JPH07148180A - 位置判定システム及び方法 - Google Patents
位置判定システム及び方法Info
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- JPH07148180A JPH07148180A JP5315798A JP31579893A JPH07148180A JP H07148180 A JPH07148180 A JP H07148180A JP 5315798 A JP5315798 A JP 5315798A JP 31579893 A JP31579893 A JP 31579893A JP H07148180 A JPH07148180 A JP H07148180A
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Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【目的】 患者の頭蓋骨の座標系と、診断データの座標
系とを正確に調和させる。 【構成】 患者の頭虻を患者支持部10の一端に固定
し、受信器アレイ50を、患者支持部に固定されている
フレーム12に取り付ける。このフレームには、少なく
とも1つの基準送信器52が載置されている。杖部材4
2には少なくとも2つの射出部44、46が取り付けら
れている。この射出部から受診器アレイまでの信号の相
対移動時間を測定し、この移動時間を、基準送信機から
1つ以上の受診器までの既知の距離における移動時間と
比較することにより、患者支持部の座標系における、前
記杖部材の位置を判定する80。診断画像データの三次
元アレイを、患者の固定位置において取り込まれると共
に、少なくとも3つのマーカ114が患者に固定され
る。
系とを正確に調和させる。 【構成】 患者の頭虻を患者支持部10の一端に固定
し、受信器アレイ50を、患者支持部に固定されている
フレーム12に取り付ける。このフレームには、少なく
とも1つの基準送信器52が載置されている。杖部材4
2には少なくとも2つの射出部44、46が取り付けら
れている。この射出部から受診器アレイまでの信号の相
対移動時間を測定し、この移動時間を、基準送信機から
1つ以上の受診器までの既知の距離における移動時間と
比較することにより、患者支持部の座標系における、前
記杖部材の位置を判定する80。診断画像データの三次
元アレイを、患者の固定位置において取り込まれると共
に、少なくとも3つのマーカ114が患者に固定され
る。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、位置判定システム及び
装置に関し、特に神経外科に関連して適用されるので、
特にそれに基づいて記載することとする。しかしなが
ら、本発明は、他の医学的処置、工業的品質制御手順等
にも応用可能であることは認められよう。
装置に関し、特に神経外科に関連して適用されるので、
特にそれに基づいて記載することとする。しかしなが
ら、本発明は、他の医学的処置、工業的品質制御手順等
にも応用可能であることは認められよう。
【0002】
【従来の技術】悩及びその他の身体部分の三次元診断画
像データは、CTスキャナ、磁気共鳴撮像装置、或いは
その他の医療診断機器を用いて、一般的に得ることがで
きる。これらの撮像設備は、ミリメートル単位以上の解
像力で、構造の詳細を与えるものである。
像データは、CTスキャナ、磁気共鳴撮像装置、或いは
その他の医療診断機器を用いて、一般的に得ることがで
きる。これらの撮像設備は、ミリメートル単位以上の解
像力で、構造の詳細を与えるものである。
【0003】種々の立体状処置が開発されているが、こ
れらは非常に高い精度を要求する。典型的な神経外科処
置は、ガイド針生検(guided-needle biopsies)、シャン
ト配置(shunt placements)、病巣開頭術(craniotomies
for lesion)または腫よう切除(tumour resection)等を
含んでいる。三次元「ローカライザ(localizer)」が患
者の頭蓋骨に取り付けられる。ローカライザは、正確に
解析された形状及び面積によって、外科用機器を案内ま
たは配置するための機械的装置である。一般的に、ロー
カライザは、金属製またはプラスチック製のリングまた
はフレームに取り付けられており、そこから「フレーム
付」定位脳手術(stereotaxy)の名が生まれた。このフレ
ームは、通常種々の取り付け用ハードウエア方法を用い
て、患者に固定される。ハードウエアには、患者の皮膚
に突き刺し、頭蓋骨内に配置する鋭い先端またはピンが
含まれる。ローカライザはフレーム上に取り付けられ
る。ローカライザとフレームとによって、ミリメートル
以上の機械的精度で、外科用機器を機械的に配置する能
力を、外科医に与えることができる。しかしながら、解
剖学的には、診断用撮像の低精度及び患者の動きのため
に、精度は幾分低くなる。
れらは非常に高い精度を要求する。典型的な神経外科処
置は、ガイド針生検(guided-needle biopsies)、シャン
ト配置(shunt placements)、病巣開頭術(craniotomies
for lesion)または腫よう切除(tumour resection)等を
含んでいる。三次元「ローカライザ(localizer)」が患
者の頭蓋骨に取り付けられる。ローカライザは、正確に
解析された形状及び面積によって、外科用機器を案内ま
たは配置するための機械的装置である。一般的に、ロー
カライザは、金属製またはプラスチック製のリングまた
はフレームに取り付けられており、そこから「フレーム
付」定位脳手術(stereotaxy)の名が生まれた。このフレ
ームは、通常種々の取り付け用ハードウエア方法を用い
て、患者に固定される。ハードウエアには、患者の皮膚
に突き刺し、頭蓋骨内に配置する鋭い先端またはピンが
含まれる。ローカライザはフレーム上に取り付けられ
る。ローカライザとフレームとによって、ミリメートル
以上の機械的精度で、外科用機器を機械的に配置する能
力を、外科医に与えることができる。しかしながら、解
剖学的には、診断用撮像の低精度及び患者の動きのため
に、精度は幾分低くなる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】これまでに起きた問題
の1つは、患者の頭蓋骨または定位脳ローカライザの座
