JP5785214B2 - 型、手術支援セット、手術支援装置、手術支援方法および手術支援プログラム - Google Patents

Description

本発明は、臓器の手術において、臓器に処置が施される処置位置を案内して手術を支援するための型、手術支援セット、手術支援装置、方法及びプログラムに関するものである。

患者の臓器の一部の切除などの手術を行う場合には、手術前に画像診断によって臓器の形状や病変部の位置を確認して、医師らが病変部を含むように臓器の切除部分を決定することが行われている。そして、決定された切除部分に基づいて、医師らは切除などの処置が行われるべき臓器表面の処置部を適切に把握して、処置部から切除などの処置をすることが求められる。

このような処置部を把握容易にするために、特許文献１、２には、手術において骨の特徴部分に係合可能であり、骨の切除ラインをスリットとする骨テンプレートが提案されている。また、特許文献３には、超音波装置による観察用の開口部と、切開部分に対応する位置に設けられた開口部とを備えた、手術対象部分（乳房）を安定的に支持する装置が開示されており、装置の開口部分において乳房が切開され、この切開部分から乳房内に超音波トランスデューサーが挿入されて患部が観察されることを開示している。また、特許文献４には、外科的な処置位置を示す、透明フィルムを開示している。

特開２０１１−１７２９７７号公報 特開２０１１−５１７５７９号公報 特開２０００−１５７５５４号公報 特開２００５−５２１４６０号公報

しかしながら、特許文献１、２および４に記載された技術は、例えば、肝臓などのような臓器においては、臓器の外見的な特徴だけでは臓器のテンプレートや透明フィルムをどこに配置してよいか分かりにくいという問題がある。また、特許文献３に記載された技術は、手術対象部分である乳房を装置に密着させるように変形させて安定化させ、乳房の切開部を介して処置具を挿入して乳房内部を部分的に切除するための技術であって、病変部の位置や処置目的に応じて異なる位置に設定される臓器表面の処置部を把握可能に示す型を臓器の適切な位置に配置したいという要求に応えるものではない。

本発明は上記事情に鑑みて、臓器表面の処置部を示す型を臓器上の適切な位置に位置決めすることを支援する型、手術支援セット、手術支援装置、方法およびプログラムを提供することを目的とするものである。

本発明の手術支援装置は、患者の臓器を表す３次元画像を取得する画像取得部と、３次元画像から臓器を抽出する臓器抽出部と、臓器に対する所望の処置が施される臓器表面の処置部を取得する処置部取得部と、抽出された臓器と取得された処置部に基づいて、外表面と、臓器の外表面に沿った表面形状を有する内表面と、処置部に沿って外表面から内表面をつなぐ案内壁と、臓器上の処置部に沿って案内壁が配置された場合に、臓器の目標部を含む臓器断面の断層画像を撮像可能に所定の撮像プローブを位置決めする位置決め部とを備えた型モデルを生成する型モデル生成部とを備える。

本発明の手術支援方法は、手術支援装置に実行させる手術支援方法であって、患者の臓器を表す３次元画像を取得する画像取得ステップと、３次元画像から臓器を抽出する臓器抽出ステップと、臓器に対する所望の処置が施される臓器表面の処置部を取得する処置部取得ステップと、抽出された臓器と取得された処置部に基づいて、外表面と、臓器の外表面に沿った表面形状を有する内表面と、処置部に沿って外表面から内表面をつなぐ案内壁と、臓器上の処置部に沿って案内壁が配置された場合に、臓器の目標部を含む臓器断面の断層画像を撮像可能に所定の撮像プローブを位置決めする位置決め部とを備えた型モデルを生成する型モデル生成ステップとを有する。

本発明の手術支援プログラムは、コンピュータを、患者の臓器を表す３次元画像を取得する画像取得部と、３次元画像から臓器を抽出する臓器抽出部と、臓器に対する所望の処置が施される臓器表面の処置部を取得する処置部取得部と、抽出された臓器と取得された処置部に基づいて、外表面と、臓器の外表面に沿った表面形状を有する内表面と、処置部に沿って外表面から内表面をつなぐ案内壁と、臓器上の処置部に沿って案内壁が配置された場合に、臓器の目標部を含む臓器断面の断層画像を撮像可能に所定の撮像プローブを位置決めする位置決め部とを備えた型モデルを生成する型モデル生成部として機能させる。

本発明の型は、外表面と、患者の臓器の外表面に沿った表面形状を有する内表面と、臓器に対する所望の処置が施される臓器表面の処置部に沿って外表面から内表面をつなぐ案内壁と、臓器上の処置部に沿って案内壁が配置された場合に、臓器の目標部を含む臓器断面を断層撮像可能に所定の撮像プローブを位置決めする位置決め部とを備える。

本発明の手術支援セットは、上記型と、目標部を含む患者の臓器断面の断層画像が視認可能に出力された参照画像と備えた手術支援セットであって、型は、臓器上の処置部に沿って案内壁が配置された場合に、位置決め部に位置決めされた撮像プローブが参照画像の表す臓器断面を断層撮像可能に位置決め部が構成されている。

上記「位置決め部」は、撮像プローブを位置決めできるように構成されていればよく、例えば、位置決め部を撮像プローブの外周と当接する壁を有するように構成してもよい。この場合に、位置決め部は、撮像プローブの外周と異なる角度を持って当接し、外表面から内表面をつなぐ壁を有するものであることが好ましい。ここで、壁が「撮像プローブの外周と異なる角度を持って当接し」とは、壁と撮像プローブの外周との接点のうちいずれか２つの接点において、これら２つの接点における接平面の法線が互いに異なる角度を有することを意味する。

また、上記「目標部」は、臓器に対する相対的な位置を把握可能な目印となる特徴部分であればよく、例えば、臓器内の血管の分岐点など解剖学的構造物の部分、病変領域、臓器の輪郭を目標部として用いることができる。

また、本発明において、位置決め部を、型の内表面と外表面を挿通し、撮像プローブを挿脱可能な孔とすることができる。この場合に、例えば、孔を撮像プローブの外周と略同形状に構成し、孔と撮像プローブの外周とが略密接状態になるようにして、撮像プローブを位置決め可能とすることが考えられる。

