JP4350233B2 - 医療用ナビゲーションシステム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、モニタ画面上に例えば硬性鏡等の手術機器が配置されている患者の患部の3次元画像とともに、術部に対する手術用顕微鏡などの観察装置の光学系の焦点位置が重像されて表示される医療用ナビゲーションシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、患者の患部の処置を行う手術中に、手術用顕微鏡を用いて微細な手術を行なうことが従来から行なわれている。この種の手術用顕微鏡として例えば特願平10−319190号に示されているものがある。ここでは、術部に対する手術用顕微鏡の位置を示す指標となる信号手段と、この信号手段の指標を検出するデジタイザーとを備え、術部に対する手術用顕微鏡の3次元位置を検出する第1の検出手段と、手術用顕微鏡に対する硬性鏡等の手術機器の3次元位置を検出する第2の検出手段(エンコーダあるいはCCDカメラ等)とが設けられている。
【0003】
そして、手術中に、これらの第1、第2の検出手段の検出結果に基づき術部に対する硬性鏡等の手術機器の3次元位置を演算し、モニタ画面上に硬性鏡等の手術機器が配置されている患者の患部の3次元画像とともに、術部に対する手術用顕微鏡などの観察装置の光学系の焦点位置が重像されて表示される構成にしたものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来構成の手術用顕微鏡ではこの手術用顕微鏡に設けた信号手段の指標とデジタイザーとの間が術者の体等で遮られてしまった場合には、術部に対する手術用顕微鏡の3次元位置の検出が不能となる。そのため、手術中の術者の動きなどによってモニタ画面上の表示が遮断されるおそれがあるので、術者の動きが制限されたり、手術が中断されるおそれがある。
【0005】
本発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的は、手術中の術者の動きなどによって手術用顕微鏡の位置検出が不能になるおそれがなく、術者の動きが制限されたり、手術が中断されることを防止して安定した手術を行うことができる医療用ナビゲーションシステムを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、患者の患部の位置と位置的相関のある第1の指標と、
前記患部を観察する観察装置の光学系の位置と位置的相関のある第2の指標と、
前記第1の指標と前記第2の指標の各々を撮影する撮影手段と、
この撮影手段の撮影結果より、前記患部の位置と前記観察装置の光学系の位置との三次元空間における初期の位置的相関を算出する演算手段と、
前記三次元空間における前記観察装置の光学系の位置に対する前記第2の指標の座標を変更させる変更手段と、
この変更手段が変更させた値を計測する変位計測手段を備え、この変更計測手段が計測した変更量を基に前記患部の位置と前記観察装置の光学系の位置との三次元空間における位置的相関を前記演算手段によって再計算させて算出させる手段と
を具備したことを特徴とする医療用ナビゲーションシステムである。
【0007】
そして、本発明では、患者の患部の位置と位置的相関のある第1の指標と、患部を観察する観察装置の光学系の位置と位置的相関のある第2の指標とが撮影手段によって撮影され、この撮影手段の撮影結果より、演算手段によって患部の位置と観察装置の光学系の位置との三次元空間における初期の位置的相関が算出される。さらに、撮影手段と観察点検出用の第2の指標との間が遮られた場合には、変更手段により三次元空間における観察装置の光学系の位置に対する第2の指標の座標を変更させる。これにより、第2の指標が遮られない位置に移動し、その移動量に基いて演算手段によって新しい観察点の位置を求めることにより、常に観察装置の光学系の位置を正しく検出できるようにしたものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1の実施の形態を図1乃至図5を参照して説明する。図1は本実施の形態の医療用ナビゲーションシステム全体の概略構成を示すものである。図1中で、1は手術室に設置されている手術用顕微鏡(観察装置)、40は患者34が載せられている手術用ベッドである。ここで、手術用顕微鏡1の架台2には、床面を移動可能なベース3と、このベース3上に立設された支柱4とが設けられている。なお、手術用顕微鏡1の架台2は手術室内における手術用ベッド40の先端部側(例えばベッド40上の患者34の頭部が配置される側)に配置されている。
【0009】
