JPH03168139A - 対話的イメージガイドの手術システム - Google Patents

対話的イメージガイドの手術システム

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JPH03168139A
JPH03168139A JP2303753A JP30375390A JPH03168139A JP H03168139 A JPH03168139 A JP H03168139A JP 2303753 A JP2303753 A JP 2303753A JP 30375390 A JP30375390 A JP 30375390A JP H03168139 A JPH03168139 A JP H03168139A
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arm
joint
image
joints
coupled
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George S Allen
ジョージ・エス・アレン
Jr Robert L Galloway
ロバート・エル・ギャロウエイ・ジュニア
Robert J Maciunas
ロバート・ジェイ・マシウナス
Ii Charles A Edwards
チャールス・エー・エドワーズ・ザ・セコンド
Martin R Zink
マーテイン・アール・ジンク
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    • Y10T74/20—Control lever and linkage systems

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は手術の手順で外科医を対話的にガイドするため
のシステムに関する。さらに特に、外科医を手術の手順
でガイドするために患者の身体の解剖体に関係するイメ
ージ導出されたデータを直観的に使用できるようにした
ハードウェアおよびソフトウェアの統合システムに関す
る。
（従来の技術） 医者が人間の身体の高忠実度の画像を得ることができる
、十分に公知である診断上のイメージ技術がいくつか存
在する。健康な組織を冒す手順なしに解剖体の断面の（
断層写真的な）画像を提供するイメージシステムは、コ
ンピュータ断層写真（ＣＴ）Ｘ線イメージャ（　１ｍａ
ｇｅｒ）と磁気共鳴（ＭＲ）イメージャとを含んでいる
。
走査技術に関連した問題は、各イメージ処理がイメージ
装置内の患者の位置に敏感であることである。それ故に
各イメージのセットは別々の独特の配置を有する。した
がって、異なった時刻に同じ様相から形或されたイメー
ジおよび基本的に同じ時刻にであるが異なったイメージ
様式（例えばＣＴおよびＭＲＩ）から形成されたイメー
ジは一点一点ベースで比較されることはできない。これ
はイメージ内の区域の正確な比較を妨げる。
外科医はまたイメージ区域に対する場所の差を処理する
。例えば、神経外科医は自分の手術用具の位置をある解
剖学的標識点に留意することで知ることができるとして
も、彼はイメージ上に認識できる病変に留意することで
は必要な正確さで用具の位置を知ることができない。頭
部のような身体の部分に外科的に取り付けられた比較的
大きな留め金状構造を臨時に取り付けることによって、
この問題を解決するための試みが為された。この構造に
関連して手術用具を配置することによって、そしてこの
取り付けられた構造に相関する対象となる内部の解剖学
的領域の位置を知ることによりて、対象となる解剖学的
領域に関連する手術用具の位置がわかるであろう。
これらの構造に関する問題は、それらのサイズおよび睡
眠のような通常の日常動作へのそれらの干渉、という点
である。その構造は長時間（例えばｌ２時間以上）にわ
たって使用されないので、かなりの特間間隔にわたって
採られたイメージ或いは解剖体内の特定の箇所の位置の
比較は実用的でない。
（発明が解決しようとする課題） それ故に、手術用具の操作の際に外科医をイメージシス
テムで特定化された正確な位置にガイドするであろう対
話的システムが必要である。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） このおよび他の要求は、対話的イメージガイドの手術シ
ステムのために構造を提供する本発明に９ よって満足される。本発明によるシステムは、患者の解
剖体内に内部座標系を形成する。内部座標系は外部座標
系に関連して、例えば内部座標系内の既知の基準点のと
ころに手術用具の端部チップを配置することによって、
配置される。内部座標系の位置が外部座標系に関連して
知られると、手術用具は外部か或いは内部かの座標系内
のどこへでも動かすことができ、そしてその位置は非常
に正確に知られるであろう。
本発明はまた、手術用具がイメージガイドシステム内で
使用するためにそこに取り付けられるアームにも関する
。アームは位置エンコーダを保持するので、アームが動
くときに、アームに取り付けられた手術用具の位置は内
部座標系に関連して常に知られるであろう。
（実施例） 本発明は、人間の解剖体内に固定された３次元内部座標
