(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者に対する施術前に予め取得されて前記患者の患部に対応する第１部位を含む３次元画像を用いて患者や前記患者を施術するための施術道具をトラッキングするためのオプティカルトラッキングシステムであって、
前記患者の第１部位と離隔して配置される基準マーカー部と、
前記第１部位に対して剛体整合が可能な位置の第２部位にステッカー形態で付着されるステッカーマーカー部と、
前記第１部位及び前記第２部位に対して３次元形状を測定する形状測定部と、
前記基準マーカー部及び前記形状測定部をそれぞれトラッキングするように前記基準マーカー部及び前記形状測定部をセンシングするトラッキングセンサ部と、
前記トラッキングセンサ部でセンシングされた結果及び前記形状測定部で測定された結果に基づいて、前記基準マーカー部と前記第1部位の間の第１座標変換関係を取得し、前記基準マーカー部と前記第２部位の間の第２座標変換関係を取得し、前記第１座標変換関係及び前記第２座標変換関係を用いて前記第１部位と前記第２部位との間の第３座標変換関係を抽出して前記トラッキングセンサ部に対し相対的な前記第１部位をトラッキングする処理部と
を含むオプティカルトラッキングシステム。
【請求項２】
前記処理部は、
前記形状測定部が第１位置に配置される時、前記トラッキングセンサ部でセンシングされた結果に基づいて前記基準マーカー部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係及び前記形状測定部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係を取得し、前記形状測定部で測定された結果に基づいて前記患者の第１部位と前記形状測定部との間の座標変換関係を取得して、前記第１座標変換関係を取得し、
前記形状測定部が前記第１位置と異なる第２位置に配置される時、前記トラッキングセンサ部でセンシングされた結果に基づいて前記基準マーカー部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係及び前記形状測定部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係を取得し、前記形状測定部で測定された結果に基づいて前記患者の第２部位と前記形状測定部との間の座標変換関係を取得して、前記第２座標変換関係を取得することを特徴とする請求項１に記載のオプティカルトラッキングシステム。
【請求項３】
前記形状測定部は、３次元形状を測定する測定装置及び前記測定装置に設けられるマーカーを含み、
前記トラッキングセンサ部は前記形状測定部のマーカーをセンシングし、
前記処理部は、前記形状測定部のマーカーと前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係及び前記形状測定部の前記測定装置と前記マーカーとの間の座標変換関係を取得することを特徴とする請求項１に記載のオプティカルトラッキングシステム。
【請求項４】
前記座標変換関係は座標変換行列で表され、
前記処理部は下記の数式により前記第１座標変換関係及び前記第２座標変換関係を定義することを特徴とする請求項３に記載のオプティカルトラッキングシステム。
0006450849.tif 000023
(ＰＲは、前記基準マーカー部に対する前記患者の第１部位または第２部位の座標変換行列、Ｔ１は、前記トラッキングセンサ部に対する前記基準マーカー部の座標変換行列、Ｔ２は、前記トラッキングセンサ部に対する前記形状測定部のマーカーの座標変換行列、Ｔ３は、前記形状測定部のマーカーに対する前記形状測定部の測定装置の座標変換行列、Ｔ４は、前記形状測定部の測定装置に対する前記患者の第１部位または第２部位の座標変換行列)
【請求項５】
前記トラッキングセンサ部は、前記トラッキングセンサ部に対する前記基準マーカー部の座標変換行列（Ｔ１)及び前記トラッキングセンサ部に対する前記形状測定部のマーカーの座標変換行列（Ｔ２）を取得するための情報を測定し、
前記形状測定部は、前記形状測定部の測定装置に対する前記患者の第１部位または第２部位の座標変換行列（Ｔ４）を取得するための情報を測定し、
前記処理部は、前記測定された情報を用いて前記座標変換行列（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４)を取得し、前記取得された座標変換行列（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４)から前記形状測定部のマーカーに対する前記形状測定部の測定装置の座標変換行列（Ｔ３）及び前記基準マーカー部に対する前記患者の第１部位または第２部位の座標変換行列（ＰＲ）を算出することを特徴とする請求項４に記載のオプティカルトラッキングシステム。
【請求項６】
前記トラッキングセンサ部及び前記形状測定部の測定は、前記患者の第１部位及び第２部位のそれぞれに対して２回以上行われることを特徴とする請求項５に記載のオプティカルトラッキングシステム。
