JP4953303B2 - 病変部位の位置特定システム - Google Patents

Description

本発明は、生体組織中の病変部分の位置を自動的に特定することのできる病変部位の位置特定システムに関する。

近年、大きな切開を要さずに患者への負担を少なくする低侵襲手術が注目されている。この低侵襲手術は、メス、鉗子、内視鏡等が先端側に設けられた棒状の術具を、患者の体表部分に開けた穴から体腔内に挿入し、この術具を医師が患者の体外側から操作することにより、体腔内の患部の処置を行う手術である。このような低侵襲手術は、現在、医師の手で直接術具を操作して行われることが多いが、医師の遠隔操作により術具を動作させるマスタースレーブ方式の手術ロボットシステムを使った研究も盛んに行われている。

ところで、肺や肝臓等の生体組織中に癌による病変部位があり、当該病変部位に対して前述の低侵襲手術で処置を行う場合、医師は、ＭＲＩ装置（磁気共鳴画像診断装置）やＣＴ装置（コンピュータ断層撮影装置）等によって撮像された画像で予め病変部位の位置を把握した後で、患者の体表部分に穴を開け、当該穴から体腔内に挿入された内視鏡の画像を視認しながら、当該病変部位に向って術具をアプローチさせる。この際、医師は、体腔内に直接手を入れられないことから、周囲よりも硬い癌組織等の病変部位の存在を触診できない。このため、医師は、体腔内の病変部分の存在を内視鏡からの画像のみで確認しなければならないが、内視鏡の視野が狭いことから、病変部分が小さい場合等には、その存在を把握し難いという問題がある。また、生体組織は軟質であることから、病変部位の付近に術具を当てて処置をしているときに、不意に生体組織が移動若しくは変形することがあり、この場合、病変部位が当初把握した位置から移動してしまい、病変部位の特定が一層難くなる。

従って、手術中もＭＲＩ装置やＣＴ装置で患部を撮像し、ＭＲＩ装置やＣＴ装置で得られた画像から自動的に病変部位を特定する診断装置（特許文献１、２参照）を併用しながら、病変部分の処置を行うことが確実である。

また、病変部位を特定可能な蛍光観察内視鏡装置（特許文献３参照）を体腔内に挿入することも考えられる。この蛍光観察内視鏡装置は、生体組織に励起光を照射し、当該生体組織中の病変部位からの蛍光を撮像することで、病変部位を自動的に判断するようになっている。
特開２００７−５４６６１号公報 特開２００７−１４４８３号公報 特開２００６−１９１９８９号公報

しかしながら、前記特許文献１、２の診断装置を使用する場合、手術中においてもＭＲＩ装置やＣＴ装置での撮像が必要になり、手術に際して大掛かりな付帯設備が必要となるばかりか、ＭＲＩ装置やＣＴ装置による画像取得及びその画像に基づく自動診断処理に時間がかかってしまい、手術をスムーズに行えなくなるという不都合がある。

また、前記特許文献３の蛍光観察内視鏡装置診断装置を使用する場合、病変部位が組織の表層付近に無く励起光が到達しないときや蛍光を発しない病変部位のときには、当該病変部位を検出できない可能性がある。

本発明は、このような課題に着目して案出されたものであり、その目的は、簡単な構成で、生体組織中の病変部分を迅速且つ確実に特定することができる病変部位の位置特定システムを提供することにある。

（１）前記目的を達成するため、本発明は、病変部位を含む生体組織に所定の押圧力を付与する接触子と、当該接触子の押圧による前記生体組織からの直交三軸方向の反力を測定可能な力センサと、当該力センサで測定された反力の大きさ及び方向に基づいて、前記接触子が前記病変部位の特徴点上に存在するか否かを判定する判定装置とを備える、という構成を採っている。

（２）また、前記判定装置は、予め設定した前記特徴点の接平面に対する法線ベクトルを求め、当該法線ベクトルの方向を前記直交三軸方向の一方向とし、前記力センサの測定により、前記直交三軸方向の残り二方向の反力が所定の閾値以下である場合に、前記接触子が前記特徴点上に存在すると判定する一方、前記残り二方向の反力の少なくとも何れかが前記閾値を超える場合に、前記接触子が前記特徴点上に存在しないと判定する、という構成を採ることができる。