標系と、診断データの座標系とを正確に調和させること
であった。1つの解決法は、患者に定位脳フレームを取
り付けたまま撮像することであった。定位脳フレームが
得られた画像の中に現れるので、外科医は画像の中に基
準のフレームが得られた。2つの基準フレームを比較的
正確に調和できるが、フレームを用いることによる多く
の欠点があり、その中には撮像と外科処置との双方のた
めに患者の頭部にフレームを取り付ける必要性があるこ
と、及びそれに関連して費用がかかることが含まれる。
の1つは、患者の頭蓋骨または定位脳ローカライザの座
標系と、診断データの座標系とを正確に調和させること
であった。1つの解決法は、患者に定位脳フレームを取
り付けたまま撮像することであった。定位脳フレームが
得られた画像の中に現れるので、外科医は画像の中に基
準のフレームが得られた。2つの基準フレームを比較的
正確に調和できるが、フレームを用いることによる多く
の欠点があり、その中には撮像と外科処置との双方のた
めに患者の頭部にフレームを取り付ける必要性があるこ
と、及びそれに関連して費用がかかることが含まれる。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の態様によ
れば、対象支持部と、対象のあらかじめ選択した部分を
前記対象支持部に固定する手段と、前記対象の一部を前
記対象支持部に固定する手段に近接して、前記対象支持
部に対して固定した関係で、少なくとも3つの受信器を
取り付ける、フレーム構造体と、前記受信器から固定し
た既知の距離の位置に取り付けられた、少なくとも1つ
の基準射出部であって、該基準射出部から前記受信器ま
での固定距離を移動する基準信号を射出する前記基準射
出部と、前記固定距離を移動する前記基準信号の基準移
動信号を測定する較正手段と、1つのポインタと少なく
とも2つの射出部とが取り付けられている杖部材であっ
て、前記2つの射出部は、選択的に杖部材信号を射出
し、それを前記少なくとも3つの受信器で受信するよう
にした前記杖部材と、前記2つの杖部材射出部と前記少
なくとも3つの受信器との間の前記杖部材信号の移動時
間を測定することによって、前記ポインタの位置を判定
する、杖部材位置判定手段であって、前記較正手段に接
続され、前記杖部材信号移動時間を前記基準移動時間で
較正する、前記杖部材位置判定手段と、から成ることを
特徴とする位置判定システムが提供される。
れば、対象支持部と、対象のあらかじめ選択した部分を
前記対象支持部に固定する手段と、前記対象の一部を前
記対象支持部に固定する手段に近接して、前記対象支持
部に対して固定した関係で、少なくとも3つの受信器を
取り付ける、フレーム構造体と、前記受信器から固定し
た既知の距離の位置に取り付けられた、少なくとも1つ
の基準射出部であって、該基準射出部から前記受信器ま
での固定距離を移動する基準信号を射出する前記基準射
出部と、前記固定距離を移動する前記基準信号の基準移
動信号を測定する較正手段と、1つのポインタと少なく
とも2つの射出部とが取り付けられている杖部材であっ
て、前記2つの射出部は、選択的に杖部材信号を射出
し、それを前記少なくとも3つの受信器で受信するよう
にした前記杖部材と、前記2つの杖部材射出部と前記少
なくとも3つの受信器との間の前記杖部材信号の移動時
間を測定することによって、前記ポインタの位置を判定
する、杖部材位置判定手段であって、前記較正手段に接
続され、前記杖部材信号移動時間を前記基準移動時間で
較正する、前記杖部材位置判定手段と、から成ることを
特徴とする位置判定システムが提供される。
【0006】本発明の第2の態様によれば、位置判定方
法が提供され、a)対象の一部を対象支持表面に固定
し、前記対象支持表面に対して固定した関係で取り付け
られた少なくとも3つの信号受信器に近接させるステッ
プ、b)前記対象部分上の選択位置を示すために杖部材
を位置付けるステップであって、前記杖部材には、前記
受信器が受信する信号を選択的に射出する、少なくとも
2つの杖部材射出部が取り付けられており、c)前記杖
部材射出部を駆動して杖信号を射出するステップd)前
記杖部材射出部の信号から、前記患者の支持部の座標系
における杖部材射出部の座標を計算するステップ、e)
計算された杖部材射出部の座標間の計算された距離と、
前記杖部材射出部間の物理的距離とを比較するステッ
プ、f)前記計算された距離と物理的距離との差が所定
の標準を超過した場合、これに応答して測定受け入れ不
可信号を供給するステップ、から成ることを特徴とす
る。
法が提供され、a)対象の一部を対象支持表面に固定
し、前記対象支持表面に対して固定した関係で取り付け
られた少なくとも3つの信号受信器に近接させるステッ
プ、b)前記対象部分上の選択位置を示すために杖部材
を位置付けるステップであって、前記杖部材には、前記
受信器が受信する信号を選択的に射出する、少なくとも
2つの杖部材射出部が取り付けられており、c)前記杖
部材射出部を駆動して杖信号を射出するステップd)前
記杖部材射出部の信号から、前記患者の支持部の座標系
における杖部材射出部の座標を計算するステップ、e)
計算された杖部材射出部の座標間の計算された距離と、
前記杖部材射出部間の物理的距離とを比較するステッ
プ、f)前記計算された距離と物理的距離との差が所定
の標準を超過した場合、これに応答して測定受け入れ不
可信号を供給するステップ、から成ることを特徴とす
る。
【0007】本発明の第3の態様によれば、位置判定方
法が提供され、a)対象の一部を対象支持表面に固定
し、前記対象支持表面に対して固定した関係で取り付け
られた少なくとも3つの信号受信器に近接させ、更に、
基準信号射出部を前記複数の受信器から既知の固定距離
に固定するステップ、b)前記対象部分上の選択位置を
示すために杖部材を位置付けるステップであって、前記
杖部材には、前記受信器が受信する信号を選択的に射出
する、少なくとも2つの杖部材射出部が取り付けられて
おり、c)前記杖部材射出部を駆動して杖信号を射出す
るステップ、d)前記杖部材射出部の各々から前記受信
部まで、及び前記基準射出部から前記受信部まで移動す
る前記杖部材及び基準信号の移動期間を測定するステッ
プ、e)移動時間から、前記対象支持部の座標系におけ
る、前記杖部材によって指定された位置の座標を計算す
るステップ、から成ることを特徴とする。
法が提供され、a)対象の一部を対象支持表面に固定
し、前記対象支持表面に対して固定した関係で取り付け
られた少なくとも3つの信号受信器に近接させ、更に、
