(57)【要約】【課題】臓器とこの臓器を囲む周辺組織とからなる手術対象部位モデルを、周辺組織内部の臓器の数や形状にかかわらず生成する。【解決手段】脈管モデルＡ２，Ｂ１及び周辺組織モデルＦを記憶する記憶部５と、記憶部５に記憶された脈管モデルＡ２，Ｂ１及び周辺組織モデルＦを用いて、周辺組織付臓器モデルＮを生成するモデル生成部３と、を備え、周辺組織モデルＦは、弾性膜モデルであり、モデル生成部３は、周辺組織モデルＦに引張応力を生じさせた状態で、脈管モデルＡ２，Ｂ１のまわりを囲むように周辺組織モデルＦを配置させるための処理を行い、脈管モデルＡ２，Ｂ１のまわりに配置された周辺組織モデルＦを収縮させる変形計算を行うことで、周辺組織付臓器モデルＮを生成する周辺組織付臓器モデル生成装置１である。【選択図】図９
2015212758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手術シミュレーションのための周辺組織付臓器モデル生成装置であって、
臓器モデル及び周辺組織モデルを記憶する記憶部と、
前記臓器モデル及び周辺組織モデルを用いて、周辺組織付臓器モデルを生成するモデル生成部と、を備え、
前記周辺組織モデルは、弾性膜モデルであり、
前記モデル生成部は、前記周辺組織モデルに引張応力を生じさせた状態で、前記臓器モデルのまわりを囲むように前記周辺組織モデルを配置させるための処理を行い、前記臓器モデルのまわりに配置された前記周辺組織モデルを収縮させる変形計算を行うことで、周辺組織付臓器モデルを生成する
周辺組織付臓器モデル生成装置。
【請求項２】
前記記憶部は、複数の前記臓器モデルを記憶しており、
前記モデル生成部は、前記複数の臓器モデルのまわりを囲むように前記周辺組織モデルを配置させるための処理を行う請求項１に記載の周辺組織付臓器モデル生成装置。
【請求項３】
前記モデル生成部は、収縮した前記周辺組織モデルと前記臓器モデルとを連成させる接続部を備えている請求項１又は２に記載の周辺組織付臓器モデル生成装置。
【請求項４】
前記記憶部は、複数の前記臓器モデルを記憶しており、
前記モデル生成部は、前記記憶部に記憶された複数の臓器モデルのうち、周辺組織モデルによって囲まれるべき一又は複数の臓器モデルを選択する臓器選択部を備えている請求項１〜３の何れか１項に記載の周辺組織付臓器モデル生成装置。
【請求項５】
手術シミュレーションのための周辺組織付臓器モデル生成方法であって、
モデル生成部が、周辺組織モデルとしての弾性膜モデルに引張応力を生じさせた状態で、臓器モデルのまわりを囲むように前記周辺組織モデルを配置させるための処理を行う工程と、
前記モデル生成部が、前記臓器モデルのまわりに配置された前記周辺組織モデルを収縮させる変形計算を行う工程と、を含む
周辺組織付臓器モデル生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周辺組織付臓器モデル生成装置及び周辺組織付臓器モデル生成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
腹腔鏡下胆嚢摘出手術では胆管異常走行がしばしば見られ、手術リスクの一因となっている。胆嚢管、総肝管、及び肝臓下部で囲まれる三角形はＣａｌｏｔ三角（図１参照）と呼ばれ、この領域に異型が出現することが多い。胆嚢管と総肝管の合流部だけでも、異型の出現率は３５％程度であるといわれている（非特許文献１参照）。このＣａｌｏｔ三角内には、胆嚢管、総肝管、胆嚢動脈が走っているが、それぞれの管ごとに多種多様の走行パターンがある。図２（ａ）（ｂ）は、胆嚢管の異型のバリエーションの例を示している。図２（ａ）は総胆管との前方らせん状結合を示し、図２（ｂ）は総胆管との後方らせん状結合を示している。また、図２（ｃ）（ｄ）は副（迷入）胆管を示している。図２（ｃ）は副胆管が胆嚢管と結合している例を示し、図２（ｄ）は副胆管が総胆管と結合している例を示している。図２（ａ）〜（ｄ）に示す例はほんの一例であり他にも多種多様な異型のバリエーションが存在する。このように、Ｃａｌｏｔ三角の部位は、複雑なトポロジや形状になりやすく、個人差も大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２７９６３１号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】松本純夫（編），動画でわかる腹腔鏡下胆嚢摘出手術，中山書店，２００８
