JP5614980B2 - トロカー位置設定用模擬術具位置設定装置 - Google Patents

Description

本発明は、バーチャルリアリティ（ＶＲ）を応用した腹腔鏡下手術シミュレータにおいて位置調整機能を持たせた模擬術具位置設定装置に関するものである。

腹腔鏡下手術では、カメラや術具を、体表に設置されたトロカーポートと呼ばれる穴から挿入する。このトロカーポートの位置は、術式や医師により異なる。カメラや術具を、腹部のどの位置から挿入することが適切かを事前に知ることで、手術の安全性や効率を向上することになる。

腹腔鏡下手術は、３次元のものを２次元の画像表示装置を見ながら操作するので、その習得にはトレーニングが不可欠である。実際の腹腔鏡手術では患者毎に血管の本数や走行、臓器の位置関係、例えば腫瘍の位置や大きさが異なり、それぞれに対応した手術が要求される。
術前のシミュレーションを可能とするため、個々の患者の画像情報をもとにシミュレータが考えられる。
ＶＲを応用した腹腔鏡下手術シミュレータにおいて、患者固有の患部データを、ＣＴ、ＭＲＩなどの医用画像から生成することで、カメラ、術具の挿入位置を３次元コンピュータグラフィックスを用いたシミュレーション画像で確認可能である。これをトロカーシミュレーションと呼ぶ。

図２（ａ）は、ＶＲ手術シミュレータの構成を説明する一例の図であり、２０１はモニタ、２０２は模擬術具を構成する鉗子、２０３は模擬術具を構成する模擬腹腔鏡（カメラ）、２０４は模擬術具を構成する鉗子、２０５は電子計算機、２０６は撮像データ格納部、２０７はセグメンテーション部、２０８は３次元ボリュームデータ記録部、２０９は画像生成手段、である。図２（ｂ）は電子計算機２０５と外部装置との関係を説明する図である。図３は従来の模擬術具装置を説明する図であり、術具組立装置３０１に固定して設けられたポート３０２により術具２０２，カメラ２０３が備えられている。
撮像データ格納部２０６には生体を例えばＣＴ又はＭＲＩで所定の間隔で撮像した撮像データを格納しておく。セグメンテーション部２０７は前記撮像データ格納部２０６から撮像データを読み出し、所定の臓器を抽出し、臓器ごとに積層して、３次元ボリュームデータを構築する。３次元ボリュームデータ記録部２０８はセグメンテーション部２０７が構築した３次元ボリュームデータを記録する。
画像生成手段２０９は３次元ボリュームデータ記録部２０８に記録した３次元ボリュームデータを読み出して仮定した視点から生体を見るように画像を生成する。モニタ２０１は画像生成手段２０９が生成した画像を画面に表示する。
撮像技術者は、手術を受けようとする患者の生体をＣＴ又はＭＲＩで所定の間隔で撮像し、その撮像データを撮像データ格納部２０６に格納しておく。患者の生体には患部を含む。
次に、操作者は、セグメンテーション部２０７を機能させる。電子計算機２０５は撮像データ格納部２０６より撮像データを読み出し、所定の臓器を選択し、当該臓器の画像を抽出する。セグメンテーション部２０７は抽出された各臓器を積層することにより、当該臓器について３次元ボリュームデータを構築する。セグメンテーション部２０７はこの処理を所定の臓器分行う。３次元ボリュームデータに構築された各臓器の画像は、３次元ボリュームデータ記録部２０８に格納される。
次に、操作者は、画像生成手段２０９を機能させる。電子計算機２０５は３次元ボリュームデータ記録部２０８に記録した手術対象を含む各臓器の３次元ボリュームデータを読み出して模擬腹腔鏡２０３が体内を撮像したように画像生成部２０９において画像生成するとともに、力覚装置２１０、模擬運動演算部は鉗子２０２、２０４及び図示しないメスの運動及びそれに伴う臓器の位置・姿勢変化運動並びにこれらに生ずる反力を計算して、それらを画像生成に反映させるとともに、模擬術具の操作反力にも反映させる。モニタ２０１は、これらの状況を表示する。このとき、生体の内部臓器が、患者の皮膚に覆われて見えない状態又は皮膚が透過して見える状態等、必要に応じた画像を生成させ、これを表示するようにする。

電子計算機２０５は患者の体内を撮像した医用画像から３次元コンピュータグラフィックスを用いたシミュレーション画像を生成していたが、図３に示すように、模擬術具の腹腔鏡カメラ、鉗子、メス等の術具の位置は、固定されており、位置姿勢の調整ができないものとなっていた。従って、仮想空間でカメラ、術具の挿入位置を変更した場合、模擬術具装置の操作とＶＲ映像との間に差異が出るため、術具操作が困難なものとなっていた。

