(57)【要約】【課題】骨と椎弓根スクリューのような体内留置用機器あるいは体内留置用機器を固定した骨等の任意の２つ以上の対象物に関する位置関係を直視下に無くても的確かつリアルタイムに把握する。【解決手段】超音波プローブにナビゲーションシステムのマーカーを取り付けた超音波プローブ２１で体表面をなぞると、超音波プローブ２１の位置と超音波の照射角度およびエコーデータから、骨表面の３次元モデルを構築できる。椎弓根スクリューのような体内留置用機器等の３次元モデルを得て、骨表面の３次元モデルに重ねて、所望方向からの画像を表示するようにする。【選択図】図１
2020005727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質中の内部に存在する固体物である第１の対象物における表面形状の情報を所定の空間座標に配置した第１の３次元モデルデータを記憶した第１の３次元モデル記憶手段と、
第２の対象物の外形情報である第２の３次元モデルデータを記憶した第２の３次元モデル記憶手段と、
前記第１の対象物の現在姿勢情報と基準となる空間座標における前記第１の対象物の現在位置情報を検出する第１の姿勢位置情報検出手段と、
前記第２の対象物の現在姿勢情報と前記第１の３次元モデルと同一の空間座標における前記第２の対象物の現在位置情報を検出する第２の姿勢位置情報検出手段と、
前記第１の対象物の現在姿勢位置情報と、前記第２の対象物の現在姿勢位置情報に基づき前記第１の対象物と前記第２の対象物のそれぞれの現在姿勢位置関係を求め、前記第１の３次元モデルと前記第２の３次元モデルを用いて現在状態３次元モデルを構築する３次元モデル構築手段と、
前記現在状態３次元モデルにおける全方位における所望方向からの画像を要求する画像要求コマンドに応じて、前記現在状態３次元モデルに基づき、前記要求に係る画像の画像データを作成する画像データ作成手段と、
画像データに基づき画像を表示する表示手段と、
前記画像データ作成手段により作成された画像データに基づく画像を前記表示手段に表示する表示制御手段と
を具備することを特徴とする表示システム。
【請求項２】
第１の対象物は人および動物の骨であることを特徴とする請求項１に記載の表示システム。
【請求項３】
前記第１の３次元モデルを作成する第１の３次元モデル作成手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の表示システム。
【請求項４】
前記第１の３次元モデル作成手段は、前記第１の対象物を覆う物質の外部表面から内部へ向けて超音波を射出し、内部に存在する固体物である第１の対象物からのエコーを検出して表面形状の情報である第１の３次元モデルを作成することを特徴とする請求項３に記載の表示システム。
【請求項５】
前記第１の３次元モデル作成手段は、ＣＴスキャナを含む医療用Ｘ線画像データまたはＭＲＩ画像データを含む体内画像診断装置のデータに基づき第１の３次元モデルを補完または補正することを特徴とする請求項３に記載の表示システム。
【請求項６】
第２の対象物は、スクリューやプレート、髄内釘、創外固定ピン、鋼線、ケージを含む体内留置用機器ならびに、粘膜剥離子、パンチ、ノミ、ドリル、骨手術器械用バー、リーマー、タップ、サウンダー、リダクションツールを含む体内に侵入する手術器具、および生検針や穿刺針を含む医療処置用器具あるいは体内留置用機器を固定した骨であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の表示システム。
【請求項７】
前記第２の３次元モデルデータ記憶手段には、固体物の設計情報に基づく既知の３次元モデルデータであるか、あるいは測位マーカーを固定した第２の対象物に液体中で超音波を射出し、固体物である第２の対象物からのエコーを検出して表面形状の情報である第２の対象物の３次元モデルデータが記憶されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の表示システム。
【請求項８】
前記３次元モデルの全方位における所望方向からの画像要求を入力するための操作入力手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の表示システム。
【請求項９】
第１の対象物は、１つ以上であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の表示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、骨表面の３次元モデルを構築して、この３次元モデルのデータを医療用ナビゲーションシステムへ活用することを可能とする表示システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