また、本発明の型モデル生成装置において、臓器の目標部を含む臓器断面の断層画像である参照画像を３次元画像から生成する画像生成部を更に備えることが好ましい。

また、本発明の型モデル生成装置において、複数の候補画像から参照画像を決定する参照画像決定部と、参照画像を表示装置に表示させる表示制御部とをさらに備え、画像生成部が、３次元画像に基づいて、それぞれ異なる臓器断面を表す断層画像である複数の候補画像をそれぞれ生成し、表示制御部が、生成された複数の候補画像を表示装置に表示させ、参照画像決定部が、表示された候補画像を参照画像として決定するユーザの指定を受け付けることにより、指定を受け付けた候補画像を参照画像として決定するようにしてもよい。

また、本発明の型モデル生成装置において、型モデルは、外表面から内表面まで挿通し、処置部の両側に設けられた案内壁を有する案内孔を有するものであってもよい。

また、本発明の型モデル生成装置において、型モデルは、案内壁が型モデルの辺縁に設けられていてもよい。

また、本発明の型モデル生成装置において、撮像プローブを超音波プローブとしてもよい。

本発明の型によれば、外表面と、患者の臓器の外表面に沿った表面形状を有する内表面と、臓器に対する所望の処置が施される臓器表面の処置部に沿って外表面から内表面をつなぐ案内壁と、臓器上の処置部に沿って案内壁が配置された場合に、臓器の目標部を含む臓器断面を断層撮像可能に所定の撮像プローブを位置決めする位置決め部と備えている。このことにより、撮像プローブを位置決め部で位置決めした状態で、撮像プローブから撮影された断層画像が目標部を含む断層画像となるように、臓器表面上に型を配置することにより、臓器上の適切な位置に型を配置することが容易になる。

本発明の手術支援セットによれば、上記の型と、目標部を含む患者の臓器断面の断層画像が視認可能に出力された参照画像とを備え、型は、臓器上の処置部に沿って案内壁が配置された場合に、位置決め部に位置決めされた撮像プローブが参照画像の表す臓器断面を断層撮像可能に位置決め部が構成されている。このため、撮像プローブを位置決め部で位置決めした状態で、撮像プローブから撮影された断層画像が参照画像の表す臓器断層を表すように、臓器表面上に型を配置することにより、臓器上の適切な位置に型を配置することができる。

本発明の手術支援装置および手術支援方法並びに手術支援プログラムによれば、患者の臓器を表す３次元画像を取得し、３次元画像から臓器を抽出し、臓器に対する所望の処置が施される臓器表面の処置部を取得し、抽出された臓器と取得された処置部に基づいて、外表面と、臓器の外表面に沿った表面形状を有する内表面と、処置部に沿って外表面から内表面をつなぐ案内壁と、臓器上の処置部に沿って案内壁が配置された場合に、臓器の目標部を含む臓器断面の断層画像を撮像可能に所定の撮像プローブを位置決めする位置決め部とを備えた型モデルを生成するため、本発明の型のデータである型モデルを生成することができる。このため、生成された型モデルに基づいて、本発明の型を出力することができる。

本発明の一実施形態における手術支援装置の概略構成を示す図 本発明の一実施形態における型の一例を示す図 本発明の一実施形態における型の変形例を示す図 本発明の一実施形態における手術支援セットの一例を示す図 本発明の一実施形態における手術支援処理の流れを示すフローチャート（その１） 本発明の一実施形態における手術支援処理の流れを示すフローチャート（その２） 本発明の一実施形態における切除領域決定処理を説明する図 本発明の一実施形態における決定された切除領域を示す図 本発明の一実施形態の参照画像の決定方法を説明する図（その１） 本発明の一実施形態の参照画像の決定方法を説明する図（その２） 本発明の一実施形態の型モデルの生成処理を説明する図（その１） 本発明の一実施形態の型モデルの生成処理を説明する図（その２）

以下、本発明の手術支援装置、手術支援方法および手術支援プログラム、型、手術セットの実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

以下に示す各実施形態において、手術支援装置１は、一台のコンピュータに、各実施形態の手術支援プログラムをインストールしたものである。コンピュータは、診断を行う医師が直接操作するワークステーションやパソコンでもよいし、もしくは、それらとネットワークを介して接続されたサーバコンピュータでもよい。手術支援プログラムは、ＤＶＤ，ＣＤ−ＲＯＭ等の記録メディアに格納されて配布され、その記録媒体からコンピュータにインストールされる。もしくは、ネットワークに接続されたサーバコンピュータの記憶装置、あるいはネットワークストレージに、外部からアクセス可能な状態で記憶され、要求に応じて医師が使用するコンピュータにダウンロードされ、インストールされる。

図１は、ワークステーションに手術支援プログラムをインストールすることにより実現された手術支援装置１の概略構成を示す図である。同図が示すように、手術支援装置１は、不図示のＣＰＵ、不図示のメモリを含む標準的なワークステーションの構成であり、ストレージ２を備えている。また、手術支援装置１には、ディスプレイ３と、マウス等の入力部４と、３次元形状データに基づいて樹脂や粉末から構成される３次元構造物を出力する３次元プリンタである３次元プリンタ８と、２次元データに基づいてシートに印刷内容を出力（印刷）するプリンタ９が接続されている。

ストレージ２には、３次元画像７として、ＣＴ（Computed Tomography）装置で患者の臓器を撮像して得られたボリュームデータ等が記憶されている。

また、メモリには、手術支援プログラムと手術支援プログラムが参照するデータ（処理パラメータ等）が記憶されている。手術支援プログラムは、ＣＰＵに実行させる処理として、画像取得処理、臓器領域抽出処理、病変領域抽出処理、構造物領域抽出処理、支配領域抽出処理、切除領域決定処理、参照画像決定処理、処置部取得処理、型モデル生成処理、型モデル生成処理、画像生成処理、出力処理および表示制御処理を規定している。そして、ＣＰＵがプログラムに従いこれらの処理を実行することで、汎用のワークステーションは、後述の画像取得部１１、臓器領域抽出部１２、病変領域抽出部１３、構造物領域抽出部１４、支配領域抽出部１５、切除領域決定部１６、参照画像決定部１７、処置部取得部１８、型モデル生成部２０、画像生成部１９、出力部２２および表示制御部２１として機能することになる。