特開２００８−２９２５３４号公報

解決しようとする問題点は、コンピュータグラフィックスによる腹腔鏡下手術シミュレーションにおける模擬術具装置の位置の調整機能を持たせることで、トロカーシミュレーションにより得た適切な術具位置での術前訓練を可能とし、訓練精度を向上すること、模擬術具操作と、映像内の術具の動き（姿勢）を一致させ、操作感覚を向上させる点である。

上記課題を解決するため請求項１に係るトロカー位置設定用模擬術具位置設定装置は、コンピュータグラフィックスを用いた術前シミュレーションに際して、体表に設定したトロカーポート位置に対応して、術具装置の位置を設定する模擬術具位置設定装置であって、模擬術具位置設定装置はポート板を備え、トロカーポート位置を模擬して前記ポート板に模擬術具を固定するための複数の穴を設け、前記各穴が少なくとも１の他の何れかの穴に連結する間隙を備えて前記模擬術具が複数の穴間を移動可能としたことを特徴とするものである。

請求項２に係るトロカー位置設定用模擬術具位置設定装置は、請求項１記載の装置であって、ポート板に曲面を持たせたことを特徴とするものである。

請求項３に係るトロカー位置設定用模擬術具位置設定装置は、コンピュータグラフィックスを用いた術前シミュレーションに際して、体表に設定したトロカーポート位置に対応して、術具装置の位置を設定する模擬術具位置設定装置であって、左右端に縦方向に平行に配置し又は上下端に横方向に平行に配置し、長さ方向に溝を備えた枠用レール部材と、前記枠用レール部材の溝に両端部が嵌り移動するとともにポート用溝を備えてポート部材が移動可能とするポート用部材とを備えたことを特徴とするものである。

請求項１に係るトロカー位置設定用模擬術具位置設定装置によると、模擬術具をポート板に設けた複数の穴の任意位置に移動することができ、トロカーシミュレーションにより得た適切な術具位置での術前訓練を可能となり、訓練精度を向上することができ、模擬術具操作と、映像内の術具の動き（姿勢）を一致させ、操作感覚を向上させることができる。

請求項２に係るトロカー位置設定用模擬術具位置設定装置によると、ポート板の形状を、実際の体表に近似的に一致させることができる。

請求項３に係るトロカー位置設定用模擬術具位置設定装置によると、模擬術具を枠用レール部材と、ポート用部材に配置して、連続的に移動することができ、トロカーシミュレーションにより得た適切な術具位置での術前訓練を可能となり、訓練精度を向上することができ、模擬術具操作と、映像内の術具の動き（姿勢）を一致させ、操作感覚を向上させることができる。

図１は、本発明装置の第１の実施例を説明する図であって、図１（ａ）は平面図及び図１（ｂ）は使用状態を示す外観図であり、一部側面を透過させてある。図１において、１０１はポート板、１０２は穴で構成するポート、１０３はポートを連結する間隙、１０４ａ，１０４ｂは術具、１０５はカメラ、１０６は術具組立装置である。ポート１０２と間隙１０３は黒く塗りつぶしているが、これはポート板１０１とポート１０２及び間隙１０３との区別を容易にするためのものであり、例えば術具組立装置１０６内部の暗部を示唆するものである。
ポート板１０１は金属或いは合成樹脂の平面板で形成する。ポート板１０１にはポート１０２を所定数例えば縦横で５×５ずつ設ける。ポート１０２は術具１０４ａ，１０４ｂに配置した後述する固定具を固定する。円形穴のポート１０２は間隙１０３により少なくとも互いに１つずつ連結され、１つのポート１０２に固定された術具は固定具を外して他のいずれのポート１０２にも移動可能になっている。
ポート板１０１は術具組立装置１０６の前面と上面にかけて斜面を形成するように配置される。この斜面は、実際の手術における術具の姿勢を考慮した傾斜となっている。
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は術具１０４（１０４ａ，１０４ｂ等）をポート１０２に固定する機構を説明する図である。４０１は術具１０４ａ（１０４ｂ）のシャフトを通す金属管、４０２はゴム管であり、金属管４０１を挿入できるように中心に穴が開き、下部がポート１０２の径に合わせて固定するようにし、上部がポート１０２の径より大きくしてポート板１０１の面に止められるようにしたゴム管である。ゴム管４０２の下部をポート１０２から外して、術具１０４をゴム管４０２、金属管４０１とともに手動により間隙１０３を移動させて任意のポート１０２に移動させることができる。ゴム管４０２の下部をポート１０２に挿入してポート位置ロック状態とする（図４（ｂ））。ゴム管４０２は図４（ｃ）に示すように、動作角度が得られる程度に柔軟な素材により形成する。
図５（ａ），（ｂ）は、図１に示した実施例の応用例であって、ポート板１０１の形状を曲面で形成し、術組立装置１０６の上部に配置し、実際の体表の形状に近似的に一致させている。ゴム管４０２はその柔軟性によりポート板１０１の曲面によりポート１０２の係合に影響を受けず、図１のものと同様のトロカー位置設定用模擬術具装置を得ることができる。図１に示したものと同様に、ポート１０２と間隙１０３は黒く塗りつぶしているが、これはポート板１０１とポート１０２及び間隙１０３との区別を容易にするためのものであり、例えば術具組立装置１０６内部の暗部を示唆するものである。
図２により説明したＶＲ手術シミュレータにおいて、カメラ、鉗子等の位置の調整機能を図１、図５により説明したトロカー位置設定用模擬術具装置で実現し、トロカーシミュレーションにより得た適切な術具位置での術前訓練を可能とし、訓練の精度を向上することかできる。さらに、模擬術具の操作と、映像内の術具の動き（姿勢）を一致させ、操作感覚を向上させることができる。

