JP3453603B2

JP3453603B2 - 手術パス自動探索プログラム及びその装置

Info

Publication number: JP3453603B2
Application number: JP2001217128A
Authority: JP
Inventors: 浩江本; 哲也藤井; 博紀朝倉; 延雄周郷; 明利御任; 家門柴田
Original assignee: 独立行政法人通信総合研究所
Priority date: 2001-07-17
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2003-10-06
Anticipated expiration: 2021-07-17
Also published as: JP2003030624A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は３次元画像を用いた
外科手術の手術パス自動探索プログラムと、その装置に
関する。特に、侵襲度情報から候補となるパスを定めた
上で、実際の手術が容易である最適な手術パスを決定す
る手法に関わるものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、高精度な断層像が撮影可能なＸ線
ＣＴやＭＲＩなどの医療画像撮像機器と、こうした機器
から出力される膨大な画像を高速処理できる画像処理ワ
ークステーションの出現により、３次元画像データを用
い、患部の位置や形状を高精度に確認することが可能に
なった。これにより、医師の診断における負担の軽減、
術前計画の立案支援、及び、患者への明瞭なインフォー
ムドコンセントへの利用が期待されている。例えば、頭
部における軟部組織は、人体の様々な器官をコントロー
ルする中枢であり、人体の中でも最も複雑な組織の一つ
である。そのため、その手術に際しては最小限の侵襲を
求められ、医師には豊富な知識・経験と精密な手技が求
められる。こうした従来の手術手法では、医師の解剖学
的知識、手術経験、及び、患者の個人情報を基に、正常
組織と異常組織の３次元像を担当医の頭の中で構築しつ
つ、手術経路や手術手順を決定し、これを術前計画とし
ていた。特に、最近では、計算機を用いた手術支援のた
めのシミュレーションシステムの研究開発が盛んに行わ
れている。

【０００３】しかし、従来から知られているこのような
手術支援システムでは、患部や周辺軟部組織の形状や大
きさなどを情報として提供しているものが多く、手術の
時に、開頭位置の頭表から患部までどのようにしてたど
り着けば良いかという情報は提供していなかった。そこ
で、これらの情報を提供すべく、本件発明者らは、例え
ば脳神経外科手術支援のための術前計画情報の一つとし
て、頭表から患部までを結ぶ手術経路（手術パス）を計
算機を用いて自動的に求めるアルゴリズムを提案した。
（朝倉博紀，藤井哲也，江浩，周郷延雄, 御任明利,
柴田家門，"脳神経外科手術支援のための手術パス自動
抽出アルゴリズムの提案," 第１０回コンピュータ支援
画像診断学会, 00(II)-7, pp.145-146, October 200
0.）

【０００４】ここで提案した従来のアルゴリズムで求め
られる手術パスとは、頭表等に設定した探索開始点から
患部領域まで最も侵襲の低い画素を辿ったもので、接触
時の危険の度合いが高い部位を避けたものである。また
求められた手術パスは、最も低い侵襲の度合いを持った
画素を順に辿った画素であるため、場合によっては、手
術パスが鋭角に折れ曲がりジグザグ状の複雑な形状をし
たり、重要度の高い部位に挟まれた重要度の低い領域を
辿ったりすることがある。こうした手術パスは、低侵襲
という意味では正しい情報であるが、実際の手術では実
施が困難なパスとして有効なものであるとは言えないも
のであった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の有する問題点に鑑みて創出されたものであり、その
目的は、簡便な構成で実際の手術においても実施可能で
あって、かつ医療技術の高度化にも寄与する手術パスを
自動探索可能なプログラム及びその装置を提供すること
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために、次のような手術パス自動探索プログラ
ムを提供する。すなわち、本発明は、外科手術を行う部
位及びその周辺部位の一定の大きさの画素の集合からな
る３次元画像データを用い、該手術における最適な手術
パスを自動探索するプログラムを提供する。そこで、該
プログラムが次の各ステップを含む。（１）該３次元画像データに、接触又は切除の少なく
ともいずれかによる危険性を数値化して割り当てた３次
元コスト画像を作成するステップ。（２）該３次元コスト画像に対し、手術対象である患
部からの距離に係る侵襲度情報を加え、３次元侵襲度画
像を作成するステップ。（３）該３次元画像データにおける人体表面上の任意
の探索開始点から、最も侵襲の少ない最低侵襲パスを自
動検索するステップ。（４）該検索結果から２次元又は３次元の少なくとも
いずれかの手術パス画像を作成し表示するステップ。