医療用ナビゲーションシステムは、３次元的に配置したマーカーを装着することにより、物体の位置と姿勢を特定し、手術操作ならびに医療処置を支援する装置であり、事前に計測されたＣＴスキャナを含む医療用Ｘ線撮影装置あるいはＭＲＩ等で計測された３次元モデルと組み合わせることで、立体的な相対位置関係を確認することができる。
【０００３】
超音波を用いて骨表面など硬質部位の画像を表示する技術としては、特許文献１に記載の超音波を使用する骨表面画像再構成に関する技術が知られている。更に、特許文献２には、超音波による生体内の骨の画像表示装置とその画像表示方法が開示されている。これらの技術は、超音波プローブをある特定の位置および姿勢で計測し画像化を行うものであるため、３次元モデルあるいは広範囲の画像を構築することは考慮されていない。
【０００４】
超音波を用いて３次元画像を構築する技術として、特許文献３には、超音波画像解析装置および超音波画像解析方法が開示されており、特許文献４には、超音波を用いた被検体の３次元復元方法および装置が開示されている。上記技術では、超音波を用いて構築された３次元モデルが医療用ナビゲーションシステムに活かされておらず、手術操作器具との位置関係を知ることができない。
【０００５】
更に、医療用ナビゲーションには、光学式トラッキングシステムを利用した市販の機器として、 ＢＲＡＩＮＬＡＢ社のＣｕｒｖｅナビゲーションシステム、（http://www.info.pmda.go.jp/downfiles/md/PDF/670610/670610_22400BZX00153000_B_01_07.pdf）、 ＢＲＡＩＮＬＡＢ社のＫｉｃｋナビゲーションシステム(http://www.info.pmda.go.jp/downfiles/md/PDF/670610/670610_22500BZX00283000_B_01_05.pdf)が知られている。更に、磁場式トラッキングシステムを利用したものとして、 Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ社のＥＭナビゲーションシステム(http://www.info.pmda.go.jp/downfiles/md/PDF/530366/530366_22400BZX00300000_A_01_07.pdf)があり、光学式、磁場式を併用したものとして、 Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ社のＳｔｅａｌｔｈＳｔａｔｉｏｎ(http://www.info.pmda.go.jp/downfiles/md/PDF/530366/530366_22600BZX00110000_B_01_04.pdf)などがある。
【０００６】
脊椎手術では、椎弓根スクリューの誤挿入によって神経を損傷し、麻痺が生じる可能性がある。近年、低侵襲な経皮的椎弓根スクリュー挿入が増加していることもあり、適切なスクリュー刺入位置を確認するために、術中にX線透視を使用する機会が増加している。この際、患者のみならず、術者をはじめとした医療従事者も被ばくしてしまう。また、移動型デジタル式汎用一体型Ｘ線透視診断装置や術中CT等を用いたナビゲーション手術も近年増加しており、手術精度は向上しているものの多大な被ばくを伴う。
【０００７】
また、骨折の手術では、正確な整復操作は、変形癒合や癒合不全・偽関節を防ぐだけでなく、術後の疼痛や関節可動域といった運動機能に直結するため、非常に重要である。術中、整復状態を確認するため、大きな切開を加え広範囲にわたって骨を直視下におくことは、侵襲が大きいことに加え骨癒合率を低下させるため、外科的侵襲を極力抑えＸ線透視を用いて整復状態の確認を行うことが多い。しかし、Ｘ線透視の解像度は低い上に、透視画像には様々な整復機器が映り込むため、整復状態の確認が難しい。更に、Ｘ線透視は撮影範囲が限られており、大腿骨などの大きな骨では、骨全長を撮影することができない。そのため、ひとまず狭い撮影範囲の任意の一撮影方向において骨折部の整復状態を確認した後に、透視装置の位置や環球の向きを変えながら何度も撮影を行い、回旋を含めた３次元整復状態の確認を行う。このため、整復と撮影を繰り返し、長時間のＸ線透視が行われることも稀ではない。
【０００８】
更に、手術体位によっては、X線透視や移動型デジタル式汎用一体型Ｘ線透視診断装置、ＣＴに身体部位が入らず撮影できない場合もある。また、術中に撮影を行う場合は、金属を含まないカーボンベッドを含めた特殊な手術台を用意する必要があり、多大な費用を要し、ナビゲーション手術の普及を妨げている。
【０００９】