【非特許文献２】Ｍａｔｔｈｉｅｕ  Ｎｅｓｍｅ,  Ｐａｕｌ  ｇ.  Ｋｒｙ,  ｅｔ  ａｌ．：  Ｐｒｅｓｅｒｖｉｎｇ  ｔｏｐｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ  ｆｏｒ  ｅｍｂｅｄｄｅｄ  ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ  ｍｏｄｅｌｓ，  ＡＣＭ  Ｔｒａｎｓ．  Ｇｒａｐｈ．，  Ｖｏｌ．２８，  Ｎｏ．３，  ｐｐ．１−９，  ２００９．
【非特許文献３】Ｋａｚｕｙｏｓｈｉ  Ｔａｇａｗａ，  Ｔａｔｓｕｙａ  Ｏｉｓｈｉ  ａｎｄ  Ｈｉｒｏｍｉ  Ｔ．  Ｔａｎａｋａ，  “Ａｄａｐｔｉｖｅ  ａｎｄ  Ｅｍｂｅｄｄｅｄ  Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｍｏｄｅｌ：  Ａｎ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  Ｈａｐｔｉｃ  Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｃｏｍｐｌｅｘ  Ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｏｂｊｅｃｔｓ”，  Ｐｒｏｃ．  ＩＥＥＥ  Ｈａｐｔｉｃｓ，  ２０１３．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
胆管異常走行は、術前のＣＴ（コンピュタ断層撮影）やＭＲＩ（核磁気共鳴画像法）による撮影で事前に検知されることが多いが、実際の術野映像で見ると迅速に手術を進めることは難しい。このため、こうした特殊症例に対する術前訓練を可能にするとが望まれる。
特に、医学生に対する初期教育で異型を含めた解剖知識と手術手技を目と手で学べる教材として、臓器異型のバリエーションに対応したシナリオ可変型手術シミュレータが有効な手段と考えられる。そこで、多種多様な異型の組み合わせを想定したシナリオでの訓練の実施が可能な、実戦的な手術シミュレータの実現が望まれる。
【０００６】
しかしながら、脈管（胆嚢管や血管など）を含む異型臓器モデルの形状モデリングには困難が伴う。すなわち、稀な症例を含むＣＴ・ＭＲＩデータはほとんど存在しないし、そもそも、ＣＴ・ＭＲＩでは、脈管や脈管の周辺のリンパ管、漿膜、脂肪等（図３参照）の組織を捉えることはできない。造影剤の使用により管の内側であれば捉えることができるが、造影剤が管の内側全体に行き届かないことが多い。また、管の壁の部分や、リンパ、漿膜、脂肪等の情報が欠けているため、手術シミュレーションに必要な情報を満足に得ることができない。また、近年は副作用の問題から造影剤の使用を避ける傾向にある。
【０００７】
このため、ＣＴ・ＭＲＩの断層画像から異型臓器のボリュームデータを構築するのではなく、医学書や論文等の症例報告の資料を参考に、手作業で、脈管を含む異型臓器モデルの形状モデリングを行うことが考えられる。しかし、胆嚢管、胆管、胆嚢動脈等の多種多様な走行パターンの組み合わせからなる異型シーンを最初から全て手作業で作成するのは非現実的である。また、脈管の走行パターンが異なるとその周辺組織の形状も異なることになるが、走行パターンの組み合わせ毎に脈管の周辺組織を手作業でモデル化するのは効率的でない。
【０００８】
ここで、特許文献１には、臓器と臓器を覆う膜組織とからなるシミュレーション用モデルを自動的に生成する方法が開示されている。このモデル生成方法は、必要な臓器のボリュームデータを構築する工程と、ボリュームデータの臓器をメッシングする工程と、メッシングされた臓器を覆う複数層の模擬膜を形成する工程と、臓器の表面節点から臓器外方（法線方向）に仮想線を延ばし、仮想線と模擬膜との交点に膜面用節点を形成し、各仮想線について表面各節点と膜面用節点及び膜面用節点間を接続する仮想膜用バネを配置し、各模擬膜面について膜面用節点間をメッシュ形成するように面方向バネを配置する工程を含むものである。