基準信号射出部を前記複数の受信器から既知の固定距離
に固定するステップ、b)前記対象部分上の選択位置を
示すために杖部材を位置付けるステップであって、前記
杖部材には、前記受信器が受信する信号を選択的に射出
する、少なくとも2つの杖部材射出部が取り付けられて
おり、c)前記杖部材射出部を駆動して杖信号を射出す
るステップ、d)前記杖部材射出部の各々から前記受信
部まで、及び前記基準射出部から前記受信部まで移動す
る前記杖部材及び基準信号の移動期間を測定するステッ
プ、e)移動時間から、前記対象支持部の座標系におけ
る、前記杖部材によって指定された位置の座標を計算す
るステップ、から成ることを特徴とする。
【0008】
【作用】本発明を具体化した装置及び方法の利点の1つ
は、外科手術の前または最中に、簡単にしかも痛みを伴
わずに、1つ以上の撮像機器から得られる三次元画像デ
ータの座標系と、患者の座標系とを調和する技術を提供
することである。
は、外科手術の前または最中に、簡単にしかも痛みを伴
わずに、1つ以上の撮像機器から得られる三次元画像デ
ータの座標系と、患者の座標系とを調和する技術を提供
することである。
【0009】本発明を具体化した装置及び方法の他の利
点は、画像取得のための走査中にフレームを必要としな
いことである。
点は、画像取得のための走査中にフレームを必要としな
いことである。
【0010】本発明を具体化した装置及び方法は、シス
テムの必要な部分の殺菌が容易になることである。
テムの必要な部分の殺菌が容易になることである。
【0011】本発明を具体化した装置及び方法の他の利
点は、使用が簡単で、ユーザが扱易いことである。
点は、使用が簡単で、ユーザが扱易いことである。
【0012】本発明による装置及び方法を、添付図面を
参照しながら、以下に一例として説明する。
参照しながら、以下に一例として説明する。
【0013】
【実施例】まず図1において、人間の患者のような対象
が、手術用台即ち対象支持部10に載せられ、手術室内
で適切に位置決めされる。フレーム12が患者支持台に
固定され、対象または対象支持台の座標系内で正確に位
置決めする。フレーム12を患者支持台に取り付けるこ
とによって、患者支持台を、回転、上昇、下降、他の位
置への移転等を、患者の座標系を変えることなく、行う
ことができる。フレーム12は、複数の射出部/受信部
の構造体14を支持している。この構造体14は、フレ
ーム12上の既知の固定位置に取り付けられる。好まし
くは、頭部固定具16またはその他の手段が、対象支持
台の座標系において、患者の頭部または考慮対象の他の
部分を、固定位置決めする。フレームは、垂線から固定
のまたは選択可能な角度で取り付けられ、患者の対象領
域に焦点を合わせながら、フレームを患者により近付け
ることができるようにしている。
が、手術用台即ち対象支持部10に載せられ、手術室内
で適切に位置決めされる。フレーム12が患者支持台に
固定され、対象または対象支持台の座標系内で正確に位
置決めする。フレーム12を患者支持台に取り付けるこ
とによって、患者支持台を、回転、上昇、下降、他の位
置への移転等を、患者の座標系を変えることなく、行う
ことができる。フレーム12は、複数の射出部/受信部
の構造体14を支持している。この構造体14は、フレ
ーム12上の既知の固定位置に取り付けられる。好まし
くは、頭部固定具16またはその他の手段が、対象支持
台の座標系において、患者の頭部または考慮対象の他の
部分を、固定位置決めする。フレームは、垂線から固定
のまたは選択可能な角度で取り付けられ、患者の対象領
域に焦点を合わせながら、フレームを患者により近付け
ることができるようにしている。
【0014】図1の参照を続け、更に図2も参照する
と、操作者コンソール18がコンピュータシステム20
を収容してある。また、コンピュータシステムは、遠隔
地に配置し、配線によって制御コンソール18と接続す
ることもできる。コンピュータシステムは、三次元デー
タメモリ22を備えている。記憶される三次元画像デー
タは、好ましくは三次元矩形格子点の各々に体して画像
画素値を有し、256x256x256の格子が好まし
い。各画像値が1立方ミリメートルを表わす時、画像デ
ータは、1ミリメートルの解像度で、患者を約25.6
立方センチメートルで表わす。データが三次元矩形格子
にあるので、従来の技術を用いて、三次元メモリから容
易に、選択可能な直交及びその他の傾斜面のデータを引
き出すことができる。面選択手段24が、三次元メモリ
から、表示のために種々の二次元平面データ値を選択す
る。好適実施例では、面選択手段は、少なくとも3平
面、即ち軸方向、矢状(sagittal)、冠状(coronal)平面
と、傾斜面とを、患者の選択可能点から選択する。選択
された軸方向、矢状、冠状の平面と、傾斜面上にある画
素値は、対応する画像メモリ26a,16b,26c及
び26dに記憶される。画像処理手段28が、1つ以上
のメモリ26からの前記二次元デジタル画像表現を、画
像モニタ30またはその他の適切な表示手段上で表示す
るために、適切な信号に変換する。
と、操作者コンソール18がコンピュータシステム20
を収容してある。また、コンピュータシステムは、遠隔
地に配置し、配線によって制御コンソール18と接続す
ることもできる。コンピュータシステムは、三次元デー
タメモリ22を備えている。記憶される三次元画像デー
タは、好ましくは三次元矩形格子点の各々に体して画像
画素値を有し、256x256x256の格子が好まし
い。各画像値が1立方ミリメートルを表わす時、画像デ
ータは、1ミリメートルの解像度で、患者を約25.6
立方センチメートルで表わす。データが三次元矩形格子
にあるので、従来の技術を用いて、三次元メモリから容
易に、選択可能な直交及びその他の傾斜面のデータを引
き出すことができる。面選択手段24が、三次元メモリ
から、表示のために種々の二次元平面データ値を選択す
る。好適実施例では、面選択手段は、少なくとも3平
面、即ち軸方向、矢状(sagittal)、冠状(coronal)平面
と、傾斜面とを、患者の選択可能点から選択する。選択
された軸方向、矢状、冠状の平面と、傾斜面上にある画
素値は、対応する画像メモリ26a,16b,26c及
び26dに記憶される。画像処理手段28が、1つ以上
のメモリ26からの前記二次元デジタル画像表現を、画
像モニタ30またはその他の適切な表示手段上で表示す
るために、適切な信号に変換する。
【0015】図1の参照を続けると共に、図3もここで