系を形成する。内部座標系は、木発明を使用して解剖体
の部分に３つ或いはそれ以上の基準押入管を添付するこ
とにより解剖体内に創設さ１０ れる。基準挿入管は数カ月のような比較的長期間にわた
って互いの区域的関係を変化させない箇所に添付される
。
第１ａ図および第１ｂ図には解剖体内の基準揮入管の配
置の例が示されている。これらの図面では、基準挿入管
１０ａ　，　１０ｂ　，　１０ｃが頭骨１８の３つの分
離し間隔をおいて配置された位置に挿入される。
これら３つの基準挿入管１０ａ乃至１０ｃは非同一線上
になる方法で配置されるので、これらの基準挿入管１０
ａ乃至１０ｃを含む平面が形成される。平面が形成され
ると３次元座標系が形成される。身体内のいかなる箇所
も内部座標系の中にあるであろう。
基準挿入管が示されてはいるが、対象となる範囲に関連
して添付されたいかなる３点でも内部座標系を形或する
ために使用される３点を構成することができる。しかし
、ＣＴイメージャおよびＭＨＩイメージャのような異な
ったイメージシステムによって確認および計測され得る
基準挿入管１１ １０ａ乃至１０ｃが好ましい。基準挿入管１０ａ乃至１
０ｃは比較的小さく目立たないので、たとえ患者が比較
的長時間挿入管１０ａ乃至１０ｃを装着していたとして
も、患者が不快感や挿入管を装着しているという自意識
を感じることはないであろう。
公知のイメージ技術を使用する走査は、患者に３つの基
準挿入管１０ａ乃至１０ｃが装着されると実行される。
内部座標系はそのとき、これら３つの基準挿入管１０ａ
乃至１０ｃに関連して形成される。
数分後か数カ月後かいずれにせよ引き続く走査の間、患
者の位置はイメージ装置に対して変わり得る。しかし本
発明を使用すると、この新しい位置はイメージ装置に対
して基準挿入管１０ａ乃至１０ｃを配置することによっ
て、そしてそれらの位置と予め記録された位置とを比較
することによって計測されることができる。この比較技
術は引き続く走査のイメージを予め記録された走査に対
応する位置に再度位置付けることを可能にするので、等
価のイメージのスライスが比較されることができる。
１　２ 患者が異なった位置に置かれる理由が何であれ、解剖体
内の固定され、完全に形成された内部座標系を利用する
ことによって、第１のイメージセッション内の３つの基
準挿入管１０ａ乃至１０ｃによって形成された平面の位
置および方向は、第２のイメージセッションの時間に３
つの基準挿入管によって形成された同じ平面の位置およ
び方向と比較されることができる。デカルト座標系は３
つの独立した回転によって整列される。１つのデカルト
座標系を別のデカルト座標系に移行することは公知の技
術であり、現代のコンピュータによって容易に実行でき
る。解剖体に対する内部座標系を形成しそして１つのデ
カルト座標系から別のデカルト座標系への回転による変
換を実行する手配の例は、１９８７年１１月ＩＯ日に出
願された米国特許第１１９．３５３号明細書”Ｍｅｔｈ
ｏｄ　ａｎｄ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｒｏｒ　ｌｍａｇ
ｉｎｇ　ｔｈｅ　Ａｎａｔｏｍｙ　（解剖体をイメージ
するための方法および装置）“に記載されており、そし
てここで引例として明白に組み込まれている。
内部座標系が創設されると、外部座標系もまた１３ ３つの非同一線上の基準挿入管１０ａ乃至１０ｃによっ
て創設される。内部座標系および外部座標系の両者内の
移動する点を見失わないために、内部座標系内の点に関
してその移動する点の位置を最初に創設し、続いて外部
座標系内の点の動きに追従するためのシステムのみが必
要とされる。例として外部座標系内の点がレーザの端部
チップであると仮定する。内部座標系および外部座標系
の両者内のその端部チップの位置の追跡を継続するため
に、最初にレーザの端部チップが基準挿入管１０ａ乃至
１０ｃの１つと既知の関係にする、例えば挿入管に接触
する、そしてコンピュータがこの初期設定をノートする
。そこで、レーザは内部および外部座標系内のどこへで
も動かされるのでイメージシステムで使用されるコンピ
ュータは端部チップの位置を追跡する。位置付けエンコ
ーダは端部チップの位置を追跡し、そして座標系内の端
部チップの動きに関連する信号をコンピュータに供給す
る。端部チップの元の位置がコンピュータに人力されて
いるので、端部チ、ツプの元の（すなわち基１４ 準挿入管１０ａ乃至１０ｃに対しての）位置が知られて
おり、そしてその動きが継続的に追跡されてコンピュー
タに供給されているので内部か或いは外部かの座標系内
の端部チップの位置は常時わかるであろう。
第２図は本発明の実施例による動作環境の概略図が示さ
れている。この図では、患者の頭骨Ｉ８に挿入された基
準挿入管１０ａ乃至１０ｃがある。イメージャ１０２は
プログラマブルコンピュータ１０４と共に先に記載され
たように動作する。操作者制御バネル１１０はプログラ
マブルコンピュータ１０４に結合され、同様に標的の座
標をディスプレイする標的ディスプレイｌ１２（放射線
治療の応用において使用される）を具備するディスプレ
イ１０８もプログラマブルコンピュータ１０４に結合さ
れる。
外部アーム３４は基板３６に固定される。アーム３４は