【０００９】
しかし、特許文献１記載の臓器モデル生成法は、臓器の表面から外方（法線方向）に仮想線を延ばすものであるため、模擬膜内部の臓器の形状が複雑であったり当該臓器が複数であったりすると、仮想線が模擬膜と交差する前に、臓器自体や他の臓器と交差してしまい、適切にモデル化できない場合がある。
例えば、特許文献１記載の臓器モデル生成方法を用いて、Ｃａｌｏｔ三角の領域のように２本の脈管とこれらを囲む周辺組織とからなる手術対象部位のモデル化を行う場合を想定する。この場合、２本の脈管それぞれから法線方向に仮想線を延ばすと、一方の脈管から延びた仮想線が他方の脈管と交差する場合がある。
【００１０】
本発明は、従来技術とは異なるアプローチによる、臓器とこの臓器を囲む周辺組織とからなる手術対象部位モデルを生成するのに適した周辺組織付臓器モデル生成装置及び周辺組織付臓器モデル生成方法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】
【００１１】
一の観点からみた本発明は、手術シミュレーションのための周辺組織付臓器モデル生成装置であって、臓器モデル及び周辺組織モデルを記憶する記憶部と、前記臓器モデル及び周辺組織モデルを用いて、周辺組織付臓器モデルを生成するモデル生成部と、を備え、前記周辺組織モデルは、弾性膜モデルであり、前記モデル生成部は、前記周辺組織モデルに引張応力を生じさせた状態で、前記臓器モデルのまわりを囲むように前記周辺組織モデルを配置させるための処理を行い、前記臓器モデルのまわりに配置された前記周辺組織モデルを収縮させる変形計算を行うことで、周辺組織付臓器モデルを生成する周辺組織付臓器モデル生成装置である。
【００１２】
他の観点からみた本発明は、手術シミュレーションのための周辺組織付臓器モデル生成方法であって、モデル生成部が、周辺組織モデルとしての弾性膜モデルに引張応力を生じさせた状態で、臓器モデルのまわりを囲むように前記周辺組織モデルを配置させるための処理を行う工程と、前記モデル生成部が、前記臓器モデルのまわりに配置された前記周辺組織モデルを収縮させる変形計算を行う工程と、を含む周辺組織付臓器モデル生成方法である。
【００１３】
なお、前記臓器モデルには、脈管モデルが含まれるものとする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、臓器とこの臓器を囲む周辺組織とからなる手術対象部位モデルを、周辺組織内部の臓器の数や形状にかかわらず生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】Ｃａｌｏｔ三角の説明図である。
【図２】異型の一例を示す図である。
【図３】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。ただし、図１で図示していない漿膜、脂肪、リンパ管等も図示している。
【図４】周辺組織付臓器モデル生成装置の機能ブロック図である。
【図５】周辺組織付臓器モデル生成方法のフローチャートである。
【図６】肝臓・胆嚢モデルに対して脈管モデルを配置した状態を示す図である。
【図７】各臓器モデルを互いに接続した状態を示す図である。
【図８】脈管モデルの周りに弾性膜モデルを配置した状態を示す図である。
【図９】弾性膜モデルを収縮させた状態を示す図である。
【図１０】弾性膜モデルと脈管モデルを接続バネで接続した状態を示す図である。
【図１１】弾性膜付脈管モデルの内側部分を埋め込み変形モデルとした状態を示す図である。
【図１２】弾性膜付脈管モデル全体を埋め込み変形モデルとした状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
この実施形態では、腹腔鏡下胆嚢摘出手術の術前シミュレーションに用いる周辺組織付の異型臓器モデルの生成について説明する。本実施形態の異型モデルは、肝臓・胆嚢、胆嚢管、胆嚢動脈、及び胆嚢管と胆嚢動脈を覆う漿膜、脂肪、リンパ管等の周辺組織を含むものである。
なお、この実施形態における胆嚢管及び胆嚢動脈のモデルを、「第１臓器モデル」ということもあり、また、この実施形態における肝臓・胆嚢、及び胆管のモデルを、「第２臓器モデル」ということもある。