【請求項７】
前記基準マーカー部に対する前記患者の第１部位の座標変換行列をＰＲ１と定義し、前記基準マーカー部に対する前記患者の第２部位の座標変換行列をＰＲ２と定義する時、前記第３座標変換関係は下記の数式により定義される座標変換行列ＰＲＸで表され、
0006450849.tif 000024
前記処理部は、前記座標変換行列ＰＲＸを用いて前記第１部位を前記トラッキングセンサ部に対し相対的にトラッキングすることを特徴とする請求項５に記載のオプティカルトラッキングシステム。
【請求項８】
前記処理部は、前記患者に対して施術前に予め取得された３次元画像の座標系及び前記患者の第１部位の座標系を前記形状測定部で測定された３次元形状に基づいて整合することを特徴とする請求項１に記載のオプティカルトラッキングシステム。
【請求項９】
前記処理部は、前記患者に対して施術前に予め取得された３次元画像の座標系及び前記患者の第１部位の座標系を前記形状測定部で測定された前記患者の第２部位の３次元形状及び前記第３座標変換関係に基づいて再整合することを特徴とする請求項８に記載のオプティカルトラッキングシステム。
【請求項１０】
前記患者を施術するために提供されてマーカーを含む施術道具をさらに含み、
前記トラッキングセンサ部は、前記施術道具をトラッキングするように前記施術道具のマーカーをセンシングし、
前記処理部は、前記トラッキングセンサ部でトラッキングされた前記施術道具のトラッキング結果及び前記トラッキングセンサ部に対し相対的にトラッキングされた前記患者の第１部位のトラッキング結果から、前記患者の第１部位に対し相対的に前記施術道具をトラッキングすることを特徴とする請求項１に記載のオプティカルトラッキングシステム。
【請求項１１】
前記ステッカーマーカー部は、３次元形態のマーカーを含むことを特徴とする請求項１に記載のオプティカルトラッキングシステム。
【請求項１２】
前記ステッカーマーカー部は、複数に形成されて互いに異なる部位にそれぞれ付着されることを特徴とする請求項１に記載のオプティカルトラッキングシステム。
【請求項１３】
患者に対する施術前に予め取得されて前記患者の患部に対応する第1部位を含む３次元画像を用いて患者や前記患者を施術するための施術道具をトラッキングするためのオプティカルトラッキングシステムの作動方法であって、
前記オプティカルトラッキングシステムのトラッキングセンサ部で、前記患者の第１部位と離隔して配置される基準マーカー部及び前記第１部位に対して３次元形状を測定するように第１位置に配置される形状測定部をセンシングする段階と、
前記オプティカルトラッキングシステムの処理部で、前記トラッキングセンサ部でセンシングされた結果及び前記第１位置に配置された前記形状測定部で測定された結果に基づいて、前記基準マーカー部と前記第1部位の間の第１座標変換関係を取得する段階と、
前記トラッキングセンサ部で、前記第１部位に対して剛体整合が可能な位置の第２部位にステッカー形態で付着されるステッカーマーカー部及び前記第２部位に対して３次元形状を測定するように第２位置に配置される形状測定部をセンシングする段階と、
前記処理部で、前記トラッキングセンサ部でセンシングされた結果及び前記第２位置に配置された前記形状測定部で測定された結果に基づいて、前記基準マーカー部と前記第２部位の間の第２座標変換関係を取得する段階と、
前記処理部で、前記第１座標変換関係及び前記第２座標変換関係を用いて前記第１部位と前記第２部位との間の第３座標変換関係を抽出して前記トラッキングセンサ部に対し相対的な前記第１部位をトラッキングする段階と
を含むオプティカルトラッキングシステムの作動方法。
【請求項１４】
前記第１座標変換関係を取得する段階は、
前記処理部で、前記トラッキングセンサ部でセンシングされた結果に基づいて前記基準マーカー部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係及び前記形状測定部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係を取得し、前記形状測定部で測定された結果に基づいて前記患者の第１部位と前記形状測定部との間の座標変換関係を取得して、前記第１座標変換関係を取得する段階を含み、
前記第２座標変換関係を取得する段階は、
前記処理部で、前記トラッキングセンサ部でセンシングされた結果に基づいて前記基準マーカー部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係及び前記形状測定部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係を取得し、前記形状測定部で測定された結果に基づいて前記患者の第２部位と前記形状測定部との間の座標変換関係を取得して、前記第２座標変換関係を取得する段階を含むことを特徴とする請求項１３に記載のオプティカルトラッキングシステムの作動方法。
【請求項１５】