参照する。患者上の位置を示すために、外科医は杖部材
42の先端40を、所望位置に配置する。ロケータシス
テムは、杖部材の先端の座標と起動を突き止める。より
具体的には、杖部材は1対の射出部44及び46を備え
ており、選択的に位置決め信号、本好適実施例では超音
波信号を射出する。
参照する。患者上の位置を示すために、外科医は杖部材
42の先端40を、所望位置に配置する。ロケータシス
テムは、杖部材の先端の座標と起動を突き止める。より
具体的には、杖部材は1対の射出部44及び46を備え
ており、選択的に位置決め信号、本好適実施例では超音
波信号を射出する。
【0016】図7を参照すると、第1の射出部44は、
先端40から既知の距離l1に固定されており、第2の
射出部46は、第1の射出部44から既知の距離l2に
固定されている。杖部材は従来の技術によって容易に殺
菌することができる。数学的計算を容易にするために
は、2つの射出部及び先端は、直線的に配列されている
ことが好ましい。図5に示されているように、任意に杖
部材42にジョグ(jog)48を設け、前記先端と2つの
射出部とを中央軸または杖部材の指示方向に沿って配置
できるようにしてもよい。
先端40から既知の距離l1に固定されており、第2の
射出部46は、第1の射出部44から既知の距離l2に
固定されている。杖部材は従来の技術によって容易に殺
菌することができる。数学的計算を容易にするために
は、2つの射出部及び先端は、直線的に配列されている
ことが好ましい。図5に示されているように、任意に杖
部材42にジョグ(jog)48を設け、前記先端と2つの
射出部とを中央軸または杖部材の指示方向に沿って配置
できるようにしてもよい。
【0017】図6を参照して、フレーム12は、例えば
好適実施例ではマイクロホン50のような複数の受信器
だけでなく、複数の基準射出部52も備えている。基準
受信器は、各々、隣接するマイクロホン即ち受信器か
ら、距離S1及びS2だけ隔てられて、フレームの側縁
に沿って配されている。好ましくは、S1=S2−Sが
成り立つ。各基準受信器も、対向して設けられた射出部
52から距離Dを隔てて、フレームを横切るように配さ
れている。射出部及びマイクロホンは、通常フレーム1
2と共通平面をなしている。好ましくは、両方の距離ま
たは範囲値Dは、その長さが等しい。
好適実施例ではマイクロホン50のような複数の受信器
だけでなく、複数の基準射出部52も備えている。基準
受信器は、各々、隣接するマイクロホン即ち受信器か
ら、距離S1及びS2だけ隔てられて、フレームの側縁
に沿って配されている。好ましくは、S1=S2−Sが
成り立つ。各基準受信器も、対向して設けられた射出部
52から距離Dを隔てて、フレームを横切るように配さ
れている。射出部及びマイクロホンは、通常フレーム1
2と共通平面をなしている。好ましくは、両方の距離ま
たは範囲値Dは、その長さが等しい。
【0018】好適実施例では、杖部材の射出部からフレ
ームまでの距離、即ち患者に体する杖部材の位置は、音
の移動時間によって決定される。空中を伝わる音パルス
の速度は、温度、湿度及び空気の化学的構成によって決
まる。これらの要因は、動作中、そして処理手順によっ
ても、大幅に変動する。図7に示すように、操作室内の
音速を決定するための計算を行う。より具体的には、較
正手段60が選択的に基準射出部52にパルスを供給
し、受信器50で信号を受信し、そして図7の手順にし
たがって経過時間情報を処理する。即ち、較正手段60
は、基準射出部50の第1のものに信号パルスを射出さ
せるステップまたは手段62を備えている。ステップま
たは手段64が、範囲値D’、即ち超音波が距離Dを横
切るのに必要な時間を獲得する。ステップまたは手段6
6が、例えば図6に示された4つの射出部の各々に対し
て1回のように、あらかじめ決められた回数だけ、この
手順を繰り返させる。
ームまでの距離、即ち患者に体する杖部材の位置は、音
の移動時間によって決定される。空中を伝わる音パルス
の速度は、温度、湿度及び空気の化学的構成によって決
まる。これらの要因は、動作中、そして処理手順によっ
ても、大幅に変動する。図7に示すように、操作室内の
音速を決定するための計算を行う。より具体的には、較
正手段60が選択的に基準射出部52にパルスを供給
し、受信器50で信号を受信し、そして図7の手順にし
たがって経過時間情報を処理する。即ち、較正手段60
は、基準射出部50の第1のものに信号パルスを射出さ
せるステップまたは手段62を備えている。ステップま
たは手段64が、範囲値D’、即ち超音波が距離Dを横
切るのに必要な時間を獲得する。ステップまたは手段6
6が、例えば図6に示された4つの射出部の各々に対し
て1回のように、あらかじめ決められた回数だけ、この
手順を繰り返させる。
【0019】一旦各射出部と受信器対との間の移動時間
が、あらかじめ決められた回数得られたなら、ステップ
または手段70が、固定した機械遅れに対して、この時
間を補正する。即ち、基準射出部52を駆動するための
指令を送った時と、それらが実際に検出可能な超音波信
号を生成するまでの間に、小さな遅れがある。同様に、
超音波パルスが受信器即ちマイクロホン50に到達する
時間と、コンピュータの処理部に受け入れられて測定可
能な電気信号になる時間との間にも、小さな遅れがあ
る。平均化手段72が、送信器と受信器との間で超音波
パルスを伝送するための機械遅れに対する補正の後、実
際の時間の平均を取る。前記範囲値D’にわたる時間
が、最も正確な結果をもたらす。ステップまたは手段7
4が、操作室内の患者に隣接する超音波信号の現在の速
度を示す較正計数Fを計算する。好適実施例では、較正
計数は、音響的に測定した距離D’対距離Dの正確な機
械的測定値の比率である。
が、あらかじめ決められた回数得られたなら、ステップ
または手段70が、固定した機械遅れに対して、この時
間を補正する。即ち、基準射出部52を駆動するための
指令を送った時と、それらが実際に検出可能な超音波信
号を生成するまでの間に、小さな遅れがある。同様に、
超音波パルスが受信器即ちマイクロホン50に到達する
時間と、コンピュータの処理部に受け入れられて測定可
能な電気信号になる時間との間にも、小さな遅れがあ
る。平均化手段72が、送信器と受信器との間で超音波
パルスを伝送するための機械遅れに対する補正の後、実
際の時間の平均を取る。前記範囲値D’にわたる時間
が、最も正確な結果をもたらす。ステップまたは手段7