【００１７】
腹腔鏡下胆嚢摘出手術は以下の手順による。
１．炭酸ガスで腹腔内を膨らます。
２．周辺組織を剥ぎ取り、胆嚢管及び胆嚢動脈を露出させる。
３．胆嚢管及び胆嚢動脈をクリップして切除する。
４．胆嚢を肝床から剥離して、抜去する。
このように、実際の手術では胆嚢管及び胆嚢動脈から周辺組織を剥ぎ取る工程がある。このため、当該手術のシミュレーションにおいても周辺組織のモデルを備えた臓器モデルを用いる必要がある。
【００１８】
［１．周辺組織付臓器モデル生成装置］
本実施形態の周辺組織付臓器モデル生成装置１は、腹腔鏡下胆嚢摘出手術のシミュレーションに用いられる手術シミュレータの一部として用いられ、手術シミュレータによる手術シミュレーションに用いられる周辺組織付臓器モデルを生成する。
この周辺組織付臓器モデル生成装置１は、周辺組織付臓器モデルとして、周辺組織付の脈管モデルを生成するシステムである。生成される周辺組織付脈管モデルにおける脈管には、胆嚢管、胆嚢動脈、胆管が含まれる。また、生成される周辺組織付脈管モデルにおける周辺組織には、漿膜、脂肪、リンパ管が含まれる。
図４は、周辺組織付臓器モデル生成装置１の機能ブロック図である。この周辺組織付臓器モデル生成装置１は、３次元手術対象部位モデル（周辺組織付臓器モデル）を生成する演算処理を行うコンピュータ２、操作者からの指令をコンピュータ２に与える入力部８、及びコンピュータ２の演算処理の結果を画像で出力する画像表示部９を備えている。
【００１９】
コンピュータ２は、モデル生成部３、画像生成部４、及び記憶部５を備えている。
モデル生成部３は、臓器選択部３ａ、臓器配置部３ｂ、臓器接続部３ｃ、弾性膜配置部３ｄ、弾性膜収縮部３ｅ、及び接続部３ｆを備えており、臓器モデルの生成のための各種の演算処理を行う。
すなわち、臓器選択部３ａは、操作者の入力に基づき、胆嚢管、胆嚢動脈、及び胆管の各脈管について、複数の異型パターンの中から肝臓及び胆嚢のモデル（ボリュームデータ）に接続するモデル（ボリュームデータ）を選択する処理を行う。
【００２０】
臓器配置部３ｂは、操作者からの入力に基づき、選択した胆嚢管、及び胆嚢動脈の各モデルを肝臓、胆嚢、及び胆管の各モデルに対して配置する処理を行う。
臓器接続部３ｃは、配置した胆嚢管、及び胆嚢動脈の各モデル（第１臓器モデル）を肝臓、胆嚢、及び胆管のモデル（第２臓器モデル）に対して接続する変形計算（物理計算）を行う。
弾性膜配置部３ｄは、胆嚢管及び胆嚢動脈周辺の漿膜、脂肪、リンパ管等の組織を模擬した弾性膜モデルを胆嚢管や胆嚢動脈のモデルのまわりを囲むように配置する処理を行う。
弾性膜収縮部３ｅは、配置した弾性膜モデルを収縮させて胆嚢管及び胆嚢動脈のモデルに接触させる変形計算（物理計算）を行う。
接続部３ｆは、収縮した弾性膜モデルとこの弾性膜モデルの内部の脈管モデルとの間で連成解析などを行うための処理を行う。各部３ａ〜３ｆの詳細については後述する。
画像生成部４は、記憶部５に記憶されている各データ、及びモデル生成部３による各種の演算処理の結果を示す画像を生成し、画像表示部９に出力する。
【００２１】
記憶部５は、肝臓・胆嚢モデルデータ記憶部５ａ、脈管モデルデータ記憶部５ｂ、及び弾性膜モデルデータ憶部５ｃを備えている。肝臓・胆嚢モデルデータ記憶部５ａは、肝臓及び胆嚢のモデルデータを記憶する。脈管モデルデータ記憶部５ｂは、胆嚢管、胆嚢動脈、及び胆管（肝外胆管）という複数種類の脈管のモデルデータを脈管の種類毎に記憶する。弾性膜モデルデータ記憶部５ｃは、当該脈管周辺の漿膜・リンパ管・脂肪等を表現した弾性膜のテンプレートモデルの情報を記憶する。
記憶部５の脈管モデルデータ記憶部５ｂには、胆嚢管、胆嚢動脈、及び胆管それぞれについて、複数の異型パターンが記憶される。
【００２２】
また、記憶部５は、後述する脈管の肝臓・胆嚢への接続のための紐シミュレーションや弾性膜モデルの収縮させるシミュレーションを実行するためのコンピュータプログラムも格納されている。これらのコンピュータプログラムがコンピュータ２において実行されることで、コンピュータ２は異型臓器モデルの生成に必要な機能を発揮する。
【００２３】
［２．モデリングの前処理］
異型臓器のモデリングを行う前提として、肝臓・胆嚢の３次元モデルデータ及び胆嚢管、胆嚢動脈、及び胆管の３次元モデルデータを構築して各記憶部５ａ，５ｂに記憶させる必要がある。
