JPWO2015001807A1 - 投影システム - Google Patents
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Abstract
手術支援システム200は、光源11と、撮像部12と、制御部2と、メモリ4と、投影部3とを備える。光源11は、所定の波長の励起光を照射する。撮像部12は、術野101の患部103を撮像する。制御部2は、撮像部12が撮像した撮像データに基づいて、投影用の画像データを生成する。投影部3は、投影用の画像データに基づく投影画像を、術野101に投影する。撮像部12は、術野101上で、励起光に反応した蛍光発光領域の蛍光像とともに、投影画像を撮像する。制御部2は、撮像部12により撮像された蛍光像と、投影画像との差分に応じて、蛍光像と投影画像とが一致するように投影用の画像データを補正する。
Description
本開示は、撮像した被写体の画像を、その被写体の表面に投影する投影システムに関する。
特許文献1は、外科手術を受ける生体の患部を示す画像データを蛍光像撮像装置から出力させ、画像投影装置により上記画像データによる画像を再生し、実際の患部上に表示させる外科手術支援システムを開示する。生体の患部には、所定の波長の光を照射することで蛍光を発する物質が、あらかじめ投与されている。つまり、このシステムは、患部が蛍光発光した蛍光画像を実際の患部に表示することで、病変部の確認の支援をしている。
本開示は、実際の被写体上に投影する被写体の画像において、ユーザが被写体の状態をより正確に認識できる画像を投影する投影システムを提供することを目的とする。
本開示にかかる投影システムは、光源と、撮像部と、制御部と、投影部とを備える。光源は、所定の波長の光を照射する。撮像部は、所定の波長の光が照射された被写体を撮像する。制御部は、撮像部が撮像した画像に基づいて、投影用の画像データを生成する。投影部は、投影用の画像データに基づく投影画像を、被写体上に投影する。撮像部は、被写体上で、所定の波長の光に反応した領域の画像とともに、投影画像を撮像する。記制御部は、所定の波長の光に反応した領域の画像と、投影画像との差分に応じて、所定の波長の光に反応した領域の画像と投影画像とが一致するように、投影用の画像データを補正する。
本開示における投影システムによれば、所定の波長の光に反応した領域からの投影画像のずれを低減することで、ユーザが被写体の状態をより正確に認識できる画像を投影することができる。
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
(実施の形態1)
以下、図1〜9を用いて、実施の形態1を説明する。
以下、図1〜9を用いて、実施の形態1を説明する。
1−1.構成
1−1−1.手術支援システムの概要
図1は、実施の形態1にかかる手術支援システムの構成を示す概略図である。手術支援システムは、投影システムの一例である。
1−1−1.手術支援システムの概要
図1は、実施の形態1にかかる手術支援システムの構成を示す概略図である。手術支援システムは、投影システムの一例である。
手術が行われる場合、チューブやカテーテルなどの医療機器が患者の体内に挿入される。通常、患者の体内に挿入された医療機器は、外部から目視で確認することができない。そこで、本実施の形態の手術支援システムは、医療機器が挿入された領域の表面に、その医療機器の形状を表す画像を投影する。これにより、本手術支援システムのユーザは、患者の体内に挿入された医療機器の位置などを確認することができる。
1−1−2.手術支援システムの構成
以下、手術支援システム100の構成を詳細に説明する。
以下、手術支援システム100の構成を詳細に説明する。
手術支援システム100は、撮像装置1と、制御部2と、投影部3と、メモリ4とから構成されている。
図1に示すように、手術を受ける患者10の術野101には、医療機器20が挿入されている。撮像装置1は、光源11と撮像部12を含み、術野101を撮像する。制御部2は、手術支援システム100の各部を制御する。制御部2は、撮像装置1が撮像した画像を示す画像データ(撮像データ)に対して後述の処理を行って、投影用の画像データを生成する。投影部3は、投影用の画像データに基づいて投影画像を生成して、術野101に投影する。メモリ4は、画像データベース41と、特徴量データ42とを格納する。画像データベース41と、特徴量データ42の詳細は後述する。
手術に使用される医療機器20は、励起されると蛍光を発する光感受性物質が、表面に塗布され、または練り込まれている。光感受性物質は、例えば近赤外光を照射されると励起して蛍光を発する物質であり、例えばインドシアニングリーンである。光感受性物質は、人体もしくは動物に使用可能な薬剤である。医療機器20は、撮像装置1の撮像の対象となる撮像対象物である。
撮像装置1の光源11は、光感受性物質の励起波長領域内の波長を有する励起光を照射する。例えば、光源11は、近赤外の波長帯の光を照射する。光源11は、撮像部12の周囲を取り囲むように配置されている。
撮像部12は、例えば高感度のCCDカメラ等で構成される。撮像部12は、医療機器20の光感受性物質の蛍光発光による蛍光像を撮像して、撮像データを生成する。撮像データは、蛍光発光した領域の蛍光像を示す画像データであり、制御部2に出力される。また、撮像部12は、蛍光像とともに術野101の可視光像を撮像する。撮像部12は、例えば可視光、蛍光、および励起光の内で一つまたは複数の種類の光を検出できるカメラを複数組み合わせたカメラ群から構成されることで、上記の全ての種類の光を検出できる。本実施の形態では、撮像部12は、蛍光像を示す撮像データを生成する。なお、撮像部12は、蛍光像と可視光像を含む撮像結果の画像全体のデータを制御部2に出力してもよく、その場合、制御部2が撮像結果の画像全体から蛍光像を抽出するようにしてもよい。
制御部2は、撮像装置1と投影部3の動作を制御する機能を有する。また、制御部2は、撮像装置1から撮像データを取得するとともに、メモリ4から形状情報(後述)を読み出して、後述の所定の処理を行う。これにより、制御部2は、投影部3から投影するための画像データを生成して、投影部3に出力する。制御部2は、例えばCPUやMPUで構成され、所定のプログラムを実行することによってその機能を実現する。なお、制御部2の機能は、専用に設計された電子回路により実現されてもよい。
投影部3は、制御部2からの画像データに基づいて投影画像を生成し、医療機器20が挿入された患部などの表面上に、投影画像を投影する。投影部3は、例えばプロジェクタ等からなる。
メモリ4は、制御部2が形状情報を読み出して後述の処理を行えるように、制御部2に接続されている。形状情報は、医療機器の形状を示す画像データである。なお、形状情報は、医療機器の形状に限らず、所定の形状を有する物体の画像データであってもよい。メモリ4は、記憶部の一例である。メモリ4としては、例えば不揮発性メモリやHDD(Hard Disk Drive)が用いられる。
画像データベース41は、複数の医療機器に関する形状情報を管理する。図2A〜2Cは、画像データベース41に含まれる複数種類の手術器具のそれぞれの形状情報の例を示す。図2Aは、カテーテルの画像データ51を示し、図2Bは、鉗子の画像データ52を示し、図2Cは、メルシーリトリーバ(以下、メルシーという。)の画像データ51を示す。各画像データ51〜53は、それぞれの手術器具の形状情報の一例である。
カテーテルは、患者10の体内に挿入される管状の手術器具である。カテーテルの画像データ51の特徴の1つは、長手方向51bに沿って先端部51aまで一定の幅で延在することである。
鉗子は、患部や縫合糸を把持したり、牽引したりするために用いられる手術器具である。例えば、内視鏡用の鉗子は、患者10の体内に挿入して用いられる。鉗子の画像データ52の特徴の1つは、先端に設けられた二股形状の把持部52aである。
メルシーは、血栓を取り除くために血管等に挿入される手術器具であり、血栓を絡め取るためのループワイヤとフィラメントを有する。メルシーの画像データ53の特徴の1つは、先端に設けられたらせん形状のループワイヤ53aである。なお、メルシーの画像データ53は、糸状のフィラメント53bを有するが、画像データベース41は、フィラメント53bを除いたメルシーの画像データ53を有してもよい。
画像データベース41は、図2A〜2Cに示すように複数種類の手術器具の画像データを有するとともに、各手術器具のバリエーションの画像データも有する。バリエーションの画像データは、各種類の手術器具において異なる形状を示す画像データであり、例えば、手術器具の向きを変えた画像データや、手術器具を変形させた画像データや、同一の種類で別形状の手術器具の画像データである。
図3は、図2Bの鉗子のバリエーションの画像データの例を示す。鉗子の画像データ52A〜52Cにおいて、把持部52aはそれぞれ異なる角度で開いている。画像データベース41は、鉗子に関して、さらなるバリエーションの画像データを有してもよい。例えば、画像データベース41は、画像データ52A〜52Cのそれぞれに対して、鉗子の長手方向52bを回転軸として回転させたバリエーションの画像データをさらに有する。
図4Aは、バルーンのバリエーションの画像データの例を示す。バルーンは、患者10の体内に挿入した先端部を膨らませて使用する手術器具であり、挿入箇所などに応じて、異なる形状を有する別のバルーンが使用される。画像データベース41は、例えば図4Aに示すような、楕円形状の先端部54aを有するバルーンの画像データ54と、先端部54aよりも長手方向に扁平した楕円形状の先端部54bを有するバルーンの画像データ54’とを有する。図4Bに示すように、実際のバルーン204の先端部204aは、例えば外付けのポンプなどにより、患者10の体内で拡張するように変形する。これに応じて、画像データベース41は、例えばバルーンの画像データ54,54’毎に、先端部54a,54bを変形させたバリエーションの画像データをさらに有する。
特徴量データ42は、画像データベース41が有する形状情報の各手術器具の特徴量を表すデータである。図5は、図2A〜2Cの各種類の手術器具に関する特徴量データ42の一例を示す。図5において、カテーテル、鉗子、メルシーの各手術器具に対して、特徴量a,b,cが設定されている。
各手術器具の特徴量a,b,cには、画像データベース41における手術器具毎の代表的な形状の特徴を示す値が設定される。例えば、カテーテルの特徴量a1,b1,c1は、画像データ51から抽出された値である。特徴量aは、例えば各手術器具の形状と管状との類似度を表す量であり、各画像データにおいて一定の幅で延在している長手方向の長さによって規定される。また、特徴量bは、例えば各手術器具の先端部と二股形状との類似度を表す量であり、各画像データの先端部の開き具合によって規定される。
1−2.動作
以上のように構成された手術支援システム100の動作を、以下説明する。
以上のように構成された手術支援システム100の動作を、以下説明する。
図6は、手術支援システム100における投影画像の生成処理を説明するためのフローチャートである。
図1に示す手術支援システム100において手術が行われる際、まず撮像装置1は、光源11を駆動して、医療機器20を含む術野101に励起光を照射する(ステップS110)。光源11からの励起光は、患者10の体内に挿入された医療機器20にも到達する。そのため、医療機器20の表面に塗布され、或いは医療機器20に練り込まれた光感受性物質が、励起されて蛍光を発する。
次に、撮像装置1は、撮像部12から術野101を撮像する(ステップS120)。このとき、撮像部12は、患者10の体内に挿入された医療機器20からの蛍光発光を検出して、医療機器20の蛍光像を示す撮像データを生成する。撮像データは、制御部2に出力される。
制御部2は、撮像データと、メモリ4に格納された形状情報に基づいて、画像データ生成処理を行う(ステップS130)。画像データ生成処理は、撮像データの蛍光像に対応する医療機器の画像が術野101に投影されるように、医療機器の画像を含む投影用の画像データを生成する処理である(詳細は後述)。制御部2は、生成した画像データを投影部3に出力する。
投影部3は、入力した画像データに基づいて投影画像を生成し、生成した投影画像を術野101の表面上に投影する(ステップS140)。これにより、術野101において医療機器20が挿入されている位置に、医療機器20の形状を示す画像が表示される。そのため、ユーザは、術野101において医療機器20が挿入されている位置を視認できる。
以上の処理は、所定サイクル(例えば1/60秒)で繰り返し実行される。これにより、例えば1/60秒に1度撮像された画像が投影されることとなり、ユーザはリアルタイムの映像として医療機器20が挿入されている位置を視認できる。
