JPWO2011102012A1 - 医療機器 - Google Patents

Abstract

医療機器１は、先端部４Ｃに、位置および方向および回転角を検出するためのセンサ１９と、湾曲部４Ｄとを有し、気管支９の目標部位９Ｇまで挿入する処置具４と、予め取得した気管支９の３次元画像データを記憶するＣＴ画像データ格納部１３と、目標部位９Ｇを設定するための入力部１４と、前記３次元画像データをもとに、センサ１９が検出する先端部４Ｃの位置および方向および回転角からなる視線パラメータの仮想内視鏡画像を生成する仮想内視鏡画像生成部１２と、先端部４Ｃを目標部位９Ｇまで挿入するための操作情報と仮想内視鏡画像と、を重畳表示処理する画像処理部１０と、を具備する。

Description

本発明は、被検体の管腔に挿入し処置を行う処置具を有する医療機器に関し、特に管腔の３次元画像データにもとづいた仮想内視鏡画像を用いて処置具の挿入操作支援を行う医療機器に関する。

近年、３次元画像データを用いた診断／処置が広く行われている。例えば、Ｘ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置により被検体の断層像を撮像することにより被検体内の３次元画像を得て目標部位の診断等が行われている。

ＣＴ装置では、Ｘ線照射位置および検出位置を連続的に回転させつつ被検体を移動することにより、被検体を螺旋状に連続スキャン（ヘリカルスキャン：ｈｅｌｉｃａｌ ｓｃａｎ）する。そして、連続した被検体の多数の２次元断層画像から、３次元画像データが得られる。

診断／処置に用いられる３次元画像データの１つに、肺の気管支の３次元画像データがある。気管支の３次元画像データは、例えば肺癌等が疑われる異常部の位置を３次元的に把握するのに利用される。そして、異常部を生検によって確認するために、気管支に内視鏡を挿入して内視鏡の先端部から生検針または生検鉗子等の処置具を突出して目標部位のサンプルが取得される。

気管支のように、複数の分岐部を有する管腔では、処置具を肺の目標部位まで短時間に正確に挿入させることが容易ではないことがある。このため、例えば、特開２００９−５６２３８号公報には、被検体の３次元画像データにもとづいて管腔の３次元画像を形成し、３次元画像上で管腔に沿った目標点までの経路を求め、さらに経路に沿った管腔の仮想内視鏡画像を形成し表示することによって、挿入操作のナビゲーションを行うナビゲーションシステムが開示されている。

また、やはり挿入操作を補助するために、特開２００２−１１９５０７号公報には被検体に挿入されているカテーテルの先端部から見た仮想画像を表示する医療機器が、特開２００２−３０６４０３号公報には、内視鏡の先端部の仮想画像を仮想内視鏡画像と重畳して表示する内視鏡装置が開示されている。

ここで、先端部を目標部位まで挿入するには、先端部を湾曲する湾曲部の操作が不可欠であるが、その操作は容易ではないことがあった。

またＣＣＤを有する内視鏡が挿入できない細径の管腔末梢部においてはＸ線透視により管腔内における処置具先端部の位置を確認する必要があった。

本発明は、処置具の先端部を管腔の目標位置まで容易に挿入できる医療機器を提供することを目的とする。

本発明の一態様による医療機器は、先端部と、前記先端部に配設された位置および方向および回転角を検出するためのセンサと、前記先端部を湾曲する湾曲部とを有し、前記先端部を被検体の管腔の目標位置まで挿入する処置手段と、予め取得した前記管腔の３次元画像データを記憶する記憶手段と、前記目標位置を、前記３次元画像データをもとに設定するための目標位置設定手段と、前記３次元画像データをもとに、前記センサが検出する前記先端部の位置および方向および回転角からなる視線パラメータの仮想内視鏡画像を生成する仮想内視鏡画像生成手段と、前記先端部を前記所定位置まで挿入するための操作情報と、前記仮想内視鏡画像と、を重畳表示処理する画像処理手段と、を具備する。

第１の実施の形態の医療機器による内視鏡の気管支への挿入を説明するための模式図である。 第１の実施の形態の医療機器の構成を説明するための構成図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の構成を説明するための図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の構成を説明するための図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の構成を説明するための図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の挿入経路を説明するための説明図である。 第１の実施の形態の医療機器の挿入経路を説明するための説明図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の湾曲部のベクトルを示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の動作および表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の動作および表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の動作、操作角度算出および表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の動作、操作角度算出および表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の動作、操作角度算出および表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の動作、操作角度算出および表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の動作、操作角度算出および表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の動作、操作角度算出および表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の操作の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の操作の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の操作情報表示の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の操作情報表示の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の操作情報表示の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の操作情報表示の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の挿入経路を説明するための説明図である。 第１の実施の形態の医療機器の挿入経路を説明するための説明図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第１の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第２の実施の形態の医療機器の構成を説明するための構成図である。 第２の実施の形態の医療機器による補正方法を説明するための模式図である。 第２の実施の形態の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第２の実施の形態の変形例の医療機器による補正方法を説明するための模式図である。 第２の実施の形態の変形例の医療機器の表示画面の一例を示す図である。 第３の実施の形態の医療機器の構成を説明するための構成図である。

＜第１の実施の形態＞
以下、図面を参照して本発明の第１の実施の形態の医療機器１について説明する。図１は、被検者７の気管支９に挿入された内視鏡装置２の内視鏡２Ａのチャンネル２Ｆ１に、処置具４の挿入部４Ｅを挿通し、気管支末端の目標部位９Ｇを生検する様子を示す模式図である。