まず、本実施形態の手術支援装置１により生成される型３０について説明する。図２Ａは、本実施形態の手術支援装置１により生成される型３０を示す図である。図２Ｂは、本実施形態の手術支援装置１により生成される型の変形例の型３０Ａを示す図である。なお図２Ｂに示す型３０Ａは、図２Ａにおける肝臓５上の破線Ｂに配置可能に構成されている。

本実施形態に係る型３０は、外表面３１と、臓器である肝臓５の外表面に沿った表面形状を有する内表面３２と、肝臓５の切除領域５６と非切除領域との境界であって、医師らによる切開が行われる肝臓表面の切除ラインである処置部５６Ａに沿って外表面３１から内表面３２をつなぐ案内壁３３と、臓器上の処置部５６Ａに沿って案内壁３３が配置された場合に（図２Ａ参照）、臓器の目標部Ａを含む臓器断面の断層画像を撮像可能に所定の撮像プローブ４０を位置決めする位置決め部３４とを備えている。

本実施形態に限定されず、様々な臓器について、本発明の型を生成して適用することができる。また、処置部５６Ａは、臓器表面上で臓器に対する物理的な作用を与える処置が施される部分であれば、線状部分であってもよく、点状部分であってもよく、閉曲線形状部分であってもよい。

本実施形態では、型３０は、外表面３１から内表面３２まで挿通し、処置部５６Ａの両側に設けられた案内壁３３Ａ、３３Ｂを有する案内孔３５を有している。このため、型３０を臓器に位置決めした際に、医師らは、案内壁３３によって処置部５６Ａを容易に把握できる。また、案内孔３５に沿って処置を施すことにより、より正確に処置部５６Ａを処置することができる。

また、案内壁３３は、処置部５６Ａに沿って設けられており、外表面３１から内表面３２をつなぐものであれば、処置部５６Ａの全域に沿って設けられてもよく、処置部５６Ａの部分に沿って設けられていてもよい。なお、本実施形態のように、処置部５６Ａが、型３０の案内孔３５より大きい場合などには、医師らは型３０を肝臓５上に配置して、案内孔３５に沿って処置部を部分的に処置してから、型３０を肝臓５上から取り除いて、処置部のうち処置された部分を目印として残りの処置を行ってもよい。また、医師らは型３０を肝臓５上に配置して、案内壁３３に沿って肝臓５上に処置部をマーキングし、型３０を肝臓５上から取り除いて、マーキングされた部分を処置してもよい。

また、案内壁３３が型の辺縁に設けられていてもよい。この場合には、案内壁３３によって、処置部５６Ａを容易に把握できる。また、案内壁３３に沿って処置を施すことにより、より正確に処置部５６Ａを処置することができる。図２Ｂに、案内壁３３が、型の辺縁に設けられた例を示す。

また、案内壁３３を識別可能に、案内壁３３に沿って、案内壁３３の近傍、または、案内壁３３上に、識別のための指標を付してもよい。図２Ｂでは、案内壁３３に沿って、外表面３１に帯状の着色部３３Ｃが設けられている。この場合には、ユーザがより案内壁３３を把握することができる。これに換えて、矢印や文字などの種々の指標や、色分けにより案内壁を識別可能に構成してもよい。

位置決め部３４は、案内壁３３を処置部５６Ａに沿って配置した場合に、肝臓５内の目標部Ａを含む臓器断面Ｃの断層画像を撮像可能に所定の撮像プローブ４０を位置決めするものである。

位置決め部３４は、撮像プローブ４０を位置決めできるように構成されていればよく、例えば、位置決め部３４を撮像プローブ４０の外周と当接する壁３４Ａを有するように構成することが好ましい。この場合には、撮像プローブ４０を壁３４Ａに当接させることにより、撮像プローブ４０を好適に位置決めすることができる。この効果を更に高めるために位置決め部３４は、撮像プローブ４０の外周と異なる角度を持って当接し、外表面から内表面をつなぐ壁３４Ａを有するものであることがより好ましい。図２Ａ、図２Ｂに示す例は、上記壁３４Ａを撮像プローブ４０の外周に少なくとも２方向から当接可能な壁３４Ａを有しているため、撮像プローブ４０をより好適に位置決めできる。ここで、壁が「撮像プローブの外周と異なる角度を持って当接し」とは、壁と撮像プローブの外周との接点のうちいずれか２つの接点において、これら２つの接点における接平面の法線が互いに異なる角度を有することを意味する。

図２Ａに示す型では、位置決め部３４は、型３０の内表面３２と外表面３１を挿通し、撮像プローブ４０である超音波プローブを挿脱可能な孔として構成されている。位置決め部３４を孔として構成する場合には、撮像プローブ４０が挿脱可能であればいかなるサイズの孔としてもよい。本実施形態のように、撮像プローブ４０の外周と孔を構成する壁が略密接状態になるように孔を構成した場合には、撮像プローブ４０をさらに好適に位置決めすることができる。

また、図２Ｂに示す型のように、位置決め部３４を、型の辺縁に設けて構成してもよい。この場合には、撮像プローブ４０の挿脱が容易である。また、図２Ｂは、位置決め部３４を、異なる角度を持って撮像プローブ４０の外周と当接する壁３４Ａを有する湾部として構成した例である。この場合には、撮像プローブ４０の挿脱が容易であり、撮像プローブ４０を好適に位置決めすることができる。

また、位置決め部３４を識別可能に、位置決め部３４または位置決め部３４の近傍に、位置決め部３４を示す指標を付してもよい。図２Ｂでは、位置決め部３４の案内壁３３Ａに沿って、外表面３１に帯状の着色部３４Ｂが設けられている。この場合には、ユーザがより撮像プローブ４０を配置すべき位置を容易に把握することができる。これに換えて、矢印や文字などの種々の指標や、色分けにより撮像プローブ４０を配置すべき位置を識別可能に構成してもよい。なお、位置決め部３４を、撮像プローブ４０に対して十分大きいサイズの孔や湾として構成した場合には、位置決め部３４の撮像プローブ４０を配置するべき位置を矢印や文字などの種々の指標や、色分けにより識別可能に構成することが好ましい。