他に、骨折部を挟む両側の骨にピンを打ち、体外で連結して固定を行う創外固定は、骨折部の整復と転位悪化防止、周辺の軟部組織損傷の拡大防止を可能とするが、上記の通りＸ線透視は撮影範囲が限られており、現状では、骨片同士の正確な位置関係を把握できず、正確な整復を行うことが困難な状況にある。
【００１０】
整形外科以外に、脳外科や耳鼻科、眼科、形成外科分野でもナビゲーション手術は行われており、３次元の解剖学的位置情報が重要な手術において強力な補助ツールとなっている。しかし、現在のナビゲーション手術では、術前の画像を利用する場合、頭部顔面を除くと、骨を直接マーカーに接触させてマッピングを行わなければ位置情報の精度が担保されないため、複数の小皮切を加えたり、大きな切開を加えたりして骨を広範囲にわたって直視下におく必要がある。また、術中にＣＴや移動型デジタル式汎用一体型Ｘ線透視診断装置でマーカーも含めて新たな画像データを取得する場合は、やはり被ばくが避けられない。
【００１１】
また、CTガイド下の生検等でも被曝量は多く、手術を含めた医療処置中の被ばく低減は重要な検討課題である。
【００１２】
これらの状況を克服するために、術中に被ばくすることなく、また、体位や手術部位、手術台の種類によらず、骨を始めとした組織や手術器具、体内留置用機器や医療処置用器具の３次元位置情報を広範囲にわたりリアルタイムに複数捉えられる手法の開発が期待されている。
【００１３】
上記に加え、現行の医療用ナビゲーションシステムでは、対応する手術用の器具が指定されていたり、新たに認識できる器具の形状が限られていたりするため、ナビゲーションを有効に活用できない場面も多い。製造メーカや形状に左右されることなく、任意の手術用の器具を利用できるシステムが実現できれば、器具の選択の自由度が向上し、より操作性の優れた器具や用途に適合した器具、あるいはより安価な代替品の利用が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１４８９８５号
【特許文献２】特開２００３−２７５２０９号公報
【特許文献３】特開２０１３−２２３６２５号公報
【特許文献４】特許第５９８７６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は上記のような医療用ナビゲーションシステムの現状に鑑みなされたものである。
超音波診断装置は、生体に放射した超音波が音響インピーダンスの変化する組織の境界で反射することを利用して、反射波（エコー）が戻るまでの時間から境界面までの距離を算出し体内の断層画像を表示する。骨を対象とする場合には、体表から骨までの距離をアレイ状に計測することで、骨表面の３次元画像を描出することができる。
【００１６】
しかし、超音波プローブにナビゲーションのマーカーを搭載し、超音波プローブの位置および姿勢を検出して骨の位置情報を構築し、これを医療用ナビゲーションシステムで利用する応用は報告されていない。
【００１７】
超音波プローブにナビゲーションシステムのマーカーを取り付けた超音波プローブで体表面をなぞると、超音波プローブの位置と超音波の照射角度およびエコーデータから、骨表面の３次元モデルを構築でき、この３次元データを骨に固定した測位マーカーの姿勢位置情報を光学式、磁場式トラッキングシステムで取得し、骨の３次元モデルの姿勢位置情報を骨に固定した測位マーカーを基準として、スクリューやプレート、髄内釘、創外固定ピン、鋼線、ケージを含む体内留置用機器ならびに、粘膜剥離子、パンチ、ノミ、ドリル、骨手術器械用バー、リーマー、タップ、サウンダー、リダクションツールを含む体内に侵入する手術器具、および生検針や穿刺針を含む医療処置用器具あるいは体内留置用機器を固定した骨の姿勢位置をリアルタイムに表示する医療用ナビゲーションシステムが考えられる。
【００１８】
また、測位マーカーを固定した体内留置用機器、手術器具、医療処置用器具を液体中に浸し、マーカーを取り付けた超音波プローブで液面をなぞることで、それらの器具の表面形状の３次元モデルを構築でき、任意の器具を医療用ナビゲーションに用いることが可能となる。
【００１９】
骨に固定する測位マーカーの固定方法としてはマーカーを骨に直接に固定しても、骨に挿入した創外固定ピン、鋼線、スクリューを含めた体内留置用機器、医療処置用器具を介して、マーカーを固定しても良い。
【００２０】