【０００７】このような構成において、該最低侵襲パス
を自動検索するステップが、該３次元侵襲度画像上で、
該探索開始点から該患部に向けて該侵襲度情報の値が最
小である画素を順に選択しながら、最低侵襲パスの候補
パスを決定し、該候補パスにおいて所定の画素数より多
い画素列によって構成される塊状領域を所定の画素数に
減縮して、所定の画素数の幅を有する線状候補パスに画
像処理する。さらに、該候補パスにおいて少なくとも該
塊状領域の始点又は終点であって、該線状候補パス中に
存在する点、又は、線状候補パスにおいて、構成する線
分が所定角度以上の角度で折れ曲がる点のいずれかであ
る特徴点を抽出する。このような各点を用いて、該探索
開始点と該患部とをそれぞれ固定点とし、該特徴点の少
なくともいずれかを制御点とした動的輪郭モデルによっ
て最低侵襲パスを検索する過程にした手術パス自動探索
プログラムを提供する。

【０００８】また、上記所定の画素数が、１画素であっ
てもよい。前記塊状領域の始点又は終点を決定する手順
が、候補パスを構成する全ての画素について、該画素に
空間的に隣接する２６個の隣接画素の内、候補パスに含
まれる隣接候補画素数を探索開始点又は患部のいずれか
の点から順次算出し、該隣接候補画素数が所定のしきい
値において変化した直後の点を、前記塊状領域の始点又
は終点としてもよい。前記しきい値が５画素であっても
よい。

【０００９】前記所定角度以上の角度で折れ曲がる特徴
点の決定において、線状候補パス上の着目画素におい
て、その前後の画素とを結ぶ２つの線分のなす挟角が、
０度ないし１１０度である時、該着目画素を特徴点とし
てもよい。

【００１０】さらに、本発明は、外科手術における最適
な手術パス自動探索装置を提供することもできる。該装
置は、次の各手段を備える。（１）一定の大きさの画素の集合からなる２次元又は
３次元の画像データを記憶する画像記憶手段。（２）外科手術を行う部位及びその周辺部位の３次元
画像データに、接触又は切除の少なくともいずれかによ
る危険性を数値化して割り当てた３次元コスト画像を作
成するコスト画像作成手段と、該３次元コスト画像に対
し、手術対象である患部からの距離に係る侵襲度情報を
加え、３次元侵襲度画像を作成する侵襲度画像作成手
段。（３）該３次元画像データにおける人体表面上の任意
の探索開始点から、最も侵襲の少ない最低侵襲パスを自
動検索する最低侵襲パス検索手段。（４）該検索結果から２次元又は３次元の少なくとも
いずれかの手術パス画像を作成する手術パス画像作成手
段。（５）少なくとも該手術パス画像を表示可能な画像表
示手段。

【００１１】本構成において、上記最低侵襲パス検索手
段が、該３次元侵襲度画像上で、該探索開始点から該患
部に向けて該侵襲度情報の値が最小である画素を順に選
択しながら、最低侵襲パスの候補パスを決定し、該候補
パスにおいて所定の画素数より多い画素列によって構成
される塊状領域を所定の画素数に減縮して、所定の画素
数の幅を有する線状候補パスに画像処理する。さらに、
該候補パスにおいて少なくとも該塊状領域の始点又は終
点であって、該線状候補パス中に存在する点、又は、線
状候補パスにおいて、構成する線分が所定角度以上の角
度で折れ曲がる点のいずれかである特徴点を抽出し、該
探索開始点と該患部とをそれぞれ固定点とし、該特徴点
の少なくともいずれかを制御点とした動的輪郭モデルに
よって最低侵襲パスを検索する。

【００１２】ここで、前記所定の画素数が、１画素であ
って、前記塊状領域の始点又は終点を決定する手順が、
候補パスを構成する全ての画素について、該画素に空間
的に隣接する２６個の隣接画素の内、候補パスに含まれ
る隣接候補画素数を探索開始点又は患部のいずれかの点
から順次算出し、該隣接候補画素数が所定のしきい値に
おいて変化した直後の点を、前記塊状領域の始点又は終
点とする構成でもよい。前記しきい値が５画素であって
もよい。

