JP3730683B2 - 手術用顕微鏡を動作させる方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、コンピュータ支援定位外科にあって手術中顕微鏡を動作させる方法に関する。この場合、特に、本来の手術の間の向き設定のために手術前に生成された診断画像を利用することが切望される。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許第４，７２２，０５６号からは、コンピュータ支援定位外科に適用するための手術用顕微鏡が知られており、この顕微鏡においては、手術中、手術前に生成した診断画像を手術用顕微鏡の観察光路に導入し、それにより、診断画像と観察者の視野平面の重ね合わせを実行する。典型的な用途は、たとえば、神経外科におけるこの種の手術用顕微鏡である。
【０００３】
しかしながら、米国特許第４，７２２，０５６号による手術用顕微鏡を動作させるに際しては、どのような場合にも、実際の視野平面に対応する診断画像を手術用顕微鏡の観察光学系に確実に導入するために、患者座標系と、手術用顕微鏡座標系と、画像座標系とを相関させることが必要であり、それにはコストがかかる。そのため、たとえば、手術中に視野のその都度の位置を検出し続けなければならず、その検出は超音波発生器システムと、交差距離などの実際に調整される光学的数値とを介して手術用顕微鏡の位置確定によって実行される。従って、総じてシステム全体が複雑になるという結果をもたらす。
【０００４】
ところが、それぞれの座標系を相関させ続けるというコストのかかる動作が必要である他にも、視野に付属する手術前診断画像を導入しても、すなわち、適切な重ね合わせを行っても、手術を行う外科医にとって最適な向き決定情報はまだ得られないということがある。すなわち、その場合に問題となるのは、手術用顕微鏡光学系の各々の倍率に対応して導入される診断画像をも適切に拡大させなければならないという事実である。画像を形成する手術前の診断方法においてその時点で可能であった分解能の関係上、そのような原画像を適切に拡大しつつ直接に視野に重ね合わせた、すなわち、導入した場合に、執刀医に必ず有益であるとは限らない。従って、手術用顕微鏡を通して手術領域を観察している外科医のためのさらに別の向き決定補助手段が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、手術中に執刀医が十分に向きを決定できるように保証し且つ手術前に実行された診断方法から得た情報をできる限り少ないコストで向きの最適化に関連づけるようなコンピュータ支援定位外科にあって手術用顕微鏡を動作させる方法を提供することである。さらに、手術中に得られたデータをも挿入することが可能であるべきだろう。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は特許請求の範囲第１項の特徴をもつ方法により解決される。
本発明による方法の有利な構成は特許請求の範囲第２項から第１０項の対象である。
すなわち本発明方法は、
まず、手術前画像作成診断方式を経て一連の診断データを生成し且つその一連の診断データを画像データバンクにデジタル化して記憶させ、
続いて、画像データバンクからの一連の診断データを利用して、中央制御装置で手術計画を作成し、その際に手術経路を確定し、
そのようにして確定された手術経路に対し、一連の診断データから自在に選択可能な距離と向きをもった二次元診断画像を選択し、
手術中、電動支持体システムに配置された手術用顕微鏡を確定された手術経路に沿って定義通りに、電動駆動により移動させ且つ選択された診断画像を選択的に、実際の視野位置とは無関係に、手術用顕微鏡の観察光学系の中に導入することから成る。
【０００７】
これまで知られていた米国特許第４，７２２，０５６号による方法とは異なり、本発明による方法では、視野平面と、手術前に生成された診断データ、すなわち、対応する診断画像とを本来の手術中に相関させ続けるというコストのかかる動作は不要である。
【０００８】
