(57)【要約】【課題】  内視鏡などにより患者の体内の所定の部位を手術するにあたり、手術時に目標とする体内のマーカ位置をリアルタイムに表示する。【解決手段】  患者体内に位置を検出するマーカ位置に超音波を発生する第１の素子を設け、前記素子から発する超音波を受信するセンサを少なくとも患者体表に複数個所設置し、そのセンサと同じ位置に第２の超音波センサを設け、別に設置した第２の位置基準より超音波を発信する第２の超音波発生素子を少なくとも３か所以上、患者を処置する手術室内に設けることによって、目標とするマーカ位置をリアルタイムで表示する手術支援装置。【選択図】  図１
2019017479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置を検出する目標位置に超音波を発生する第１の素子を設け、前記素子から発する超音波を受信するセンサを少なくとも３か所以上に設置し、前記センサと同じ位置に第２の超音波センサを設け、別に設置した第２の位置基準より超音波を発信する第２の超音波発生素子を少なくとも３か所以上に設けたうえ、第１の素子の位置を第２の位置基準により算出することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
位置を検出する目標位置に超音波を発生する第１の素子を設け、前記素子から発する超音波を受信するセンサを少なくとも３か所以上に設置し、前記センサと同じ位置にＬＥＤ光源を設け、別に設置したＬＥＤ光源を受光するためのカメラを基準位置に少なくとも２か所に設けたうえ、第１の素子の位置をカメラの位置基準により算出することを特徴とする位置検出装置。
【請求項３】
前記センサをCT装置などの撮影時に患者体表に貼り付けたうえ撮影を行い、撮影した患者のＣＴ装置などの画像をコンピュータ上で表示させ、ボリュームレンダリング演算部によって生成された３次元画像の座標と、センサの座標を、座標変換した後、同じ座標を用いて座標統合し、内視鏡などの手術器具の目標位置をコンピュータ画像上において位置合わせ可能にすることを特徴とする特許請求の範囲第１項あるいは第2項記載の位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディスプレイ上に表示された生体画像情報の上に使用している手術器具などの処置用機器の３次元位置を表示し、手術を指示し支援する手術用ナビゲーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
事前に撮影されたＣＴ（computerized  tomography）や、ＭＲＩ（magnetic  resonance  imaging）などによる断層像をコンピュータで合成してモニターなどの表示部に断層もしくは立体表示すると共に、手術に使用する処置具や、内視鏡などの機器に位置検出用のマーカを取り付け、赤外線を照射し、反射光をカメラ等で検出することにより位置を測定し、前述の生体画像情報上に使用している機器の位置を表示し、特に脳外科などでは顕微鏡像に脳腫瘍の位置を合成して表示することにより、手術を指示し支援する機器が開発されている。
【０００３】
従来から例えば特開２００１−２０４７３８および特開２０１３-２０２３１３に、事前に撮影されたＣＴ（computerized  tomography）や、ＭＲＩ（magnetic  resonance  imaging）などによる断層像をコンピュータ上で合成してモニターなどの表示部に断層もしくは立体表示すると共に、手術に使用する処置具や、内視鏡などの機器に位置検出用のマーカを取り付け、前述の生体画像情報上に使用している機器の位置および角度を表示し、特に脳外科などでは顕微鏡像に脳腫瘍の位置を合成して表示することにより、手術を進める方向を指示し支援する機器が開発されている。また特開２００５−１５６２５０には、超音波による位置検出方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２０４７３８号
【特許文献２】特開２０１３−２０２３１３号
【特許文献３】特開２００５−１５６２５０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