前記処理部で、前記患者に対して施術前に取得された３次元画像の座標系及び前記患者の第１部位の座標系を前記形状測定部で測定された３次元形状に基づいて整合する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載のオプティカルトラッキングシステムの作動方法。
【請求項１６】
前記トラッキングセンサ部で、前記患者を施術するための施術道具をトラッキングするように前記施術道具のマーカーをセンシングする段階と、
前記処理部で、前記トラッキングセンサ部でトラッキングされた前記施術道具のトラッキング結果及び前記トラッキングセンサ部に対し相対的にトラッキングされた前記患者の第１部位のトラッキング結果から、前記患者の第１部位に対し相対的に前記施術道具をトラッキングする段階と
をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載のオプティカルトラッキングシステムの作動方法。
【請求項１７】
前記患者の第１部位に対し相対的に前記施術道具をトラッキングする段階以後に、
前記処理部で、前記取得された３次元画像の座標系及び前記施術道具のトラッキングにより前記患者の第１部位に対し相対的に定義される前記施術道具の座標系を前記３次元画像の座標系及び前記患者の第１部位の座標系の整合結果に基づいて整合する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載のオプティカルトラッキングシステムの作動方法。
【請求項１８】
患者に対する施術前に予め取得されて前記患者の患部に対応する第１部位を含む３次元画像を用いて患者や前記患者を施術するための施術道具をトラッキングするためのオプティカルトラッキングシステムであって、
前記第１部位に対して剛体整合が可能な位置の第２部位にステッカー形態で付着されるステッカーマーカー部と、
前記第１部位及び前記第２部位に対して３次元形状を測定する形状測定部と、
前記ステッカーマーカー部及び前記形状測定部をそれぞれトラッキングするように前記ステッカーマーカー部及び前記形状測定部をセンシングするトラッキングセンサ部と、
前記トラッキングセンサ部でセンシングされた結果に基づいて前記ステッカーマーカー部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係及び前記形状測定部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係を取得し、前記形状測定部で測定された結果に基づいて前記患者の第１部位と前記形状測定部との間の座標変換関係を取得して、前記取得された座標変換関係から前記ステッカーマーカー部に対し相対的な前記患者の第１部位の座標系を定義する処理部と
を含むオプティカルトラッキングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オプティカルトラッキングシステム及びオプティカルトラッキングシステムのトラッキング方法に関し、更に詳しくは、患者や施術道具をトラッキングするためのオプティカルトラッキングシステム及びオプティカルトラッキングシステムのトラッキング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、患者の患部を治療する手術において、既撮影された画像を用いた画像誘導手術(ｉｍａｇｅ−ｇｕｉｄｅｄ  ｓｕｒｇｅｒｙ)が多く活用されている。特に、患者身体内の重要な神経と主要な臓器を回避しながら手術を進めなければならない場合には、既撮影された画像を基盤として高い精度を有する手術を行うことが要求される。
【０００３】
一般に、既撮影された画像は、ＭＲＩ撮影、ＣＴ撮影などにより取得された３次元画像を含み、手術開始時には、このような既撮影された３次元画像の座標系と患者の座標系を互いに一致させる整合(ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ)が必要で、手術進行中には患者や手術道具の動きによる位置及び姿勢変化をリアルタイムで把握することが必要である。また、手術中に患者の姿勢が変わる場合、患者の座標系を再整合(ｒｅ−ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ)して患者あるいは患部を持続的に追跡することが必要である。
【０００４】
従来は、このような整合及びトラッキングのために動的参照装置(ｄｙｎａｍｉｃ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｂａｓｅ、ＤＲＢ)が活用されてきた。即ち、事前に前記動的参照装置を患者に付着した後、ＣＴのような３次元画像を撮影し、手術開始時に前記３次元画像の座標系と患者の座標系を互いに整合した後、手術進行中には、前記動的参照装置に基づいて手術道具をトラッキングすることにより、患者の患部に対する相対的な手術道具の位置などをトラッキングする。この場合、整合のために前記動的参照装置が患者に固定されたままで事前に３次元画像が撮影される必要があり、正確なトラッキングのために厳格に患者に固定される必要がある。