、変えることができ、そして例えばレーザ、或いはポイ
ンタ、超音波装置、生検法用ブローブ、放射線ビームコ
リメー夕等のようないくつかの手術用具のどれかであり
得る用具３８を支持する。第１５ ２図には例示の目的のため１つのみしか示されていない
が、アーム３４はいくつかのジョイント４２を有する。
アーム３４の動きはコンピュータ１０４によって追跡さ
れるので、アーム３４の基板３Ｂに対する用具３８の位
置は常に知られている。外部および内部座標系を通して
の用具３８の動き（外部座標系の基板３６に対する）は
、以下の方法を使用して正確に知られるであろう。
センサ４０は用具３８の端部チップ３９に配置されるこ
とができる。センサ４０は金属検知器或いは超音波検知
器、或いは患者の中の基準挿入管１０ａ乃至１０ｃの位
置を感知することができるなんらかの機器であり得る。
もし基準挿入管１０ａ乃至１０ｃが頭骨ｌ８に配置され
るならば、用具３８の端部チップ３９にあるセンサ４０
は頭骨ｌ８内の基準挿入管１０に接触するまで外科医の
ガイドの下でアーム３４によって動かされる。基準挿入
管１０による端部チップ３９のこの接触はコンピュータ
によって認められるので、内部座標系に対する端部チッ
プ３９の最初の位置が知られる。さらに、外部座標系内
の基板３Ｂに対す１６ る端部チップ３９の位置もまた常に追跡されそして知ら
れるので、端部チップ３９の配置の初期設定に続いて外
部および内部座標系の両者で′端部チップ３９の位置は
基準挿入管１０と接触して追従されることができる。
アーム３４を追跡する手段は十分に公知であり、そして
アーム３４の種々の位置内にあり、アーム３４のジョイ
ント４２の回転か或いは移動かを検知するセンサ（第２
図には図示されない）によって遂行される。
手術では、３つの基準挿入管１０ａ乃至１０ｃによって
形成される内部座標系が、例えばレーザを組織を通り抜
けて腫瘍まで届くように追従させることができる。イメ
ージを生成するために使用されるイメージシステム１０
２は、コンピュータ１０４およびディスプレイ１０ｇに
提供されて手術用具３８として使用されるアーム３４お
よびレーザを操作する外科医をガイドするイメージデー
タを継続して採るために、配置される。レーザは組織を
通り抜けるから、組織内の変化はイメージシステムのデ
ィ１７ スプレイ１０８内にはっきりと見えるであろうし、固定
された内部座標系で追従されることができる。
第３図には、その動きが追跡されることができ、そして
種々の手術用具３８を保持することができる機械アーム
が例示されている。アーム３４の基板３６はある位置に
取り外せるように固定される。アーム３４は２つのアー
ムリンク４０Ａ，　４０Ｂを有する。
第１のアームリンク４０Ａは２つのジンバルジョイント
４２によって基板に結合される。それ故に第１のアーム
リンク４ＯＡは２つのジンバルジョイント４２によって
提供されるような２つの度合の動きを有する。
第２のアームリンク４０Ｂは第２のジンバルジョイント
４２の対によって第１のアームリンク４０Ａに結合され
る。この第２のジンバルジョイント４２の対は２つの付
加的な度合の動きをする第２のアームリンク４０Ｂを提
供する。それ故にアーム３４のベース３６に対して、第
２のアームリンク４０Ｂは４つの度合の動きを有する。
用具ホルダ４４は一対のジンバルジョイント４２に１８ よって第２のアームリンク４０Ｂに結合される。用具ホ
ルダ４４はポインタ、超音波装置、手術用レーザ、生検
法用プローブ、放射線ビームコリメー夕等を含む異なっ
たいくつかの用具の中のどれかを保持することができる
。第３のジンバルジョイント４２の対は２つの付加的な
動きの度合を有する用具３８を提供するので、基板３Ｂ
に対して用具３８は６つの度合の動きを有する。
基板３６に対する用具３８の正確な位置付けは光エンコ
ーダ４６によって追跡されている。１つの光エンコーダ
４６が各ジンバルジョイント４２に割り当てられる。個
々のジンバルジョイント４２がそのピボット軸を中心に
回転するとき、光エンコーダ４６はジンバルジョイント
４２のそのピボット軸を中心とする正確な回転量を測定
する。各６つの光エンコーダ４６からの情報はプログラ
マブルコンピュータ１０４に提供され、そこでそのピボ
ット軸の周りのジンバルジョイント４２の個々の回転を
追跡することによって基板３６に対する用具３８の動き
を正確に追跡することができる。
１つ 第３図の実施例に見られるように、光エンコーダ４６は
ジンバルジョイント４２内に配置されることができるよ
うなサイズである。これは非常にコンパクトなアーム構
造とジンバルジョイント４２の位置付けの正確なエンコ
ードを可能にする。アーム構造全体３４は殺菌されるこ
とができ、そして例えばステンレススチールから作成す
ることができる。
さらにアーム３４を操作し易くおよび使用し易くするた
めに、アーム３４は従来の方法で平衡錘で釣り合わされ
ている。
ジンバルジョイント４２のピボット軸を中心にする回転
或いは傾斜に関する情報を計測しおよびフィードバック
する他の手段が使用されることができるが、Ｈｅｉｄｅ
ｎｈａｉｎ或いはＩＴＥＫによって生産され市場で人手
可能なもののような光エンコーダが適切である。上述し
たように、光エンコーダ４６はジンバルジョイント４２
