を相
応の個所へフォーカシングするが、前述の焦点深度、可
能な遠近調節ならびに光学系における光学的許容誤差に
起因して、当該の対象細部と集束面との間の多少の不正
確さを予期しなければならない。そのためこの種の装置
によって当該の対象細部の高い精度の直接測定は可能に
ならない。また手術顕微鏡による信頼できる目標到達も
保証されない。この装置の別の欠点は、手術中の外科医
をわずらわせる、手術顕微鏡における超音波発振装置の
複雑な構造である。
【０００５】この問題に対する類似の解決手段がドイツ
連邦共和国特許出願公開公報第４０３２２０７号に示さ
れている。ここでは多関節機構により支持された手術顕
微鏡の正確な空間位置が、この多関節機構の検出器を用
いて求められる。これらの検出器は可動のエレメントの
運動方向および距離を検出する。この場合、空間におけ
るのぞかれた観察視野の正確な位置は、検出器信号から
手術顕微鏡座標を求めることによって、ならびに検出さ
れた光学系のデータたとえば瞬時のフォーカシング状態
によって求められる。この場合、当該の対象細部へフォ
ーカシングを行った後の光学系のデータだけから視野位
置を求めることは、前述と同じ不正確さを伴う。焦点深
度の問題、生理学的な知覚特性ならびに装置における光
学的許容誤差により、この場合も、のぞかれた視野の正
確な位置測定、例えば視野の直接的な測定は可能になら
ない。
【０００６】
【発明の解決すべき問題点】本発明の課題は、のぞかれ
た視野の座標を正確に検出し、ひいてはこれと、像を形
成する診断過程からの相応の診断データとの相関化を可
能にする手術顕微鏡を提供することである。この場合、
座標検出の精度は、像を提供する診断過程の解像限界へ
調整すべきである。さらに重要なコンポーネントは手術
顕微鏡の光学系に統合化すべきである。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】この課題は請求項１の
特徴部分に示された構成を有する手術顕微鏡により解決
される。
【０００８】本発明の重要な構成は、照準法を用いて、
選択されてマーキングされた対象細部と、その都度の視
野平面とを重畳させることにある。このことが保証され
ていると、手術顕微鏡の光学系データから、手術顕微鏡
に対する対象細部の相対位置が測定される。このために
は付加的にさらに手術顕微鏡の正確な座標と配向を知る
ことが必要である。このために本発明の手術顕微鏡を多
関節支持台に配置するのが好適である。この場合、この
多関節支持台の変位および角度検出器が、手術顕微鏡位
置および配向の正確な検出に用いられる。これによって
手術顕微鏡の精確な空間位置がわかると、先行の較正測
定の結果を用いて、患者座標系における、観察された対
象細部、即ちのぞかれた視野の位置が検知できる。この
種の較正測定の場合、像を提供する診断法により同様に
検出された、患者座標系における既知の点が、前述の照
準法を介して測定される。次に手術前に準備された診断
データセットから、検出された視野の位置と大きさに相
応する診断像が、相応の反射結像装置を介して観察ビー
ム路に反射結像できる。これによって診断像と観察され
た視野との重畳が可能となる。代替的にこの種の図形表
示を、別個の診断モニタ上で行うこともできる。そのた
め計算器に支援される定位形の手術顕微鏡の使用が保証
される。
【０００９】この種の照準法は次のようにして可能にな
る。即ち観察ビーム路に、視野平面の相対位置と、対象
細部に投射されたレーザ光線の位置とを示すマーキング
を反射結像することによって前記の照準法が可能にな
る。この目的で手術顕微鏡視野平面の正確な位置が、例
えばレーザ三角法方式による光学基台上の位置検出装置
を用いて求められる。このために対象表面から散乱され
たレーザ光線の位置が、局所解像用の位置検出器におい
て評価される。対象と顕微鏡とのその都度の距離変化な
いしは顕微鏡のその都度のフォーカシングによって、位
置検出器に結像されるレーザ光線の横方向の変位が生じ
る。専用のプロセス制御により検出された、位置検出器
におけるレーザ光線の実際位置ならびに視野平面と対象
細部とが一致する目標位置が、画像処理装置を介してＴ
Ｖディスプレー上に表示されて手術顕微鏡の観察ビーム
路に反射結像される。
【００１０】手術顕微鏡のフォーカシングおよびデフォ
ーカシングにより、これらの両方のマーキングが重ね合
わされ、これにより確定した視野マーキング、即ち対象
細部の一義的な位置が保証される。この場合、フォーカ
シングは使用された対物レンズ装置の焦点距離変化によ