さらに、支柱4の上部には、手術用顕微鏡1の鏡体8を任意の方向に移動可能に支持する支持機構41が設けられている。この支持機構41には第1アーム5と、第2アーム6と、第3アーム7とが設けられている。ここで、第1アーム5には図示しない照明用光源が内蔵されている。そして、この第1アーム5の一端部は支柱4の上部に略鉛直方向の軸O1 を中心に回転自在に取付けられている。
【0010】
さらに、第1アーム5の他端部には、第2アーム6の一端部が略鉛直方向の軸O2 を中心に回転自在に取付けられている。この第2アーム6はリンク機構とバランス調整用のスプリング部材とからなるパンタグラフアームによって形成され、上下方向に移動操作可能になっている。
【0011】
また、第2アーム6の他端部には、第3アーム7の一端が略鉛直方向の軸O3 を中心に回転自在に取付けられている。この第3アーム7の他端には手術用顕微鏡1の鏡体8が設けられている。さらに、この第3アーム7は、略水平面上で、互いに直交する方向の2つの軸O4 ,O5 を中心としてそれぞれ回転自在に支持されている。そして、鏡体8はこの第3アーム7によって軸O4 を中心として術者の観察方向に対する前後方向の俯仰を可能に、かつ軸O5 を中心として術者の左右方向の俯仰を可能にそれぞれ支持されている。
【0012】
また、支持機構41の各回転軸O1 〜O5 における軸受部には図示しない電磁ブレーキが各々設けられている。この電磁ブレーキは支柱4に内蔵された図示しない電磁ブレーキ電源回路と接続されている。さらに、この電磁ブレーキ電源回路は、図2に示すように鏡体8に固定されたグリップ9に設けられたスイッチ10と接続されている。
【0013】
そして、スイッチ10によって各回転軸O1 〜O5 の電磁ブレーキがオンオフ操作されるようになっている。ここで、スイッチ10が例えばオン操作された場合には各回転軸O1 〜O5 の電磁ブレーキがオフ操作されることにより、支持機構41がロック解除状態で保持され、鏡体8が空間的に自由に位置調整を行うことができるようになっている。そして、スイッチ10がオフ操作された場合には各回転軸O1 〜O5 の電磁ブレーキがオン操作されて支持機構41がロック状態に切換えられ、鏡体8の位置固定が行われるようになっている。
【0014】
また、図3は手術用顕微鏡1の鏡体8の概略構成を示すものである。この鏡体8には、1つの対物レンズ11と、左右一対の観察光学系14A,14Bとが設けられている。ここで、左右の各観察光学系14A,14Bの観察光軸上には左右の変倍光学系12a,12bと、左右の結像レンズ13a,13bと、左右の接眼レンズ14a,14bとが順に配置されている。そして、この左右一対の観察光学系14A,14Bによって立体観察光学系が構成されている。
【0015】
また、結像レンズ13a,13bによる結像面は、それぞれ接眼レンズ14a,14bの焦点位置に配置されるように設置されている。なお、図2中の15は鏡体8の立体観察光学系の焦点位置、図3中の16は対物レンズ11のレンズ位置を検出する位置センサーをそれぞれ示すものである。ここで、対物レンズ11は図示しないモーターと連結されて光軸方向に移動可能に支持されている。そして、この対物レンズ11の光軸方向のレンズ位置が位置センサー16により検出できるように構成されている。
【0016】
また、鏡体8上には、図1に示すように信号板ユニット17が固定されている。図4はこの信号板ユニット17の詳細図である。この信号板ユニット17には信号板18と、この信号板18を変位自在に支持する変更手段としての多関節の支持アーム42とが設けられている。ここで、信号板18には後述するデジタイザ29が鏡体8の3次元座標を検出するために手術用顕微鏡1の鏡体8の光学系の位置と位置的相関のある第2の指標としての複数、本実施の形態では3つのLED19a、19b、19cが一体的に固定されている。これらのLED19a、19b、19cはそれぞれ、図1のLED制御装置20と接続されている。さらに、このLED制御装置20は演算手段にあたるワークステーション21と接続されている。
【0017】
また、信号板18の支持アーム42は、第1アーム22、第2アーム23、第3アーム24、第4アーム25及び回動可能な関節26a〜26dより構成されている。そして、信号板18は第4アーム25の先端部に固定されている。
【0018】
ここで、第1アーム22の下端部は鏡体8に略鉛直方向の軸S1を回転軸とする間節26aを介して連結されている。また、第1アーム22の上端部は第2アーム23の下端部に略水平方向の軸S2を回転軸とする関節26bを介して連結されている。また、第2アーム23の上端部は第3アーム24の下端部に略水平方向の軸S3を回転軸とする関節26cを介して連結されている。また、第3アーム24の上端部は第4アーム25の基端部に略水平方向の軸S4を回転軸とする関節26dを介して連結されている。