（３）更に、前記接触子は、前記判定装置での判定結果に応じて動作が制御される移動装置によって移動可能に保持され、
前記移動装置は、前記判定装置で前記接触子が前記特徴点上に存在しないと判定されたときに、前記残り二方向の反力を相殺する方向に前記接触子を移動させる、という構成を採ることが好ましい。

（４）また、前記生体組織を撮像可能な撮像装置と、当該撮像装置から取得した画像を処理する画像処理装置とを更に備え、
前記画像処理装置は、前記判定装置で前記接触子が前記特徴点上に存在すると判定されたときに、前記接触子及び前記撮像装置の各位置に基づき、前記画像中の生体組織に対し、相応する位置に前記病変部分の存在を示すマークを付加する、という構成も併せて採用することができる。

（５）更に、所定の術具を移動可能に動作するロボットアームと、このロボットアームを駆動させる駆動装置と、前記ロボットアームの動作を指令する操作装置と、前記操作装置からの指令に基づいて前記駆動装置の駆動を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記判定装置で前記接触子が前記特徴点上に存在しないと判定されたときに、前記接触子の移動に追従して前記術具を移動させる補正制御を行う、という構成も併せて採用することができる。

前記（１）、（２）の構成によれば、比較的単純な機械構成で癌組織等の病変部分を特定できることから、画像処理のような複雑な演算処理機能が不要となり、また、電磁波や励起光を発生する装置やそれに伴う光学的処理も不要となり、比較的簡単な装置構成で短時間に病変部位の特定が可能となる。また、医師による触診のように病変部位の特定ができるため、病変部位が生体組織の表層部分に存在していない場合でも、接触子の押圧力を調整することで病変部位を特定でき、また、励起光の照射により蛍光を発しない癌組織の場合も病変部分を特定可能になる。

前記（３）のように構成することで、接触子を自動的に特徴点方向に移動させることができ、接触子の無駄な移動を回避して病変部分の特定をより早く行うことが可能になる。

前記（４）の構成によれば、撮像装置からの画像に、判定装置で特定した病変部位の位置が重畳的に反映されるため、生体組織の表層付近になく前記画像に映らない病変部位や画像上見にくい病変部位があっても、医師は、前記撮像装置からの画像から病変部位の位置を視認することができ、当該病変部位の処置が一層行い易くなる。

前記（５）の構成によると、判定装置で特定した病変部位の位置に基づいて手術ロボットシステムの制御を行うことができ、病変部位の周囲の生体組織が不意に移動若しくは変形して病変部位が移動しても、当該病変部位の移動に追従して術具を移動させることができる。従って、生体組織が不意に移動若しくは変形しても、病変部分に術具を正確にアプローチさせることができ、当該病変部分の確実な処置に寄与できる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１には、本実施形態に係る病変部位の位置特定システムの概略構成図が示されている。この図において、位置特定システム１０は、病変部位となる癌組織Ｃが存在する生体組織である臓器Ｚを撮像する撮像装置１２と、臓器Ｚの表面を押圧する接触子１３と、この接触子１３を移動させる移動装置１５と、接触子１３で押圧している部分が癌組織Ｃの特徴点Ｐであるか否かを判定し、当該判定結果に基づいて移動装置１５の動作を制御する判定装置１７と、撮像装置１２から取得した画像を処理する画像処理装置２０と、当該画像処理装置２０で処理された画像を表示するモニタ２２とを備えて構成されている。

前記撮像装置１２は、先端が撮像部となる内視鏡装置であり、患者の体表部分Ｂに開けられた穴に装着された筒状のトロカールＴ内を体外側から体内側に向って挿通される。なお、前記撮像装置１２としては、内視鏡装置に限定されるものではなく、患者の臓器Ｚを撮像可能な他の画像取得装置を採用することもできる。

前記接触子１３は、特に限定されるものではないが、先端が丸みを帯びた棒状となっている。

前記移動装置１５は、接触子１３の上端側に取り付けられて、当該接触子１３に作用する直交三軸方向の力を測定可能な力センサ２５と、接触子１３及び力センサ２５の上方に取り付けられた直動ユニット２７と、この直動ユニット２７を保持して接触子１３を移動可能に動作するロボットアーム２９と、直動ユニット２７及びロボットアーム２９を駆動させるモータ等の駆動手段３０とを備えている。