内視鏡などにより患者の体内の所定の部位を手術するにあたり、従来は患者の体内に挿入される内視鏡等の術具の先端から前記術部の目標物までの距離および角度を測定するため、内視鏡の体外の部分に位置および角度表示用マーカを設けて、体外の基準の位置からの距離、角度を測定していた。このため表示用マーカは手術室内に設けたカメラ等により距離を測定するように構成された手術用ナビゲーションシステムが使われてきた。そして表示用マーカと体内に挿入され、位置を検出したい部分の間は、剛体となり一体化されていることが必要であり、また表示用マーカは、位置と角度を表示する必要があるため、形状が大きく、手術中に位置情報が遮断されることが多く、手術時に障害となっていた。さらに超音波による位置測定では、位置センシングする素子の絶対位置が算出できないため、事前に撮影した画像との位置統合が難しかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る手術支援装置は、内視鏡画像を見ながら切削用の術具を用いて行われる手術中に、断層画像情報から生成される３次元のシミュレーション画像を表示しながらナビゲーションを行う手術支援装置であって、断層画像情報取得部と、メモリと、ボリュームレンダリング演算部と、内視鏡・術具位置検出部を備えている。断層画像情報取得部は、患者の断層画像情報を取得する。メモリは、断層画像情報取得部に接続されており、断層画像情報のボクセル情報を格納する。ボリュームレンダリング演算部は、メモリに接続されており、ボクセル情報に基づいて、視線に対して垂直の方向においてボクセル情報をサンプリングする。内視鏡・術具位置検出部は、内視鏡または術具の３次元位置を逐次検出する。このため、検出すべき位置に超音波を発生させる超音波発振子からなる超音波マーカを設け、体表上の３か所以上に超音波センサを載置し、少なくとも３点以上で超音波マーカからの超音波を検出し３点測量により超音波マーカの位置を測定する。超音波センサはRFID構成としたセンシングシステムを利用し、３か所以上におかれたセンシングデバイスを用い、超音波マーカの位置をセンシングデバイスとの距離を測定して、３次元座標を算出する。さらにセンシングデバイスの絶対位置は、体外に設けた３つ以上の基準マーカから送出した超音波、あるいは赤外光を受発光することにより算出し、計測する。そして、あらかじめ撮影した患者のCT,MRIなどの画像をコンピュータ上で表示させ、レジストレーション演算部により、ボリュームレンダリング演算部によって生成された３次元画像の座標と、内視鏡・術具位置検出部において検出した３次元座標を算出し、座標統合する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、手術術具を操作するときに障害となる表示用マーカなどを取り付けることが不要となり、また表示用マーカ取り付け部と手術術具における位置情報を必要とするポイント間が剛体である必要がないため、術者が手術術具を取り扱う際の障害となることがない。さらに剛体である必要がないため、手術術具を術者が扱いやすく手術を受ける患者にとっても体内に挿入される術具を細く柔軟に設定でき、特に光ファイバースコープに適用した時には、侵襲性を少なくすることができるなど、多くの優れた効果が生じる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の超音波センシングシステムを示す模式図
【図２】本発明の図１の超音波センシングシステムを構成するセンシングデバイスのブロック図
【図３】本発明の超音波センシングシステムを構成するセンシングシステムコントローラのブロック図
【図４】本発明のセンシングシステムLを示す模式図
【図５】本発明のセンシングデバイスLの実施例を示すブロック図
【図６】本発明の超音波センシングシステム動作時の波形を示す概念図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１に本発明の超音波センシングシステムを示す。超音波センシングシステムは、所定のタイミングで超音波信号を発信し、その位置を特定する超音波マーカ１、超音波信号を受信する超音波センサを有するセンシングデバイス２，３，４、から構成され、センシングデバイスは超音波受信装置および増幅装置からなる超音波受信器を内蔵し、受信した超音波信号と無線タグ（ＲＦＩＤ）から検出した同期信号との位相差から距離を計測する。さらに超音波マーカ１の制御装置と一体に構成したセンシングシステムコントローラ（図３に示す）およびセンシングデバイスの位置を基準マーカから発信される複数の基準マーカ（７，８，９）から基準となる超音波信号を受信し、センシングデバイスの位置を算出する機能を併せ持つセンシングデバイス（図２に示す）２，３，４より構成される。
【００１０】