ここで、患者10の体内に挿入された医療機器20の蛍光発光を検出する際、撮像部12は皮膚などを透過した光線を検出することになる。そのため、医療機器20の蛍光像に基づいて医療機器20の鮮明な形状を検出することは困難である。例えば、図7Aに示す蛍光像31は、医療機器20の先端から発した蛍光が血管などの患部102内部で拡散することにより、患部102の表面上ではぼやけた像となる。このとき、投影部3が蛍光像31と同一の画像を投影すると、医療機器20が挿入された領域の形状が不鮮明に表示されてしまう。
さらに、複数種類の医療機器が同時に患者10の体内に挿入されている場合、ユーザがそれぞれの医療機器を識別することは困難である。
そこで、本実施の形態の画像データ生成処理において、制御部2は、まず撮像データが示す医療機器20の形状と、メモリ4に格納された医療機器群の各形状情報とを比較して、実際に使用されている医療機器を判定する。さらに、制御部2は、撮像データにおいて、蛍光像を、判定した医療機器の形状情報に置き換えることにより、投影画像の画像データを生成する。これにより、図7Bに示すように、投影画像32によって血管などの患部102に挿入された医療機器20の状態(例えば、形状や種類)を明瞭に表示することができる。また、蛍光像を複数の形状情報と比較することにより、複数種類の医療機器の識別を行うこともできる。
なお、制御部2は、判定した医療機器の形状情報に基づいて、撮像データに基づく医療機器20の蛍光像の形状を補正し、補正後の画像データを投影用の画像データとして投影部3に入力してもよい。
1−2−1.画像データ生成処理
図8を用いて、図6の画像データ生成処理(ステップS130)を説明する。図8は、画像データ生成処理を説明するためのフローチャートである。ここでは、図6のステップS120において、図7Aに示す蛍光像31が撮像された後に、画像データ生成処理(ステップS130)が開始するとする。
図8を用いて、図6の画像データ生成処理(ステップS130)を説明する。図8は、画像データ生成処理を説明するためのフローチャートである。ここでは、図6のステップS120において、図7Aに示す蛍光像31が撮像された後に、画像データ生成処理(ステップS130)が開始するとする。
図7Aにおいて、患者10の血管などの患部102に挿入された医療機器20の蛍光像31が、患部102の表面に映っている。図7Aに破線で示すように、蛍光像31の形状は不鮮明である。医療機器20が挿入された深度によっては、励起された蛍光光線が皮下組織などで拡散してしまい、蛍光像31の形状が不鮮明になる場合がある。
このような撮像データに対して、まず、制御部2は、ノイズフィルタ処理を行う(ステップS210)。ノイズフィルタ処理は、ガウシアンフィルタ処理などであり、撮像データの蛍光像に対するノイズを取り除く。
さらに、制御部2は、二値化処理を行い(ステップS220)、蛍光像のエッジを明瞭化する。二値化処理は、例えば各画素の輝度レベル0〜255に対して、所定値以上の輝度レベルを値255に書き換える一方、当該所定値未満の輝度レベルを値0に書き換えることで行う。
次に、制御部2は、二値化した蛍光像から、特徴量を抽出する(ステップS230)。例えば、制御部2は、まず二値化した蛍光像の長手方向を検出して、一定の幅で延在する長手方向の長さを測定することにより、特徴量aの値を抽出する。さらに、制御部2は、検出した長手方向を基準にして、蛍光像の先端部の特徴量を抽出する。
制御部2は、抽出した特徴量に基づいて、器具の判定処理を行う(ステップS240)。器具の判定処理は、蛍光像から抽出した特徴量と、メモリ4の特徴量データ42に格納された特徴量とを比較することにより、蛍光像が示す手術器具の種類を判定する処理である。器具の判定処理の詳細については、後述する。
制御部2は、器具の判定処理(ステップS240)において判定した手術器具に関する形状情報に基づいて、投影画像のための画像データを生成する(ステップS250)。
具体的には、制御部2は、蛍光像の特徴量と、各形状情報から抽出した特徴量との比較に基づいて、類似度を算出する。これにより、制御部2は、不鮮明な形状の蛍光像を有する撮像データと、判定した医療機器に関して画像データベース41に格納された各形状情報との類似度を判定する。そして、制御部2は、メモリ4に格納されている形状情報のうち、類似度が最も高い形状情報を選択して、選択した形状情報が実際に手術に使用されている医療機器の状態を示す画像の形状情報であると判定する。制御部2は、撮像データの蛍光像を、類似度が最も高いと判定した形状情報の画像に置き換えて、投影用の画像データを生成する。
例えば、器具の判定処理(ステップS240)において蛍光像が示す手術器具が鉗子であると判定された場合、制御部2は蛍光像の形状と、図3に示す鉗子の画像データ52A〜52Cとを比較して、鉗子の画像データ52A〜52Cの中で形状が最も蛍光像に近い画像データを選択する。次に、制御部2は、撮像データにおける蛍光像を、選択した画像データの画像に置き換えて、投影用の画像データを生成する。
ここで、制御部2は、撮像データに基づいて、医療機器20の大きさや向きなどの状態も検出する。例えば、患部102に挿入される医療機器20の蛍光像は、略管状であって先端部に特徴を有することが多いため(図7A参照)、蛍光像の長手方向を、向きの基準として検出してもよい。制御部2は、類似度が最も高いと判定した画像データに対して、検出した大きさや向きに合わせて、拡大または縮小の倍率および回転角度を調整する処理を行う。さらに、制御部2は、撮像データにおいて、患部の表面上の蛍光発光した領域である蛍光像の位置と、投影画像の位置とを合致させる。
制御部2は、投影用の画像データを生成すると、画像データ生成処理を終了する。
図8のステップS240の器具の判定処理について説明する。器具の判定処理において、制御部2は、メモリ4から特徴量データ42を読み出して、特徴量データ42の各手術器具の特徴量と、ステップS230の処理において抽出した蛍光像の特徴量とを比較することにより、撮像データの手術器具の種類を判定する。以下、図5,9を用いて説明する。
図9は、器具の判定処理の一例を説明するためのフローチャートである。なお、図9の例では、一例として制御部2は、図5の特徴量データ42に基づいて、撮像データの手術器具が、カテーテルと、鉗子と、メルシーのいずれであるかを判断するとする。
制御部2は、蛍光像とカテーテルを比較するため、蛍光像が先端まで一定の幅で延在しているか否かを判定する(ステップS310)。この判定は、例えば特徴量aが所定のしきい値を超えるか否かを判断することで実行される。蛍光像が先端まで一定の幅で延在している場合(ステップS310でYES)、制御部2は、蛍光像の手術器具がカテーテルであると判定する(ステップS311)。
一方、蛍光像が先端まで一定の幅で延在していない場合(ステップS320でYES)、制御部2は、蛍光像の先端形状の特徴量と、特徴量データ42におけるカテーテル以外の手術器具の特徴量とを比較する。具体的には、蛍光像の先端が、二股の分岐と類似するか否かを判定する(ステップS320)。蛍光像の先端が二股の分岐と類似していれば(ステップS320でYES)、制御部2は、手術器具がカテーテルであると判定する(ステップS321)。一方、蛍光像の先端が二股の分岐と類似していなければ(ステップS320でNO)、制御部2は、手術器具がメルシーであると判定する(ステップS322)。
制御部2は、蛍光像の手術器具の種類を判定すると、器具の判定処理を終了する。なお、器具の判定処理において判定する手術器具の種類は、上記のカテーテルと、鉗子と、メルシーの組み合わせに限らない。例えば、蛍光像の先端の膨らみに関する特徴量を検出して、蛍光像がバルーンであるか否かを判定してもよい。
器具の判定処理により、あらかじめ特徴量データ42に格納された特徴量に基づいて、蛍光像が示す手術器具の種類が判定できるので、制御部2の処理量を低減することができる。
以上の画像データ生成処理(ステップS130)により、図7Bに示すように、投影用の画像データに基づく投影画像32が、投影部3から患部102の表面の蛍光発光した領域上に投影される(ステップS140)。上述の処理を行うことにより、医療機器20の画像を鮮明に患部102上に表示することができる。
なお、本実施の形態では、撮像部12が可視光と蛍光の両方を検出できる構成としたが、上述の各処理を行う場合、可視光のみを検出する撮像部と、蛍光のみの検出を行う撮像部を別々に備えた構成としてもよい。これにより、医療機器20の蛍光像と投影部3からの投影画像とを分離して検出することができる。その結果、蛍光像のみとメモリ4に格納された形状情報とを比較して、類似度を判定することができる。したがって、撮像部を別々に設けることで、類似度の判定精度が向上する。
1−3.効果等
以上のように、本実施の形態において、手術支援システム100は、光源11と、撮像部12と、制御部2と、メモリ4と、投影部3とを備える。光源11は、所定の波長の励起光を照射する。撮像部12は、励起光が照射された被写体である、術野101の医療機器20を撮像する。制御部2は、撮像部12が撮像した撮像データに基づいて、投影用の画像データを生成する。メモリ4は、医療機器の画像の形状を示す形状情報を複数有するデータ群を複数格納する。投影部3は、投影用の画像データに基づく投影画像を、術野101に投影する。制御部2は、メモリ4に格納された複数の形状情報の中から、撮像部12により撮像された、励起光に反応して蛍光発光した領域の画像である蛍光像との類似度に基づいて形状情報を選択する。制御部2は、選択した形状情報が示す形状を有する画像が、術野101の蛍光発光した領域に投影されるように、投影用の画像データを生成する。
以上のように、本実施の形態において、手術支援システム100は、光源11と、撮像部12と、制御部2と、メモリ4と、投影部3とを備える。光源11は、所定の波長の励起光を照射する。撮像部12は、励起光が照射された被写体である、術野101の医療機器20を撮像する。制御部2は、撮像部12が撮像した撮像データに基づいて、投影用の画像データを生成する。メモリ4は、医療機器の画像の形状を示す形状情報を複数有するデータ群を複数格納する。投影部3は、投影用の画像データに基づく投影画像を、術野101に投影する。制御部2は、メモリ4に格納された複数の形状情報の中から、撮像部12により撮像された、励起光に反応して蛍光発光した領域の画像である蛍光像との類似度に基づいて形状情報を選択する。制御部2は、選択した形状情報が示す形状を有する画像が、術野101の蛍光発光した領域に投影されるように、投影用の画像データを生成する。
上述の構成により、手術支援システム100は、患者の体内に挿入された医療機器20の蛍光像が皮膚等の影響により不鮮明であった場合でも、蛍光像と医療機器群の形状情報とを比較することで、使用されている医療機器20を判別できる。さらに、手術支援システム100は、形状情報を用いて生成した投影用の画像データによって、明瞭で正確な位置、大きさ、及び向きの医療機器20の映像を患部の表面に投影することができる。そのため、医師等が被写体の状態をより正確に認識できる画像を投影することができる。
このように、実施の形態1の手術支援システム100により、実際の医療機器が挿入された患部上に投影する投影画像において、医療機器の種類や位置などの状態を、ユーザにとってわかり易くすることができる。
(実施の形態2)
以下、図10〜15Cを用いて、実施の形態2を説明する。実施の形態1では、患者の体内に挿入された医療機器の画像を投影したが、本実施の形態では、患者の病変した患部の画像を投影する。
以下、図10〜15Cを用いて、実施の形態2を説明する。実施の形態1では、患者の体内に挿入された医療機器の画像を投影したが、本実施の形態では、患者の病変した患部の画像を投影する。
2−1.構成
2−1−1.手術支援システムの概要
図10は、実施の形態2にかかる手術支援システムの構成を示す概略図である。手術支援システムは、投影システムの一例である。
2−1−1.手術支援システムの概要
図10は、実施の形態2にかかる手術支援システムの構成を示す概略図である。手術支援システムは、投影システムの一例である。
本実施の形態の手術支援システムは、術野における患部の蛍光像を撮像し、撮像した画像から患部の蛍光発光した領域を検出し、検出した領域に対応する被写体の領域に可視光で投影画像を投影する。これにより、本手術支援システムのユーザは、患者の患部の位置などを目視で確認することができる。
ここで、患部に投影した投影画像の領域と、術野における蛍光発光した患部の領域とがずれると、患部の位置が誤認されるという問題がある。そこで、本実施の形態の手術支援システムは、患部の蛍光像と、患部に投影された投影画像とを撮像して、その差分を検出して投影画像を補正することで、投影画像のずれを解消する。これにより、ユーザ(医師等)は患者の患部の領域を正しく確認することができる。
以下、実施の形態1に係る手術支援システム100と同様の構成、動作の説明は適宜、省略して、手術支援システム200を説明する。