以上に鑑み、本発明の目的は、手術および医療処置中にナビゲーションのための骨の３次元モデルを取得する際にＸ線被ばくすることがなく、しかも骨とスクリューやプレート、髄内釘、創外固定ピン、鋼線、ケージなどの体内留置用機器ならびに、粘膜剥離子、パンチ、ノミ、ドリル、骨手術器械用バー、リーマー、タップ、サウンダー、リダクションツール等の体内に侵入する手術器具、および生検針や穿刺針を含む医療処置用器具あるいは体内留置用機器を固定した骨の２つ以上の対象物に関する位置関係を的確に把握することが可能な表示システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に係る表示装置は、物質中の内部に存在する固体物である第１の対象物における表面形状の情報を所定の空間座標に配置した第１の３次元モデルデータを記憶した第１の３次元モデル記憶手段と、第２の対象物の外形情報である第２の３次元モデルデータを記憶した第２の３次元モデル記憶手段と、前記第１の対象物の現在姿勢情報と基準となる空間座標における前記第１の対象物の現在位置を検出する第１の姿勢位置情報検出手段と、前記第２の対象物の現在姿勢情報と前記第１の３次元モデルと同一の空間座標における前記第２の対象物の現在位置情報を検出する第２の姿勢位置情報検出手段と、前記第１の対象物の現在姿勢位置情報と、前記第２の対象物の現在姿勢位置情報に基づき前記第１の対象物と前記第２の対象物のそれぞれの現在姿勢位置関係を求め、前記第１の３次元モデルと前記第２の３次元モデルを用いて現在状態３次元モデルを構築する３次元モデル構築手段と、前記現在状態３次元モデルにおける全方位における所望方向からの画像を要求する画像要求コマンドに応じて、前記現在状態３次元モデルに基づき、前記要求に係る画像の画像データを作成する画像データ作成手段と、画像データに基づき画像を表示する表示手段と、前記画像データ作成手段により作成された画像データに基づく画像を前記表示手段に表示する表示制御手段とを具備することを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る表示装置では、第１の対象物は人および動物の骨であることを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る表示装置では、前記第１の３次元モデルを作成する第１の３次元モデル作成手段を備えることを特徴とする。
【００２４】
本発明に係る表示装置では、前記第１の３次元モデル作成手段は、前記第１の対象物を覆う物質の外部表面から内部へ向けて超音波を射出し、内部に存在する固体物である第１の対象物からのエコーを検出して表面形状の情報である第１の３次元モデルを作成することを特徴とする。
【００２５】
本発明に係る表示装置では、前記第１の３次元モデル作成手段は、ＣＴスキャナを含む医療用Ｘ線画像データまたはＭＲＩ画像データを含む体内画像診断装置のデータに基づき第１の３次元モデルを補完または補正することを特徴とする。
【００２６】
本発明に係る表示装置では、第２の対象物は、スクリューやプレート、髄内釘、創外固定ピン、鋼線、ケージを含む体内留置用機器ならびに、粘膜剥離子、パンチ、ノミ、ドリル、骨手術器械用バー、リーマー、タップ、サウンダー、リダクションツールを含む体内に侵入する手術器具、および生検針や穿刺針を含む医療処置用器具あるいは体内留置用機器を固定した骨であることを特徴とする。
【００２７】
本発明に係る表示装置では、前記第２の３次元モデルデータ記憶手段には、固体物の設計情報に基づく既知の３次元モデルデータであるか、あるいは測位マーカーを固定した第２の対象物に液体中で超音波を射出し、固体物である第２の対象物からのエコーを検出して表面形状の情報である第２の対象物の３次元モデルデータが記憶されていることを特徴とする。
【００２８】
本発明に係る表示装置では、前記３次元モデルの全方位における所望方向からの画像要求を入力するための操作入力手段を備えていることを特徴とする。
【００２９】
本発明に係る表示装置では、第１、第２の対象物は、複数であっても良いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、手術中のナビゲーションのためにＸ線被ばくすることがなく、対象物至近からの３次元姿勢位置検出走査を適宜実施することで、骨と椎弓根スクリューのような手術器具等の２つ以上の対象物に関する位置関係をより的確に把握すること、また骨と器具とを一塊としたマーカーを固定した２つ以上の骨に関する位置関係を把握し、骨折整復などの精度向上に資することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施形態に係る表示システムの構成図。
【図２】本発明に係る表示システムの第１の実施形態の要部構成図。
【図３】本実施形態に係る表示システムによる第１の３次元モデルを作成する動作を示す構成図。
【図４】本実施形態に係る表示システムによる超音波プローブを用いて第１の３次元モデルを作成する動作を示す図。
【図５】第１の３次元モデルの一例を示す斜視図。
【図６】第２の３次元モデルの一例を示す斜視図。
【図７】現在状態３次元モデルの一例を示す斜視図。
