(57)【要約】【課題】精度の良い腹腔内の３次元形状計測をおこなう手術支援システムおよび手術支援システムに用いられるトロカール提供する。【解決手段】手術支援システム１０１は、格納式カメラ１７ａ，１７ｂとマーカ１９ａ，１９ｂを有する鉗子用トロカール１ａ，１ｂと、腹腔鏡用トロカール３と、鉗子４ａ，４ｂと、マーカ１９ｄを有する腹腔鏡５と、格納式カメラ１７ａ，１７ｂから得られた画像と腹腔鏡５から得られた画像を入力し、これらの画像を合成処理し３次元画像を作成する画像処理装置６と、画像処理装置６により作成された３次元画像を出力する３次元モニタ７と、光学センサ９とを備えている。マーカ１９とカメラ１７の位置関係は不変である。光学センサ９によりマーカ１９位置を検出し、画像処理装置６は、カメラ間距離を推定し、奥行きを推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療器具を体内に挿入するためのパイプ部と、該パイプ部の上部に連続して設けられるヘッド部とを有し、該パイプ部を介して腹壁に設けられるトロカールであって、
前記パイプ部の体内に挿入される位置に設けられる開口部と、
前記開口部を通して、パイプ部内に格納される格納位置とパイプ部外に撮影可能に展開される展開位置とに切替可能に配置されるカメラと、
前記ヘッド部に設けられる位置マーカと、
を有することを特徴とするトロカール。
【請求項２】
前記位置マーカは光学マーカである
ことを特徴とする請求項１記載のトロカール。
【請求項３】
カメラと位置マーカとを有する腹腔鏡と、
格納位置と展開位置とに切替可能な格納式カメラと位置マーカとを有する鉗子用トロカールと、
前記腹腔鏡の位置マーカおよび前記鉗子用トロカールの位置マーカの位置を検出する位置検出センサと、
前記位置マーカの位置に基づき前記カメラの位置を推定し、該カメラの位置に基づき前記カメラから得られた画像を合成し、３次元画像を作成する画像処理装置と
を備えることを特徴とする手術支援システム。
【請求項４】
格納位置と展開位置とに切替可能な格納式カメラと位置マーカとを有する、複数の鉗子用トロカールと、
前記鉗子用トロカールの位置マーカの位置を検出する位置センサと、
前記位置マーカの位置に基づき前記カメラの位置を推定し、該カメラの位置に基づき前記カメラから得られた画像を合成し、３次元画像を作成する画像処理装置と、
を備えることを特徴とする手術支援システム。
【請求項５】
手術台の上方に設けられ、前記３次元画像を患者の腹部に投影する３次元プロジェクタ
をさらに備えることを特徴とする請求項３および４記載の手術支援システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トロカールおよびトロカールをもちいた手術支援システムに関し、特に、３次元形状計測に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、患者のQOL（quality of life）維持・向上のために腹腔鏡下手術などの低侵襲外科手術が求められている。腹腔鏡下手術は腹腔内に炭酸ガスを注入して腹壁を膨らませ、手技のための空間と視野を確保する。そして腹壁に小さい孔を設け、トロカールと呼ばれる器具を挿入する．そこから腹腔鏡(CCDカメラ)や外科器具である鉗子を患者の体内に挿入し、腹腔鏡によってモニタに表示される映像を観察しながら手術を行うのが一般的である。
【０００３】
この手術は腹腔鏡から得られる映像のみを頼りに行われる。腹腔内での鉗子位置の把握は術者の経験に依るところが大きい。特に、モニタに表示される映像からは、奥行きに係る画像情報が得られないため、術者が経験と勘を頼りに奥行きを推定せざるを得ない。未熟な術者が、鉗子を挿入し過ぎて、臓器等との誤接触が発生するおそれもある。
【０００４】
