JP6974030B2 - レジストレーションマーカー、レジストレーションマーカーの活用プログラム、及びロボットシステムの作動方法 - Google Patents

レジストレーションマーカー、レジストレーションマーカーの活用プログラム、及びロボットシステムの作動方法 Download PDF

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Description

この発明は、医用画像上でロボットを操作するためのレジストレーションマーカーと、そのレジストレーションマーカーを用いた撮影された医用画像をコンピュータによって処理する際に使用されるコンピュータ用のプログラムに関する。
CT、MRI等の医療用撮影機器から得られた医用画像をガイドとして外科ロボットを操作する治療がある。例えば、がん腫瘍に対して生検や薬剤注入などの穿刺治療を行う際には、腫瘍の位置を医療用撮影機器で確認し、医用画像を基に穿刺位置・角度を決定する。針を把持する外科ロボットのエンドエフェクタを正確に指定した位置・角度に移動するためには、取得した医用画像とロボットのエンドエフェクタの三次元座標系を正確に一致(レジストレーション)させる必要がある。もし座標系がずれていた場合、画像上で指定した位置からずれてしまい、穿刺の正確性の低下や他機器との干渉が生じる可能性がある。
そのためには、例えばCTにより撮影されたCT画像データに基づいて、エンドエフェクタの位置及び向きと画像の基準位置及び向きのずれを正確に算出する必要がある。エンドエフェクタの位置を正確に算出するためには、エンドエフェクタに取り付けたレジストレーションマーカーを撮影する必要がある。
レジストレーションマーカーは、得られた二次元画像群からマーカーの位置・角度を算出するものである。ロボットのレジストレーションに限らず、位置取得のための医用撮影用マーカーは提案されている。例えば特許文献1のマーカーは、非造影剤で形成されたベース及び3つの球体から構成されており、撮影したCT画像から三次元画像を構築し、撮影された画像上において基準点を特定することが可能である。またCT画像とロボットのレジストレーション方法に関しては、特許文献2がCTから照射されるレーザーマーカーを用いた方法を提案している。
特開2009−142561号公報 米国特許第7477927号明細書
ところで、穿刺におけるロボットとCT画像のレジストレーションに求められる精度は非常に高い。特に身体深部の腫瘍を対象とした穿刺治療では位置誤差は0。5mm以下、角度誤差は1°以下が求められる。上記特許文献1の場合、二次元画像群から三次元画像を構築し、球体のマーカーの位置を特定しようと試みているが、ボクセルデータを用いていることや正確な画像検出が難しい球体を取り扱っているため、高精度な補正は難しい。また上記特許文献2の場合、可視光のレーザーを基準にレジストレーションを行っているが、CTから照射されるマーカーレーザー幅は2mm程度あるため、その分が誤差になると考えられる。
また、レジストレーションに求められる時間や設置コストも重要である。上記特許文献1の場合、三次元画像を処理する必要があるため補正計算に時間を要することが想定される。また、上記特許文献2の場合、CT毎にレーザーの設置位置やベッドとの位置関係が異なってくるため汎用性の観点から望ましくない。
そこで本発明は、撮影した二次元のCT画像群から基準面に対するロボットのエンドエフェクタの位置・角度を算出可能な幾何形状を有したレジストレーションマーカー及び算出結果からロボットの位置・角度を補正するレジストレーションプログラムを提供することを目的とする。
(1)本発明のレジストレーションマーカーは、医用画像を撮影する平面に対して該平行となる位置関係で設置されるベースと、前記ベースを含む基準平面の法線方向に延伸する垂直平面内において前記ベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜角柱体を備えていて、前記ベースと前記斜角柱体は医用撮像装置で造影可能な材料で形成されたレジストレーションマーカーである。
(2)本発明のレジストレーションマーカーは、医用画像を撮影する平面に対して該平行となる位置関係で設置されるベースと、前記ベースを含む基準平面の法線方向に延伸しかつ互いに並行ではない複数の垂直平面内において前記ベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜角柱体を備えていて、前記ベースと前記斜角柱体は医用撮像装置で造影可能な材料で形成されたレジストレーションマーカーである。