図６は、本発明装置の第２の実施例を説明する図であって、図６（ａ）は平面図及び図６（ｂ）は使用状態を示す外観図であり、一部側面を透過させてある。図６において、６０１ａ，６０１ｂは枠用レール部材、６０２はポート用部材、６０２ａはボルト、６０３はポート用溝、６０４はポート部材、６０５は術具組立装置である。
枠用レール部材６０１ａ，６０１ｂは縦方向に平行に配置され、長さ方向に溝６０１ｃ，６０１ｄを備える。
ポート用部材６０２は、その長さが前記２つの枠用レール部材６０１ａ，６０１ｂの配置間隔の長さに形成され、長さ方向にポート用溝６０３を備える。ポート用部材６０２の両端部に締め付け具例えばボルト６０２ａとナットを備える。ボルト６０２ａを枠用レール部材６０１ａ，６０１ｂの溝６０１ｃ，６０１ｄに挿入し、ボルト６０２ａとナットを緩めた状態でポート用部材６０２を縦方向すなわち溝６０１ｃ，６０１ｄ内を移動させることができる。ポート用部材６０２を任意の位置に移動して、締めたボルト６０２ａとナットは、枠用レール部材６０１ａ，６０１ｂにポート用部材６０２を挟んで固定する。
ポート部材６０４は、図示しない術具のシャフトを通すように中心に穴を開けたボルト状の器具であり、ボルト部分をポート用部材６０２に設けたポート用溝６０３に挿入される。ポート部材６０４のボルト状のネジ部分に嵌るナットを緩めた状態でポート部材６０４をポート用溝６０３内を移動させることができる。ポート部材６０４を任意の位置に移動して、ポート部材６０４に嵌るナットを締めると、ポート用部材６０２にポート部材６０４を固定することができる。
実施例では、枠用レール部材６０１ａ，６０１ｂを縦方向に平行に配置したものを説明したが、図６のものを例えば９０度回転させた状態のものとして、枠用レール部材６０１ａ，６０１ｂを横方向に平行に配置し、この枠用レール部材６０１ａ，６０１ｂを上下端にしてポート用部材６０２を横方向に平行に配置するようにしてもよい。
図２により説明したＶＲ手術シミュレータにおいて、カメラ、鉗子等の位置の調整機能を図６により説明したトロカー位置設定用模擬術具装置で実現し、トロカーシミュレーションにより得た適切な術具位置での術前訓練を可能とし、訓練の精度を向上することかできる。さらに、模擬術具の操作と、映像内の術具の動き（姿勢）を一致させ、操作感覚を向上させることができる。