肝臓・胆嚢のモデルデータは、ＣＴやＭＲＩで撮影された断層画像から構築することができる。したがって、例えば、肝臓・胆嚢モデルデータは、実際に胆嚢摘出手術を予定している患者のＣＴ・ＭＲＩの断層画像から得られたデータとすることができる。一方、胆嚢管、胆嚢動脈、及び胆管の各モデルデータをＣＴやＭＲＩで撮影された断層画像から構築することは困難であることから、胆嚢管、胆嚢動脈、及び胆管の各モデルデータは、医学書や論文等の症例報告の資料を参考に手作業で作成される。
なお、ＣＴやＭＲＩの断層画像から構築された肝臓・胆嚢のモデルデータにおいて、胆嚢管、胆嚢動脈、及び胆管との接続部分は通常判別可能である。
【００２４】
周辺組織付臓器モデル生成装置１を利用する医療関係者等は、異型臓器のモデリングに先立って、肝臓及び胆嚢をＣＴやＭＲＩで撮影して、撮像された断層画像からそのモデルデータを構築して、肝臓・胆嚢データ記憶部５ａに記憶させておく。
また、胆嚢管、胆嚢動脈、及び胆管のモデルデータについては、当該脈管毎に、様々な異型パターンのもの作成して、脈管モデルデータ記憶部５ｂに予め記憶させておく。
【００２５】
［３．異型臓器のモデリング］
図５は、異型臓器のモデリングの処理手順を示している。以下、この処理手順に従って異型臓器のモデル生成方法を説明する。
［３．１  脈管の配置・接続］
先ず初めに、胆嚢管、胆嚢動脈、及び胆管という複数種類の脈管それぞれについて、複数の異型パターンの中から術前シミュレーションに用いる脈管モデルを選択して、肝臓・胆嚢モデルに対して配置する（ステップＳ１０）。
【００２６】
ステップＳ１０において、臓器選択部３ａは、操作者の入力に基づき、シミュレーションに用いる肝臓・胆嚢モデル、及び各脈管の複数種類の異型パターンのモデルを記憶部５から読み出す。画像表示部９は、これらをモデル毎に表示する。
図６は、記憶部５から読み出されたデータの表示例を示している。図６では、脈管モデルデータ記憶部５ｂから読み出された胆嚢管の複数の異型パターンＡ１〜Ａ３と、胆嚢動脈の複数の異型パターンＢ１〜Ｂ２と、胆管の複数の異型パターンＣ１〜Ｃ３が画像表示部９に表示された状態を示している。
次に、臓器選択部３ａは、操作者に、複数種類の異型パターンの中から術前シミュレーションに用いる胆嚢管、胆嚢動脈、及び胆管のモデルを選択させる処理を行う。図６では、例えば、胆嚢管の異型パターンＡ２、胆嚢動脈の異型パターンＢ１、胆管の異型パターンＣ１が、操作者の入力によって選択されている。
【００２７】
臓器配置部３ｂは、操作者からの入力に基づき、選択された胆嚢管、胆嚢動脈、及び胆管のモデルＡ２，Ｂ１，Ｃ１を、肝臓・胆嚢モデルデータ記憶部５ａから読み出された肝臓・胆嚢モデルＤ、Ｅに対して配置させるための処理を行う。操作者は、実際の肝臓・胆嚢に対する各脈管の位置姿勢に即した適切な位置姿勢となるように選択された脈管それぞれのモデルを配置する操作を入力部８に対して行う。臓器配置部３ｂは、操作者の配置操作に応じて、肝臓・胆嚢モデルＤ，Ｅに対して、選択された胆嚢管、胆嚢動脈、及び胆管のモデルＡ２，Ｂ２，Ｃ１の位置を設定する。この配置結果は、画像表示部９に表示され、記憶部５に記憶される。図６は、各脈管モデルＡ２，Ｂ１，Ｃ１を脈管毎に選択して、肝臓・胆嚢モデルＤ，Ｅに対して配置した状態を示している。
【００２８】
肝臓・胆嚢モデルはＣＴ・ＭＲＩの断層画像を基に作成されている一方、各脈管のモデルは医学書等に基づいて作成されているため、全てのモデルが一人の患者の臓器に基づいて構築されているわけではない。このため、これらのモデルは、解剖学的に適切な位置姿勢に配置するだけでは滑らかに接続されない。すなわち、図６に示すように、胆嚢と胆嚢管の接続部分、肝臓と胆官（肝外胆管）の接続部分、肝臓・胆嚢と胆嚢動脈の接続部分、及び胆嚢管と胆管との接続部分は、互いに離れていたりずれていたりする。
【００２９】
そこで、次に、これらの接続部分を紐シミュレーションにより滑らかに接続する処理を行う（ステップＳ２０，Ｓ３０）。複数の物体を紐シミュレーションにより滑らかに接続する処理は、公知の手法により行える。図７は、紐シミュレーションを用いて各脈管モデルＡ２，Ｂ１，Ｃ１及び肝臓・胆嚢モデルＤ，Ｅを互いに滑らかに接続した状態の図である。