り行われる。しかし手術顕微鏡全体を光軸に沿って変位
させることもできる。この照準法の後はじめて、マーキ
ングされた対象細部の正確な位置が光学系データから求
められる。光学系データ、例えば倍率装置の実際の拡大
率および設定された主対物レンズの焦点距離は、その都
度の調整用の駆動ユニットにおける適切な変位ないしは
角度検出器により求められる。これにより、観察された
対象細部の、手術顕微鏡に対する相対位置が精確に測定
される。これにより手術顕微鏡空間座標と、患者におけ
る所要の先行の較正とにより、患者座標系における正確
な対象細部の位置が求められる。
【００１１】このようにして求められた情報の有利な処
理は、位置および配向に関して精確に求められた視野と
相応の診断像（ＣＴ，ＮＭＲ，……）との相関化により
行われる。これらは、例えば実際の手術顕微鏡光学系デ
ータ、例えば倍率等の考慮の下に、観察された像部分に
重畳される。ここでこの重畳はこれらを観察ビーム路に
反射結像させることにより行われる。
【００１２】さらに好適であると示されていることは、
倍率系およびフォーカシング部の機械的許容偏差ならび
に光学系の調整エラーを、この種の手術顕微鏡の組み立
ての際に基準測定において検出してプロセス制御におい
て考慮することである。照準中、即ち光学装置のフォー
カシング中、実際の視野平面およびマーキングされた対
象細部の座標を検出する時に、基準測定において検出さ
れたエラーが連続的に考慮されて図形表示の際に相応に
補正される。
【００１３】同じく有利であると示されているのは、表
示マーキングの反射結合を双眼鏡チューブと拡大変換器
との間で行うことである。
【００１４】レーザ三角法方式による位置検出装置は、
不可視のスペクトル範囲において、例えば赤外線の近傍
で動作させると好適である。これにより、高エネルギー
のレーザを使用する必要が回避される。これは、投射さ
れるレーザビームを対象へ一義的に局所化するために、
手術顕微鏡視野における高い照射度を考慮すると必要と
されているものである。さらに相応に感応する位置検出
器において、この検出器が当該のレーザビームの情報だ
けを処理し、例えば漂遊光によるエラー情報を評価しな
いことが保証される。
【００１５】次に本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。
【００１６】
【実施例】図１には、計算器に支援された定位形顕微手
術内で本発明による手術顕微鏡１を使用する場合の配置
例が示されている。ここでは本発明の手術顕微鏡１は、
専用の多関節支持体２に取り付けられている。この支持
体は手術顕微鏡１の、全部で６つの自由度の操作を可能
にする。使用される多関節支持台２に対して重要なこと
は、組み込まれた変位および角度検出器を用いて、常
時、実際の空間座標の検出ならびにそれに取り付けられ
た手術顕微鏡１の配向付けが可能になることである。入
力された検出器信号からの手術顕微鏡空間座標の検出お
よび配向付けは計算器によって行われる。この計算器は
プロセス制御装置３として用いられ、この図示されてい
る装置においては多関節支持台２の台座部に収容されて
いる。プロセス制御装置３には画像処理４が接続されて
いる。この画像処理装置は位置検出装置の信号を、この
図には示されていないＴＶディスプレーへ図形的に変換
する。ここではこのＴＶディスプレーを手術顕微鏡の観
察ビーム路に組み込むことができる。さらに診断モニタ
５に、のぞかれた視野が、手術顕微鏡１の相応のカメラ
出力側を介して表示され、視野の座標および位置測定の
後に、例えば手術中に再生される相応の診断像と重畳さ
れる。この再生された診断像は前述の様に選択的に、手
術顕微鏡１の観察ビーム路にあるＴＶディスプレーを介
して表示することができる。この場合、画像処理装置４
はさらに、手術前に準備された診断データセットから成
る、表示されるべき診断像の再生を行う。これによって
手術中の診断データのオン・ライン使用が外科手術の実
施中に可能となる。この種の手術の場合に、例えば脳手
術の際に患者の再現可能な頭部位置を保証する目的で、
手術台８の上に置かれた患者の頭部が特別な定位フレー
ム７により固定される。このフレームは手術台８と固定
的に結合できる。さらにこの定位フレーム７は局所限定
の補助として、手術前の診断データセットを準備する際
に用いられ、これによってこの診断データとのぞかれる
視野との相関化が可能になる。
【００１７】図２に本発明の手術顕微鏡１の実施例の正