【０００５】
このために、従来は、例えば、患者の骨の部分にマーカー(ｍａｒｋｅｒ)を打ち込んだ後、これをセンシングしてトラッキングする方法、患者の歯にマーカーが付着されたテンプレート(ｔｅｍｐｌａｔｅ)をかまし、これをセンシングしてトラッキングする方法などが採用されたり、人工構造物を生成して加工されたスタンプ（ＳＴＡＭＰ、Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｔｅｍｐｌａｔｅ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｍａｒｋｅｒ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ)を用いる方法などが採用されてきた。
【０００６】
しかし、前記のような従来の方法は、マーカー付着の困難と骨に打ち込むことで生じる副作用、歯にかますことにより発生し得るマーカーの位置変化による精度及び信頼性の減少、手術前に高価なスタンプを製作しなければならない煩わしさと製作に要される多くの時間と費用等のような様々な問題がある。また、従来の方法の場合、動的参照装置が厳格に患者に固定されるとしても、患者が動く場合には、前記動的参照装置と患者の患部との間の距離、姿勢などが変わることがあるので、正確なトラッキングがなされず、再整合もできず、これを用いることができない問題がある。従って、従来の方法の場合、患者が動かないと仮定して手術を進めるが、現実的に手術中に患者が動く場合が多いので、実質的に正確なトラッキングがなされるには困難がある。
【０００７】
従って、より短時間に少ない費用で、正確な整合結果を取得できるトラッキング方法の開発が要請され、手術中に患者が動いたり姿勢が変わる場合にも、トラッキングが比較的正確で容易なトラッキングシステム及びトラッキング方法の開発が求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明が解決しようとする課題は、より短時間に少ない費用で、正確かつ容易に患者や施術道具をトラッキングすることができ、患者や施術者の便宜性を向上させることができるオプティカルトラッキングシステムを提供することにある。
【０００９】
本発明が解決しようとする他の課題は、より短時間に少ない費用で、正確かつ容易に患者や施術道具をトラッキングすることができ、患者や施術者の便宜性を向上させることができるオプティカルトラッキングシステムのトラッキング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の例示的な一実施例によるオプティカルトラッキングシステム(ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｃｋｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ)は、患者に対する施術前に予め取得されて前記患者の患部に対応する第１部位を含む３次元画像を用いて患者や前記患者を施術するための施術道具をトラッキングするために提供される。前記オプティカルトラッキングシステムは、基準マーカー(ｍａｒｋｅｒ)部、ステッカーマーカー部、形状測定部、トラッキングセンサ部及び処理部を含む。前記基準マーカー部は、前記患者の第１部位に相対的に固定配置される。前記ステッカーマーカー部は、前記第１部位に対して剛体整合が可能な位置の第２部位にステッカー形態で付着される。前記形状測定部は、前記第１部位及び前記第２部位に対して３次元形状を測定する。前記トラッキングセンサ部は、前記基準マーカー部及び前記形状測定部をそれぞれトラッキングするように前記基準マーカー部及び前記形状測定部をセンシング(ｓｅｎｓｉｎｇ)する。前記処理部は、前記トラッキングセンサ部でセンシングされた結果及び前記形状測定部で測定された結果に基づいて、前記基準マーカー部、前記トラッキングセンサ部、前記形状測定部及び前記患者の第１部位の間の第１座標変換関係を取得し、前記基準マーカー部、前記トラッキングセンサ部、前記形状測定部及び前記患者の第２部位の間の第２座標変換関係を取得して、前記第１及び第２座標変換関係から前記第１部位と前記第２部位との間の第３座標変換関係を抽出して、前記トラッキングセンサ部に対し相対的な前記第１部位をトラッキングする。
【００１１】
一実施例によれば、前記処理部は、前記形状測定部が第１位置に配置される時、前記トラッキングセンサ部でセンシングされた結果に基づいて、前記基準マーカー部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係及び前記形状測定部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係を取得し、前記形状測定部で測定された結果に基づいて前記患者の第１部位と前記形状測定部との間の座標変換関係を取得して、前記第１座標変換関係を取得することができる。また、前記処理部は、前記形状測定部が前記第１位置と異なる第２位置に配置される時、前記トラッキングセンサ部でセンシングされた結果に基づいて前記基準マーカー部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係、及び前記形状測定部と前記トラッキングセンサ部のと間の座標変換関係を取得し、前記形状測定部で測定された結果に基づいて前記患者の第２部位と前記形状測定部との間の座標変換関係を取得して、前記第２座標変換関係を取得することができる。