ステップＳ２０，Ｓ３０において、臓器接続部３ｃは、各脈管のモデルＡ２，Ｂ１，Ｃ１の中心線を抽出して、曲げ剛性及び捩じり剛性をもつ紐モデル、例えば伸縮バネ及び曲げバネを用いた質点バネダンパモデルに変換する（ステップＳ２０）。また、臓器接続部３ｃは、肝臓・胆嚢モデルＤ，Ｅにおける各脈管モデルＡ２，Ｂ１，Ｃ１との接続部分ａ，ｂ，ｃとなる位置の入力を受け付ける。そして、臓器接続部３ｃは、この紐モデルの変形計算（物理計算）を行い、各紐モデルを肝臓・胆嚢モデルＤ，Ｅにおける各脈管モデルＡ２，Ｂ１，Ｃ１との接続部分ａ，ｂ，ｃに滑らかに接続する処理を行う（ステップＳ３０）。この計算結果は、画像表示部９に表示され、記憶部５に記憶される。なお、各脈管モデルＡ２，Ｂ１，Ｃ１を紐モデルに変換する代わりに、有限要素モデルに変換して変形計算を行ってもよい。
【００３０】
このように、本実施形態では、予め各脈管について複数の異型パターンを用意しておき、操作者に脈管毎に異型パターンを適宜選択させて、肝臓・胆嚢と脈管、及び脈管間を滑らかに接続させるための処理を行う。このため、肝臓・胆嚢及び脈管からなる異型臓器モデルの形状モデリングを異型パターン毎に医学書等の資料に基づき一から行う場合に比べて、効率的にモデルを生成することができる。
【００３１】
［３．２  弾性膜の配置・収縮］
次に、弾性膜配置部３ｄは、胆嚢管モデルＡ２及び胆嚢動脈モデルＢ１の周りに、漿膜、リンパ管等を表現した円筒状の周辺組織モデル（弾性膜モデル）Ｆを配置する処理を行う（ステップＳ４０）。図８は、図７のＢ−Ｂ線断面に相当する断面図であり、胆嚢管モデルＡ２及び胆嚢動脈モデルＢ１の周りに周辺組織としての弾性膜モデルＦを配置した状態を示している。ただし、異型臓器モデルＭに図２（ｃ）（ｄ）に示すような副（迷入）胆管が含まれる場合は、胆嚢管、胆嚢動脈、及び副（迷入）胆管のモデルの周りに弾性膜モデルＦが配置される。なお、この弾性膜モデルＦの外周側の一部には、図８に示すように、脂肪のみを表現した脂肪モデルＧが付加される。また、図８に示される弾性膜モデルＦは、胆嚢管モデルＡ２及び胆嚢動脈モデルＢ１のみを覆う簡易なモデルであるが、弾性膜モデルは、図７に示される胆嚢管モデルＡ２、胆嚢動脈モデルＢ１、及び胆管モデルＣ１を全体的に覆うものであってもよい。
【００３２】
弾性膜モデルＦには、周方向に沿って等間隔に節点ｆ１が複数配設されていると共に径方向に沿って等間隔に節点ｆ１が複数配設されている。そして、弾性膜モデルＦの周方向及び径方向に隣り合う各節点ｆ１，ｆ１間には、それぞれ周方向バネｆ２及び径方向バネｆ３が配設されている。弾性膜モデルＦは、複数の層Ｌ１〜Ｌ３を有している。弾性膜配置部３ｄは、操作者の入力に基づき、弾性膜モデルＦの厚さを設定する処理を行う。また、弾性膜配置部３ｄは、操作者の入力に基づいて、脂肪モデルＧの大きさを設定する処理を行ってもよい。
また、弾性膜モデルＦ及び脂肪モデルＧそれぞれについて、大きさ（弾性膜モデルＦの膜厚や脂肪モデルＧの大きさ）が異なる複数のバリエーションを予め設定しておき、弾性膜配置部３ｄが、操作者の入力に基づいて、弾性膜モデルＦ及び脂肪モデルＧのバリエーションを選択する処理を行ってもよい。
【００３３】
また、弾性膜配置部３ｄは、操作者の入力に基づき、周方向バネｆ２にバネ定数が異なるバネが含まれるように設定する処理を行うことができる。弾性膜配置部３ｄは、同様に、径方向バネｆ３にバネ定数が異なるバネが含まれるように設定する処理を行うことができる。周方向バネｆ２及び径方向バネｆ３は、所定の張力又は伸びにより切断する物理定数を備えるものであってもよい。
【００３４】
弾性膜配置部３ｄは、周方向バネｆ２が自然長から延びて周方向バネｆ２に引張り応力が生じている拡径状態の弾性膜モデルＦを、胆嚢管及び胆嚢動脈のモデルＡ２，Ｂ１との間に適宜の隙間が生じるように配置する。
【００３５】
次に、弾性膜収縮部３ｅは、エネルギー最小化アルゴリズムによって、弾性膜モデルＦの弾性エネルギーが最小となるように変形計算（物理計算）を行い、弾性膜モデルＦを収縮させて、胆嚢管及び胆嚢動脈のモデルＡ２，Ｂ１に接触させる（ステップＳ５０）。図９は、弾性膜モデルＦを収縮させて脈管モデルＡ２，Ｂ１に接触させて得られた弾性膜付脈管モデルＮ示している。
