JP3845682B2

JP3845682B2 - Simulation method

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Publication number: JP3845682B2
Application number: JP2002040151A
Authority: JP
Inventors: 龍太郎姫野
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2002-02-18
Filing date: 2002-02-18
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2022-02-18
Also published as: JP2003241641A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、オペレータがある対象に対して行う動作を仮想空間上でシミュレーションするシミュレーション方法、シミュレーションプログラム、及びシミュレーション装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、医療現場・医学教育現場等において外科手術の事前検討や教育にコンピュータによって支援されたシミュレータを使用することが試みられてきた。このようなシミュレータにより、医師の使用するメス、注射器、カテーテル、内視鏡などの器具が人体の一部を切開したり、進入し、移動していく様子をコンピュータ上に再現することができる。その結果、実際の人体では試すことができない様々な処置の状況をコンピュータ上に再現することができる。また、安全性や治療効果を高めるための手術の事前検討や患者本人への事前説明を行ったり、医学教育に役立てることができる。
【０００３】
このようなシミュレータにおいては、オペレータは手術に用いる医療機器に相当するプローブを操作し、その操作状況がデータ化される。また、コンピュータ上の仮想空間に人体の形状データが配置されており、操作状況のデータと人体の形状データとを共通の仮想空間に配置する。そして、それらのデータがコンピュータ内で演算処理されて、仮想空間における患者の空間配置とプローブの位置に応じた画像が描画される。この画像は、例えばそのシミュレーションを実行するオペレータがつけているＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等のスクリーンや、別の観察者の見るディスプレイのスクリーン上に表示される。オペレータは自分の操作が人体でどのような結果となるかを認識できるようになり、また、オペレータ以外の医師等がオペレータの操作を検討することが可能となる。
【０００４】
従来の手術シミュレータでは、手術がシミュレートされる人体の身体形状や器官の表面をポリゴンと呼ばれる多角形の集合の形式で、シミュレーションの前に作成する。
【０００５】
このポリゴンデータを作成するためには、まず、人体の表面等の形状について形状の三次元データを取得する。これは、人体内部の器官にあっては、Ｘ線ＣＴやＭＲＩ(Magnetic Resonance Imaging)などの医療用診断装置を用いて座標データを求める。次にこれらの三次元データを用いて人体のポリゴンモデルを作成する。
【０００６】
そして、ポリゴンデータを用いてシミュレーションを行う。このとき、例えばメスによる切開の状況を再現するためには、オペレータは、実際には患者のいない空間でメスに相当するプローブを手にもって操作して手術の動作をシミュレートする。そのプローブにより、その空間の周囲に配置された例えば磁気センサ等によって位置と方向が同定され、メスの刃の位置が特定等される。そのプローブのデータはコンピュータに送られる。そして、コンピュータ上の仮想空間に予めポリゴンデータ等によって３次元で表現されている患者の空間配置（患者の身体形状表面の立体像や、患者の器官の立体像等の立体的配置）に、オペレータの持つプローブの実際の空間座標から取得した仮想空間内でのメスの方向や位置が重ね合わされる。シミュレーションの際には、プローブの位置と仮想空間での処理がリアルタイムで行われ、適当なサンプリング時間ごとに情報が書き換えられる。
【０００７】
この仮想空間におけるメスの位置と人体形状との距離から、メスが人体に入り込んでいるのか、あるいはまだ入っていないのかといった状況が計算によって定められる。例えばメスの刃が人体の身体形状表面を横切ることにより、開腹手術等の状況が仮想空間内で再現される。このとき、仮想空間内での人体の身体形状や器官の形状を表わす多数の座標点と、プローブによって操作される仮想空間内のメスの位置との間の距離は、メス等の手術器具がどのような作用を身体に及ぼすかを決める指標となる。オペレータが例えばメスをある仮想対象物に近づけるとき、磁気式のセンサーなどによってメスの位置を測定し、コンピュータ上にあるこの仮想対象物（人体モデルの器官）の面のポリゴンとメスとの距離を求める。この際、原理的には、この人体のポリゴンモデルに含まれるポリゴンとメスとの距離をすべてのポリゴンについて計算し、その中から最短の距離を求める。そして最短の距離が０になると、メスが人体に接触したと判断することができる。こういう場合、プローブメスに反力を実現するような機構が備わっているものでは、メスに反力を返したり、画像を書き換えたりといったシミュレータの機能を実現することができる。いずれの場合にも、プローブの動きをリアルタイムで反映して距離計算を行う必要がある。
【０００８】
また、脳内の血管は、出血によって重篤な脳障害を引き起こす可能性があり安易にメスを入れられないことから、カテーテルを用いた手術方法が盛んに検討されている。ＭＲＩの原理を応用したＭＲＡ(Magnetic Resonance Angiography)等によって、脳内の血流の立体像が得られるようになり、脳内血管の病変の位置や様子の観察手段が発達してきている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来のシミュレーションで用いる人体のポリゴンモデルを準備するには、測定から測定値の加工・データの完成までに、コンピュータ上での自動化できない作業を伴う。このために多大な手間と期間が必要であり、多くの場合は、その作成に数週間程度を要する。従って、個々の患者の身体形状や器官の配置をポリゴンモデルにまで準備してシミュレートすることは事実上不可能であった。個々の患者の状況を反映して実際の手術の前に手術方法を検討したり練習したりするためには、測定からモデル作成までを半日程度またはそれ以下に短縮し、作業の多くの部分を自動化する必要があるが、これが不可能であるという問題点がある。
【００１０】
また、プローブによって操作される医療器具の仮想空間での位置と人体との最短距離を求める場合において、この数十万個にもなり得るポリゴンとメスの距離を全てのポリゴンについて求め、最短の距離を求めるという方法は、リアルタイムで行う計算としては演算量が多すぎる。特に、シミュレータでオペレータに反力を与えようとする場合に上記原理に忠実に計算を行うと、シミュレータの動作レスポンスが悪くなる。さらに、より現実に近いフィードバックをオペレータに行うことを目的とした場合には、人体のモデルが精密になるほど仮想空間における距離の算出に時間がかかるという問題点がある。
【００１１】
この問題点を克服するために、時間のかかる距離計算部分を省略して高速化する手法も提案されている。その改良方法は、一つは、ポリゴンで表現された人体を複数の部分に分け、計算する対象を距離が近いといった関係する部分のみに限定するものである。この場合、ポリゴンで表現された人体を複数の部分に分けて関係する部分のみに限定する距離の計算方法では、演算量は減るが、場合によっては計算から排除した部分の方が近いことがしばしば起こるという問題がある。このために、正確にシミュレーションしにくいという問題がある。特に、人体内部の複数の器官が近くにある場合といった複雑な位置関係を有する場合にはこの問題点は顕著なものである。
【００１２】
さらに、もう一つの改良方法は、細かいポリゴンと、それをカバーする粗いポリゴンを持ち、プローブの距離が離れている部分のポリゴンに対しては粗いポリゴンを使って演算量を減らし、プローブの距離が近づくと細かいポリゴンを使って精度を上げるものである。さらに、細かいポリゴンと粗いポリゴンを用いる場合にはこの場合、ポリゴンの粗いものから細かいものに切り替えるときに、演算量が急に変化するため、シミュレータのレスポンスが変化するために、プローブの動きの表現がその変化の時点で不自然になるという問題点がある。また、同じ対象に対して粗いデータと細かいデータといった階層的に重複したデータを持つために、ポリゴンのデータ量が多くなるという問題点がある。
【００１３】
加えて、脳血管障害などでは、患者ごとに患部（例えば脳動脈瘤）の位置や形状が異なりしかも形状が複雑である。ＭＲＡ等の医療診断装置によって患部の状況を把握することは可能となってきたが、このための有効な治療方法であるカテーテル手術は、一方で、脳内の血管は複雑な分岐や配置をしていることや脳内の血管の破損の可能性等から、医師の習熟を要する。このためにシミュレータによる事前検討が大変有効であるにもかかわらず、これまでのポリゴンモデルで血管を再現するシミュレーション方法やシミュレータでは患者ごとの状況を反映した検討が実用的な時間では行えないという問題がある。
本発明は上記問題点の少なくともいくつかを解決することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、ポリゴンデータを作成したり用いることなく、対象物の形状データを直接利用する。この形状データによって仮想空間の有限個のサンプル点におけるサンプルポテンシャルをさらに求める。このサンプルポテンシャルは、対象物の周りに仮想的なポテンシャル場を想定して、そのポテンシャル値を定めるものである。ポテンシャル場は空間のいくつかの点においてサンプルポテンシャルとして求められる。このサンプルポテンシャルは、形状データに基づいて空間の各位置に対して定まるスカラー量として求める。このスカラー量のサンプルポテンシャルは、シミュレーションされる医療器具がとり得る仮想空間内の個々のサンプル点のそれぞれに対して一つの値として定まるように計算する。そしてこのサンプルポテンシャルを何らかの記憶装置に格納する。シミュレーションにおいては、この格納されたサンプル点ごとのサンプルポテンシャルを用いて、仮想空間内のプローブの位置におけるポテンシャルの近似値を求める。このため、仮想空間のプローブのとり得る位置の全てに対してサンプルポテンシャルを備えていなくても良い。さらに、プローブの位置におけるこのポテンシャル近似値に基づいて、仮想空間における対象物とプローブとの距離やその指標を求める。これにより、仮想空間でプローブが対象物とどういう位置関係にあるかが求まる。距離の指標としては、ポテンシャル近似値そのものであったり、あるいはそれから算出される適当な量である。そうして求まった情報は、何らかの情報提供装置によって、このシミュレータでシミュレーションを行うオペレータや、あるいは、そのオペレータとともにシミュレーション内容に関心を持つ別の者等に提供される。
【００１５】
このように、本発明の一つの形態において、ある対象物に対するオペレータによるプローブの操作のシミュレーション方法であって、記憶装置に格納された前記対象物の３次元空間形状データに基づいて対象物を再現する仮想空間における仮想的ポテンシャル場を計算する第１演算ステップと、計算した仮想的ポテンシャル場におけるいくつかの点のポテンシャル値をサンプルポテンシャルとして記憶装置に格納する記憶ステップと、サンプルポテンシャルの値に基づいて仮想空間内のある点におけるプローブの作用部のポテンシャル近似値を求め、ポテンシャル近似値に基づいて仮想空間における対象物とプローブの作用部との距離を求める第２演算ステップと、距離に応じた情報を提供する情報提供ステップとを備えるシミュレーション方法、あるいはこれを実現するプログラムが提供される。
【００１６】
あるいは、本発明の別の形態では、ある対象物に対するオペレータによるプローブの操作をシミュレーションするシミュレーション装置であって、記憶装置に格納された対象物の３次元空間形状データに基づいて対象物を再現する仮想空間における仮想的ポテンシャル場を計算する第１演算装置と、計算した仮想的ポテンシャル場におけるいくつかの点のポテンシャル値をサンプルポテンシャルとして記憶装置に格納する記憶装置と、サンプルポテンシャルの値に基づいて仮想空間内のある点におけるプローブの作用部のポテンシャル近似値を求め、ポテンシャル近似値に基づいて仮想空間における対象物とプローブの作用部との距離を求める第２演算装置と、距離に応じた情報を提供する情報提供手段とを備えてなるシミュレーション装置が提供される。
【００１７】
これらにより、仮想空間に対してサンプルポテンシャルが予め与えられているために、オペレータがプローブを操作してシミュレーションする段階での演算量が低減される。そして、全体としてのマシンタイムも削減され、自動化が容易で対象物の個性を反映したシミュレータが実用となり得る。
このサンプルポテンシャルは、例えば、仮想空間における対象物の表面とプローブの作用部との最短距離を計算することで得られる。また、このポテンシャルを計算するステップは、仮想空間における対象物の表面とプローブの作用部との最短距離を計算するステップを含むものとすることができる。これらにより、シミュレーションに用いるポテンシャルから対象物までの最短距離が求まり、距離の情報が提供可能となる。また、距離に応じて動作を変える演算が容易となる
【００１８】