【図８】本発明に係る表示システムの実施形態の動作を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下添付図面を参照して、本発明の実施形態に係る表示システムを説明する。各図において同一の構成要素には、同一の符号を付し重複する説明を省略する。図１に示す本実施形態に係る表示システムでは、第１の３次元モデル記憶手段１１と第２の３次元モデル記憶手段１２とを備えている。第１の３次元モデル記憶手段１１及び第２の３次元モデル記憶手段１２は、共にＨＤＤなどの大容量の記憶装置が用いられる。
【００３３】
第１の３次元モデル記憶手段１１には、物質中の内部に存在する固体物である第１の対象物における表面形状の情報である第１の３次元モデルデータが記憶される。第１の対象物は人および動物の骨とすることができる。第１の対象物は開放骨折や手術により、一部が露出されていても良い。
第２の３次元モデル記憶手段１２には、第２の対象物の外形情報である第２の３次元モデルデータが記憶される。第２の対象物は、骨に刺入するスクリューやプレート、髄内釘、創外固定ピン、鋼線、ケージを含む体内留置用機器ならびに、粘膜剥離子、パンチ、ノミ、ドリル、骨手術器械用バー、リーマー、タップ、サウンダー、リダクションツールを含む体内に侵入する手術器具および穿刺針を含む処置用器具、および生検針や穿刺針を含む医療処置用器具あるいは体内留置用機器を固定した骨とすることができる。
なお、本明細書において、「３次元モデルデータ」は、表面をポリゴンで表現した際のポリゴン頂点におけるデータの集まり、或いはベクター形式の３次元データの意味で使用する。また、以下の各図においては、四肢の骨を示すが、本発明は、椎弓根スクリューの挿入手術などに極めて有用であり、当然脊椎に適用することができる。
【００３４】
本実施形態では、図１に示すように、上記第１の３次元モデルを作成する第１の３次元モデル作成手段２０が備えられている。第１の３次元モデル作成手段２０には、図２に示すように、超音波プローブ２１と、超音波プローブ２１の位置情報及び姿勢情報を検出するための姿勢位置検出マーカー２２と、情報処理部２３が備えられている。超音波プローブ２１は、一般的な直線型あるいは扇型の一次元配置の他、１つの振動子を機械的に揺動する機械式セクタスキャナや２Ｄアレイの方式も含む。また、体表面からのスキャンの他、皮膚を切開した後、体内からのスキャンも想定され、複数種の超音波プローブを接続可能であっても良い。
【００３５】
図３に示されるように、例えば、人１０１が例えば仰臥位でベッド１０２上に横たわっているものとする。超音波プローブ２１は、体表面Ｓに直接またはゼリー状あるいは液状の流体を介して接触して用いられる。超音波プローブ２１から射出された超音波Ｔは、図４に示されるように、体表面Ｓから軟部組織ＳＴを通って骨Ｂの表面へ到り反射されて、エコーが超音波プローブ２１に到来する。超音波の射出時とエコーの射出時の差である時間が情報処理部２３へ送られる。
【００３６】
また、姿勢位置検出マーカー２２は、第１の姿勢情報検出手段３１が、超音波プローブ２１の位置および姿勢情報を検出するために装着されている。姿勢位置検出マーカー２２は、超音波プローブ２１と一体構造であっても、あるいは取り外し可能な構造であっても良い。
【００３７】
情報処理部２３は、超音波の射出時とエコーの着音時の差である時間を受けて、超音波の速度を用いて反射した骨Ｂの表面までの距離を求める。また、姿勢情報として、射出直線と直線における方向の情報を得た情報処理部２３は、この情報に基づき現在位置から得られた情報の方向に骨表面が存在することを検出し、超音波振動子１個につき骨表面の１点の座標を得ることができる（図４参照）。超音波プローブ２１を体表面において移動させることによって、次々に超音波振動子１個につき骨表面の１点の座標が得られて蓄積されて行く。例えば、下肢の大腿骨の外側における体表面全体を超音波プローブ２１によって走査して行くことにより、大腿骨表面の位置情報が全て収集され、大腿骨にマーカーＡを固定しておくことで、マーカーＡを基準点Ａとした第１のモデルである骨表面の３次元モデルを作成することができる。このようにして作成された第１の３次元モデルは、「第１の対象物の表面より内部に存在する固体物における表面形状の情報を所定の空間座標に配置した第１の３次元モデル」であり、例えば図５に示される骨の３次元モデルとして、第１の３次元モデル記憶手段１１に保存される。空間座標は、任意のマーカーの位置を基準点０点として、任意のマーカー３点が張る面をＸＹ平面とし、その法線方向をＺ軸方向とすることができる。
【００３８】
第２の３次元モデルは、固体物の設計情報に基づく既知の３次元モデルデータであるか、あるいは測位マーカーを固定した第２の対象物に液体中で超音波を射出し、固体物である第２の対象物からのエコーを検出して表面形状の情報である第２の対象物の３次元モデルデータとしたものとすることができる。このようにして事前に用意あるいは作成された第２の３次元モデルは、例えば、図６に示すスクリューの３次元モデルとして、第２の３次元モデル記憶手段１２に保存される。