【００３６】
この収縮計算により、様々な異型を含む胆嚢管や胆嚢動脈のモデルＡ２，Ｂ１の組み合わせに対して、その脈管の形状にフィットした漿膜、リンパ管、及び脂肪等の周辺組織のモデルＦを自動的に生成させることができる。これにより、多種多様な異型の組み合わせを想定したシナリオでの訓練の実施が可能な、実戦的な手術シミュレータを実現できる。また、膜の厚さや脂肪の付き具合には個人差があり、これらの個人差は手術の難易度にも影響するが、弾性膜モデルＦの厚さや脂肪モデルＧの大きさが可変なので、厚さの異なる周辺組織を表現でき、多様なシナリオでのより実践的な手術訓練が可能となる。
【００３７】
［３．３  モデル間の接続］
脈管モデルＡ２を剛体と考え、弾性膜を収縮する計算を行っても良いが、よりリアリティが高いモデルを生成するために、弾性膜モデルＦの変形計算と弾性膜モデルＦに囲まれている脈管モデルＡ２，Ｂ１とを連成させて変形計算しても良い．このためには、弾性膜付脈管モデルＮにおける弾性膜モデルＦと脈管モデルＡ２、Ｂ１とを接続する処理を行う（ステップＳ６０）。弾性膜モデルＦと脈管モデルＡ２，Ｂ１とを接続する方法には、例えば、下記の方法１〜３がある。なお、これらの手法は、手術シミュレーションの際の臓器モデルの変形計算手法としても利用可能である。
【００３８】
［３．３．１  バネによる接続］
方法１は、図１０（ｂ）に示すように、脈管モデルＡ２，Ｂ１と収縮した弾性膜モデルＦとを接続バネｆ４で接続する方法である（ステップＳ６１）。
この方法では、接続部３ｆは、図１０（ａ）に示すように、収縮した弾性膜モデルＦの最内周Ｌ３の各節点ｆ１から内方へ向かって仮想線Ｈを延ばし、胆嚢管及び胆嚢動脈のモデルＡ２，Ｂ１の表面とこの仮想線Ｈとの交点に脈管モデルＡ２，Ｂ１の境界節点ｆ１１を設定する。接続部３ｆは、仮想線Ｈを、弾性膜モデルＦの最内周Ｌ３の節点ｆ１とこの節点ｆ１の膜の厚さ方向外方にある節点ｆ１とを結ぶ径方向バネｆ３に沿う方向（膜の厚さ方向）に延びるよう設定する処理を行う。なお、接続部３ｆは、仮想線Ｈを弾性膜モデルＦの最内周Ｌ３から法線方向に延びるよう設定してもよい。そして、図１０（ｂ）に示すように、接続部３ｆは、弾性膜モデルＦの最内周Ｌ３の節点ｆ１と、この節点ｆ１から延びる仮想線Ｈ上にある脈管モデルＡ２，Ｂ１の境界節点ｆ１１との間に接続バネｆ４を配設する処理を行う。接続部３ｆは、弾性膜モデルＦの最内周Ｌ３の全ての節点ｆ１について上記の処理を行う。以上の処理によって、弾性膜モデルＦと脈管モデルＡ２，Ｂ１とが接続される。この計算結果は、画像表示部９に表示され、記憶部５に記憶される。
【００３９】
方法１の場合、胆嚢管や胆嚢動脈などの脈管モデルＡ２，Ｂ１は、四面体にメッシングされて前記境界節点ｆ１１を節点として含む有限要素モデルとされる。
また、手術シミュレーションでは、前記各境界節点ｆ１１を介して、弾性膜モデルＦと、脈管Ａ２，Ｂ１の有限要素モデルとを接続・連立させ、各々の変形を求める連成計算が繰り返し行われる。
この方法によれば、弾性膜モデルＦのバネｆ２，ｆ３が所定の張力又は伸びにより切断される設定とすることで、胆嚢管及び胆嚢動脈の周辺組織を切除する手術シーンを簡単に表現できる。
【００４０】
以下の方法２及び３では弾性膜付脈管モデルＮの一部又は全部の埋め込み変形モデルを生成するが、埋め込み変形モデルの詳細については非特許文献２及び３を参照されたい。
［３．３．２  埋め込み変形モデル（１）］
方法２は、図１１に示すように、弾性膜付脈管モデルＮの内側部分Ｋの埋め込み変形モデルＩを生成し、弾性膜モデルＦの最内周Ｌ３の節点ｆ１を境界節点ｆ１１として弾性膜モデルＦと埋め込み変形モデルＩとを互いに接続する方法である（ステップＳ６２）。この方法では、接続部３ｆは、粗い四面体要素（有限要素）ｉ１を、弾性膜モデルＦの内方部分、すなわち、弾性膜モデルＦの最内周面Ｌ３で囲まれる部分Ｋを包含するように配置する処理を行う。また、この粗い四面体要素ｉ１に弾性膜モデルＦによって囲まれる胆嚢管、胆嚢動脈、及びこれらの近傍のリンパ管や脂肪の幾何学的特性及び材料特性を埋め込んで、四面体要素ｉ１の変形と四面体要素ｉ１の内部の脈管等の変形との関係式を与えておく。
【００４１】
