JP3790638B2 - 医療実習装置及び医療実習結果の評価方法 - Google Patents

医療実習装置及び医療実習結果の評価方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療実習の結果を客観的かつ視覚的に評価する医療実習装置及び医療実習結果の評価方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、歯科実習の結果を視覚的に評価する装置として、特開平10−97187号公報に提案されているものがある。この評価装置では、まず、未切削の歯牙模型を計測して得られた未切開形状データと、教師が手本として未切削の歯牙模型に実際に窩洞形成した切削済の歯牙模型を計測して得られた切削済形状データとの差分より、教師窩洞形状データを得る。同様にして、未切削形状データと、学生が実習として未切削の歯牙模型に実際に窩洞形成した切削済の歯牙模型を計測して得られた切削形状データとの差分から対象窩洞形状データを得る。そして、教師窩洞形状データと対象窩洞形状データに基づいて、教師窩洞形状と対象窩洞形状を表示画面上で重ね合わせ、両者の重ね合わせ部分の過剰量または不足量を点数に換算して、学生の形成した対象窩洞形状を評価する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この評価装置では、窩洞を形成した切削済の対象歯牙模型について対象窩洞形状を評価するものであって、窩洞形成の過程をリアルタイムで観察し客観的に評価することができない。
【0004】
本発明は、実習の成果をリアルタイムで視覚的に観察し客観的に評価できる医療実習装置及び医療実習評価方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明の医療実習装置は、
(a) 空間上に多角形を描くように配置された少なくとも3つのターゲットを有し、医療実習者が取り扱う器具の動きに応じて移動する被写体と、
(b) 空間上で所定の場所に固定され、上記少なくとも3つのターゲットを含む被写体の動きを撮影する第1の撮像手段と、
(c) 空間上で上記第1の撮像手段から離れた場所に固定され、上記第1の撮像手段と同時に、上記少なくとも3つのターゲットを含む被写体の動きを撮影する第2の撮像手段と、
(d) 上記第1の撮像手段で撮影された画像を処理してデジタル画像データに変換し更に上記デジタル画像データを二値化し、上記第1の撮像手段で撮影された画像上において上記少なくとも3つのターゲットの位置を表わす第1の二次元座標データを得る第1の画像処理手段と、
(e) 上記第2の撮像手段で撮影された画像を処理してデジタル画像データに変換し更に上記デジタル画像データを二値化し、上記第2の撮像手段で撮影された画像上において上記少なくとも3つのターゲットの位置を表わす第2の二次元座標データを得る第2の画像処理手段と、
(f) 上記第1と第2の二次元座標データから、上記少なくとも3つのターゲットが位置する空間における三次元座標データを得る第3の画像処理手段と、
(g) 上記第1及び第2の撮像手段と空間上で対応付けられた実習対象と、
(h) 上記実習対象の画像データを格納した記憶部と、
(i) 上記実習対象の画像データと上記三次元画像データとをもとに、上記実習対象の画像に上記特定の位置の動きを重ね合わせた合成画像を得る第4の画像処理手段と、
(j) 上記合成画像を表示する表示装置とを有する。
好ましくは、医療用実習装置は、昇降式の基台とテーブルからなる実習用診療台と、上記テーブルに固定された人体頭部模型と、上記人体頭部模型に含まれ、実習対象となる歯牙を備えた歯列模型とをさらに有し、上記第1の撮像手段と第2の撮像手段が上記テーブルと共に昇降する。
さらに好ましくは、医療用実習装置は、上記少なくとも3つのターゲットが上記器具に対して回転可能であり、上記少なくとも3つのターゲットの上記器具に対する回転角が上記特定の位置の三次元座標データの取得に用いられる。
【0006】
本発明に係る医療用実習装置の他の形態は、上記実習対象の画像データが、実習内容に応じた理想の最終出来形を表わす形状データを含むことを特徴とする。