前記直動ユニット２７は、駆動手段３０の駆動によって、接触子１３に連なるロッド３２が進退可能となっており、接触子１３をその軸線方向に移動（昇降）させるようになっている。つまり、この直動ユニット２７は、接触子１３が臓器Ｚに接触した状態で、当該臓器Ｚを損傷させない程度のほぼ一定の大きさの力で臓器Ｚの表面を押圧する。なお、接触子１３が臓器Ｚに付与する押圧力の大きさは、後述するように力センサ２５による反力の検出が可能となるように、臓器Ｚの硬さや癌組織Ｂの位置や硬さ等に応じて決定される。

前記ロボットアーム２９及び駆動手段３０は、公知の手術ロボットに適用される構造が採用されており、本発明の要旨ではないため、ここでは詳細な説明を省略する。

前記判定装置１７は、ソフトウェア及び／又はハードウェアによって構成され、プロセッサ等、複数のプログラムモジュール及び／又は処理回路より成り立っている一種のコンピュータである。この判定装置１７は、力センサ２５からの信号に基づいて、予め初期設定した所定の直交三軸方向にそれぞれについて、接触子１３の押圧により当該接触子１３に付与される臓器Ｚ側からの反力をそれぞれ求める力検出部３３と、この力検出部３３で検出された反力の大きさ及び方向に基づいて接触子１３で押圧している部分が癌組織Ｃの特徴点Ｐであるか否かを判定する位置判定部３４と、この位置判定部３４の判定結果に基づいて前記駆動手段３０の駆動を制御する制御部３５とを備えている。

前記画像処理装置２０は、ソフトウェア及び／又はハードウェアによって構成され、プロセッサ等、複数のプログラムモジュール及び／又は処理回路より成り立っている一種のコンピュータであって、後述するように、判定装置での判定に基づき、撮像装置１２で撮像された画像に所定のマークＭを付加するようになっている。

次に、前記位置特定システム１０の作用について図２のフローチャートを用いながら説明する。

先ず、医師等が、図示しないＭＲＩ装置やＣＴ装置で予め撮像された画像データを視認することにより、病変部位となる癌組織Ｃの形状を認識し、当該形状の中で特徴となる特徴点Ｐを任意に設定する。そして、当該特徴点Ｐの座標が判定装置１７に入力され、力検出部３３では、特徴点Ｐにおける接平面Ｓ（図３参照）の法線ベクトルＶが求められ、当該法線ベクトルＶの方向が直交三軸方向すなわちｘ−ｙ−ｚ軸の各方向のうちのｚ軸方向とされる（ステップＳ１０１）。換言すると、ここでは、前記法線ベクトルＶをｚ軸方向とする三次元座標系が決定される。なお、本実施形態では、接触子１３の押圧方向となる軸線方向がｚ軸方向に一致するように設定されている。

以上の初期設定が完了した後、医師（手術者）は、図１に示されるように、患者の体表部分Ｂに穴を開け、当該穴から接触子１３を挿入し、予め撮像した前記画像データを参考にしながら、癌細胞Ｃの上方位置となる臓器Ｚの表面に接触子１３の先端を接触させる。これと前後して、医師によって、患者の体表部分Ｂに開けられた他の穴から、撮像装置１２、及び先端にメス等が設けられた術具４０が体腔内に挿入される。そして、癌組織Ｃに対する処置の前に、図示しないスイッチが投入され、移動装置１５が動作して接触子１３を使ったトラッキングが開始される（ステップＳ１０２）。つまり、駆動手段３０の駆動によって、接触子１３が臓器Ｚの表面部分に対し一定の大きさの力で押圧する。このとき、力センサ２５により、臓器Ｚから接触子１３に作用する反力が測定され、力検出部３３で、先に決定されたｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向それぞれに対する反力の大きさが求められる（ステップＳ１０３）。そして、位置判定部３４では、力検出部３３で求められた各軸方向の反力の大きさに基づき、接触子１３が押圧している部分が特徴点Ｐ上であるか否かが判定される（ステップＳ１０４）。

ここで、図３に示されるように、接触子１３が特徴点Ｐ上を押圧していると、当該接触子１３に対して受ける反力Ｆの方向は、前記初期設定時に、特徴点Ｐの接平面Ｓの法線ベクトルＶの方向をｚ軸方向と定義したことから、ｚ軸方向に一致することになる。つまり、このときは、力検出部３３で検出されたｚ軸方向の力Ｆｚの大きさが反力Ｆの大きさに等しくなり、ｘ軸方向の力Ｆｘとｙ軸方向の力Ｆｙの力の大きさは共にゼロになる筈である。