【００３９】
実施形態に係る表示システムには、第１の姿勢位置情報検出手段３１および第２の姿勢位置情報検出手段３２が備えられている。この第１の姿勢情報検出手段３１および第２の姿勢位置情報検出手段３２は、上記第１および第２の対象物の現在姿勢位置情報を検出する。第１の姿勢位置情報検出手段３１には、例えば第１の３次元モデルを作成するときと同様に、非対称な形状の４点以上の検出点を持つマーカーを、光学式測位システムにより特定する方法など、既存の医療用ナビゲーションシステムの測位手法が利用できる。第１の姿勢位置情報検出手段３１および第２の姿勢位置情報検出手段３２は、図１のように、第１と第２で独立した測位システムを利用しても良く、測位手法の原理がそれぞれ異なっていても良い。例えば、第１の姿勢位置情報検出手段３１に、加速度センサおよびジャイロセンサを超音波プローブ２１に搭載し、自律航法による測位システムとすることができ、あるいは第１の３次元モデル作成手段２０を援用して姿勢位置情報検出手段３１および第２の姿勢位置情報検出手段３２を構成しても良い。勿論、第１の姿勢位置情報検出手段３１および第２の姿勢位置情報検出手段３２を１つにまとめて構成しても良い。
【００４０】
実施形態に係る表示システムには、３次元モデル構築手段３３が設けられている。３次元モデル構築手段３３は、上記第１の対象物の現在姿勢情報と上記第１の対象物の現在位置情報、上記第２の対象物の現在姿勢情報と上記第２の対象物の現在位置情報に基づき上記第１の対象物と上記第２の対象物のそれぞれの現在姿勢位置関係を求め、上記第１の３次元モデルと上記第２の３次元モデルを配置した計測時点での現在状態３次元モデルを構築するものである。
【００４１】
第１および第２の対象物の現在姿勢情報と第１および第２の対象物の現在位置情報は、前述の通り、第１姿勢位置情報検出手段３１および第２の姿勢位置情報検出手段３２により取得される。また、第１の３次元モデルデータは第１の３次元モデル記憶手段１１に記憶されているから、３次元モデル構築手段３３は、第１の３次元モデルを、上記第１の対象物の現在姿勢情報とこの第１の対象物の現在位置情報に基づき所要の姿勢および位置へ移行させる。また、第２の３次元モデルデータは第２の３次元モデル記憶手段１２に記憶されているから、第２の３次元モデルを、上記第２の対象物の現在姿勢情報とこの第２の対象物の現在位置情報に基づき所要の姿勢および位置へ移行させる。
【００４２】
ここで、第２の対象物の現在姿勢情報と第２の対象物の現在位置情報は、上記第１の３次元モデルにおける空間座標における情報であることは前述の通りであるから、第２の対象物を第１の３次元モデル（つまり、骨）のどの位置（位置情報）に、どのような姿勢（姿勢情報）で配置するかについては、情報が得られていることになる。このため、３次元モデル構築手段３３は、上記第１の対象物と上記第２の対象物のそれぞれの現在姿勢位置関係を求め、上記第１の３次元モデルと上記第２の３次元モデルを用いて現在状態３次元モデルを構築するのである。例えば、図７に示されるように、現在状態３次元モデルが構築される。
【００４３】
上記３次元モデルの全方位における所望方向からの画像要求を入力するためのコマンド操作入力手段３５が備えられている。実施形態に係る表示システムには、画像データ作成手段３６が備えられている。画像データ作成手段３６は、上記現在状態３次元モデルにおける全方位における所望方向からの画像を要求する画像要求（コマンド操作入力手段３５による）に応じて、上記現在状態３次元モデルに基づき、上記要求に係る画像の画像データを作成するものである。
【００４４】
コマンド操作入力手段３５は、例えばレーザポインタにより第１の対象の所望位置を照射し、レーザ光の方向をレーザポインタに設けたマーカーにより検出するように構成することができる。従って、現在状態３次元モデルが図７に示すように構築された場合において、図７の矢印によって示すように、全方位における所望方向から撮像した画像を要求可能である。
【００４５】
実施形態に係る表示システムには、画像データに基づき画像を表示する表示手段３７としてＬＥＤ、ＬＣＤ、プラズマディスプレイ、ＶＲなどの表示機器が備えられている。更に、表示制御手段３８が備えられている。表示制御手段３８は、上記画像データ作成手段により作成された画像データに基づく画像を上記表示手段３７に表示する。
【００４６】