【００１３】前記所定角度以上の角度で折れ曲がる特徴
点の決定において、線状候補パス上の着目画素におい
て、その前後の画素とを結ぶ２つの線分のなす挟角が、
０度ないし１１０度である時、該着目画素を特徴点とす
る手術パス自動探索装置を提供してもよい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施方法を実施例
に基づいて説明する。なお、本発明の実施形態は以下に
限定されず、その趣旨から逸脱しない範囲内で任意に変
更可能である。特に、本発明の実施形態として、脳神経
外科手術における手術パスの自動探索につき説述する
が、本発明の手術パス自動探索ソフトウェア及びその装
置は、手術部位に関わるものではなく、いかなる手術の
手術パス自動探索にも用いることができる。

【００１５】本発明における手術パス自動探索ソフトウ
ェア及びその装置において、中核をなすアルゴリズムに
つき、説述する。まず、最初に本発明を適用する前提と
なる候補パスの決定過程を示す。該候補パスの決定過程
は、本件発明者が従来において提案した手術パスの出力
過程とほぼ同様の形態であり、本発明では、従来の手術
パスをさらに適切に補正し、実際の手術においても十分
適用可能な、手術パスを出力できる。

【００１６】候補パスの決定過程を示す説明図を図１に
示す。該候補パスは、頭表から患部領域までを最も侵襲
の低い経路を通った場合に通過する画素群である。以
下、該候補パスの決定過程について説述する。本過程が
入力に用いている重要度画像（１０）とは、例えば、頭
皮・頭蓋・大脳（右脳と左脳）・小脳・脳幹・脳室など
の解剖学的部位に分けられた３次元画像に対し、重要度
を設定したものである。ここで、重要度とは、部位毎に
医師の解剖学的知識と経験にもとづき設定された手術に
おける接触と切除の危険の度合いをものであり、本実施
例では４段階で設定している。これら重要度の決定につ
いては、必ずしも上記医師の解剖学的知識や経験に基づ
くものに限られず、患者に応じた予測される危険の度合
いを示すもの等、任意の基準によって決めることができ
る。また、その表示についても４段階に限られず、任意
の段階で表示してもよい。３次元画像はコンピュータで
画像処理可能な画像データであって、周知のように所定
の大きさを有する画素の集合から成り立っている。

【００１７】コスト画像（１１）とは、重要度画像（１
０）に対し、重要度を手術時に接触することにより各組
織へ与えられるダメージの度合いと考え、数値化したも
のであり、手術を行う患部及びその周辺部位（以下、患
部領域と呼ぶ。）の患部領域画像（１２）と合成して作
成される。このように、コスト画像（１１）はその重要
度画像（１０）における重要度からコストを求めて作成
した３次元画像データであるから、本発明の実施におい
ては、必ずしも本実施例のように重要度画像・患部領域
画像を作成する過程を用いなくてもよい。

【００１８】候補パス探索処理は２つのアルゴリズム
（１３）（１４）を用いている。コスト画像（１１）を
基に患部領域からの距離を考慮した侵襲の度合い（侵襲
度）を求めているのが侵襲度計算アルゴリズム（１３）
であり、求められた侵襲度が詰った侵襲度画像（１５）
と手術パスの探索を開始する点（探索開始点）（１６）
の座標を基に探索開始点から患部領域に最初に到達した
点（患部領域到達点）までの候補パス（１７）を求める
のがパス探索アルゴリズム（１４）である。

【００１９】ここで、上記の候補パス探索処理により求
められた候補パス（１７）は、指定された探索開始点
（１６）から順に最も侵襲度の低い画素を患部領域に到
達するまで辿ったものである。図２に候補パス（１７）
の探索処理例を示す。こうして辿った画素には辿った順
番を示すパス番号（２０・・・）を付与し、これらの画
素を候補パス画像（２１）としている。この探索により
得られた候補パス画像（２１）は、最も侵襲の低い経路
が必ずしも１画素ではないため、図に示すように面又は
塊状の領域（２３）（２３）を持つ。また、求められた
候補パスには、次のパス番号を持ったパス画素が近傍に
なく、先へ進めない不要な画素（２２）が含まれてい
る。

【００２０】従来の手術パスの決定においては、これら
の処理を行うのみであり、手術における人体への侵襲を
最小限に抑えることのみを考慮して計算されているた
め、手術パスの形状については考慮されていない。その
ため図３で示すように、探索開始点（１６）から患部領
域到達点（２４）に至る従来の手術パス（３２）は、鋭
角に折れ曲がった複雑な形状（３０）をしたり、手術時
に侵入困難な狭い領域（３１）を通過することがある。
よって、この従来の手術パス（３２）は、最も低侵襲と
いう意味では有用な情報であるが、実際の手術では脳内
に手術操作を補足する器具を配置する場所がなかった
り、隙間が狭く器具や指そのものを挿入することができ
ないなど、実施が困難な場合があり、必ずしも術前情報
として有効なものであるとは言えない問題があった。