このような課題に対し、鉗子に設けられた位置センサに基づいて、鉗子の過度進入を注意喚起する近接覚手術ナビゲーションシステムが提案されている（非特許文献１）。これにより、奥行きに係る画像情報が得られなくとも、鉗子の過度進入による誤接触を防止できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】本多有芽，佐藤生馬，中村亮一，腹腔鏡下手術における近接覚手術ナビゲーションシステムの有効性の評価，第20回日本コンピュータ外科学会大会，横浜，11月22-24日，2011，日本コンピュータ外科学会誌  13(3):280-1，  2011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記ナビゲーションシステムは、術者の負担を軽減するものであるが、３次元形状計測に関するものではない。
【０００７】
腹腔鏡下手術における視野を革新的に改善するためには、腹腔内の奥行きを推定し、３次元形状を計測し、再現(モニタ表示など)する必要がある。
【０００８】
ところで、立体内視鏡が製品化されており、立体内視鏡を用いることにより、腹腔内の３次元形状計測は可能である。立体内視鏡は２つのカメラを有し、２つのカメラと対象ポイントとが形成する三角形に基づいて、奥行きを推定する。しかしながら、立体内視鏡は、カメラ間の距離が非常に狭く、その結果、奥行き推定の精度が良くない。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するものであり、精度の良い腹腔内の３次元形状計測をおこなう手術支援システムおよび手術支援システムに用いられるトロカールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する本発明は、医療器具を体内に挿入するためのパイプ部と、該パイプ部の上部に連続して設けられるヘッド部とを有し、該パイプ部を介して腹壁に設けられるトロカールであって、前記パイプ部の体内に挿入される位置に設けられる開口部と、前記開口部を通して、パイプ部内に格納される格納位置とパイプ部外に撮影可能に展開される展開位置とに切替可能に配置されるカメラと、前記ヘッド部に設けられる位置マーカと、を有する。
【００１１】
更に好ましくは、前記位置マーカは光学マーカである。
【００１２】
３次元形状計測の基本原理として、カメラ間距離の推定精度が向上すれば、奥行き推定精度も向上する。本発明のトロカールには、格納式カメラと位置マーカとが設けられており、トロカールが変動しても両者の位置関係は不変である。したがって、位置マーカを精度よく検出すれば、格納式カメラの位置を精度よく推定でき、その結果、奥行きも精度よく推定できる。
【００１３】
上記課題を解決する本発明に係る手術支援システムは、カメラと位置マーカとを有する腹腔鏡と、格納位置と展開位置とに切替可能な格納式カメラと位置マーカとを有する鉗子用トロカールと、前記腹腔鏡の位置マーカおよび前記鉗子用トロカールの位置マーカの位置を検出する位置検出センサと、前記位置マーカの位置に基づき前記カメラの位置を推定し、該カメラの位置に基づき前記カメラから得られた画像を合成し、３次元画像を作成する画像処理装置とを備える。
【００１４】
一般に、腹腔鏡下手術において、複数の鉗子が用いられる。その結果、腹腔鏡以外にも、複数のカメラが腹腔内に挿入される。これにより、奥行きを精度よく推定でき、腹腔内の３次元形状計測を精度よくおこなうことができる。
【００１５】
一般に、腹腔鏡下手術において、複数の鉗子用のトロカールが腹壁にほぼ均等に配置される。言い換えると、トロカールが密集して配置される可能性はほぼない。これにより、充分広いカメラ間距離を確保でき、奥行きを精度よく推定でき、腹腔内の３次元形状計測を精度よくおこなうことができる。
【００１６】
上記課題を解決する本発明に係る手術支援システムは、格納位置と展開位置とに切替可能な格納式カメラと位置マーカとを有する、複数の鉗子用トロカールと、前記鉗子用トロカールの位置マーカの位置を検出する位置センサと、前記位置マーカの位置に基づき前記カメラの位置を推定し、該カメラの位置に基づき前記カメラから得られた画像を合成し、３次元画像を作成する画像処理装置と、を備える。