4が、操作室内の患者に隣接する超音波信号の現在の速
度を示す較正計数Fを計算する。好適実施例では、較正
計数は、音響的に測定した距離D’対距離Dの正確な機
械的測定値の比率である。
【0020】図8、9及び10を参照して、杖部材座標
及び軌道決定手段80が、2つの射出部44及び46そ
れぞれの位置を判定する。より具体的には、ステップま
たは手段82が、射出部44に超音波信号を射出させ
る。フレーム12上の受信器50は、この超音波信号
を、対応する時間L1−L4で受信する。ステップまた
は手段84が、これらの時間を獲得し、保持する。ステ
ップまたは手段88が、第2の射出部46に伝送を行わ
せる。ステップまたは手段88が、第2の射出部からマ
イクロホン50に超音波信号を通過させるのに必要な、
前記4つの時間L1−L4を獲得する。この超音波送信
の速度及び送信時間の精度は、前記距離がミリメートル
以内以上の精度で測定できる程度とする。ステップまた
は手段90が、2つの射出部に射出させると共に、対応
するデータ値L1−L4が、複数の時間の各々を獲得
し、デジタル化(digitation)精度を例えば2倍に改善す
る。
及び軌道決定手段80が、2つの射出部44及び46そ
れぞれの位置を判定する。より具体的には、ステップま
たは手段82が、射出部44に超音波信号を射出させ
る。フレーム12上の受信器50は、この超音波信号
を、対応する時間L1−L4で受信する。ステップまた
は手段84が、これらの時間を獲得し、保持する。ステ
ップまたは手段88が、第2の射出部46に伝送を行わ
せる。ステップまたは手段88が、第2の射出部からマ
イクロホン50に超音波信号を通過させるのに必要な、
前記4つの時間L1−L4を獲得する。この超音波送信
の速度及び送信時間の精度は、前記距離がミリメートル
以内以上の精度で測定できる程度とする。ステップまた
は手段90が、2つの射出部に射出させると共に、対応
するデータ値L1−L4が、複数の時間の各々を獲得
し、デジタル化(digitation)精度を例えば2倍に改善す
る。
【0021】ステップまたは手段92が、較正手段に、
図7に関連して説明したステップ実行し、患者に隣接す
る音速の現在値を示すようにする。もちろん、図7の較
正手順は、ステップ82−88の直前に行ってもよい
し、平均化のための数個のデータ値の収集の最中に間欠
的に行ってもよい。ステップまたは手段94が、上述の
ステップまたは手段70に関する固定機械遅れに対し
て、値L1−L4を補正する。ステップまたは手段96
が、超音波信号が第1及び第2の射出部44、46から
マイクロホン50まで移動するのに必要な時間L1−L
4の各々を、ステップまたは手段74で決定した補正値
Fにしたがって補正する。平均化手段98が、遅れ及び
較正について補正した時間L1−L4、即ち杖部材の射
出部46の各々とマイクロホン50の各々との間の距離
の平均を求める。これらの距離から、少なくとも3つの
受信器50が備えられ、ステップまたは手段100が、
患者の空間において、2つの射出部44及び46につい
て、デカルト座標(x1、y1、z1)及び(x2、y
2、z2)を算出する。第1の射出部の座標x1、y
1、z1は、4つの範囲値L1−L4の3つから計算さ
れる。L4を無視すると、前記座標は次のように計算さ
れる。
図7に関連して説明したステップ実行し、患者に隣接す
る音速の現在値を示すようにする。もちろん、図7の較
正手順は、ステップ82−88の直前に行ってもよい
し、平均化のための数個のデータ値の収集の最中に間欠
的に行ってもよい。ステップまたは手段94が、上述の
ステップまたは手段70に関する固定機械遅れに対し
て、値L1−L4を補正する。ステップまたは手段96
が、超音波信号が第1及び第2の射出部44、46から
マイクロホン50まで移動するのに必要な時間L1−L
4の各々を、ステップまたは手段74で決定した補正値
Fにしたがって補正する。平均化手段98が、遅れ及び
較正について補正した時間L1−L4、即ち杖部材の射
出部46の各々とマイクロホン50の各々との間の距離
の平均を求める。これらの距離から、少なくとも3つの
受信器50が備えられ、ステップまたは手段100が、
患者の空間において、2つの射出部44及び46につい
て、デカルト座標(x1、y1、z1)及び(x2、y
2、z2)を算出する。第1の射出部の座標x1、y
1、z1は、4つの範囲値L1−L4の3つから計算さ
れる。L4を無視すると、前記座標は次のように計算さ
れる。
【数1】
【数2】
【数3】
【0022】ここで、図6で定義したように、S=S1
=S2が成り立つ。好ましくは、3つの選択された範囲
値は、L1−L4の短いほうからの3つである。同様の
計算を、第2の射出部の座標x2、y2及びz2につい
ても行う。ステップまたは手段102が、測定値の有効
性をチェックする。より具体的には、2つの杖部材射出
部間の既知の分離距離を、2つの杖部材射出部間の測定
した座標x1、y1、z1及びx2、y2、z2との間
の分離距離と比較する。即ち、次の式が成り立つ。
=S2が成り立つ。好ましくは、3つの選択された範囲
値は、L1−L4の短いほうからの3つである。同様の
計算を、第2の射出部の座標x2、y2及びz2につい
ても行う。ステップまたは手段102が、測定値の有効
性をチェックする。より具体的には、2つの杖部材射出
部間の既知の分離距離を、2つの杖部材射出部間の測定
した座標x1、y1、z1及びx2、y2、z2との間
の分離距離と比較する。即ち、次の式が成り立つ。
【数4】
【0023】分離距離の測定値と既知の値との間の差
が、許容誤差、例えば1mmの解像度で測定した場合、
0.75mmより大きければ、誤測定信号を発生する。
その測定は破棄され、外科医または他のユーザに、測定
プロセス80をもう一度繰り返すように指示する。ステ
ップまたは手段104にて、2つの射出部44、46の
座標、及び図2で論じた杖部材の外形(geometry)から、
杖部材先端40のデカルト座標x0、y0、z0を算出
する。この先端の座標x0、y0、z0は次の式で定義
される。
が、許容誤差、例えば1mmの解像度で測定した場合、
0.75mmより大きければ、誤測定信号を発生する。
その測定は破棄され、外科医または他のユーザに、測定
プロセス80をもう一度繰り返すように指示する。ステ
ップまたは手段104にて、2つの射出部44、46の
座標、及び図2で論じた杖部材の外形(geometry)から、
杖部材先端40のデカルト座標x0、y0、z0を算出