【0019】
さらに、各関節26a〜26dは、図4で示される変更計測手段としてのエンコーダー27a〜27dと、モータ28a〜28dとをそれぞれ有している。ここで、エンコーダ27a〜27dはワークステーション21と接続されている。また、モータ28a〜28dは支柱4の内部に設けられた図示しないモータ駆動手段と接続されている。このモータ駆動手段はワークステーション21と接続されている。
【0020】
また、29は信号板18上のLED19a、19b、19cの3次元座標における位置を検出するためのデジタイザ(光学式位置検出装置)である。このデジタイザ29は撮影手段にあたる2台のCCDカメラ30a、30bと、これらのCCDカメラ30a、30bの位置を固定させているカメラ支持部材31と、スタンド32とにより構成されている。そして、このデジタイザ29は手術室内における手術用ベッド40の基端部側(例えばベッド40上の患者34の足元側が配置される側)に配置された状態で設置されている。
【0021】
さらに、CCDカメラ30a、30bはそれぞれワークステーション21と接続されている。このワークステーション21は、内部に図示しないA/D変換器を備え、モニタ33と接続されている。
【0022】
また、ワークステーション21には、術前においてあらかじめCTやMRIといった図示しない画像診断装置による断層画像データ、及び断層画像データを加工し、3次元に再構築されたデータが記録されている。
【0023】
図2において患者34の頭部の所定の位置にはヘッドフレーム35が固定され、その上は図示しない減菌ドレープで覆われている。そして、滅菌ドレープ上には、ヘッドフレーム35に固定されたアーク部36が設けられている。このアーク部36には患者34の患部の位置と位置的相関のある第1の指標としての3つのマーク部材37a、37b、37cが固定されている。Ob−Xb,Yb,Zbは第1の指標のマーク部材37a、37b、37cを基準に定義される生体座標系である。
【0024】
また、図5はモニタ33の画面上に表示される画像を示す。ここで、モニタ33の画面上には患者34の術前の断層画像に基づく3次元に再構築された術部39の画像とともに、手術用顕微鏡1の焦点位置15が表示されている。
【0025】
次に、上記構成の作用について説明する。まず、本実施の形態の医療用ナビゲーションシステムを使用する手術前にあらかじめ撮影したCT、MRI装置などの断層画像を3次元画像データに再構築し、ワークステーション21に記録する。
【0026】
また、手術を始めるにあたっては、ワークステーション21内の断層画像データと術部39の座標の相関をとるためマーク部材37a、37b、37cを用いてキャリブレーション(生体座標系Ob−Xb,Yb,Zbの記憶)を行う。
【0027】
以上の作業によりワークステーション21には生体座標系が記憶される。その後、術者38は手術用顕微鏡1の鏡体8のグリップ9を握り、スイッチ10を押すことにより軸O1 〜O5 に内蔵された電磁ブレーキを解除し、鏡体8を移動して術部39の観察部位に焦点位置15を位置決めする。
【0028】
手術用顕微鏡1による観察時には術部39から発せられた光束は、鏡体8に入射する。このとき、対物レンズ11から鏡体8へ入射した光束は、変倍光学系12a、12b、結像レンズ13a、13b、接眼レンズ14a、14bを透過して観察され、術者38は術部39を所望の倍率で観察する。なお、ここで、観察像の焦点位置が合わない時は、対物レンズ11を図示しないモータにより駆動し、焦準を行う。
【0029】
また、手術用顕微鏡1による観察中、デジタイザ29は信号板ユニット17のLED19a、19b、19cを検出し、ワークステーション21内の図示しない計測手段およびAD変換器手段により信号処理されて、信号板ユニット17の生体座標系における位置が算出される。ここで、信号板ユニット17は所定の位置で鏡体8に連結しておりLED19a〜19cの生体座標系における位置は既知であるため、生体座標系における鏡体8の座標および姿勢が算出される。
【0030】
また、位置センサ16により対物レンズ11の位置情報がワークステーション21に伝送される。このワークステーション21では対物レンズ11の位置情報から鏡体8に対する焦点位置15の相対位置が算出される。
【0031】
続いて、鏡体8の生体座標系における位置及び姿勢と、鏡体8に対する焦点位置15の相対位置から、生体座標系における焦点位置15の位置が演算される。このとき、モニタ33には画像上の生体座標系に3次元画像データと焦点位置15が重像されて表示される。
【0032】