図１に示すように、気管支９は複数の分岐部を有する。このため目標部位９Ｇまで処置具４を挿入するためには、それぞれの分岐部において、内視鏡２Ａの挿入部先端部２Ｃの撮像手段であるＣＣＤ２Ｇ（図２参照）が撮像した内視鏡画像をもとに、術者は正しい選択判断および挿入操作を行う必要がある。なお、撮像手段としてはＣＭＯＳ等を用いてもよい。

図２に示すように、医療機器１は、内視鏡装置２と処置具４に加えて、術者が行う判断および操作を支援する挿入支援装置３を有する。すなわち、挿入支援装置３は第１の機能として分岐部において術者の行う選択判断を補助する。さらに挿入支援装置３は第２の機能として術者の行う湾曲操作を補助する。

内視鏡装置２は挿入部先端部２Ｃと、挿入部先端部２Ｃを湾曲操作するための湾曲部２Ｄと、細長い挿入部２Ｅと、操作部２Ｂ（図２参照）とが、連接されている。一方、処置手段である処置具４も先端部４Ｃと、先端部４Ｃを湾曲操作するための湾曲部４Ｄと、細長い挿入部４Ｅと、操作部４Ｂ（図２参照）とが、連接されている。

図２に示すように、挿入支援装置３は、ＣＴ画像データ格納部１３と、入力部１４と、仮想内視鏡画像生成手段である仮想内視鏡画像（ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｂｒｏｎｃｈｕｓ Ｓｃｏｐｅ 画像：以下、「ＶＢＳ画像」ともいう。）生成部１２と、画像処理部１０と、表示部６と、処置具４の先端部４Ｃに配設されたセンサ１９と、磁界発生アンテナ２０と、アンテナ駆動部２１と、位置検出部２２と、位置記憶部２２Ｂと、全体の制御を行う制御部１１と、を有する。なお、挿入支援装置３の構成要素は、内視鏡装置２の各種処理を行う図示しない構成要素と共通のものであってもよい。

記憶手段であるＣＴ画像データ格納部１３は、被検者７のＸ線断層像を撮像する図示しない公知のＣＴ装置で生成された、例えば、ＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and Communication in Medicine）形式の３次元画像データを、図示しない受信部を介して受信し、記憶する半導体記憶装置または磁気記録装置等である。

入力部１４は、術者が医療機器１に情報を入力するためのキーボードまたはマウス等である。術者が目標部位９Ｇの位置を３次元画像データをもとに設定する操作も、目標位置設定手段としての入力部１４を介して行われる。

ＶＢＳ画像生成部１２は、ＤＩＣＯＭ形式の３次元画像データから、後述する６次元の視線パラメータにもとづきＶＢＳ画像を生成する。

画像処理手段である画像処理部１０は、ＣＣＤ２Ｇが撮像した内視鏡画像（以下、「リアル画像」ともいう。）を画像処理したり、後述するように、先端部４Ｃを目標部位９Ｇまで挿入するための湾曲部４Ｄの操作情報および回転操作情報およびＶＢＳ画像を重畳表示する処理をしたりする。表示部６はリアル画像／ＶＢＳ画像等を表示する表示手段である。

すでに説明したように処置具４は、先端部４Ｃに位置および方向および回転角（以下「位置等」ともいう。）を検出するためのセンサ１９を有する。センサ１９は、例えば磁界検出センサであり、被検者７の外部に配設した３個のアンテナからなる磁界発生アンテナ２０が発生する磁界を検出することで、配設されている処置具４の位置等を検出する。なお、磁界検出センサとして、ＭＲセンサ、ホール素子またはコイル等を用いることができる。

例えば、複数のアンテナを有する磁界発生アンテナ２０の、それぞれのアンテナから、それぞれ異なる周波数の交流磁界をアンテナ駆動部２１により発生する。センサ１９は周波数の異なる複数の交流磁界を区別して検出するため、位置検出部２２はセンサ１９の情報をもとに磁界発生アンテナ２０に対するセンサ１９の位置、方向および回転角の情報（Ｘ、Ｙ、Ｚ、ａ、ｅ、ｒ）を検出することができる。ここで、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は３次元座標値を、（ａ）はアジマス角度（azimuth angle）を、（ｅ）はエレベーション角度（elevation angle）を、（ｒ）は回転角度(roll angle)を示している。先端部４Ｃにおけるセンサ１９の配設位置は既知であるため、センサ１９の位置をもとに、処置具４の所定の場所、例えば先端４Ｈの位置等が算出される。位置記憶部２２Ｂは位置検出部２２が検出した先端４Ｈの位置等を時系列的に記憶する。

次に、医療機器１における挿入操作支援の方法について説明する。図３に示すように挿入支援装置３が挿入ナビゲーションを行うとき、最初に、表示部６の表示画面６ａに、被検者７の情報および気管支９の分岐部の情報等６Ａと、３次元画像データをもとにした気管支９の仮想画像６Ｂと、詳細は図示していないＶＢＳ画像Ｂ（６Ｃ）等とが表示される。ＶＢＳ画像ＢはＣＣＤ２Ｇの視線パラメータにもとづくＶＢＳ画像である。ここで視線パラメータとは、位置および方向および回転角（Ｘ、Ｙ、Ｚ、ａ、ｅ、ｒ）からなる６次元のパラメータである。なお後述するようにＶＢＳ画像Ａは、処置具４の先端部４Ｃの視線パラメータにもとづくＶＢＳ画像である。