【００１２】
例えば、前記形状測定部は、３次元形状を測定する測定装置及び前記測定装置に設けられたマーカーを含み得、前記トラッキングセンサ部は、前記形状測定部のマーカーをセンシングすることができる。前記処理部は、前記形状測定部のマーカーと前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係及び前記形状測定部の前記測定装置と前記マーカーとの間の座標変換関係を取得することができる。
【００１３】
例えば、前記座標変換関係は、座標変換行列で表されることができ、前記処理部は、下記の数式により前記第１座標変換関係及び前記第２座標変換関係を定義することができる。
0006450849.tif 000002
(ＰＲは、前記基準マーカー部に対する前記患者の第１部位または第２部位の座標変換行列、Ｔ１は、前記トラッキングセンサ部に対する前記基準マーカー部の座標変換行列、Ｔ２は、前記トラッキングセンサ部に対する前記形状測定部のマーカーの座標変換行列、Ｔ３は、前記形状測定部のマーカーに対する前記形状測定部の測定装置の座標変換行列、Ｔ４は、前記形状測定部の測定装置に対する前記患者の第１部位または第２部位の座標変換行列)
【００１４】
一実施例によれば、前記トラッキングセンサ部は、前記トラッキングセンサ部に対する前記基準マーカー部の座標変換行列（Ｔ１）及び前記トラッキングセンサ部に対する前記形状測定部のマーカーの座標変換行列（Ｔ２）を取得するための情報を測定することができ、前記形状測定部は、前記形状測定部の測定装置に対する前記患者の第１部位または第２部位の座標変換行列（Ｔ４）を取得するための情報を測定することができる。前記処理部は、前記測定された情報を用いて前記座標変換行列（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４）を取得し、前記取得された座標変換行列（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４）から前記形状測定部のマーカーに対する前記形状測定部の測定装置の座標変換行列（Ｔ３）及び前記基準マーカー部に対する前記患者の第１部位または第２部位の座標変換行列（ＰＲ）を算出することができる。
【００１５】
例えば、前記トラッキングセンサ部及び前記形状測定部の測定は、前記患者の第１部位及び第２部位のそれぞれに対して２回以上実行することができる。
【００１６】
前記基準マーカー部に対する前記患者の第１部位の座標変換行列をＰＲ１と定義し、前記基準マーカー部に対する前記患者の第２部位の座標変換行列をＰＲ２と定義する時、前記第３座標変換関係は下記の数式により定義される座標変換行列ＰＲＸで表される。
0006450849.tif 000003
【００１７】
この時、前記処理部は、前記座標変換行列ＰＲＸを用いて前記第１部位を前記トラッキングセンサ部に対し相対的にトラッキングできる。
【００１８】
前記処理部は、前記患者に対して施術前に予め取得された３次元画像の座標系及び前記患者の第１部位の座標系を前記形状測定部で測定された３次元形状に基づいて整合することができる。また、前記処理部は、前記患者に対して施術前に予め取得された３次元画像の座標系及び前記患者の第１部位の座標系を前記形状測定部で測定された前記患者の第２部位の３次元形状及び前記第３座標変換関係に基づいて再整合することができる。
【００１９】
前記オプティカルトラッキングシステムは、前記患者を施術するために提供されてマーカーを含む施術道具をさらに含むことができる。前記トラッキングセンサ部は、前記施術道具をトラッキングするように前記施術道具のマーカーをセンシングし、前記処理部は、前記トラッキングセンサ部でトラッキングされた前記施術道具のトラッキング結果及び前記トラッキングセンサ部に対し相対的にトラッキングされた前記患者の第１部位のトラッキング結果から、前記患者の第１部位に対し相対的に前記施術道具をトラッキングできる。
【００２０】
例えば、前記ステッカーマーカー部は、３次元形態のマーカーを含むことができ、複数に形成されて互いに異なる部位にそれぞれ付着され得る。
【００２１】
前記処理部は、前記患者に対する施術前に予め取得された３次元画像の座標系及び前記患者に対し相対的に定義された前記施術道具の座標系を、前記３次元画像の座標系及び前記患者の座標系の整合の結果に基づいて整合することができる。
【００２２】