また、図２Ａ、２Ｂに示すように、型３０の、位置決め部３４は、案内壁３３を処置部５６Ａに沿って配置した場合に、肝臓５内の血管６の分岐部である目標部Ａを含む臓器断面Ｃの断層画像を撮像可能な位置に設けられている。

また、上記「目標部」は、臓器に対する相対的な位置を把握可能な目印となる特徴部分であればよく、例えば、臓器５内の血管の分岐点など解剖学的構造物の部分、病変領域、臓器の輪郭を目標部として用いることができる。

また、位置決め部３４は、臓器上の処置部５６Ａに沿って案内壁３３が配置された場合に（図２Ａ参照）、臓器の目標部Ａを含む臓器断面Ｃの断層画像を撮像可能な位置であれば、任意の位置に所定の撮像プローブ４０を位置決めしてよい。位置決め部３４によって撮像プローブ４０が位置決めされる位置を、処置部５６Ａの近傍とした場合には、より正確に型３０を臓器の適切な位置に配置することができる。

また、撮像プローブ４０が位置決め部３４に位置決めされた際に、撮像プローブ４０によって撮像される目標部Ａを含む臓器断面Ｃは、予め、医師らが手術前に取得した患者の３次元画像７等で目標部Ａと処置部５６Ａの相対的な位置関係を確認しておくことが好ましい。

上記型３０（または型３０Ａ）によれば、撮像プローブ４０を位置決め部３４で位置決めした状態で、撮像プローブ４０から撮影された断層画像が目標部Ａを含む断層画像となるように、臓器表面上に型３０（または型３０Ａ）を配置することにより、案内壁３３が処置部５６Ａに沿って位置合わせされるため、臓器上の適切な位置に型３０（または型３０Ａ）を配置することができる。

特に、柔軟な組織からなる臓器や、表面上に十分な外形的な特徴がない臓器など、臓器の外形的な特徴からだけで型３０と臓器の位置合わせが難しい場合であっても、臓器中の特徴的な部分を目標部として臓器と型３０を位置合わせすることで、好適に臓器上の適切な位置に型３０（または型３０Ａ）を配置することができる。

また、上記効果を奏する範囲で、型３０に任意の変形を加えることができる。例えば、型３０の肝臓５を覆う面積を任意に設定してもよく、型３０の内表面が臓器の外表面と部分的に一致していれば、型３０の内表面が臓器の外表面と一致していない部分を有してもよい。また、例えば、型３０の内表面が臓器外表面と実質的に一致しているとみなせるものであれば、型３０の内表面に微小な凹凸を設けてもよい。また、型３０の外表面を任意の形状に設定してよい。また、臓器に複数の処置部がある場合には、複数の案内壁を設けてもよい。また、位置決め部３４とは別に撮像プローブ４０を挿脱可能な観察孔を設けてもよい。また、目標部Ａを互いに異なる方向から撮像可能な複数の位置決め部３４を設けてもよく、複数の目標部をそれぞれ撮像可能な複数の位置決め部３４を設けてもよい。また、型を任意の素材で構成することができる。型３０を透明または半透明な素材で構成した場合には、型を臓器上に配置しても、臓器の外観を確認できるため好ましい。

次に、本実施形態に係る手術支援セットについて説明する。図３は、本実施形態の手術支援セットを説明する図である。

手術支援セットは、型３０（図２Ａに示す型３０と共通）と、目標部Ａを含む患者の臓器断面Ｃの断層画像が視認可能に出力された参照画像３９Ａとを備え、型３０は、肝臓５上の処置部５６Ａに沿って案内壁３３が配置された場合に、位置決め部３４に位置決めされた撮像プローブ４０が参照画像３９Ａの表す臓器断面Ｃを断層撮像可能に位置決め部３４が構成されている。

上記型３０と参照画像３９Ａのセットによれば、図３に示すように、医師らは、手術用のワークステーションＷＳのディスプレイに表示した参照画像３９Ａの目標部Ａを含む臓器断面Ｃを確認しつつ、画像位置決め部３４に撮像プローブ４０を挿入した状態で、型３０を肝臓５上で移動して撮像プローブ４０で順次撮像して、撮像した画像ＵＳ（ここでは、超音波プローブによって撮像された２次元超音波画像）が、参照画像３９Ａに表される臓器断面Ｃを表す位置に型３０を位置合わせできる。参照画像３９Ａは、肝臓５上の処置部５６Ａに沿って案内壁３３が配置された場合に、位置決め部３４に位置決めされた撮像プローブ４０が撮像可能な臓器断面Ｃを表しているため、撮像プローブ４０で撮像された臓器断面Ｃと参照画像３９の表す臓器断面Ｃとが一致するように、型３０を肝臓５上に位置合わせすることにより、型３０を臓器上の適切な位置に配置することができる。

特に、柔軟な組織からなる臓器や、表面上に十分な外形的な特徴がない臓器など、臓器の外形的な特徴からだけで型３０と臓器の位置合わせが難しい場合であっても、臓器中の特徴的な部分を目標部Ａとして含む臓器断面Ｃを表す参照画像３９Ｄ（画像データ）を視認可能に出力した参照画像３９Ａと、撮像プローブ４０から撮像された画像とを比較して、臓器と型３０を位置合わせできるので、正確に臓器上の適切な位置に型３０（または型３０Ａ）を配置することができる。

なお、「視認可能に出力された」参照画像とは、ディスプレイに表示(出力)された参照画像またはシートに印刷された参照画像を意味する。上記手術支援セットにおいて、ディスプレイに表示された画像に換えて、シートに印刷された参照画像３９Ｂを備えてもよい。

図４Ａ、図４Ｂは、本実施形態の上記型３０のデータである型モデル３０Ｄと上記参照画像３９Ａのデータである参照画像３９Ｄを生成する処理である、手術支援処理の流れを説明するフローチャートである。図５Ａは、本実施形態の肝臓５の切除領域５６の決定処理を説明するための図である。図５Ｂ、決定された肝臓５の切除領域５６を示す図である。図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂを用いて、本実施形態による手術支援処理を以下に説明する。