術者は入力部１４を操作することにより、仮想画像６Ｂを用いて目標位置である肺の目標部位９Ｇをポインタ１４Ａ等を用いて設定する。なお、術者は目標部位９Ｇではなく、途中の通過点などの任意の部位を設定してもよい。目標部位９Ｇ等が設定されると、挿入支援装置３は、図３に示すように挿入経路Ｒ１を算出し仮想画像６Ｂに重畳表示する。挿入経路Ｒ１は仮想内視鏡画像の管腔断面の重心点または中心点をつないだ芯線のうち、目標部位９Ｇにつながる芯線である。

そして、ＶＢＳ画像生成部１２は、挿入経路Ｒ１に沿った複数の分岐部のそれぞれのＶＢＳ画像Ｂを作成する。なお、挿入支援装置３は、ＶＢＳ画像生成部１２が予め生成した気管支９のＶＢＳ画像を記憶しておくＶＢＳ画像記憶部（不図示）を有し、記憶されたＶＢＳ画像の中から挿入経路Ｒ１に沿った分岐部のＶＢＳ画像を抽出して表示してもよい。

そして、図４に示すように、挿入操作が開始されると、表示画面６ａには、ＣＣＤ２Ｇが撮像し画像処理部１０が処理したリアル画像６Ｆと、挿入操作の過程で出現する分岐部のＶＢＳ画像の縮小画像である複数のサムネイルＶＢＳ画像（６Ｅ）と、次に出現する分岐部のＶＢＳ画像Ｂ（６Ｄ）と、が表示される。そしてＶＢＳ画像Ｂ（６Ｄ）には分岐部の先の管腔のうちの、いずれの管腔に先端部を挿入するかの指示情報６Ｇが重畳表示される。術者は挿入支援装置３の指示情報６Ｇに従い、選択判断を行いながら挿入操作を行うことにより、目標部位９Ｇの近傍まで挿入部先端部２Ｃを挿入することができる。なお、このとき処置具４は挿入部２Ｅ内のチャンネル２Ｆ１に挿通されていなくともよいし、または、処置具４は挿入部２Ｅ内のチャンネル２Ｆ１に挿通され先端部４Ｃが、挿入部２Ｅの挿入部先端部２Ｃの所定の位置に固定されていてもよい。

ここで目標部位９Ｇが気管支９の末梢部にある場合には、挿入部２Ｅの径が細い内視鏡２Ａであっても、術者は内視鏡２Ａの挿入部先端部２Ｃを目標部位９Ｇまでは挿入できない。このため、次に術者は内視鏡２Ａの挿入部先端部２Ｃの処置具口２Ｆから、処置具４を突出することにより、さらに深部にある目標部位９Ｇにまで処置具４の先端部４Ｃを挿入し、所定の処置を行う必要がある。

すなわち内視鏡２Ａの挿入部２Ｅは、細い管腔内に挿入可能なように、例えば直径３ｍｍと消化器用内視鏡等よりも細いが、処置具４はさらに細い末梢の管腔内に挿入可能なように、例えば直径１ｍｍである。このため処置具４の湾曲部４Ｄは上下方向または左右方向のいずれかの方向にのみ湾曲可能である。すなわち、湾曲部４Ｄは消化器用内視鏡のように上下左右の４方向に自由に湾曲することができない。このため、湾曲部４Ｄの湾曲操作は熟練を要する。なお便宜上、上下方向、左右方向と呼んでいるが、これは挿入方向に直交する面の面内の一方向の意味である。

さらに、内視鏡２Ａの挿入部２Ｅが挿入できない細径の管腔においては、術者はＣＣＤ２Ｇによるリアル画像により分岐部を観察することができない。

しかし、挿入支援装置３のＶＢＳ画像生成部１２は、処置具４の先端部４Ｃ、より厳密には、先端部４Ｃの一部、例えば先端４Ｈの視線パラメータにもとづくＶＢＳ画像Ａを生成する。

すなわち、すでに説明したように処置具４は位置等を検出するセンサ１９を有する。このため、ＶＢＳ画像生成部１２は、センサ１９が検出した位置等にもとづく視線パラメータのＶＢＳ画像Ａを生成し表示部６に表示する。さらに画像処理部１０は、ＶＢＳ画像Ａ（図５Ａ）と、挿入すべき管路３１に先端部の方向を向けるためのグラフィック表示の操作指示画像３０（図５Ｂ）と、を重畳表示処理した画像（図５Ｃ）を表示部６に表示する。図５Ｂに示すように、グラフィック表示の操作指示画像３０は例えば矢印で表示されるが、単なる挿入方向を示す画像ではなく、矢印の方向が回転角度θ１を、矢印の長さが湾曲角度θ２を示している。なお、グラフィック表示に加えてデジタル情報を表示してもよい。

図６Ａに示すように、術者は数字ではなく直感的に理解しやすいグラフィック表示の操作指示画像３０がＶＢＳ画像Ａに重畳されている画像を見ながら、操作部４Ｂの操作および回転操作を行うことができる。そして、図６Ｂに示すように、術者は処置具４を回転角度θ１だけ回転操作し、さらに図６Ｃに示すように術者は操作部４Ｂにより湾曲部４Ｄを湾曲角度θ２だけ湾曲操作することにより、容易に、目標部位９Ｇの方向の管腔に先端部４Ｃを向けることができる。なお、回転操作においては、術者が処置具４の基端部側を把持し回転することにより、挿入部４Ｅを介して湾曲部４Ｄおよび先端部４Ｃを回転する。