一方、図４に示されるように、接触子１３が特徴点Ｐ上からずれた位置を押圧していると、同図中（Ａ）に示されるように、反力Ｆの方向は、押圧部分の接平面に対して直交する方向となるため、ｚ軸方向に一致せずに、反力Ｆに対する分力として、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚが力検出部３３で検出される筈である。

従って、位置判定部３４では、力検出部３３で検出されたｘ軸方向の力Ｆｘ及びｙ軸方向の力Ｆｙの大きさによって、接触子１３が押圧している臓器Ｚの表面部分が、特徴点Ｐ上であるか否かが判定される。具体的に、ｘ軸方向の力Ｆｘ及びｙ軸方向の力Ｆｙが予め設定された閾値以下の場合は、接触子１３が特徴点Ｐ上を押圧していると判定される。その一方で、ｘ軸方向の力Ｆｘ及びｙ軸方向の力Ｆｙが前記閾値を超える場合は、接触子１３が特徴点Ｐ上を押圧していないと判定される。なお、ここでは、前記閾値をゼロにせずに、機器の誤差等を考慮して微小となる所定値を閾値としているが、前記閾値をゼロにすることも可能である。

以上により、位置判定部３４で、接触子１３が特徴点Ｐ上を押圧していないと判定されると、制御部３５により、前記駆動手段３０を駆動制御し、力検出部３３で検出されたｘ軸方向の力Ｆｘ及びｙ軸方向の力Ｆｙを相殺するように、接触子１３を横方向（図４中Ａ方向）に移動させる（ステップＳ１０５）。すなわち、前記ｘ軸方向の力Ｆｘ及びｙ軸方向の力Ｆｙに対して反対方向の力が発生するように、力検出部３３で検出された力Ｆｘ，Ｆｙにそれぞれ所定のゲインを乗じた大きさの力で接触子１３を移動させる。なお、以上の閾値やゲインは、対象となる臓器Ｚや生体組織の硬さや癌細胞Ｃの形状等に応じて適宜決定される。

更に、接触子１３が移動した後で、再度、前述した手順が行われる。すなわち、力検出部３３で各軸方向の反力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚが検出され、位置判定部３４で、当該反力の大きさ及び方向から接触子１３が押圧している部分が特徴点Ｐか否かが判定される（ステップＳ１０３、Ｓ１０４）。

そして、位置判定部３４で、接触子１３が特徴点Ｐ上を押圧していると判定されると、接触子１３の横方向の移動を停止する（ステップＳ１０６）。この際、一定時間毎に、力検出部３３で検出された反力の大きさに基づき、位置判定部３４での判定を行うことで、接触子１３が特徴点Ｐ上から位置ずれしていないか否かを確認しながら、接触子１３が特徴点Ｐ上を押圧しているときに、画像処理装置２０で、特徴点Ｐの位置情報に基づく次の画像処理が行われる（ステップＳ１０７）。

すなわち、画像処理装置２０により、撮像装置１２で撮像された臓器Ｚの画像に対し、位置判定部３４で特定された特徴点Ｐの座標から、図１に示されるように、臓器Ｚの画像上で相応する位置に癌細胞Ｃの存在を示すマークＭが付加され、当該マークＭを重畳させた臓器Ｚの画像がモニタ２２に呈示される。具体的に、ここでは、撮像装置１２で撮像されたカメラ中心の位置が当該撮像装置１２の位置や姿勢をセンシングする図示しないセンサに基づいて求められ、カメラ中心の座標及び特徴点Ｐの座標を統一した座標系に変換した後で、特徴点Ｐの座標を画像の座標系に変換し、特徴点Ｐを示すマークＭを撮像装置１２で撮像された画像の該当する位置に重ね合わせる処理が行われる。

従って、このような実施形態によれば、簡単な構成で癌細胞Ｃの特徴点Ｐの位置を把握することができ、手術中に臓器Ｚが移動、変形することで特徴点Ｐの位置がずれても、当該特徴点Ｐの位置を確実に追跡して、その位置をモニタ２２上に表示できるという効果を得る。また、装置構成や処理手順が簡単であるため、特徴点Ｐの判定処理を迅速に行うことができ、癌細胞Ｃの位置を特定しながら当該癌細胞Ｃを処置する手術をスムーズに行うことができる。