【００２１】そこで本発明における手術パス自動探索ソ
フトウェア及び装置に用いるアルゴリズムでは、次の条
件を満たすものを手術パスとし、これらを満たす手術パ
スを出力する新たな手術パス自動探索アルゴリズムを用
いている。すなわち、（a）探索開始点から患部領域まで、なるべく侵襲の少
ないパスで結ぶこと。（b）なるべく滑らかなパスであること。（c）なるべく距離が短いパスであること。（d）パスは指定した太さをもつものであること。の諸条件である。

【００２２】上記条件の中で最も重要であるのは（ａ）
であり、実際の手術において不可欠な要件と言える。こ
れを容易に満たすためには、従来の手法で得られた手術
パスを、変形することが最も簡易で有効な手段である。
そこで従来の手法で求められた手術パスを本発明におい
ては、候補パス（１７）とし、これをなるべく滑らかで
距離が短い手術パスに変形して出力することで、低侵襲
かつ手術の実施が容易なパスになる。

【００２３】このように予め指定されたモデルを幾つか
の条件が満たされるまで変形させる手法として、動的輪
郭モデルと呼ばれる手法がある。本発明では、該手法を
手術パスの決定に用いることに大きな特徴がある。動的
輪郭モデルは、多くの場合、予め指定した輪郭モデルを
動的に伸縮させ、目的とする特徴領域の輪郭を求めるた
めに利用されている。そこで本発明では、上記候補パス
を動的輪郭モデルにおける初期モデルとして与え、動的
輪郭モデルアルゴリズムを用いて変形させることにより
（ａ）〜（ｃ）の条件を満たすものを求める。これによ
り動的輪郭モデルのエネルギー関数のパラメータを設定
することにより、求められる手術パス形状を柔軟に変更
できる。

【００２４】ここで、初期モデルの作成方法について以
下に示す。動的輪郭モデルで利用する初期モデルの制御
点は、候補パスの画像から図４で示す処理手順を経て求
める。まず候補パス（１７）の画像から不要な画素を取
り除き（４１）、線状化（４２）する。次に線状化され
た手術パスを辿った時、急な角度で折れ曲がる箇所や塊
状領域の始点・終点を選出し、これを初期モデルの制御
点とする。（４３）これらの具体的な処理内容について
以下に順次述べる。

【００２５】候補パス画像（１７）の中には、前述のよ
うに、パスの開始点から患部領域まで辿った時に決して
通過しない画素が含まれている。これらの画素を患部領
域点から順に以下の手順により削除するのが不要画素の
削除（４１）である。すなわち、まず、患部領域到達点
（２４）を最初の注目画素とする。そして、注目画素
（パス番号Ｐ）に対し、その３次元的に隣接する２６の
画素に存在する全てのＰ−１の値を持つ画素を次の注目
画素とする。この際、これ以外のＰ−１のパス番号を持
つ画素を全て削除する。本手順によって、例えば図１２
における不要画素（２２）等が有効に削除される。

【００２６】次に候補パス画像の線状化（４２）につい
て説明する。この処理は先に図２、図３で示した塊状
（２３）（２３）のパス画素の塊の中心の画素のみを抽
出することにより、１画素の太さを持つ線状の画素列を
作成する処理である。この処理は、探索開始点（１６）
から患部領域到達点（２４）まで候補パス画素（３２）
を順に辿る。この時、順次辿っていく画素を注目画素と
する。まず探索開始点（１６）を最初の注目画素とし、
注目画素の近傍中に注目画素のパス番号＋１の値を持つ
画素領域の中心画素を求め、この画素を線状化した候補
パス画素とし、画素領域全ての画素を次の注目画素とす
る。こうした処理を患部領域到達点（２４）まで繰り返
し行う。

【００２７】さらに、動的輪郭モデルにおける初期制御
点を決定する。本発明においては、該初期制御点とし
て、候補パス画像の中で、以下の特徴を持つ点を選ぶ。
すなわち、（ａ）パス画像の塊状領域の始点・終点（ｂ）画素を順に辿った時に急な角度で折れ曲がる箇
所である。

【００２８】まず、上記（ａ）の選出処理につき、例と
して図３におけるａの個所の拡大図を図５に示しながら
示す。まず線状化された候補パス（５１）と線状化され
る前の候補パス（５２）を入力する。そして線状化され
た手術パス（５１）の探索開始点から患部画素到達点ま
で順に以下の処理を行う。線状化される前の候補パス
（５２）の中で、注目画素の３次元的に隣接する２６画
素中（５３）（５３）に注目画素のパス番号＋１の値を
有す画素を数え上げる。