すなわち挿入支援装置３によれば、術者は、ＣＣＤ２Ｇを有していない処置具４であっても、ＶＢＳ画像Ａを見ながら、分岐部では、その指示情報にもとづき選択判断を行うことにより、目標部位９Ｇまで先端部４Ｃを到達することができる。さらに挿入支援装置３によれば、術者はＶＢＳ画像Ａに重畳表示される操作情報にもとづき湾曲部４Ｄを操作することにより、４方向に自由に湾曲することができない湾曲部４Ｄであっても、容易に操作することができる。
画像処理部１０は、先端部４Ｃを目標部位９Ｇまで挿入するための挿入経路３０Ｌ１、をＶＢＳ画像Ａと重畳表示処理してもよい。図７Ａは、目標部位９Ｇの透視画像９ＧＶ１が画面内に存在する場合を示しており、破線表示の挿入経路３０Ｌ２は先端部４Ｃの位置からは直接見えない可視不可能な挿入経路であることを示している。一方、図７Ｂは目標部位９Ｇの透視画像９ＧＶ１がＶＢＳ画像Ａの画面内に存在しない場合を示しているが、矢印３０Ｄが目標部位９Ｇの存在方向を示しているために術者は目標部位９Ｇの存在方向を認識することができる。なお、図７Ｂにおいては説明のため、表示されないＶＢＳ画像Ａの画面外も図示している。

湾曲部４Ｄの操作情報として、挿入操作中の先端部４Ｃの位置から目標部位９Ｇまでの挿入経路として先端部４Ｃの位置からは可視可能な挿入経路３０Ｌ１および可視不可能な挿入経路３０Ｌ２をＶＢＳ画像に重畳表示処理する挿入支援装置３は、直近の操作情報だけでなく、その後に行う挿入操作の情報も術者に伝達できるため、操作性に優れている。

以上の説明のように、術者は、医療機器１では挿入支援装置３の表示部６に表示される操作情報に従って湾曲部４Ｄを操作しながら、挿入操作を行うことにより、的確にかつ短時間で先端部４Ｃを目標部位９Ｇにまで挿入することができる。また医療機器１ではＸ線を用いないため、被検者が被曝することがない。

なお、図６Ｃ等には、画像処理部１０がＶＢＳ画像Ａに目標部位９Ｇの透視画像９ＧＶ１を重畳表示処理している例を示している。ここで表示されている目標部位９Ｇは、このときの視線パラメータでは観察できない位置にあるが、術者に目標部位９Ｇの位置情報を提供するために透視画像９ＧＶ１として表示している。透視画像９ＧＶ１を表示する場合には観察可能な部位との識別を容易にするために破線表示または特徴のある色で表示することが好ましい。さらに透視画像９ＧＶ１に所定の大きさの情報を付与することにより、目標部位９Ｇとの距離情報をグラフィック表示により術者に提供することができる。

例えば、図８Ａに示すように、先端４Ｈが目標部位９Ｇを処置可能な位置、すなわち観察可能な位置、まで挿入された後に、図８Ｂに示すように、さらに目標部位９Ｇに接近すると、ＶＢＳ画像Ａの中の目標部位９Ｇの画像９ＧＶの大きさは、さらに大きくなる。そして図８Ｃに示すように、先端部４Ｃが目標部位９Ｇに当接するとＶＢＳ画像Ａは全体が目標部位９Ｇの画像９ＧＶとなる。このとき、目標部位９Ｇではない管腔壁に先端部４Ｃが当接した場合と区別するために、表示部６に表示する目標部位９Ｇの画像９ＧＶの色またはハッチングは特に目立つように設定しておくことが好ましい。

透視画像９ＧＶ１に付与する所定の大きさの情報は、目標部位９Ｇとの距離情報を術者に直感的に提供するためには、固定された大きさでもよい。しかし、入力部１４を介して目標位置として所定の大きさ、すなわち目標部位９Ｇの体積の設定が可能であることが好ましい。図９Ａおよび図９Ｂに示すように、目標部位９Ｇの体積の設定が行われた場合には、画像処理部１０は、目標部位９Ｇの体積、および現在の先端部４Ｃの位置から目標部位９Ｇまでの挿入経路の長さ、および挿入経路にある分岐部Ｎの数も、重畳表示処理することができる。なお、図９ＡはＶＢＳ画像Ａの下に操作情報を重畳表示した例であり、図９ＢはＶＢＳ画像Ａの中に操作情報を重畳表示した例である。上記挿入支援装置は、より多くの情報が術者に伝達できるため、より操作性に優れている。すなわち、術者は図３の仮想画像６Ｂのような３次元的な表示がなくとも、目標部位９Ｇまでの大凡の距離情報を得ることができる。

なお、画像処理部１０は、湾曲操作または回転操作が必要なときにだけ操作情報を重畳表示処理するようにしてもよい。すなわち、先端部４Ｃが、分岐部に到達する前の分岐のない管腔を通過しているとき、または、正しい挿入方向に先端部４Ｃが向いているとき、には操作情報を術者に知らせる必要はない。すなわち、画像処理部１０は、先端部４Ｃが所定の操作情報表示領域に到達し、かつ、所定の湾曲角閾値以上かつ所定の回転角閾値以上の操作情報のみを、重畳表示することが好ましい。