【0007】
本発明に係る医療用実習装置の他の形態は、上記3つのターゲットが異なる色を有することを特徴とする。
【0008】
本発明に係る医療用実習装置の他の形態は、上記3つのターゲットが異なる反射率を有することを特徴とする。
【0009】
本発明に係る医療実習結果の評価方法は、
(a) 実習対象の画像データを記憶する工程と、
(b) 空間上に多角形を描くように配置された少なくとも3つのターゲットを有し、医療実習者が取り扱う器具の動きに応じて移動する被写体を用意する工程と、
(c) 上記少なくとも3つのターゲットを含む被写体の動きを、空間上の所定の場所に固定された第1の撮像手段で撮影する工程と、
(d) 上記第1の撮像手段と同時に、上記少なくとも3つのターゲットを含む被写体の動きを、空間上で上記第1の撮像手段から離れて固定された第2の撮像手段で撮影する工程と、
(e)上記第1の撮像手段で撮影された画像を処理してデジタル画像データに変換し更に上記デジタル画像データを二値化し、上記第1の撮像手段で撮影された画像上において上記少なくとも3つのターゲットの位置を表わす第1の二次元座標データを得る第1の画像処理工程、
(f) 上記第2の撮像手段で撮影された画像を処理ししてデジタル画像データに変換し更に上記デジタル画像データを二値化し、上記第2の撮像手段で撮影された画像上において上記少なくとも3つのターゲットの位置を表わす第2の二次元座標データを得る第2の画像処理工程と、
(g) 上記第1と第2の二次元座標データから、上記少なくとも3つのターゲットが位置する空間における三次元座標データを得る第3の画像処理工程と、
(h) 上記実習対象の画像データと上記三次元画像データとをもとに、上記実習対象の画像に上記特定の位置の動きを重ね合わせた合成画像を得る第4の画像処理工程、
(i) 上記合成画像を表示する工程とを有する。
【0010】
【発明の作用及び効果】
上記構成の医療用実習装置及び実習結果の評価方法において、第1の撮像手段と第2の撮像手段は、医療実習中、実習者の取り扱う器具に設けた被写体(特に少なくとも3つのターゲット)を撮影する。第1と第2の撮像手段で撮影された画像はそれぞれ第1と第2の画像処理手段で処理され、これらの画像について複数のターゲットの位置を表わす二次元座標データが作成される。第3の画像処理手段は、これら第1と第2の二次元座標データを対応づけ、基準的に対して空間的に対応付けられた特定の位置(例えば、歯科切削用インスツルメントの場合は切削器具)の三次元画像データを得る。他方、実習対象(例えば、歯科実習の場合は、歯牙)は第1及び第2の撮像手段と空間上で対応付けられており、その画像データが記憶部に格納されている。第4の画像処理手段は、記憶部に格納されている歯牙の画像データと、上記特定の位置の三次元座標データとを用い、実習対象の画像に特定の位置の動きを重ね合わせた合成画像を作成する。作成された合成画像は表示装置に表示され、実習者、指導教官にリアルタイムで提供される。
【0011】
したがって、実習者自身が自己の実習状況を視覚的に評価しながら実習を行うことができる。また、実習の指導教官は、リアルタイムに表出される表示装置の合成画像を見て、実習者に適宜アドバイスを与えることができる。
【0012】
また、実習対象の画像データが、実習内容に応じた理想の最終出来形を表わす形状データを含む場合、理想の最終出来形と実際の出来形とを視覚的に対比できるので、実習結果をより客観的に評価できる。
【0013】
さらに、ターゲットが異なる色、または異なる反射率を有する場合、これらのターゲットを画像上で容易に識別できる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、各図面において共通する符号は同一の部材、部分を示す。また、本発明を歯科実習装置に適用した実施の形態を説明するが、本発明はこれに限るものでなく、他の医療実習装置及び実習結果評価方法にも同様に適用できるものである。
【0015】