面図が示されている。ここには計算器に支援される定位
形顕微手術内のこの種の手術顕微鏡の操作に必要とされ
る評価ユニットも示されている。本発明による手術顕微
鏡は、この実施例においては、立体視用の別個の２つの
観察ビーム路に対して、凸レンズ９と凹レンズ１０から
成る２部材の主対物レンズを有する。両方の主対物レン
ズ９，１０は、フォーカシングの目的で、光軸１８に沿
って互いに変位可能である。さらにズーム装置１１ａ，
１１ｂが、両方の観察ビーム路の各々に対して、拡大設
定を変化させる目的で設けられている。両方の観察チュ
ーブには、さらにチューブレンズ１２ａ，１２ｂならび
に接眼レンズ１３ａ，１３ｂが、観察ビーム路に対して
設けられている。実際の光学系データを求める目的で検
出器１５，１６が用いられる。これらの検出器はズーム
１１ａ，１１ｂおよび主対物レンズ９，１０の実際の設
定を、所属のそれぞれの調整エレメント３３，３４にお
いて検出して、プロセス制御装置３の計算器へ転送す
る。主対物レンズ９，１０とズーム装置１１ａ，１１ｂ
との間にはレーザ三角法方式による位置検出装置が設け
られている。図示されていないレーザダイオードによっ
て形成されたレーザビームは偏向ミラー１７を介して主
対物レンズ９，１０を通って対象表面１９へ投射され
る。対象表面１９によって散乱されたレーザビームは、
両方の立体視観察ビーム路の一方において、出力結合エ
レメント２０を用いて観察ビーム路から出力結合され
て、フィルタ２１と投射レンズ２２を介して、適切な局
所解像用の位置検出器２３へ結像される。位置検出器と
して例えばＣＣＤライン形式配列体、面形式配列体、ま
たは位置感応形の検出器ＰＳＤが用いられる。ここに図
示されている光学式位置検出装置は本発明の対象ではな
い。入力および出力結合されるビーム路の配置の別の択
一的な構成ないしは手術顕微鏡光学装置へ一体化できる
別の公知の光学的位置検出装置も可能である。
【００１８】位置検出器２３に反射されたレーザビーム
の実際位置は、プロセス制御装置の計算器３における検
出信号の評価および画像処理装置４における後続処理の
後，ＴＶディスプレー３１に図示される。ＴＶディスプ
レー３１には、位置検出器２３に散乱されるレーザビー
ムの目標位置も表示される。ここでこの散乱されたレー
ザービームは、視野平面２４およびマーキングされた対
象細部１９が一つの平面に存在する時にこの目標位置を
とる。対象細部の確定的な測定を保証するためには、位
置検出器２３に散乱されたレーザビームの実際位置およ
び目標位置の両方の図形マーキングが重ならなければな
らない。これは手術顕微鏡１のフォーカシングにより行
われる。この場合、このフォーカシングがどのように行
われるかは本発明の本質ではない。即ち可変の焦点距離
を有する対物レンズのフォーカシングのほかに、固定の
焦点距離を有する対物レンズが用いられる時は、手術顕
微鏡１の全体を光軸１８に沿って移動することもでき
る。外科医に、フォーカシングのために必要とされる補
助位置を与える目的で、ＴＶディスプレー３１における
表示が反射結像装置を介して、両方の観察ビーム路の少
なくとも１つに反射結像される。位置検出器２３におけ
るレーザ光線の目標位置および実際位置のこの反射結像
は、投射レンズ２５、入力結合エレメント２６およびチ
ューブレンズ１２ｂを介して双眼鏡チューブの中間画像
面３２に行われる。ここで、のぞかれた顕微鏡視野と、
位置検出器２３に散乱されるレーザ光線の目標位置およ
び実際位置の表示とが観察者のために互いに重ねられ
る。これらの両方のマーキングが手術顕微鏡１の相応の
フォーカシング調整により重ねられてはじめて、光軸１
８において、マーキングされた対象細部の確定的な位置
測定が行われる。この目的で、光学系ユニットのズーム
１１ａ，１１ｂおよび主対物レンズ９，１０における検
出器１５，１６が読出されて、プロセス制御装置３によ
りさらに処理される。これによって、同時に決定された
手術顕微鏡１の空間および配向化座標と共に、多関節支
持台の変位および角度検出器を介して、マーキングされ
た対象細部ないしはのぞかれた視野の確定的な位置測定
が可能になる。
【００１９】評価精度の向上は次の構成によりさらに達
成される。即ちこの種の手術顕微鏡を組み立てる際に基
準測定において装置の光学的および機械的偏差をフォー
カシング調整の際に検出して記憶して、本来の測定の際
に評価に用いることにより達成される。
【００２０】第２の観察ビーム路における第２の出力結
合エレメント３３を介して、のぞかれた視野を適切なカ
