(57)【要約】【課題】医用画像から手術状況に即したシミュレーションモデルを生成する。【解決手段】医用画像から幾何情報を取得し、必要な臓器のボリュームデータを構築する。ボリュームデータを操作し、操作者が指定する指定臓器の位置・姿勢を手術に即した位置・姿勢に生成する。指定臓器の位置・姿勢に合わせて指定臓器につながる血管モデルを生成する。血管モデルをつなげた状態においてボリュームデータに含まれる所定の臓器の周りに所定の厚さの脂肪モデルを付与してボリュームデータを生成する。その後、生成されたボリュームデータの臓器をメッシングする。テンプレートを用いて所定の形状のテンプレートモデルを操作し生成された血管モデルの周りに配置する。配置されたテンプレートモデルに基づいて線分モデルを生成する。【選択図】  図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
医用画像から幾何情報を取得し、必要な臓器のボリュームデータを構築する第１の過程と、
前記ボリュームデータを操作し、操作者が指定する指定臓器の位置・姿勢を手術に即した位置・姿勢に生成する第２の過程と、
前記指定臓器の第２の過程による位置・姿勢に合わせて前記指定臓器につながる血管モデルを生成する第３の過程と、
前記第３の過程による血管モデルをつなげた状態において第１の過程で構築されたボリュームデータに含まれる所定の臓器の周りに所定の厚さの脂肪モデルを付与してボリュームデータを生成する第４の過程と、
第４の過程の後、生成されたボリュームデータの臓器をメッシングする第５の過程とからなることを特徴とする術前シミュレーションのためのモデル生成方法。
【請求項２】
医用画像から幾何情報を取得し、必要な臓器のボリュームデータを構築する第１の過程と、
前記ボリュームデータを操作し、操作者が指定する指定臓器の位置・姿勢を手術に即した位置・姿勢に生成する第２の過程と、
前記指定臓器の第２の過程による位置・姿勢に合わせて前記指定臓器につながる血管モデルを生成する第３の過程と、
前記第３の過程による血管モデルをつなげた状態において第１の過程で構築されたボリュームデータに含まれる所定の臓器の周りに所定の厚さの脂肪モデルを付与してボリュームデータを生成する第４の過程と、
第４の過程の後、生成されたボリュームデータの臓器をメッシングする第５の過程と、
テンプレートを用いて所定の形状のテンプレートモデルを操作し生成された血管モデルの周りに配置する第６の過程と、
前記配置されたテンプレートモデルに基づいて線分モデルを生成する第７の過程とからなることを特徴とする術前シミュレーションのためのモデル生成方法。
【請求項３】
医用画像から幾何情報を取得し、必要な臓器のボリュームデータを構築する第１の過程と、
前記ボリュームデータを操作し、操作者が指定する指定臓器の位置・姿勢を手術に即した位置・姿勢に生成する第２の過程と、
前記指定臓器の第２の過程による位置・姿勢に合わせて前記指定臓器につながる血管モデルを生成する第３の過程と、
前記第３の過程による血管モデルをつなげた状態において第１の過程で構築されたボリュームデータに含まれる所定の臓器の周りに所定の厚さの脂肪モデルを付与してボリュームデータを生成する第４の過程と、
第４の過程の後、生成されたボリュームデータの臓器をメッシングする第５の過程と、
テンプレートを用いて所定の形状のテンプレートモデルを操作し生成された所定臓器モデルの周りに配置する第６の過程と、
前記配置されたテンプレートモデルに基づいて縦方向の線分モデルと前記線分モデルを横方向に接続した情報を持つ膜モデルを生成する第７の過程とからなることを特徴とする術前シミュレーションのためのモデル生成方法。
【請求項４】
血管モデルが、
もともと接続していた箇所を幾何学的に延長して接続して生成したもの、
又は、
バネモデルに変換し、シミュレーションすることにより生成したもの、
又は、
有限要素でモデル化し、有限要素法による変形シミュレーションすることにより生成したもの、
のいずれかであることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３のいずれかに記載の術前シミュレーションのためのモデル生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手術前にシミュレーションを行うに際し、手術対象の患者のＣＴやＭＲＩ等の医療用画像を用いて、シミュレーションのためのモデル生成をする方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
医療技術と医療機器の進歩により、腹部手術の多くが腹腔鏡下に行われるようになってきた。腹腔鏡下手術は、３次元のものを２次元のモニターを見ながら操作するので、その習得にはトレーニングが不可欠である。実際の腹腔鏡手術では患者毎に血管の本数や走行、臓器の位置関係、例えば腫瘍の位置や大きさが異なり、それぞれに対応した手術が要求される。