図1は、歯科治療実習装置10の全体を示し、この実習装置10は、実習者(例えば、歯学部の学生、歯科治療実務者)12が目的の歯科実習を行うために必要な装置を備えている。具体的に、実習装置10は実習用診療台14を備えている。実習用診療台14は、昇降式の基台16と、基台16の上部に固定されたテーブル18と、テーブル18又はその他の場所に連結されたインスツルメントホルダ20を備えている。また、テーブル18の端部には人体頭部模型22が固定されており、この人体頭部模型22に歯列模型24(図3参照)が含まれている。テーブル18の一側部には支柱26が配置されている。この支柱26は、その下端部がテーブル18又はテーブル18と共に昇降する基台16の上部に固定されている。支柱26は、テーブル18の上方で頭部模型22の上方を横切るように、水平方向に伸びる水平支持部28を有する。
【0016】
水平支持部28は、頭部模型22のほぼ口部を鉛直方向に伸びる鉛直垂下線30を挟む両側にそれぞれCCDカメラ等の撮像カメラ32A、32Bを有する。これら撮像カメラ32A、32Bは、それぞれ歯列模型24に焦点が合わしてある。なお、これら撮像カメラ32A、32Bはテーブル18の昇降と共に昇降するので、テーブル18を昇降しても撮像カメラ32A、32Bと歯列模型24との距離が変化したり、焦点が外れることはない。水平支持部28にはまた、撮像カメラ32A、32Bの撮影位置を照明するために、本実施形態では2つの照明ランプ36A、36Bが固定されている。
【0017】
実習者12が歯科実習に用いるインスツルメント40には、図2に示すように、撮像カメラ32A、32Bで撮影する対象物すなわち被写体42が固定されている。被写体42は、空間上で三角形を描くように配置された3つのターゲット44A、44B、44Cを有する。これらのターゲット44A、44B、44Cは、3本のアーム46A、46B、46Cの先端部に固定されている。アーム46A、46B、46Cの基端部は、インスツルメント40の基端側に固定されたリング48に連結されている。このように、3つのターゲット44A、44B、44Cがインスツルメント40に対して固定されていることにより、これら3つのターゲット44A、44B、44Cとインスツルメント40の先端部に装着されている切削器具50との空間的位置関係が一義的に定まり、3つのターゲット44A、44B、44Cの空間上の位置が決まれば、切削器具50の空間上の位置が決定できる。また、図3に示すように、撮像カメラ32A、32Bに対して、治療実習対象となる歯牙52の空間上の位置関係を求めておき、この状態で撮像カメラ32A、32Bに対する3つのターゲット44A、44B、44Cの空間位置さらに切削器具50の空間位置を求めれば、歯牙52に対する切削器具50の係り状態(すなわち、切削状況)を推定できる。
【0018】
なお、ターゲット44A、44B、44Cは、撮像カメラ32A、32Bで撮影したときに区別できるように、例えば、赤、青、緑の異なる色で着色するのが好ましい。また、ターゲット44A、44B、44Cそのものを、異なる色を発するランプ又は発光素子で形成してもよい。この場合、ランプ等を発光させるために、これらランプ等を電源に接続する必要がある。リング48は、インスツルメント40に回転不能に固定してもよいが、例えば公知の回り止め機構(ディテント機構)を設け、インスツルメント40の長軸を中心として、所定角度(例えば、15度、30度、45度)ごとに位置を変えて固定できるようにするのが好ましい。
【0019】
切削器具50による歯牙52の切削状況を視覚的に捉えるために、図4に示すデータ処理装置60が用意されている。データ処理装置60は、演算処理部(マイクロコンピュータ)62を有する。演算処理部62には種々の入力部64が接続されている。これら入力部64には、キーボード、マウスの他に、この制御系に通信ケーブル等の伝送系を介して接続された他のコンピュータも含まれる。これらキーボード等から入力されるデータには、被写体42の3つのターゲット44A、44B、44Cの空間位置関係(例えば、3つのターゲット44A、44B、44C間の距離等)、3つのターゲット44A、44B、44Cと切削器具50との空間位置関係、切削器具50の外観形状(形状データ)、空間上の固定された基準点を基準とした撮像カメラ32A、32Bの受像面の空間座標・撮像カメラ32A、32Bの光軸座標(方向)、上記基準点に対する治療実習対象歯牙52の空間座標及び外観形状(形状データ)、被写体42がインスツルメント40に対して回転できる形態の場合は被写体42の回転角が含まれる(図5の工程#1)。これら入力部64から入力された情報はROM66に記憶され、後に説明する演算処理に利用される。