2−1−2.手術支援システムの構成
図10を用いて、手術支援システム200の構成を詳細に説明する。
図10を用いて、手術支援システム200の構成を詳細に説明する。
本実施の形態に係る手術支援システム200は、実施の形態1に係る手術支援システム100と同様に、撮像装置1と、制御部2と、投影部3とを備えるが、医療機器の形状情報を有するメモリ4を備えていない。
手術を受ける患者10には、所定の波長の光(励起光)によって励起されると蛍光を発する光感受性物質が、あらかじめ血液やリンパ液等に投与されており、血液やリンパ液の流れが滞っている患部103に光感受性物質が蓄積される。光感受性物質は、例えば近赤外光を照射されると励起して蛍光を発する物質であり、例えばインドシアニングリーンである。光感受性物質が蓄積された患部103は、光源11から励起光を照射されることで蛍光発光する。
本実施の形態において、撮像部12は、術野101において、患部103の光感受性物質の蛍光発光による蛍光像と、可視光による可視光像とを撮像して、撮像データを生成する。すなわち、撮像データは、蛍光発光した領域の蛍光像だけでなく、可視光による可視光像をも含む画像データである。
2−2.動作
以上のように構成された手術支援システム200の動作を、以下説明する。
以上のように構成された手術支援システム200の動作を、以下説明する。
図11は、手術支援システム200における投影画像の生成処理を説明するためのフローチャートである。
まず撮像装置1は、光源11を駆動して、患部103を含む術野101に励起光を照射する(ステップS110)。光源11からの励起光が、患者10の患部103に蓄積された光感受性物質を励起することにより、患部103は蛍光発光する。
次に、撮像装置1は、撮像部12から術野101を撮像する(ステップS120)。このとき、撮像部12は、患部103に蓄積された光感受性物質による蛍光像とともに、術野101における可視光像を示す撮像データを生成する。撮像データは、制御部2に出力される。
制御部2は、撮像データに基づいて、投影用の画像データを生成する(ステップS130A)。本実施の形態においては、制御部2は、撮像データから患部103の蛍光像を抽出して、抽出した蛍光像の形状を示す投影画像を可視光で表示するように投影用の画像データを生成する。制御部2は、投影用の画像データを投影部3に出力する。
投影部3は、術野101において、患部103表面の蛍光発光している領域に、患部103の形状を示す投影画像を投影する(ステップS140)。この投影画像によって、医師等は、術野101において患部103の位置や形状を明瞭に視認することができる。
さらに、制御部2は、画像データ補正処理を行う(ステップS160)。画像データ補正処理は、術野101に実際に投影された投影画像と蛍光像とを検出して、投影用の画像データを補正する処理である(詳細は後述)。制御部2によって補正された投影用の画像データは、再度、投影部3に出力される。投影部3は、補正された投影用の画像データに基づく投影画像を、術野101の患部103に投影する(ステップS140)。
以上の処理は、終了のための操作が行われるまで(ステップS150)に所定サイクル(例えば1/60秒)で繰り返し実行される。これにより、例えば1/60秒に1度撮像された画像が投影されることとなり、ユーザはリアルタイムの映像として患部103の位置や形状を視認できる。
2−2−1.画像データ補正処理
以下、画像データ補正処理(ステップS160)の詳細を説明する。
以下、画像データ補正処理(ステップS160)の詳細を説明する。
以上で説明した投影画像の生成処理においては、撮像装置1と投影部3の配置位置が異なることに起因して、実際の患部103の位置と、投影部3の投影画像が投影される位置との間にずれが生じることがある。また、患部103の表面形状や、患部103が移動することによっても、実際の患部103の位置と、投影画像が投影される位置との間にずれが生じる。
図12A〜12Cは、撮像装置1と投影部3とが互いに異なる位置に配置された場合の手術支援システム200による表示例を示す。図12A〜12Cに示す例において、撮像装置1は、術野101の上方から患部103に対向して配置されている。一方、投影部3は、術野101に対して傾斜して、患部103に向いて配置されている。
図12A〜12Cの例では、患部103の形状は円形であるとする。また、蛍光発光した患部103と投影画像33とが重なった領域33aを黒塗りの領域で示す。この場合、撮像装置1は、円形の蛍光像を撮像する。制御部2は、円形の投影画像を示す投影用の画像データを生成する。図12Aは、制御部2が投影用の画像データを補正せずに投影部3に出力したときの状態を示す。すると、投影部3が術野101に対して傾いて配置されているため、実際に術野101に投影される投影画像33は楕円形の画像となる。そのため、患部103と投影画像33とが、図12Aに示すようにずれてしまう。
このような画像のずれを補正するため、本実施の形態の手術支援システム200は、画像データ補正処理(ステップS160)を行う。具体的には、制御部2は、患部103の蛍光像と、投影画像33との差分を検出して、差分に応じて投影用の画像データを補正する(図12C参照)。例えば、手術支援システム200は、図12Bに示すように患部103と一致した投影画像の領域33aを表示したまま、患部103からはみ出した領域33bを消去する。そのため、投影画像33のずれを低減し、患部103の領域をより正確に示すことができる。また、検出した差分に応じて投影用の画像データを補正することにより、制御部2の処理量を低減することができる。
画像データ補正処理における補正の考え方を説明する。図13は、投影用の画像データの補正の考え方を説明した図である。画像データ補正処理において、制御部2は、術野101において、蛍光発光している領域(以下、「蛍光発光領域」という。)と、投影画像が投影されている領域(以下、「投影領域」という。)との領域の重なりに基づいて、投影用の画像データを補正する。
制御部2は、蛍光発光領域と投影領域とが重なっている領域に対しては、投影用の画像データを変更せずに維持する(図13(a)上段の左欄)。
また、投影領域と重ならない蛍光発光領域には、投影画像が追加表示されるように、制御部2は投影用の画像データを補正する(図13(a)上段の右欄)。
また、蛍光発光領域と重ならない投影領域には、投影画像が消去されるように、制御部2は投影用の画像データを補正する(図13(a)下段の左欄)。
また、蛍光発光領域でも投影領域でもない領域に対しては、制御部2は、投影用の画像データを変更しない(図13(a)下段の右欄)。
例えば、投影領域と蛍光発光領域とが図13(b)に示すような状態にあるとき、以上のような処理を行うことによって、投影用の画像データは、図13(c)に示すように補正前の領域D3Aから補正後の領域D3Bに補正される。
図14は、画像データ補正処理(ステップS160)を説明するためのフローチャートである。図14のフローチャートを参照して、画像データ補正処理をより具体的に説明する。以下では、術野101において、患部103が蛍光発光しているとともに、投影画像が投影されているとする。
まず、撮像装置1は、術野101における蛍光像とともに、投影部3からの投影画像を撮像する(ステップS410)。制御部2は、撮像装置1からの撮像データに基づいて、術野101における蛍光発光領域と、投影領域とを検出する(ステップS420)。具体的には、制御部2は、撮像データにおいて蛍光像と投影画像のそれぞれが占める領域を検出する。
制御部2は、撮像データにおいて、投影領域と重ならない蛍光発光領域があるか否かを判定する(ステップS430)。投影領域と重ならない蛍光発光領域がある場合(ステップS430でYES)、制御部2は、そのような領域に投影画像を追加表示するように、投影用の画像データを補正する(ステップS440)具体的には、制御部2は、撮像データ上の投影領域と重ならない蛍光発光領域に対応する、投影用の画像データ上の領域に、画像を追加する。
次に、制御部2は、蛍光発光領域と重ならない投影領域があるか否かを判定する(ステップS450)。蛍光発光領域と重ならない投影領域がある場合(ステップS450でYES)、制御部2は、そのような領域の投影画像を消去するように、投影用の画像データを補正する(ステップS460)
具体的には、撮像データ上の蛍光発光領域と重ならない投影領域に対応する、投影用の画像データ上の領域の投影画像を消去する。
具体的には、撮像データ上の蛍光発光領域と重ならない投影領域に対応する、投影用の画像データ上の領域の投影画像を消去する。
図12A〜12Cの例を用いて、上述の処理を具体的に説明する。図12Aに網掛けで示した領域33bは、患部103ではないのに、投影画像33がずれて表示されている領域である。図12Bは、上述の処理によって補正された後の術野101の状態を示す。図12Cは、補正後の投影用の画像データを示す。
上述の処理において、制御部2は、網掛けで示した領域33bを蛍光発光領域と重ならない投影領域として判定し(ステップS450でYES)、網掛けの領域33bを消去するように投影用の画像データD33を補正する(ステップS460)。具体的には、制御部2は、投影用の画像データD33において、患部の画像における領域33bに対応する領域D33bの画像を消去する。
また、図12Aに示す投影画像33の黒塗りの領域33aは、蛍光発光領域と投影領域が重なっている領域であるため、制御部2は、投影画像の領域33aを表示したままで維持する。具体的には、制御部2は、投影用の画像データD33において、患部の画像における領域33aに対応する領域D33aの画像を維持する。
上述の処理により、投影用の画像データD33において、補正前には円形であった患部の画像の形状が、領域D33aに示すような楕円状に変更される。そのため、投影用の画像データD33の領域D33aの画像が、術野101に対して傾いて配置された投影部3から投影されることで、投影画像の形状が円形となる。
これにより、図12Bに示すように、投影画像33において、患部103からずれた領域に表示されていた領域33bが消去され、患部103に一致した領域33aのみが維持される。このように、本実施の形態における画像データ補正処理によって、投影画像のずれが解消できる。
なお、本実施形態では、撮像部12が可視光と蛍光の両方を検出できる構成としたが、上述のような処理を行う場合、可視光のみを検出する撮像部と、蛍光のみの検出を行う撮像部を別々に備えた構成としてもよい。このような構成により、蛍光像と投影像を独立した画像として処理できるため、蛍光発光領域と蛍光発光領域の外部、および、投影領域と投影領域の外部を区別する信号処理を高速、高精度に行うことができる。
以下、患部が時間経過とともに移動した場合における画像データ補正処理の適用例を、図15A〜15Cを用いて説明する。
図15A〜15Cに示す例において、撮像装置1と投影部3とは、術野101の上方において、隣接して並列に配置されている。図15Aは、投影部3からの投影画像34の位置と患部103の位置とが一致して、投影画像34が投影された状態を示す。
図15Bは、図15Aに示す術野101の状態から、患部103が移動した状態を示す。患部103が移動することで、図15Bに示すように移動後の患部103’の蛍光発光領域と、投影部3からの投影画像34の投影領域との間に、ずれが発生する。これに対して、手術支援システム200の制御部2は、以下のように上述の画像データ補正処理を行う。
まず、図15Bにおいて斜線で示す領域103aは、患部103の領域であって、かつ投影画像34が表示されていない領域である。制御部2は、その領域103aに投影画像の表示を行うように、投影用の画像データを補正する(ステップS440)。
また、図15Bに網掛けで示す領域34aは、蛍光発光していない領域であって、かつ投影画像34がずれて表示されている領域である。制御部2は、その領域34aにおいて投影画像34の表示を止めるように、投影用の画像データを補正する(ステップS460)。
また、図15Bに黒塗りで示す領域34bの投影画像は、患部103に投影されている。制御部2は、投影用の画像データにおいて領域34bに対応する領域の画像は変更せずに維持する(図13(a)上段の左欄)。
以上の画像データ補正処理を行うことにより、図15Cに示すように、移動後の患部103’と投影画像34’とが一致し、投影部3による表示のずれを解消することができる。
以上のように、患部の蛍光像と投影部3の投影画像の差分を検出することで、患部の表面形状や動きによってずれが生じても、適正な位置に患部の画像を投影することができる。
2−3.効果等