内に適合するようなサイズである。
第４図には、光エンコーダ４６の取り付けの詳細が示さ
れている。ジンバルジョイント４２に結合さ２０ れる歯車５０は光エンコーダ４６を駆動する歯車５２に
約６゜の角度で係合する。この角度で係合することは歯
車のバックラッシュを防止するので、光エンコーダの正
確な読み出しが確実にされる。
操作の間に、３つの個々のラスターイメージおよびグラ
フィックイメージがビデオディスプレイ１０８に同時に
ディスプレイされて、外科医に正確な空間的位置付けを
確実にさせる。異なった各ラスターイメージは異なった
タイプのイメージ技術によって供給されることができる
。例えばビデオディスプレイスクリーン１０８上に同時
に供給される３つの異なったラスターイメージは、ＣＴ
，ＭＲ１等のような３つの異なったイメージ様式から得
ることができる。その代わり単一のイメージ様式からの
多くのスライスが、異なったイメージ様式からの同じス
ライスの代わりに同時にディスプレイされることができ
る。本発明の特徴は実時間で行われるイメージのディス
プレイを提供するので、イメージスライスは外科医が手
術中にアーム３４を動かすのにつれて変化することであ
る。
２１ アーム３４は基準挿入管１０ａ乃至１０ｃと共に使用さ
れることができるように記載されてきたが、内部基準点
が確認できる限りはアーム３４はまた他の現存する定位
法的位置測定（ｓｔｅｒｅｏｔａｃｔｉｅ　ｌｏｃａｌ
ｊｚａＮｏｎ　）システムおよびフレームと共に使用さ
れることもできる。先に述べたように、確認できる内部
基準点は内部および外部座標系の中でアーム３４を位置
付けるために使用される。
第５図乃至第１６図は本発明のシステムで使用されるソ
フトウェアの種々のフローチャートを示す。
第１のソフトウエアのフローチャートは第５図に示され
ており、対話的イメージガイドの手術システムの主プロ
グラムを記載する。主プログラムはスタート２００から
始まり、そしてグラフィックボードはステップ２０１で
初期設定される。マウスはステップ２０２で初期設定さ
れ、システムの不履行はステップ２０３で設定される。
患者の情報はステップ２０４でスクリーン上にディスプ
レイされ、患者の名前およびＩＤナンバーを含む患者に
関する人力はステップ２０５で提供される。
２２ 決定ステップ２０６では患者がローカルデータベースに
入っているかどうかを確定する。もし患者がローカルデ
ータベースに入っているならば、患者の情報と利用可能
なイメージとのセットがステップ２０７でディスプレイ
される。その点で、その手順が動作前手順か動作中手順
かが決定される（ステップ２０８）。もしそれが動作中
手順ならば、動作中ソフトウエアがステップ２０９で利
用される。
もし患者がローカルデータベースに入っていないならば
、決定ステップ２１０でこれが新しいセッションなのか
どうかが確定される。もしそれが新しいセッションなら
ば、患者の情報が収集されて（ステップ２１ｌ）そして
動作前ソフトウエアがステップ２１２で利用される。も
しそのセッションが古いセッションならば、保存記録情
報が入力されて（ステップ２１３）その保存記録情報が
ローカルデータベースにコピーされる。プログラムは、
患者の情報と利用可能なイメージとのセットがディスプ
レイされるステップ２０７から進む。動作前ソフトウェ
ア２１２および動作中ソフトウエア２０９か２３ ら、別の患者を処理するかどうかを決定する決定ステッ
プ２１４が入力される。もしこのセッションが終了する
ならば、ステップ２１５が入力されてセッションが終了
する。もし別の患者が処理されるならば、進行ループが
システム不履行設定ステップ２０３に戻される。
ステップ２１２の動作前ソフトウェアは６つの主な機能
を含む。対象となる手術の大きさを描写しているイメー
ジスライスはシステムハードディスクに転送される。こ
のことは、それらを記憶メディアから直接読み取るか或
いはソフトウェアから転送するかを含む。別の機能はラ
スターイメージをディスプレイ１０ｇ上にディスプレイ
することである。第３の機能は、すべてのラスターイメ
ージに対する個々の閾値およびコントラスト値を設定す
るための位置によってラスターデー夕を見直すことであ
る。ラスターデータが適所にあると、ラスターデータの
グラフィック表示が第４の機能によって生じる。この表
示はワイヤフレームの或いは陰影面の或いは両者であり
得る。動作前ソフト２４ ウェアの第５の機能はラスター範囲のグラフィック表示
の編集である。最終的に、医者は第６の機能でラスター
イメージ上の対象となる標識範囲を選択することができ
る。そこでこれらの範囲はグラフィックイメージのセッ
トに転送される。これらの６つの機能に関するフローチ
ャートは第６図乃至第１１図に示されている。
第６図は動作前ソフトウエア２１２の包括的なフローチ
ャートを示す。動作前ソフトウエア２１２の第１のステ
ップは動作荊メニューをデイスプレ・ｆすることである
。Ｉ／Ｏ源はステップ２１５内のマウス或いはキーを使
用してその間で選択される。
メニューからは、６つの機能２１６乃至２２１の内の１
つが選択され実行されるか或いは出口２２２が選択され
る。メニューの出口２２２から、決定ステップ２２８で