また、本発明においては、仮想的ポテンシャル場は、３次元空間形状データに基づいて対象物の表面のポテンシャルを第１の値に設定し、対象物の外側にある仮想的表面におけるポテンシャルを第１の値とは異なる第２の値に設定して計算することで得られるシミュレーション方法や、これを実行するためのプログラムが提供される。例えば、対象物の電位を０と定めて外側に設けた基準面の電位をそれより高い正の電位とすれば、プローブのポテンシャル近似値の電位が正の値から０に近づくにつれて、プローブの仮想空間の位置が対象物に近づいていることがわかり、０になれば対象物に接していることがわかる。つまり、距離の指標として電位といったポテンシャルを用いることができる。これにより、境界条件を与えられた元でのポテンシャルは各種の計算手法で容易に求まるためにシミュレーションの準備段階の自動化が容易となる。
【００１９】
また、本発明の別の形態では、例えば、血管の内部を進行するカテーテルの動作をシミュレートすることができる。つまり、本発明は、血管に対するオペレータによるカテーテルの操作をシミュレーションするためのシミュレーション方法であって、血管内の血流の流速の３次元空間分布データをサンプルポテンシャルとして格納する記憶ステップと、サンプルポテンシャルの値に基づいてある仮想空間内におけるプローブの作用部のポテンシャル近似値を求め、ポテンシャル近似値に基づいて仮想空間における血管の内面として認識される対象物とプローブの作用部との距離を求める演算ステップと、距離に応じた情報を提供する情報提供ステップとを備えるシミュレーション方法や、これを実行するプログラムが提供される。
【００２０】
あるいは、本発明においては、血管に対するオペレータによるカテーテルの操作をシミュレーションするためのシミュレーション装置であって、血管内の血流の流速の３次元空間分布データをサンプルポテンシャルとして格納する記憶装置と、サンプルポテンシャルの値に基づいてある仮想空間内におけるプローブの作用部のポテンシャル近似値を求め、ポテンシャル近似値に基づいて仮想空間における血管の内面として認識される対象物とプローブの作用部との距離を求める演算装置と、距離に応じた情報を提供する情報提供手段とを備えてなるシミュレーション装置が提供される。
これらにより、習熟を要するカテーテル操作がシミュレートできて、操作の安全性や、効果、難易度が事前に検討できる。特に、血管内の血流の流速の３次元空間分布データはＭＲＡと呼ばれる医療検査装置によって得ることができる。この検査の結果は比較的高速に得られるため、個々の患者のデータに基づいてカテーテル操作の事前検討が可能となる。
【００２１】
さらに、本発明では、ポテンシャル近似値は、仮想空間内におけるプローブの作用部の位置を囲む複数のサンプル点におけるサンプルポテンシャルの値に基づく補間計算によって得られるものとすることができる。これにより、ポテンシャル近似値はサンプルポテンシャルの与えられていない点においても、演算量を削減してポテンシャル近似値を算出でき、シミュレータの動作が円滑になる。
【００２２】
加えて、本発明では、サンプルポテンシャルは仮想空間における対象物の表面においてある定数となるようにされたサンプルポテンシャルとすることができる。定数を定めることで、距離の算定が容易になる。
【００２３】
また、本発明では、サンプルポテンシャルは、定数を基準として仮想空間を分け、その一方におけるサンプルポテンシャルの値は定数より大きな値を有し、他の一方におけるサンプルポテンシャルの値は定数より小さな値を有するようにされたサンプルポテンシャルとすることができる。このようにすれば、サンプルポテンシャルの値によって、仮想空間においてプローブの作用点と対象物と位置関係が容易に判別できる。
【００２４】
また、本発明では、ポテンシャル近似値と定数とを比較して、仮想空間におけるプローブの作用部と対象物との位置関係を判別することができる。これにより、位置関係のうち特に対象物の内部であるか表面であるか、あるいは外部であるかが容易に判別できる。
【００２５】
また、本発明では、情報提供に、距離に応じてプローブの作用部へのオペレータの操作力に対する反力をオペレータが持つプローブに与えるものとすることができる。例えば、対象物が中空でなく中身の詰まったものである場合に、仮想空間でのプローブの位置が対象物に入ったときにのみ反力を返すようにすることができる。これにより、対象物が弾性を示すものであったり、その中でプローブに相当する実際のものを動かすときに抵抗を感じるものであったりした場合には、その状況に応じた弾性力や抵抗力のような反力を発生させてオペレータに対象物の内部であることを知らせたり、実際の状況に近いシミュレーションを行ったりすることができる。この際に、対象物内部に作用部が進入したことを利用することができる。
【００２６】
また、本発明において、情報提供は画像表示とすることができる。その画像には、例えば、距離そのものを表示したり、距離に応じてアラートを表示したり、あるいは、特定の状況の画面に切り換えることができる。これにより、シミュレーターで実際の動作に近いシミュレーションが可能になったり、あるいは、実際の動作では得られないようなデータ（例えば動作中における距離など）が提示される。
【００２７】
また、本発明では、プローブによってシミュレートされる動作が人体の少なくとも一部に対する行為であってもよい。「人体の少なくとも一部」とは、人体の肢体等の外形形状や、神経、脳等を含む任意の臓器・内臓の形状、筋肉・骨格・血管の形状、妊婦中の胎児の形状等に例示される人体の任意の一部または全体を意味する。これにより、本発明のシミュレータでは人体のいずれかの器官等に対する行為のシミュレーションが行える。この「行為」とは、医療行為や医療行為以外の行為である介護等の行為なども含む。なお、対象物の３次元空間形状データが人体の少なくとも一部であることは、本発明によって提供されるシミュレータに用いるデータが人体の少なくとも一部の形状に基づくものであることを意味し、本発明を構成する必須の要素に人体の一部を含むものではない。また、本発明のシミュレータによって試行または検討等される動作は医療行為を含み得るが、シミュレートすること自体は人体に何らの作用ももたらさないためそれ自体が医療行為に当たるものではない。
【００２８】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
本発明においては、仮想空間内において、対象物であるもの（例えば、人体、あるいはその器官）をポリゴンモデルで表現することは必要ではない。対象物の３次元データをＭＲＩやＸ線ＣＴ、モアレ法などの医療用測定器などから取得する。この３次元測定データは格子状のグリッドの各サンプル点に対して一つの値が定まるようにして得られるため、その外形を適当な手段で抽出すれば、３次元での形状が得られる。このデータは、そのままか、あるいはわずかな変換によって本発明に利用可能である。これらの手段によって得られたデータは、適当な記憶装置に記憶されて、シミュレーションを実行する前に準備される。
【００２９】
準備段階として、この３次元データに基づいて、ポテンシャル場を計算する。このポテンシャル場は、対象物表面では定数（例えば、０）となるような条件と、必要に応じて例えば有限の距離にある仮想空間の外側境界を適当な別の定数になるように定めるといった付加的な条件を設定し、これらを境界条件として、適当な手段によってポテンシャル場を計算する。例えば、対象物（例えば人体）の表面で０となる電位を考え、対象物を中心とした半径３ｍの球を考えた上で、その球の表面における電位を１として、仮想空間内に作った３次元格子の格子点におけるポテンシャル値を求めておく。このような境界条件のもとで、電磁気学のポアソン方程式を数値的に解けば、仮想空間内の各点で電位が求められる。ポテンシャル場を計算するには、任意の数値計算手法を用いることができるが、例えば、境界要素法や有限要素法、差分法などを用いることができる。これらの適当な計算方法によって、仮想空間に定める有限個のサンプル点の集合であるサンプルグリッドにおけるサンプルポテンシャルが定まる。このサンプルポテンシャルは、サンプル点においてスカラー量を有するポテンシャルである。これらはいずれの例やいずれの計算方法であっても、３次元データが得られている場合には殆ど自動化された手順の計算に帰着されるため、連続計算をおこなって、数時間程度で必要なサンプルポテンシャルを求めることができる。これらの計算において、対象物の内部に進入するときには負になるようにするとさらに良い。このようなポテンシャル場は、人体、各臓器など異なる対象物ごとに求めておくことができる。
【００３０】
このようにポテンシャル場を定めておくと、メスやカテーテルが動いても、人体モデルが変形しない限り、ポテンシャル値は変化しないので、仮想空間内のいずれの点においても、周りの格子点のポテンシャル値から内挿するだけでポテンシャル値を求めることができる。従って、人体表面とメスやカテーテルといったプローブの距離を求めることができる。その結果、プローブと多くのあるいは全てのポリゴンとの距離を計算するのに比べて、一時の内挿計算ですむことになり、大幅な計算時間の短縮になる。
【００３１】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図２に本実施の形態で実現されるシミュレータの構成を示す。本発明のシミュレータ２０では、オペレータ２００は、シミュレータ２０に備えられた入力装置となるプローブ２１４を操作する。プローブ２１４は支持装置２１６によって支持されていて、３次元の実空間におけるその位置や方向が適当なエンコーダまたは駆動装置２１８によって検知される。あるいは、磁気センサー２０４やジャイロ（図示せず）などによってプローブの方向を検知することもできる。このプローブの動きは演算装置２０２に入力されて、その演算装置によって準備される仮想空間にプローブの位置等が反映される。仮想空間では、そこに準備されている、プローブによって何らかの動作を施される対象物とともにプローブが配置される。この様子を図１に示す。ここでは、プローブ２１４によって実現する動作を行う器具は医療用のメス１２であって、対象物は人体１０としている。本実施の形態においては、仮想空間１６にしか存在しないメス１２を仮想空間１６におけるプローブとして記載している。図２に戻ると、本実施の形態では第１の記憶装置２１０と第２の記憶装置２１２がさらに備えられている。記憶装置２１０は対象物の３次元データを格納しており、記憶装置２１２は後に計算されるサンプルポテンシャルを格納している。これらは一つの記憶装置であっても構わない。オペレータ２００は、自分の行っているシミュレーションの状況を例えばヘッドマウントディスプレイ２０６によって画像として知り得る。また、プローブ２１４には駆動装置２１８によって適当な反力が生じるようにしてもよい。これらの情報は、演算装置２０２によって仮想空間におけるプローブと対象物の位置関係に応じて、オペレータに提供され、また、オペレータ以外の者、例えば実習生などの者に対しても、表示装置２０８によって提供することができる。
【００３２】
図５に本実施の形態の準備段階の流れを記載している。ブロック５０から開始した後に、ブロック５２において、人体等の現実の対象物の３次元データを、例えばボディースキャナ等の３次元形状測定装置や、あるいはＭＲＩといった内部データまで保持した３次元データとして取得する。図１に記載した人体１０は、その３次元データをＭＲＩやＸ線ＣＴなどの医療用測定器などから取得し、そのデータを適当なしきい値で区分して３次元データとして表わしたものである。対象物である人体全部の３次元データは、光切断法によって３次元データを取得するボディースキャナであれば数分で、ＭＲＩ等の測定器であれば解像度に依存して測定時間が変化するが、約１時間程度で測定が完了する。
【００３３】
次にブロック５４でこの３次元データに基づいてポテンシャルを計算する。仮想空間における対象物である人体１０の表面の電位を０とする。また、人体を中心に半径３ｍの基準となる図示しない球面を考え、その球面上の電位を１となるように定める。仮想空間には電位が計算されるサンプル点の集合点を格子点とするグリッド１４（図１参照）が準備されていて、この格子点のそれぞれにおいて人体１０が仮想空間に形成する電位のポテンシャル値が、サンプルポテンシャルとして計算される。計算は、演算装置２０２によって行われても良いが、別の図示しない演算装置によって行われていても良い。この格子の間隔は任意であり、シミュレーションの精度などの諸条件にあわせて、当業者が自由に選択できるものである。本発明においては、これらの演算装置は、ポテンシャルの計算段階とシミュレーション実行段階とで同時に使わない場合には同じ演算装置とすることができるが、一般には別々のものであることができる。このサンプルポテンシャルは記憶装置２１２に格納される。このとき、例えば、人体１０の内部に当たる格子点には、人体外部からの値が連続的してつながるように例えばマイナスの値を格納しておくことが容易にできる。計算では、人体外部で求まっているポテンシャルを内部へ外挿することで可能であるし、また、別の手段によっても可能である。以上のようにして、図５に示した本実施の形態の準備段階が実行される。
【００３４】
さらに図３にシミュレーション時の仮想空間におけるプローブの周囲の様子を拡大して記載している。プローブ１２は、例えばメスの刃先を作用点として有しており，この作用点を含むグリッドのセル３０の周囲にはサンプルポテンシャルが計算された格子点がある。セル３０にある８個の頂点では、サンプルポテンシャルがＥ₀〜Ｅ₇として計算されている。プローブ１２の作用点におけるポテンシャル近似値は、周囲の８個あるサンプルポテンシャルから計算によって求めることができる。
【数１】