以上のように、本実施の形態において、手術支援システム200は、光源11と、撮像部12と、制御部2と、投影部3とを備える。光源11は、所定の波長の励起光を照射する。撮像部12は、励起光が照射された被写体である、術野101の患部103を撮像する。制御部2は、撮像部12が撮像した撮像データに基づいて、投影用の画像データを生成する。投影部3は、投影用の画像データに基づく投影画像を、術野101に投影する。撮像部12は、術野101上で、励起光に反応した蛍光発光領域の蛍光像とともに、投影画像を撮像する。制御部2は、撮像部12により撮像された蛍光像と、投影画像との差分に応じて、投影用の画像データを補正する。
以上のように、本実施の形態において、手術支援システム200は、光源11と、撮像部12と、制御部2と、投影部3とを備える。光源11は、所定の波長の励起光を照射する。撮像部12は、励起光が照射された被写体である、術野101の患部103を撮像する。制御部2は、撮像部12が撮像した撮像データに基づいて、投影用の画像データを生成する。投影部3は、投影用の画像データに基づく投影画像を、術野101に投影する。撮像部12は、術野101上で、励起光に反応した蛍光発光領域の蛍光像とともに、投影画像を撮像する。制御部2は、撮像部12により撮像された蛍光像と、投影画像との差分に応じて、投影用の画像データを補正する。
上述の構成により、手術支援システム200は、投影画像のずれを低減し、患部103の領域をより正確に示すことができる。そのため、実際の被写体上に投影する被写体の画像において、医師等は正確な被写体の状態をより認識しやすくなる。また、検出した差分に応じて投影用の画像データを補正することにより、補正処理における制御部2の処理量を低減することができる。
また、制御部2は、投影画像が投影されている投影領域とは重ならない、所定の波長の光に反応した蛍光発光領域103aに、投影画像を追加表示するように、投影用の画像データを補正する。また、制御部2は、蛍光発光領域と重ならない投影領域34aの投影画像を消去するように、投影用の画像データを補正する。このような処理により、補正処理における制御部2の処理量を低減できる。
本実施の形態において、撮像部12による被写体は患者10の患部103であったが、被写体は人体に限らず、例えば生物の体内に、所定の光の波長に反応する蛍光物質が投与された患部であってもよい。
なお、実施の形態2においては、撮像装置1と投影部3とが異なる位置に配置される場合、及び手術中に患部103が移動する場合に、ずれた投影画像を補正する例を説明した。しかし、本実施形態の画像データ補正処理は、患部103の表面形状によって投影画像がずれた場合にも、適用できる。患部の立体的な表面形状によって投影画像が歪み、蛍光発光領域と投影領域がずれる場合、本実施の形態における画像データ補正処理によって、投影画像の歪みを解消することができる。
本実施の形態における投影画像の生成処理におけるステップS130Aの処理において、制御部2は、実施の形態1と同様に、術野101上で蛍光発光した領域に投影画像の大きさ及び/又は向きに合わせるように、投影用の画像データの拡大または縮小の倍率および回転角度を調整する処理を行ってもよい。また、制御部2は、撮像データの可視光像に基づいて、撮像データにおいて患部の蛍光発光領域の位置と、投影画像の位置とを合致させてもよい。
(実施の形態3)
以下、実施の形態3を説明する。実施の形態2では、患者の患部の画像を投影して、その投影用の画像データを補正したが、本実施の形態では、医療機器の画像を投影して、その投影用の画像データを補正する。
以下、実施の形態3を説明する。実施の形態2では、患者の患部の画像を投影して、その投影用の画像データを補正したが、本実施の形態では、医療機器の画像を投影して、その投影用の画像データを補正する。
以下、実施の形態1,2に係る手術支援システム100,200と同様の構成、動作の説明は適宜、省略して、本実施の形態の手術支援システムを説明する。
本実施の形態の手術支援システムは、実施の形態2の手術支援システム200と同様に構成される(図10参照)。本実施の形態の手術支援システムは、実施の形態2と同様の投影画像の生成処理を、撮像装置1による撮像の対象、及び投影部3による投影の対象を医療機器として行う(図11参照)。
本実施の形態における投影画像の生成処理において、制御部2は、医療機器の蛍光像を抽出して、抽出した蛍光像の形状を示す投影用の画像データを生成する(ステップS130A)。なお、制御部2は、実施形態1の画像データ生成処理(ステップS130)と同様の処理によって、投影用の画像データを生成してもよい(図8参照)。この場合、本実施の形態の手術支援システムは、実施の形態1の手術支援システム100と同様のメモリ4をさらに備える。
以上のように生成した医療機器の形状を示す投影用の画像データに対して、制御部2は、実施の形態2と同様の画像データ補正処理(ステップS160)を行う。このとき、制御部2は、医療機器の形状を示す投影画像と、医療機器20の蛍光像との差分を検出し、差分に応じて投影用の画像データを補正する。
これにより、医療機器の形状を示す投影画像の位置と、医療機器によって蛍光発光した領域の位置とのずれが解消され、ユーザは医療機器の位置を、より正確に視認することができる。また、一度生成した投影用の画像データを繰り返し補正することにより、投影用の画像データを新たに生成する頻度を減らして、制御部2の処理量を低減することができる。
(その他の実施の形態)
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態1〜3を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態1で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態1〜3を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態1で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
実施の形態1〜3では、手術などの医療用途を例に挙げて説明したが、本発明はこれには限らない。例えば、工事現場や採掘現場、建築現場、材料を加工する工場など、目視では状態変化を確認できないような対象物に対して作業を行う必要がある場合、本発明を適用することができる。
具体的には、実施の形態1,3の医療機器に代えて、工事現場や採掘現場、建築現場、材料を加工する工場などにおける、目視では状態変化を確認できないような対象物に蛍光材料を塗布し、練りこみ、或いは流し込んで、撮像部12による撮像の対象である撮像対象物とする。それとともに、上記対象物の形状に関する形状情報を、メモリ4に格納することにより、実施の形態1,3と同様に、本発明を適用することができる。
実施の形態1においては、メモリ4に格納した手術器具の画像データ51〜54を例示した。しかし、メモリ4は、手術器具を含む医療機器の画像データを格納してもよい。このとき、医療機器の画像データに関して、実施の形態1と同様に、画像データベース41および特徴量データ42を構成してもよい。これにより、手術器具に限らず医療機器の種類を判定することができる。
実施の形態1において、画像データベース41は、フィラメント53bを除いたメルシーの画像データ53を有してもよい。これにより、メルシーのフィラメントには蛍光材料を含ませずに手術を行う際、その蛍光像との比較が行い易くなる。たとえば、撮像データの蛍光像と、ループワイヤのらせん状の形状との類似度を比較することにより、蛍光像がメルシーであるか否かの判定を容易に実行できる。また、メルシーのフィラメントにおける蛍光材料の有無にかかわらず、投影画像としてフィラメントのないメルシーの画像データを用いてもよい。このように、各医療機器の部分的な形状の画像データをメモリ4に格納してもよい。
また、メモリ4に格納する形状情報は、例えば、撮像装置1によって予め撮像した画像データであってもよい。これにより、より実際に使用する器具を示す画像データを投影することができる。
実施の形態1において、形状情報は、医療機器の形状を示す画像データであったが、形状情報は、医療機器に限らず、所定の形状を有する物体の画像データであってもよい。ここで、所定の形状を有する物体の画像データは、医療機器などの物体自体の画像データに限らない。形状情報は、当該物体を模式的に表す画像データであってもよく、例えば、当該物体を描いた図や、矢印などのマークであってもよい。
実施の形態1において、制御部2は、撮像データに基づいて、類似度が最も高いと判定した画像データに対して、倍率および回転角度を調整する処理を行った。しかし、投影画像の倍率及び/又は回転角度の調整方法はこれに限らない。例えば、制御部2は、撮像装置1が撮像した術野101の可視光像を基準に倍率や角度を調整してもよいし、予め術野101付近に蛍光マーカを設置して、この蛍光マーカを基準に倍率や角度を調整してもよい。また、制御部2は、このような基準による倍率及び/又は回転角度の調整を反映して、投影用の画像データを生成してもよいし、投影部3のレンズなどの光学系を制御してもよい。
実施の形態1〜3において、制御部2は、撮像データに基づいて、患部の表面上の蛍光像の位置と、投影画像の位置とが合致するように、投影用の画像データを生成した。しかし、これに限らず、制御部2は、被写体の表面上で蛍光発光した領域の位置と、投影画像の位置とが合致するように、投影位置を変更してもよい。例えば、制御部2は、投影画像の投影位置を変更するように、投影部3を制御してもよい。
実施の形態1〜3において、制御部2は、撮像データにおける医療機器の蛍光像を基準に、患部の表面上の蛍光像の位置と、投影画像の位置とを合致させた。しかし、投影画像の位置合わせの基準は、これに限らない。例えば、撮像装置1が撮像した術野101の可視光像を基準にしてもよいし、予め術野101付近に蛍光マーカを設置して、この蛍光マーカを基準にしてもよい。
実施の形態1において、1つの医療機器について投影画像を生成し、投影した。しかし、制御部2は、蛍光像を同時に複数の形状情報と比較してもよい。これにより、複数種類の手術器具が同時に患者10の体内に挿入されている場合、それぞれの医療機器を識別することができる。
実施の形態1の画像データ生成処理において、制御部2は、撮像データの蛍光像を、類似すると判定した画像データの画像に置き換えて、投影用の画像データを生成した。しかし、制御部2は、判定した画像データを参照して、撮像データにおける不鮮明な蛍光像の形状を補正することで、投影用の画像データを生成してもよい。
実施の形態1において、制御部2は、メモリ4に格納される特徴量データ42を用いて医療機器の種類を判定した。しかし、特徴量データ42を用いて医療機器の種類を判定せずに、直接、画像データベース41に格納される複数種類の医療機器の形状情報と、蛍光像との類似度を判定してもよい。このとき、メモリ4に特徴量データ42を格納しなくてよいので、メモリ4に保持するデータ量を削減できる。また、特徴量データ42として、医療機器の種類だけでなく、向きや形状の異なる医療機器の特徴量のデータを用いてもよい。これにより、画像データベース41において、蛍光像の比較対象となる形状情報を、さらに絞り込むことができる。
実施の形態1〜3において、撮像部12は、可視光、蛍光、および励起光の全ての種類の光を検出できるように構成されたが、少なくとも蛍光が検出できるように構成されればよい。例えば、撮像部12は、可視光と蛍光のみを検出できるカメラを組み合わせて構成されてもよいし、蛍光のみを検出できるカメラによって構成されてもよい。
実施の形態1〜3においては、光感受性物質としてインドシアニングリーンを例示したが、他の光感受性物質を用いてもよい。例えば、ポルフィリン、ルシフェリン、アカルミネ(登録商標)などを用いてもよい。この場合、光源11はそれぞれの光感受性物質の励起波長帯における励起光を照射し、撮像部12はそれぞれの光感受性物質の蛍光発光の波長帯において蛍光像を検出する。
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本開示における投影システムは、医療用途や、工事現場や採掘現場、建築現場、材料を加工する工場など、目視では状態変化を確認できないような対象物に対して作業を行う際に適用可能である。
1 撮像装置
11 光源
12 撮像部
2 制御部
3 投影部
4 メモリ
10 患者
20 医療機器
100,200 手術支援システム
11 光源
12 撮像部
2 制御部
3 投影部
4 メモリ
10 患者
20 医療機器
100,200 手術支援システム
本開示は、撮像した被写体の画像を、その被写体の表面に投影する投影システムに関する。
特許文献1は、外科手術を受ける生体の患部を示す画像データを蛍光像撮像装置から出力させ、画像投影装置により上記画像データによる画像を再生し、実際の患部上に表示させる外科手術支援システムを開示する。生体の患部には、所定の波長の光を照射することで蛍光を発する物質が、あらかじめ投与されている。つまり、このシステムは、患部が蛍光発光した蛍光画像を実際の患部に表示することで、病変部の確認の支援をしている。
