(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体を撮像する撮像手段に設けられた発光器と被検体と所定の位置関係を保つ発光器とを、この発光器により発光された光のみを通すフィルタを備えた位置計測カメラを用いて撮像し、これにより得られた画像情報を基に前記撮像手段と被検体の位置関係を求める位置計測装置において、前記発光器における発光をそれぞれ独自にＯＮ／ＯＦＦさせる発光制御手段と、前記位置計測カメラのフィルタを通過する波長の光を発光して照明するＯＮ／ＯＦＦし得る照明用光源と、この照明用光源による照明をＯＮ／ＯＦＦさせることに加え前記発光器も独立にＯＮ／ＯＦＦさせつつ、前記位置計測カメラにより得られた画像情報を表示する表示手段と、を有することを特徴とする位置計測装置。
【請求項２】
前記発光器は、その発光部に球状の光散乱体を設けたことを特徴とする請求項１記載の位置計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、術野の映像を捉える撮像手段と被検体との位置関係を計測する位置計測装置と、前記撮像手段と被検体との位置関係を計測するために使用される位置計測用発光器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、手術中に術野を顕微鏡カメラ等の主画像カメラを用いて撮像することにより、術野を画像として得る手術用画像システムが開発されている。この手術用画像システムでは、得られた画像がどういう状態で撮像されたのかを知るために、前記主画像カメラと被検体との位置関係を常時正確に測定する必要がある。前記主画像カメラと被検体との位置関係は、位置計測装置を用いて測定されている。
【０００３】
このような位置計測装置を図１３に示す。図１３に示すように位置計測装置では、被検体の頭部を固定する円環状の手術フレーム１１０の上部側に発光器１２０を複数設ける、もしくは、術野と一定の位置関係を保っている座標基準器１３０に発光器１２０を複数設け、さらに、主画像カメラ１４０の側面に発光器１２０を複数設ける。そしてこれら発光器１２０を位置計測カメラ１５０を用いて撮像し、この位置計測カメラ１５０により得られた発光器１２０の像の位置から演算処理部１７０により発光器１２０の３次元的位置を推算し、これに基づいて主画像カメラ１４０と被検体との３次元的な位置関係を計測する。そして、その結果を表示部１８０に表示する。
【０００４】
この位置計測装置においては、発光器１２０を、障害物により遮蔽されること無く位置計測カメラ１５０によって捉えるようにするため、位置計測カメラ１５０、被検体、その他の物や人の配置に充分注意する必要がある。
【０００５】
さらに、位置計測カメラ１５０の視野内に鏡面、例えば、クロムメッキされたものがあると、この鏡面が発光器１２０の光を反射し、位置計測カメラがこの反射光を発光器１２０であると誤認識する可能性がある。このような反射光は、明らかな鏡面のみならず、例えば透明なプラスチックフィルム等によっても発光器１２０による反射が生じ得る。
【０００６】
位置計測装置においては、位置計測カメラ１５０が容易に発光器１２０を識別できるようにするために、従来より例えば、発光器１２０として不可視光（通常、赤外線）源を用い、この不可視光の波長を選択的に通すフィルタを位置計測カメラ１５０に取付け、発光器１２０の発した光以外は撮像しないようにしている。
【０００７】
また従来、発光器１２０としては、図１４に示すように、赤外線を発光する赤外線ＬＥＤ２００が用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来、発光器からの光は不可視光であるので、目視で確認することができない。このため、発光器が遮蔽されたか否か、さらに、発光器が遮蔽された場合の原因を目視で確認することが困難であるという問題がある。
【０００９】
また、従来、発光器として赤外線ＬＥＤを用いているので、赤外線ＬＥＤを観察する方向、例えば、図１４に示すように観察方向ｅ1 と観察方向ｅ2 とでは、赤外線ＬＥＤ２００の見掛け上の中心位置が異なり、計測される位置精度が悪くなるという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、位置計測カメラから見て発光器が遮蔽されているか否かを目視で確認することができる位置計測装置を提供することを第１の目的とし、また、位置計測の精度を向上させることができる位置計測用発光器を提供することを第２の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するため請求項１記載の発明は、被検体を撮像する撮像手段に設けられた発光器と被検体と所定の位置関係を保つ発光器とを、この発光器により発光された光のみを通すフィルタを備えた位置計測カメラを用いて撮像し、これにより得られた画像情報を基に前記撮像手段と被検体の位置関係を求める位置計測装置において、前記発光器における発光をそれぞれ独自にＯＮ／ＯＦＦさせる発光制御手段と、前記位置計測カメラのフィルタを通過する波長の光を発光して照明するＯＮ／ＯＦＦし得る照明用光源と、この照明用光源による照明をＯＮ／ＯＦＦさせることに加え前記発光器も独立にＯＮ／ＯＦＦさせつつ、前記位置計測カメラにより得られた画像情報を表示する表示手段と、を有することを要旨とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明に係る位置計測装置の第１実施形態を示した図である。尚、図中、図１３で示したものと同一のものは同一の記号を付して詳細な説明を省略した。