（ここで、ｘ、ｙ、ｚは注目しているセルで０以上１以下の範囲をとるセル内の座標である。）
この式においては、対象物１２の表面を０とするようにして求めたポテンシャルを用いているので、Ｅが０となると対象物の表面に到達していることを示している。この計算においては、あるプローブの位置に対する演算量は積が２４回、和が１９回の合計４３回の演算で求めることが出来る。図３では単独のセル３０を考えているが、より精度を高めるために、演算速度を落とさない範囲でさらに周囲の格子点のサンプルポテンシャルを用いて計算しても良い。
【００３５】
図４に本実施の形態のシミュレーション段階での流れを示す。ブロック４００にてスタートした後に、ブロック４０２において、オペレータはプローブを操作する。その操作に応じて、図２に記載したプローブの位置を測定するエンコーダ２１８または磁気センサ２０４の値が変化し、次の時刻のプローブ位置が求められる。次のプローブ位置では、ブロック４０６において、上記の過程に従ってポテンシャル近似値が再計算される。動きが小さくて図３に示した同じセル３０で計算を行う場合にはセル内での座標のみが変更される。また動きが大きく別のセルになる場合には、新たに記憶装置２１２からサンプルポテンシャルのセットが新たなセルの位置に応じて呼び出される。ブロック４０８においては、この計算された次のプローブ位置のポテンシャル近似値の値を用いて、例えば、仮想空間での人体表面のポテンシャルが０であるならば、０以下であるかどうかが判定される。これにより、プローブの作用点が人体に到達したかどうかが判定される。ポテンシャルが０以下である場合には、到達した場合の処理であるブロック４１０の到達処理が施される。到達処理は、到達したというイベントに応じたイベント処理であってもよい。これにより、例えば、ディスプレイ２０６に到達した情報が表示されたり、到達して対象が変化する様子が描画されることができる。また、プローブに反力を与えてもよい。ポテンシャル近似値の値が０より大きい場合には、プローブが対象物に到達していないと判断されるので、計算が続行される。そして、現在のプローブ位置に新しいプローブ位置を代入して（ブロック４１２）、さらに画像描画やプローブ位置が記憶される（ブロック４１４）。このフローには記載していないが、適当なイベント処理プロセスを付加して、シミュレーションの終了や、エラー処理を適宜追加することもできる。
【００３６】
［比較例１］
従来のポリゴンを用いるシミュレータは、図２に示したシミュレータの構成のうち、記憶装置２１２にはポリゴンデータを格納している。従来のシミュレータにおける仮想空間での構成を比較のために示す。図８は、従来のポリゴンを用いた例である。ポリゴンを用いた例においては、対象物８０は多数のポリゴン８２０、８４０、８４２、８６０、８６２などによって構成された立体データとして配置される。ここにプローブ１２が配置されて、対象物８０との間で動作をシミュレートする。
【００３７】
従来の方法では、図１０に示すように、ブロック１０００からスタートして、まず３次元データを取得する。これは任意の方法であってよい。そして、そのデータからノイズを除去して（ブロック１００２）、データの値が同じ値の等値面でデータを２値化して抽出がおこなわれる（ブロック１００６）。その後、ポリゴンモデルを作成する（ブロック１００８）。ポリゴンモデルの作成は、データに基づいてポリゴンの生成を行い、そのポリゴンが途切れたり、孤立した部分が出てくるとそれを修正する（ブロック１０１０）。この作業は、自動化が難しく、作業を人手に頼らざるを得ないために数週間の時間を要する。さらに、例えば、図８に胸部８２と腹部８４、腰部８６と区切ったようにパーツへ分解する場合もある。これによって、例えば図８ではポリゴン８２０がプローブ１２の作用点から遠い距離にあるために、例えばポリゴンを粗くして計算の負担を低減させる。このために、各パーツには、詳細なポリゴンデータのほかに簡略化されたポリゴンデータも保持することが行われている（ブロック１０１４）。このようにしてブロック１０１６でポリゴンの準備が完了する。
【００３８】
図９に従来の方法におけるフローを示す。ブロック９００からスタートして、オペレータがプローブを操作すると（ブロック９０２）、その新しい位置がどこに来るかを算出する（ブロック９０４）。さらに新しいプローブの位置から最も近いポリゴンの位置を算出する。これは、ポリゴンを順次取り換えながらそのポリゴンまでの位置を算出し、最も距離の近いポリゴンを同定してその距離を選択するという処理になる（ブロック９０６）。このポリゴンまでの距離計算は、ポリゴンごとには負担の大きい計算ではないが、対象となるポリゴンが多数になるので、総体として演算量が膨大になる。こうして計算されたの距離に応じて、対象に到達したかどうかが判定される（ブロック９０８）。また、距離が正の値しかとらないので、プローブの動きが速い場合などは、ポリゴンで定義された対象物裏側にプローブの作用点が入ってしまった場合には、別途判定が必要になる（ブロック９１０）。そして、図４に示した本願発明の実施の形態と同様に、現在のプローブ位置に新しいプローブ位置を代入して（ブロック９１４）、さらに画像描画やプローブ位置が記憶される（ブロック９１６）。
【００３９】
ブロック９０６の距離の計算では、プローブ１２の作用点から各ポリゴンまでの距離（例えば、図８のポリゴン８６０までの距離８６６や、ポリゴン８２０までの距離８２６）が計算されて、最も近いポリゴンまでの距離によって対象物とプローブとが接触しているかどうかが判定される。
【００４０】
この距離の計算では、ポリゴンごとに
【数２】