次に、信号板18が術者の体や器材などで遮られた場合の作用を説明する。手術用顕微鏡1による観察中、デジタイザ29がLED19a、19b、19cを検出できない時は、ワークステーション21は支柱4内部に設けられた図示しないモータ駆動手段に対し制御信号を出す。
【0033】
この制御信号を受けたモータ駆動手段は図4における信号板ユニット17の支持アーム42の関節26a〜26dに設けられたモータ28a〜28dに対し駆動信号をそれぞれ出力する。このとき、信号板18はモータ28a(軸S1)が駆動されることで旋回し、モータ28b(軸S2)とモータ28c(軸S3)が駆動されることで昇降し、モータ28d(軸S4)が駆動されることで傾斜する。
【0034】
さらに、モータ駆動手段はこの信号板18の旋回、昇降、傾斜という動作をそれぞれまたは複合して行うように各モータ28a〜28dを制御する。そして、デジタイザ29が信号板18のLED19a、19b、19cの全てを同時に検出できる(術者や器材で遮られない)位置を見つけた時点でモータ28a〜28dの駆動を停止させる。この状態で、デジタイザ29は、信号板18のLED19a、19b、19cの生体座標系における位置を検出する。
【0035】
この状態のエンコーダ27a〜27dによる回転角はワークステーション21に伝送される。ワークステーション21では一般的に知られている数学的手法により鏡体8に連結した第1アーム22に対する第2アーム23の位置、第2アーム23に対する第3アーム24の位置、第3アームに対する第4アーム25の位置、第5アームに対する信号板18およびLED19a〜19cの位置が順次計算される。
【0036】
そして、この結果が、図5に示すように3次元画像データによる術部39の画像に焦点位置15が重像された状態でモニタ35上に表示され、術者38は3次元画像データによる術部39の画像上において顕微鏡1の観察位置を知ることができる。
【0037】
そこで、上記構成のものにあっては次の効果を奏する。すなわち、本実施の形態では手術中において、手術用顕微鏡1の鏡体8を動かすことでデジタイザ29のCCDカメラ30a、30bに対し観察点検出用のアーク部36のマーク部材37a、37b、37cが動いたり、またCCDカメラ30a、30bと観察点検出用のアーク部36のマーク部材37a、37b、37cの間が障害物で遮られても、支持アーム42が信号板18のLED19a、19b、19cをCCDカメラ30a、30bで撮影可能な位置に変更し、その変更量を基に手術用顕微鏡1の鏡体8の位置が求められるので、常に手術用顕微鏡1の鏡体8の位置を検出することができ、安全な手術が行える。さらに、本実施の形態では信号板ユニット17の可動範囲が広く、広範囲をカバーできる効果がある。
【0038】
なお、本実施の形態では信号板ユニット17を鏡体8上に設けたがこれに限らず、鏡体8の焦点位置と位置的相関がとれる場所であれば何処でも良い。さらに、回転軸O1 〜O5 に回転角検出手段を設けることで信号板ユニット17を手術用顕微鏡1における鏡体8の支持機構41の第1アーム5、第2アーム6、第3アーム7上に設けても良い。
【0039】
また、信号板ユニット17の構成も、本実施の形態の4関節の構造に限らず、少なくとも旋回、昇降、傾斜のいずれか、またはその組合せが実現できるものであれば何でも良い。
【0040】
次に、本発明の第2の実施の形態について図6を参照して説明する。第1の実施の形態(図1乃至図5参照)では信号板ユニット17の信号板18が固定された支持アーム42の旋回・昇降・傾斜動作を順次行い、デジタイザ29が検出できる位置を闇雲に探していたのに対し、本実施の形態ではデジタイザ29に対する信号板18の移動情報の検出手段を付加し、信号板18がデジタイザ29によって検出不能となった際に信号板18の移動情報の検出手段からの検出結果に基いて信号板18の検出の可能性が高い方向に支持アーム42を移動させることで迅速に信号板18が検出可能な位置を見つけるように構成したものである。なお、これ以外の構成は第1の実施の形態と同じであり、第1の実施の形態と同じ構成の部分については第1の実施の形態と同一符号を付してその説明を省略する。
【0041】
図6は本実施の形態の医療用ナビゲーションシステムにおけるワークステーション100の制御ブロック図である。このワークステーション100内には、撮影手段としてのデジタイザ29や、変更計測手段としてのエンコーダ27a〜27dからの出力信号を受ける計測部101と、A/D変換手段102と、第2の指標が撮影可否であるかに加えその移動方向を検出する移動情報検出部103と、演算部104と、モニター表示部105と、データベース部106と、モータ制御部107とが設けられている。