本開示は、実際の被写体上に投影する被写体の画像において、ユーザが被写体の状態をより正確に認識できる画像を投影する投影システムを提供することを目的とする。
本開示にかかる投影システムは、光源と、撮像部と、制御部と、投影部とを備える。光源は、所定の波長の光を照射する。撮像部は、所定の波長の光が照射された被写体を撮像する。制御部は、撮像部が撮像した画像に基づいて、投影用の画像データを生成する。投影部は、投影用の画像データに基づく投影画像を、被写体上に投影する。撮像部は、被写体上で、所定の波長の光に反応した領域の画像とともに、投影画像を撮像する。記制御部は、所定の波長の光に反応した領域の画像と、投影画像との差分に応じて、所定の波長の光に反応した領域の画像と投影画像とが一致するように、投影用の画像データを補正する。
本開示における投影システムによれば、所定の波長の光に反応した領域からの投影画像のずれを低減することで、ユーザが被写体の状態をより正確に認識できる画像を投影することができる。
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
(実施の形態1)
以下、図1〜9を用いて、実施の形態1を説明する。
以下、図1〜9を用いて、実施の形態1を説明する。
1−1.構成
1−1−1.手術支援システムの概要
図1は、実施の形態1にかかる手術支援システムの構成を示す概略図である。手術支援システムは、投影システムの一例である。
1−1−1.手術支援システムの概要
図1は、実施の形態1にかかる手術支援システムの構成を示す概略図である。手術支援システムは、投影システムの一例である。
手術が行われる場合、チューブやカテーテルなどの医療機器が患者の体内に挿入される。通常、患者の体内に挿入された医療機器は、外部から目視で確認することができない。そこで、本実施の形態の手術支援システムは、医療機器が挿入された領域の表面に、その医療機器の形状を表す画像を投影する。これにより、本手術支援システムのユーザは、患者の体内に挿入された医療機器の位置などを確認することができる。
1−1−2.手術支援システムの構成
以下、手術支援システム100の構成を詳細に説明する。
以下、手術支援システム100の構成を詳細に説明する。
手術支援システム100は、撮像装置1と、制御部2と、投影部3と、メモリ4とから構成されている。
図1に示すように、手術を受ける患者10の術野101には、医療機器20が挿入されている。撮像装置1は、光源11と撮像部12を含み、術野101を撮像する。制御部2は、手術支援システム100の各部を制御する。制御部2は、撮像装置1が撮像した画像を示す画像データ(撮像データ)に対して後述の処理を行って、投影用の画像データを生成する。投影部3は、投影用の画像データに基づいて投影画像を生成して、術野101に投影する。メモリ4は、画像データベース41と、特徴量データ42とを格納する。画像データベース41と、特徴量データ42の詳細は後述する。
手術に使用される医療機器20は、励起されると蛍光を発する光感受性物質が、表面に塗布され、または練り込まれている。光感受性物質は、例えば近赤外光を照射されると励起して蛍光を発する物質であり、例えばインドシアニングリーンである。光感受性物質は、人体もしくは動物に使用可能な薬剤である。医療機器20は、撮像装置1の撮像の対象となる撮像対象物である。
撮像装置1の光源11は、光感受性物質の励起波長領域内の波長を有する励起光を照射する。例えば、光源11は、近赤外の波長帯の光を照射する。光源11は、撮像部12の周囲を取り囲むように配置されている。
撮像部12は、例えば高感度のCCDカメラ等で構成される。撮像部12は、医療機器20の光感受性物質の蛍光発光による蛍光像を撮像して、撮像データを生成する。撮像データは、蛍光発光した領域の蛍光像を示す画像データであり、制御部2に出力される。また、撮像部12は、蛍光像とともに術野101の可視光像を撮像する。撮像部12は、例えば可視光、蛍光、および励起光の内で一つまたは複数の種類の光を検出できるカメラを複数組み合わせたカメラ群から構成されることで、上記の全ての種類の光を検出できる。本実施の形態では、撮像部12は、蛍光像を示す撮像データを生成する。なお、撮像部12は、蛍光像と可視光像を含む撮像結果の画像全体のデータを制御部2に出力してもよく、その場合、制御部2が撮像結果の画像全体から蛍光像を抽出するようにしてもよい。
制御部2は、撮像装置1と投影部3の動作を制御する機能を有する。また、制御部2は、撮像装置1から撮像データを取得するとともに、メモリ4から形状情報(後述)を読み出して、後述の所定の処理を行う。これにより、制御部2は、投影部3から投影するための画像データを生成して、投影部3に出力する。制御部2は、例えばCPUやMPUで構成され、所定のプログラムを実行することによってその機能を実現する。なお、制御部2の機能は、専用に設計された電子回路により実現されてもよい。
投影部3は、制御部2からの画像データに基づいて投影画像を生成し、医療機器20が挿入された患部などの表面上に、投影画像を投影する。投影部3は、例えばプロジェクタ等からなる。
メモリ4は、制御部2が形状情報を読み出して後述の処理を行えるように、制御部2に接続されている。形状情報は、医療機器の形状を示す画像データである。なお、形状情報は、医療機器の形状に限らず、所定の形状を有する物体の画像データであってもよい。メモリ4は、記憶部の一例である。メモリ4としては、例えば不揮発性メモリやHDD(Hard Disk Drive)が用いられる。
画像データベース41は、複数の医療機器に関する形状情報を管理する。図2A〜2Cは、画像データベース41に含まれる複数種類の手術器具のそれぞれの形状情報の例を示す。図2Aは、カテーテルの画像データ51を示し、図2Bは、鉗子の画像データ52を示し、図2Cは、メルシーリトリーバ(以下、メルシーという。)の画像データ53を示す。各画像データ51〜53は、それぞれの手術器具の形状情報の一例である。
カテーテルは、患者10の体内に挿入される管状の手術器具である。カテーテルの画像データ51の特徴の1つは、長手方向51bに沿って先端部51aまで一定の幅で延在することである。
鉗子は、患部や縫合糸を把持したり、牽引したりするために用いられる手術器具である。例えば、内視鏡用の鉗子は、患者10の体内に挿入して用いられる。鉗子の画像データ52の特徴の1つは、先端に設けられた二股形状の把持部52aである。
メルシーは、血栓を取り除くために血管等に挿入される手術器具であり、血栓を絡め取るためのループワイヤとフィラメントを有する。メルシーの画像データ53の特徴の1つは、先端に設けられたらせん形状のループワイヤ53aである。なお、メルシーの画像データ53は、糸状のフィラメント53bを有するが、画像データベース41は、フィラメント53bを除いたメルシーの画像データ53を有してもよい。
画像データベース41は、図2A〜2Cに示すように複数種類の手術器具の画像データを有するとともに、各手術器具のバリエーションの画像データも有する。バリエーションの画像データは、各種類の手術器具において異なる形状を示す画像データであり、例えば、手術器具の向きを変えた画像データや、手術器具を変形させた画像データや、同一の種類で別形状の手術器具の画像データである。
図3は、図2Bの鉗子のバリエーションの画像データの例を示す。鉗子の画像データ52A〜52Cにおいて、把持部52aはそれぞれ異なる角度で開いている。画像データベース41は、鉗子に関して、さらなるバリエーションの画像データを有してもよい。例えば、画像データベース41は、画像データ52A〜52Cのそれぞれに対して、鉗子の長手方向52bを回転軸として回転させたバリエーションの画像データをさらに有する。
図4Aは、バルーンのバリエーションの画像データの例を示す。バルーンは、患者10の体内に挿入した先端部を膨らませて使用する手術器具であり、挿入箇所などに応じて、異なる形状を有する別のバルーンが使用される。画像データベース41は、例えば図4Aに示すような、楕円形状の先端部54aを有するバルーンの画像データ54と、先端部54aよりも長手方向に扁平した楕円形状の先端部54bを有するバルーンの画像データ54’とを有する。図4Bに示すように、実際のバルーン204の先端部204aは、例えば外付けのポンプなどにより、患者10の体内で拡張するように変形する。これに応じて、画像データベース41は、例えばバルーンの画像データ54,54’毎に、先端部54a,54bを変形させたバリエーションの画像データをさらに有する。
特徴量データ42は、画像データベース41が有する形状情報の各手術器具の特徴量を表すデータである。図5は、図2A〜2Cの各種類の手術器具に関する特徴量データ42の一例を示す。図5において、カテーテル、鉗子、メルシーの各手術器具に対して、特徴量a,b,cが設定されている。
各手術器具の特徴量a,b,cには、画像データベース41における手術器具毎の代表的な形状の特徴を示す値が設定される。例えば、カテーテルの特徴量a1,b1,c1は、画像データ51から抽出された値である。特徴量aは、例えば各手術器具の形状と管状との類似度を表す量であり、各画像データにおいて一定の幅で延在している長手方向の長さによって規定される。また、特徴量bは、例えば各手術器具の先端部と二股形状との類似度を表す量であり、各画像データの先端部の開き具合によって規定される。
1−2.動作
以上のように構成された手術支援システム100の動作を、以下説明する。
以上のように構成された手術支援システム100の動作を、以下説明する。
図6は、手術支援システム100における投影画像の生成処理を説明するためのフローチャートである。
図1に示す手術支援システム100において手術が行われる際、まず撮像装置1は、光源11を駆動して、医療機器20を含む術野101に励起光を照射する(ステップS110)。光源11からの励起光は、患者10の体内に挿入された医療機器20にも到達する。そのため、医療機器20の表面に塗布され、或いは医療機器20に練り込まれた光感受性物質が、励起されて蛍光を発する。
次に、撮像装置1は、撮像部12から術野101を撮像する(ステップS120)。このとき、撮像部12は、患者10の体内に挿入された医療機器20からの蛍光発光を検出して、医療機器20の蛍光像を示す撮像データを生成する。撮像データは、制御部2に出力される。
制御部2は、撮像データと、メモリ4に格納された形状情報に基づいて、画像データ生成処理を行う(ステップS130)。画像データ生成処理は、撮像データの蛍光像に対応する医療機器の画像が術野101に投影されるように、医療機器の画像を含む投影用の画像データを生成する処理である(詳細は後述)。制御部2は、生成した画像データを投影部3に出力する。
投影部3は、入力した画像データに基づいて投影画像を生成し、生成した投影画像を術野101の表面上に投影する(ステップS140)。これにより、術野101において医療機器20が挿入されている位置に、医療機器20の形状を示す画像が表示される。そのため、ユーザは、術野101において医療機器20が挿入されている位置を視認できる。
以上の処理は、所定サイクル(例えば1/60秒)で繰り返し実行される。これにより、例えば1/60秒に1度撮像された画像が投影されることとなり、ユーザはリアルタイムの映像として医療機器20が挿入されている位置を視認できる。
ここで、患者10の体内に挿入された医療機器20の蛍光発光を検出する際、撮像部12は皮膚などを透過した光線を検出することになる。そのため、医療機器20の蛍光像に基づいて医療機器20の鮮明な形状を検出することは困難である。例えば、図7Aに示す蛍光像31は、医療機器20の先端から発した蛍光が血管などの患部102内部で拡散することにより、患部102の表面上ではぼやけた像となる。このとき、投影部3が蛍光像31と同一の画像を投影すると、医療機器20が挿入された領域の形状が不鮮明に表示されてしまう。
さらに、複数種類の医療機器が同時に患者10の体内に挿入されている場合、ユーザがそれぞれの医療機器を識別することは困難である。
そこで、本実施の形態の画像データ生成処理において、制御部2は、まず撮像データが示す医療機器20の形状と、メモリ4に格納された医療機器群の各形状情報とを比較して、実際に使用されている医療機器を判定する。さらに、制御部2は、撮像データにおいて、蛍光像を、判定した医療機器の形状情報に置き換えることにより、投影画像の画像データを生成する。これにより、図7Bに示すように、投影画像32によって血管などの患部102に挿入された医療機器20の状態(例えば、形状や種類)を明瞭に表示することができる。また、蛍光像を複数の形状情報と比較することにより、複数種類の医療機器の識別を行うこともできる。
なお、制御部2は、判定した医療機器の形状情報に基づいて、撮像データに基づく医療機器20の蛍光像の形状を補正し、補正後の画像データを投影用の画像データとして投影部3に入力してもよい。
1−2−1.画像データ生成処理