グラフィックモデルが作られてしまっているかどうかが
確定される。もし作られていたならば、ディスプレイ１
０８上の患者の情報のスクリーンへのリターン２２４へ
進む。もしグラフィックモデルが作られていないならば
、次に確定ステツ２　５ ブ２２５で軸上の走査がディスク上にあるかどうかが確
定される。もし軸上の走査がディスク上にあるならば、
グラフィックモデルはステップ２２７で作られて患者の
情報はスクリーンに戻される。
第７図には第１の機能、すなわちイメージのセットの付
加のステップ２１６のためのフローチャートを示す。ス
テップ２２８ではイメージデータが転送される。確定ス
テップ２３０では、イメージが登録されているかどうか
を確定する。もしイメージが登録されていないならば記
憶テープは負荷され（ステップ２３２　）　、もしそれ
らが登録されているならばステップ２３４で回路網転送
が行われる。ステップ２３２か或いは２３４かのいずれ
かから、イメージヘッダがステップ２３６で走査されて
イメージのタイプ、その数、その位置等を確定する。ヘ
ッダ情報はステップ２３８でディスプレイ１０８上にデ
ィスプレイされる。ステップ２３９では、■／０源がマ
ウス或いはキーの間で選択される。ステップ２４０では
、新しいヘッダのために走査されたデータ抽出される。
走査のセットはステップ２４１で抽２６ 出され、これらの走査されたセットはステップ２４２で
配列される。走査された対はステップ２４３でバイト幅
に圧縮され、そしてステップ２４４でローカルデータベ
ースに記憶される。ステップ２４５では、第１の機能２
１６が２４６で出されるか或いはステップ２２８に戻さ
れるかどちらのときに別のイメージのセットを操作する
かを決定する。
第８図は動作前ソフトウェアの第２の機能であるディス
プレイイメージのセットの機能２！７を示す。第２の機
能の第１のステップはステップ２４８でイメージをディ
スプレイするためのメニューを提供することである。Ｉ
／Ｏ源はステップ２４９で選択される。イメージのセッ
ト全体はステップ２５０でそして人力２５１と共にディ
スプレイされることができ、イメージの数およびサイズ
はステップ２５２で決定される。２５８Ｘ　２５Ｂのイ
メージを備えたディスプレイはステップ２５３でディス
プレイされる。その代わりとして、ステップ２５０でイ
メージのセット全体をディスプレイする代わりに、イメ
ージのセットはステップ２５４でウインドウ内２７ にディスプレイされることができる。ステップ２５５の
入力に基いてイメージのサイズはステップ２５６で決定
され、そのディスプレイはステップ２５７で必要とされ
るウインドウ内で５１２Ｘ　５１２であり得る。第２の
機能であるイメージのセットのディスプレイ２１７はス
テップ２５８で出される。
第９図には、第３の機能であるイメージディスプレイの
調整機能のフローチャートが示されている。ステップ２
６０は調整イメージメニューをディスプレイし、そして
ステップ２Ｂ＋はＩ／Ｏ源を選択する。メニューから、
グレースケール（ｇｒａｙｓｃａｌｅ）のレベル、幅、
最小値、最大値がステップ２６２乃至２６５で調整され
ることができる。調整後ゲージはステップ２６６で更新
され、そしてスクリーンはメニューへのリターンによっ
てステップ２６７で更新される。またメニューから、ス
テップ２６９で不履行値を復元するために選択され得る
リセットステップ２６８が存在する。最終的にメ，二二
一から、調整イメージディスプレイ機能２１８からの出
口２７０が存在する。
２８ 第１０図は第４および第５の機能であるグラフィックモ
デルの作成および編集のためのフローチャートを例示す
る。ステップ２８０ではイメージのセットが入力される
。ステップ２８１ではイメージがイメージのセットが軸
上にあるかどうかが確定される。もし軸上になければ、
イメージのセットが軸上に来るまでループが存在する。
イメージのセットが軸上にあるとき、変化度の差が使用
されて対象となる解剖体、例えば患者の頭部、の境界を
決定する。決定ステップ２８３ではイメージの終了に対
して頭頂（　ｖｅｒｔｅｘ）が受け入れられるかどうか
を決定する。もし頭頂が受け入れられないならば、１つ
の頭頂が選択されてそしてステップ２８４で調整される
、さもなければこのステップ２８４が飛び越されてすべ
てのイメージがチェックされる決定ステップ２８５に向
かう。イメージはそのときＮ−Ｎ＋１にまで増加され、
もしすべてのイメージがチェックされないならばフロー
ループが決定ステップ２８３の人力に戻される。さもな
ければ、決定ステップ２８５で決定されるようにすべて
のイ２９ メージがチェックされるとき、第４および第５の機能２
１９，２２０はステップ２８６で出される。
第６の機能である範囲２２１の作或は第１１図のフロー
チャートに示されている。２９０では、固体目標（　ｔ
ａｒｇｅｔ　ｓｏｌ　Ｉｄ）が開始される。ステップ２
９１はソフトウエアへの人力としてウインドウの選択を
含む。ステップ２９２で選択されたウインドウに結合す
る処理を行い、そしてステップ２９３ではマウス２９３
によってラインが引かれる。ステップ２９４でラインは
等価のスライスを有するすべてのウインドウでエンコー
ドされる。人力マウスボタン状況がステップ２９５で確