また、湾曲操作または回転操作のうち、操作が必要な操作情報のみを、画像処理部１０は、重畳表示することが好ましい。すなわち、画像処理部１０は、湾曲操作または回転操作の少なくともいずれかが必要なときに前記操作情報を重畳表示処理する。
湾曲角閾値および回転角閾値にもとづいて操作情報を重畳表示する画像処理部１０は、術者に不要な情報を提示しないため操作性がよい。

図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、操作情報表示領域としては挿入経路Ｒ１の分岐部Ｎ１〜ＮＸを基準とした所定の３次元空間の内部、例えば、分岐部ＮＸを中心とする所定半径の球ＳＸの内部の気管支の領域とする。すなわち、後述するように、先端部４Ｃが分岐部を通過後も、操作情報表示領域内にある場合は操作情報を、表示することが好ましい。これは後述するように誤操作等により誤った方向の管路に先端部４Ｃが挿入された場合のリカバー方法の表示等のためである。すでに説明したように先端部４Ｃの位置はセンサ１９の位置をもとに算出される。また操作情報表示領域である球ＳＸの半径は先端部４Ｃを湾曲操作するための湾曲部４Ｄの長さであるデバイス先端長Ｌ以上であることが好ましく、分岐部Ｎの位置に応じて異なっていてもよい。

すなわち、誤った操作により挿入経路から外れた管腔内に先端部４Ｃが位置している場合には、術者は先端部４Ｃを基端部側に引き戻す操作をする必要がある。このような場合、挿入支援装置３の画像処理部１０は、挿入経路の重畳表示に加えて、特別な表示、例えば、図１１に示すような、Ｘマークを表示することにより、術者に注意を促すことができる。

次に、制御部１１による操作情報である湾曲角度θ２および回転角度θ１の算出方法について簡単に説明する。

以下、図１２に示すように、先端４Ｈの位置を点Ｂ、湾曲部４Ｄの湾曲支点を点Ａ、湾曲部４Ｄの基端部側の起点を点Ｏと定義する。挿入支援装置３は位置記憶部２２Ｂが記憶している先端４Ｈの位置の時系列データにもとづき、点Ａ、点Ｂおよび点Ｏの位置を算出する。

図１３Ａに示すように、点Ｂが分岐部ＮＸの操作情報表示領域である球ＳＸの挿入経路方向側の領域ＳＸＡに存在する場合には、先端部４Ｃは、そのまま前進、すなわち、先端部４Ｃを押し込めば、挿入経路Ｒ１に沿った方向の管腔に進める。このため、画像処理部１０は操作情報としての湾曲角度θ２および回転角度θ１は表示しない。すなわち、すでに説明したように、湾曲角度θ２または回転角度θ１が、それぞれの所定の閾値以下の場合には、画像処理部１０は湾曲角度θ２または回転角度θ１を重畳表示処理しない。なお、図１３Ｂに示すように、先端部４Ｃが正しい挿入方向に向いていることは、文字情報３０Ｍで表示してもよい。

これに対して、図１４Ａに示すように、先端４Ｈ（点Ｂ）が挿入経路方向側の領域ＳＸＡに存在しない（領域ＸＳＢに存在）場合には、先端部４Ｃは、そのまま前進すれば挿入経路Ｒ１ではない誤った管路に進む。この場合、最初に回転角度θ１が算出される。すなわち、まず挿入経路の分岐部における挿入方向への接線から、ベクトルＶが導出される。さらに点Ａおよび点Ｂの位置情報、または点Ａにおける先端方向ベクトルからベクトルＡＢが導出される。そして、ベクトルＯＡが導出され、ベクトルＯＡに対して垂直な平面ＯＡＶが規定される。ベクトルＯＡを基準点とするベクトルＶおよびベクトルＡＢ、すなわち平面ＯＡＶに投影されたベクトルＶおよびベクトルＡＢのなす角度が、図１４Ｂに示すように、回転角度θ１である。

術者が回転角度θ１の操作を行えば、挿入経路方向側の領域に先端４Ｈ（点Ｂ）が移動する場合には、湾曲角度θ２を算出する必要がない。このため、図１４Ｃに示すように、回転角度θ１だけが重畳表示される。

これに対して、図１５Ａに示すように、回転角度θ１の操作を行っても、挿入経路方向側の領域に先端４Ｈ（点Ｂ）が移動しない場合には、湾曲角度θ２が算出される。すなわち、点Ａを中心、半径をデバイス先端長Ｌ、平面ＯＡＢ上で経路方向領域との交点を点Ｂ２とする円を作成する。すると図１５Ｂに示すように、ベクトルＡＢとベクトルＡＢ２とがなす角度が湾曲角度θ２である。そして、図１５Ｃに示すように回転角度θ１と湾曲角度θ２とがＶＢＳ画像Ａと、重畳表示される。

なお、内視鏡２Ａまたは処置具４によっては基端部側の操作部４Ｂ操作と、先端部４Ｃの動作とが直接的に対応していない場合がある。例えば、図１６に示すように、操作部４Ｂの回転部４Ｂ２が３６０度回転した場合に、先端部４Ｃが１８０度回転する場合がある。この場合には先端部４Ｃの回転角度θ１から、算出式、Θ１＝ｆ（θ１）を用いて回転部４Ｂ２の回転角度θ１が算出される。算出式は例えば、Θ１＝２×θ１、である。同様に、操作部４Ｂの湾曲角度θ２は、先端部の湾曲角度θ２から算出式を用いて算出される。