術前のシミュレーションを可能とするため、個々の患者の情報をもとにシミュレータが考えられる。
個々の患者の情報を取り入れるためには、ＣＴやＭＲＩ等の医用画像データを用いるのが一般的であるが、幾何情報だけで、物理・力学的条件は取得できない。そのため、腹腔鏡下手術においては、ＣＴ撮影時と実際の手術における姿勢は異なり、位置関係が同一とならない。またリンパ管、膜等はＣＴ等に映らないため認識できず、モデル化できない等の問題があり、それらを持たないモデルは術前シミュレーションとして不完全である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明が解決しようとする課題は、医用画像から手術状況に即したシミュレーションモデルを生成する手法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に係る術前シミュレーションのためのモデル生成方法は、医用画像から幾何情報を取得し、必要な臓器のボリュームデータを構築する第１の過程と、前記ボリュームデータを操作し、操作者が指定する指定臓器の位置・姿勢を手術に即した位置・姿勢に生成する第２の過程と、前記指定臓器の第２の過程による位置・姿勢に合わせて前記指定臓器につながる血管モデルを生成する第３の過程と、前記第３の過程による血管モデルをつなげた状態において第１の過程で構築されたボリュームデータに含まれる所定の臓器の周りに所定の厚さの脂肪モデルを付与してボリュームデータを生成する第４の過程と、第４の過程の後、生成されたボリュームデータの臓器をメッシングする第５の過程とからなることを特徴とするものである。
【０００５】
請求項２に係る術前シミュレーションのためのモデル生成方法は、医用画像から幾何情報を取得し、必要な臓器のボリュームデータを構築する第１の過程と、前記ボリュームデータを操作し、操作者が指定する指定臓器の位置・姿勢を手術に即した位置・姿勢に生成する第２の過程と、前記指定臓器の第２の過程による位置・姿勢に合わせて前記指定臓器につながる血管モデルを生成する第３の過程と、前記第３の過程による血管モデルをつなげた状態において第１の過程で構築されたボリュームデータに含まれる所定の臓器の周りに所定の厚さの脂肪モデルを付与してボリュームデータを生成する第４の過程と、第４の過程の後、生成されたボリュームデータの臓器をメッシングする第５の過程と、テンプレートを用いて所定の形状のテンプレートモデルを操作し生成された血管モデルの周りに配置する第６の過程と、前記配置されたテンプレートモデルに基づいて線分モデルを生成する第７の過程とからなることを特徴とするものである。
【０００６】
請求項３に係る術前シミュレーションのためのモデル生成方法は、医用画像から幾何情報を取得し、必要な臓器のボリュームデータを構築する第１の過程と、前記ボリュームデータを操作し、操作者が指定する指定臓器の位置・姿勢を手術に即した位置・姿勢に生成する第２の過程と、前記指定臓器の第２の過程による位置・姿勢に合わせて前記指定臓器につながる血管モデルを生成する第３の過程と、前記第３の過程による血管モデルをつなげた状態において第１の過程で構築されたボリュームデータに含まれる所定の臓器の周りに所定の厚さの脂肪モデルを付与してボリュームデータを生成する第４の過程と、第４の過程の後、生成されたボリュームデータの臓器をメッシングする第５の過程と、テンプレートを用いて所定の形状のテンプレートモデルを操作し生成された所定臓器モデルの周りに配置する第６の過程と、前記配置されたテンプレートモデルに基づいて縦方向の線分モデルと前記線分モデルを横方向に接続した情報を持つ膜モデルを生成する第７の過程とからなることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項４に係る術前シミュレーションのためのモデル生成方法は、請求項１又は請求項２又は請求項３のものにおいて、血管モデルが、もともと接続していた箇所を幾何学的に延長して接続して生成したもの、又は、バネモデルに変換し、シミュレーションすることにより生成したもの、又は、有限要素でモデル化し、有限要素法による変形シミュレーションすることにより生成したもの、のいずれかであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に係る術前シミュレーションのためのモデル生成方法によると、指定臓器を手術に即した位置・姿勢に生成し、指定臓器を前記位置・姿勢状態で当該指定臓器に繋がる血管モデルを変形した状態に生成するから、シミュレーションにおいて実際の手術に近い状態を再現することができ、さらに臓器の周りの脂肪モデルを付与するからより実際の臓器モデルを再現することができる。
【０００９】