まず、画像取得部１１は、選択メニューにおいて本実施形態による手術支援機能が選択されたことを検出すると、被検体のＩＤの一覧を表示する。手術支援装置１は、ユーザによる選択操作を検出すると、選択された被検体に関連する画像ファイルをメモリにロードする（Ｓ０１）。

ここでは、画像取得部１１は、手術対象の臓器である肝臓５を表すＸ線ＣＴ画像（ボリュームデータ）を処理対象の３次元画像７として取得する。ＣＴ画像に替えて、手術対象の臓器を表す３次元画像であれば、ＭＲＩ画像など周知の任意の画像を用いることができる。

次いで、臓器領域抽出部１２は、３次元画像７をメモリにロードすると、まず、その３次元画像７を対象に、臓器領域である肝臓５を抽出する（Ｓ０２）。そして、抽出された肝臓５は、表示制御部２１により、ディスプレイ３に表示される。

なお、臓器領域抽出部１２は、３次元画像７を構成する各ボクセルデータの値（ＣＴ値）について、肝臓の輪郭らしさを表す特徴量を算出し、算出した特徴量を機械学習により予め取得された評価関数に基づいて評価することで、そのボクセルの値が肝臓の輪郭を表すものであるか否かを判断する。そして、肝臓の輪郭を表すと判断されたボクセルに基づいて、肝臓の輪郭を取得する。また、臓器領域抽出部１２は、肝臓の輪郭を表すボクセルをマーチンキューブ法により処理することにより臓器の表面形状を示すサーフィスモデルを取得する。ここでいう臓器の表面形状を表すサーフィスモデルは、臓器の表面形状を、臓器の表面上に位置する複数の頂点を辺で結んだ複数の３角形により構成されるポリゴンとして定義したモデルである。また、臓器領域の抽出方法には、任意の方法を適用してよく、周知の方法により３次元画像から、直接サーフェスモデルを抽出する方法を用いてもよい。

次に、病変領域抽出部１３は、３次元画像７に含まれる肝臓５から病変領域５１を抽出する（Ｓ０３）。図５Ａに示すように、本実施形態では、選択メニューからユーザが病変領域入力モードの選択操作を行い、表示された３次元画像上の肝臓領域に含まれる病変領域５１を入力部４で指定する。病変領域抽出部１３は、かかるユーザの入力部４の操作を検出して、検出された領域を病変領域５１として抽出する。なお、病変領域検出に利用できる技術は、臓器に内包される病変を検出する技術であれば周知の種々の技術を適用できる。

一方、構造物領域抽出部１４は、３次元画像７から抽出された肝臓５を対象として、血管領域抽出処理を行って肝臓を支配する血管領域６を抽出する。（Ｓ０４）。なお、手術支援装置１は、Ｓ０３とＳ０４の順番を入れ替えて実行してもよく、並行して実行してもよい。

「臓器を支配する」とは、その臓器に対し酸素や栄養分を供給することにより、臓器の機能を正常に保つことを意味する。例えば、肝臓であれば血管、肺であれば気管支、脳であれば脳動脈が、臓器を支配する構造物に相当する。

次に、支配領域抽出部１５は、抽出された肝臓５と抽出された血管領域６に基づいて血管領域６を構成する各血管枝によって支配される支配領域をそれぞれ抽出する（Ｓ０５）。

ここでは、支配領域抽出部１５は、抽出された血管領域６の血管枝からなる木構造を構築する。そして、支配領域抽出部１５は、木構造を構成する複数の候補点を検出し、検出された複数の候補点の座標情報や、血管枝の方向を示すベクトル情報は、候補点や血管枝の識別子とともにメモリに記憶する。続いて、検出された候補点ごとに、周辺のボクセルの値（ＣＴ値）に基づき、血管経路に垂直な断面において、血管の輪郭（血管の外壁）を識別する。形状の識別は、Graph-Cutsに代表される公知のセグメンテーション手法を用いて行う。

そして、構築された血管領域６の血管枝からなる木構造と肝臓領域に基づいて、ボロノイ図（Voronoi diagram）を用いて、肝臓領域内の血管以外の領域（肝臓実質等）がどの血管の支配領域に属するかを特定する。なお、本実施形態における支配領域抽出部は、特開２００３−０３３３４９号公報の支配領域決定手法と同様の手法を用いている。また、本実施形態に限定されず、支配領域を決定できる方法であれば、他の種々の周知の方法を用いることができる。

次に、図５Ａに示すように、切除領域決定部１６は、ディスプレイ３に血管領域６を表示し、マウス等の入力部４によりユーザのマニュアル操作による血管上の指定位置（結紮されるべき位置）の指定を受付け、血管領域６の指定位置５５ａから病変領域５１を含む臓器部分側に延びる血管部分（血管部分領域５５）を取得する。そして、抽出された支配領域に基づいて、この血管部分領域５５により支配される、病変領域５１を含む臓器部分を切除領域５６として決定する（Ｓ０６）。なお、血管部分領域５５は、周知の種々の方法によって設定してよく、特開２００１−２８３１９１号のような周知の技術によって自動的に設定してもよい。

次に、画像生成部１９は、３次元画像７に基づいて、決定された切除領域５６を視認可能なように表示パラメータを設定して、図５Ｂに示すような、サーフィスレンダリング画像Ｉを生成する（Ｓ０７）。なお、ここでは、サーフィスレンダリング画像Ｉに換えて、Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置等から得られる３次元画像に基づいて、３次元画像中の解剖学的構造物や病変領域などの対象領域を投影面上に立体的に陰影付けして投影した画像であればいかなる画像を用いてもよい。例えば、サーフィスレンダリング画像Ｉに換えてボリュームレンダリング画像を用いてもよい。

図６Ａ、６Ｂに、参照画像３９Ｄ（参照画像の画像データ）を決定するための画面表示例を示す。切除領域５６が決定されると、本実施形態では、選択メニューからユーザが参照画像決定モードの選択操作を行い、図６Ａまたは図６Ｂに示すような、参照画像３９Ｄ（参照画像の画像データ）を決定するための画面が表示される。そして、表示制御部２１は、図６Ａに示すように、ディスプレイ３に、サーフィスレンダリング画像Ｉを表示させる（Ｓ０８）。また、表示制御部２１は、ディスプレイに、候補画像３８に含まれる点である候補位置ｔおよび候補画像３８の法線方向を受け付け可能に、サーフィスレンダリング画像Ｉ上に超音波プローブを表す指標である仮想プローブＥを表示させる。