また、図１７に示すように、操作部４Ｂのレバー部４Ｂ２の前後への移動操作により先端部４Ｃが回転または湾曲部が湾曲する場合がある。この場合には先端部４Ｃの回転角度θ１を用いて算出式、Θ１＝ｆ１（θ１）、からレバー部４Ｂ２の移動量が算出される。例えば、レバー部４Ｂ２を５ｍｍ移動すると先端部４Ｃが１０度回転する場合の算出式は、ΘＬ＝（θ２）／２（ｍｍ）、である。すなわち、この場合には、湾曲角度または回転角度の操作情報は、角度ではなく、術者の操作に適した物理量であるレバー操作量に変換して表示される。

さらに、回転方向／湾曲方向を術者に知らせるために、操作方向が表示される。操作情報の表示は、図１８Ａ、図１８Ｂに示すように文字による表示であってもよいし、図１８Ｃ、図１８Ｄに示すようにグラフィック表示であってもよい。なお図１８（Ｃ）等に示したグラフィック表示は、仮想内視鏡画像と重畳表示される。

以上の説明では挿入支援装置３が、第２の機能として処置具４の湾曲部４Ｄの湾曲操作を支援する場合を例に説明したが、第２の機能により、内視鏡２Ａの湾曲部２Ｄの湾曲操作を支援することもできる。すなわち、挿入部２Ｅの挿入操作のときに、予め処置具４の先端部４Ｃをチャンネル２Ｆ１に挿入することにより、センサ１９を挿入部先端部２Ｃの所定の位置に配置することができる。

すると、内視鏡２Ａの湾曲部２Ｄが上下方向または左右方向のいずれかの方向に湾曲可能な場合であっても、挿入支援装置３は術者に対して湾曲部２Ｄの湾曲操作情報をＶＢＡ画像Ｂと重畳してグラフィック表示することができる。なお、挿入支援装置３では、リアル画像と湾曲操作情報とを重畳して表示するように処理してもよい。

また、処置具４が観察可能な視線パラメータのＶＢＳ画像Ｃと、処置具４の仮想画像とを重畳表示した画像を表示部６に表示してもよい。

なお、図１９Ａに示すように、気管支の末梢部に比較的大きな体積の目標部位９Ｇがある場合等には、図１９Ｂに示すように、複数の挿入経路Ｒ１Ａ、Ｒ１Ｂ、Ｒ１Ｃが存在することがある。挿入支援装置３は基本動作では挿入経路の最も短い最短ルートを挿入経路として算出する。

しかし、図２０Ａに示すように、術者の選択に応じて、複数の挿入経路を同時に表示してもよい。または図２０Ｂに示すように、最初に最短ルートの挿入経路のみを表示し、例えば、タッチパネルである表示部６に表示された「次候補表示（２ｎｄルート）」ボタン６Ｐを操作者が押圧または選択することにより、次に挿入距離の短い挿入経路を表示するようにしてもよい。もちろん「次候補表示」ボタンは専用の機械的ボタンであってもよい。また複数の挿入経路を同時に表示する場合には、色または線の形状等を変えて表示することが好ましい。

ここで、図１１を用いて説明したように、誤った操作により挿入経路（第１の挿入経路）から外れた管腔内に先端部４Ｃが位置している場合であっても、別の挿入経路（第２の挿入経路）を経て目標部位９Ｇに先端部４Ｃが到達できる場合もある。この場合には、図２１Ａに示すように、「次候補表示」ボタンが表示部６に自動的に表示される。

図２１Ｂに示すように、術者が「次候補表示」ボタンを押圧すると、第２の挿入経路が表示されるため、術者は、そのまま挿入操作を続行できる。

上記挿入支援装置は、複数の挿入経路を算出し、挿入操作中であっても、その時点で最も適した挿入経路を術者が選択できるために、操作性が良い。

＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態の医療機器１Ａについて説明する。本実施の形態の医療機器１Ａは第１の実施の形態の医療機器１と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図２２に示すように、医療機器１Ａの挿入支援装置３Ａは、センサ１９が検出した位置等を、ＣＣＤ２Ｇが撮像したリアル画像をもとに補正する補正部２３を具備する。

図２３に示すように、挿入部２Ｅの挿入操作のときに、処置具４の先端４Ｈが内視鏡２Ａの先端２Ｈの位置まで挿入されている場合に、挿入部先端部２Ｃ内でセンサ１９が配設されている位置等を知ることは容易である。そして、挿入部先端部２ＣにおけるＣＣＤ２Ｇの配置位置は既知である。

一方、図２４に示すように、制御部１１は、ＶＢＳ画像生成部１２を制御して、ＣＣＤ２Ｇが撮影したリアル画像と類似したＶＢＳ画像Ｂを生成することができる。すなわち、制御部１１はセンサ１９が検出したセンサ１９の位置、方向および回転角（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０、ａ０、ｅ０、ｒ０）をもとに、最初に、そのときのＣＣＤ２Ｇの位置、方向および回転角（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１、ａ１、ｅ１、ｒ１）を視線パラメータとするＶＢＳ画像Ｂを生成する。そして、制御部１１は、ＶＢＳ画像Ｂとリアル画像との類似度を比較する。ここで、画像の類似度は、公知の画像処理により行われ、画素データレベルのマッチング、または、画像から抽出した特徴のレベルにおけるマッチングのいずれを用いてもよい。リアル画像とＶＢＳ画像Ｂとのマッチング処理においては、リアル画像のフレーム単位で行うため、実際の比較処理は静止内視鏡画像とＶＢＳ画像Ｂの類似度を基準に行われる。