【００２９】そして、この数が５以上、５未満に変化す
る箇所の画素を選出する、すなわちしきい値を５画素と
して上記パス画像の塊状領域の始点（５４）（５４）・
終点（５５）（５５）の特徴点を選出した。なお、上記
しきい値は、５画素であるがこれに限定されることな
く、任意に変更可能である。また、線状化した結果が１
画素の幅でない場合は、特に隣接画素数等も変更される
ことは言うまでもない。

【００３０】さらに、上記（ｂ）の特徴点は線状化され
たパス画像を探索開始点から患部画素到達点まで順に辿
った時、注目画素と隣接する３画素がなす角度が所定の
角度よりも急に折れ曲がる時の画素を選出する。本実施
例では、この角度が１１０度よりも小さい時、該画素を
選手移している。本構成において、特徴点の選出には上
記１１０度程度以下とするのが適当であるが、該角度に
ついては、適宜変更することもできる。

【００３１】手術パス画像に動的輪郭モデルを適用する
方法として、図６で示すようなモデルを設定した。ま
ず、探索開始点（６０）、患部領域到達点（６１）を固
定点とし、途中幾つかの制御点（６２・・・）を設け
た。これらの制御点（６２・・・）間を結ぶ線分（６３
・・・）には伸縮に比例して復元力を持つバネ（６４・
・・）を、隣接する２本の線分（６３）（６３）には挾
角（６５）に応じて直線（１８０°）に戻ろうとするバ
ネ（６６・・・）を設けた。

【００３２】本発明では、動的輪郭モデルを適用するに
つき、上記のようなモデルを設定する。これは、低侵襲
を維持しつつ、滑らかな手術パスに変形することを目的
としている。該動的輪郭モデルのエネルギー関数につい
て説明する。

【００３３】まず、この初期モデルは順序付けされた制
御点の集合

【式１】C = [Vi=(xi,yi,zi] （1≦i≦n）とする。

【００３４】これに対し式２で定義されるエネルギー関
数を最小にすることにより目的の形状を得る。

【式２】

【００３５】ここでEelasticはパス線分の弾性エネルギ
ーを表しており式３で表される。

【式３】 Eelastic(vi)=W1(|180°-Ai|)+W2(|L0i-Li|) 式３のAiは図６（ｂ）で示すように線分vi-1,vi（６
３）とvi,vi+1（６３）がなす角（６５）を表してい
る。Liは線分vi-1,vi（６３）の長さ（６７）を表して
おり、L0iは初期モデルにおけるLiである。

【００３６】式２でのEcostは線分上の各画素が持つコ
ストの総和(式４）で表される。

【式４】Ecost(vi) =W3×（前線分譲の全ての画素が持
つコストの総和）ここでのW1,W2,W3は重み付けパラメータである。

【００３７】以上のように本発明では動的輪郭モデルに
おけるエネルギー関数を設定し、重み付けパラメータW
1,W2,W3を適宜変更して実施した。次に、実際に本発明
による処理の具体例を示す。実験データには２０９ｘ２
０８ｘ２２６画素の重要度画像を用い、脳室前方付近に
半径５ｍｍの球状の腫瘍を想定した患部領域を設定し、
コスト画像を作成した。

【００３８】探索開始点を頭部前方の左付近に設定し、
候補パスを求めた（図７）。この候補パスをもとに図４
で示す処理を行ない、本発明による手術パスを得る。こ
の手術パスについて次の３つの評価値により、パス形状
の評価を行った。該評価の結果を示す表が図８である。
図８において、コスト（８０）は、探索開始点から患部
領域到達点までのパス画素が持つコストの総和であり、
挟角（８１）は、探索開始点と患部領域到達点を除く全
ての制御点が持つ挟角を180°で引いた値の和であり、
距離（８２）は、ユークリッド距離によるパス画像の全
長である。

【００３９】コスト、挟角、距離それぞれのエネルギー
要素のみにより変形させたパス画像を、それぞれ図９の
（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。単独のエネルギー要素のみ
を用いた場合、特に、コスト及び距離のエネルギー要素
では複雑なパスが十分に改善されず、これら単独では本
発明における十分な効果が得られない。これは、候補パ
スがそもそもコストと距離によって決定されていた事情
によると考えられる。