【００２０】
図１に示すように、第１実施形態の位置計測装置は、被検体Ｐを固定するために被検体Ｐに取付けられた手術フレーム１１０に設けられた発光器１２０と、位置計測時の基準座標となる座標基準器１３０に設けられた発光器１２０と、被検体を撮像するための主画像カメラ１４０に設けられた発光器１２０とを撮像する位置計測カメラ１５０と、この位置計測カメラ１５０により得られた画像情報を基に主画像カメラ１４０と被検体Ｐとの位置関係を計測する演算処理部１７０と、演算処理部１７０により計測された主画像カメラ１４０と被検体Ｐとの位置関係を表示する表示部１８０とを有する。
【００２１】
特に、第１実施形態の位置計測装置では、位置計測カメラ１５０に設けられたフィルタを通過する波長の光を発光して前記発光器を照明する照明用光源１０を設け、この照明用光源１０から発光させた状態で位置計測カメラ１５０により発光器１２０を撮像させ、表示部１８０のモニタ上にそれにより得られた画像情報を表示させる。
【００２２】
これにより、発光器１２０を表示部１８０のモニタ上で目視により容易に確認することができる。このため、位置計測カメラ１５０から発光器１２０が確認できない原因、発光器１２０以外から光、例えば反射光が生じている原因等を表示部１８０のモニタ上で目視により確認することができる。
【００２３】
このように、本実施形態の位置計測装置では、位置計測カメラ１４０のフィルタを通過する波長の光を発光する照明用光源１０を設けているので、この照明用光源１０から発光させた状態で、位置計測カメラ１４０を用いて発光器１２０を撮像することにより、位置計測カメラ１５０から発光器１２０が確認できない原因、発光器１２０以外から光が生じている原因等を表示部１８０のモニタ上で目視により確認することができる。
【００２４】
図２は、本発明に係る位置計測装置の第２実施形態を示した図である。尚、図中、図１で示したものと同一のものは同一の記号を付して詳細な説明を省略した。
【００２５】
図２に示すように、第２実施形態の位置計測装置は、図１に示した第１実施形態の位置計測装置に加えて、各発光器１２０の発光のＯＮ／ＯＦＦを指示するスイッチを備えた発光器セレクタ２１と、発光器セレクタ２１の前記スイッチのＯＮ／ＯＦＦに対応させて発光器１２０の発光をＯＮ／ＯＦＦさせる発光器コントローラ２３と、発光器セレクタ２１のスイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態を基に、現在発光されている発光器１２０の識別番号を表示部１８０のモニタ上に表示させる情報生成部２５とを設けたものである。このため、第２実施形態の位置計測装置では、各発光器１２０の発光を独立にＯＮ／ＯＦＦさせることができる。
【００２６】
このように、第２実施形態の位置計測装置では、照明用光源１０をＯＮ／ＯＦＦさせることに加えて、発光器１２０も独立にＯＮ／ＯＦＦさせることができ、このため、位置計測カメラ１５０から発光器１２０が確認できない原因、発光器１２０以外から光が生じている原因等の確認がさらに容易となる。
【００２７】
図３は、本発明に係る位置計測用発光器の第１実施形態である発光器を示した図である。図３に示すように、第１実施形態の発光器は、光ファイバ３０から成り、被検体、手術フレーム、座標基準器等に取付けられる。
【００２８】
この光ファイバ３０は、図４に示すように一方の端部がレーザ、ＬＥＤ等の発光体３１と接続され、この発光体３１による光が他方の端部から発光される。なお、発光体３１は、電源３３と電気的に接続されており、この電源３３をＯＮ／ＯＦＦすることにより、発光のＯＮ／ＯＦＦが制御される。
【００２９】
このように、第１実施形態の発光器は、光ファイバ３０から成るので、撮像する角度によって発光器３０の位置に誤差が生じるのを防止でき、このため、位置計測の精度を向上させることができる。
【００３０】
図５は、本発明に係る位置計測用発光器の第２実施形態である発光器を示した図である。図３に示すように、第２実施形態の発光器は、図３に示した光ファイバ３０の先端に球状の光散乱体３５を融着したものである。
【００３１】
光散乱体３５は、例えば、白濁させたガラス球や、ガラス球の表面をスリガラス状にしたものである。なお、光散乱体３５は、直径１〜２（mm）程度であることが望ましい。
【００３２】
この光散乱体３５を光ファイバ３０の先端に設けることで、光が３６０度に近い状態で散乱する。このため、光散乱体３５を被検体、手術フレーム、座標基準器等から露出させるようにすれば、いずれの方向からも光散乱体３５から発光する光を確認することができる。
【００３３】
このように、第２実施形態の発光器は、光ファイバ３０の先端に光散乱体３５を融着させているので光が３６０度に近い状態で散乱し、いずれの方向からも光散乱体３５から発光する光を確認することができ、このため、位置計測の精度を向上させることができる。