リアル画像とＶＢＳ画像Ｂとの類似度を比較し算出した両画像の誤差ｅが、許容誤差ｅ０よりも大きい場合（Ｎｏ）には、制御部１１は、値を少し変えた視線パラメータ値をＶＢＳ画像生成部１２に出力する。ＶＢＳ画像生成部１２は新規な視線パラメータに従った、次の１枚のＶＢＳ画像Ｂを生成する。

挿入支援装置３が、上記処理を繰り返し行うこと、すなわち、視線パラメータを変化させることで、ＶＢＳ画像生成部１２が生成するＶＢＳ画像Ｂは、徐々にリアル画像に類似した画像となっていき、何回かの繰り返し処理の後に、両画像の誤差ｅは、許容誤差ｅ０以下となる。

そして、制御部１１は、リアル画像情報から許容誤差ｅ０以下のＣＣＤ２Ｇの視線パラメータ、言い換えれば、ＣＣＤ２Ｇの位置、方向および回転角（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ、ａｎ、ｅｎ、ｒｎ）を検出する。この視線パラメータを用いることで、補正部２３は、センサ１９が検出したセンサ１９の位置、方向および回転角（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０、ａ０、ｅ０、ｒ０）を、ＣＣＤ２Ｇの位置、方向および回転角（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ、ａｎ、ｅｎ、ｒｎ）をもとに補正する。言い換えれば、制御部１１は、ＣＣＤ２Ｇの位置および方向および回転角からなる視線パラメータの第２の仮想内視鏡画像Ｂと、リアル画像と、をもとに、センサ１９をキャリブレーションする。

目標部位９Ｇの処置等を行うために、術者は処置具４の先端４Ｈと目標部位９Ｇとの相対関係をより明確にすることが好ましい。ここで、入力部１４により設定される目標部位９Ｇの位置は、３次元画像データをもとにしたＣＴ座標系により設定されている。これに対して、センサ１９の位置は、例えば磁界発生アンテナ２０を基準とするセンサ座標系で得られる。補正部２３が行う補正処理は、センサ１９の検出誤差を補正するだけではなく、ＣＴ座標系とセンサ座標系との整合性、言い換えれば、異なる座標間の座標変換式を算出するための処理でもある。補正部２３が算出した座標変換式を用いることにより制御部１１の制御は、より正確にかつ簡単になる。

本実施の形態の医療機器１Ａは、第１の実施の形態の医療機器１が有する効果に加えて、より処理速度が速く、精度の高いナビゲーションが可能であるため、より確実に処置具４の先端部４Ｃを管腔の目標部位９Ｇまで挿入できる。

＜第２の実施の形態の変形例＞
次に、本発明の第２の実施の形態の変形例の医療機器１Ｂについて説明する。本変形例の医療機器１Ｂは第２の実施の形態の医療機器１Ａと類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

医療機器１Ｂの挿入支援装置３Ｂの補正部２３Ｂは、センサ１９が検出した位置等を、内視鏡２ＡのＣＣＤ１２が撮像したリアル画像の中の処置具４の画像をもとに補正する補正部２３Ｂを具備する。

すなわち、図２５に示すように、医療機器１Ｂでは補正部２３Ｂの補正処理のために、術者は処置具４の先端部４Ｃを挿入部先端部２Ｃの処置具口２Ｆから突出する。すると図２６に示すように、先端部４Ｃが撮像されているリアル画像が得られる。処置具４には突出量等を検出可能な目盛り４Ｌおよび回転を検出可能な目盛り４Ｍがあり、これらは制御部１１によりリアル画像から読み取り可能である。この読み取ったデータ等から、制御部１１は処置具４の先端４Ｈと、ＣＣＤ２Ｇとの相対位置関係を算出することができる。

このため、制御部１１は、医療機器１Ａが行った補正処理に加えて、さらに先端部４Ｃが撮像されているリアル画像をもとに、センサ１９が検出した情報をさらに精度の高いものに補正、言い換えれば、センサ１９の情報をさらにキャリブレーションする。

本実施の形態の医療機器１Ｂは、第２の実施の形態の医療機器１Ａが有する効果に加えて、さらにより精度の高いナビゲーションが可能であるため、より確実に処置具４の先端部４Ｃを管腔の目標部位９Ｇまで挿入できる。

＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態の医療機器１Ｃは、第１の実施の形態の医療機器１と類似している点があるため、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図２７に示すように、本実施の形態の医療機器１Ｃは、単独で被検者の気管支９に挿入する処置具４と、被検者７の体表面に設置される基準マーカー２４と、を具備する。医療機器１Ｃでは、基準マーカー２４の位置を磁界発生アンテナ２０を基準とするセンサ座標系で得ることにより、ＣＴ座標系とセンサ座標系との整合性、言い換えれば、異なる座標間の座標変換式を算出することができる。

医療機器１Ｃでは、処置具４は挿入操作中に分岐部の内視鏡画像を取得することができない。しかし、術者は医療機器１Ｃの挿入支援装置３Ｃが表示するＶＢＳ画像Ａと操作指示画像３０とをもとに先端部４Ｃを目標部位９Ｇまで挿入できる。