(3)本発明のレジストレーションマーカーは、医用画像を撮影する平面に対する角度および/あるいは変位を測定可能であり、前記医用画像は、CT画像、MRI画像、フルオロスコープ画像も含んでもよい。
(4)本発明のレジストレーションマーカーは、上記(1)記載の垂直平面内において上記(1)記載の前記ベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜角柱体と、前記垂直平面と平行ではない非平行平面内において上記(1)記載の前記ベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜角柱体を備えていてもよい。
(5)本発明のレジストレーションマーカーは、医療画像を撮影する平面に対する異なる2方向の角度と上記(1)記載のベースに垂直な方向の位置を共に測定可能なものであってもよい。
(6)本発明の活用プログラムは、上記(1)〜(5)のいずれか1項に記載のレジストレーションマーカーを活用するためのプログラムであって、
前記斜角柱体を2つ以上備え,これらの配置、寸法、ロボット及びそれに類する他機器に対する位置関係とCT画像による断面に現れる平行四辺形の形状変化ならびにCT画像の解像度を予め記憶しておく処理と、
前記レジストレーションマーカーをロボット及びそれに類する他機器における予め定めた位置に設置して撮影したCT画像データにおいて現れた前記斜角柱体の断面となる平行四辺形の幾何量を記憶するための画像表示処理と、
を含むことを特徴とするレジストレーションマーカーの活用プログラムである。
(7)本発明の活用プログラムは、上記(1)〜(6)のいずれか1項に記載のレジストレーションマーカーを活用するためのプログラムであって、
前記記憶された幾何量から上記(1)に記載のレジストレーションマーカーの基準平面の、CT撮像基準面座標系に対する回転角度を算出して記憶する処理と、
前記記憶された回転角度によってロボット及びそれに類する他機器をレジストレーションマーカーの基準平面とCT撮像基準面座標系が平行になるような動作命令と、
を含むことを特徴とするレジストレーションマーカーの活用プログラムである。
(8)本発明の活用プログラムは、上記(1)〜(6)のいずれか1項に記載のレジストレーションマーカーを活用するためのプログラムであって、
前記動作命令によってレジストレーションマーカーの基準平面座標系とCT撮像基準面座標系が平行なった状態において再度取得されたCT画像において上記(5)に記載のプログラムにより記憶された幾何量によりレジストレーションマーカーの基準平面のCT撮像基準面がこの座標平面に垂直な方向に離れた距離を算出して記憶する処理と、
前記記憶された距離によってロボットをレジストレーションマーカーの基準平面とCT撮像基準面座標系が一致するような動作命令と、
を含むことを特徴とするレジストレーションマーカーの活用プログラムである。
本発明によれば、医用画像とロボットの正確なレジストレーションが簡便かつ高精度に可能となるマーカー及びプログラムを提供することができ、臨床現場において有効な治療に寄与することができる。
この発明の実施形態に係るレジストレーションマーカー1の正面図である。 マーカー1の側面図にベース2に平行な2つの医用画像撮影断面を直線によって示した図である。 マーカー1の側面図に側面に対して垂直な2つの医用画像撮影断面を直線によって示した図である。 この発明の実施形態に係るレジストレーションマーカー1の背面図である。 この発明の実施形態に係るレジストレーションマーカー1の等角投影図である。 図2または図3において直線7で示された平面で医用画像を撮影した時のマーカー1の断面図である。 図2において直線8で示された平面で医用画像を撮影した時のマーカー1の断面図である。 図3において直線9で示された平面で医用画像を撮影した時のマーカー1の断面図である。 この発明の一実施形態に係るプロブラムの処理内容を説明するためのフォローチャートである。