【0020】
実習時、図1から図3に示すように、実習者12が手に握ったインスツルメント40に固定されている3つのターゲット44A、44B、44Cを撮影する(図5の工程#2)。撮影された情報は、撮像カメラ32A、32Bからそれぞれ対応するビデオキャプチャーボード(VCB)68A、68Bに出力される。本実施形態では、VCB68A、68Bは、撮像カメラ32A、32Bの出力をデジタル画像データに変換する(図5の工程#3)。また、VCB68A、68Bは、このデジタル画像データを二値化し(図5の工程#4)、対応する撮像カメラ32A、32Bで撮影された3つのターゲット44A、44B、44Cの画像データをそれぞれ作成する。ここで作成されたターゲット44A、44B、44Cの画像データは、演算処理部62を介してROM66に出力され、そこに記憶される。
【0021】
各ターゲット44A、44B、44Cの画像データをそれ以外の画像データから区別して抽出する方法には色々ある。例えば、各ターゲット44A、44B、44Cに固有の色(例えば、赤、青、緑)が着色されている場合、また、各ターゲット44A、44B、44Cに固有の色を発光するランプ等が使用されている場合、適当な閾値を設けてデジタル化された画像データの中から特定の色の画像データだけを抽出する。これは、一般的に、カラー複写機などで採用されている手法と同様である。また、各ターゲット44A、44B、44Cが固有の外観を有する場合、その外観を画像データの中から認識することで各ターゲット44A、44B、44Cの画像データだけを抽出することができる。さらに、外観(色、形状)を同一に保ち、反射効率の異なる材料でターゲット表面を被覆し、撮像カメラ32A、32Bで撮影された各ターゲット44A、44B、44Cの画像濃度の違いから各ターゲット44A、44B、44Cの画像データだけを抽出することも可能である。
【0022】
ROM66に記憶されたターゲット44A、44B、44Cの画像データは演算回路70に読み出され、RAM72に記憶されている処理プログラムにしたがって処理される(図5の工程#5)。具体的に、演算回路70では、撮像カメラ32Aで撮影された3つのターゲット44A、44B、44Cの画像データをもとに、これら3つのターゲット44A、44B、44Cのそれぞれについて、この撮像カメラ32Aの画面上における位置を示す二次元座標(位置データA)を演算する。同様に、演算回路70は、撮像カメラ32Bで撮影された3つのターゲット44A、44B、44Cの画像データをもとに、これら3つのターゲット44A、44B、44Cのそれぞれについて、この撮像カメラ32Bの画面上における位置を示す二次元座標(位置データB)を演算する。
【0023】
次に、演算回路70は、それぞれの撮像カメラ32A、32Bについて得られた3つのターゲット44A、44B、44Cの位置データA、Bを関連づける(図5の工程#6)。
【0024】
続いて、演算回路70は、上述のように入力部64から入力されている初期条件(例えば、撮像カメラ32A、32Bの受像面の空間座標・撮像カメラ32A、32Bの光軸座標)と位置データA、Bとを用いて、3つのターゲット44A、44B、44Cの空間座標(x’、y’、z’)を求める(図5の工程#7)。
【0025】
演算回路70はまた、この空間座標をもとに、3つのターゲット44A、44B、44Cと一定の空間的位置関係に置かれている切削器具50の特定の点の空間ベクトル(x、y、z、α、β、γ)を求める(図5の工程#8)。この空間ベクトルは、初期入力された切削器具50の形状データと共に、切削器具50の外形が占有している空間を求める際に利用される。