図8を用いて、図6の画像データ生成処理(ステップS130)を説明する。図8は、画像データ生成処理を説明するためのフローチャートである。ここでは、図6のステップS120において、図7Aに示す蛍光像31が撮像された後に、画像データ生成処理(ステップS130)が開始するとする。
図8を用いて、図6の画像データ生成処理(ステップS130)を説明する。図8は、画像データ生成処理を説明するためのフローチャートである。ここでは、図6のステップS120において、図7Aに示す蛍光像31が撮像された後に、画像データ生成処理(ステップS130)が開始するとする。
図7Aにおいて、患者10の血管などの患部102に挿入された医療機器20の蛍光像31が、患部102の表面に映っている。図7Aに破線で示すように、蛍光像31の形状は不鮮明である。医療機器20が挿入された深度によっては、励起された蛍光光線が皮下組織などで拡散してしまい、蛍光像31の形状が不鮮明になる場合がある。
このような撮像データに対して、まず、制御部2は、ノイズフィルタ処理を行う(ステップS210)。ノイズフィルタ処理は、ガウシアンフィルタ処理などであり、撮像データの蛍光像に対するノイズを取り除く。
さらに、制御部2は、二値化処理を行い(ステップS220)、蛍光像のエッジを明瞭化する。二値化処理は、例えば各画素の輝度レベル0〜255に対して、所定値以上の輝度レベルを値255に書き換える一方、当該所定値未満の輝度レベルを値0に書き換えることで行う。
次に、制御部2は、二値化した蛍光像から、特徴量を抽出する(ステップS230)。例えば、制御部2は、まず二値化した蛍光像の長手方向を検出して、一定の幅で延在する長手方向の長さを測定することにより、特徴量aの値を抽出する。さらに、制御部2は、検出した長手方向を基準にして、蛍光像の先端部の特徴量を抽出する。
制御部2は、抽出した特徴量に基づいて、器具の判定処理を行う(ステップS240)。器具の判定処理は、蛍光像から抽出した特徴量と、メモリ4の特徴量データ42に格納された特徴量とを比較することにより、蛍光像が示す手術器具の種類を判定する処理である。器具の判定処理の詳細については、後述する。
制御部2は、器具の判定処理(ステップS240)において判定した手術器具に関する形状情報に基づいて、投影画像のための画像データを生成する(ステップS250)。
具体的には、制御部2は、蛍光像の特徴量と、各形状情報から抽出した特徴量との比較に基づいて、類似度を算出する。これにより、制御部2は、不鮮明な形状の蛍光像を有する撮像データと、判定した医療機器に関して画像データベース41に格納された各形状情報との類似度を判定する。そして、制御部2は、メモリ4に格納されている形状情報のうち、類似度が最も高い形状情報を選択して、選択した形状情報が実際に手術に使用されている医療機器の状態を示す画像の形状情報であると判定する。制御部2は、撮像データの蛍光像を、類似度が最も高いと判定した形状情報の画像に置き換えて、投影用の画像データを生成する。
例えば、器具の判定処理(ステップS240)において蛍光像が示す手術器具が鉗子であると判定された場合、制御部2は蛍光像の形状と、図3に示す鉗子の画像データ52A〜52Cとを比較して、鉗子の画像データ52A〜52Cの中で形状が最も蛍光像に近い画像データを選択する。次に、制御部2は、撮像データにおける蛍光像を、選択した画像データの画像に置き換えて、投影用の画像データを生成する。
ここで、制御部2は、撮像データに基づいて、医療機器20の大きさや向きなどの状態も検出する。例えば、患部102に挿入される医療機器20の蛍光像は、略管状であって先端部に特徴を有することが多いため(図7A参照)、蛍光像の長手方向を、向きの基準として検出してもよい。制御部2は、類似度が最も高いと判定した画像データに対して、検出した大きさや向きに合わせて、拡大または縮小の倍率および回転角度を調整する処理を行う。さらに、制御部2は、撮像データにおいて、患部の表面上の蛍光発光した領域である蛍光像の位置と、投影画像の位置とを合致させる。
制御部2は、投影用の画像データを生成すると、画像データ生成処理を終了する。
図8のステップS240の器具の判定処理について説明する。器具の判定処理において、制御部2は、メモリ4から特徴量データ42を読み出して、特徴量データ42の各手術器具の特徴量と、ステップS230の処理において抽出した蛍光像の特徴量とを比較することにより、撮像データの手術器具の種類を判定する。以下、図5,9を用いて説明する。
図9は、器具の判定処理の一例を説明するためのフローチャートである。なお、図9の例では、一例として制御部2は、図5の特徴量データ42に基づいて、撮像データの手術器具が、カテーテルと、鉗子と、メルシーのいずれであるかを判断するとする。
制御部2は、蛍光像とカテーテルを比較するため、蛍光像が先端まで一定の幅で延在しているか否かを判定する(ステップS310)。この判定は、例えば特徴量aが所定のしきい値を超えるか否かを判断することで実行される。蛍光像が先端まで一定の幅で延在している場合(ステップS310でYES)、制御部2は、蛍光像の手術器具がカテーテルであると判定する(ステップS311)。
一方、蛍光像が先端まで一定の幅で延在していない場合(ステップS320でYES)、制御部2は、蛍光像の先端形状の特徴量と、特徴量データ42におけるカテーテル以外の手術器具の特徴量とを比較する。具体的には、蛍光像の先端が、二股の分岐と類似するか否かを判定する(ステップS320)。蛍光像の先端が二股の分岐と類似していれば(ステップS320でYES)、制御部2は、手術器具が鉗子であると判定する(ステップS321)。一方、蛍光像の先端が二股の分岐と類似していなければ(ステップS320でNO)、制御部2は、手術器具がメルシーであると判定する(ステップS322)。
制御部2は、蛍光像の手術器具の種類を判定すると、器具の判定処理を終了する。なお、器具の判定処理において判定する手術器具の種類は、上記のカテーテルと、鉗子と、メルシーの組み合わせに限らない。例えば、蛍光像の先端の膨らみに関する特徴量を検出して、蛍光像がバルーンであるか否かを判定してもよい。
器具の判定処理により、あらかじめ特徴量データ42に格納された特徴量に基づいて、蛍光像が示す手術器具の種類が判定できるので、制御部2の処理量を低減することができる。
以上の画像データ生成処理(ステップS130)により、図7Bに示すように、投影用の画像データに基づく投影画像32が、投影部3から患部102の表面の蛍光発光した領域上に投影される(ステップS140)。上述の処理を行うことにより、医療機器20の画像を鮮明に患部102上に表示することができる。
なお、本実施の形態では、撮像部12が可視光と蛍光の両方を検出できる構成としたが、上述の各処理を行う場合、可視光のみを検出する撮像部と、蛍光のみの検出を行う撮像部を別々に備えた構成としてもよい。これにより、医療機器20の蛍光像と投影部3からの投影画像とを分離して検出することができる。その結果、蛍光像のみとメモリ4に格納された形状情報とを比較して、類似度を判定することができる。したがって、撮像部を別々に設けることで、類似度の判定精度が向上する。
1−3.効果等
以上のように、本実施の形態において、手術支援システム100は、光源11と、撮像部12と、制御部2と、メモリ4と、投影部3とを備える。光源11は、所定の波長の励起光を照射する。撮像部12は、励起光が照射された被写体である、術野101の医療機器20を撮像する。制御部2は、撮像部12が撮像した撮像データに基づいて、投影用の画像データを生成する。メモリ4は、医療機器の画像の形状を示す形状情報を複数有するデータ群を複数格納する。投影部3は、投影用の画像データに基づく投影画像を、術野101に投影する。制御部2は、メモリ4に格納された複数の形状情報の中から、撮像部12により撮像された、励起光に反応して蛍光発光した領域の画像である蛍光像との類似度に基づいて形状情報を選択する。制御部2は、選択した形状情報が示す形状を有する画像が、術野101の蛍光発光した領域に投影されるように、投影用の画像データを生成する。
以上のように、本実施の形態において、手術支援システム100は、光源11と、撮像部12と、制御部2と、メモリ4と、投影部3とを備える。光源11は、所定の波長の励起光を照射する。撮像部12は、励起光が照射された被写体である、術野101の医療機器20を撮像する。制御部2は、撮像部12が撮像した撮像データに基づいて、投影用の画像データを生成する。メモリ4は、医療機器の画像の形状を示す形状情報を複数有するデータ群を複数格納する。投影部3は、投影用の画像データに基づく投影画像を、術野101に投影する。制御部2は、メモリ4に格納された複数の形状情報の中から、撮像部12により撮像された、励起光に反応して蛍光発光した領域の画像である蛍光像との類似度に基づいて形状情報を選択する。制御部2は、選択した形状情報が示す形状を有する画像が、術野101の蛍光発光した領域に投影されるように、投影用の画像データを生成する。
上述の構成により、手術支援システム100は、患者の体内に挿入された医療機器20の蛍光像が皮膚等の影響により不鮮明であった場合でも、蛍光像と医療機器群の形状情報とを比較することで、使用されている医療機器20を判別できる。さらに、手術支援システム100は、形状情報を用いて生成した投影用の画像データによって、明瞭で正確な位置、大きさ、及び向きの医療機器20の映像を患部の表面に投影することができる。そのため、医師等が被写体の状態をより正確に認識できる画像を投影することができる。
このように、実施の形態1の手術支援システム100により、実際の医療機器が挿入された患部上に投影する投影画像において、医療機器の種類や位置などの状態を、ユーザにとってわかり易くすることができる。
(実施の形態2)
以下、図10〜15Cを用いて、実施の形態2を説明する。実施の形態1では、患者の体内に挿入された医療機器の画像を投影したが、本実施の形態では、患者の病変した患部の画像を投影する。
以下、図10〜15Cを用いて、実施の形態2を説明する。実施の形態1では、患者の体内に挿入された医療機器の画像を投影したが、本実施の形態では、患者の病変した患部の画像を投影する。
2−1.構成
2−1−1.手術支援システムの概要
図10は、実施の形態2にかかる手術支援システムの構成を示す概略図である。手術支援システムは、投影システムの一例である。
2−1−1.手術支援システムの概要
図10は、実施の形態2にかかる手術支援システムの構成を示す概略図である。手術支援システムは、投影システムの一例である。
本実施の形態の手術支援システムは、術野における患部の蛍光像を撮像し、撮像した画像から患部の蛍光発光した領域を検出し、検出した領域に対応する被写体の領域に可視光で投影画像を投影する。これにより、本手術支援システムのユーザは、患者の患部の位置などを目視で確認することができる。
ここで、患部に投影した投影画像の領域と、術野における蛍光発光した患部の領域とがずれると、患部の位置が誤認されるという問題がある。そこで、本実施の形態の手術支援システムは、患部の蛍光像と、患部に投影された投影画像とを撮像して、その差分を検出して投影画像を補正することで、投影画像のずれを解消する。これにより、ユーザ(医師等)は患者の患部の領域を正しく確認することができる。
以下、実施の形態1に係る手術支援システム100と同様の構成、動作の説明は適宜、省略して、手術支援システム200を説明する。
2−1−2.手術支援システムの構成
図10を用いて、手術支援システム200の構成を詳細に説明する。
図10を用いて、手術支援システム200の構成を詳細に説明する。
本実施の形態に係る手術支援システム200は、実施の形態1に係る手術支援システム100と同様に、撮像装置1と、制御部2と、投影部3とを備えるが、医療機器の形状情報を有するメモリ4を備えていない。
手術を受ける患者10には、所定の波長の光(励起光)によって励起されると蛍光を発する光感受性物質が、あらかじめ血液やリンパ液等に投与されており、血液やリンパ液の流れが滞っている患部103に光感受性物質が蓄積される。光感受性物質は、例えば近赤外光を照射されると励起して蛍光を発する物質であり、例えばインドシアニングリーンである。光感受性物質が蓄積された患部103は、光源11から励起光を照射されることで蛍光発光する。
本実施の形態において、撮像部12は、術野101において、患部103の光感受性物質の蛍光発光による蛍光像と、可視光による可視光像とを撮像して、撮像データを生成する。すなわち、撮像データは、蛍光発光した領域の蛍光像だけでなく、可視光による可視光像をも含む画像データである。
2−2.動作
以上のように構成された手術支援システム200の動作を、以下説明する。
以上のように構成された手術支援システム200の動作を、以下説明する。
図11は、手術支援システム200における投影画像の生成処理を説明するためのフローチャートである。