定される。もし左のボタンが選択されるならば、決定ス
テップ２９３に戻るループが存在する。もし中央のボタ
ンが選択されるならば、処理ループが人力ステップ２９
２に戻る。最終的にもし右のボタンが選択されるならば
、アウトラインがステップ２９７で閉じられそしてステ
ップ２９８で固体目標が包含される。ステップ２９９で
は、固体目標が終了し、そのときにその固体がステップ
２００でラベル付けされステップ３０１で３０ その処理が出されるのかどうかが決定される。
第６図乃至第１１図記載の上記手順およびフローチャー
トは動作前ソフトウエア２１２を記載している。以下の
フローチャートは動作中ソフトウエア２０９を記載する
。動作中ソフトウエア２０９はいくつかの動作中タスク
Ｎｎｔｒａｏｐｅｒａｔｉｖｅ　ｔａｓｋ　）および１
つの真の進行中タスク（　ｉｎＬｒａｐｒｏｃｅｄｕｒ
ａｌｔａｓｋ）を行う。動作中タスクには、患者のデー
タの確認とコンピュータおよび特定の手術進行のための
手術装置の準備とが含まれる。ソフトウエアは開始後光
エンコーダのリセットのためにチェックされる。これは
、正確な角度の決定および正確な手術用具の端部箇所の
位置を確実にする。輝度およびコントラストに対してセ
ットされるシステムディスプレイは操作室内のイメージ
知覚を最大にするように変化される。゛グラフィックデ
ィスプレイ位置は、外科医に対して最も直観的な位置へ
回すことができる。用具の端部はまた、各自由度内の角
度の誤差を決定するためにキャリプレーション装置上の
一連の点に接触する。
３１ 動作中にシステムによって実行されるタスクは以下の通
りである。患者が配置された後、ディスプレイ１０８に
見られるような物理的区域とイメージ区域との間の共通
の点は継続的に配置される。
物理的区域とイメージ区域との間の回転マトリックスは
算出される。ポインタはそのとき手術区域内の対象とな
るいかなる位置へも動かされる。各角度エンコーダの値
はコンピュータ１０４によって読まれ、手術用具３８の
端部箇所３９の位置は物理的区域内で算定され、そして
回転マトリックスによってイメージ区域内の相当する位
置に置かれる。
この点はすべてのラスターウインドウ上およびグラフィ
ックウインドウ内で同時に示される。加えて、末端のジ
ョイントの位置が算出され、グラフィックウインドウ上
に示されて位置決めで外科医を助ける。最終的に、外科
医は用具３８の軌道のディスプレイに切り換えることが
できる。これは外科医が手術的或いはイメージの区域内
の対象となる箇所への最適なパスを決定することを可能
にする。
３　２ 動作中ソフトウエア２０９のためのフローチャートは第
１２図乃至第１６図に例示されている。動作中ソフトウ
エア２０９の包括的なフローチャートは箇１２図に示さ
れている。第１のステップは、ステップ３１０で動作中
メニューをディスプレイすることである。Ｉ／Ｏ源はス
テップａｌｌで選択される。
動作中メニューの５つの異なった機能が選択されること
ができる。第１の機能はスクリーンの準備３１２、第２
の機能はアームの準備３１３、第３の機能はイメージデ
ィスプレイ調整機能３１４、第４の機能はグラフィック
モデルの位置付け、第５の機能はアーム使用機能３１６
である。動作中ソフトウエアはステップ３１７で出され
る。
第１３図は、動作中ソフトウェアの第１の機能であるス
クリーンの準１　８１２を示す。第１のステップ３２０
は、利用可能なイメージのセットおよびウインドウの割
り当てをディスプレイすることである。ラスターおよび
グラフィックウインドウの割り当てはステップ８２１で
入力される。ここから、ウインドウ内の情報が更新され
るか或いは機能３３ ３１２のスクリーンのセットがステップ３２３から出さ
れる。
第１４図は第２の機能であるアームの準備３１３を示す
フローチャートである。ステップ３２５では、アーム情
報スクリーンがディスプレイ１０８上にディスプレイさ
れる。手術用具の長さおよびタイプや基準点の数等を含
めたアームパラメータはステップ３２６で入力される。
情報はステップ３２７で更新され、決定ステップ３２８
では出口への決定が為される。もし出ないと決定された
ならば、ソフトウエアループは更新情報ステップ３２７
の人力に戻される。さもなければ、第２の機能３１３が
ステップ３２９で出される。
第３の機能である調整イメージディスプレイ機能３１４
のためのフローチャートは第９図のフローチャートと同
一である。
第１５図のフローチャートは、第４の機能である調整イ
メージディスプレイ機能３１５を示す。第１のステップ
３３０では、この機能に対するメニューと位置グラフィ
ックモデルメニューがデイスプレ３４ イされている。Ｉ／Ｏ源はステップ３３１で選択される
。回転される軸の選択がそのとき為され、ステップ３３
２，３３３，３３４では任意のＸ，Ｙ，Ｚ軸で回転でき
る。回転の量はステップ３３５で人力され、そしてグラ
フィックモデルの位置付けはステップ３３６で更新され
る。ディスプレイ１０ｇ内のメニューのディスプレイか
ら位置グラフィックモデル機能３１４はステップ３３７
で出される。
第１６図のフローチャートはアームの使用機能３１６を
記載する。第１のステップはアームスクリーン情報３４
０をディスプレイすることである。アームハードウエア