図２はセンシングデバイス２の構成を示す。なお図にはセンシングデバイスを１つだけ示しているが、実際は３つ以上のセンシングデバイス（図１では２，３，４として示す）を動作させ、システムを構築する。超音波マーカ１が発信した超音波信号は、図２の複数のセンシングデバイス内の超音波センサＢ２４により受信される。受信された超音波は超音波受信部Ｂ２５により増幅され、コントローラ２２に入力される。コントローラに内蔵された距離計測ブロックに受信信号を供給し、ＲＦＩＤ制御部から同期信号を受け取り、同期信号と受信された超音波信号との時間差を計測し、超音波マーカ１から発射された超音波信号が超音波受信センサＢに到達するまでの時間を計測して、その間の距離を算出する。同じ超音波マーカ１から発射された超音波信号を異なるセンシングデバイスによりそれぞれに受信し距離情報として、センシングシステムコントローラ５０に送り、超音波マーカ１の３次元座標が求められる。
【００１１】
図２において、センシングデバイス２は、アンテナ２８、電源生成部２３、ＲＦＩＤ制御部２１、コントローラ２２からなる。アンテナ２８は、センシングシステムコントローラ５０から発信されるRFIDの電波を受信する。アンテナ２８は、アンテナ３０（図３）からの電波を受け、その出力は電源生成部２３に入力され、センシングデバイスの電源となる。なおアンテナ２８、ＲＦＩＤ制御部２１を経由して、ＲＦＩＤ同期信号がコントローラ２２に入力される。
【００１２】
図３に示すセンシングシステムコントローラ５０内のＣＰＵが、基準マーカ７，８，９に基準マーカドライバ６を経由して基準マーカに基準となる超音波信号を供給する。基準マーカ７，８，９の超音波信号は、図２のセンシングデバイス内の、超音波センサＡ  ２７により受信され、超音波受信部Ａ２６により増幅されたのち、コントローラ２２に入力される。コントローラ２２により基準マーカと時間差を計測された情報は、２１のＲＦＩＤ制御部を経由して、アンテナ２８により、センシングシステムコントローラ５０に送られ、基準マーカ７，８，９の位置情報より、センシングデバイスの３次元座標が算出される。なお算出方法は後述する。
【００１３】
前記したように、センシングデバイスには無線タグ（ＲＦＩＤ）機能が設けられており、無線タグが、複数のそれぞれのセンシングデバイス２，３，４に対して、同期信号と識別符号ＩＤを高周波信号（例えばＶＨＦ：３１４.９ＭＨｚ）により変調して送信し、超音波マーカ１の超音波信号の発信のタイミングが同期信号としてセンシングデバイスに送信される。無線タグシステムは、超音波マーカ１に識別符号ＩＤを無線で送信すると共に、システム全体に同期信号を送信する。
【００１４】
図３に示すセンシングシステムコントローラ５０において、超音波マーカ１から発信された超音波信号を複数のセンシングデバイスにより受信して得た超音波信号により超音波マーカの３次元位置を求めるための、超音波マーカに供給する超音波信号（例えば図６の６０２に示す）を生成する。そのため、ＣＰＵ４０４、メモリ４０８により超音波マーカに供給する超音波信号を生成し、変調制御部４０７により超音波発振素子に適合した波形に変調した後、超音波マーカ１に信号を供給するための超音波素子ドライバ４０３を経由し、超音波マーカ１より、超音波信号を送出する。同時に４０２のＲＦＩＤ制御部より、３０のアンテナを経由し、センシングデバイスにＲＦＩＤ同期信号（例えば図６の６０１に示す）を送出する。表示部４０６はセンシングシステムコントローラ５０の状態を表示し、操作は４０１の入力操作部を用い、４０５のデータ変換器を経由して行う。
【００１５】
図３に示すセンシングシステムコントローラ５０内のＣＰＵは、超音波マーカ１から発信された超音波信号を受信するセンシングデバイス２、３，４により受信して、それぞれのセンシングデバイスにおける距離情報（図６の６０５に示す時間差情報）を得て、距離情報が得られた少なくとも３個以上のセンシングデバイスによる距離情報を用いて、１つの超音波マーカの３次元位置を算出する。３次元位置を求めるためのデータ処理は、図３に示すセンシングシステムコントローラ５０内のＣＰＵにより、後述する方法により演算し求められる。
【００１６】
本発明においては、超音波マーカ、センシングデバイス、基準マーカのすべてが無線タグシステムを構成しており、前述した通り識別符号ＩＤを無線で送信すると共に、システム全体に同期信号を送信する。このように構成したセンシングシステムにより、超音波マーカと受信センサにより受信される超音波信号により、超音波マーカと受信センサ間の距離ｄを次式を用いて計測することができる。すなわち次式にｄ１，ｄ２，ｄ３を代入し、送信マーカの位置（ｘ、ｙ、ｚ）を算出することが可能になる。これは３点測量の原理である。
【００１７】
【数１】
2019017479.tif 000003