【００３４】
図６は、本発明に係る位置計測用発光器の第３実施形態である光反射体４０と、光反射体４０に光を照射する光源５０と、光反射体４０による反射光を撮像する位置計測カメラ１５０を示した図である。
【００３５】
光反射体４０は、鏡面体から成り、図６に示すように、光源５０からの光を受けて位置計測カメラ１５０に光を反射させるようにその屈折率が調整されている。
【００３６】
このとき、光反射体４０の数と、光源５０の数を合わせて光反射体４０毎に専用の光源５０から光を照射、もしくは１つの光源５０の向きを変えて光反射体４０毎に光を照射するようにした場合、いずれの光反射体４０からの反射光であるかは判別できる。しかし、１つの光源５０で全ての光反射体４０に光を照射する場合、１度に全ての光反射体４０が反射光を発するため、位置計測カメラ１５０により捉えた画像情報中で、いずれの反射光がいずれの光反射体４０によるものなのかを判別するための画像処理が必要となる。以下にこの画像処理の一例を記す。
【００３７】
位置計測カメラ１５０は、常時、図７に示すように光反射体４０からの反射光である小球４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを撮像している。実際には、例えば、１秒間に数回の撮像を行って画像情報を次々と出力し続けている。この状態で、位置計測カメラ１５０が図７中矢印で示す位置に移動し、かつ、小球４０ｂ，４０ｄが図７中矢印で示す位置に移動したとする。
【００３８】
位置計測カメラ１５０移動前の画像情報上で、いずれの小球４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄがいずれの光反射体４０によるものかが分かっており、さらに、位置計測カメラ１５０自体の位置が分かっているものとする。
【００３９】
ここで、位置計測カメラ１５０移動後の位置がおよそ分かっているとすると、位置計測カメラ１５０移動後に得られた画像情報上で各小球４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを各光反射体４０に対応させるには、まず、位置計測カメラ１５０移動後の位置で位置計測カメラ１５０により、移動前の小球４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを撮像した場合の画像情報をシミュレーションする。具体的には、各小球４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの位置と位置計測カメラ１５０の位置は分かっているので、位置計測カメラ１５０のスクリーン上のいずれの位置に各小球４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの中心点が写るかを計算する。そして、図８に示すように、各小球４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの中心点ａ，ｂ，ｃ，ｄが写ると予想される領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを前記スクリーン上で指示する。
【００４０】
具体的には、図９に示すように、演算処理部１７０に接続され、表示部１８０のモニタに表示されたカーソルにより座標を入力するポインティングデバイス６０を用い、領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを指示する。もしくは、各小球４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを図１０に示すような遮蔽板７０を用いて遮蔽し、消えた小球がその小球に対応する光反射体４０によるものであることを演算処理部１７０に認識させるようにする。
【００４１】
そして、位置計測カメラ１５０移動後に実際に位置計測カメラ１５０により撮像された画像情報と、前記シミュレーションした画像情報を図１１に示すように重ね合わせる。
【００４２】
そして、各小球の中心点ａ，ｂ，ｃ，ｄがいずれの領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに位置しているかを判別することにより、各小球４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄがいずれの光反射体４０によるものであるかが判別できる。
【００４３】
このとき、図１１（ｂ）に示すように小球の中心点ｂが対応する領域Ｂから外れている場合や、図１１（ｃ）に示すように小球の中心点ｃが２つの領域Ｂ，Ｃ両方に入っている場合も生じ得るが、この場合は、これらの小球は測定できなかったものと見なし、他の小球を基に主画像カメラ１４０と被検体Ｐとの位置関係を計測する。もしくは、推測できる全ての場合を演算し、これらの内、一番妥当（一番誤差が小さい）と考えられる光反射体４０によるものと判別する。
【００４４】
こうして、各小球４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄがいずれの光反射体４０によるものであるかを判別する。