【0042】
次に、上記構成の作用について説明する。本実施の形態ではデジタイザ29と顕微鏡1の鏡体8を手術に適切な位置に配置した後、第1の実施の形態と同様に、キャリブレーションを行う。これにより生体座標系Ob−Xb,Yb,Zbが記憶される。
【0043】
この状態で、信号板ユニット17の各モータ28a〜28dの回転動作と、デジタイザ29上に撮影される信号板18の3つのLED19a、19b、19cの移動方向との対応をとる初期調整動作の制御が行われる。このとき、モータ制御部107は図示しないモータ駆動手段を制御して信号板18の旋回、昇降、傾斜という一連の動作を所定の回数行い、それをデジタイザ29が撮影し、その検出情報はデータベース部106に記憶される。この初期調整動作はキヤリブレーション後に1回だけ行われる。
【0044】
また、手術中、鏡体8を動かす等でデジタイザ29によって信号板18が検出できなくなった場合の作用を説明する。ここで、手術中、移動情報検出部103は、デジタイザ29に撮影される信号板18の撮影の可否に加え、その動き方向を検出している。
【0045】
そして、信号板18がデジタイザ29によって検出不可となった場合は、移動情報検出部103は検出不可になる直前の信号板18の移動方向を調べる。続いて、信号板18を逆の方向に動かすために、信号板ユニット17のモータ28a〜28dのうちのどのモータをどの方向に回転させれば良いかをデータベース106を参照して割り出し、モータ制御手段107がモータ駆動手段を駆動する。ここで、鏡体8が動いてもそれを相殺する方向に支持アーム42が動き、デジタイザ29で信号板18が検出される位置まで移動される。
【0046】
そこで、本実施の形態では第1の実施の形態と同様の効果が得られることに加え、本実施の形態では特に、デジタイザ29が信号板18を検出不能になった際に短い時間で再検出できるので、より迅速で安全な手術が行える効果がある。
【0047】
なお、本実施の形態では信号板ユニット17の各モータ28a〜28dの回転動作と、デジタイザ29上に撮影される信号板18の3つのLED19a、19b、19cの移動方向との対応をとる初期調整動作の制御をキャリブレーション後に1回だけ行う構成としたが、これに限らず一定時間毎に初期調整動作の対応制御を行うことで対応の誤差を小さくする構成にしても良い。
【0048】
また、図7乃至図9は本発明の第3の実施の形態を示すものである。本実施の形態は第1の実施の形態(図1乃至図5参照)の医療用ナビゲーションシステムの構成を次の通り変更したものである。
【0049】
すなわち、第1の実施の形態では信号板ユニット17が多関節の支持アーム42を備えていたのに対し、本実施の形態では可動部のない四角錐形のユニット本体51を設け、このユニット本体51の四角錐の各面に第2の指標としてのLED52をそれぞれ3個づつ設けて信号板ユニット17を構成したものである。なお、これ以外の構成は第1の実施の形態と同じであり、第1の実施の形態と同じ構成の部分については第1の実施の形態と同一符号を付してその説明を省略する。
【0050】
ここで、本実施の形態の手術用顕微鏡1の鏡体8の所定位置には信号板ユニット17における四角錐形状のユニット本体51の底面が固定されている。なお、図8は信号板ユニット17の四角錐形状のユニット本体51の上面図であり、図9はその側面図である。
【0051】
図8において、信号板ユニット17の四角錐形状のユニット本体51では、四角錐の4面、すなわちA面53、B面54、C面55、D面56によって第2の指標取付け面が構成されている。ここで、A面53には3つのLED52a1、52a2、52a3が固定されている。同様に、B面54には3つのLED52b1、52b2、52b3が、C面55には3つのLED52c1、52c2、52c3が、D面56には3つのLED52d1、52d2、52d3がそれぞれ固定されている。
【0052】
これらのLED52は図7の時分割点灯手段としてのLED制御装置57と接続されている。このLED制御装置57はワークステーション21に接続されている。
【0053】
次に、上記構成の作用について説明する。本実施の形態ではデジタイザ29が信号板ユニット17の四角錐形状のユニット本体51の各面に設けられた3つのLED52の信号を検出できない場合には、ワークステーション21はLED制御装置57にLED計測不能の信号を出す。
【0054】
これを受けたLED制御装置57は信号板ユニット17のA面53〜D面56に設けられたLED52を時分割で順次点灯させる。たとえば、0.5秒間隔でA面53、B面54、C面55、D面56の順にLED52が順次点灯される。ここで、各面のLED52の点灯の同期信号は計測装置であるワークステーション21に戻されることで、ワークステーション21は現在点灯中のLED52がA面〜D面のどの面であるかを判別する。