する。この先端の座標x0、y0、z0は次の式で定義
される。
【数5】
【数6】
【数7】
【数8】
【0024】図6を参照して、変換手段110が、患者
空間の座標を、画像データの座標系に、或いはその逆
に、変換する。より具体的には、撮像に先だって、3つ
以上の基準(fiducial)またはマーカを、患者の頭部の互
いに隔離された3箇所以上に固定する。この基準は、選
択された撮像手段において見ることができ、結果的に得
られる画像データ内で容易に識別可能なドット112と
して現れるようにする。好適実施例では、基準は、不透
明で磁気共鳴によって励起可能な材料を用いて注入され
るマーカ或いは小さな付け面(bead)である。小さな点ま
たは入れ墨を患者の皮膚上に作り、その上に基準を貼り
付ける。これによって、画像データの収集と外科手術過
程との間で基準が除去されても、基準の位置を示すこと
ができるようになる。また、前記マーカの一部分を、患
者及び撮像空間の双方において容易に識別可能な患者の
解剖学的部分、例えば鼻の先端とすることもできる。基
準の画像を、患者の空間における基準の位置と整合させ
るために、杖部材の先端を、各基準即ち入れ墨マーカ点
の各々に配置する。各基準の患者空間における座標は、
図8−10に関して説明した手順によって、判定され
る。
空間の座標を、画像データの座標系に、或いはその逆
に、変換する。より具体的には、撮像に先だって、3つ
以上の基準(fiducial)またはマーカを、患者の頭部の互
いに隔離された3箇所以上に固定する。この基準は、選
択された撮像手段において見ることができ、結果的に得
られる画像データ内で容易に識別可能なドット112と
して現れるようにする。好適実施例では、基準は、不透
明で磁気共鳴によって励起可能な材料を用いて注入され
るマーカ或いは小さな付け面(bead)である。小さな点ま
たは入れ墨を患者の皮膚上に作り、その上に基準を貼り
付ける。これによって、画像データの収集と外科手術過
程との間で基準が除去されても、基準の位置を示すこと
ができるようになる。また、前記マーカの一部分を、患
者及び撮像空間の双方において容易に識別可能な患者の
解剖学的部分、例えば鼻の先端とすることもできる。基
準の画像を、患者の空間における基準の位置と整合させ
るために、杖部材の先端を、各基準即ち入れ墨マーカ点
の各々に配置する。各基準の患者空間における座標は、
図8−10に関して説明した手順によって、判定され
る。
【0025】頭蓋骨上の3つ以上の基準の位置を、画像
空間の画素の相対位置と比較する。患者支持第の座標系
における、患者の頭蓋骨上のマーク114の患者空間座
標を測定する。画素112の同様な座標系を定義し、患
者空間の座標系と比較する。画像空間と患者空間の座標
系間の変換及び回転関係を判定する。図11を参照し
て、手術室空間における患者の位置(x、y、z)と、
画像空間の相対的位置(x’、y’z’)を判定する。
すなわち、2つの座標系を定義する。変換手段は、最初
に、データ及び患者空間のそれぞれにおける3つの基準
の座標によって定義される三角形の共通重心11C間の
オフセットxoffset、yoffset、zoff
setを決定する。これによって、x、y及び2つの座
標系間の2方向における変換またはオフセットを与え
る。xoffset、yoffset、zoffset
の値を、患者空間の座標及び画像データ空間座標に加算
するか、或いはそれらから減算し、それら2つの間で変
換を行う。
空間の画素の相対位置と比較する。患者支持第の座標系
における、患者の頭蓋骨上のマーク114の患者空間座
標を測定する。画素112の同様な座標系を定義し、患
者空間の座標系と比較する。画像空間と患者空間の座標
系間の変換及び回転関係を判定する。図11を参照し
て、手術室空間における患者の位置(x、y、z)と、
画像空間の相対的位置(x’、y’z’)を判定する。
すなわち、2つの座標系を定義する。変換手段は、最初
に、データ及び患者空間のそれぞれにおける3つの基準
の座標によって定義される三角形の共通重心11C間の
オフセットxoffset、yoffset、zoff
setを決定する。これによって、x、y及び2つの座
標系間の2方向における変換またはオフセットを与え
る。xoffset、yoffset、zoffset
の値を、患者空間の座標及び画像データ空間座標に加算
するか、或いはそれらから減算し、それら2つの間で変
換を行う。
【0026】図12を参照して、2つの座方系の原点を
変換して整合することで、補正が完了する訳ではない。
むしろ、座標系は通常、3本の軸全ての周りを各々に対
して回転している。これら3本の軸の原点は、共通重心
である。図12、13及び14に示されているように、
(y、z)、(x、z)及び(x、y)平面における回
転各が判定される。これらの判定が行われれば、患者支
持台の空間座標を画像空間座標に変換すること、及び逆
に画像空間座標を患者空間座標に回転させることは、単
純なことである。杖部材調整手段80は、変換手段11
0を介して、平面選択手段24の1つ及び映像処理部2
8に接続され、モニタ30の杖部材先端の座標に、マー
カ例えばクロスヘア(cross hairs)を表示させる。これ
によって、外科医は、患者上または切開における特定点
を、画像を用いて調整することができる。
変換して整合することで、補正が完了する訳ではない。
むしろ、座標系は通常、3本の軸全ての周りを各々に対
して回転している。これら3本の軸の原点は、共通重心
である。図12、13及び14に示されているように、
(y、z)、(x、z)及び(x、y)平面における回
転各が判定される。これらの判定が行われれば、患者支
持台の空間座標を画像空間座標に変換すること、及び逆
に画像空間座標を患者空間座標に回転させることは、単
純なことである。杖部材調整手段80は、変換手段11
0を介して、平面選択手段24の1つ及び映像処理部2
8に接続され、モニタ30の杖部材先端の座標に、マー
カ例えばクロスヘア(cross hairs)を表示させる。これ
によって、外科医は、患者上または切開における特定点
を、画像を用いて調整することができる。
【0027】データ及び患者の座標系を整合してあれ
ば、手術の計画及び確認に加えて、多くの技術を実施す
ることができる。患者上の2つの位置を示し、それらを
データ空間でモニタ上に表示することができる。データ
空間における測定スケールは固定されているので、2点
間の距離は容易に判定できる。杖部材を用いて患者上の