その代わりに、本来の手術に先立って外科医は手術前に生成された診断データに基づいて規定の手術経路を確定し、手術中には、たとえば、腫瘍の方向に手術経路に沿って進んで行く。画像データバンクの中にデジタル化した形で記憶されている診断データから、外科医は手術に先立って関心のある診断画像を選び出す。それらの診断画像は手術経路上にのっていると有利である二次元断層画像に対応する。続いて、相応して選択された診断画像を画像データバンクに記憶させる。その際、中央制御装置で手術計画を作成する。
【０００９】
本来の手術の間、診断画像を先に規定したシーケンスに従って手術用顕微鏡の観察光学系に選択的に導入するのであるが、実際に観察している視野平面に明示して対応させることは必ずしもない。
手術用顕微鏡の観察光学系への導入に関して、そのときに観察している視野と診断画像の重ね合わせか、選択された診断画像そのままの観察かの選択が可能である。
【００１０】
手術中、選択された診断画像の観察時に外科医が少なくとも大まかな空間的対応関係をとらえることを可能にするために、手術中、それらの画像を各々の診断画像に対する所定の位置情報と共にあわせて観察光学系の中に導入すると有利である。
手術用顕微鏡は電動支持体システムに固定されており、その支持体システムに手術用顕微鏡を少なくとも３つの空間的自由度をもって規定通りに位置決めすることができる。
【００１１】
本発明による方法を経て、視野平面に対応するその都度の実際の診断画像を観察することが可能であるのみならず、手術に先立って、外科医が多様な選択肢の中から手術中に目を通したいと思っている診断画像を既に選んでおくこともできる。
さらに、この場合、手術に先立って、一旦選び出した診断画像を執刀医が処理又は操作することができ、それは、たとえば、関心ある所定の輪郭を選び出された診断画像の中に記入することによって実行可能である。
【００１２】
それと並んで、選び出された診断画像と共に患者に特有の一連の情報を記憶させておき、手術中に外科医を支援するために、その情報を手術用顕微鏡の視野の中に導入して提示することも可能である。
さらに、手術中の外科医によって認知された画像を重ね合わせされた診断画像を含めて別のモニタにも表示し、それにより、補助スタッフもその情報を利用できるようにすると有利であることがわかる。
本発明による方法のその他の利点及び詳細は、添付の図に基づいて、以下の方法の実施例の説明から明白になる。
【００１３】
【実施例】
図１には、本発明による方法を実施するための重要で必要な構成要素のブロック接続図が示されている。この場合、ごく概略的にしか示されていない電動支持体システム２に配置された手術用顕微鏡１が設けられている。電動支持体システム２を介して、手術用顕微鏡１の６つまでの空間自由度をもった規定通り且つ座標に従った位置決めが可能である。たとえば、出願人のドイツ特許第４２０２９２２号に示されている多重継手電動支持体システムは、複数の構成要素の中でも、継手ごとに付属して設けられたエンコーダを含んでいるので、システム全体の中央制御装置３で周知のシステム全体の幾何情報と共に、手術用顕微鏡１の実際の座標に従った位置の検出が可能である。
【００１４】
手術用顕微鏡は、一般に知られている光学的構造を有し、その中でも、導入装置を含んでおり、その導入装置を経て、他の場所で生成された画像を通常のビーム分割装置を介して少なくとも１つの観察光路に導入することができる。
【００１５】
さらに、あらかじめ作成された一連の手術前診断データが与えられており、それらのデータは、たとえば、画像データバンク４に記憶される。画像データバンク４には、たとえば、本来の手術に先立つＮＭＲ検査、ＣＴ検査又はレントゲン検査を経て生成された一連のデジタル化診断データを記憶させる。この場合、原画像と共に、外科医が操作を加えた画像をも記憶させることができる。操作を加えた画像とは、たとえば、所定の器官の詳細の輪郭のみを記入した画像又はデータ列を記憶させたことを表わしている。ところが、同時に、そのようにして操作された診断画像の患者座標系に対する厳密な空間的位置もわかっている。
【００１６】
中央制御装置３は手術用顕微鏡１の座標の連続検出並びに画像データバンク４内部のデジタル化診断データ列の処理を実行し、そのために、外科医が、たとえば、中央制御装置３において手術計画の作成を行うときに使用する入力ステーション３、１をさらに含む。