(ここで、X₀,Y₀,Z₀はプローブ１２の仮想空間での位置、X,Y,Zはポリゴンの位置である。)
を計算する。
【００４１】
この計算においては、積和演算が８回、平方根演算が１回である。平方根演算は積和演算の１０倍以上の演算量になるために、おおよそ積和演算２０回程度に相当する演算量がある。そして、これを注目する全てのポリゴンに対して求める。例えばポリゴンが１０００個程度の比較的粗いモデルであっても、演算量は積和演算の２万回程度の演算で、プローブのある位置の計算が完了する。この計算量は、リアルタイムで処理するには量が多すぎるために、プローブの位置のアップデート頻度が少なくなって、シミュレータの動きが不自然になってしまう。
【００４２】
このポリゴン数を減らすために、図８のパーツに分けた場合には、胸部８２と腹部８４、腰部８６と区切ることができるが、腰部８６に近いときには胸部８２までの距離をポリゴン８２０より粗いポリゴンまでの距離で代用することが行われてきた。この場合には、プローブが近づくことを判定する手段が必要であり、プローブが近づいてきて精密なポリゴンに切り替えたりということがおこなわれてきた。この場合、精密なポリゴンへの切り換えに伴って、例えば反力を与えるようなプローブを使う場合には、不自然な反力の挙動が引き起こされてしまう。
【００４３】
［実施の形態２］
本発明の別の実施の形態によれば、ＭＲＡのデータを直接用いたカテーテル手術のシミュレータが提供される。ＭＲＡは、核磁気スピンの共鳴信号の強さがそこに存在する水素の移動速度と共に弱くなる現象を用いた血流の測定装置である。血流中の水素原子は血液と共に流れているために、ＭＲＩの測定領域から流出してスピン共鳴信号の強度が低下する現象が起こる。このため、流れの部分においては信号が弱くなる。この現象に基づいて、流れがあるところほど（信号が弱いほど）明るく表示されるようにすると、血管中の血液の流速の分布を示す表示が得られる。これを３次元に構成すれば、血流に応じた強度の立体像が、数分〜数十分程度で得られる。速度分布は血管の中心で早く、血管の内表面で遅くなっているので、この血流の速度そのものを本発明のポテンシャルとして利用することにより、血管内のあるポイントと血管内壁面の距離を求めることができる。すなわち、血管内の中心付近ではポテンシャルが高く、血流あるいは血管内の位置が血管の内壁に近づいたり、当たったりした場合にはポテンシャルが低くなる。
【００４４】
図６に本実施の形態の仮想空間での構成を示す。ここで、対象物となるのは血管内壁であるが、その血管の内壁の代わりに血流のデータを用いている。厚みのない仮想的な血管６０が、図６に示されている。この血管の内部にはＭＲＡで取得したポテンシャルが配置される。実際にはポテンシャルの値（流速の値）が一定以下になった部分を血流の境界として血管の内壁と見なすことによってこういうデータが得られる。このような血管内において、カテーテル６４が進行してゆき、ポテンシャルが定義されているグリッドの中を進んでゆく。グリッドの各格子点には、ＭＲＡで得られたデータが対応している。血管内壁に接するところでは血流が弱くなり血管中央では強いという事実から、このポテンシャルは、血管中央に行くほど高く、周辺に行くほど低い値となる。この値が一定以下になったことをもって、その位置が血流外であることがわかり、血管内壁またはそれより外の組織にあることがわかる。
【００４５】
図７にこのＭＲＡ撮影から３次元の対象物（血管）のデータ作成のプロセスを説明する。ＭＲＡデータは立体的に与えられた血流の太さや分岐を反映したものとなり、曲がりくねった枯れ木の枝ぶりのようなデータが得られる（ブロック７２）。このデータそのものは単なる流速分布でしかないため、適当なしきい値と、そのデータを最大値から最小値に割り当てるレンジの設定によって、必要な箇所までの血流のデータが得られる。例えば、患部の位置が太い血管の部分にあって太い血管のみをシミュレーションの対象としたければ、弱い血流がしきい値以下となるようにしきい値を高めに設定する。こうすると、細い血管のために血流が弱いところはデータから消えて簡便にシミュレーションが行える。しかし、血管が孤立してしまったり、途切れたりしてしまい、ポテンシャルにもこれが現れる。患部が細かい血管のところにあれば、しきい値を低くして全ての血流を拾うようにする。このときには、細い血管まで拾えるが、ノイズが多くなり、シミュレーションにも測定にまつわるノイズが付きまとう。これらを勘案し、適当なしきい値とレンジを設定する（ブロック７４）。これによって適当な範囲で得られた血流の３次元流速データを、本発明のサンプルポテンシャルとする。
【００４６】
サンプルポテンシャルが得られると、シミュレーションの工程は図４に記載の実施の形態１とほぼ同様になる。ブロック４０２で操作されるプローブは、図２に示したプローブ２１４のようなメスを模したものではなく、カテーテルを模したものとなる。操作の自由度は、メスを模した場合には６自由度（位置のＸＹＺ座標とメス全体のオイラー角３成分）だったものが、カテーテルでは進行方向の一座標とカテーテルの回転という２自由度になる。カテーテルの場合には、動きの自由度は少ないが、その先端が少し湾曲しておりその湾曲した先端の向きを分岐していたりする血管の進みたい方に適切にむけて、進んでゆく。ここで、重要なパラメータは、血管壁へのカテーテル先端の衝突角度（壁面に垂直のとき０度、平行のとき９０度と選ぶ）である。この衝突角によって血管を突き破るか破らないかが決まるため、衝突角によって血管の中を進行しているのか，あるいは血管の内壁を突き破っているかが判定できる。図１３にこの操作をシミュレートする場合のフローを示した。ブロック１３０２ではカテーテルを操作して、例えば、少し進行する。新しいカテーテルの位置は、直前の位置に基づいて算出される（ブロック１３０４）。カテーテルの先端に当たる作用部についてサンプルポテンシャルからポテンシャル近似値が計算されて、新しいカテーテルの位置が血管内かどうか判定される（ブロック１３０６）。血管内であればそのまま進行するが、ＭＲＡから求めたサンプルポテンシャルから計算したポテンシャル近似値が血管内ではなくなる値であれば、衝突角が評価される（ブロック１３０８）。衝突角は、カテーテルの作用点の直前の位置と今回の位置とから決まる移動ベクトルと血管内壁の法線方向から計算される。あるいは、カテーテルの先端部の伸びている方向から計算されても良い。衝突角が一定値（α）以上であれば、実際のカテーテルがそれ自身の弾性で反れて戻るように、血管内部に戻る（ブロック１３１４）。しかし、この衝突角がαより小さければ、血管内壁に垂直に近い状況で当たっているので、血管を破るのと同じ状況になる（ブロック１３１０）。この場合には、シミュレータは、適当な情報をオペレータ等に提供して警告する（ブロック１３１２）。カテーテルの作用部が血管内を進行している状況では、患部に届くまではその状況がループされるが、患部に届いた後は（ブロック１３１６）、塞栓手術の操作に入る（ブロック１３１８）。塞栓手術は、実際には白金のコイルを毛玉状にして血管にある例えば脳動脈瘤を塞いだりする手術である。シミュレーションでは、これも、本発明のポテンシャルの計算に基づいて実行できる。なお、実際のカテーテル手術では、先端の状況は複数の方向からＸ線撮影をして、カテーテルの先端から造影剤を与えながらながら行われている。先端の状況に応じて反力が手元に伝わることは通常は無いために、シミュレーションにおいても反力を与える必要はないが、実際の血管の配置に応じて３次元のデータを用いてシミュレーションできるために、実際の手術で必要なＸ線画像への習熟といった要素もシミュレーションできて有効である。本発明のシミュレータまたはシミュレーション方法によって患者毎のモデルを使って医師が手術の検討を行ったり、事前にトレーニングしたりすることが可能となる。
【００４７】
［比較例２］
従来のカテーテル手術のシミュレーションは、図１２に示すように、造影剤を用いたＸ線ＣＴの撮影やあるいは、ＭＲＡ撮影によって血流の立体配置を測定し（ブロック１２０２）、ノイズ除去（ブロック１２０４）を行って等値面によって血管を抽出する（ブロック１２０６）。そしてポリゴンモデルを作成する（ブロック１２０８）。ポリゴンモデルの途切れや孤立を修正するのは、比較例１と同様である（ブロック１２１０）。そして、血管の太さなどに応じてパーツへ分解し（ブロック１２１２）、プローブの作用点から離れた時に用いる簡略データを作成する（ブロック１２１４）。このようにしてポリゴンの準備が可能となるが、ポリゴンモデルの作成に数週間の時間を要することは比較例１と同様である。したがって、患者ごとに異なる血管の分岐や配置，あるいは患部の状況や位置に応じたシミュレーションは事実上不可能であった。また、図１１に示すように、従来はカテーテルの先端にあたるプローブの作用点６２が血管内壁を作るポリゴン１１０２やポリゴン１１０４との距離をもとめ、それが最小のものをもって血管内壁との距離を定めていた。しかしこの方法では、比較例１と同様に、計算量が多く滑らかなシミュレーションができなかった。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、３次元データに基づいてポテンシャルを予め計算しておき、そのポテンシャルに基づいて対象物とプローブの距離を求めることができるので、シミュレーションにおいてリアルタイムで計算すべき演算量が削減される。全体でのマシンタイムが削減され、モデリングの自動化が容易で対象物の個性を反映したシミュレータが実用となり得る。
【００４９】
また本発明によれば、境界条件を与えられた元でのポテンシャルは各種の計算手法で容易に求まるためにシミュレーションの準備段階の自動化が容易となり、シミュレーションの準備を極めて迅速に行うことができる。
【００５０】
そして本発明に従って、血管のカテーテルの動作がシミュレートできる。これにより、習熟を有するカテーテル操作がシミュレートできる。また準備が容易で実用性が高いシミュレーションがおこなえるため、患者毎のモデルを使って医師が手術の検討を行ったり、事前にトレーニングしたりすることが可能となる。したがって、操作の安全性や処置の効果が事前に検討できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシミュレータにおける仮想空間の配置を示す概略図である。
【図２】本発明のシミュレータの構成を示す構成図である。
【図３】本発明のシミュレータにおいてポテンシャル近似値を求めるプローブとサンプルポテンシャル与えられる格子点と位置関係を示す説明図である。
【図４】本発明のシミュレーション方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明のシミュレーションの準備方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の、血管にカテーテルを用いる動作をシミュレートする際の概念を示す概略図である。
【図７】本発明の、血管にカテーテルを用いる動作のシミュレーションの準備方法を示すフローチャートである。
【図８】従来のポリゴンを用いたシミュレータにおける仮想空間の配置を示す概略図である。
【図９】従来のポリゴンを用いたシミュレータにおけるシミュレーションの方法を示すフローチャートである。
【図１０】従来のポリゴンを用いたシミュレータにおける準備方法を示すフローチャートである。
【図１１】従来の、血管にカテーテルを用いる動作を、ポリゴンを用いてシミュレーションをする際の概念を示す概念図である。
【図１２】従来の、血管にカテーテルを用いる動作をポリゴンを用いてシミュレートする方法における準備方法を示すフローチャートである。
【図１３】本発明および従来の、血管中をカテーテルが進行する動作のシミュレートする方法の示すフローチャートである。
【符号の説明】
１２プローブ（メス）
１４グリッド
１０対象物
２０シミュレータ
２００オペレータ
２１４プローブ
２０２演算装置
３０セル
６０血管
６４プローブ（カテーテル）[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a simulation method, a simulation program, and a simulation apparatus for simulating an operation performed on a certain target in a virtual space.
[0002]
[Prior art]
In the past, attempts have been made to use computer-aided simulators for pre-examination and education of surgical operations at medical sites and medical education sites. With such a simulator, it is possible to reproduce on a computer how instruments such as a scalpel, a syringe, a catheter, and an endoscope used by a doctor incise a part of a human body, enter, and move. As a result, various treatment situations that cannot be tried with an actual human body can be reproduced on a computer. In addition, it is possible to make a preliminary study of surgery to enhance safety and therapeutic effects, give a prior explanation to the patient himself, and use it for medical education.
[0003]
In such a simulator, an operator operates a probe corresponding to a medical device used for surgery, and the operation status is converted into data. Further, human body shape data is arranged in a virtual space on a computer, and operation state data and human body shape data are arranged in a common virtual space. These data are processed in the computer, and an image corresponding to the spatial arrangement of the patient in the virtual space and the position of the probe is drawn. This image is displayed, for example, on a screen of an HMD (head mounted display) or the like worn by an operator who executes the simulation, or a display screen viewed by another observer. The operator can recognize the result of his / her operation on the human body, and a doctor other than the operator can examine the operation of the operator.
[0004]
In a conventional surgery simulator, the body shape and the surface of an organ in which surgery is simulated are created in the form of a set of polygons called polygons before the simulation.
[0005]
In order to create this polygon data, first, three-dimensional data of the shape is acquired for the shape such as the surface of the human body. For an internal organ of a human body, coordinate data is obtained using a medical diagnostic device such as X-ray CT or MRI (Magnetic Resonance Imaging). Next, a polygon model of the human body is created using these three-dimensional data.
[0006]
Then, a simulation is performed using the polygon data. At this time, for example, in order to reproduce the state of incision with a scalpel, the operator actually operates the probe corresponding to the scalpel in a space where there is no patient to simulate the operation of the operation. With the probe, the position and direction are identified by, for example, a magnetic sensor arranged around the space, and the position of the knife blade is specified. The probe data is sent to a computer. Then, the operator can create a spatial arrangement of the patient (a three-dimensional arrangement of the surface of the patient's body shape, a three-dimensional arrangement of the patient's organ, etc.) expressed in three dimensions in advance in a virtual space on the computer. The direction and position of the knife in the virtual space acquired from the actual space coordinates of the probe possessed by are superimposed. In the simulation, processing in the probe position and virtual space is performed in real time, and information is rewritten at appropriate sampling times.
[0007]
From the distance between the position of the scalpel in the virtual space and the human body shape, a situation is determined by calculation as to whether the scalpel has entered the human body or has not yet entered. For example, a situation such as a laparotomy is reproduced in the virtual space by a knife blade crossing the body shape surface of the human body. At this time, the distance between a large number of coordinate points representing the shape of the human body and organs in the virtual space and the position of the scalpel in the virtual space operated by the probe is determined by a surgical instrument such as a scalpel. It becomes an index that determines whether such an effect is exerted on the body. For example, when an operator brings a scalpel close to a virtual object, the position of the scalpel is measured by a magnetic sensor or the like, and the distance between the polygon on the surface of the virtual object (organ of the human body model) on the computer and the scalpel is determined. Ask. At this time, in principle, the distance between the polygon and the female included in the polygon model of the human body is calculated for all the polygons, and the shortest distance is obtained from them. When the shortest distance becomes 0, it can be determined that the female has contacted the human body. In such a case, if the probe knife is provided with a mechanism for realizing a reaction force, a simulator function such as returning the reaction force to the knife or rewriting an image can be realized. In either case, it is necessary to calculate the distance by reflecting the movement of the probe in real time.
[0008]
In addition, since blood vessels in the brain can cause serious brain damage due to bleeding and cannot be easily put into a scalpel, surgical methods using catheters are being actively studied. By means of MRA (Magnetic Resonance Angiography) applying the principle of MRI, a three-dimensional image of blood flow in the brain can be obtained, and means for observing the position and state of lesions in the brain blood vessels have been developed.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Preparing a polygon model of a human body used in a conventional simulation involves operations that cannot be automated on a computer from measurement to processing of measured values and completion of data. This requires a lot of labor and time, and in many cases, it takes several weeks to create it. Therefore, it is practically impossible to prepare and simulate individual patient's body shape and organ arrangement in a polygon model. In order to study and practice surgical procedures before actual surgery to reflect the individual patient situation, the time from measurement to model creation has been shortened to about half a day or less, and much of the work has been reduced. It is necessary to automate, but there is a problem that this is impossible.
[0010]
Also, when finding the shortest distance between the position of the medical device operated by the probe in the virtual space and the human body, the distance between the polygon and the female that can be several hundred thousand is obtained for all the polygons, and the shortest distance is obtained. The method of obtaining the amount of calculation is too much for a calculation performed in real time. In particular, when a calculation is performed faithfully to the above principle when a reaction force is applied to an operator by a simulator, the operation response of the simulator is deteriorated. Furthermore, when it is intended to provide feedback that is closer to reality to the operator, there is a problem that it takes longer to calculate the distance in the virtual space as the human body model becomes more precise.
[0011]
In order to overcome this problem, a method of speeding up by omitting a time-consuming distance calculation part has been proposed. One of the improvement methods is to divide the human body expressed by polygons into a plurality of parts and limit the object to be calculated only to related parts such as a short distance. In this case, the distance calculation method that divides the human body expressed by polygons into a plurality of parts and limits them only to related parts reduces the amount of calculation, but in some cases, the part excluded from the calculation is often closer. There is a problem that happens. For this reason, there is a problem that accurate simulation is difficult. In particular, this problem is significant when there is a complicated positional relationship such as when a plurality of organs inside the human body are close to each other.
[0012]
In addition, another improvement method has a fine polygon and a rough polygon covering it, and for the polygon of the part where the probe distance is far away, the rough polygon is used to reduce the calculation amount, and the probe distance is reduced. As it gets closer, it uses fine polygons to improve accuracy. In addition, when using fine polygons and coarse polygons, the computational amount changes abruptly when switching from coarse polygons to fine polygons, and the simulator response changes. Is unnatural at the time of the change. In addition, since the same target has hierarchically duplicated data such as coarse data and fine data, the amount of polygon data increases.
[0013]
In addition, in a cerebrovascular disorder or the like, the position and shape of an affected part (for example, a cerebral aneurysm) are different for each patient, and the shape is complicated. Although it has become possible to grasp the condition of the affected area with a medical diagnostic apparatus such as MRA, catheter surgery, which is an effective treatment method for this purpose, has been complicated and branched blood vessels in the brain. Therefore, it is necessary to learn from a doctor because of the possibility of damage to blood vessels in the brain. For this reason, despite the fact that prior examination by the simulator is very effective, the simulation method that reproduces blood vessels with the conventional polygon model and the simulation that reflects the situation of each patient cannot be done in a practical time There is.
An object of the present invention is to solve at least some of the above problems.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, shape data of an object is directly used without creating or using polygon data. A sample potential at a finite number of sample points in the virtual space is further obtained from this shape data. This sample potential defines a potential value assuming a virtual potential field around the object. The potential field is obtained as a sample potential at several points in space. This sample potential is obtained as a scalar quantity determined for each position in the space based on the shape data. The sample potential of this scalar quantity is calculated so as to be determined as one value for each individual sample point in the virtual space that can be taken by the medical device to be simulated. The sample potential is stored in some storage device. In the simulation, an approximate value of the potential at the position of the probe in the virtual space is obtained using the stored sample potential for each sample point. For this reason, it is not necessary to provide sample potentials for all possible positions of the probe in the virtual space. Furthermore, based on this potential approximate value at the probe position, the distance between the object and the probe in the virtual space and its index are obtained. As a result, the positional relationship between the probe and the object in the virtual space can be obtained. The distance index is the potential approximate value itself or an appropriate amount calculated from it. The information thus obtained is provided by an information providing device to an operator who performs simulation with this simulator, or another person who is interested in the contents of the simulation together with the operator.
[0015]
As described above, in one embodiment of the present invention, a method for simulating a probe operation by an operator on a certain object, which reproduces the object based on the three-dimensional spatial shape data of the object stored in a storage device A first calculation step for calculating a virtual potential field in the virtual space to be stored, a storage step for storing potential values at several points in the calculated virtual potential field in the storage device as sample potentials, and a value based on the value of the sample potential And calculating a potential approximate value of the action part of the probe at a certain point in the virtual space, and obtaining a distance between the object in the virtual space and the action part of the probe based on the potential approximation value, and according to the distance A simulation comprising an information providing step for providing information Law, or program for implementing the same are provided.