はステップ３４１で初期設定される。エンコーダはステ
ップ３４２でゼロにされる。
エンフーダはそれらのゼロの位置に動かされる。
これはステップ３４３での入力である。決定ステップ３
４４では、すべてのエンコーダがゼロであるかどうかは
ステップ３４２にループし戻されるという消極的な結果
によって決定される。もしすべてのエンコーダがゼロな
らばステップ３４５はエンコーダのキャリプレイトする
ために丈行される。物理３５ 的区域内の、すなわち内部座標系内の、基準挿入管はス
テップ３４６で保全される。決定ステップ３４７では、
すべての基準挿入管１０ａ乃至１０ｃが配置されている
かどうかを決定する。もし配置されていないならば、基
準が用具３８によって配置されそしてこの情報がステッ
プ３４８で人力される。
すべての基準挿入管ＩＯａ乃至１０ｃが見出だされると
き、回転のマトリックスがステップ３４９で算出される
。用具３８の端部チツプ３９の位置はステップ３５０で
算出される。ステップ３４９に対する入力（回転マトリ
ックスの算出）は、用具３８が動かされるステップ３５
１で提供される。端部チツプ３９の位置がステップ３５
０で算出された後、用具３８の位置はステップ３５２で
最良のラスターイメージスライス上およびグラフィック
モデル上にディスプレイされる。そのとき、決定ステッ
プ３５３で軌道モードがオンになっているかどうかが決
定される。
もしオンでなければ、決定ステップ３５４で機能３１６
を出るかどうかが決定される。もし軌道モードがオンで
あるならば、ステップ３５５で軌道ベク３　６ トルがグラフィックモデル上に引かれる。グラフィック
モデル上の軌道ベクトルが引かれると、そのとき機能３
１６を出るかどうかが再度決定される。
もし出るように決定されるならば、出口ステップ３５６
がそのとき履行される。もしそうでなければ、プログラ
ムループがステップ３４９に戻されて回転マトリックス
を算出する。
第５図乃至第１６図に記載された上述のフローチャート
は、本発明で使用されることができるソフトウエアの実
施例を記載している。しかし、本発明のアーム３４を使
用するためのプログラムの他の実施例が企図される。さ
らに、本発明３４は基準挿入管１０ａ乃至１０ｃを使用
するように記載されてきたが、アーム３４はまたｅｎｅ
ｅの内部箇所が提供されるいかなるシステムによっても
使用されることができる。
【図面の簡単な説明】
第１ａ図および第１ｂ図は頭部に配置された基準挿入管
を有する頭部の違った見方の図、第２図は本発明の実施
例による動作の構造図、第３図は３７ 本発明の実施例によって構成された機械アームの図、第
４図は第３図のアームによって使用される光エンコーダ
用歯車係合の拡大図、第５図は本発明の丈施例による対
話的イメージガイドの手術システムのためのフローチャ
ート、第６図は動作前ソフトウェアのフローチャート、
第７図は動作前ソフトウエアの第１の機能のフローチャ
ート、第８図は動作前ソフトウエアの第２の機能のフロ
ーチャート、第９図は動作前ソフトウエアの第３の機能
のフローチャート、第１０図は動作前ソフトウェアの第
４および第５の機能のフローチャート、第１１図は動作
前ソフトウェアの第６の機能のフローチャート、第１２
図は動作中ソフトウエアの機能の選択を示すフローチャ
ート、第１３図は動作中ソフトウエアの第１の機能のフ
ローチャート、第１４図は動作中ソフトウェアの第２の
機能のフローチャート、第１５図は動作中ソフトウエア
の第４の機能のフローチャート、第１６図は動作中ソフ
トウエアの第５の機能のフローチャートである。 １０ａ　ｌ　ｔｏｂ　，　１０ｃ　・・・基準挿入管、
３　４　・・・アーム、３６３８ ・・・基板、３８・・・用具、４ＯＡ，　４０Ｂ・・・
アームリンク、４２・・・ジョイント、４４・・・用具
ホルダ、４６・・・光エンコーダ、５０・・・歯車、１
０４・・・コンピ早−夕、　１０ｇ・・・ディスプレイ
。

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）第１の端部に固定された基板と、第２の端部で手
    術用具を保持する用具ホルダとを有する機械アームと、 患者の解剖体のイメージ区域からの少なくとも１つのイ
    メージをディスプレイするディスプレイと、 ディスプレイおよび機械アームに結合されており、物理
    的区域での手術用具の位置を追跡し、物理的区域の回転
    をイメージ区域の回転へ変換し、そして前記ディスプレ
    イにイメージ区域内の手術用具の位置をディスプレイさ
    せるコンピュータとを具備する、少なくとも１つのイメ
    ージ技術を使用して手術用具の使用をガイドする対話的
    システム。
  2. （２）前記機械アームがジョイントと、前記基板に対す
    る前記ジョイントの動きを電気的にコード化するための
    手段とを有し、コード化するための前記手段は前記コン
    ピュータに結合されて前記ジョイントの電気的にコード
    化された動きを前記コンピュータに提供する請求項１記
    載のシステム。
  3. （３）前記ジョイントの動きを電気的にコード化するた
    めの手段が光エンコーダである請求項２記載のシステム
    。