なお、前記実施形態の変形例として、図５に示されるように、術具４０を遠隔操作可能なマスタースレーブ方式の手術ロボットシステム５０に対し、本発明を適用することも可能である。

すなわち、前記手術ロボットシステム５０は、術具４０を保持した状態で動作可能なロボットアーム５２と、当該ロボットアーム５２を動作させるモータ等の駆動装置５３と、ロボットアーム５２を遠隔操作する操作装置５５と、操作装置５５による操作に基づいて駆動装置５３を制御する制御装置５７とを備えている。

この制御装置５７では、前記位置判定部３４で接触子１３が特徴点Ｐ上にないと判定されると、癌細胞Ｃ全体の位置がずれたと判断して、術具５２を臓器Ｚの表面から離し、前記ステップＳ１０５で行われた接触子１３の移動に追従して術具４０を移動させる補正制御が行われる。

なお、本発明は、癌組織Ｃの位置の特定に限らず、生体組織中の他の病変部位の位置の特定に利用することも可能である。

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。

本実施形態に係る病変部位の位置特定システムの概略構成図。 前記位置特定システムでの処理手順を示すフローチャート。 接触子が特徴点上を押圧しているときの状態を概念的に示した概略断面図。 （Ａ）は、接触子が特徴点上を押圧していないときの状態を概念的に示した概略断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）を上方から見た概略図である。 本実施形態の変形例に係る病変部位の位置特定システムの概略構成図。

符号の説明

１０ 位置特定システム
１２ 撮像装置
１３ 接触子
１５ 移動装置
１７ 判定装置
２０ 画像処理装置
２５ 力センサ
４０ 術具
５２ ロボットアーム
５３ 駆動装置
５５ 操作装置
５７ 制御装置
Ｃ 癌組織（病変部位）
Ｍ マーク
Ｐ 特徴点
Ｓ 接平面
Ｖ 法線ベクトル
Ｚ 臓器（生体組織）

Claims (4)

1. 病変部位を含む生体組織に所定の押圧力を付与する接触子と、当該接触子の押圧による前記生体組織からの直交三軸方向の反力を測定可能な力センサと、当該力センサで測定された反力の大きさ及び方向に基づいて、前記接触子が前記病変部位の特徴点上に存在するか否かを判定する判定装置とを備え、
   前記判定装置は、予め設定した前記特徴点の接平面に対する法線ベクトルを求め、当該法線ベクトルの方向を前記直交三軸方向の一方向とし、前記力センサの測定により、前記直交三軸方向の残り二方向の反力が所定の閾値以下である場合に、前記接触子が前記特徴点上に存在すると判定する一方、前記残り二方向の反力の少なくとも何れかが前記閾値を超える場合に、前記接触子が前記特徴点上に存在しないと判定することを特徴とする病変部位の位置特定システム。
2. 前記接触子は、前記判定装置での判定結果に応じて動作が制御される移動装置によって移動可能に保持され、
   前記移動装置は、前記判定装置で前記接触子が前記特徴点上に存在しないと判定されたときに、前記残り二方向の反力を相殺する方向に前記接触子を移動させることを特徴とする請求項１記載の病変部位の位置特定システム。
3. 前記生体組織を撮像可能な撮像装置と、当該撮像装置から取得した画像を処理する画像処理装置とを更に備え、
   前記画像処理装置は、前記判定装置で前記接触子が前記特徴点上に存在すると判定されたときに、前記接触子及び前記撮像装置の各位置に基づき、前記画像中の生体組織に対し、相応する位置に前記病変部分の存在を示すマークを付加することを特徴とする請求項１又は２記載の病変部位の位置特定システム。
4. 所定の術具を移動可能に動作するロボットアームと、このロボットアームを駆動させる駆動装置と、前記ロボットアームの動作を指令する操作装置と、前記操作装置からの指令に基づいて前記駆動装置の駆動を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記判定装置で前記接触子が前記特徴点上に存在しないと判定されたときに、前記接触子の移動に追従して前記術具を移動させる補正制御を行うことを特徴とする請求項２記載の病変部位の位置特定システム。

Images