【００４５】
また、図１２に示すように、光反射体４０をいくつか設けた複数種類のプレート４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄを作製し、これらのプレート４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄを被検体、手術フレーム、座標基準器等に取付ける。そして、これらのプレート４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄに設けられた光反射体４０の反射光を位置計測カメラ１５０により撮像し、これにより得られた画像情報をモニタ上に表示させ、近接した反射光の配列パターンからいずれの光反射体４０からの反射光であるかを識別するようにしても良い。
【００４６】
このように、第３実施形態では、位置計測用発光器として光反射体４０を用いているので、この光反射体４０に光を照射させて位置計測カメラ１５０に反射させるように構成することにより、位置計測の精度を向上させることができる。
【００４７】
尚、位置計測カメラ１５０の精度が悪い場合は、発光器を撮像する際、焦点を意識的にぼかすようにする。そして、これにより得られた画像情報の光の領域の重心点を、発光器の位置とするように演算すれば、位置計測カメラ１５０の精度が悪い場合でも発光器の位置を正確に計測することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明は、位置計測カメラのフィルタを通過する波長の光を発光する照明用光源により、発光器を照明した状態で位置計測カメラにより得られた画像情報を表示手段により表示するようにしているので、位置計測カメラから見て発光器が遮蔽されているか否かを目視で確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る位置計測装置の第１実施形態を示した図である。
【図２】本発明に係る位置計測装置の第２実施形態を示した図である。
【図３】本発明に係る位置計測用発光器の第１実施形態である発光器を示した図である。
【図４】図３に示した光ファイバから光を発光させるための発光体と電源を示した図である。
【図５】本発明に係る位置計測用発光器の第２実施形態である発光器を示した図である。
【図６】本発明に係る位置計測用発光器の第３実施形態である光反射体と、この光反射体に光を照射する光源と、光反射体による反射光を撮像する位置計測カメラを示した図である。
【図７】図６に示した光反射体を位置計測カメラで撮像している際に光反射体と位置計測カメラが移動した状態を概略的に示す図である。
【図８】光反射体による各小球４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの中心点ａ，ｂ，ｃ，ｄが写ると予想される領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを示した図である。
【図９】図８に示した領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを指示する一例を説明するための図である。
【図１０】図８に示した領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを指示する他の例を説明するための図である。
【図１１】位置計測カメラ移動後に実際に位置計測カメラにより撮像された画像情報と、シミュレーションした画像情報を重ね合わせた状態を示した図である。
【図１２】反射光がいずれの光反射体からのものであるかを識別する他の例を示した図である。
【図１３】従来の位置計測装置を示した図である。
【図１４】従来の発光器（赤外線ＬＥＤ）を示した図である。
【符号の説明】
１０  照明用光源
２１  発光器セレクタ
２３  発光器コントローラ
２５  情報生成部
３０  光ファイバ
３１  発光体
３３  電源
３５  光散乱体
４０  光反射体
５０  光源
６０  ポインティングデバイス
１１０  手術フレーム
１２０  発光器
１３０  座標基準器
１４０  主画像カメラ
１５０  位置計測カメラ
１７０  演算処理部
１８０  表示部
【図１】
0003688781.tif 000002
【図２】
0003688781.tif 000003
【図３】
0003688781.tif 000004
【図４】
0003688781.tif 000005
【図５】
0003688781.tif 000006
【図６】
0003688781.tif 000007
【図７】
0003688781.tif 000008
【図８】
0003688781.tif 000009
【図９】
0003688781.tif 000010
【図１０】
0003688781.tif 000011
【図１１】
0003688781.tif 000012
【図１２】
0003688781.tif 000013
【図１３】
0003688781.tif 000014
【図１４】
0003688781.tif 000015