【００４０】しかし、挟角エネルギーのみによって処理
を行った場合、特にパスをなめらかにする効果が強く発
揮されるため、好適な手術パスを得られ、本発明による
動的輪郭モデルを適切な重み付けパラメータによって適
用すると、従来の手法で出力されたものと異なり、実際
の手術によってもそのまま利用可能な手術パスが出力さ
れることが裏付けられた。

【００４１】さらに、上記３つのエネルギー要素を正規
化し、均等に重み付けをした場合に得られたパス画像を
図１０に示す。各エネルギー要素への重み付けは、予め
各エネルギー要素の値の範囲を調べ、変動範囲が一定と
なるよう正規化した。具体的にはコスト：2.6、挟角：
1.0、距離：36.0として正規化を行った。図８における
表中の配分比率は、この正規化を行った後に配分したも
のである。

【００４２】本構成においては、各エネルギー値の変動
範囲を正規化したものが、コスト、挟角、距離の評価値
全てにおいて均等に低い値を出し、初期モデル（１０
０）よりも良い結果が得られている。図１０では、一部
にあまり滑らかにならなかった制御点（１０１）がある
ものの、多くの初期モデルにおける制御点（１０２）
が、動的輪郭モデルによって移動し、滑らかな手術パス
を形成する制御点（１０３）を実現することに成功して
いる。特に、従来の手法による手術パスで、実際には適
用不可能であった複雑なパス（１０４）が直線的で滑ら
かなパス（１０５）になり、十分に実際の手術で用いる
ことのできる手術パスを出力できる。

【００４３】このように、本発明では、従来不可能であ
った滑らかで実際的な手術パスを、従来の手法で出力さ
れたパスを候補パスとし、それを動的輪郭モデルの初期
モデルとして処理することで、簡易に、かつ効果的な手
術パスの出力を可能としている。上記の処理は、手術パ
ス自動探索プログラムとして、該プログラムの各ステッ
プに適用し、すぐに実施することが可能である。

【００４４】このとき、上記エネルギー要素における重
み付けを変更することで、上記実施例で完全に滑らかに
ならなかった制御点についても、改善することが可能で
ある。また、手術の危険度によってコストエネルギーの
重みを重視するなど、プログラム上で重み付けを任意に
変更できる構成としてもよい。また、勘案するエネルギ
ー要素については、上記コスト、挟角、距離に限定され
ることなく、任意に追加することができる。

【００４５】さらに、本発明ではこれらプログラムを実
装した手術パス自動探索装置を提供することもできる。
これによれば、手術の術前計画などにおいて、便利に利
用することのできる手術パスの自動探索装置を実現す
る。たとえば、コンピュータに手術部位の３次元画像を
取り込む機能を備え、それに医師が知識や経験に基づい
て重要度を決定し、探索開始点と患部を入力すること
で、即座に手術パスを表示装置で表示する装置を提供す
る。

【００４６】重要度の設定に、特に専門的で高度な学識
を有する医師が関与することで、専門外の医師では十分
に行えない緻密な重要度設定を行うことができ、これに
よって、さらに高度な手術パスを出力し、医療技術の向
上に寄与する。

【００４７】なお、本発明は、脳神経外科手術に限ら
ず、任意の手術に用いることができる。すなわち、手術
において、部位による重要度、危険度に違いがあること
は同様であるから、他の部位における手術であっても、
全く同様に上記構成をとることができる。また、その出
力も３次元画像でなく、各方向からみた平面画像（２次
元画像）であってもよく、それらを表示する構成でもよ
い。

【００４８】

【発明の効果】本発明は、以上の構成を備えるので、次
の効果を奏する。請求項１に記載の手術パス自動探索プ
ログラムによると、従来の手法によって得られたパスを
候補パスとし、それに動的輪郭モデルを適用するので、
簡易な構成で有効な手術パスを自動探索するプログラム
を実現できる。とくに、本発明は動的輪郭モデルにおけ
る制御点の決定方法にその特徴を有し、これらを塊状領
域の始点又は終点や、線状候補パスにおける所定角度以
上の角度で折り曲がる点とすることで効果的に手術パス
を求めることができる。

【００４９】請求項２に記載の手術パス自動探索プログ
ラムによると、線状化によって１画素とするので、精密
な出力を行えると同時に、計算量が少なく、高速に手術
パスを探索することが可能となる。また、しきい値を用
いて塊状領域の始点又は終点を導出するので、確実に塊
状領域を把握し、手術パス自動探索の高精度化に寄与す
る。