図６Ａ、６Ｂにおいて、仮想プローブＥの四角錐形状の広い方の面（以下、仮想音響面）は、手術で用いられる超音波プローブの音響面（音響素子アレイが配置される面）の形状およびサイズを示している。

参照画像決定部１７は、ユーザが仮想プローブＥをマウス等の入力部４で回転または移動させる入力を受け付けて、仮想プローブＥの仮想音響面の中点を候補位置ｔとして取得する。また、参照画像決定部１７は、仮想プローブＥの仮想音響面の法線の向きを取得して、仮想音響面の法線の向きに基づいて、候補画像３８の法線の向きを取得する。

また、手術で用いられる超音波プローブの音響面の法線の向きを、超音波プローブによって撮像される撮像面の法線の向きに一致させるための相対回転量と相対回転方向が予め取得されているものとする。参照画像決定部１７は、仮想プローブの音響面の法線の向きを取得すると、取得した仮想音響面の法線の向きを、上記予め取得された相対回転方向に相対回転量、回転した方向を候補画像３８の法線の向きとして取得する。

画像生成部１９は、取得した候補位置ｔと候補画像３８の法線の向きに基づいて、３次元画像７から候補位置ｔを含む候補画像３８を生成する（Ｓ０９）。

表示制御部２１は、図６Ａに示すように、生成された候補画像３８をディスプレイ３に表示させる。また、表示制御部２１は、生成された候補画像３８を示す指標Ｐをサーフィスレンダリング画像Ｉ上に表示させる（Ｓ１０）。

続いて参照画像決定部１７は、ユーザによる表示された候補画像３８を参照画像３９Ｄとして決定する入力を受け付けるまで（Ｓ１１、Ｎ）、Ｓ０９からＳ１１の処理を繰り返す。

ここでは、ユーザは、処置部５６Ａの近傍に仮想プローブＥを位置させ、仮想プローブＥの向きを画面上で調整して、参照画像が目標部Ａである血管の分岐部を含むように候補画像３８を表示させ、マウス等の入力部４で候補画像３８をダブルクリックすることにより、表示された候補画像３８を参照画像３９Ｄとして決定する入力を行う。すると参照画像決定部１７は、この入力を受け付けて、候補画像３８を参照画像３９Ｄとして決定するとともに、候補画像３８の候補位置ｔを、撮像プローブ４０の音響面の中点が配置されるべき位置である参照画像３９Ｄの参照位置ｔ１として取得する。なお、目標部Ａを含む参照画像３９Ｄを生成する処理は、本実施形態のようにユーザ入力を受け付けて行ってもよく、自動抽出された病変（目標部）の長軸が最大になる臓器断面を表すように参照画像を自動的に生成するなど、任意の方法で行ってよい。また、参照画像３９Ｄを決定する入力を受け付ける方法として、任意の方法を用いてよい。

一方、参照画像３９Ｄが決定されると（Ｓ１２，Ｙ）、処置部取得部１８は、臓器表面において、切除領域５６と切除されない非切除領域の境界線を切除（処置）されるべき処置部５６Ａとして取得する（Ｓ１２）。

次に、型モデル生成部２０は、肝臓５と、処置部５６Ａと、参照画像３９Ａと、予め取得された撮像プローブ４０の外周の情報とに基づいて、型モデルを作成する（Ｓ１３）。図７Ａ、７Ｂは、型モデル生成処理を説明するための図である。

型モデル生成部２０は、型モデル３０Ｄの本体部分によって覆われる臓器表面部分を取得する。ここでは、サーフィスレンダリング画像Ｉ上で、ユーザが臓器表面上に、処置部５６Ａと、参照位置ｔ１を含む臓器表面のうち型モデル３０Ｄの内表面部分としたい臓器表面部分を入力部４で指定すると、この指定を受け付けて、図７Ａの上図に示すように、型モデル生成部２０が指定された臓器表面部分を型モデル３０Ｄの内表面３２Ａとして切り出して取得する。

次に、図７Ａの中央図に示すように、型モデル生成部２０は、型モデル３０Ｄの内表面３２Ａを構成する各頂点から、各頂点における臓器表面の法線方向にそれぞれ所定距離離れた位置に新たな頂点を設定する。

そして、図７Ａの下図に示すように、型モデル生成部２０は、新たな各頂点を三角形状にエッジで結ぶことにより、型モデル３０Ｄの外表面３１Ｃを生成し、外表面３１Ｃの辺縁に位置する頂点と内表面３２Ａの辺縁に位置する頂点とを三角形状に結ぶことにより、型モデル３０Ｄの側壁を生成し、型モデル３０Ｄの仮の本体部分３０Ｃを生成する。

次に、型モデル生成部２０は、処置部５６Ａに基づいて、処置部５６Ａを含む案内孔３５Ｄ（図２Ａの案内孔３５に対応）と対応する形状のポリゴンＫ２を生成する。ここでは、型モデル生成部２０は、仮の本体部分３０Ｃの内表面と対応する形状の内表面と、仮の本体部分３０Ｃの外表面と対応する形状の外表面と、処置部５６Ａから離れる向きに予め設定された所定の距離離間し、処置部５６Ａに沿って所定の長さ延びる壁（案内壁３３Ａ、３３Ｂに対応する形状の壁）と、該壁をつなぐ短手方向に延びる壁を有するポリゴンＫ２を生成する。