点及びデータ空間内の対応する点を示すこともできる。
印された点は、例えば電極の位置を示すことができる。
本発明は、外来患者の処置、検査等で、患者の種々の解
剖学的部分に対して用いることができる。更に、2つ以
上の診断データを患者と調整することができる。また、
任意に三次元データメモリ22’を用い、例えば、別の
理学療法(modality)、同一理学療法から、異なる時間
に、異なる撮像特性で、付加的な診断データを記憶する
こともできる。一旦両セットの診断データが患者の座標
系と調整されれば、それらは互いに調整されたことにな
る。
ば、手術の計画及び確認に加えて、多くの技術を実施す
ることができる。患者上の2つの位置を示し、それらを
データ空間でモニタ上に表示することができる。データ
空間における測定スケールは固定されているので、2点
間の距離は容易に判定できる。杖部材を用いて患者上の
点及びデータ空間内の対応する点を示すこともできる。
印された点は、例えば電極の位置を示すことができる。
本発明は、外来患者の処置、検査等で、患者の種々の解
剖学的部分に対して用いることができる。更に、2つ以
上の診断データを患者と調整することができる。また、
任意に三次元データメモリ22’を用い、例えば、別の
理学療法(modality)、同一理学療法から、異なる時間
に、異なる撮像特性で、付加的な診断データを記憶する
こともできる。一旦両セットの診断データが患者の座標
系と調整されれば、それらは互いに調整されたことにな
る。
【図1】本発明装置を配置する手術室の斜視図。
【図2】図1のシステムの画像データ処理のブロック
図。
図。
【図3】図1及び図2の杖部材を示す図。
【図4】図1及び図2の杖部材を示す図。
【図5】図1及び図2の杖部材を示す図。
【図6】図1の位置決め構造体の詳細を示す図。
【図7】較正手順を示す図。
【図8】杖部材と位置決め部との関係を示す図。
【図9】杖部材と位置決め部との関係を示す図。
【図10】杖部材の位置決め手順の流れ図。
【図11】データ及び患者の座標系間の座標変換を示す
図。
図。
【図12】データ及び患者の座標系間の座標変換を示す
図。
図。
【図13】データ及び患者の座標系間の座標変換を示す
図。
図。
【図14】データ及び患者の座標系間の座標変換を示す
図。
図。
10...対象支持台 16...頭部固定具 50...受信器 12...フレーム構造体 52...基準射出部 60...較正手段 42...杖部材 80...位置判定手段
フロントページの続き (72)発明者 ジーン エイチ.バーネット アメリカ合衆国 オハイオ州 44122,シ ェイカー ハイツ,エス.ウッドランド ブルヴァード 19000 (72)発明者 チャールズ ピー.スタイナー アメリカ合衆国 オハイオ州 44117,ユ ークリッド,シャードン ロード 22200
Claims (23)
- 【請求項1】対象支持部(10)と、 対象のあらかじめ選択した部分を前記対象支持部(1
0)に固定する手段(16)と、 前記対象の一部を前記対象支持部(10)に固定する手
段に近接して、前記対象支持部(10)に対して固定し
た関係で、少なくとも3つの受信器(50)を取り付け
る、フレーム構造体(12)と、 前記受信器(50)から固定した既知の距離の位置に取
り付けられた、少なくとも1つの基準射出部(52)で
あって、該基準射出部(52)から前記受信器(50)
までの固定距離を移動する基準信号を射出する前記基準
射出部(52)と、 前記固定距離を移動する前記基準信号の基準移動信号を
測定する較正手段(60)と、 1つのポインタ(40)と少なくとも2つの射出部(4
4、46)とが取り付けられている杖部材(42)であ
って、前記2つの射出部(44、46)は、選択的に杖
部材信号を射出し、それを前記少なくとも3つの受信器
(50)で受信するようにした前記杖部材(42)と、 前記2つの杖部材射出部(44、46)と前記少なくと
も3つの受信器(50)との間の前記杖部材信号の移動
時間を測定することによって、前記ポインタの位置を判
定する、杖部材位置判定手段(80)であって、前記較
正手段(60)に接続され、前記杖部材信号移動時間を
前記基準移動時間で較正する、前記杖部材位置判定手段
(80)と、から成ることを特徴とする位置判定システ
ム。 - 【請求項2】請求項1において、更に、前記対象支持部
に固定されている対象の一部の三次元領域を示す画像デ
ータを記憶する三次元画像メモリ手段と、前記三次元画
像メモリ手段から平面スライスデータを選択する平面選
択手段と、前記平面選択手段からの選択されたスライス
データを、人が読み取り可能な表示に変換する表示手段
と、前記杖部材ポインタの位置を前記三次元画像メモリ
手段に記憶されている画像データの座標系に変換する変
換手段であって、前記表示画像が前記杖部材ポインタの
位置とあらかじめ選択された関係を有するように、前記
平面選択手段と動作的に接続された前記変換手段とを、
含むことを特徴とするシステム。 - 【請求項3】請求項2において、前記フレーム構造体
は、前記対象支持部にそれと共に移動可能に直接取り付
けられ、前記対象支持部の移動が前記対象の座標系を変
化させないようにしてあることを特徴とするシステム。 - 【請求項4】請求項2において、前記フレーム構造体
は、前記対象支持部と垂直関係となるような角度をもっ
て取り付けられ、前記対象の固定領域から離れて取り付
けられても、前記固定された対象領域に合焦することを
特徴とするシステム。 - 【請求項5】請求項2において、前記対象は人間の患者
であることを特徴とするシステム。 - 【請求項6】請求項2において、更に、前記選択された
対象部分上に配置された少なくとも3つのマーカを有
し、前記マーカは前記三次元画像データが獲得された時
に前記対象に固着され、前記3つのマーカの位置が前記
三次元画像データ内で識別可能で、かつ前記対象の表面
上で識別可能となっており、更に、選択的に前記杖部材
ポインタを前記マーカ各々の上に配置することによって
示された、前記対象上の前記マーカの位置間での変換
を、前記三次元画像データにおけるマーカの位置を用い
て計算する、変換計算手段を備えており、対象空間の座
標系と三次元画像データ空間の座標系との間の変換及び
回転関係を規定することを特徴とするシステム。 - 【請求項7】請求項6において、前記マーカは、同一の
ものがCT及び磁気共鳴検査の双方に用いることができ
るように、磁気共鳴及びCI撮像技術の双方において可