【0055】
そして、3つのLED52の全てが検出できる面が基準面として選択される。例えば、D面56のLED52d1、52d2、52d3が検出された場合にはワークステーション21は同期信号よりD面56のLED52d1、52d2、52d3が点灯している状態を検出する。ここで、ワークステーション21はLED制御装置57に対しLED52の時分割点灯を止め、D面56のLED52d1、52d2、52d3のみ点灯させるように制御する。この状態で、D面56のLED52d1、52d2、52d3の生体座標系における位置が検出される。
【0056】
ここで、信号板ユニット17は所定の位置で鏡体8に固定されているので、D面56のLED52d1、52d2、52d3と鏡体8の相対位置も既知である。これと先のD面56のLED52d1、52d2、52d3の生体座標系における位置が明確になることで、鏡体8の生体座標系における座標および姿勢が算出される。後は、第1の実施の形態と同様である。
【0057】
そこで、上記構成のものにあっては次の効果を奏する。すなわち、本実施の形態では可動部のない四角錐形のユニット本体51を設け、このユニット本体51の四角錐の各面に第2の指標としてのLED52をそれぞれ3個づつ設けて信号板ユニット17を構成したので、信号板ユニット17に可動部が無く、構造を簡略化できる。そのため、手術用顕微鏡1の鏡体8を小型軽量にできる効果がある。
【0058】
なお、本実施の形態では信号板ユニット17を四角錐形状のユニット本体51によって構成したがこれに限らず三角錐形状にしても良い。さらに、LED52が設置できる複数の面があれば角錐に限らず他の形状でも良い。
【0059】
また、図10は本発明の第4の実施の形態を示すものである。本実施の形態は第3の実施の形態(図7乃至図9参照)の医療用ナビゲーションシステムの構成を次の通り変更したものである。
【0060】
すなわち、本実施の形態では第3の実施の形態の四角錐形のユニット本体51を備えた信号板ユニット17を複数設けたものである。なお、これ以外の部分の構成は第3の実施の形態と同じであり、第3の実施の形態と同じ構成の部分については第3の実施の形態と同一符号を付してその説明を省略する。
【0061】
図10に示すように本実施の形態の手術用顕微鏡1の鏡体8の上面には第1の信号板ユニット17Aが、右面には第2の信号板ユニット17Bが、左面には第3の信号板ユニット17Cがそれぞれ固定されている。
【0062】
これらの信号板ユニット17A〜17Cは第3の実施の形態の信号板ユニット17の四角錐形状のユニット本体51と同様で四角錐形状のユニット本体51が設けられている。そして、このユニット本体51の底面が手術用顕微鏡1の鏡体8に固定され、残りの4面(A面53〜D面56)には各3つのLED52が固定されている。
【0063】
これらのLED52は時分割点灯手段としてのLED制御装置57と接続されている。さらに、このLED制御装置57はワークステーション21に接続されている。
【0064】
次に、上記構成の作用について説明する。本実施の形態ではデジタイザ29が3つの信号板ユニット17A〜17Cの各面に設けられた3つのLED52の信号を検出できない場合には、ワークステーション21はLED制御装置57にLED計測不能の信号を出す。
【0065】
これを受けたLED制御装置57は各信号板ユニット17A〜17Cの各面に設けられたLED52を時分割で順次点灯させる。例えば、0.5秒間隔で以下の順で順次点灯される。すなわち、第1の信号板ユニット17AのA面、同B面、同C面、同D面、第2の信号板ユニット17BのA面、同B面、同C面、同D面、第3の信号板ユニット17CのA面、同B面、同C面、同D面の順で順次点灯される。
【0066】
このとき、各面のLED52の点灯の同期信号はワークステーション21に戻されることで、ワークステーション21は現在点灯中のLED52がどの信号板ユニットの何面であるかを判別する。そして、3つのLED52の全てが検出できる面が基準面として選択される。ここで、例えば第1の信号板ユニット17AのD面のみが3つのLED52の全てが検出できた場合にはワークステーション21はLED制御装置57に対し、第1の信号板ユニット17AのD面のみを点灯させるように制御する。
【0067】
この状態で第1の信号板ユニット17AのD面の生体座標系における位置が検出される。そして、ワークステーション21は数学的手法により第1の信号板ユニット17Aに対する鏡体8の相対位置を算出する。これにより、先に求めた第1の信号板ユニット17AのD面の生体座標系における位置と合わせ、鏡体8の生体座標系における位置および姿勢が検出される。後は、第1の実施の形態と同様である。