【００１７】
これにより、腹腔内の３次元形状計測を精度よくおこなうことができる。更に、腹腔鏡が不要となるため、低侵襲性が向上する。
【００１８】
更に好ましくは、前記手術支援システムは、手術台の上方に設けられ、前記３次元画像を患者の腹部に投影する３次元プロジェクタをさらに備える。
【００１９】
これにより、術者の視線と術野の方向は一致し、開腹手術と同様な現実感を表現できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、精度良く腹腔内の３次元形状計測をおこなうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】手術支援システム＜実施例１＞
【図２】格納式カメラとマーカとを有するトロカール
【図３】トロカール変形例
【図４】３次元形状計測の基本原理
【図５】カメラ位置推定の困難性
【図６】カメラ間距離と奥行き推定精度の関係
【図７】手術支援システム＜実施例２＞
【図８】手術支援システム＜実施例３＞
【発明を実施するための形態】
【００２２】
＜第１実施例＞
〜手術支援システム構成〜
３次元画像を用いる手術支援システム１０１について説明する。図１は、手術支援システム１０１の概略構成である。
【００２３】
手術支援システム１０１は、格納式カメラ１７ａ，１７ｂとマーカ１９ａ，１９ｂを有する鉗子用トロカール１ａ，１ｂ(詳細後述)と、腹腔鏡用トロカール３と、鉗子４ａ，４ｂと、マーカ１９ｄを有する腹腔鏡５と、格納式カメラ１７ａ，１７ｂから得られた画像と腹腔鏡５から得られた画像を入力し、これらの画像を合成処理し３次元画像を作成する画像処理装置６と、画像処理装置６により作成された３次元画像を出力する３次元モニタ７と、光学センサ９とを備えている。
【００２４】
鉗子４ａ，４ｂは、手術器具の一種であり、血管や臓器等を、掴んだり、抑えたり、引っ張ったり、切断したりするのに用いられる。一般的に鋏形状をしており、持手部の回動により、支点を介して先端部が作動する。持手部を閉状態にし、鉗子用トロカール１ａ，１ｂに挿通させる。なお、腹腔鏡下手術において、複数の鉗子を用いることが一般的であるが、本システムにおいて、鉗子および鉗子用トロカールは少なくとも１以上あればよい。
【００２５】
腹腔鏡５は、内視鏡器具の一種であり、カメラと光源を有している。腹腔鏡５は腹腔鏡用トロカール３を挿通して体内に挿入される。マーカ１９ｄは、腹腔鏡５の体内に挿入されない位置に設けられている。
【００２６】
光学センサ９は、マーカ１９ａ，１９ｂ，１９ｄの３次元位置を計測し、計測結果を画像処理装置６に出力する。なお、本実施形態において、光学センサ９はマーカの白と黒を可視光線として認識するものであるが、赤外線を発信し、マーカで反射した赤外線を受信してもよい。光学センサに限定されず、３次元位置を計測できれば磁気センサでもよい。
【００２７】
〜トロカール構成〜
格納式カメラを有するトロカールの構成について説明する。図２は、格納式カメラを有するトロカールの斜視図である。図２（ａ）と図２（ｂ）とは、視点が異なる。
【００２８】
トロカール１は、パイプ部１１とヘッド部１２から構成される。パイプ部１１は、その大部分が腹壁の孔に挿入される。ヘッド部１２はパイプ部１１の上部に連続して設けられる。ヘッド部１２は中空であり、その上部から鉗子が挿入可能になっている。また、詳細は省略するが、ヘッド部１２は鉗子の挿抜時に空気の漏れを防止する密封機構と腹腔内に空気を送り込む送気機構とを備える。
【００２９】
パイプ部１１の確実に体内に挿入される位置に開口部１３が設けられている。パイプ部の軸方向であって、かつ、開口部１３一端部に沿って、シャフト１４が配置される。パイプ部１１内壁には複数の軸受１５が固定されており、軸受１５はシャフト１４を回動可能に固定している。シャフト１４端部はトロカール外に延長している。シャフト１４端部には、切替つまみ１６が設けられている。切替つまみ１６は、格納位置と展開位置に切替可能であり、各位置で固定される。