また、型モデル生成部２０は、位置決め部３４Ｄと対応する形状のポリゴンＫ１を生成する。また、図２Ａに示したように、ここでは、型モデル生成部２０は、参照位置ｔ１を仮想音響面の中心として撮像プローブ４０を配置した場合に、撮像プローブ４０の外周に略密接な孔として、位置決め部３４Ｄを設定している。型モデル生成部２０は、仮の本体部分３０Ｃの内表面と対応する形状の内表面と、仮の本体部分３０Ｃの外表面と対応する形状の外表面と、撮像プローブ４０の外周に略密接な形状の周壁を有するポリゴンＫ１を生成する。型モデル生成部２０は、位置決め部３４に対応する形状のポリゴンＫ１と、案内孔３５Ｄに対応する形状のポリゴンＫ２を、仮の本体部分３０Ｃから削除することにより、型モデル３０Ｄを生成することができる。なお、図７Ａの案内孔３５Ｄは図２Ａの案内孔３５に対応し、案内壁３３Ｅは図２Ａの案内壁３３Ａに対応し、図７Ａの位置決め部３４Ｄは図２Ａの位置決め部３４に対応し、図７Ａの位置決め部の壁３４Ｅは図２Ａの壁３４Ａに対応する。

なお、生成された型モデル３０Ｄは、外表面３１Ｄと、臓器の外表面に沿った表面形状を有する内表面３２Ｄと、処置部５６Ａに沿って外表面３１Ｄから内表面３２Ｄをつなぐ案内壁３３Ｅと、臓器上の処置部５６Ａに沿って案内壁３３Ｅが配置された場合に、臓器の目標部Ａを含む臓器断面Ｃの断層画像を撮像可能に所定の撮像プローブ４０を位置決めする位置決め部３４Ｄとを備えたものとして生成され、図２Ａの型３０に対応する型データとなる。

なお、型モデル作成部２０は、ユーザの入力や所要の条件に基づいて、位置決め部３４Ｄを、孔、湾形状、辺縁の一部とするなど位置決め部３４Ｄの形状や、サイズを任意に構成して型モデルを作成することができる。また、型モデル作成部２０は、ユーザの入力や所要の条件に基づいて、案内孔３５Ｄの処置部５６Ａに対するマージン幅（案内壁３３Ｅの処置部５６Ａに対する距離など）や、案内壁３３Ｅを処置部５６Ａに対して設ける位置や範囲や個数などを任意に構成して型モデルを作成することができる。

その後、出力部２２は、参照画像３９Ｄをプリンタ９に出力（プリントアウト）して先述の視認可能な参照画像３９Ｂを作成する（Ｓ１４）。作成された参照画像３９Ｂは、先述の手術支援セットを構成する参照画像３９Ｂとして用いることができる。

また、出力部２２は、型モデル３０Ｄを３次元プリンタ８に出力して、先述の型を作成する（Ｓ１５）。このことにより、図２Ａで示される先述の型３０が生成される。なお、Ｓ１５の処理は、Ｓ１３の処理を終えた後であれば、任意のタイミングで行ってよく、時間をおいて行ってもよい。また、Ｓ１４とＳ１５の処理は順番を入れ替えてもよく、Ｓ１４の処理を省略してもよい。また、Ｓ１４の処理は、参照画像３９Ｄの決定後であれば任意のタイミングで行ってもよい。

上記手術支援装置１によれば、生成された型モデル３０Ｄに基づいて、上記型３０を好適に生成することができる。

また、上記手術支援装置１において、臓器の目標部を含む臓器断面Ｃの断層画像である参照画像３９Ｄを３次元画像７から生成する画像生成部１９を備えているため、参照画像３９Ｄと型モデル３０Ｄを好適に生成して、これらに基づいて、上述の手術支援セットを好適に製造することができる。画像生成部１９によって生成された参照画像３９Ｄは、肝臓５上の処置部５６Ａに沿って案内壁３３が配置された場合に、位置決め部３４に位置決めされた撮像プローブ４０が撮像可能な臓器断面Ｃを表しているため、参照画像３９Ｄを視認可能に出力して得た参照画像３９Ｂ（または参照画像３９Ａ）と型３０とを用いることにより、撮像プローブ４０で撮像された臓器断面Ｃと参照画像３９Ｂ（参照画像３９Ａ）の表す臓器断面Ｃとが一致するように、型３０を肝臓５上に位置合わせすることにより、型３０を臓器上の適切な位置に配置することができる。

また、上記型モデル生成装置において、複数の候補画像３８から参照画像を決定する参照画像決定部１７と、参照画像を表示装置に表示させる表示制御部２１とをさらに備え、画像生成部１９が、３次元画像７に基づいて、それぞれ異なる臓器断面を表す断層画像である複数の候補画像３８をそれぞれ生成し、表示制御部２１が、生成された複数の候補画像３８を表示装置に表示させ、参照画像決定部１７が、表示された候補画像３８を参照画像３９Ｄとして決定するユーザの指定を受け付けることにより、指定を受け付けた候補画像３８を参照画像３９Ｄとして決定するため、ユーザの判断を利用して、目標部Ａを好適に表している参照画像３９Ｄを決定することができる。また、位置決め部３４Ｄを、目標部Ａを好適に表す参照画像３９Ｄの表す臓器断面Ｃを撮像可能な好適な位置に配置することができるため、撮像プローブ４０で撮像された臓器断面Ｃと参照画像３９Ｄの表す臓器断面Ｃとが一致するように、型モデル３０Ｄを元に生成された型３０を肝臓５上に位置合わせすることにより、型３０を臓器上の適切な位置に配置することができる。

また、型３０において、位置決め部３４に位置決めされる撮像プローブ４０を超音波プローブとしているため、実際の手術で用いられることの多い撮像装置を利用して、好適に型の位置決めを行うことができる。また、本実施形態に限定されず、本発明において、撮像プローブは、臓器の目標部を観察可能な臓器断面の画像を取得できる撮像装置の撮像プローブであればいかなる種類の撮像装置の撮像プローブであってよく、種々の形状の撮像プローブであってよい。

また、上記各実施形態では、手術支援装置１は、一台のコンピュータに各プログラムを組み込んだものであったが、複数台のコンピュータに各プログラムを分散して組み込むことにより、手術支援装置１と同等の機能を実現する手術支援システムを構築してもよい。例えば、型または参照画像のデータをＣＤ−ＲやＤＶＤなどのメディアに記録し、型または参照画像のデータが記録されたメディアまたはネットワークを介して、他のコンピュータに型や参照画像のデータをコピーし、他のコンピュータから型や参照画像を出力してもよい。

また、上記各実施形態において、手術支援装置１は、表示出力のほか、プリント出力、データ出力（ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤなどのメディアへの記録もしくはネットワークを介した転送）を行う部を備えるものとしてもよい。すなわち、本発明において、指標値の出力形態は表示出力に限定されない。