この方法の場合、手術シミュレーションでは、前記弾性膜モデルＦの最内周Ｌ３の節点ｆ１を介して、弾性膜モデルＦと、埋め込み変形モデルＩとを接続・連立させ、各々の変形を求める連成計算が繰り返し行われる。ここで、弾性膜付脈管モデルＮの内側部分Ｋの脈管Ａ２，Ｂ１等の変形は、埋め込み変形モデルＩの粗い四面体要素ｉ１の変形に基づき内挿法により求められる。
【００４２】
方法２によれば、方法１と同様、弾性膜モデルＦのバネｆ２，ｆ３が所定の張力又は伸びにより切断する設定とすることで、胆嚢管及び胆嚢動脈の周辺組織を切除する手術シーンを簡単に表現できる。
また、脈管等の精密な幾何学的特性を維持したまま、手術シミュレーションを効率良く行うことができる。
また、方法１のように、脈管について、境界節点を節点として含む有限要素モデルをメッシングする必要がないので、異型臓器のモデリング作業を簡略化できる。
【００４３】
［３．３．３  埋め込み変形モデル（２）］
方法３は、図１２に示すように、弾性膜付脈管モデルＮ全体を埋め込み変形モデルＪとする方法である（ステップＳ６３）。
この方法では、接続部３ｆは、粗い四面体要素（有限要素）ｊ１を弾性膜モデルＦ及び弾性膜モデルＦの内方全部を包含するように配置する処理を行う。また、この粗い四面体要素ｊ１に、胆嚢管や胆嚢動脈などの脈管、弾性膜モデルＫによって表現されていた脂肪、リンパ管、漿膜等、及び弾性膜モデルＫの内方部分の脂肪やリンパ管等の幾何学的特性及び材料特性を埋め込んで、四面体要素の変形と四面体要素の内部の脈管等の変形との関係式を与えておく。上記関係式は、図９に示される弾性膜付脈管モデルＮから得られる境界情報、すなわち、周辺組織とその外方の空き領域との境界ｊ２、胆嚢管と周辺組織との境界ｊ３、及び胆嚢動脈と周辺組織との境界ｊ４の情報を用いて与えられる。
【００４４】
方法３の場合、埋め込み変形モデルＪの粗い四面体要素ｊ１に外力を与え、この粗い四面体要素ｊ１の変形計算を行う。粗い四面体要素ｊ１の変形に基づき、内挿法によりその内部の脈管等の変形を求める。
方法３によれば、シミュレーションしたい全ての領域（脈管及びその周辺組織）の変形計算を連成させることなく一度に行うことができる。
【００４５】
以上に詳述した周辺組織付臓器モデル生成装置及び周辺組織付臓器モデル生成方法よれば、Ｃａｌｏｔ三角の領域の異型臓器モデルのような２本以上の脈管及びこれらを囲む周辺組織からなる手術シミュレーションのためのモデルを自動的に生成することができる。また、多種多様な異型の組み合わせを想定したシナリオでの訓練の実施が可能な、実戦的な手術シミュレータを実現できる。
【００４６】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
また、本発明の周辺組織付臓器モデル生成装置は、以下の構成を有するものとして捉えることができる。つまり、周辺組織付臓器モデル生成装置は、モデル生成部が、収縮した弾性膜モデルの最内周の節点から内方へ向けて仮想線を延ばし、前記仮想線と臓器モデルの表面との交点に節点を設け、弾性膜モデルの最内周の節点と臓器モデルの表面節点との間にバネを配置する処理を行う接続部を備えているものとして捉えることができる。
【００４７】
また、周辺組織付臓器モデル生成装置は、モデル生成部が、収縮した弾性膜モデルで囲まれる部分の埋め込み変形モデルを生成し、弾性膜モデルの最内周の節点を弾性膜モデルと埋め込み変形モデルとの境界節点に設定する処理を行う接続部を備えているものとして捉えることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１  周辺組織付臓器モデル生成装置
２  コンピュータ
３  モデル生成部
３ａ  臓器選択部
３ｂ  臓器配置部
３ｃ  臓器接続部
３ｄ  弾性膜配置部
３ｅ  弾性膜収縮部
３ｆ  接続部
４  画像生成部
５  記憶部
５ａ  肝臓・胆嚢モデルデータ記憶部
５ｂ  脈管モデルデータ記憶部
５ｃ  弾性膜モデルデータ記憶部
８  入力部
９  画像表示部
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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