【0068】
そこで、上記構成のものにあっては第3実施の形態と同様の効果が得られることに加え、本実施の形態では特に、信号板ユニットが複数あるので、より広範囲をカバーできる。
【0069】
また、広範囲をカバーする上で大きな信号板を用いずに小さな信号板ユニットを複数配置しているので、デッドスペースを取らず、空きスペースを有効利用でき、小型軽量化できる効果がある。
【0070】
なお、本実施の形態では3つの信号板ユニット17A〜17Cで構成したがこれに限らず2つの信号板ユニットでも、あるいは4つ以上の信号板ユニットでも良い。
【0071】
さらに、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施できることは勿論である。
次に、本出願の他の特徴的な技術事項を下記の通り付記する。
記
(付記項1) 患部と位置的相関のある第1の指標と、観察装置の光学系と位置的相関のある第2の指標と、前記第1の指標と前記第2の指標の各々を撮影する撮影手段と、前記撮影手段の撮影結果より、前記患部と前記観察装置の光学系との三次元空間における位置的相関を算出する演算手段よりなる光学式ナビゲーションシステムにおいて、
前記第2の指標を前記観察装置の光学系に対し三次元空間における座標を変更させる変更手段と、前記変更手段が変更させた値を計測する変位計測手段を備えるとともに、前記演算手段が前記変更計測手段が測定した変更量を基に前記患部と前記観察装置の光学系との三次元空間における位置的相関を算出することを特徴とする光学式ナビゲーションシステム。
【0072】
(付記項2) 前記変更手段が、前記第2の指標を前記三次元空間内で変位させる変位手段であることを特徴とする付記項1記載の光学式ナビゲーションシステム。
【0073】
(付記項3) 前記変更手段が、複数の面を備えた多面体の面に設けられた複数組の第2の指標と、前記第2の指標を時分割で点灯させる時分割点灯手段でより構成され、前記変更計測手段が前記時分割点灯手段の時分割情報を計測することを特徴とする付記項1記載の光学式ナビゲーションシステム。
【0074】
(付記項4) 前記撮影手段が前記計測手段を撮影不可な条件下で前記変更手段を駆動し、撮影可能箇所を検出する条件制御部を備えたことを特徴とする付記項2、3記載の光学式ナビゲーションシステム。
【0075】
(付記項5) 前記第2の指標の移動方向を検出する移動情報検出部を備え、前記条件制御部が前記移動情報検出部の移動情報を基に撮影可能箇所を検出することを特徴とする付記項4記載の光学式ナビゲーションシステム。
【0076】
(付記項6) 前記変位手段が、複数のアームと関節より構成される保持手段であり、前記関節近傍に前記変更計測手段が設けられていることを特徴とする付記項1、2、4、5記載の光学式ナビゲーションシステム。
【0077】
(付記項7) 前記保持手段がモータ駆動であることを特徴とする付記項4、5記載の光学式ナビゲーションシステム。
【0078】
(付記項8) 前記関節変更計測手段がエンコーダであることを特徴とする付記項4、5記載の光学式ナビゲーションシステム。
【0079】
(付記項9) 前記変位手段が複数設けられていることを特徴とする付記項1〜8記載の光学式ナビゲーションシステム。
【0080】
(付記項1〜9の従来技術) 従来技術としては、特願平10−319190号がある。これは、光学式ナビゲーションシステム等に応用可能な技術である。術部に対する手術用顕微鏡の3次元位置を第1の検出手段(信号手段とデジタイザー)が検出し、手術用顕微鏡に対する硬性鏡等の手術機器の3次元位置を第2の検出手段(エンコーダあるいはCCDカメラ等)が検出し、前記第1、第2の検出手段の検出結果に基づき術部に対する硬性鏡等の手術機器の3次元位置を演算可能に構成したものである。手術機器がデジタイザーから遮られた状態でも、術部に対する位置が把握できることで、円滑に手術が行えるという内容である。
【0081】
(付記項1〜9が解決しようとする課題) 特願平10−319190号は術部に対し手術用顕微鏡の3次元位置が第1の検出手段で確実に検出できるという前提に基づいた内容である。しかし、手術用顕微鏡に設けた信号手段とデジタイザーの間が術者の体等で遮られてしまった場合には、前提は崩れ、術部に対する手術用顕微鏡の位置検出が不能となるという問題があった。
【0082】
(付記項1〜9の目的) 本発明の目的は、手術用顕微鏡に設けられた信号手段とデジタイザーの間が遮られることで位置検出不能になることなく、確実に位置検出を行える光学式ナビゲーションシステムを提供することにある。