本発明の例示的な一実施例によるオプティカルトラッキングシステムのトラッキング方法は、患者に対する施術前に前記患者の患部に対応する第１部位を含む３次元画像を取得する段階と、前記患者の第１部位に相対的に固定配置された基準マーカー部及び前記第１部位に対して３次元形状を測定するように第１位置に配置される形状測定部をトラッキングセンサ部によりセンシングする段階と、前記トラッキングセンサ部でセンシングされた結果及び前記第１位置に配置される前記形状測定部で測定された結果に基づいて、前記基準マーカー部、前記トラッキングセンサ部、前記形状測定部及び前記患者の第１部位の間の第１座標変換関係を取得する段階と、前記第１部位に対して剛体整合が可能な位置の第２部位にステッカー形態で付着されるステッカーマーカー部及び前記第２部位に対して３次元形状を測定するように第２位置に配置される形状測定部をトラッキングセンサ部によりセンシングする段階と、前記トラッキングセンサ部でセンシングされた結果及び前記第２位置に配置された前記形状測定部で測定された結果に基づいて、前記基準マーカー部、前記トラッキングセンサ部、前記形状測定部及び前記患者の第２部位の間の第２座標変換関係を取得する段階と、前記第１及び第２座標変換関係から前記第１部位と前記第２部位との間の第３座標変換関係を抽出して前記トラッキングセンサ部に対し相対的な前記第１部位をトラッキングする段階とを含む。
【００２３】
一実施例によれば、前記第１座標変換関係を取得する段階は、前記トラッキングセンサ部でセンシングされた結果に基づいて前記基準マーカー部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係及び前記形状測定部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係を取得し、前記形状測定部で測定された結果に基づいて前記患者の第１部位と前記形状測定部との間の座標変換関係を取得して、前記第１座標変換関係を取得する段階を含むことができる。前記第２座標変換関係を取得する段階は、前記トラッキングセンサ部でセンシングされた結果に基づいて前記基準マーカー部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係及び前記形状測定部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係を取得し、前記形状測定部で測定された結果に基づいて前記患者の第２部位と前記形状測定部との間の座標変換関係を取得して、前記第２座標変換関係を取得する段階を含むことができる。
【００２４】
例えば、前記オプティカルトラッキングシステムのトラッキング方法は、前記患者に対して施術前に取得された３次元画像の座標系及び前記患者の第１部位の座標系を前記形状測定部で測定された３次元形状に基づいて整合する段階をさらに含むことができる。
【００２５】
前記オプティカルトラッキングシステムのトラッキング方法は、前記患者を施術するための施術道具をトラッキングするように前記施術道具のマーカーをセンシングする段階と、前記トラッキングセンサ部でトラッキングされた前記施術道具のトラッキング結果及び前記トラッキングセンサ部に対し相対的にトラッキングされた前記患者の第１部位のトラッキング結果から、前記患者の第１部位に対し相対的に前記施術道具をトラッキングする段階とをさらに含むことができる。
【００２６】
前記患者の第１部位に対し相対的に前記施術道具をトラッキングする段階以後に、前記オプティカルトラッキングシステムのトラッキング方法は、前記取得された３次元画像の座標系及び前記施術道具のトラッキングにより前記患者の第１部位に対し相対的に定義される前記施術道具の座標系を前記３次元画像の座標系及び前記患者の第１部位の座標系の整合結果に基づいて整合する段階をさらに含むことができる。
【００２７】
本発明の例示的な他の実施例によるプティカルトラッキングシステムは、患者に対する施術前に予め取得されて前記患者の患部に対応する第１部位を含む３次元画像を用いて患者や前記患者を施術するための施術道具をトラッキングするために提供される。前記プティカルトラッキングシステムは、ステッカーマーカー部、形状測定部、トラッキングセンサ部及び処理部を含む。前記ステッカーマーカー部は、第１部位に対して剛体整合が可能な位置の第２部位にステッカー形態で付着される。前記形状測定部は、前記第１部位及び前記第２部位に対して３次元形状を測定する。前記トラッキングセンサ部は、前記ステッカーマーカー部及び前記形状測定部をそれぞれトラッキングするように前記ステッカーマーカー部及び前記形状測定部をセンシングする。前記処理部は、前記トラッキングセンサ部でセンシングされた結果に基づいて前記ステッカーマーカー部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係及び前記形状測定部と前記トラッキングセンサ部との間の座標変換関係を取得し、前記形状測定部で測定された結果に基づいて前記患者の第１部位と前記形状測定部との間の座標変換関係を取得して、前記取得された座標変換関係から前記ステッカーマーカー部に対し相対的な前記患者の座標系を定義する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、オプティカルトラッキングシステムが患部に対して剛体整合が可能な位置にステッカーマーカー部を備えて、形状測定部で前記患部と前記ステッカーマーカー部に対して３次元形状を測定し、トラッキングセンサ部で前記形状測定部と基準マーカー部をセンシングして、これらの間の座標変換関係から前記患部と前記ステッカーマーカー部との間の座標変換関係を抽出することにより、前記座標変換関係を用いて前記形状測定部が前記ステッカーマーカー部をトラッキングする作業のみで前記トラッキングセンサ部に対する前記患部の位置及び姿勢などをトラッキングできる。