また、上記各実施形態は、臓器が肝臓５で、目標部Ａが門脈の分岐点である場合の処理を例示したものであるが、本発明は肝臓の手術支援に限らず、肺等他の臓器の手術支援にも応用することができる。

本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更を加えることができる。

１ 手術支援装置
２ ストレージ
３ ディスプレイ
４ 入力部
５ 肝臓（臓器）
６ 構造物
７ ３次元画像
８ ３次元プリンタ
９ プリンタ
１１ 画像取得部
１２ 臓器領域抽出部
１６ 切除領域決定部
１７ 参照画像決定部
１８ 処置部取得部
１９ 画像生成部
２０ 型モデル生成部
２１ 表示制御部
２２ 出力部
３０ 型
３０Ｄ 型モデル
３１ 外表面
３２ 内表面
３３ 案内壁
３４ 位置決め部
３５ 案内孔
３８ 候補画像
３９ 参照画像
３９Ａ 視認可能に出力された参照画像（画面に表示された参照画像）
３９Ｂ 視認可能に出力された参照画像（シートに印刷された参照画像）
３９Ｄ 参照画像（画像データ）
４０ 撮像プローブ
５６ 切除領域
５６Ａ 処置部
Ａ 目標部
Ｃ 臓器断面

Claims (12)

1. 患者の臓器を表す３次元画像を取得する画像取得部と、
   前記３次元画像から前記臓器を抽出する臓器抽出部と、
   前記臓器に対する所望の処置が施される前記臓器表面の処置部を取得する処置部取得部と、
   抽出された前記臓器と取得された前記処置部に基づいて、外表面と、前記臓器の外表面に沿った表面形状を有する内表面と、前記処置部に沿って前記外表面から前記内表面をつなぐ案内壁と、前記臓器上の前記処置部に沿って前記案内壁が配置された場合に、前記臓器の目標部を含む臓器断面の断層画像を撮像可能に所定の撮像プローブを位置決めする位置決め部とを備えた型モデルを生成する型モデル生成部とを備える手術支援装置。
2. 前記臓器中の前記目標部を含む前記臓器断面の断層画像である参照画像を前記３次元画像から生成する画像生成部を更に備えた請求項１記載の手術支援装置。
3. 前記位置決め部は、前記撮像プローブの外周と異なる角度を持って当接し、前記外表面から前記内表面をつなぐ壁を有する請求項１または２記載の手術支援装置。
4. 前記位置決め部は、前記撮像プローブが挿脱可能であり、前記外表面から前記内表面まで挿通する孔である請求項３記載の手術支援装置。
5. 複数の候補画像から前記参照画像を決定する参照画像決定部と、
   前記参照画像を表示装置に表示させる表示制御部とをさらに備え、
   前記画像生成部が、前記３次元画像に基づいて、それぞれ異なる前記臓器断面を表す断層画像である複数の候補画像をそれぞれ生成し、
   前記表示制御部が、生成された前記複数の候補画像を前記表示装置に表示させ、
   前記参照画像決定部が、表示された前記候補画像を前記参照画像として決定するユーザの指定を受け付けることにより、指定を受け付けた該候補画像を前記参照画像として決定する請求項２から４のいずれか１項記載の手術支援装置。
6. 前記型モデルは、前記外表面から前記内表面まで挿通し、前記処置部の両側に設けられた前記案内壁を有する案内孔を有する、請求項１から５のいずれか１項記載の手術支援装置。
7. 前記型モデルは、前記案内壁が前記型モデルの辺縁に設けられている請求項１から６のいずれか１項記載の手術支援装置。
8. 前記撮像プローブは超音波プローブである１から７のいずれか１項記載の手術支援装置。
9. 手術支援装置に実行させる手術支援方法であって、
   患者の臓器を表す３次元画像を取得する画像取得ステップと、
   前記３次元画像から前記臓器を抽出する臓器抽出ステップと、
   前記臓器に対する所望の処置が施される前記臓器表面の処置部を取得する処置部取得ステップと、
   抽出された前記臓器と取得された前記処置部に基づいて、外表面と、前記臓器の外表面に沿った表面形状を有する内表面と、前記処置部に沿って前記外表面から前記内表面をつなぐ案内壁と、前記臓器上の前記処置部に沿って前記案内壁が配置された場合に、前記臓器の目標部を含む臓器断面の断層画像を撮像可能に所定の撮像プローブを位置決めする位置決め部とを備えた型モデルを生成する型モデル生成ステップとを有する手術支援方法。
10. コンピュータを、
    患者の臓器を表す３次元画像を取得する画像取得部と、
    前記３次元画像から前記臓器を抽出する臓器抽出部と、
    前記臓器に対する所望の処置が施される前記臓器表面の処置部を取得する処置部取得部と、
    抽出された前記臓器と取得された前記処置部に基づいて、外表面と、前記臓器の外表面に沿った表面形状を有する内表面と、前記処置部に沿って前記外表面から前記内表面をつなぐ案内壁と、前記臓器上の前記処置部に沿って前記案内壁が配置された場合に、前記臓器の目標部を含む臓器断面の断層画像を撮像可能に所定の撮像プローブを位置決めする位置決め部とを備えた型モデルを生成する型モデル生成部として機能させる手術支援プログラム。
11. 外表面と、患者の臓器の外表面に沿った表面形状を有する内表面と、前記臓器に対する所望の処置が施される前記臓器表面の処置部に沿って前記外表面から前記内表面をつなぐ案内壁と、前記臓器上の処置部に沿って前記案内壁が配置された場合に、前記臓器の目標部を含む臓器断面を断層撮像可能に所定の撮像プローブを位置決めする位置決め部とを備えた型。
12. 請求項１１に記載の型と、
    前記目標部を含む前記患者の臓器断面の断層画像が視認可能に出力された参照画像と備えた手術支援セットであって、
    前記型は、前記臓器上の処置部に沿って前記案内壁が配置された場合に、前記位置決め部に位置決めされた撮像プローブが前記参照画像の表す前記臓器断面を断層撮像可能に前記位置決め部が構成されている手術支援セット。