以上のように構成された表示システムにあっては、例えば、図８に示されるフローチャートにより動作が行われる。この動作が行われる前に、第１の３次元モデル作成手段２０により第１の３次元モデルを作成して第１の３次元モデル記憶手段１１に記憶しておく。更に、第２の３次元モデル記憶手段１２に、設計情報に基づく既知の３次元モデルデータ、あるいは第１の３次元モデル作成手段２０を流用して作成された第２の３次元モデルデータを記憶しておく。３次元モデルデータが無い場合には、表示がスキップされる。姿勢位置検出マーカーが複数ある場合には、複数のモデルデータが記憶、表示される。第１の３次元モデルデータの代わりに、ＣＴスキャナを含む医療用Ｘ線撮影装置（またはＭＲＩ）による３次元モデルデータを使用したものは従来の医療用ナビゲーションシステムに相当するが、この表示画像に第１の３次元モデルデータを重ねて表示しても良い。
【００４７】
まず、第１の姿勢情報検出手段３１により、上記第１の対象物の現在姿勢情報が検出される（Ｓ１１）。第２の姿勢位置情報検出手段３２により、上記第２の対象物の現在姿勢情報と現在位置情報が検出される（Ｓ１２）。
【００４８】
３次元モデル構築手段３３により現在状態３次元モデルが構築される（Ｓ１３）。画像の方位として、３次元モデルの全方位における所望方向が取得される（Ｓ１４）。上記方向からの画像の画像データが作成される（Ｓ１５）。
【００４９】
画像データを用いて画像を表示手段３７に表示する（Ｓ１６）。動作終了かを検出し（Ｓ１７）、ＮＯとなると、ステップＳ１１へ進んで動作を繰り返す。これによって、第２の対象物であるスクリュー等を動かす度にスクリュー等の位置と姿勢が変わった映像が得られ、更に、所望方向からの画像を得るため所望方向を変えることにより、希望する方向から見た如くの画像が得られ適切な手術を行うことが可能である。また、ステップＳ１７においてＹＥＳとなると、エンドとなる。
【符号の説明】
【００５０】
１１  第１の３次元モデル記憶手段
１２  第２の３次元モデル記憶手段
２０  第１のモデル情報作成手段
２１  超音波プローブ
２２  姿勢位置検出マーカー
２３  情報処理部
３１  第１の姿勢位置情報検出手段
３２  第２の姿勢位置情報検出手段
３３  ３次元モデル構築手段
３５  コマンド操作入力手段
３６  画像データ作成手段
３７  表示手段
３８  表示制御手段
【図１】
2020005727.tif 000003
【図２】
2020005727.tif 000004
【図３】
2020005727.tif 000005
【図４】
2020005727.tif 000006
【図５】
2020005727.tif 000007
【図６】
2020005727.tif 000008
【図７】
2020005727.tif 000009
【図８】
2020005727.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月23日(2019.7.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質中の内部に存在する固体物である第１の対象物における表面形状の情報を所定の空間座標に配置した第１の３次元モデルデータを記憶した第１の３次元モデル記憶手段と、
第２の対象物の外形情報である第２の３次元モデルデータを記憶した第２の３次元モデル記憶手段と、
前記第１の対象物の現在姿勢情報と基準となる空間座標における前記第１の対象物の現在位置情報を検出する第１の姿勢位置情報検出手段と、
前記第２の対象物の現在姿勢情報と前記第１の３次元モデルと同一の空間座標における前記第２の対象物の現在位置情報を検出する第２の姿勢位置情報検出手段と、
前記第１の対象物を覆う物質の外部表面から内部へ向けて超音波を射出し、内部に存在する固体物である第１の対象物からのエコーを検出する超音波プローブを有し、前記超音波プローブには、前記超音波プローブの位置情報及び姿勢情報を検出する姿勢位置検出マーカーが装着され、前記第１の対象物を覆う物質の外部表面を連続的に走査することにより、前記超音波プローブの姿勢位置情報及び前記検出されたエコーに基づき前記表面形状の情報である第１の３次元モデルを作成する第１の３次元モデル作成手段と、
前記第１の対象物の現在姿勢位置情報と、前記第２の対象物の現在姿勢位置情報に基づき前記第１の対象物と前記第２の対象物のそれぞれの現在姿勢位置関係を求め、前記第１の３次元モデルと前記第２の３次元モデルを用いて現在状態３次元モデルを構築する３次元モデル構築手段と、
前記現在状態３次元モデルにおける全方位における所望方向からの画像を要求する画像要求コマンドに応じて、前記現在状態３次元モデルに基づき、前記要求に係る画像の画像データを作成する画像データ作成手段と、
画像データに基づき画像を表示する表示手段と、
前記画像データ作成手段により作成された画像データに基づく画像を前記表示手段に表示する表示制御手段と