加えて、画像データバンク４の中に記憶されている画像の観察と操作を可能にする表示装置５が設けられている。同じく、この表示装置５を利用して、手術中に補助スタッフが手術用顕微鏡１に導入すべき画像に関わる情報を拡大して観察することもできる。
【００１７】
次に、図２ａ〜図２ｃに基づいて、本発明に従って手術用顕微鏡を動作させる方法をさらに詳細に説明する。
図２ａは、手術前に生成された診断画像を示しており、この画像は、たとえば、コンピュータ断層撮影装置を利用して周知の態様と方式をもって得られたもので、デジタル化した形で画像データバンクの中に記憶されていたのである。この場合、図２ａには、人間の頭蓋を上から見たときの二次元断層画像が示されている。選び出されたこの画像と並び、人間の頭の別の多様な平面を通して得る診断画像を検出された一連の診断データから周知の画像処理方式を経て再構成することができる。
【００１８】
本来の手術前に既に外科医は計画した手術経路１０を診断画像の中に記入し、たとえば、外科医の要求する通りに、脳の中の腫瘍まで侵入して行くことができるようにするためにその経路を確定する。画像データバンクと接続している中央制御装置は、作成された計画に従って、座標に基づき手術経路１０をとらえて行く。
【００１９】
同様に、本発明による方法においては、本来の手術の間にどの診断画像を手術用顕微鏡の中に導入させたいかを前もって計画する。そのような４枚の所望の診断画像１，．．．，４、すなわち、手術経路に沿ったそれぞれの画像の位置を図２ｂに示す。この場合、外科医はそれらの診断画像の位置並びに手術経路に対する向きを選択することが可能である。図示した実施例では、一定の間隔をもって相前後して続いている、平行に向きを定められた診断画像が選択されている。
【００２０】
ここで、それらの診断画像の間隔並びに空間的な向きを手術前に外科医が自由に選択できることを今一度強調しておく。
計画された手術経路１０と、４枚の選択された診断画像のうち３枚１，２，３とを含めた空間的な図を図２ｃに示す。
【００２１】
本発明によれば、一旦選択された診断画像の適用されている手術用顕微鏡の観察光学系への導入は、たとえば、米国特許第４，７２２，０５６号のように実際の視野位置に規定通りに従属して実行されるのではなく、むしろ、外科医の側で、あらかじめ選択した画像をいつでも、すなわち、手術経路のどの箇所でも選択的に呼び出して、導入することが可能である。たとえば、手術中にボタンを押すごとに、あらかじめ確定された画像データ列を４枚の診断画像と共に導入、すなわち、はめ込むことが可能である。
【００２２】
このとき、診断画像と共に各々の診断画像に関わる所定の位置情報を同時にはめ込むと有利であり、これによって、外科医は導入された画像の位置関係を知ることができる。そのような位置情報は、たとえば、画像番号の形態で得ることができ、画像間隔をほぼ一定に設定した場合、画像番号により深さの関係がわかり、ひいては計画した手術経路に沿った迅速な向きの設定を行うことができる。
【００２３】
本発明による方法の別の動作モードにおいては、診断画像と実際に観察されている視野平面との重ね合わせ表示の他に、診断画像のみを手術用顕微鏡の観察光路の中に導入し、視野との重ね合わせ表示を行わないようにすることも可能である。このためには、被検体から出る光路を周知のシャッタ素子によって遮断するだけで良い。手術中、外科医は重ね合わせ表示か、導入された診断画像のみの観察かを選択することができる。
【００２４】
先に説明した通り、図２ａ〜図２ｃに示す診断画像は手術前診断プロセスから得た原画像に対応している。しかしながら、時によっては、原画像と比較して減少させた情報内容のみを含む画像を導入すると有利である。そのような情報内容の減少は、たとえば、所定の器官の詳細の輪郭などの導入によって実行できる。
【００２５】
患者との間に定義された空間的関係をもつ元の診断画像からそのような輪郭をどのようにして生成するかという例を図３ａ及び図３ｂに示す。この場合、たとえば、適切なコンピュータマウスを利用して腫瘍１１を診断原画像の中に図式的に記入し、腫瘍１１のこの輪郭のみを示す図３ｂによる修正画像を作成する。そこで、腫瘍の輪郭１１を含むこの画像のみを手術用顕微鏡の視野の中に導入し、その他の解剖学的器官情報を意識的に放棄する。