【００３０】
シャフト１４には開口部１３に対応する位置に、カメラ１７が一体として剛接合されている。カメラ１７にはケーブル１８が接続されており、ケーブル１８はトロカール１内を挿通して、外部の画像処理装置６と接続している。
【００３１】
パイプ部１１を腹壁の孔に挿入する際は、切替つまみ１６を格納位置に固定にし、シャフト１４を介してカメラ１７を格納位置とする。これにより、カメラ１７が障害となることなく、パイプ部１１を腹壁の孔に挿入できる。パイプ部１１挿入後、切替つまみ１６を展開位置に固定にし、シャフト１４を介してカメラ１７を展開位置とする。この状態で撮影をおこない、手術後パイプ部１１を抜き取る際は、切替つまみ１６を再び格納位置に固定にし、シャフト１４を介してカメラ１７を格納位置とする。これにより、カメラ１７が障害となることなく、パイプ部１１を腹壁より抜き取ることができる。
【００３２】
なお、ケーブル１８をシャフト１４に沿って配置するか、シャフト１４を中空にし、シャフト１４内にケーブル１８を配置すれば、鉗子挿入時にケーブル１８を切断する危険性が無くなるため、更に好ましい。
【００３３】
マーカ１９は、ヘッド部１２に設けられる。本実施形態においては、一例として白と黒からなるチェッカーフラッグ模様を示しているが、光学センサ９がマーカとして認識できれば、これに限定されない。
【００３４】
〜トロカール変形例〜
格納式カメラ１７とマーカ１９を有していれば、上記構成に限定されない。図３は、変形例にかかるトロカール２の斜視図である。図３（ａ）は、カメラ１７を展開位置に展開した状態図であり、図３（ｂ）は、カメラ１７を格納位置に格納した状態図である。図２と共通の構成には同じ符号を付している。トロカール２はパイプ部１１とヘッド部１２を有する。パイプ部１１の体内に挿入される位置に開口部１３が設けられる。パイプ部軸方向の開口部一端部に回動可能なヒンジ機構２１が設けられており、ヒンジ機構２１を介してカメラ１７はパイプ部材１１に連結される。ヒンジ機構２１にはねじりバネ２２が設けられており、通常、ねじりバネ２２の弾性力はカメラ１７を展開するように作用する。一方、カメラ１７にはトロカール外まで延長している引張ケーブル２３が連結されており、引張ケーブル２３を引くと、ねじりバネ２２の弾性力に対抗して、カメラ１７が開口部１３に格納される。カメラ１７にはケーブル１８が接続されている。
【００３５】
パイプ部１１を腹壁の孔に挿入する際は、引張ケーブル２３を引きカメラ１７を格納位置とし、パイプ部１１挿入後、引張ケーブル２３の引張を解除し、カメラ１７を展開位置とする。この状態で撮影をおこない、手術後パイプ部１１を抜き取る際は、引張ケーブル２３を引きカメラ１７を再び格納位置とする。
【００３６】
なお、鉗子４の挿入または引き抜く際の引張ケーブル２３を切断する危険性を低減するように、ケーブル２３はガイドにより保護されている。
【００３７】
マーカ１９は、ヘッド部１２に設けられる。なお、図示裏面のチェッカーフラッグ模様を便宜のため点線で表示している。
【００３８】
〜３次元形状計測〜
図４は、３次元形状計測の基本原理について説明する概念図である。２次元形状計測と３次元形状計測との一番の違いは、奥行きの推定である。
【００３９】
２つのカメラと対象ポイントとが形成する三角形において、２つのカメラ間の距離Ｌと、カメラ間基線と一のカメラ視線がなす角度αと、カメラ間基線と他のカメラ視線がなす角度βに基づいて、奥行きＤを推定できる。なお、カメラ数を増やすことにより、より多くの三角形が形成されるため、推定精度が向上する。
【００４０】
本実施形態のトロカール１にはマーカ１９が固定されている。一方、カメラ１７は展開位置に固定されている。すなわち、マーカ１９とカメラ１７の位置関係は不変である。これにより、画像処理装置６はマーカ１９ａ，１９ｂの３次元位置に基づいてカメラ１７ａ，１７ｂの３次元位置を推定できる。同様に、マーカ１９ｄの３次元位置に基づいて腹腔鏡５のカメラの３次元位置を推定できる。すなわち、カメラ間距離を推定できる。