を具備することを特徴とする表示システム。
【請求項２】
第１の対象物は人および動物の骨であることを特徴とする請求項１に記載の表示システム。
【請求項３】
前記超音波プローブと、前記姿勢位置検出マーカーが一体構造であるか、あるいは前記超音波プローブは、前記姿勢位置検出マーカーを着脱可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の表示システム。
【請求項４】
前記第１の３次元モデル作成手段は、ＣＴスキャナを含む医療用Ｘ線画像データまたはＭＲＩ画像データを含む体内画像診断装置のデータに基づき第１の３次元モデルを補完または補正することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の表示システム。
【請求項５】
第２の対象物は、スクリューやプレート、髄内釘、創外固定ピン、鋼線、ケージを含む体内留置用機器ならびに、粘膜剥離子、パンチ、ノミ、ドリル、骨手術器械用バー、リーマー、タップ、サウンダー、リダクションツールを含む体内に侵入する手術器具、および生検針や穿刺針を含む医療処置用器具あるいは体内留置用機器を固定した骨であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の表示システム。
【請求項６】
前記第２の３次元モデルデータ記憶手段には、固体物の設計情報に基づく既知の３次元モデルデータであるか、あるいは測位マーカーを固定した第２の対象物に液体中で超音波を射出し、固体物である第２の対象物からのエコーを検出して表面形状の情報である第２の対象物の３次元モデルデータが記憶されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の表示システム。
【請求項７】
前記３次元モデルの全方位における所望方向からの画像要求を入力するための操作入力手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の表示システム。
【請求項８】
第１の対象物は、１つ以上であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の表示システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
本発明に係る表示装置は、物質中の内部に存在する固体物である第１の対象物における表面形状の情報を所定の空間座標に配置した第１の３次元モデルデータを記憶した第１の３次元モデル記憶手段と、第２の対象物の外形情報である第２の３次元モデルデータを記憶した第２の３次元モデル記憶手段と、前記第１の対象物の現在姿勢情報と基準となる空間座標における前記第１の対象物の現在位置情報を検出する第１の姿勢位置情報検出手段と、前記第２の対象物の現在姿勢情報と前記第１の３次元モデルと同一の空間座標における前記第２の対象物の現在位置情報を検出する第２の姿勢位置情報検出手段と、前記第１の対象物を覆う物質の外部表面から内部へ向けて超音波を射出し、内部に存在する固体物である第１の対象物からのエコーを検出する超音波プローブを有し、前記超音波プローブには、前記超音波プローブの位置情報及び姿勢情報を検出する姿勢位置検出マーカーが装着され、前記第１の対象物を覆う物質の外部表面を連続的に走査することにより、前記超音波プローブの姿勢位置情報及び前記検出されたエコーに基づき前記表面形状の情報である第１の３次元モデルを作成する第１の３次元モデル作成手段と、前記第１の対象物の現在姿勢位置情報と、前記第２の対象物の現在姿勢位置情報に基づき前記第１の対象物と前記第２の対象物のそれぞれの現在姿勢位置関係を求め、前記第１の３次元モデルと前記第２の３次元モデルを用いて現在状態３次元モデルを構築する３次元モデル構築手段と、前記現在状態３次元モデルにおける全方位における所望方向からの画像を要求する画像要求コマンドに応じて、前記現在状態３次元モデルに基づき、前記要求に係る画像の画像データを作成する画像データ作成手段と、画像データに基づき画像を表示する表示手段と、前記画像データ作成手段により作成された画像データに基づく画像を前記表示手段に表示する表示制御手段とを具備することを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
本発明に係る表示装置では、第１の対象物は人および動物の骨であることを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
本発明に係る表示装置では、前記超音波プローブと、前記姿勢位置検出マーカーが一体構造であるか、あるいは前記超音波プローブは、前記姿勢位置検出マーカーを着脱可能であることを特徴とする。