【0083】
(付記項1の課題を解決するための手段) 患部と位置的相関のある第1の指標と、観察装置の光学系と位置的相関のある第2の指標と、前記第1の指標と前記第2の指標の各々を撮影する撮影手段と、前記撮影手段の撮影結果より、前記患部と前記観察装置の光学系との三次元空間における位置的相関を算出する演算手段よりなる光学式ナビゲーションシステムにおいて、
前記第2の指標を前記観察装置の光学系に対し三次元空間における座標を変更させる変更手段と、前記変更手段が変更させた値を計測する変位計測手段を備えるとともに、前記演算手段が前記変更計測手段が測定した変更量を基に前記患部と前記観察装置の光学系との三次元空間における位置的相関を算出することを特徴とする光学式ナビゲーションシステム。
【0084】
(付記項1〜9の作用) 撮影手段と観察点検出用の指標の間が遮られても、変更手段により前記指標が遮られない位置に移動し、その移動量から新しい観察点の位置が求められるので、常に観察装置の位置を検出することができ、安全な手術が行える。
【0085】
(付記項1〜9の効果) 以上説明したように本発明によれば、手術中において、観察装置を動かすことで撮影手段に対し観察点検出用の指標が動いたり、また撮影手段と観察点検出用の指標の間が障害物で遮られても、変更手段が前記指標を撮影手段で撮影可能な位置に変更し、その変更量を基に位置が求められるので、常に観察装置の位置を検出することができ、安全な手術が行える。
【0086】
【発明の効果】
本発明によれば患者の患部の位置と位置的相関のある第1の指標と、患部を観察する観察装置の光学系の位置と位置的相関のある第2の指標の各々を撮影する撮影手段を設け、この撮影手段の撮影結果より、患部の位置と観察装置の光学系の位置との三次元空間における初期の位置的相関を算出し、撮影手段と観察点検出用の第2の指標との間が遮られた場合には、変更手段により三次元空間における観察装置の光学系の位置に対する第2の指標の座標を変更させ、ここで変更させた変更量を基に患部の位置と観察装置の光学系の位置との三次元空間における位置的相関を演算手段によって再計算させて算出させる手段を設けたので、手術中の術者の動きなどによって手術用顕微鏡の位置検出が不能になるおそれがなく、術者の動きが制限されたり、手術が中断されることを防止して安定した手術を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態の医療用ナビゲーションシステム全体の概略構成図。
【図2】 第1の実施の形態の医療用ナビゲーションシステムの要部の概略構成図。
【図3】 第1の実施の形態の医療用ナビゲーションシステムにおける手術用顕微鏡の鏡体の概略構成を示す縦断面図。
【図4】 第1の実施の形態の医療用ナビゲーションシステムにおける信号板と支持アームとを示す斜視図。
【図5】 第1の実施の形態の医療用ナビゲーションシステムにおけるモニタ画面上に表示される画像を説明するための説明図。
【図6】 本発明の第2の実施の形態を示す要部の概略構成図。
【図7】 本発明の第3の実施の形態の医療用ナビゲーションシステム全体の概略構成図。
【図8】 第3の実施の形態の医療用ナビゲーションシステムにおける信号板ユニットの平面図。
【図9】 第3の実施の形態の医療用ナビゲーションシステムにおける信号板ユニットの側面図。
【図10】 本発明の第4の実施の形態の医療用ナビゲーションシステム全体の概略構成図。
【符号の説明】
1 手術用顕微鏡(観察装置)
8 鏡体
19a、19b、19c LED(第2の指標)
21 ワークステーション(演算手段)
30a、30b CCDカメラ(撮影手段)
34 患者
37a、37b、37c マーク部材(第1の指標)
42 支持アーム(変更手段)
Claims (1)
- 患者の患部の位置と位置的相関のある第1の指標と、
前記患部を観察する観察装置の光学系の位置と位置的相関のある第2の指標と、
前記第1の指標と前記第2の指標の各々を撮影する撮影手段と、
この撮影手段の撮影結果より、前記患部の位置と前記観察装置の光学系の位置との三次元空間における初期の位置的相関を算出する演算手段と、
前記三次元空間における前記観察装置の光学系の位置に対する前記第2の指標の座標を変更させる変更手段と、
この変更手段が変更させた値を計測する変位計測手段を備え、この変更計測手段が計測した変更量を基に前記患部の位置と前記観察装置の光学系の位置との三次元空間における位置的相関を前記演算手段によって再計算させて算出させる手段と
を具備したことを特徴とする医療用ナビゲーションシステム。
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