[0016]
Or in another form of this invention, it is a simulation apparatus which simulates operation of the probe by the operator with respect to a certain target object, Comprising: A target object is reproduced based on the three-dimensional space shape data of the target object stored in the memory | storage device A first arithmetic unit for calculating a virtual potential field in a virtual space; a storage unit for storing potential values at several points in the calculated virtual potential field in the storage unit as sample potentials; A second arithmetic unit that obtains a potential approximation value of the probe action part at a certain point in the virtual space and obtains a distance between the object and the probe action part in the virtual space based on the potential approximation value; and information according to the distance And information providing means for providing It is provided.
[0017]
As a result, since the sample potential is given in advance to the virtual space, the amount of calculation at the stage where the operator operates the probe and performs simulation is reduced. Further, the machine time as a whole is reduced, and a simulator that is easy to automate and reflects the individuality of the object can be put into practical use.
This sample potential can be obtained, for example, by calculating the shortest distance between the surface of the object in the virtual space and the action part of the probe. In addition, the step of calculating the potential may include a step of calculating the shortest distance between the surface of the object in the virtual space and the action part of the probe. As a result, the shortest distance from the potential used in the simulation to the object can be obtained, and distance information can be provided. Also, calculations that change the operation according to the distance become easy.
[0018]
In the present invention, the virtual potential field sets the potential of the surface of the object to the first value based on the three-dimensional spatial shape data, and sets the potential on the virtual surface outside the object to the first. A simulation method obtained by setting to a second value different from the value of the calculation and a program for executing the simulation method are provided. For example, if the potential of the object is set to 0 and the potential of the reference surface provided outside is a positive potential higher than that, the virtual potential of the probe increases as the potential of the approximate potential value of the probe approaches 0 from the positive value. It can be seen that the position of the space is approaching the object, and that it is in contact with the object when 0 is reached. That is, a potential such as a potential can be used as an index of distance. As a result, the potential under the given boundary condition can be easily obtained by various calculation methods, so that the simulation preparation stage can be easily automated.
[0019]
Moreover, in another form of this invention, the operation | movement of the catheter which advances the inside of the blood vessel, for example can be simulated. That is, the present invention is a simulation method for simulating the operation of a catheter by an operator on a blood vessel, and stores a three-dimensional spatial distribution data of blood flow velocity in the blood vessel as a sample potential; A calculation step of obtaining a potential approximation value of the probe action part in a virtual space based on the value and obtaining a distance between the object recognized as the inner surface of the blood vessel in the virtual space and the probe action part based on the potential approximation value And an information providing step for providing information according to the distance, and a program for executing the simulation method.
[0020]
Alternatively, in the present invention, a simulation device for simulating the operation of the catheter by the operator on the blood vessel, the storage device storing the three-dimensional spatial distribution data of the blood flow velocity in the blood vessel as the sample potential, and the sample potential Calculate the potential approximate value of the probe action part in a virtual space based on the value of the value, and calculate the distance between the object recognized as the inner surface of the blood vessel in the virtual space and the probe action part based on the potential approximation value There is provided a simulation apparatus comprising an apparatus and information providing means for providing information according to distance.
As a result, it is possible to simulate a catheter operation that requires proficiency and to examine the safety, effectiveness, and difficulty of the operation in advance. In particular, the three-dimensional spatial distribution data of the blood flow velocity in the blood vessel can be obtained by a medical examination apparatus called MRA. Since the result of this examination can be obtained at a relatively high speed, it is possible to examine the catheter operation in advance based on the data of individual patients.
[0021]
Furthermore, in the present invention, the potential approximate value can be obtained by interpolation calculation based on sample potential values at a plurality of sample points surrounding the position of the probe action part in the virtual space. As a result, even when the potential approximate value is not given the sample potential, the potential approximate value can be calculated by reducing the calculation amount, and the operation of the simulator becomes smooth.
[0022]
In addition, in the present invention, the sample potential can be a sample potential that is set to a certain constant on the surface of the object in the virtual space. Setting the constant makes it easy to calculate the distance.
[0023]
Further, in the present invention, the sample potential divides the virtual space on the basis of a constant, the value of the sample potential in one of them has a value larger than the constant, and the value of the sample potential in the other one has a value smaller than the constant. The sample potential can be made as follows. In this way, the positional relationship between the probe action point and the object can be easily determined in the virtual space based on the value of the sample potential.
[0024]
In the present invention, the potential approximate value and the constant can be compared to determine the positional relationship between the action part of the probe and the object in the virtual space. As a result, it is possible to easily determine whether the object is inside, on the surface, or outside of the object in the positional relationship.
[0025]
Further, according to the present invention, for providing information, the probe having the operator's reaction force against the operation force of the operator on the action portion of the probe can be given to the probe according to the distance. For example, when the object is not hollow but is filled with the contents, the reaction force can be returned only when the position of the probe in the virtual space enters the object. As a result, if the object shows elasticity or if it feels resistance when moving the actual object corresponding to the probe, the elastic force or resistance force according to the situation Such a reaction force can be generated to inform the operator that the object is inside, or a simulation close to the actual situation can be performed. At this time, it can be used that the action part has entered the object.
[0026]
In the present invention, the information provision can be an image display. In the image, for example, the distance itself can be displayed, an alert can be displayed according to the distance, or the screen can be switched to a screen of a specific situation. As a result, simulation close to the actual operation can be performed by the simulator, or data that cannot be obtained by the actual operation (for example, distance during the operation) is presented.
[0027]
In the present invention, the motion simulated by the probe may be an action on at least a part of the human body. “At least a part of the human body” is exemplified by the external shape of the human limbs, the shape of any organ / internal organ including nerves, brain, etc., the shape of muscle / skeleton / blood vessel, the shape of the fetus in a pregnant woman, etc. Means any part or whole of the human body. Thereby, the simulator of the present invention can simulate an action on any organ of the human body. This “action” includes a medical action or an action such as nursing care that is an action other than a medical action. Note that the fact that the three-dimensional spatial shape data of the object is at least a part of the human body means that the data used in the simulator provided by the present invention is based on the shape of at least a part of the human body. The essential elements constituting the invention do not include a part of the human body. Moreover, although the operation | movement tried or examined by the simulator of this invention may include a medical act, since simulation itself does not bring about any effect | action on a human body, it itself does not hit a medical act.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[Embodiment 1]
In the present invention, it is not necessary to represent an object (for example, a human body or its organ) with a polygon model in a virtual space. Three-dimensional data of an object is acquired from a medical measuring instrument such as MRI, X-ray CT, or moire method. Since this three-dimensional measurement data is obtained so that one value is determined for each sample point of the grid-like grid, a three-dimensional shape can be obtained if the outer shape is extracted by an appropriate means. This data can be used in the present invention as is or with a slight conversion. Data obtained by these means is stored in an appropriate storage device and prepared before the simulation is executed.
[0029]
As a preparation stage, a potential field is calculated based on this three-dimensional data. This potential field has a condition that it becomes a constant (for example, 0) on the surface of the object, and, if necessary, for example, an outer boundary of the virtual space at a finite distance is determined to be another appropriate constant. The potential field is calculated by an appropriate means using these conditions as boundary conditions. For example, considering a potential of 0 on the surface of an object (for example, a human body), considering a sphere with a radius of 3 m centered on the object, the potential on the surface of the sphere is set to 1 and created in the virtual space. The potential value at the lattice point of the three-dimensional lattice is obtained in advance. Under such boundary conditions, if the Poisson equation of electromagnetism is solved numerically, the potential can be obtained at each point in the virtual space. For calculating the potential field, any numerical calculation method can be used. For example, a boundary element method, a finite element method, a difference method, or the like can be used. By these appropriate calculation methods, the sample potential in the sample grid which is a set of a finite number of sample points defined in the virtual space is determined. This sample potential is a potential having a scalar quantity at the sample point. In any of these examples and calculation methods, if three-dimensional data is obtained, it will result in almost automated procedure calculation. Sample potential can be obtained. In these calculations, it is better to be negative when entering the object. Such a potential field can be obtained for each different object such as a human body or each organ.
[0030]
If the potential field is determined in this way, the potential value does not change unless the human body model is deformed even if the scalpel or catheter moves, so the potential value of the surrounding lattice points at any point in the virtual space. The potential value can be obtained simply by interpolating from. Therefore, the distance between the human body surface and a probe such as a scalpel or a catheter can be obtained. As a result, compared to calculating the distance between the probe and many or all of the polygons, a temporary interpolation calculation is required, and the calculation time is greatly reduced.
[0031]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 2 shows the configuration of the simulator realized in the present embodiment. In the simulator 20 of the present invention, the operator 200 operates the probe 214 serving as an input device provided in the simulator 20. The probe 214 is supported by a support device 216, and its position and direction in a three-dimensional real space are detected by an appropriate encoder or drive device 218. Alternatively, the direction of the probe can be detected by a magnetic sensor 204 or a gyro (not shown). The movement of the probe is input to the arithmetic device 202, and the position of the probe is reflected in the virtual space prepared by the arithmetic device. In the virtual space, the probe is arranged together with an object prepared in the virtual space and subjected to some operation. This is shown in FIG. Here, the instrument performing the operation realized by the probe 214 is the medical knife 12, and the object is the human body 10. In the present embodiment, the female 12 that exists only in the virtual space 16 is described as a probe in the virtual space 16. Returning to FIG. 2, the present embodiment further includes a first storage device 210 and a second storage device 212. The storage device 210 stores three-dimensional data of the object, and the storage device 212 stores a sample potential that is calculated later. These may be one storage device. The operator 200 can know the state of the simulation he / she is performing as an image by using, for example, the head mounted display 206. Further, an appropriate reaction force may be generated in the probe 214 by the driving device 218. These pieces of information are provided to the operator according to the positional relationship between the probe and the object in the virtual space by the arithmetic device 202, and also to a person other than the operator, such as a trainee, by the display device 208. Can be provided.
[0032]
FIG. 5 shows the flow of the preparation stage of the present embodiment. After starting from block 50, in block 52, three-dimensional data of a real object such as a human body is acquired as three-dimensional data holding a three-dimensional shape measuring device such as a body scanner or internal data such as MRI. . The human body 10 shown in FIG. 1 is obtained by acquiring the three-dimensional data from a medical measuring instrument such as MRI or X-ray CT, and dividing the data into appropriate threshold values to represent the three-dimensional data. . The three-dimensional data of the entire human body, which is the object, can be measured in a few minutes for a body scanner that acquires three-dimensional data by the optical cutting method, while the measuring time varies depending on the resolution for a measuring instrument such as MRI. The measurement is completed in about 1 hour.
[0033]
Next, in block 54, the potential is calculated based on the three-dimensional data. The potential of the surface of the human body 10 that is the object in the virtual space is set to zero. In addition, a spherical surface (not shown) serving as a reference with a radius of 3 m around the human body is considered, and the potential on the spherical surface is determined to be 1. In the virtual space, a grid 14 (see FIG. 1) having a grid point as a set of sample points at which a potential is calculated is prepared, and the potential value of the potential that the human body 10 forms in the virtual space at each of the grid points. Is calculated as the sample potential. The calculation may be performed by the arithmetic device 202 or may be performed by another arithmetic device (not shown). The interval between the lattices is arbitrary, and can be freely selected by those skilled in the art according to various conditions such as simulation accuracy. In the present invention, these arithmetic devices can be the same arithmetic device when they are not used simultaneously in the potential calculation stage and the simulation execution stage, but they can generally be separate. This sample potential is stored in the storage device 212. At this time, for example, negative values can be easily stored in lattice points corresponding to the inside of the human body 10 so that values from the outside of the human body are continuously connected. In the calculation, it is possible by extrapolating the potential obtained outside the human body to the inside, or by another means. As described above, the preparation stage of the present embodiment shown in FIG. 5 is executed.
[0034]
Further, FIG. 3 shows an enlarged view of the surroundings of the probe in the virtual space during simulation. The probe 12 has, for example, a knife edge as an action point, and there are lattice points where the sample potential is calculated around the cell 30 of the grid including the action point. At the eight vertices in cell 30, the sample potential is E ₀ ~ E ₇ Is calculated as The potential approximate value at the action point of the probe 12 can be obtained by calculation from the surrounding eight sample potentials.
[Expression 1]