請求項２に係る術前シミュレーションのためのモデル生成方法によると、請求項１のものに加えて、ＣＴ，ＭＲＩ等の医用画像では映らないリンパ管をテンプレートモデルに基づいて生成することができ、シミュレーション時に実際の手術により近い状態を再現でき、手術のより効率的な訓練が期待できる。
【００１０】
請求項３に係る術前シミュレーションのためのモデル生成方法によると、請求項１のものに加えて、ＣＴ，ＭＲＩ等の医用画像では映らない膜をテンプレートモデルに基づいて生成することができ、シミュレーション時に実際の手術により近い状態を再現でき、手術のより効率的な訓練が期待できる。
【００１１】
請求項４に係る術前シミュレーションのためのモデル生成方法によると、請求項１又は請求項２又は請求項３のものにおいては以下のようにすることができる。血管モデルをもともと接続していた箇所を幾何学的に延長して接続して生成する場合は血管モデルを簡易的に生成することができる。血管モデルをバネモデルに変換して生成する場合は、シミュレーション時に延長した長さに応じて血管径を細くさせることができる。有限要素でモデル化し、シミュレーション時に有限要素法による変形シミュレーションを行うことができる。
【実施例１】
【００１２】
全手術に共通となる技術基盤を構築することを考え、できるだけ単純な手術手技を対象とした。内視鏡下手術の中で、腎臓全摘出（腎摘）手術を対象とした。この腎摘手術には、腹膜到達法と後腹膜到達法の２つのアプローチ法がある。シミュレーションに必要となる、患者の解剖学的要素（腎臓、尿管、腎動静脈、大動静脈及び周囲の血管系、腎の隣接臓器）の数を検討し、モデル化する臓器の数が少なくてすむ後腹膜到達法を対象とした。
後腹膜到達法の手順は次の３ステップに分けられる。
１．体表から術部へ到達し、腎臓を押し上げ、手術空間を確保する。
２．血管を露出、クリップ、切断する。
３．腎臓を摘出する。
このうち、手術の一番の焦点は、２．の手順において、血管を傷つけずに処置することである。そこで、今回は血管の露出する手技を対象とした。そのために、腎臓を持ち上げた挙上状態にすること、医療用画像例えばＣＴに映っていないリンパ管のモデルを構築すること、の２つを説明する。
【００１３】
図１は本発明方法を説明するフロー図である。図２は本発明を実施する装置の機能ブロック図である。図３−１、図３−２、図４はシミュレーションモデルの生成状況を説明する図である。
図２において、２０１は医療用画像データ格納部、２０２は画像生成部、２０３はモニタ、２０４は術前シミュレーションデータ記憶部である。
（腎臓拳上モデルの生成）
医療用画像データ格納部２０１は例えば手術対象者の医療用画像の元データが格納されている。医療用画像データは手術対象者の断面を細かくスライスし、臓器を含む生体の部位を撮影し、幾何学的な情報に基づき、生体の各部位（臓器）を２次元的に抽出し、各臓器の定められた連結関係に応じて配置し、さらにこれらスライスされた画像を積層し、３次元ボリュームデータを構成する（図１のＰ１０１）（図３−１（ａ））。３次元ボリュームデータは医療用画像データ格納部２０１の医療用画像の元データとは別の記憶領域に格納される。
【００１４】
操作者は、手術対象者の医療用画像データを医療用画像データ格納部２０１から読み出す。画像生成部２０２は読み出された目的の臓器である腎臓を含む所定範囲の各臓器（腎臓、尿管、腎動静脈、大動静脈及び周囲の血管系、腎の隣接臓器）を抜き出し所定の位置関係でモニタ２０３に表示する（図３−１（ｂ））。操作者はモニタ２０３に表示された臓器の中から目的の腎臓を移動・回転させる（図１のＰ１０２）（図３−１（ｃ））。
ボリュームデータには、臓器毎にＩＤが割り振られており、元のボリュームデータを
ＩＤ＝Ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）、処理後をＩＤ＝Ｇ（ｘ，ｒ，ｚ）とかける。この移動・姿勢変換を行列ＲＩＤで表すと、ＦとＧの関係は、ＲＩＤＦ＝Ｇとなるので、Ｇ＝ＲＩＤ−１ＦとしてＧを求めることができる。
この移動は実際の手術時に手術空間を確保するため腎臓の裏側から手前に動かすものであり、腎臓の移動位置は、基本的には予め与えておいた設定値（医者の経験値により与えられる）により計算されるが、年齢、体重等の個人差を反映するためにＧＵＩによる調整ができるようにした。この移動位置データは、術前データ記憶部２０４に記録される。
次に腎臓の前記移動に合わせて腎血管を生成する（図１のＰ１０３）。ＣＴ画像から得られる状態は、すでに臓器間で負荷が加えられた状態であり、その負荷の力学的条件は、ＣＴ画像からは得られない。そのため、血管変形シミュレーションは、何らかの仮定を導入しないと困難である。実施例では、腎臓に引っ張られ、真っ直ぐに伸びている状態を仮定して、プログラムにより、血管を生成する。ボリュームデータから腎血管と腎臓、腎血管と大血管との接合部をモニタ画面から検出し、それらをつなぐ円柱を新たに形成しモデル化し、モデル化された腎血管と腎臓と大血管とを接合する。このとき、腎血管は大静脈との接触部分により２つの円柱が連結された状態とする（図３−１（ｄ−１））。この腎血管モデルデータは、術前データ記憶部２０４に記録される。