メラで検出して診断モニタに表示することもできる。の
ぞかれた視野の前述の座標測定の後、診断モニタに、前
もって準備された相応の診断像を重畳することができ
る。画像処理装置４およびＴＶディスプレー３１を用い
て、観察ビーム路の、座標の求められた視野にこの種の
診断像を重畳することもできる。
【００２１】図３に、図２の手術顕微鏡の下部の側面図
が示されている。プロセス制御装置の計算器３を介して
制御されるレーザダイオード２８は、ビーム拡大および
成形のために用いられる２つのレンズ２７ａ，２７ｂを
介してレーザビームを偏向ミラー１７へ投射する。この
ミラーはレーザビームを主対物レンズ９，１０を介して
対象表面１９へ案内する。レーザ三角法方式による位置
検出装置の配置はこの実施例において発明の本質ではな
い。図２および図３に示された実施例においては、赤外
線スペクトル範囲において光を送出するレーザダイオー
ド２８が用いられる。このことは、散乱されるレーザダ
イオードの検出の場合に有利である。何故ならば波長選
択性の出力結合エレメント２０を用いて、散乱されたレ
ーザビームを所定のように観察ビーム路から分離できる
からである。使用されるレーザ波長だけを通過させる相
応のフィルタ２１を位置検出器２３の前方に設けること
により、さらに、周囲からの漂遊光が位置検出器２３へ
達して誤情報を生ぜさせないように、保証することがで
きる。
【００２２】図４の（Ａ），（Ｂ）、図５の（Ａ），
（Ｂ）にこの種の装置の種々のフォーカシング状態なら
びにＴＶディスプレーにおける相応の表示、または反射
結像された中間像における相応の表示が示されている。
図４のＡの場合は、マーキングされた対象表面１９と手
術顕微鏡視野平面２４が１つの平面にない。レーザビー
ムは偏向ミラー１７を介して光軸１８に沿って対象表面
１９へ投射される。散乱されたレーザビーム４０は、主
対物レンズ９，１０、出力結合エレメント２０、フィル
タ２１および投射レンズ２２を介して、位置検出器２３
において検出される。このレーザビームは、視野平面の
正確な測定に必要とされる位置をまだ有していない。こ
の状態の、画像処理装置を介してＴＶディスプレーへの
ないし反射結像された中間像への図形的変換が、図５の
Ａに示されている。視野の中心では、開いた照準十字線
２９が、位置検出器２３に散乱されるレーザビーム位置
に対する目標状態をマーキングする。ここでこの目標状
態は、マーキングされた目標細部１９と手術顕微鏡の視
野平面２４とが一致する場合に得られる。位置検出器２
３に散乱されたレーザビームの実際の位置は、ＴＶディ
スプレー上ないしは反射結像された中間像における十字
３０の位置によりマーキングされる。光学系のフォーカ
シング調整により外科医は、これらの両方のマーキング
を重ね合わせる。これはマーキングされた対象細部が位
置光軸１８において所定の位置をとるようにするためで
ある。この状態が図４のＢに示されており、さらに重ね
合わせたマーキング２９，３０が図５のＢに示されてい
る。この一致が得られると直ちに相応の検出器１５，１
６から読出される光学系データを用いて、視野手術顕微
鏡１に対する平面２４の相対位置が測定される。次に、
このようにして求めた手術顕微鏡１の空間および配向座
標と、および先行の較正測定の空間および配向座標とに
より、患者座標系において観察された対象細部の確定し
た測定が可能となる。前もって実施される較正測定の際
に、患者座標系における複数個の既知の点の位置が、本
発明による手術顕微鏡１を用いて測定される。これらの
測定された点を用いて、空間における患者の位置および
配向が測定できる。続いて本発明による方法で求められ
た視野座標により、適切な座標変換の後、のぞかれた視
野と、相応の診断データとの相関化が可能となる。
【００２３】手術顕微鏡の手動フォーカシングに代え
て、前述の照準法を自動フォーカシングの形式で実施す
ることができる。この場合、プロセス制御装置３が相応
の駆動装置を介してフォーカシングを引き受ける。
【００２４】最後にいくつかの構成を要約する：レーザ
三角法方式による位置検出装置が対物レンズと手術顕微
鏡の拡大装置の間に設けられている。さらにレーザ三角
法方式による位置検出装置が送信側にビーム源、ビーム
準備供給光学装置、ならびに偏向エレメントを含む。さ
らにレーザ三角法方式による位置検出装置が受信側に、
結像光学装置および局所解像用位置検出器を含む。さら
に空間における観察された対象の座標を求めてさらに手
術顕微鏡の倍率を考慮した後に、のぞかれた視野へ、こ