【００２９】
また、前記形状測定部が前記ステッカーマーカー部を測定する過程が容易に再実行され得るので、前記患者が動いたり姿勢が変わる場合にも、前記患部と前記ステッカーマーカー部との間の座標変換関係を用いて施術時に容易に前記患部及び前記施術道具をリアルタイムで正確にトラッキングできる。
【００３０】
また、施術が開始された以後に、前記形状測定部は、前記患部を測定する必要なく前記ステッカーマーカー部を測定すれば、前記患部をトラッキングできるので、施術中に前記患部を測定するために前記形状測定部を移動させる必要がなく、施術中に前記形状測定部が前記患部の周囲に位置することにより施術に妨げとなる問題を防止することができる。さらに、前記ステッカーマーカー部が付着される位置は比較的自由に選定され得るので、施術中の前記形状測定部の位置を施術に妨げとならない位置に配置することができる。また、前記ステッカーマーカー部は、ステッカー付着型であるため、施術に妨げとならない形態で形成され得、施術に妨げとならない位置に付着され得、複数のステッカーマーカー部を採用して施術に妨げとならないように活用することができる。
【００３１】
また、前記ステッカーマーカー部を３次元形態に製作する場合、特徴点の追加により整合をさらに容易にすることができ、前記トラッキングセンサ部で前記ステッカーマーカー部を直接トラッキングすることにより前記基準マーカー部を省略することができる。また、２つ以上のステッカーマーカー部及びこれに対応する２つ以上の形状測定部を採用する場合、前記ステッカーマーカー部の間の座標変換関係を用いて角度の測定が可能なので、膝の手術のような施術時にも角度の測定により施術が可能であり得る。
【００３２】
また、施術時に測定された前記患者の３次元形状の自体を標識に整合が可能なので、動的参照装置（ＤＲＢ）を患者に直接付着しなくても、施術前に予め取得された３次元画像の座標系と施術時にリアルタイムで移動され得る患者の座標系及び施術道具の座標系を互いに整合することができる。また、事前に前記３次元画像を取得する時にも、前記動的参照装置を付着する必要がなく、いつでも座標系の再設定及び再整合が可能であり得る。
【００３３】
従って、マーカーを患者に直接付着することで引き起こされる患者の苦痛と誤差、手術前にスタンプを製作しなければならない等の作業の煩わしさと多くの所要時間及び費用等のような従来技術の問題を解決することができる。
【００３４】
即ち、別途の準備過程なしに手術室内で迅速に患者の座標系を設定して、画像整合を行うことができるので、より短時間及び少ない費用で正確かつ容易に患者の座標系及び施術道具の座標系設定及び画像整合が可能で、患者に直接付着される動的参照装置ＤＲＢの代わりにステッカー形態のステッカーマーカー部を用いて、患者の苦痛及び副作用を軽減することができる。
【００３５】
従って、本発明によるオプティカルトラッキング装置及びこれを用いるオプティカルトラッキング方法によれば、患者及び施術者共の利便性を大きく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステムを示す概念図である。
【図２】図１のオプティカルトラッキングシステムのモデリング過程を説明するための概念図である。
【図３】図１のオプティカルトラッキングシステムのモデリング過程を説明するための概念図である。
【図４】図１のオプティカルトラッキングシステムのモデリング過程を説明するための概念図である。
【図５】図１のオプティカルトラッキングシステムで施術道具のトラッキング及び整合を説明するための概念図である。
【図６】本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステムの座標系整合方法及びトラッキング方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明は多様な変更を加えることができ、多様な形態を有することができるところ、特定実施例を図面に例示して本文に詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の開示形態に対して限定しようというものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物ないし代替物を含むと理解されるべきである。
【００３８】