【００２６】
同様に図３ｂに示すように、導入される診断画像の中には別の情報フィールド１２があり、そのフィールドには特別の患者特有の情報並びに手術中に外科医がこの画像の空間的対応関係を知ることを可能にする各々の診断画像に関わる上述の位置情報が記入される。情報フィールド１２には、たとえば、患者名、実際の装置状態に関わる情報、さらには血圧、脈拍などの手術中の患者情報をはめ込むことができ、手術中にそれらの情報を監視し続けることになる。刺激プロセスに対する手術中の反応を適切な図形形態で導入することも可能であるのは自明である。
【００２７】
ここで導入すべき位置情報として考えられるのは、選択した選択肢の診断画像の画像番号、あるいは後続する画像又は先行する画像までの距離である。
【００２８】
さらに、外科医が向きを最適化するために、元来計画した手術経路にまだ沿っているか否かを外科医に示唆する図形情報を視野に重ね合わせて導入することが可能である。このためには、その時点で観察している点を座標として検出し且つこの点が実際に計画された手術経路の上にまだ位置しているか否かを比較することが必要である。この場合、この点の座標に従った検出は、たとえば、出願人のドイツ特許第４１３４４８１号に示されているような手術用顕微鏡によって実行可能である。執刀医が正しい計画通りの経路をまだ進んでいるか否かに応じて、その後、この状態を制御装置を介して図形の形態で可視化し、外科医に提示する。これは、たとえば、実際に観察されている点を表わす図形マークを視野の中に導入すると同時に、実際の手術経路の上の１点に対応する別の図形マークを導入するようにして実行可能である。手術用顕微鏡の手動操作による位置決め又は電動方式の位置決めによって、この点を手術経路に沿って再び移動させることができる。図形マークとしては、たとえば、十字線などを使用できる。
【００２９】
本来の手術の間には、電動支持体システムを利用して手術用顕微鏡を確定された手術経路に沿って移動させる。このとき、外科医は移動速度と、所定の停止位置とを先に述べた手術計画作成の時点で必要条件に応じてあらかじめ確定しておくことができる。
移動速度は、たとえば、実際に観察されている視野に応じて又は観察されている領域に従って選択される。これは、手術区域の関心ある所定の領域で手術用顕微鏡の相当に低速の移動を実行できるということを意味している。
【００３０】
外科医が先に確定しておいた手術経路のいずれかの箇所で手術前に生成された診断画像からの画像に対応する情報を必要としたときには、あらかじめ選択された一連の画像データをいつでも呼び出すことができ、視野の中に導入することができる。そのとき、それらの画像と実際の視野位置との相関は実行されず、外科医は画像と共にはめ込まれた情報並びに画像番号及びあらかじめ定められた画像間隔から必要な位置情報を獲得する。さらに、診断画像の全ての選択肢を「ざっと閲覧する」ことも可能である。すなわち、総じて、手術前の診断データを手術中に改善された形で多種多様に利用することができる。
【００３１】
本発明による方法を経て本来の手術に先立って手術計画を作成することが可能である他にも、一度実施したこのプランニングを手術中に変更することもさらに可能である。たとえば、元来計画した手術経路に沿った一度計画された目標地点に到達したときに、手術用顕微鏡をこの目標地点を中心として様々な視線方向に空間的に旋回させることができる。そこで、目標地点に対して変更された視線方向は診断データ列から別の診断画像にも対応している。既に先に説明した通り、自在に選択可能な間隔と向きをもって診断画像を選び出すことが可能である。そのようにして変更した手術経路に沿って手術用顕微鏡をさらに移動させて行くとき、外科医は選択した診断画像を先に説明したように選択的に、実際の視野位置とは関係なく、手術用顕微鏡の観察光学系に導入して観察することができる。従って、本発明による方法の手術中の使用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による方法を実施するための個々の構成要素を含むブロック接続図。