本発明に係るレジストレーションマーカーは、四方に配置された斜角柱から構成されており、CT撮像基準面に対するロボットの位置・角度のずれによってCT画像に描出される形状が変化することが大きな特徴である。描出された形状から画像処理を用いてマーカーの断面形状の幾何量を把握する。断面形状は直線から構成されているため、円形状と比較して画像処理における誤差は小さくなる。また斜角柱を四方に配置することで、同一マーカーで位置・角度の両方のずれが計算可能となる。さらに、角度計算の際の補正計算には三角関数が用いられるが、直角柱ではなく斜角柱を用いることで、CT撮像基準面付近における微小な角度のずれの計算も高精度に実施可能となる。
本発明に係るレジストレーションプログラムは、撮像したCT画像に描出されたマーカーの断面形状の各頂点及び各辺の幾何量を画像処理によって取得し、その幾何量からCT撮像基準面に対するマーカーの位置・角度のずれを計算し、計算結果からロボットの位置・角度をCT撮像基準面に合わせるように指令するプログラムであって、マーカーの大きさやCTスキャンの設定などの基本データを入力しプログラム内を初期化するステップと、取得したCT画像群からマーカー断面形状の幾何量を取得し、CT撮像基準面に対するマーカーの位置・角度のずれを計算するステップと、計算結果からロボットの位置・角度を調整するステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする。
以下、図面を参照しつつ本発明に係るレジストレーションマーカー及びレジストレーションマーカーの活用プログラムの実施形態について詳細に説明する。
本実施形態のレジストレーションマーカー(以下単に「マーカー」という。)は、ロボットの所定の部位に取付けられ、当該所定の部位の位置を認識するために使用される。上記の所定の部位とは、ロボットのエンドエフェクタであってもよい。上記のロボットは、医用撮像装置に並設されて当該医用撮像装置と一緒に使用される。医用撮像装置は患者の断層などの医用画像を撮影する装置である。医用撮像装置の例としては、CT装置、MRI装置、及びフルオロスコープ装置等がある。すなわち、上記の医用画像の例としては、CT画像、MRI画像、フルオロスコープ画像等がある。
本実施形態のマーカーは、造影材料からなる角柱体を備えている。マーカーの使用状態において、角柱体は、医用撮像装置の頭尾方向に対して傾斜した方向に延在している。なお、角柱体の延在方向とは、角柱体の柱軸の延在方向を意味する。また、ロボットが使用されるとき、角柱体は、医用撮像装置の撮影可能領域内に位置する。角柱体は造影材料からなるので、医用撮像装置によって角柱体の断層が撮影可能である。造影材料として樹脂が用いられてもよい。また、マーカー全体が造影材料で一体的に形成されてもよい。
以下の説明では、医用撮像装置の頭尾方向をZ方向、鉛直方向をY方向、Z方向とY方向の両方に直交する方向をX方向と呼ぶ場合がある。また、Z方向に直交する平面をXY平面、Y方向に直交する平面をZX平面、X方向に直交する平面をYZ平面と呼ぶ場合がある。また、Z方向に平行な軸周りの回転をθZ回転、また、Y方向に平行な軸周りの回転をθY回転、また、X方向に平行な軸周りの回転をθX回転と呼ぶ場合がある。
医用撮像装置では、XY平面に平行な断層の断層画像(医用画像)が得られる。このとき、上記角柱体を横切る断層の画像には、角柱体の断面が現れる。この断面の状態は、実物の上記断層と実物のマーカーとの位置関係によって相違する。従って、断層画像に現れた角柱体の断面の状態に基づき、所定の演算を行えば、実物の断層と実物のマーカーとの位置関係を導出することができる。ここで、「断面の状態」には、断層画像上における断面の並進方向の位置、断面の回転方向の位置、断面の形状等が含まれてもよい。また、断面が複数現れる場合には、「断面の状態」には、複数の断面同士の位置関係が含まれてもよい。また、「位置関係」には、並進方向の位置関係及び回転方向の位置関係が含まれてもよい。
上記のように断層とマーカーとの位置関係が導出可能であるので、医用撮像装置とマーカーとの位置関係が認識可能である。また、医用撮像装置に載置されている患者とロボットとの位置関係が認識可能である。
マーカーが備える角柱体は単数でもよいが複数であればより好ましい。この場合、断層画像上に現れる複数の断面の状態に基づいて、断層とマーカーとの位置関係をより詳細に認識することができる。或いは、上記位置関係を高精度に認識することができる。また、マーカーが備える複数の角柱体は、互いに平行でない方向に延在していることが好ましい。