(Here, x, y, and z are the coordinates in the cell in the range of 0 to 1 in the cell of interest.)
In this equation, since the potential obtained by setting the surface of the object 12 to 0 is used, when E becomes 0, the surface of the object 12 is reached. In this calculation, the amount of calculation for the position of a probe can be obtained by a total of 43 operations, with 24 products and 19 sums. In FIG. 3, a single cell 30 is considered. However, in order to increase the accuracy, calculation may be performed using sample potentials of surrounding lattice points within a range where the calculation speed is not reduced.
[0035]
FIG. 4 shows a flow in the simulation stage of the present embodiment. After starting at block 400, at block 402, the operator operates the probe. Depending on the operation, the value of the encoder 218 or the magnetic sensor 204 for measuring the position of the probe shown in FIG. 2 changes, and the probe position at the next time is obtained. At the next probe position, at block 406, the potential approximation is recalculated according to the above process. When the calculation is performed in the same cell 30 shown in FIG. 3 due to small movement, only the coordinates in the cell are changed. If the movement is large and another cell is formed, a set of sample potentials is newly called from the storage device 212 according to the position of the new cell. In block 408, using the calculated value of the approximate potential value of the next probe position, for example, if the potential of the human body surface in the virtual space is 0, it is determined whether it is 0 or less. . Thereby, it is determined whether or not the action point of the probe has reached the human body. When the potential is 0 or less, the arrival process of block 410, which is a process when the potential is reached, is performed. The arrival process may be an event process corresponding to an event that the arrival process has been reached. Thereby, for example, information that has reached the display 206 can be displayed, or a state in which the target has changed after reaching can be drawn. Further, a reaction force may be applied to the probe. If the value of the potential approximate value is greater than 0, it is determined that the probe has not reached the object, and the calculation is continued. Then, a new probe position is substituted for the current probe position (block 412), and further image drawing and probe position are stored (block 414). Although not described in this flow, it is also possible to add an appropriate event processing process and add simulation termination or error processing as appropriate.
[0036]
[Comparative Example 1]
A conventional simulator using polygons stores polygon data in the storage device 212 of the simulator configuration shown in FIG. A configuration in a virtual space in a conventional simulator is shown for comparison. FIG. 8 shows an example using a conventional polygon. In the example using polygons, the object 80 is arranged as three-dimensional data composed of a large number of