【００５０】請求項３に記載の手術パス自動探索プログ
ラムによると、該しきい値を５画素と固定することで、
高速な探索が可能となると同時に、高精度に塊状領域を
把握することができる。

【００５１】請求項４に記載の手術パス自動探索プログ
ラムによると、上記折れ曲がる特徴点を１１０度以下の
角度とすることで、実際の手術において実施可能な折り
曲がり角度を加味した手術パスを出力することが可能に
なる。

【００５２】さらに、本発明による手術パス自動探索装
置は次の効果を奏する。請求項５に記載の手術パス自動
探索装置によると、従来の手法によって得られたパスを
候補パスとし、それに動的輪郭モデルを適用するので、
簡易な構成で有効な手術パスを自動探索する装置を提供
することができる。とくに、本発明は動的輪郭モデルに
おける制御点の決定方法にその特徴を有し、これらを塊
状領域の始点又は終点や、線状候補パスにおける所定角
度以上の角度で折り曲がる点とすることで効果的に手術
パスを求めることができる。そして、該装置によって、
高度な専門的知識・経験を簡便に利用し、術前計画等に
おいて高度な医療に寄与する。

【００５３】請求項６に記載の手術パス自動探索装置に
よると、線状化によって１画素とするので、精密な出力
を行えると同時に、計算量が少なく、高速に手術パスを
探索する自動探索装置を提供する。また、しきい値を用
いて塊状領域の始点又は終点を導出するので、確実に塊
状領域を把握し、手術パス自動探索の高精度化に寄与す
る。

【００５４】請求項７に記載の手術パス自動探索装置に
よると、該しきい値を５画素と固定することで、高速な
探索が可能となると同時に、高精度に塊状領域を把握す
ることができる。

【００５５】請求項８に記載の手術パス自動探索装置に
よると、上記折れ曲がる特徴点を１１０度以下の角度と
することで、実際の手術において実施可能な折り曲がり
角度を加味した手術パスを出力する自動探索装置に寄与
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】候補パスの探索処理を示す説明図である。