上記のようなマーカーの一例として、図5には、マーカー1の斜視図が示される。マーカー1は、平板状の矩形のベース2を備えている。ベース2には複数の接続用穴が設けられている。接続用孔を用いたネジ止め等によって、マーカー1はロボットのエンドエフェクタに固定される。マーカー1は、ベース2がXY平面に略平行になるような姿勢で使用されてもよい。以下の説明では、ベース2がXY平面に平行になるようなマーカー1の姿勢に対応させてX,Y,Zを用いる。また、ベース2が呈する矩形の4辺のうちの2辺がX方向に延在し、他の2辺がY方向に延在するものとする。
マーカー1は、ベース2の四辺の縁部にそれぞれ立設された4つの斜角柱3,4,5,6を備えている。ベース2と4つの斜角柱3,4,5,6とが一体的に形成されてもよい。4つの斜角柱3,4,5,6は、すべて同一形状をなしている。斜角柱3と斜角柱5は、ベース2の互いに対向する辺の縁部に設けられている。斜角柱4と斜角柱6は、ベース2の互いに対向する辺の縁部に設けられている。すべての斜角柱3,4,5,6は、ベース2に直交する方向に対して傾斜した方向に延在している。具体的には、すべての斜角柱3,4,5,6の柱軸は、XY平面に対して45°の角度で交差している。
マーカー1をZX平面に投射したとき、斜角柱3の延在方向と斜角柱5の延在方向とが、Z方向に平行な軸を中心として線対称をなす。マーカー1をZX平面に投射したとき、斜角柱4の延在方向と斜角柱6の延在方向とは、両方ともZ方向に平行になる。マーカー1をYZ平面に投射したとき、斜角柱4の延在方向と斜角柱6の延在方向とが、Z方向に平行な軸を中心として線対称をなす。マーカー1をYZ平面に投射したとき、斜角柱3の延在方向と斜角柱5の延在方向とは、両方ともZ方向に平行になる。
以上のようなマーカー1によれば、XY平面に平行な断層の断層画像に各斜角柱3,4,5,6の4つの断面が現れる。断層画像に現れる各斜角柱3,4,5,6の4つの断面の一例は、例えば、図6に示されるような断面10,11,12,13のようなものである。そして、上記4つの断面の状態に基づき、所定の演算によって、実物の断層と実物のマーカー1との位置関係が認識可能である。その結果、医用撮像装置とマーカー1との位置関係が認識可能であり、医用画像とロボットとの三次元座標系を正確に一致させるレジストレーション処理が可能である。
以下、図面を参照しながら、マーカー1について更に詳細な構成を説明し、マーカー1の活用プログラムについても詳細に説明する。
図1は、この発明の一実施形態に係るレジストレーションマーカー(以下単に「マーカー」という。)1の正面図であり、図2及び図3はマーカー1の側面図、図4はマーカー1の背面図、図5はマーカー1の等角投影図である。
図1〜5を参照して、マーカー1は、樹脂材料、たとえばPEEK樹脂で形成された板状のベース2を有している。
このマーカー1は、ロボットのエンドエフェクタに装着され、ロボットとCT画像の座標系を一致させる際に使用される。マーカー1のベース2は、平面視において、正方形の形態をしており、各機器への取り付け穴を有している。
マーカー1は、ベース2の側面に端部が一致し、平面方向に突出するように配置された斜角柱3、4、5、6を備えている。各斜角柱3、4、5、6は、樹脂材料、たとえばPEEK樹脂で構成されている。
この実施形態では、各斜角柱3、4、5、6はベース2の側面に沿って45°に傾斜している。さらに、マーカー1は、たとえばPEEK樹脂の削り出しにより一体成型されていて、ベース2と各斜角柱3、4、5、6は一体となっている。
なお、削り出しによる一体成型に代え、ベース2の四方側面に各斜角柱3、4、5、6を重ねて接着する構成としてもよい。
図6は、CT撮像基準面に対して図5に示すマーカー1を平行に位置させ、なおかつマーカーの基準平面、すなわち撮像面7でCTを撮像した場合の断面を示す図である。その際、図6に示すように、マーカー1の断面は、各斜角柱3、4、5、6の断面である4つの平行四辺形断面10、11、12、13が表示される。