polygons

820, 840, 842, 860, 862, and the like. The probe 12 is disposed here to simulate the operation with the object 80.
[0037]
In the conventional method, as shown in FIG. 10, starting from block 1000, first, three-dimensional data is acquired. This may be any method. Then, noise is removed from the data (block 1002), and the data is binarized on an isosurface having the same data value, and extraction is performed (block 1006). Thereafter, a polygon model is created (block 1008). In creating the polygon model, a polygon is generated based on the data, and if the polygon is interrupted or an isolated part appears, it is corrected (block 1010). This task is difficult to automate and requires weeks of work because it must be relied upon manually. Further, for example, there are cases where the parts are disassembled as shown in FIG. Accordingly, for example, in FIG. 8, the polygon 820 is at a distance far from the operating point of the probe 12, so that, for example, the polygon is roughened to reduce the calculation burden. For this reason, each part holds simplified polygon data in addition to detailed polygon data (block 1014). In this way, polygon preparation is completed at block 1016.
[0038]
FIG. 9 shows a flow in the conventional method. Starting from block 900, when the operator manipulates the probe (block 902), it calculates where the new position will be (block 904). Further, the closest polygon position is calculated from the new probe position. This is a process of calculating the position to the polygon while sequentially replacing the polygon, identifying the closest polygon and selecting the distance (block 906). The calculation of the distance to the polygon is not a heavy calculation for each polygon, but since the number of target polygons is large, the total amount of calculation is enormous. Depending on the distance thus calculated, it is determined whether the object has been reached (block 908). In addition, since the distance takes only a positive value, when the probe moves quickly, etc., if the probe action point enters the back side of the object defined by the polygon, a separate determination is required ( Block 910). Then, as in the embodiment of the present invention shown in FIG. 4, a new probe position is substituted for the current probe position (block 914), and image drawing and probe position are further stored (block 916).
[0039]
In the calculation of the distance of the block 906, the distance from the action point of the probe 12 to each polygon (for example, the distance 866 to the polygon 860 and the distance 826 to the polygon 820 in FIG. 8) is calculated, and the distance to the nearest polygon is calculated. It is determined whether the object and the probe are in contact with each other based on the distance.
[0040]
For this distance calculation, for each polygon
[Expression 2]

(Where X ₀ , Y ₀ , Z ₀ Is the position of the probe 12 in the virtual space, and X, Y, and Z are the positions of the polygons. )
Calculate
[0041]
In this calculation, the product-sum operation is 8 times and the square root operation is 1 time. Since the square root calculation has a calculation amount that is 10 times or more that of the product-sum operation, there is an amount of calculation corresponding to approximately 20 product-sum operations. And this is calculated | required with respect to all the polygons which pay attention. For example, even if the model is a relatively coarse model having about 1000 polygons, the calculation amount is about 20,000 times of product-sum calculation, and the calculation of the position where the probe is completed is completed. Since this calculation amount is too large to be processed in real time, the update frequency of the probe position is reduced, and the motion of the simulator becomes unnatural.
[0042]
In order to reduce the number of polygons, when divided into the parts shown in FIG. Substituting the distance up to has been done. In this case, a means for determining that the probe is approaching is necessary, and it has been performed that the probe approaches and is switched to a precise polygon. In this case, when a probe that gives a reaction force is used, for example, when switching to a precise polygon, an unnatural reaction force behavior is caused.
[0043]
[Embodiment 2]
According to another embodiment of the present invention, a catheter surgery simulator using MRA data directly is provided. MRA is a blood flow measurement device using a phenomenon in which the intensity of a resonance signal of nuclear magnetic spins becomes weaker along with the movement speed of hydrogen existing therein. Since hydrogen atoms in the bloodstream flow with the blood, a phenomenon occurs in which the intensity of the spin resonance signal decreases due to outflow from the MRI measurement region. For this reason, a signal becomes weak in the flow part. Based on this phenomenon, when the display is brighter as the flow is present (as the signal is weaker), a display showing the distribution of blood flow velocity in the blood vessel is obtained. If this is configured three-dimensionally, a three-dimensional image having an intensity corresponding to the blood flow can be obtained in several minutes to several tens of minutes. Since the velocity distribution is fast at the center of the blood vessel and slow at the inner surface of the blood vessel, the distance between a certain point in the blood vessel and the inner wall surface of the blood vessel is obtained by using this blood flow velocity itself as the potential of the present invention. be able to. That is, the potential is high near the center of the blood vessel, and the potential is lowered when the blood flow or the position in the blood vessel approaches or hits the inner wall of the blood vessel.
[0044]
FIG. 6 shows the configuration of the present embodiment in the virtual space. Here, the target is the inner wall of the blood vessel, but blood flow data is used instead of the inner wall of the blood vessel. A hypothetical blood vessel 60 with no thickness is shown in FIG. The potential acquired by MRA is arranged inside this blood vessel. Actually, such data can be obtained by regarding the portion where the potential value (flow velocity value) is below a certain level as the blood vessel boundary and the inner wall of the blood vessel. In such a blood vessel, the catheter 64 advances and advances through the grid in which the potential is defined. Each grid point of the grid corresponds to data obtained by MRA. Due to the fact that blood flow is weaker at the inner wall of the blood vessel and stronger at the center of the blood vessel, this potential increases toward the center of the blood vessel and decreases toward the periphery. When this value falls below a certain level, it can be seen that the position is outside the bloodstream, and that it is located on the inner wall of the blood vessel or outside the blood vessel.
[0045]
FIG. 7 illustrates a process of creating data of a three-dimensional object (blood vessel) from this MRA imaging. The MRA data reflects the thickness and branching of the blood flow given three-dimensionally, and data such as a winding branch of a dead tree is obtained (block 72). Since this data itself is merely a flow velocity distribution, blood flow data up to a necessary location can be obtained by setting an appropriate threshold and a range in which the data is assigned from the maximum value to the minimum value. For example, if the affected part is located in a thick blood vessel and only the thick blood vessel is to be simulated, the threshold is set high so that the weak blood flow is below the threshold. In this way, the weak blood flow due to the thin blood vessels disappears from the data, and the simulation can be performed easily. However, the blood vessels are isolated or disconnected, and this also appears in the potential. If the affected area is in a fine blood vessel, the threshold is lowered to pick up all blood flow. At this time, even a thin blood vessel can be picked up, but there is a lot of noise, and noise related to the measurement is also added to the simulation. Taking these into account, appropriate threshold values and ranges are set (block 74). Thus, the three-dimensional flow velocity data of the blood flow obtained in an appropriate range is used as the sample potential of the present invention.
[0046]
When the sample potential is obtained, the simulation process is substantially the same as that of the first embodiment shown in FIG. The probe operated in block 402 is not a mimic of the scalpel like the probe 214 shown in FIG. 2, but a mimic of a catheter. The degree of freedom of operation was 6 degrees of freedom (simulating the XYZ coordinates of the position and the Euler angle 3 components of the whole knife) when imitating a scalpel, but in the case of a catheter, there are 2 degrees of freedom: one coordinate in the direction of travel and rotation of the catheter. become. In the case of a catheter, the degree of freedom of movement is small, but the distal end of the catheter is slightly curved, and the catheter advances appropriately toward a person who wants to advance a blood vessel that branches the direction of the curved distal end. Here, an important parameter is a collision angle of the catheter tip to the blood vessel wall (select 0 degree when perpendicular to the wall surface and 90 degrees when parallel). Since the collision angle determines whether or not the blood vessel is pierced or not, it can be determined whether the blood vessel is traveling through the blood vessel or the inner wall of the blood vessel is pierced by the collision angle. FIG. 13 shows a flow for simulating this operation. In block 1302, the catheter is manipulated, for example, a little advanced. A new catheter position is calculated based on the previous position (block 1304). A potential approximation is calculated from the sample potential for the action at the tip of the catheter to determine if the new catheter position is within the vessel (block 1306). If it is within the blood vessel, it proceeds as it is, but if the potential approximation calculated from the sample potential obtained from MRA is a value that does not exist within the blood vessel, the collision angle is evaluated (block 1308). The collision angle is calculated from the movement vector determined from the position immediately before the catheter action point and the current position and the normal direction of the blood vessel inner wall. Or you may calculate from the direction where the front-end | tip part of a catheter is extended. If the collision angle is greater than or equal to a certain value (α), the actual catheter returns to the inside of the blood vessel so that it will bend back with its own elasticity (block 1314). However, if the collision angle is smaller than α, the situation is almost perpendicular to the inner wall of the blood vessel, so that the situation is the same as that for breaking the blood vessel (block 1310). In this case, the simulator alerts by providing appropriate information to the operator or the like (block 1312). In the situation where the action part of the catheter is progressing in the blood vessel, the situation is looped until it reaches the affected part (block 1316), and then the embolization operation is started (block 1318). The embolization operation is actually an operation in which, for example, a cerebral aneurysm in a blood vessel is blocked by making a platinum coil into a hairball shape. In simulation, this can also be performed based on the potential calculation of the present invention. In actual catheter surgery, the distal state is performed while X-rays are taken from a plurality of directions and a contrast agent is applied from the distal end of the catheter. Since reaction force is not transmitted to the hand according to the condition of the tip, it is not necessary to give reaction force in simulation, but it can be simulated using three-dimensional data according to the actual blood vessel arrangement. In addition, elements such as proficiency with X-ray images necessary for actual surgery can be simulated and effective. The simulator or the simulation method of the present invention allows a doctor to examine surgery or train in advance using a model for each patient.
[0047]
[Comparative Example 2]
As shown in FIG. 12, the conventional catheter surgery simulation is performed by measuring the three-dimensional arrangement of blood flow by X-ray CT imaging using a contrast agent or MRA imaging (block 1202), and removing noise (block 1204). To extract blood vessels by isosurface (block 1206). Then, a polygon model is created (block 1208). The discontinuity and isolation of the polygon model are corrected in the same manner as in Comparative Example 1 (block 1210). Then, it is decomposed into parts according to the thickness of the blood vessel (block 1212), and simplified data used when the probe is moved away from the action point is created (block 1214). In this way, polygons can be prepared, but it takes several weeks to create a polygon model, as in Comparative Example 1. Therefore, the simulation according to the branching and arrangement of blood vessels that differ from patient to patient, or the situation and position of the affected part is virtually impossible. Also, as shown in FIG. 11, conventionally, the probe action point 62 at the tip of the catheter determines the distance from the polygon 1102 or polygon 1104 that forms the inner wall of the blood vessel, and the distance from the inner wall of the blood vessel is determined with the minimum distance. It was. However, in this method, as in Comparative Example 1, the calculation amount is large and a smooth simulation cannot be performed.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the potential is calculated in advance based on the three-dimensional data, and the distance between the object and the probe can be obtained based on the potential. The amount is reduced. The overall machine time is reduced, modeling automation is easy, and a simulator that reflects the individuality of the object can be put into practical use.
[0049]
Further, according to the present invention, the potential under the boundary condition can be easily obtained by various calculation methods, so that the simulation preparation stage can be easily automated, and the simulation can be prepared very quickly.
[0050]
And according to the present invention, the operation of the vascular catheter can be simulated. Thereby, the catheter operation which has proficiency can be simulated. In addition, since it is easy to prepare and can be used for practical simulation, it is possible for a doctor to study surgery or to train in advance using a model for each patient. Therefore, the operational safety and the effect of the treatment can be examined in advance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an arrangement of a virtual space in a simulator of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration of a simulator of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a positional relationship between a probe for obtaining a potential approximation value and a lattice point given a sample potential in the simulator of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart showing a simulation method of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing a simulation preparation method of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing the concept of simulating the operation of using the catheter in the blood vessel according to the present invention.
FIG. 7 is a flowchart showing a preparation method for simulation of an operation using a catheter in a blood vessel according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram showing an arrangement of a virtual space in a conventional simulator using polygons.
FIG. 9 is a flowchart showing a simulation method in a conventional simulator using polygons.
FIG. 10 is a flowchart showing a preparation method in a conventional simulator using polygons.
FIG. 11 is a conceptual diagram showing a concept when a conventional operation of using a catheter for a blood vessel is simulated using polygons.
FIG. 12 is a flowchart showing a preparation method in a conventional method of simulating an operation using a catheter for a blood vessel using polygons.
FIG. 13 is a flowchart illustrating a method for simulating the movement of a catheter through a blood vessel according to the present invention and the prior art.
[Explanation of symbols]
12 Probe (female)
14 grid
10 Object
20 Simulator
200 operators
214 Probe
202 Arithmetic unit
30 cells
60 blood vessels
64 Probe (Catheter)