【0026】
なお、これら3つのターゲット44A、44B、44Cと切削器具50の空間座標は、空間上の特定の固定点を原点とした値で、この原点は任意に決定できる。
【0027】
演算回路70はさらに、切削器具50の空間ベクトルと、切削器具50の形状データを用い、切削器具50の移動軌跡を表わす軌跡データを求める(図5の工程#9)。なお、この移動軌跡は点軌跡ではなく、空間上に一定の体積を占める空間軌跡である。
【0028】
この軌跡データは、切削実習対象の歯牙52の形状データと共にグラフィック化回路74に送信される。グラフィック化回路74は、歯牙52の形状データをもとに、適当なディスプレイ76上に、歯牙52の形状を表出する。また、グラフィック化回路74は、軌跡データと形状データとを重ね合わせ、切削器具50と歯牙52の空間的干渉領域、すなわち切削器具50で切削された歯牙部分を求め、その切削部分80をディスプレイ76に表出された歯牙イメージに重ねる(図5の工程#10)。
【0029】
例えば、図6(a)、(b)、(c)は、ディスプレイ76に表出される歯牙52の平面、B−B断面、C−C断面を示し、表出された歯牙の形状中に、切削部分80が表示される。なお、図6は、歯牙52及び切削部分80を二次元的にしか表示していないが、これらを三次元的に表示することも当然可能である。なお、歯牙52の形状データには、実習内容に応じた理想的な切削形状のデータを含めておき、この理想切削形状を図6において点線82で示すように同時に表出してもよい。この場合、理想切削形状82と実際に出来あがった切削形状とを視覚的に比較対比できるので、評価の客観性が向上する。
【0030】
また、歯牙52の切削部分80は、切削実習の進行と共にリアルタイムで表示される。したがって、例えば、ディスプレイ76を実習者の見える位置に配置しておけば、実習者自身が自己の実習状況を視覚的に評価しながら実習を行うことができる。また、ディスプレイ76を指導教官が見えるように配置しておけば、指導教官は実習者の実習状況を見て、その実習者に適切なアドバイスを与えることができる。
【0031】
なお、上述した実施形態では、3つのターゲット44A、44B、44Cを撮影対象としたが、空間上で多角形を描くことができれば、それ以上のターゲットを利用することは問題ない。ターゲットはまた、空間上で三角形以上の多角形を描くことができ、かつ、複数のターゲットが多角形を描き得る状態で2つの撮像カメラにより同時に撮影できれば、インスツルメント40の外面に直接取り付けてもよい。
【0032】
また、撮像カメラ32A、32Bから出力された信号を処理して二値の画像データを作成する装置として、ビデオキャプチャーボード68A、68Bを利用したが、これに代えて、ビデオプロセッサ、デジタルシグナルプロセッサを利用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る医療実習装置の全体を示す斜視図。
【図2】 実習者がインスツルメントを把持した状態及び被写体を示す斜視図。
【図3】 歯列模型、インスツルメント、被写体、撮像カメラの位置関係を模式的に表わした図。
【図4】 医療実習装置に含まれるデータ処理装置の回路ブロック図。
【図5】 データ処理装置の処理を説明するフローチャート。
【図6】 ディスプレイに表出される歯牙を表わした図で、図6(a)は歯牙の平面図、図6(b)はA−A断面図、図6(c)はC−C断面図。
【符号の説明】
12…実習装置、12…実習者、32A、32B…撮像カメラ、40…インスツルメント、42…被写体、44A、44B…ターゲット、50…切削器具、52…歯牙、70…演算回路、80…切削部分、82…理想切削形状。

Claims (7)

  1. (a) 空間上に多角形を描くように配置された少なくとも3つのターゲットを有し、医療実習者が取り扱う器具の動きに応じて移動する被写体と、
    (b) 空間上で所定の場所に固定され、上記少なくとも3つのターゲットを含む被写体の動きを撮影する第1の撮像手段と、