図７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、本発明装置の第３の実施例を説明する図であって、図７において、７０１は模擬胴体、７０２はポートである。模擬胴体７０１は体表に覆われた人体の一部を模擬し、複数のポート７０２がその所定の位置に設けられる。
図７（ａ）は側臥位左側の状態、図７（ｂ）は仰向け状態、図７（ｃ）は模擬胴体７０１を手術台７０３に載せた状態の斜視図、図７（ｄ）は手術台７０３内部を透過させ模擬術具７０４の状態を示す正面図、図７（ｅ）は平面状態の図である。
模擬胴体７０１は合成樹脂で形成し、その形成時にポート７０２が配置される。ポート７０２は術具が挿入しても変形しにくいように、模擬胴体７０１よりも硬質の合成樹脂又は金属管により形成する。また、模擬胴体７０１を仰向けだけでなく、左又は右の側臥位の状態で手術模擬ができるように、各状態の模擬胴体７０１を用意する。
図２により説明したＶＲ手術シミュレータにおいて、カメラ、鉗子等の位置の調整機能を図７により説明したトロカー位置設定用模擬術具装置で実現し、トロカーシミュレーションにより得た適切な術具位置での術前訓練を可能とし、訓練の精度を向上することかできる。さらに、模擬術具の操作と、映像内の術具の動き（姿勢）を一致させ、操作感覚を向上させることができる。

図８は、本発明装置の第４の実施例を説明する図であって、図８において、８０１は模擬胴体、８０２は模擬胴体８０１の基本体型の部分を模擬した体格部、８０３は模擬胴体８０１の体表であり体格部８０２を覆う人工皮膚である。
図８（ａ）は体格部８０２に人工皮膚を張ることを説明する図、図８（ｂ）は模擬胴体８０１を手術台８０４に載せた状態の斜視図、図８（ｃ）は側臥位左側の状態、図８（ｄ）は俯せ状態、図８（ｅ）は手術台８０４内部を透過させ模擬術具８０５の状態を示す正面図、図８（ｆ）は平面状態の図である。
体格部８０２は発泡スチロール等の合成樹脂により形成し、その表面を人工皮膚８０３で覆って、模擬胴体８０１を形成する。人工皮膚８０３は柔らかい合成樹脂シートで形成する。
人工皮膚８０３及び体格部８０２はいずれも柔らかい合成樹脂で形成しているから、実際のトロカーを挿入することが可能となっていて、任意の箇所にポートを開けることができる。シミュレーションでは、一度、ポートを設定してから、他のポートに移るときは、術具に接続している模擬胴体８０１の下方に位置するシミュレーション装置の機器（例えば、術具の移動の運動による模擬臓器による反力を呈示する力覚呈示装置）を一旦取り外してから新たなポート位置のトロカーに挿入した術具に前記機器を接続する。
図２により説明したＶＲ手術シミュレータにおいて、カメラ、鉗子等の位置の調整機能を図８により説明したトロカー位置設定用模擬術具装置で実現し、トロカーシミュレーションにより得た適切な術具位置での術前訓練を可能とし、訓練の精度を向上することかできる。さらに、模擬術具の操作と、映像内の術具の動き（姿勢）を一致させ、操作感覚を向上させることができる。

トロカー位置設定用模擬術具装置を説明する図である。（実施例１） ＶＲ手術シミュレータの構成を説明する図である。 従来の模擬術具装置を説明する図である。 術具をポートに固定する機構を説明する図である。 トロカー位置設定用模擬術具装置を説明する図である。（実施例１の応用） トロカー位置設定用模擬術具装置を説明する図である。（実施例２） トロカー位置設定用模擬術具装置を説明する図である。（実施例３） トロカー位置設定用模擬術具装置を説明する図である。（実施例４）

１０１ ポート板、
１０２ ポート、
１０３ 間隙、
１０４ａ，１０４ｂ 術具、
１０５ カメラ、
１０６ 術具組立装置

Claims (3)

1. コンピュータグラフィックスを用いた術前シミュレーションに際して、体表に設定したトロカーポート位置に対応して、術具装置の位置を設定する模擬術具位置設定装置であって、
   模擬術具位置設定装置はポート板を備え、トロカーポート位置を模擬して前記ポート板に模擬術具を固定するための複数の穴を設け、
   前記各穴が少なくとも１の他の何れかの穴に連結する間隙を備えて前記模擬術具が複数の穴間を移動可能としたことを特徴とするトロカー位置設定用模擬術具位置設定装置。
2. ポート板に曲面を持たせたことを特徴とする請求項１記載のトロカー位置設定用模擬術具位置設定装置。
3. コンピュータグラフィックスを用いた術前シミュレーションに際して、体表に設定したトロカーポート位置に対応して、術具装置の位置を設定する模擬術具位置設定装置であって、
   左右端に縦方向に平行に配置し又は上下端に横方向に平行に配置し、長さ方向に溝を備えた枠用レール部材と、前記枠用レール部材の溝に両端部が嵌り移動するとともにポート用溝を備えてポート部材が移動可能とするポート用部材とを備えたことを特徴とするトロカー位置設定用模擬術具位置設定装置。