Claims

A method of simulating the operation of a probe by an operator on a certain object using a simulation device having at least a computing means and a storage means ,
The first calculation means reproduces the object based on the three-dimensional space shape data of the object stored in the storage means , and the virtual space in which the three-dimensional grating is set is set for the three-dimensional lattice. A first calculation step of calculating a virtual potential field of the virtual space by calculating a potential value at a lattice point ;
A storage step wherein storing means for storing the potential values of the calculated the virtual potential field as a sample potential,
The second calculation means receives the position data of the probe in real space, and calculates a potential approximation value at a point in the virtual space corresponding to the real space position of the action part of the probe based on the value of the sample potential. A second calculation step for obtaining a distance between the object in the virtual space and the action part of the probe based on the obtained potential approximate value of the action part of the probe;
An information providing step for providing information according to the distance.

Said first computing means, the use of a potential of the surface of the object in the virtual space as a first value, different from the second and the first value potential in a virtual surface of the virtual space on the outside of the object The simulation method according to claim 1 , wherein the virtual potential field is calculated by calculating the potential value by using the value of the virtual potential field .

A simulation method for simulating an operation of a catheter by an operator on a blood vessel using a simulation device having at least a calculation means and a storage means ,
A storage step in which the storage means stores the three-dimensional spatial distribution data of the blood flow velocity in the blood vessel as a sample potential of a virtual space reproduced based on the data, and is set in the virtual space 3 A potential value at a lattice point of the dimensional lattice is obtained from the data, and a storage step;
The arithmetic means receives probe position data in real space, obtains an approximate potential value at a point in the virtual space corresponding to the real space position of the probe action part based on the potential value, A calculation step for obtaining a distance between an object recognized as the inner surface of the blood vessel in the virtual space and the action part of the probe based on the potential approximation value of the action part of the probe,
An information providing step for providing information according to the distance.

4. The simulation according to claim 1 , wherein the calculation means obtains the potential approximate value by performing an interpolation calculation based on a plurality of the sample values surrounding the position of the action part of the probe in the virtual space. 5. Method.

The simulation method according to claim 1, wherein the information providing step applies a reaction force to the operator's operating force to the operating portion of the probe according to the distance to the probe that the operator has.

The simulation method according to claim 1, wherein the motion simulated by the probe is an action on at least a part of a human body.

A simulation program for simulating the operation of a probe by an operator on a certain object, comprising a simulation device having at least a calculation means and a storage means,
To reproduce the object based on the three-dimensional space shape data of the object stored in the storage means, with respect to the virtual space three-dimensional lattice is set, the potential value at the lattice point of the three-dimensional grid First computing means for computing a virtual potential field of the virtual space by computing;
Storage means for storing the potential values of the calculated the virtual potential field as sample potential,
The position data of the probe in the real space is received, and the potential approximate value at the point in the virtual space corresponding to the position of the working part of the probe in the virtual space is obtained based on the value of the sample potential . Second computing means for obtaining a distance between the object in the virtual space and the probe action part based on a potential approximation value of the action part of the probe;
Program for operating in an information providing means for providing information according to the distance.

Said first computing means, the use of a potential of the surface of the object in the virtual space as a first value, different from the second and the first value potential in a virtual surface of the virtual space on the outside of the object The program according to claim 7 , wherein the virtual potential field is calculated by calculating the potential value by using the value of the virtual potential field .

A simulation program for simulating the operation of a catheter by an operator on a blood vessel , comprising a simulation device having at least a calculation means and a storage means,
Storage means for storing three-dimensional spatial distribution data of the flow velocity of blood flow in the blood vessel as a sample potential of a virtual space reproduced based on the data , and a lattice of a three-dimensional lattice set in the virtual space The potential value at the point is obtained from the data, storage means,
Accepting probe position data in real space, obtaining a potential approximate value at a point in the virtual space corresponding to the real space position of the working portion of the probe based on the potential value, and obtaining the probe Based on the potential approximation value of the action part, calculating means for obtaining a distance between the object recognized as the inner surface of the blood vessel in the virtual space and the action part of the probe;
A program for functioning as information providing means for providing information according to the distance.

The said calculating means calculates | requires the said potential approximate value by performing the interpolation calculation based on the said some sample value surrounding the position of the action part of the probe in the said virtual space, Either of Claim 7 or 9 program.

The program according to claim 7, wherein the motion simulated by the probe is an action on at least a part of a human body.

A simulation device for simulating the operation of a probe by an operator on an object,
The potential value at the lattice point of the three-dimensional lattice is calculated for the virtual space in which the three-dimensional lattice is set to reproduce the target based on the three-dimensional space shape data of the target stored in the storage means. First calculating means for calculating a virtual potential field of the virtual space ,
Storage means for storing the potential values of the calculated the virtual potential field as sample potential,
The position data of the probe in the real space is received, and the potential approximate value at the point in the virtual space corresponding to the position of the working part of the probe in the virtual space is obtained based on the value of the sample potential . Second computing means for obtaining a distance between the object in the virtual space and the probe action part based on a potential approximation value of the action part of the probe;
A simulation apparatus comprising information providing means for providing information according to the distance.

Said first computing means, the use of a potential of the surface of the object in the virtual space as a first value, different from the second and the first value potential in a virtual surface of the virtual space on the outside of the object The simulation apparatus according to claim 12 , wherein the virtual potential field is calculated by calculating the potential value by using the value of the virtual potential field .

A simulation device for simulating the operation of a catheter by an operator on a blood vessel,
Storage means for storing three-dimensional spatial distribution data of the flow velocity of blood flow in the blood vessel as a sample potential of a virtual space reproduced based on the data , comprising: a three-dimensional lattice set in the virtual space ; The potential value at the lattice point is obtained from the data, and storage means;
Accepting probe position data in real space, obtaining a potential approximation value at a point in the virtual space corresponding to the real space position of the working part of the probe based on the potential value, and obtaining the probe Based on the potential approximation value of the action part, calculating means for obtaining a distance between the object recognized as the inner surface of the blood vessel in the virtual space and the action part of the probe;
A simulation apparatus comprising information providing means for providing information according to the distance.

The simulation according to claim 12 , wherein the calculation unit obtains the potential approximate value by performing an interpolation calculation based on a plurality of the sample values surrounding the position of the action part of the probe in the virtual space. apparatus.

The simulation apparatus according to claim 12, wherein the motion simulated by the probe is an action on at least a part of a human body.