【００４１】
さらに、対象ポイントごとに、角度α，βを測定し、上記基本原理に基づき、対象ポイントの奥行き位置を推定できる。対象ポイントを移動し、奥行き位置推定を繰り返すことにより、腹腔内の３次元形状を計測できる。
【００４２】
〜システム全体の効果〜
手術支援システム１０１を用いた腹腔鏡下手術は、一般的な腹腔鏡下手術を基礎とするものであり、手術方式の大きな変更がないため、術者はこれまでの手術に関する知識と経験をそのまま生かすことができる。
【００４３】
また、手術支援システム１０１は、改良したトロカールを用いた簡素な構成であり、既存の手術支援システムを簡単な改良で再利用することができる。
【００４４】
ところで、従来の一般的な腹腔鏡下手術では、腹腔鏡から得られる映像のみを頼りに行われるため視野が狭かった。特に、奥行きに係る画像情報が得られなかった。精度の良い３時次元形状計測をすべく別のカメラを挿入するように新たに腹壁に孔をあけると、低侵襲性を損なう。
【００４５】
本実施形態では、格納式カメラ１７ａ，１７ｂを有するトロカール１ａ，１ｂを用いることにより、腹腔内に複数のカメラを挿入することができる。このとき、鉗子用トロカールを用いるため、新たに腹壁に孔をあける必要はない。これにより、低侵襲性を維持しながら、３次元形状を計測できる。
【００４６】
更に、画像処理装置６が３次元画像を作成し、３次元モニタ７に３次元画像を出力する。術者は３次元モニタ７を見ることで、奥行き情報を含む広い視野を得ることができる。これにより、術者の負担を軽減できる。
【００４７】
〜精度向上に係る効果〜
（１）３次元形状計測の基本原理について説明したように、奥行きを推定するには、カメラ１７ａ，１７ｂの３次元位置を推定する必要がある。しかしながら、カメラ１７ａ，１７ｂは腹腔内にあるため直接、位置を計測できない。さらに、鉗子４ａ，４ｂの動きに伴って、トロカール１ａ，１ｂの角度が変わり、その結果、カメラ１７ａ，１７ｂが微動する。そのため、３次元位置の推定は困難であるという課題がある。図５はカメラ位置推定の困難性に係る課題を説明する概念図である。
【００４８】
そこで、発明者は、トロカール１ａ，１ｂの微動に連動してカメラ１７ａ，１７ｂが微動することに着目し、トロカール１ａ，１ｂのヘッド部１２にマーカ１９ａ，１９ｂを設けた。すなわち、マーカ１９ａ，１９ｂと展開位置のカメラ１７ａ，１７ｂの位置関係は不変である。一方、マーカ１９ａ，１９ｂの３次元位置は光学センサ９により精度よく検出できる。したがって、マーカ１９ａ，１９ｂの３次元位置に基づきカメラ１７ａ，１７ｂの３次元位置を精度よく推定できる。
【００４９】
なお、腹腔鏡５のカメラの動きは、トロカール３の微動と連動しないため、マーカ１９ｄは腹腔鏡５に設けられている。これにより、腹腔鏡５のカメラの３次元位置を精度よく推定できる。
【００５０】
カメラの三次元位置を精度よく推定し、カメラ間距離を精度よく推定できる結果、奥行きを精度よく推定でき、腹腔内の３次元形状計測を精度よくおこなうことができる。
【００５１】
（２）３次元形状計測の基本原理について説明したように、カメラ数を増やすことにより、奥行き推定の精度が向上する。一般に、腹腔鏡下手術において、複数(例えば２〜５程度)の鉗子が用いられる。その結果、腹腔鏡５以外にも、複数のカメラ１７が腹腔内に挿入される。これにより、奥行きを精度よく推定でき、腹腔内の３次元形状計測を精度よくおこなうことができる。
【００５２】
（３）ところで、立体内視鏡を用いても、腹腔内の３次元形状計測は可能である。しかしながら、立体内視鏡は、カメラ間の距離が非常に狭く、三角形が極端に細長くなり、その結果、奥行き推定の精度が良くない。
【００５３】
図６は、カメラ間距離と奥行き推定精度の関係を示す概念図である。図６（ａ）は、カメラ間距離が非常に狭いケース、図６（ｂ）は、カメラ間距離が広いケースを示している。
【００５４】