医療機器１Ｃの挿入支援装置３の動作は、医療機器１における処置具４に対する支援動作と同じである。

本実施の形態の医療機器１Ｃは、第１の実施の形態の医療機器１が有する効果と同じ効果を有する。

以上の説明のように、本発明の医療機器は、内視鏡のチャンネルを挿入し内視鏡先端部から突出する、先端部に位置および方向および回転角を検出するためのセンサと湾曲部とを有し気管支の目標部位まで挿入される処置具と、予め取得した気管支の３次元画像データを記憶する画像データ格納部と、目標部位を設定するための入力部と、前記３次元画像データをもとに、前記センサが検出する前記先端部の位置および方向および回転角からなる視線パラメータの仮想内視鏡画像を生成する仮想内視鏡画像生成部と、前記先端部を前記目標部位まで前記気管支を経由して挿入するための、前記湾曲部の湾曲操作情報と前記先端部の回転操作情報および前記仮想内視鏡画像および挿入経路、を重畳表示処理する画像処理部と、を具備する。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。

本出願は、２０１０年２月２２日に日本国に出願された特願２０１０−３６４８０号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものとする。

本発明の一態様による医療機器は、撮像部と、内部を挿通するチャンネルと、を有する内視鏡挿入部と、先端部に配設された、位置、方向および回転角を検出するためのセンサと前記先端部を湾曲する湾曲部とを有し前記チャンネルに挿通され前記先端部が前記内視鏡挿入部の挿入部先端部から突出可能な処置部と、予め取得した被検体の前記管腔の３次元画像データを記憶する記憶部と、前記目標位置を、前記３次元画像データをもとに設定するための目標位置設定部と、前記３次元画像データに基づいて、前記センサが検出する前記先端部の位置および方向および回転角からなる視線パラメータの仮想内視鏡画像を生成する仮想内視鏡画像生成部と、前記先端部を前記目標位置まで挿入するための操作情報と、前記仮想内視鏡画像と、を重畳表示処理する画像処理部と、を具備する。

Claims (13)

1. 先端部と、前記先端部に配設された位置および方向および回転角を検出するためのセンサと、前記先端部を湾曲する湾曲部とを有し、前記先端部を被検体の管腔の目標位置まで挿入する処置手段と、
   予め取得した前記管腔の３次元画像データを記憶する記憶手段と、
   前記目標位置を、前記３次元画像データをもとに設定するための目標位置設定手段と、
   前記３次元画像データをもとに、前記センサが検出する前記先端部の位置および方向および回転角からなる視線パラメータの仮想内視鏡画像を生成する仮想内視鏡画像生成手段と、
   前記先端部を前記所定位置まで挿入するための操作情報と、前記仮想内視鏡画像と、を重畳表示処理する画像処理手段と、を具備することを特徴とする医療機器。
2. 前記湾曲部が上下方向または左右方向に湾曲可能であり、
   前記画像処理手段が処理する前記操作情報が、前記湾曲部の湾曲角度および前記先端部の回転角度の情報であることを特徴とする請求項１に記載の医療機器。
3. 前記管腔が複数の分岐部を有することを特徴とする請求項１に記載の医療機器。
4. 前記先端部を前記所定位置まで挿入するための挿入経路を、前記画像処理手段が、さらに重畳表示処理することを特徴とする請求項１に記載の医療機器。
5. 複数の前記挿入経路がある場合、全ての前記複数の挿入経路または選択された一の前記挿入経路を、前記画像処理手段が重畳表示処理することを特徴とする請求項４に記載の医療機器。
6. 前記目標位置設定手段が、前記目標位置として所定の体積を有する目標部位の設定が可能であり、
   前記目標部位の前記所定の体積、および前記先端部から前記目標部位までの前記挿入経路の長さ、および前記先端部から前記目標部位までの前記挿入経路にある前記分岐部の数を、前記画像処理手段が重畳表示処理する請求項４に記載の医療機器。
7. 前記処置手段が、撮像手段を有する内視鏡の挿入部のチャンネルを挿通し、挿入部先端部から前記先端部が突出可能であり、
   前記撮像手段が撮像する内視鏡画像と、前記撮像手段の位置および方向および回転角からなる視線パラメータの第２の仮想内視鏡画像と、をもとに、前記センサが検出した位置および方向および回転角を補正するとともに、前記センサが検出した前記位置の座標を前記３次元画像データの座標系に変換する座標変換式を算出する補正手段、を具備することを特徴とする請求項１に記載の医療機器。
8. 前記内視鏡画像が、前記挿入部先端部から突出した前記先端部が撮像されている画像であることを特徴とする請求項７に記載の医療機器。
9. 前記挿入部先端部から突出した前記処置手段の前記先端部の位置が、前記挿入部先端部が挿入できない位置であることを特徴とする請求項７に記載の医療機器。
10. 前記管腔が気管支であることを特徴とする請求項１に記載の医療機器。
11. 前記画像処理手段は、前記湾曲部の湾曲操作または前記先端部の回転操作の少なくともいずれかが必要なときに、その前記操作情報を重畳表示処理することを特徴とする請求項１に記載の医療機器。
12. 前記画像処理手段は、前記操作情報である前記湾曲角度および前記回転角度と、それぞれの所定の閾値とを比較することにより、前記湾曲操作または前記回転操作が必要か否かを判断することを特徴とする請求項１１に記載の医療機器。
13. 前記画像処理手段が処理する前記操作情報の少なくともいずれかが、グラフィック表示であることを特徴とする請求項１に記載の医療機器。

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