また図7は、図5に示すマーカー1を、CT撮像基準面に対して傾いた撮像面8でCTを撮像した場合のマーカー1の断面を示す図である。その際、図7に示すように、マーカー1の断面は、各斜角柱3、4、5、6の断面である4つの平行四辺形断面14、15、16、17が表示される。平行四辺形断面10、11、12、13の各長辺の長さを基準として、表示された平行四辺形断面14、15、16、17の各長辺の長さの比率からマーカー1のCT撮像基準面からの角度を算出する。このとき45°の斜角柱を用いることで、CT撮像基準面近傍の微小角度の傾きの撮像面に対しても、少ない誤差で算出可能となる。
また図8は、図5に示すマーカー1をCT撮像基準面に対して平行移動した撮像面9でCTを撮像した場合のマーカー1の断面を示す図である。その際、図8に示すように、マーカー1の断面は、各斜角柱3、4、5、6の断面である4つの平行四辺形断面18、19、20、21が表示される。平行四辺形断面10、11、12、13の中心位置を基準として、表示された平行四辺形断面18、19、20、21の中心位置の距離から、マーカー1のCT撮像基準面からの位置を算出する。
図9は、この発明の一実施形態に係るマーカー1を活用するためのプログラムの処理内容の流れを表すためのフローチャートである。次に、図9を参照して、マーカー1を活用するためのプログラムの内容について説明をする。
最初に、ロボットのエンドエフェクタにマーカー1を取り付け、CT撮像が可能な位置まで動かす。プラグラムがスタートすると、まずマーカー1の規格寸法が記憶されているか否かの判別がされ、マーカー1の規格寸法が記憶されていない場合、規格寸法の入力が求められる。
マーカー1の規格寸法とは、図1で説明したマーカー1のベース2の各四辺の長さ、斜角柱3、4、5、6の外形寸法である。
次に、CT撮像を行い、画像データを入力する。その際に、CT画像の解像度の情報が記憶されているか否かの判別がされ、CT画像の解像度が記憶されていない場合、解像度の入力が求められる。
そしてその後、CT画像が表示され、そこから画像処理を用いてマーカー1の断面形状の幾何量を取得し、CT撮像基準面に対するマーカー1の回転角度を算出する。算出結果を用いて、マーカー基準平面とCT撮像基準面が平行になるようにロボットのエンドエフェクタを移動するようにロボットに指令する。
その後、もう一度CT撮像を行い、データを入力する。表示されたCT画像から、画像処理を用いてマーカー1の断面形状の幾何量を取得し、CT撮像基準面に対するマーカー1の基準面の距離を算出する。算出結果を用いて、マーカー基準平面の中心点とCT撮像基準面の中心点が一致するようにロボットのエンドエフェクタを移動するようにロボットに指令する。
最後に、CT撮像基準面の座標系は、マーカー1とロボットの位置関係を介してロボットの座標系に座標変換されて記憶される。換言すれば、CT画像上で指定したピクセル位置は、ロボット座標系の三次元位置情報として変換される。
1 レジストレーションマーカー
2 ベース
3、4、5、6 斜角柱体
7 マーカーの基準平面で撮像した際の撮像面
8 撮像面7がベース1に垂直な方向に移動した撮像面
9 撮像面7がベース1に垂直な方向に移動した撮像面
10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21 平行四辺形断面

Claims (10)

  1. 医用画像を撮影する平面に対して平行となる位置関係で設置されるベースと、
    前記ベースを含む基準平面の法線方向に延伸する垂直平面内において前記ベースに対して予め定められた勾配で延伸する斜角柱体と、を備えていて、
    前記ベースと前記斜角柱体は医用撮像装置で造影可能な材料で形成されたレジストレーションマーカー。
  2. 医用画像を撮影する平面に対して平行となる位置関係で設置されるベースと、
    前記ベースを含む基準平面の法線方向に延伸しかつ互いに行ではない複数の垂直平面のそれぞれの面内において前記ベースに対して予め定められた勾配で延伸する複数の斜角柱体と、を備えていて、
    前記ベースと前記斜角柱体は医用撮像装置で造影可能な材料で形成されたレジストレーションマーカー。
  3. 記垂直平面と平行ではない非平行平面内において前記ベースに対して予め定められた勾配で延伸する他の斜角柱体を更に備えている請求項に記載のレジストレーションマーカー。
  4. 医用画像を撮影する平面に対する角度および変位を測定可能であり、前記医用画像は、CT画像又はMRI画像含むことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のレジストレーションマーカー。