【図２】候補パスの探索処理例である。

【図３】候補パスにおける手術困難なパスを示す説明図
である。

【図４】動的輪郭モデルによる処理を説明する説明図で
ある。

【図５】複雑なパス形状を説明する説明図である。

【図６】手術パスの線分モデルを示す図である。

【図７】患部領域と手術パスを示す被験者の頭部であ
る。

【図８】動的輪郭モデルにおける評価表である。

【図９】各エネルギー要素毎に処理した時の手術パスを
示す図である。

【図１０】本発明において出力された手術パスである。

【符号の説明】

１７候補パス画像４１不要画素の削除過程４２候補パス画像の線状化過程４３初期制御点の決定過程

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＧ０６Ｔ 17/40 Ａ６１Ｂ 5/05 ３８０ (72)発明者周郷延雄東京都大田区大森西６丁目11番１号東邦大学医学部内 (72)発明者御任明利東京都大田区大森西６丁目11番１号東邦大学医学部内 (72)発明者柴田家門東京都大田区大森西６丁目11番１号東邦大学医学部内 (56)参考文献特開2000−113086（ＪＰ，Ａ) 特開平11−155881（ＪＰ，Ａ) 特開平３−162849（ＪＰ，Ａ) 朝倉博紀ほか，脳神経外科手術支援のための手術パス自動抽出アルゴリズムの提案，第10回コンピュータ支援画像診断学会大会第９回日本コンピュータ外科学会大会合同論文集，日本，ＣＡＳ／ＣＡＤＭ2000合同学会事務局，2000年 10月30日，145−146 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06T 1/00 290 A61B 5/055 A61B 6/03 377 A61B 19/00 502 G06T 5/30 G06T 17/40 ＪＳＴＰＬＵＳ（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】外科手術を行う部位及びその周辺部位の一
定の大きさの画素の集合からなる３次元画像データを用
い、該手術における最適な手術パスを自動探索するプロ
グラムであって、該プログラムが、該３次元画像データに、接触又は切除の少なくともいず
れかによる危険性を数値化して割り当てた３次元コスト
画像を作成するステップと、該３次元コスト画像に対し、手術対象である患部からの
距離に係る侵襲度情報を加え、３次元侵襲度画像を作成
するステップと、該３次元画像データにおける人体表面上の任意の探索開
始点から、最も侵襲の少ない最低侵襲パスを自動検索す
るステップと、該検索結果から２次元又は３次元の少なくともいずれか
の手術パス画像を作成し表示するステップとを含む構成
において、該最低侵襲パスを自動検索するステップが、該３次元侵襲度画像上で、該探索開始点から該患部に向
けて該侵襲度情報の値が最小である画素を順に選択しな
がら、最低侵襲パスの候補パスを決定し、該候補パスにおいて所定の画素数より多い画素列によっ
て構成される塊状領域を所定の画素数に減縮して、所定
の画素数の幅を有する線状候補パスに画像処理し、該候補パスにおいて少なくとも該塊状領域の始点又は終
点であって、該線状候補パス中に存在する点、又は、線
状候補パスにおいて、構成する線分が所定角度以上の角
度で折れ曲がる点のいずれかである特徴点を抽出し、該探索開始点と該患部とをそれぞれ固定点とし、該特徴
点の少なくともいずれかを制御点とした動的輪郭モデル
によって最低侵襲パスを検索する過程であることを特徴
とする手術パス自動探索プログラム。
【請求項２】前記所定の画素数が、１画素であって、前記塊状領域の始点又は終点を決定する手順が、候補パスを構成する全ての画素について、該画素に空間的に隣接する２６個の隣接画素の内、候補
パスに含まれる隣接候補画素数を探索開始点又は患部の
いずれかの点から順次算出し、該隣接候補画素数が所定のしきい値において変化した直
後の点を、前記塊状領域の始点又は終点とする請求項１に記載の手
術パス自動探索プログラム。
【請求項３】前記しきい値が５画素である請求項２に記
載の手術パス自動探索プログラム。
【請求項４】前記所定角度以上の角度で折れ曲がる特徴
点の決定において、線状候補パス上の着目画素において、その前後の画素と
を結ぶ２つの線分のなす挟角が、０度ないし１１０度で
ある時、該着目画素を特徴点とする請求項１ないし３のいずれか
に記載の手術パス自動探索プログラム。
【請求項５】外科手術における最適な手術パス自動探索
装置であって、該装置が、一定の大きさの画素の集合からなる２次元又は３次元の
画像データを記憶する画像記憶手段と、外科手術を行う部位及びその周辺部位の３次元画像デー
タに、接触又は切除の少なくともいずれかによる危険性
を数値化して割り当てた３次元コスト画像を作成するコ
スト画像作成手段と、該３次元コスト画像に対し、手術対象である患部からの
距離に係る侵襲度情報を加え、３次元侵襲度画像を作成
する侵襲度画像作成手段と、該３次元画像データにおける人体表面上の任意の探索開
始点から、最も侵襲の少ない最低侵襲パスを自動検索す
る最低侵襲パス検索手段と、該検索結果から２次元又は３次元の少なくともいずれか
の手術パス画像を作成する手術パス画像作成手段と、少なくとも該手術パス画像を表示可能な画像表示手段と
を含む構成において、該最低侵襲パス検索手段が、該３次元侵襲度画像上で、該探索開始点から該患部に向
けて該侵襲度情報の値が最小である画素を順に選択しな
がら、最低侵襲パスの候補パスを決定し、該候補パスにおいて所定の画素数より多い画素列によっ
て構成される塊状領域を所定の画素数に減縮して、所定
の画素数の幅を有する線状候補パスに画像処理し、該候補パスにおいて少なくとも該塊状領域の始点又は終
点であって、該線状候補パス中に存在する点、又は、線
状候補パスにおいて、構成する線分が所定角度以上の角
度で折れ曲がる点のいずれかである特徴点を抽出し、該探索開始点と該患部とをそれぞれ固定点とし、該特徴
点の少なくともいずれかを制御点とした動的輪郭モデル
によって最低侵襲パスを検索することを特徴とする手術
パス自動探索装置。
【請求項６】前記所定の画素数が、１画素であって、前記塊状領域の始点又は終点を決定する手順が、候補パスを構成する全ての画素について、該画素に空間的に隣接する２６個の隣接画素の内、候補
パスに含まれる隣接候補画素数を探索開始点又は患部の
いずれかの点から順次算出し、該隣接候補画素数が所定のしきい値において変化した直
後の点を、前記塊状領域の始点又は終点とする請求項５に記載の手
術パス自動探索装置。
【請求項７】前記しきい値が５画素である請求項６に記
載の手術パス自動探索装置。
【請求項８】前記所定角度以上の角度で折れ曲がる特徴
点の決定において、線状候補パス上の着目画素において、その前後の画素と
を結ぶ２つの線分のなす挟角が、０度ないし１１０度で
ある時、該着目画素を特徴点とする請求項５ないし７のいずれか
に記載の手術パス自動探索装置。