れらの座標に相応する、手術前の診断過程からの像を重
畳する。さらに像平面の位置の位置表示を、観察された
像部分の視野の中央において行う。さらに光学装置のフ
ォーカシングまたはデフォーカシングがプロセス制御ユ
ニットを介して自動的に行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】適切な多関節支持台における本発明による手術
顕微鏡の配置図である。
【図２】本発明による手術顕微鏡の正面図である。
【図３】図２に示された本発明による手術顕微鏡の下部
における、レーザ三角法方式による位置検出装置の側面
図である。
【図４】種々のフォーカシング位置を示す図である。
【図５】ＴＶディスプレー上へのまたは観察ビーム路に
おける表示図である。
【符号の説明】
１ 手術顕微鏡、 ２ 多関節支持台、 ３ プロセス
制御装置、 ４ 画像処理装置、 ５ 診断モニタ、
６ 患者頭部、 ７ ステレオ評価フレーム、８ 手術
テーブル、 ９ 凸レンズ、 １０ 凹レンズ、 １１
ａ，１１ｂズーム装置、 １２ａ，１２ｂ チューブレ
ンズ、 １３ａ，１３ｂ 接眼レンズ、 １５，１６
検出器、 １７ 偏向ミラー、 １８ 光軸、 １９
対象表面、 ２０ 出力結合エレメント、 ２１ フィ
ルタ、 ２２ 投射レンズ、２３ 位置検出器、 ２４
視野、 ２５ 投射レンズ、 ２６ 入力結合エレメ
ント、 ２７ａ，２７ｂ レンズ、 ２８ レーザダイ
オード、 ２９ 照準十字、 ３０ 十字、 ３１ Ｔ
Ｖディスプレー、 ３２ 中間像平面、 ３３ 出力結
合エレメント、 ３４ 調整エレメント
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−240851（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−327（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−86321（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−2913（ＪＰ，Ａ) 国際公開91／7726（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 21/00 - 21/36 A61B 19/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 患者に定位の顕微外科手術を計算器に支
    援されて行うための手術顕微鏡であって、 手術顕微鏡（１）を空間的に位置決めおよび配向するた
    めの多関節支持台（２）と、 手術顕微鏡（１）の瞬時の空間的な位置と配向とを検出
    して、患者（６）に対する、前記手術顕微鏡（１）の相
    対的な位置と配向とを保証する複数の検出器と、 手術前に検出し格納した患者（６）の画像データから診
    断像を形成する計算器とを有し、 該計算器は、観察する対象領域（１９）の画像と、正し
    い位置にありかつ適合化された前記診断像とを相関させ
    る形式の手術顕微鏡において、 手術顕微鏡（１）は、該手術顕微鏡（１）と前記観察対
    象領域（１９）との間の距離を検出する測定装置（１
    ５，１６；２８，１７，２０，２３）を有しており、 前記計算器（３，４）より、当該距離に対応した断面
    と、前記観察対象領域（１９）とが相関させられてお
    り、 これにより観察対象領域（１９）の画像に常に、該観察
    対象領域（１９）に所属する診断像が重畳されることを
    特徴とする手術顕微鏡。
  2. 【請求項２】 前記測定装置（１５，１６；２８，１
    ７，２０，２３）は、観察対象領域（１９）に配向され
    かつ手術顕微鏡（１）に反射されたレーザビームを、局
    所解像用の位置検出器（２３）に案内しており、 さらに手術顕微鏡（１）の光学系データを検出する検出
    器（１５，１６）を含んでいる請求項１に記載の手術顕
    微鏡。
  3. 【請求項３】 計算器（３，４）は、観察対象領域（１
    ９）の画像を所属の診断像と共に診断モニタ（５）に出
    力するか、または観察対象領域（１９）に所属する診断
    像を手術顕微鏡（１）の観察ビーム路の中に反射結像す
    る請求項１または２に記載の手術顕微鏡。
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