  5. 医療画像を撮影する平面に対する異なる2方向の角度と前記ベースに垂直な方向の位置を共に測定可能なことを特徴とする、請求項1〜4の何れか1項に記載のレジストレーションマーカー。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のレジストレーションマーカーを活用するためのプログラムであって、
    前記斜角柱体を4つ以上備え,これらの配置、寸法、ロボット又はそれに類する他機器に対する位置関係と前記医用画像による断面に現れる平行四辺形の形状変化ならびに前記医用画像の解像度を予め記憶しておく処理と、
    前記レジストレーションマーカーをロボット又はそれに類する他機器における予め定めた位置に設置して撮影した前記医用画像において現れた前記斜角柱体の断面となる平行四辺形の幾何量を記憶するための画像表示処理と、
    を含むことを特徴とするレジストレーションマーカーの活用プログラム。
  7. 前記画像表示処理で記憶された前記幾何量から前記レジストレーションマーカーの基準平面の、前記医用画像の基準面座標系に対する回転角度を算出して記憶する処理と、
    憶された前記回転角度によってロボット又はそれに類する他機器を、前記レジストレーションマーカーの前記基準平面と前記医用画像の基準面座標系が平行になるように動作させる動作命令と、
    を含むことを特徴とする請求項6に記載のレジストレーションマーカーの活用プログラム。
  8. 記動作命令によって前記レジストレーションマーカーの前記基準平面座標系と前記医用画像の基準面座標系が平行なった状態において再度取得された前記医用画像において前記幾何量により前記レジストレーションマーカーの前記基準平面と前記医用画像の基準面とが当該基準面の座標平面に垂直な方向に離れた距離を算出して記憶する処理と、
    記憶された前記距離によって前記ロボットを、前記レジストレーションマーカーの前記基準平面と前記医用画像の基準面座標系が一致するように動作させる動作命令と、
    を含むことを特徴とする請求項7に記載のレジストレーションマーカーの活用プログラム。
  9. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のレジストレーションマーカーを活用するためのプログラムであって、
    ボットのエンドエフェクタに取付けられた状態の前記レジストレーションマーカーを前記医用撮像装置で撮影し医用画像を取得する処理Bと、
    前記処理Bで取得された前記医用画像に現れた前記斜角柱体の断面の幾何量を得る処理Cと、
    前記処理Cで取得された前記幾何量に基づいて、前記医用画像の基準面座標系に対する前記レジストレーションマーカーの前記基準平面の回転角度を取得する処理Dと、
    前記処理Dで取得された前記回転角度に基づいて、前記基準平面が前記基準面座標系に平行になるように前記ロボットに対し前記エンドエフェクタを駆動する指令を行う処理Eと、
    前記処理Eで移動された前記レジストレーションマーカーを前記医用撮像装置で撮影し得られた医用画像に現れた前記斜角柱体の断面の幾何量に基づいて、前記基準平面と前記基準面座標系との距離を取得する処理Fと、
    前記処理Fで取得された前記距離に基づいて、前記基準平面が前記基準面座標系に一致するように前記ロボットに対し前記エンドエフェクタを駆動する指令を行う処理Gと、
    をコンピュータに実行させるレジストレーションマーカーの活用プログラム。
  10. 医用撮像装置と前記医用撮像装置に並設されたロボットとを備えるロボットシステムにおいて前記医用撮像装置と前記ロボットとの位置関係を設定するレジストレーションを行うための前記ロボットシステムの作動方法であって、
    前記医用撮像装置の頭尾方向に対して傾斜し互いに平行ではない方向に延在する複数の柱状体を備えるレジストレーションマーカーが前記ロボットの所定部位に取付けられた状態で前記医用撮像装置により撮像された前記柱状体の断層画像を取得する工程と、
    前記断層画像に現れる複数の前記柱状体の断面の状態に基づいて前記医用撮像装置と前記ロボットの前記所定部位との位置関係を認識する工程と、を備える、ロボットシステムの作動方法。
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