  4. （４）前記機械アームの各自由度に対して１つずつの光
    エンコーダが提供される請求項３記載のシステム。
  5. （５）前記機械アームが消毒可能である請求項１記載の
    システム。
  6. （６）イメージ区域からの前記イメージがラスターイメ
    ージである請求項１記載のシステム。
  7. （７）イメージ区域の複数のイメージが、異なったイメ
    ージ技術によって提供されるイメージと共に前記ディス
    プレイによってディスプレイされる請求項１記載のシス
    テム。
  8. （８）前記複数のイメージの内の１つがイメージ区域の
    グラフィック表示である請求項７記載のシステム。
  9. （９）表面に固定可能である基板と、 前記基板に結合された第１の対のジョイントと、第１の
    端部で第１の対のジョイントに結合され、前記第１の対
    のジョイントによって提供される２つの自由度を有する
    第１のアームリンクと、前記第１のアームリンクの第２
    の端部に結合された第２の対のジョイントと、 第１の端部で第２の対のジョイントに結合され、前記第
    １および第２の対のジョイントによって提供される４つ
    の自由度を有する第２のアームリンクと、 前記第２のアームリンクの第２の端部に結合された第３
    の対のジョイントと、 前記第３の対のジョイントに結合され、前記第１、第２
    、第３の対のジョイントによって提供される６つの自由
    度を有する用具ホルダと、 他のジョイントに相対的なあるジョイントの動きを電気
    的にコード化し、そしてジョイントの動きの量および方
    向を示す信号を生成する、各ジョイントに結合された個
    々のエンコーダとを具備する、人間の操作者によって操
    作可能であり、そのアームの動きがアームに結合された
    コンピュータによって追跡できる機械アーム。
  10. （１０）前記ジョイントがジンバルジョイントである請
    求項９記載のアーム。
  11. （１１）エンコーダが光エンコーダである請求項９記載
    のアーム。
  12. （１２）光エンコーダがジンバルジョイント内に取り付
    けられる請求項１１記載のアーム。
  13. （１３）各光エンコーダが光エンコーダを駆動する歯車
    を有し、各ジンバルジョイントが、ジンバルジョイント
    に結合され且つ光エンコーダの歯車を駆動する歯車を有
    し、ジンバルジョイントの歯車および光エンコーダの歯
    車がバックラッシュを防止するための角度で係合する請
    求項１２記載のアーム。
  14. （１４）前記角度が６°である請求項１３記載のアーム
    。
  15. （１５）前記歯車が４分の１ピッチのスパー歯車である
    請求項１３記載のアーム。
  16. （１６）前記ジンバルジョイントと前記第１および第２
    のアームリンクとがステンレススチールから作成される
    請求項１０記載のアーム。
  17. （１７）前記アームが消毒可能である請求項９記載のア
    ーム。
  18. （１８）前記用具ホルダが異なったタイプの手術用具を
    保持するように適合された請求項９記載のアーム。
  19. （１９）イメージ技術を使用して患者の解剖体の部分を
    走査することと、 走査のステップの結果を使用して患者の解剖体内に内部
    基準点を位置付けることと、 操作可能な関節接合されたアーム上の手術用具の端部チ
    ップを前記内部基準点との既知の関係に位置付けること
    およびコンピュータにおける初期設定をノートすること
    によって、前記端部チップを初期設定することと、 区域での手術用具の端部チップの動きをコンピュータで
    追跡することと、 走査された部分に対する手術用具の端部チップの位置を
    実時間でディスプレイすることを含む手術手順の実行方
    法。
  20. （２０）内部基準点として働くように患者の解剖体内に
    基準挿入管を挿入することをさらに含む請求項１９記載
    の方法。
  21. （２１）追跡ステップが、アーム内のジョイントの動き
    をコード化することと、そのコード化された動きをコン
    ピュータに送ることとを含む請求項２０記載の方法。
  22. （２２）基準挿入管に基いた内部座標系を創設すること
    を含む請求項２１記載の方法。
  23. （２３）前記アームの固定された基板に関連する外部座
    標系を創設することをさらに含み、前記基板の区域内の
    位置は前記端部チップの初期設定の際に記憶される請求
    項２２記載の方法。
  24. （２４）複数のイメージ技術を使用して患者の解剖体の
    部分を走査することをさらに含む請求項２３記載の方法
    。
  25. （２５）複数の各イメージ技術からのイメージを同時に
    ディスプレイすることをさらに含む請求項２４記載の方
    法。
  26. （２６）異なったタイプの手術用具によって前記アーム
    上の手術用具を置換することをさらに含む請求項２５記
    載の方法。
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