    (c) 空間上で上記第1の撮像手段から離れた場所に固定され、上記第1の撮像手段と同時に、上記少なくとも3つのターゲットを含む被写体の動きを撮影する第2の撮像手段と、
    (d) 上記第1の撮像手段で撮影された画像を処理してデジタル画像データに変換し更に上記デジタル画像データを二値化し、上記第1の撮像手段で撮影された画像上において上記少なくとも3つのターゲットの位置を表わす第1の二次元座標データを得る第1の画像処理手段と、
    (e) 上記第2の撮像手段で撮影された画像を処理してデジタル画像データに変換し更に上記デジタル画像データを二値化し、上記第2の撮像手段で撮影された画像上において上記少なくとも3つのターゲットの位置を表わす第2の二次元座標データを得る第2の画像処理手段と、
    (f) 上記第1と第2の二次元座標データから、上記少なくとも3つのターゲットが位置する空間における三次元座標データを得る第3の画像処理手段と、
    (g) 上記第1及び第2の撮像手段と空間上で対応付けられた実習対象と、
    (h) 上記実習対象の画像データを格納した記憶部と、
    (i) 上記実習対象の画像データと上記三次元画像データとをもとに、上記実習対象の画像に上記特定の位置の動きを重ね合わせた合成画像を得る第4の画像処理手段と、
    (j) 上記合成画像を表示する表示装置とを有する医療用実習装置。
  2. 昇降式の基台とテーブルからなる実習用診療台と、上記テーブルに固定された人体頭部模型と、上記人体頭部模型に含まれ、実習対象となる歯牙を備えた歯列模型とをさらに有し、上記第1の撮像手段と第2の撮像手段が上記テーブルと共に昇降することを特徴とする請求項1の実習装置。
  3. 上記少なくとも3つのターゲットが上記器具に対して回転可能であり、上記少なくとも3つのターゲットの上記器具に対する回転角が上記特定の位置の三次元座標データの取得に用いられる請求項1又は2の実習装置。
  4. 上記実習対象の画像データが、実習内容に応じた理想の最終出来形を表わす形状データを含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかの実習装置。
  5. 上記3つのターゲットが異なる色を有することを特徴とする請求項から3のいずれかの実習装置。
  6. 上記3つのターゲットが異なる反射率を有することを特徴とする請求項1から4のいずれかの実習装置。
  7. (a) 実習対象の画像データを記憶する工程と、
    (b) 空間上に多角形を描くように配置された少なくとも3つのターゲットを有し、医療実習者が取り扱う器具の動きに応じて移動する被写体を用意する工程と、
    (c) 上記少なくとも3つのターゲットを含む被写体の動きを、空間上の所定の場所に固定された第1の撮像手段で撮影する工程と、
    (d) 上記第1の撮像手段と同時に、上記少なくとも3つのターゲットを含む被写体の動きを、空間上で上記第1の撮像手段から離れて固定された第2の撮像手段で撮影する工程と、
    (e)上記第1の撮像手段で撮影された画像を処理してデジタル画像データに変換し更に上記デジタル画像データを二値化し、上記第1の撮像手段で撮影された画像上において上記少なくとも3つのターゲットの位置を表わす第1の二次元座標データを得る第1の画像処理工程、
    (f) 上記第2の撮像手段で撮影された画像を処理してデジタル画像データに変換し更に上記デジタル画像データを二値化し、上記第2の撮像手段で撮影された画像上において上記少なくとも3つのターゲットの位置を表わす第2の二次元座標データを得る第2の画像処理工程と、
    (g) 上記第1と第2の二次元座標データから、上記少なくとも3つのターゲットが位置する空間における三次元座標データを得る第3の画像処理手段と、
    (h) 上記実習対象の画像データと上記三次元画像データとをもとに、上記実習対象の画像に上記特定の位置の動きを重ね合わせた合成画像を得る第4の画像処理工程、
    (i) 上記合成画像を表示する工程とを有する医療実習結果の評価方法。
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