視な材料を含むことを特徴とするシステム。 - 【請求項8】請求項1において、複数の基準射出部が、
前記受信器と固定関係を有するように、前記フレームに
取り付けられていることを特徴とするシステム。 - 【請求項9】請求項1において、前記杖部材は該杖部材
の指示軸に沿って延在する先端部と、前記杖部材の指示
軸からずれたオフセット部とを含み、前記杖部材の射出
部は、前記オフセット部とは離間された関係で、前記杖
部材の先端部と2つのアクチュエータとが一線上となる
ように、前記杖部材の指示軸と整合されていることを特
徴とするシステム。 - 【請求項10】請求項1−9のいずれかにおいて、前記
システムは定位脳手術システムであることを特徴とする
システム。 - 【請求項11】位置判定方法であって: a)対象の一部を対象支持表面に固定し、前記対象支持
表面に対して固定した関係で取り付けられた少なくとも
3つの信号受信器に近接させるステップ; b)前記対象部分上の選択位置を示すために杖部材を位
置付けるステップであって、前記杖部材には、前記受信
器が受信する信号を選択的に射出する、少なくとも2つ
の杖部材射出部が取り付けられており、 c)前記杖部材射出部を駆動して杖信号を射出するステ
ップ; d)前記杖部材射出部の信号から、前記患者の支持部の
座標系における杖部材射出部の座標を計算するステッ
プ; e)計算された杖部材射出部の座標間の計算された距離
と、前記杖部材射出部間の物理的距離とを比較するステ
ップ; f)前記計算された距離と物理的距離との差が所定の標
準を超過した場合、これに応答して測定受け入れ不可信
号を供給するステップ、から成ることを特徴とする方
法。 - 【請求項12】位置判定方法であって: a)対象の一部を対象支持表面に固定し、前記対象支持
表面に対して固定した関係で取り付けられた少なくとも
3つの信号受信器に近接させ、更に、基準信号射出部を
前記複数の受信器から既知の固定距離に固定するステッ
プ; b)前記対象部分上の選択位置を示すために杖部材を位
置付けるステップであって、前記杖部材には、前記受信
器が受信する信号を選択的に射出する、少なくとも2つ
の杖部材射出部が取り付けられており、 c)前記杖部材射出部を駆動して杖信号を射出するステ
ップ; d)前記杖部材射出部の各々から前記受信部まで、及び
前記基準射出部から前記受信部まで移動する前記杖部材
及び基準信号の移動期間を測定するステップ; e)移動時間から、前記対象支持部の座標系における、
前記杖部材によって指定された位置の座標を計算するス
テップ、から成ることを特徴とする方法。 - 【請求項13】請求項12において、更に、前記杖部材
の射出部間の距離を計算するステップと、 前記前記杖部材の射出部間の計算された距離を、前もっ
て測定した前記射出部間の物理的距離と比較して、前記
測定の許容精度を確認するステップとを含むことを特徴
とする方法。 - 【請求項14】請求項13において、更に、前記杖部材
を殺菌するステップを含むことを特徴とする方法。 - 【請求項15】請求項13において、更に、前記杖部材
を第2の位置に配置して前記ステップ(b)−(e)を
繰り返し、前記第2の位置の座標を計算するステップ
と、前記第1及び第2の位置からそれらの間の距離を判
定するステップとを含むことを特徴とする方法。 - 【請求項16】請求項13において、前記対象支持部の
座標系計算ステップは、前記杖部の射出部と複数の受信
器との間の移動時間と、各射出部の位置を示す、各射出
部と前記受信部との間の相対移動時間とを判定するステ
ップと、(i)前記杖部材の射出部と前記受信器との間
の相対移動時間と、(ii)判定した前記射出部の位置
の少なくとも一方を、前記基準射出部と前記受信器の少
なくとも1つとの間の移動時間に応じて補正するステッ
プとを含み、温度、湿度及びその他の対象付近の条件に
おける変化に起因する信号伝送速度の変動に対して、前
記杖部材の位置を補正することを特徴とする方法。 - 【請求項17】請求項16において、前記2つの杖部材
射出部を複数回交互に駆動し、前記基準射出部を少なく
とも1回駆動し、(i)前記射出部の駆動と信号の射出
との間の遅れ、及び(ii)信号の受信器への到達と電
子的タイミング信号への変換との間の遅れに対して移動
時間を調整し、前記補正ステップは、前記基準射出器と
前記受信器との間の移動時間に応じて、前記杖部材の射
出部と前記受信器との間の移動時間を補正するステップ
を含み、更に、補正した移動時間を平均化し、前記杖部
材の各射出部の座標を判定し、該射出部の座標から前記
杖部の先端部の座標を計算するステップを含むことを特
徴とする方法。 - 【請求項18】請求項13において、更に、前記対象部
分に第1の非進入診断検査を実施し、その三次元電子的
信号を発生するステップと、前記三次元電子的画像デー
タを記憶するステップと、前記第1画像データ座標系と
前記対象支持部の座標系との間の変換を判定するステッ
プとを含むことを特徴とする方法。 - 【請求項19】請求項18において、更に、前記対象部
分に第2の非進入診断検査を実施し、その三次元電子的
画像データを発生するステップと、前記第2検査三次元
画像データを記憶するステップと、前記第2画像データ
座標系と前記対象支持部の座標系との間の変換を判定す
るステップとを含むことを特徴とする方法。 - 【請求項20】請求項18において、前記変換判定ステ
ップは、少なくとも3つの非進入検査用可視マーカを前
記患者部分に取り付け、前記三次元診断画像データが前
記少なくとも3つのマーカを含むようにするステップ
と、前記杖部材を用いて前記3つのマーカの各々の位置
を指定し、前記患者の支持部の座標系における各マーカ
の座標を判定するステップと、前記患者の支持部の座標
系におけるマーカの座標と前記画像データ座標系におけ
るマーカ指示位置とを比較し、少なくとも前記画像デー
タの座標系と対象支持部の座標系との間のずれ、及び前
記対象支持部の座標系と画像データの座標系との間の回
転ずれを判定するステップを含むことを特徴とする方
法。 - 【請求項21】請求項18の方法において、前記対象は
生体の患者であることを特徴とする方法。 - 【請求項22】請求項12において、前記対象部分は患
者の頭部であることを特徴とする方法。 - 【請求項23】請求項11−22のいずれかにおいて、
前記方法は定位脳手術方法であることを特徴とする方
法。
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