この腎血管の生成は、ｉ）上記のもともと接続していた箇所を幾何学的に延長して接続する方法（図１のＰ１０３ａ）の他に以下の２種類がある。
ｉｉ）血管をバネモデルに変換し、シミュレーションする手法（図１のＰ１０３ｂ）
血管をいくつかの接続した線分で模擬し、バネモデルを使用して伸長のシミュレーションを行う（図３−１（ｄ−２））。体積保存の関係より、延長した長さに反比例させて、血管を細くさせる。このシミュレーションの計算結果は、術前データ記憶部２０４に記録される。
ｉｉｉ）血管を有限要素モデルに変換し、シミュレーションする手法（図１のＰ１０３ｃ）
血管を有限要素でモデル化し、有限要素法による変形シミュレーションを行う（図３−１（ｄ−３））。このシミュレーションの計算結果は、術前データ記憶部２０４に記録される。
次に、ボリュームデータに対し、幾何情報を入力情報とし、解剖学的性質を元に、厚さを決定し、指定した臓器の周りに脂肪モデルを生成させる（図１のＰ１０４）。解剖学的に、脂肪は、臓器・血管周りに付く脂肪と、臓器間にまたがって付く脂肪に分かれる。脂肪を付ける臓器と厚さを指定することで、指定した臓器形状を厚さ分だけ膨張させ、脂肪のデータを付与する（図３−２（ｅ））。こうして生成されたボリュームデータを、プログラムにより、四面体にメッシングして有限要素モデルを生成する（図１のＰ１０５）（図３−２（ｆ））。この脂肪モデルデータは、術前データ記憶部２０４に記録される。
【００１５】
（リンパ管モデルの生成）
実施例の手術においてメイン処理は血管の露出である。処置前は、リンパ管や脂肪等の組織により、血管が隠れているが、これを少しずつ取り除き、血管に対して傷つけずに露出させる訓練シミュレーションを目的とする。しかし、リンパ管は、ＣＴ画像等では映らないので、モデルの基となるデータが存在しない。そこで血管の周りに密集して血管に沿って走行していること、繊維質であること等の一般的な特徴を反映した線分モデルを生成する。
テンプレートを用いて所定の形状のテンプレートモデルを操作し、前記Ｐ１０５で生成されたボリュームデータ（図４（ａ）はその一部を拡大したもの）の血管モデルの周りに配置する（図１のＰ１０６）（図４（ｂ））。テンプレートは例えば楕円柱又は楕円錐の形状を持つ。操作者は、このテンプレートをリンパ管を形成しようとする血管モデルの周りに配置する。この楕円柱又は楕円錐の位置・姿勢・形状はＧＵＩにより設定できる。
血管モデルの周りに配置された楕円柱又は楕円錐に基づいて線分モデルを生成する（図１のＰ１０７）。プログラムにより、線分モデルを血管が走る方向に沿うように楕円柱又は楕円錐の内部から表面を覆うように配置する（図４（ｃ））。リンパ管は繊維質なので、方向を持った線分モデルとする。この線分モデルデータは、術前データ記憶部２０４に記録される。
（膜モデルの生成）
上記線分モデルを横方向に接続した情報を持つと膜モデルとなる。
テンプレートを用いて所定の形状のテンプレートモデルを操作し、前記Ｐ１０５で生成された所定の臓器モデルの周りに配置する（図１のＰ１０６ａ）（図４（ｂ））。テンプレートは例えば臓器の膜に適当な形状を持つ。操作者は、このテンプレートを膜を形成しようとする臓器モデルの周りに配置する。このテンプレートの位置・姿勢・形状はＧＵＩにより設定できる。
当該臓器モデルの周りに配置されたテンプレートに基づいて横方向に接続した情報を持つ線分モデルを生成する（図１のＰ１０７ａ）。プログラムにより、横方向の情報を持つ線分モデルを膜モデルの表面を覆うように配置する。この膜モデルデータは、術前データ記憶部２０４に記録される。
【００１６】
術前シミュレーションに際し、術者はシミュレーションプログラムにより、術前データ記憶部２０４から、上述のように生成したシミュレーションモデルを読み出し、シミュレーションを実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】術前シミュレーションのためのモデル生成方法を説明するフロー図である。
【図２】本発明を実施する装置の機能ブロック図である。
【図３−１】シミュレーションモデルの生成状況を説明する図である。
【図３−２】シミュレーションモデルの生成状況を説明する図である。
【図４】シミュレーションモデルの生成状況を説明する図である。
【符号の説明】
【００１８】
２０１…医療用画像データ格納部、２０２…画像生成部、２０３…モニタ、２０４…術前シミュレーションデータ記憶部。
【図１】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図４】
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