まず撮像装置1は、光源11を駆動して、患部103を含む術野101に励起光を照射する(ステップS110)。光源11からの励起光が、患者10の患部103に蓄積された光感受性物質を励起することにより、患部103は蛍光発光する。
次に、撮像装置1は、撮像部12から術野101を撮像する(ステップS120)。このとき、撮像部12は、患部103に蓄積された光感受性物質による蛍光像とともに、術野101における可視光像を示す撮像データを生成する。撮像データは、制御部2に出力される。
制御部2は、撮像データに基づいて、投影用の画像データを生成する(ステップS130A)。本実施の形態においては、制御部2は、撮像データから患部103の蛍光像を抽出して、抽出した蛍光像の形状を示す投影画像を可視光で表示するように投影用の画像データを生成する。制御部2は、投影用の画像データを投影部3に出力する。
投影部3は、術野101において、患部103表面の蛍光発光している領域に、患部103の形状を示す投影画像を投影する(ステップS140)。この投影画像によって、医師等は、術野101において患部103の位置や形状を明瞭に視認することができる。
さらに、制御部2は、画像データ補正処理を行う(ステップS160)。画像データ補正処理は、術野101に実際に投影された投影画像と蛍光像とを検出して、投影用の画像データを補正する処理である(詳細は後述)。制御部2によって補正された投影用の画像データは、再度、投影部3に出力される。投影部3は、補正された投影用の画像データに基づく投影画像を、術野101の患部103に投影する(ステップS140)。
以上の処理は、終了のための操作が行われるまで(ステップS150)に所定サイクル(例えば1/60秒)で繰り返し実行される。これにより、例えば1/60秒に1度撮像された画像が投影されることとなり、ユーザはリアルタイムの映像として患部103の位置や形状を視認できる。
2−2−1.画像データ補正処理
以下、画像データ補正処理(ステップS160)の詳細を説明する。
以下、画像データ補正処理(ステップS160)の詳細を説明する。
以上で説明した投影画像の生成処理においては、撮像装置1と投影部3の配置位置が異なることに起因して、実際の患部103の位置と、投影部3の投影画像が投影される位置との間にずれが生じることがある。また、患部103の表面形状や、患部103が移動することによっても、実際の患部103の位置と、投影画像が投影される位置との間にずれが生じる。
図12A〜12Cは、撮像装置1と投影部3とが互いに異なる位置に配置された場合の手術支援システム200による表示例を示す。図12A〜12Cに示す例において、撮像装置1は、術野101の上方から患部103に対向して配置されている。一方、投影部3は、術野101に対して傾斜して、患部103に向いて配置されている。
図12A〜12Cの例では、患部103の形状は円形であるとする。また、蛍光発光した患部103と投影画像33とが重なった領域33aを黒塗りの領域で示す。この場合、撮像装置1は、円形の蛍光像を撮像する。制御部2は、円形の投影画像を示す投影用の画像データを生成する。図12Aは、制御部2が投影用の画像データを補正せずに投影部3に出力したときの状態を示す。すると、投影部3が術野101に対して傾いて配置されているため、実際に術野101に投影される投影画像33は楕円形の画像となる。そのため、患部103と投影画像33とが、図12Aに示すようにずれてしまう。
このような画像のずれを補正するため、本実施の形態の手術支援システム200は、画像データ補正処理(ステップS160)を行う。具体的には、制御部2は、患部103の蛍光像と、投影画像33との差分を検出して、差分に応じて投影用の画像データを補正する(図12C参照)。例えば、手術支援システム200は、図12Bに示すように患部103と一致した投影画像の領域33aを表示したまま、患部103からはみ出した領域33bを消去する。そのため、投影画像33のずれを低減し、患部103の領域をより正確に示すことができる。また、検出した差分に応じて投影用の画像データを補正することにより、制御部2の処理量を低減することができる。
画像データ補正処理における補正の考え方を説明する。図13は、投影用の画像データの補正の考え方を説明した図である。画像データ補正処理において、制御部2は、術野101において、蛍光発光している領域(以下、「蛍光発光領域」という。)と、投影画像が投影されている領域(以下、「投影領域」という。)との領域の重なりに基づいて、投影用の画像データを補正する。
制御部2は、蛍光発光領域と投影領域とが重なっている領域に対しては、投影用の画像データを変更せずに維持する(図13(a)上段の左欄)。
また、投影領域と重ならない蛍光発光領域には、投影画像が追加表示されるように、制御部2は投影用の画像データを補正する(図13(a)上段の右欄)。
また、蛍光発光領域と重ならない投影領域には、投影画像が消去されるように、制御部2は投影用の画像データを補正する(図13(a)下段の左欄)。
また、蛍光発光領域でも投影領域でもない領域に対しては、制御部2は、投影用の画像データを変更しない(図13(a)下段の右欄)。
例えば、投影領域と蛍光発光領域とが図13(b)に示すような状態にあるとき、以上のような処理を行うことによって、投影用の画像データは、図13(c)に示すように補正前の領域D3Aから補正後の領域D3Bに補正される。
図14は、画像データ補正処理(ステップS160)を説明するためのフローチャートである。図14のフローチャートを参照して、画像データ補正処理をより具体的に説明する。以下では、術野101において、患部103が蛍光発光しているとともに、投影画像が投影されているとする。
まず、撮像装置1は、術野101における蛍光像とともに、投影部3からの投影画像を撮像する(ステップS410)。制御部2は、撮像装置1からの撮像データに基づいて、術野101における蛍光発光領域と、投影領域とを検出する(ステップS420)。具体的には、制御部2は、撮像データにおいて蛍光像と投影画像のそれぞれが占める領域を検出する。
制御部2は、撮像データにおいて、投影領域と重ならない蛍光発光領域があるか否かを判定する(ステップS430)。投影領域と重ならない蛍光発光領域がある場合(ステップS430でYES)、制御部2は、そのような領域に投影画像を追加表示するように、投影用の画像データを補正する(ステップS440)。具体的には、制御部2は、撮像データ上の投影領域と重ならない蛍光発光領域に対応する、投影用の画像データ上の領域に、画像を追加する。
次に、制御部2は、蛍光発光領域と重ならない投影領域があるか否かを判定する(ステップS450)。蛍光発光領域と重ならない投影領域がある場合(ステップS450でYES)、制御部2は、そのような領域の投影画像を消去するように、投影用の画像データを補正する(ステップS460)。具体的には、撮像データ上の蛍光発光領域と重ならない投影領域に対応する、投影用の画像データ上の領域の投影画像を消去する。
図12A〜12Cの例を用いて、上述の処理を具体的に説明する。図12Aに網掛けで示した領域33bは、患部103ではないのに、投影画像33がずれて表示されている領域である。図12Bは、上述の処理によって補正された後の術野101の状態を示す。図12Cは、補正後の投影用の画像データを示す。
上述の処理において、制御部2は、網掛けで示した領域33bを蛍光発光領域と重ならない投影領域として判定し(ステップS450でYES)、網掛けの領域33bを消去するように投影用の画像データD33を補正する(ステップS460)。具体的には、制御部2は、投影用の画像データD33において、患部の画像における領域33bに対応する領域D33bの画像を消去する。
また、図12Aに示す投影画像33の黒塗りの領域33aは、蛍光発光領域と投影領域が重なっている領域であるため、制御部2は、投影画像の領域33aを表示したままで維持する。具体的には、制御部2は、投影用の画像データD33において、患部の画像における領域33aに対応する領域D33aの画像を維持する。
上述の処理により、投影用の画像データD33において、補正前には円形であった患部の画像の形状が、領域D33aに示すような楕円状に変更される。そのため、投影用の画像データD33の領域D33aの画像が、術野101に対して傾いて配置された投影部3から投影されることで、投影画像の形状が円形となる。
これにより、図12Bに示すように、投影画像33において、患部103からずれた領域に表示されていた領域33bが消去され、患部103に一致した領域33aのみが維持される。このように、本実施の形態における画像データ補正処理によって、投影画像のずれが解消できる。
なお、本実施形態では、撮像部12が可視光と蛍光の両方を検出できる構成としたが、上述のような処理を行う場合、可視光のみを検出する撮像部と、蛍光のみの検出を行う撮像部を別々に備えた構成としてもよい。このような構成により、蛍光像と投影像を独立した画像として処理できるため、蛍光発光領域と蛍光発光領域の外部、および、投影領域と投影領域の外部を区別する信号処理を高速、高精度に行うことができる。
以下、患部が時間経過とともに移動した場合における画像データ補正処理の適用例を、図15A〜15Cを用いて説明する。
図15A〜15Cに示す例において、撮像装置1と投影部3とは、術野101の上方において、隣接して並列に配置されている。図15Aは、投影部3からの投影画像34の位置と患部103の位置とが一致して、投影画像34が投影された状態を示す。
図15Bは、図15Aに示す術野101の状態から、患部103が移動した状態を示す。患部103が移動することで、図15Bに示すように移動後の患部103’の蛍光発光領域と、投影部3からの投影画像34の投影領域との間に、ずれが発生する。これに対して、手術支援システム200の制御部2は、以下のように上述の画像データ補正処理を行う。
まず、図15Bにおいて斜線で示す領域103aは、患部103の領域であって、かつ投影画像34が表示されていない領域である。制御部2は、その領域103aに投影画像の表示を行うように、投影用の画像データを補正する(ステップS440)。
また、図15Bに網掛けで示す領域34aは、蛍光発光していない領域であって、かつ投影画像34がずれて表示されている領域である。制御部2は、その領域34aにおいて投影画像34の表示を止めるように、投影用の画像データを補正する(ステップS460)。
また、図15Bに黒塗りで示す領域34bの投影画像は、患部103に投影されている。制御部2は、投影用の画像データにおいて領域34bに対応する領域の画像は変更せずに維持する(図13(a)上段の左欄)。
以上の画像データ補正処理を行うことにより、図15Cに示すように、移動後の患部103’と投影画像34’とが一致し、投影部3による表示のずれを解消することができる。
以上のように、患部の蛍光像と投影部3の投影画像の差分を検出することで、患部の表面形状や動きによってずれが生じても、適正な位置に患部の画像を投影することができる。
2−3.効果等
以上のように、本実施の形態において、手術支援システム200は、光源11と、撮像部12と、制御部2と、投影部3とを備える。光源11は、所定の波長の励起光を照射する。撮像部12は、励起光が照射された被写体である、術野101の患部103を撮像する。制御部2は、撮像部12が撮像した撮像データに基づいて、投影用の画像データを生成する。投影部3は、投影用の画像データに基づく投影画像を、術野101に投影する。撮像部12は、術野101上で、励起光に反応した蛍光発光領域の蛍光像とともに、投影画像を撮像する。制御部2は、撮像部12により撮像された蛍光像と、投影画像との差分に応じて、投影用の画像データを補正する。
以上のように、本実施の形態において、手術支援システム200は、光源11と、撮像部12と、制御部2と、投影部3とを備える。光源11は、所定の波長の励起光を照射する。撮像部12は、励起光が照射された被写体である、術野101の患部103を撮像する。制御部2は、撮像部12が撮像した撮像データに基づいて、投影用の画像データを生成する。投影部3は、投影用の画像データに基づく投影画像を、術野101に投影する。撮像部12は、術野101上で、励起光に反応した蛍光発光領域の蛍光像とともに、投影画像を撮像する。制御部2は、撮像部12により撮像された蛍光像と、投影画像との差分に応じて、投影用の画像データを補正する。
上述の構成により、手術支援システム200は、投影画像のずれを低減し、患部103の領域をより正確に示すことができる。そのため、実際の被写体上に投影する被写体の画像において、医師等は正確な被写体の状態をより認識しやすくなる。また、検出した差分に応じて投影用の画像データを補正することにより、補正処理における制御部2の処理量を低減することができる。