【図２】 手術前に生成され、手術計画作成のために参照される診断画像の表示装置への表示を示す図（ａ）、ａの表示における手術経路に沿った選び出された診断画像の位置を示す図（ｂ）、ｂの手術経路に沿った選び出された診断画像の位置の全様を示す概略斜視図（ｃ）。
【図３】 手術前に操作される選び出された診断画像を示す図（ａ）、関心ある器官の詳細の輪郭のみをマークした図３ａの診断画像を操作した後の画像を示す図（ｂ）。
【符号の説明】
１…手術用顕微鏡、２…電動支持体システム、３…中央制御装置、４…画像データバンク、５…表示装置、１０…手術経路、１１…腫瘍、１２…情報フィールド。

Claims (10)

1. コンピュータ支援定位外科における手術用顕微鏡システムにおいて、
   所定の手術前画像作成診断処理により生成された一連の診断画像をデジタル形式で記憶する画像データバンク（４）と、
   前記画像データバンク（４）からの一連の診断画像を利用して、手術計画を作成し、かつ手術経路（１０）を確定するための中央制御装置（３）と、
   前記確定された手術経路（１０）に対し、前記一連の診断画像から、所望の間隔と向きをもった二次元診断画像をあらかじめ選択するための選択手段と、
   手術用顕微鏡（１）を前記確定された手術経路（１０）に沿って移動するための電動支持体システム（２）と、
   前記選択手段によりあらかじめ選択された診断画像を、実際の視野位置とは無関係に前記手術用顕微鏡（１）の観察光学系の中に導入する診断画像導入手段と
   を備えたことを特徴とするシステム。
2. 前記生成された診断画像に基づき前記手術用顕微鏡（１）の観察光学系の中に導入すべき導入データを作成するための導入データ作成手段をさらに備え、前記診断画像導入手段は前記選択された診断画像と前記作成された導入データの一方または両方を前記観察光学系の中に導入することを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記導入データは、所定の器官の詳細に対応する輪郭（１１）であることを特徴とする請求項２記載のシステム。
4. 前記診断画像導入手段は、選択された診断画像と共にその位置情報を前記手術用顕微鏡（１）の観察光学系の中に導入し、計画された手術経路（１０）に対する前記診断画像の位置関係を把握可能にしたことを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 前記導入される位置情報は、先行する画像及び／又は後続する診断画像までの距離であることを特徴とする請求項４記載のシステム。
6. 前記診断画像導入手段は、前記選択された診断画像に関しての患者に特有の情報を前記手術用顕微鏡（１）の観察光学系の中にさらに導入するものであり、該患者に特有の情報は前記診断画像中に設けられた情報フィールド（１２）に入るようにされていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
7. 前記情報フィールドは、患者の刺激プロセスに対する手術中の反応が所望の図形形態で導入可能に構成されていることを特徴とする請求項６記載のシステム。
8. 前記診断画像を表示する少なくとも１台のモニタ（５）をさらに備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 手術中、実際に観察されている視野平面と前記選択された診断画像との重ね合わせ表示か、診断画像のそのままの表示かの選択を行う表示動作モードが前記手術用顕微鏡（１）に設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 前記確定された手術経路に沿った前記手術用顕微鏡（１）の走行速度は、手術前の手術計画作成時に中央制御装置（３）において確定されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のシステム。

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