図６（ａ）において、カメラ間距離を非常に狭いＬ１とし、実際の奥行きをＤとする。カメラ視線に誤差があった場合の推定奥行きはＤ１となる。図６（ｂ）において、カメラ間距離を充分広いＬ２とし、実際の奥行きをＤ（図６（ａ）と同じ）とする。カメラ視線に誤差（図６（ａ）と同レベル）があった場合の推定奥行きはＤ２となる。
【００５５】
推定奥行きＤ１は大きな誤差を有するのに対し、推定奥行きＤ２の誤差は小さい。
【００５６】
一般に、腹腔鏡下手術において、複数(例えば２〜５程度)の鉗子用のトロカール１が腹壁にほぼ均等に配置される。言い換えると、トロカール１が密集して配置される可能性はほぼない。これにより、充分広いカメラ間距離を確保でき、奥行きを精度よく推定でき、腹腔内の３次元形状計測を精度よくおこなうことができる。
【００５７】
＜第２実施例＞
図７は手術支援システム１０２の概略構成図である。手術支援システム１０２は、格納式カメラ１７ａ，１７ｂ，１７ｃとマーカ１９ａ，１９ｂ，１９ｃを有する鉗子用トロカール１ａ，１ｂ，１ｃと、鉗子４ａ，４ｂ，４ｃと、マーカ１９ａ，１９ｂ，１９ｃの３次元位置に基づきカメラ１７ａ，１７ｂ，１７ｃの３次元位置を推定し、カメラから得られた画像を合成し、３次元画像を作成する画像処理装置６と、画像処理装置６により作成された３次元画像を出力する３次元モニタ７とを備えている。
【００５８】
すなわち、実施例１の手術支援システム１０１における腹腔鏡用トロカール３と腹腔鏡５とマーカ１９ｄとがなく、格納式カメラ１７ｃを有する鉗子用トロカール１ｃと、鉗子４ｃとマーカ１９ｃとが追加されている。
【００５９】
なお、腹腔鏡下手術において、複数の鉗子を用いることが一般的であるが、本システムにおいて、鉗子および鉗子用トロカールは少なくとも２以上あればよい。
【００６０】
実施例１の様に腹腔鏡５を用いる場合、術者が腹腔鏡５の向きを操作し切断箇所などを探す必要があるのに対し、格納式カメラ１７は、鉗子４ａの先端部を確実に撮影するため、切断箇所など重要な画像を確実に得ることができる。したがって、格納式カメラ１７の性能が高いこと前提に、腹腔鏡５より高品質な画像を確実に得ることができる。
【００６１】
一方、腹腔鏡用トロカール３と腹腔鏡５が不要となることで、これらのための孔を腹壁にあける必要はなく、低侵襲性が向上する。
【００６２】
ただし、腹腔鏡５の光源に代替する光源をトロカール１（またはカメラ１７）に設ける必要がある。
【００６３】
＜第３実施例＞
実施例３は実施例１・２の変形例である。実施例１・２では、術者はモニタ７を見ながら鉗子４や腹腔鏡５を操作し手術を行うが、術者の視線と実際の術野とに方向の不一致が生じ、術者に違和感を与え、負担になる。特に、開腹手術の経験豊富な術者は、腹腔鏡下手術に慣れないこともある。
【００６４】
図８は手術支援システム１０３の概略構成図である。実施例１・２と共通する構成は適宜省略している。手術支援システム１０３は、３次元モニタ７に替えて、３次元プロジェクタ８を備えている。３次元プロジェクタ８は、手術台の上方に設けられ、画像処理装置６により作成された３次元画像を患者の腹部に直接投影する。
【００６５】
これにより、術者の視線と術野の方向は一致し、開腹手術と同様な現実感を表現できる。すなわち、術者の負担を軽減できる。
【符号の説明】
【００６６】
１  トロカール
２  トロカール(変形例)
３  トロカール（腹腔鏡用）
４  鉗子
５  腹腔鏡
６  画像処理装置
７  ３次元モニタ
８  ３次元プロジェクタ
９  光学センサ
１１  パイプ部
１２  ヘッド部
１３  開口部
１４  シャフト
１５  軸受
１６切替つまみ
１７  カメラ
１８  ケーブル
１９  マーカ
２１  ヒンジ機構
２２  ねじりバネ
２３  引張ケーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014132980.tif 000008
【図７】
2014132980.tif 000009
【図８】
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