また、制御部2は、投影画像が投影されている投影領域とは重ならない、所定の波長の光に反応した蛍光発光領域103aに、投影画像を追加表示するように、投影用の画像データを補正する。また、制御部2は、蛍光発光領域と重ならない投影領域34aの投影画像を消去するように、投影用の画像データを補正する。このような処理により、補正処理における制御部2の処理量を低減できる。
本実施の形態において、撮像部12による被写体は患者10の患部103であったが、被写体は人体に限らず、例えば生物の体内に、所定の光の波長に反応する蛍光物質が投与された患部であってもよい。
なお、実施の形態2においては、撮像装置1と投影部3とが異なる位置に配置される場合、及び手術中に患部103が移動する場合に、ずれた投影画像を補正する例を説明した。しかし、本実施形態の画像データ補正処理は、患部103の表面形状によって投影画像がずれた場合にも、適用できる。患部の立体的な表面形状によって投影画像が歪み、蛍光発光領域と投影領域がずれる場合、本実施の形態における画像データ補正処理によって、投影画像の歪みを解消することができる。
本実施の形態における投影画像の生成処理におけるステップS130Aの処理において、制御部2は、実施の形態1と同様に、術野101上で蛍光発光した領域に投影画像の大きさ及び/又は向きに合わせるように、投影用の画像データの拡大または縮小の倍率および回転角度を調整する処理を行ってもよい。また、制御部2は、撮像データの可視光像に基づいて、撮像データにおいて患部の蛍光発光領域の位置と、投影画像の位置とを合致させてもよい。
(実施の形態3)
以下、実施の形態3を説明する。実施の形態2では、患者の患部の画像を投影して、その投影用の画像データを補正したが、本実施の形態では、医療機器の画像を投影して、その投影用の画像データを補正する。
以下、実施の形態3を説明する。実施の形態2では、患者の患部の画像を投影して、その投影用の画像データを補正したが、本実施の形態では、医療機器の画像を投影して、その投影用の画像データを補正する。
以下、実施の形態1,2に係る手術支援システム100,200と同様の構成、動作の説明は適宜、省略して、本実施の形態の手術支援システムを説明する。
本実施の形態の手術支援システムは、実施の形態2の手術支援システム200と同様に構成される(図10参照)。本実施の形態の手術支援システムは、実施の形態2と同様の投影画像の生成処理を、撮像装置1による撮像の対象、及び投影部3による投影の対象を医療機器として行う(図11参照)。
本実施の形態における投影画像の生成処理において、制御部2は、医療機器の蛍光像を抽出して、抽出した蛍光像の形状を示す投影用の画像データを生成する(ステップS130A)。なお、制御部2は、実施形態1の画像データ生成処理(ステップS130)と同様の処理によって、投影用の画像データを生成してもよい(図8参照)。この場合、本実施の形態の手術支援システムは、実施の形態1の手術支援システム100と同様のメモリ4をさらに備える。
以上のように生成した医療機器の形状を示す投影用の画像データに対して、制御部2は、実施の形態2と同様の画像データ補正処理(ステップS160)を行う。このとき、制御部2は、医療機器の形状を示す投影画像と、医療機器20の蛍光像との差分を検出し、差分に応じて投影用の画像データを補正する。
これにより、医療機器の形状を示す投影画像の位置と、医療機器によって蛍光発光した領域の位置とのずれが解消され、ユーザは医療機器の位置を、より正確に視認することができる。また、一度生成した投影用の画像データを繰り返し補正することにより、投影用の画像データを新たに生成する頻度を減らして、制御部2の処理量を低減することができる。
(その他の実施の形態)
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態1〜3を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態1で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態1〜3を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態1で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
実施の形態1〜3では、手術などの医療用途を例に挙げて説明したが、本発明はこれには限らない。例えば、工事現場や採掘現場、建築現場、材料を加工する工場など、目視では状態変化を確認できないような対象物に対して作業を行う必要がある場合、本発明を適用することができる。
具体的には、実施の形態1,3の医療機器に代えて、工事現場や採掘現場、建築現場、材料を加工する工場などにおける、目視では状態変化を確認できないような対象物に蛍光材料を塗布し、練りこみ、或いは流し込んで、撮像部12による撮像の対象である撮像対象物とする。それとともに、上記対象物の形状に関する形状情報を、メモリ4に格納することにより、実施の形態1,3と同様に、本発明を適用することができる。
実施の形態1においては、メモリ4に格納した手術器具の画像データ51〜54を例示した。しかし、メモリ4は、手術器具を含む医療機器の画像データを格納してもよい。このとき、医療機器の画像データに関して、実施の形態1と同様に、画像データベース41および特徴量データ42を構成してもよい。これにより、手術器具に限らず医療機器の種類を判定することができる。
実施の形態1において、画像データベース41は、フィラメント53bを除いたメルシーの画像データ53を有してもよい。これにより、メルシーのフィラメントには蛍光材料を含ませずに手術を行う際、その蛍光像との比較が行い易くなる。たとえば、撮像データの蛍光像と、ループワイヤのらせん状の形状との類似度を比較することにより、蛍光像がメルシーであるか否かの判定を容易に実行できる。また、メルシーのフィラメントにおける蛍光材料の有無にかかわらず、投影画像としてフィラメントのないメルシーの画像データを用いてもよい。このように、各医療機器の部分的な形状の画像データをメモリ4に格納してもよい。
また、メモリ4に格納する形状情報は、例えば、撮像装置1によって予め撮像した画像データであってもよい。これにより、より実際に使用する器具を示す画像データを投影することができる。
実施の形態1において、形状情報は、医療機器の形状を示す画像データであったが、形状情報は、医療機器に限らず、所定の形状を有する物体の画像データであってもよい。ここで、所定の形状を有する物体の画像データは、医療機器などの物体自体の画像データに限らない。形状情報は、当該物体を模式的に表す画像データであってもよく、例えば、当該物体を描いた図や、矢印などのマークであってもよい。
実施の形態1において、制御部2は、撮像データに基づいて、類似度が最も高いと判定した画像データに対して、倍率および回転角度を調整する処理を行った。しかし、投影画像の倍率及び/又は回転角度の調整方法はこれに限らない。例えば、制御部2は、撮像装置1が撮像した術野101の可視光像を基準に倍率や角度を調整してもよいし、予め術野101付近に蛍光マーカを設置して、この蛍光マーカを基準に倍率や角度を調整してもよい。また、制御部2は、このような基準による倍率及び/又は回転角度の調整を反映して、投影用の画像データを生成してもよいし、投影部3のレンズなどの光学系を制御してもよい。
実施の形態1〜3において、制御部2は、撮像データに基づいて、患部の表面上の蛍光像の位置と、投影画像の位置とが合致するように、投影用の画像データを生成した。しかし、これに限らず、制御部2は、被写体の表面上で蛍光発光した領域の位置と、投影画像の位置とが合致するように、投影位置を変更してもよい。例えば、制御部2は、投影画像の投影位置を変更するように、投影部3を制御してもよい。
実施の形態1〜3において、制御部2は、撮像データにおける医療機器の蛍光像を基準に、患部の表面上の蛍光像の位置と、投影画像の位置とを合致させた。しかし、投影画像の位置合わせの基準は、これに限らない。例えば、撮像装置1が撮像した術野101の可視光像を基準にしてもよいし、予め術野101付近に蛍光マーカを設置して、この蛍光マーカを基準にしてもよい。
実施の形態1において、1つの医療機器について投影画像を生成し、投影した。しかし、制御部2は、蛍光像を同時に複数の形状情報と比較してもよい。これにより、複数種類の手術器具が同時に患者10の体内に挿入されている場合、それぞれの医療機器を識別することができる。
実施の形態1の画像データ生成処理において、制御部2は、撮像データの蛍光像を、類似すると判定した画像データの画像に置き換えて、投影用の画像データを生成した。しかし、制御部2は、判定した画像データを参照して、撮像データにおける不鮮明な蛍光像の形状を補正することで、投影用の画像データを生成してもよい。
実施の形態1において、制御部2は、メモリ4に格納される特徴量データ42を用いて医療機器の種類を判定した。しかし、特徴量データ42を用いて医療機器の種類を判定せずに、直接、画像データベース41に格納される複数種類の医療機器の形状情報と、蛍光像との類似度を判定してもよい。このとき、メモリ4に特徴量データ42を格納しなくてよいので、メモリ4に保持するデータ量を削減できる。また、特徴量データ42として、医療機器の種類だけでなく、向きや形状の異なる医療機器の特徴量のデータを用いてもよい。これにより、画像データベース41において、蛍光像の比較対象となる形状情報を、さらに絞り込むことができる。
実施の形態1〜3において、撮像部12は、可視光、蛍光、および励起光の全ての種類の光を検出できるように構成されたが、少なくとも蛍光が検出できるように構成されればよい。例えば、撮像部12は、可視光と蛍光のみを検出できるカメラを組み合わせて構成されてもよいし、蛍光のみを検出できるカメラによって構成されてもよい。
実施の形態1〜3においては、光感受性物質としてインドシアニングリーンを例示したが、他の光感受性物質を用いてもよい。例えば、ポルフィリン、ルシフェリン、アカルミネ(登録商標)などを用いてもよい。この場合、光源11はそれぞれの光感受性物質の励起波長帯における励起光を照射し、撮像部12はそれぞれの光感受性物質の蛍光発光の波長帯において蛍光像を検出する。
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本開示における投影システムは、医療用途や、工事現場や採掘現場、建築現場、材料を加工する工場など、目視では状態変化を確認できないような対象物に対して作業を行う際に適用可能である。
1 撮像装置
11 光源
12 撮像部
2 制御部
3 投影部
4 メモリ
10 患者
20 医療機器
100,200 手術支援システム
11 光源
12 撮像部
2 制御部
3 投影部
4 メモリ
10 患者
20 医療機器
100,200 手術支援システム
Claims (6)
- 所定の波長の光を照射する光源と、
前記所定の波長の光が照射された被写体を撮像する撮像部と、
前記撮像部が撮像した画像に基づいて、投影用の画像データを生成する制御部と、
前記投影用の画像データに基づく投影画像を、前記被写体上に投影する投影部とを備え、
前記撮像部は、前記被写体上で、前記所定の波長の光に反応した領域の画像とともに、前記投影画像を撮像し、
前記制御部は、前記撮像部により撮像された前記所定の波長の光に反応した領域の画像と前記投影画像との差分に応じて、前記所定の波長の光に反応した領域の画像と前記投影画像とが一致するように、前記投影用の画像データを補正する、
投影システム。 - 前記制御部は、
前記投影画像が投影されている領域とは重ならない、前記所定の波長の光に反応した領域に、前記投影画像を追加表示するように、前記投影用の画像データを補正し、
前記所定の波長の光に反応した領域とは重ならない、前記投影画像が投影されている領域の前記投影画像を消去するように、前記投影用の画像データを補正する、
請求項1に記載の投影システム。 - 前記制御部により生成される投影用の画像データは、前記所定の波長の光に反応した領域を示す画像である
請求項1または2に記載の投影システム。 - 所定の形状を有する物体の画像データである形状情報を複数格納する記憶部をさらに備え、
前記制御部は、
前記記憶部に格納された複数の形状情報の中から、前記撮像部により撮像された前記所定の波長の光に反応した領域の画像との類似度に基づいて形状情報を選択して、
前記選択した形状情報が示す形状を有する画像が、前記所定の波長の光に反応した領域に投影されるように、前記投影用の画像データを生成する、
請求項1または2に記載の投影システム。 - 前記被写体は、患者の患部、及び医療機器を含む、
請求項1〜4のいずれか1つに記載の投影システム。 - 前記被写体は、前記所定の光の波長に反応する蛍光材料が、塗布され、練りこまれ、或いは流し込まれた撮像対象物を含む
請求項1〜5のいずれか1つに記載の投影システム。
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