【００１８】
（１）、（２）、（３）式において、（ｘ１，ｙ１，ｚ１）は、センシングデバイス２の３次元座標、同じく、（ｘ２，ｙ２，ｚ２）はセンシングデバイス３、（ｘ３，ｙ３，ｚ３）はセンシングデバイス４の３次元座標である。
（ｘ，ｙ，ｚ）は、測定の対象である超音波マーカ１の３次元座標である。
ｄ１はセンシングデバイス２と超音波マーカ１との距離、ｄ２はセンシングデバイス３と超音波マーカ１との距離、ｄ３はセンシングデバイス４と超音波マーカ１との距離である。距離ｄ１，ｄ２，ｄ３を測定し、（１）、（２）、（３）式を用いて、超音波マーカの３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）の位置を算出する。
【００１９】
本発明では、体表に載置したセンシングデバイスは、別に手術室内に設けた３か所以上の基準マーカより、超音波信号を受信し、センシングデバイスの３次元位置を３点測量方法により、同定する。これにより、体表に載置されたセンシングデバイスの３次元座標はリアルタイムで測定され、超音波マーカの位置を常に計測できるわけである。基準マーカから発信される超音波はＲＦＩＤにより超音波マーカより発せられる超音波と、センシングデバイスの超音波受信器が同期しているので、あらかじめ予想したタイミングで超音波信号の送受信ができ、ノイズの影響を受けることは非常にすくない。
【００２０】
図２のセンシングデバイス２と図３のセンシングシステムコントローラ５０の動作時の波形を示し、動作について説明する。センシングシステムコントローラ５０の超音波素子ドライバ４０３の入力波形は６０２、ＲＦＩＤから入力される同期信号波形６０１を図６に示す。またセンシングデバイス２のＲＦＩＤから入力される同期信号は６０３、超音波受信部Ｂ２５の出力波形は６０４に示す。ここで６０５の時間差が、超音波マーカから発信した超音波が、センシングデバイス２により受信されるまでの時間差である。６０５の時間差より超音波マーカ１と、センシングデバイス２の距離が算出できる。このようにＲＦＩＤの同期信号により、超音波マーカより発信される超音波がセンシングデバイスにより受信されるタイミングが、同期信号により推定できる。そして同期信号が検知されたのち、６０４の受信波形が検知できるタイミングを推定できるので、ゲート回路ブロックを追加してゲートが開いた時だけ、超音波信号６０４を受信するようにできる。これにより、送受信時のエラーが減少する。
【００２１】
次にセンシングデバイスの位置を基準マーカからの超音波を受信し、その距離を測定し、次式より基準マーカの位置に対する座標を算出する。基準マーカ７，８，９のＸ、Ｙ、Ｚ座標を、それぞれ（Ｘｒ７、Ｙｒ７、Ｚｒ７）、（Ｘｒ８、Ｙｒ８、Ｚｒ８）、（Ｘｒ９、Ｙｒ９、Ｚｒ９）とする。
ここでｄｒ２７はセンシングデバイス２と基準マーカ７との距離、ｄｒ２８は同じくセンシングデバイス２と基準マーカ８との距離、ｄｒ２９は同じくセンシングデバイス２と基準マーカ９との距離、とすると、式４，５，６より、(ｘ１，ｙ１，ｚ１)の値がｄｒ２７，ｄｒ２８，ｄｒ２９ より算出できる。（ｘ2，ｙ2，ｚ２、）、（ｘ３，ｙ３，ｚ３）に関しても、同じようにして、３つ以上のセンシングデバイスの位置を、基準マーカとの距離を測定することによって、算出できる。これにより、体表に設置したセンシングデバイスの位置を、基準マーカ７，８，９から発信される超音波によって、リアルタイムに求めることが可能になる。
【００２２】
【数２】
2019017479.tif 000004
【００２３】
超音波マーカ１が発信する超音波の周波数Ｆｍと、基準マーカが発信する超音波の周波数Ｆｒとは、異なるように設定しているが、センシングデバイスが最初に設置した位置から変位することがない場合には、同じ周波数にして、発信のタイミングをずらすこともできる。これらの周波数はマーカを構成する超音波発振素子の共振特性に合わせて設定し、図６、６０２に示すバースト波とすることが望ましい。
【００２４】
本実施例では、センシングデバイスの位置を基準となる超音波発振器を複数設けたが、センシングデバイス４０の超音波受信センサＡに替えてＬＥＤを設け、基準マーカの代わりに赤外線カメラを使用して、センシングデバイスＬの位置を検出することもできる。その場合は、図２に示すセンシングデバイスにおいて、超音波受信センサＡおよび超音波受信部Ａの代わりに、図４に示すようにＬＥＤ光源４６とＬＥＤ光照射制御器を設け、超音波による基準マーカに代わり、赤外カメラ４３，４４を少なくとも２台設ける。
【００２５】
図４にセンシングシステムLを示す。センシングデバイスＬ４０はＬＥＤ光源を超音波受信センサに替えて設け、ＬＥＤ光源にＩＤ番号を与え、ＬＥＤ光源がＩＤ番号と同期信号のパターンに従って点滅することにより、カメラおよびＲＦＩＤ間において通信可能にする。このように設定し、２か所のカメラで撮影したＬＥＤ光源の位置データを用いて、３点測量の原理により、複数のセンシングデバイスＬの３次元座標を算出する。この場合、カメラはセンシングデバイスＬとともに、基準となる位置にＬＥＤ光源を追加して設置し、３次元座標算出時の基準データとする。
【００２６】
図５はセンシングデバイスＬの位置を基準のＬＥＤ光源を用いた時の変更点を示す。ＬＥＤ光源を超音波受信センサに替えて設け、コントローラ２２はＬＥＤ光源の点滅を制御する機能を追加し、４５のＬＥＤ光源照射制御器をコントローラが制御し、４６のＬＥＤ光源を制御する。なお、超音波センサＢに関しては、図２の機能と同様である。
【００２７】
手術を行う前に手術台の上に患者を載せ、ＣＴ，Ｘ線撮影が行われる。このとき、センシングデバイスを体表の撮影に邪魔にならない場所に貼り付け、撮影を行い、撮影した画像との位置合わせに使用することができる。例えば体表の背中および腹側にセンシングデバイスを設けて撮影した患者のCT,MRIなどの画像をコンピュータ上で表示させ、レジストレーション演算部により、ボリュームレンダリング演算部によって生成された３次元画像の座標と、センシングデバイスの座標を、座標変換した後、同じ座標を用いて座標統合する。このように内臓との位置合わせが簡単に実施できるため、患者の内臓画像と内視鏡などの先端を位置合わせにより、手術の安全性が向上するなどの効果が生じる。
【００２８】
本発明の実施例を超音波マーカを体内に挿入した状態により説明したが、超音波マーカを血管に導入するカテーテルの先端に付属させて位置を検知すれば、従来のようにＸ線を用いることなくカテーテルの位置を検知できるため、患者に対して放射線により被爆を減少させることができる効果が生じる。
【００２９】
光ファイバーを用いた内視鏡装置において、患者体内にファイバースコープを挿入する際、位置を確認することは非常に重要である。ファイバースコープの挿入部に本発明の超音波マーカを取り付け、体表上からその位置を確認することが可能になり、さらにその座標をあらかじめ患者の内臓の画像を撮影しておいた、統合座標上において、位置を確認でき、患者の安全に寄与できるなど、多大な効果が生じる。
【００３０】
以上、本発明を図示による実施の形態によって説明したが、本願に含まれる発明は上記実施の形態によって限定されることなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明によれば、手術術具を操作するときに障害となるマーカなどを取り付けることが不要となり、またマーカ取り付け部と手術術具における位置情報を必要とするポイント間が剛体である必要がないため、術者が手術術具を取り扱う際の障害となることもない。さらに剛体である必要がないため、手術術具を術者が扱いやすく手術を受ける患者にとっても体内に挿入される術具を細く柔軟に設定できるため、侵襲性を少なくすることができるなど、多くの優れた効果が生じる。
【符号の説明】
【００３２】
１  超音波マーカ
２  センシングデバイス
３  センシングデバイス
４  センシングデバイス
５  患者体内
６  基準マーカドライバ
７  基準マーカ
８  基準マーカ
９  基準マーカ
２１  ＲＦＩＤ制御部
２２  コントローラ
２３  電源生成部
２４  超音波受信センサＢ
２５  超音波受信部Ｂ
２６  超音波受信部Ａ
２７  超音波受信センサＡ
２８  アンテナ
３０  アンテナ
４０  センシングデバイスＬ
４０１  入力操作部
４０２  ＲＦＩＤ制御部
４０３  超音波素子ドライバ
４０４  ＣＰＵ
４０５  データ変換部
４０６  表示部
４０７  変調・制御部
４０８  メモリ
５０  センシングシステムコントローラ
４１  センシングデバイスＬ
４２  センシングデバイスＬ
４５  ＬＥＤ光照射制御器
４６  ＬＥＤ光源
６０１  ＲＦＩＤ同期信号波形
６０２  超音波素子ドライバ４０３の入力波形
６０３  ＲＦＩＤ同期信号波形
６０４  超音波受信部Ｂ  ２５の出力波形
６０５  時間差
【図１】
2019017479.tif 000005
【図２】
2019017479.tif 000006
【図３】
2019017479.tif 000007
【図４】
2019017479.tif 000008
【図５】
2019017479.tif 000009
【図６】
2019017479.tif 000010