第１、第２等の用語は、多様な構成要素を説明するのに用いられるが、前記構成要素は、前記用語により限定されてはならない。前記用語は１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられる。例えば、本発明の権利範囲を逸脱せず、第１構成要素は第２構成要素と命名され得、同様に第２構成要素も第１構成要素と命名され得る。
【００３９】
本出願で用いた用語は、単に特定の実施例を説明するために用いられたもので、本発明を限定しようという意図ではない。単数の表現は文脈上明確に異なって言及しない以上、複数の表現を含む。本出願で、「含む」または「有する」などの用語は、明細書に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようというものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加の可能性を予め排除しないと理解されなければならない。
【００４０】
別に定義されない限り、技術的であったり科学的な用語を含めてここで用いられる全ての用語は、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者に一般に理解されるものと同一の意味を有する。
【００４１】
一般に用いられる辞典に定義されている用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有すると解釈されるべきで、本出願で明確に定義していない限り、理想的であったり過度に形式的な意味に解釈されない。
【００４２】
以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施例をより詳細に説明する。
【００４３】
図１は、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステムを示す概念図である。
【００４４】
図１を参照すると、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステム（ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｃｋｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）は、患者１０に対する施術前に予め取得されて前記患者１０の患部に対応する第１部位１２を含む３次元画像を用いて患者１０や前記患者１０を施術するための施術道具をトラッキングするために提供される。
【００４５】
前記３次元画像は、前記患者１０に対する施術前に予め取得された画像であって、前記患者１０に対する施術時に基準画像として活用され得る。ここで、前記施術は、手術を含む患者に対する医療的治療行為の全体を含む。例えば、前記３次元画像は、診断及び治療のために病院で一般に取得するＣＴ(コンピュータ断層撮影、ｃｏｍｐｕｔｅｄ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ)画像を含み得る。これとは異なり、前記３次元画像はＭＲＩ(磁気共鳴画像、ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｉｍａｇｉｎｇ)などのような他の３次元画像を含み得る。また、ここで前記３次元画像は、ＣＴ画像のように直接撮影された画像を操作したり再構成した画像も含む概念であって、実際の施術時に広く活用される多平面再構成画像及び３次元再構成画像も全て含む概念である。
【００４６】
前記オプティカルトラッキングシステム１００は、基準マーカー（ｍａｒｋｅｒ）部１１０、形状測定部１２０、トラッキングセンサ部１３０、処理部１４０及びステッカーマーカー部ＳＴＫを含む。前記オプティカルトラッキングシステム１００は、患者１０に対する施術前に予め取得され、前記患者１０の患部に対応する第１部位１２を含む３次元画像を用いて患者１０や前記患者１０を施術するための施術道具をトラッキングするために提供される。
【００４７】
前記基準マーカー部１１０は、前記患者１０の第１部位１２に相対的に固定配置される。前記第１部位１２は、前記患者１０の患部に対応する部位であって、施術の対象となる部位である。
【００４８】
前記基準マーカー部１１０には、マーカー１１２が設けられ、前記マーカー１１２は後述するトラッキングセンサ部１３０でセンシングが可能にエネルギーまたは信号を発生させ得る。例えば、前記基準マーカー部１１０には、複数のマーカーが設けられ、所定のパターンが形成された１つのマーカーが設けられることもできる。
【００４９】
前記基準マーカー部１１０は、従来の動的参照装置（ＤＲＢ）と対応するが、前記基準マーカー部１１０は、従来の動的参照装置と異なって整合の基準にならないので、ＣＴ、ＭＲＩのような前記３次元画像を撮影する時、これを前記患者１０に付着する必要がない。また、従来の動的参照装置は、必ず前記患者１０に直接付着されなければならず、前記患者１０に厳格に固定されなければならないのに対し、前記基準マーカー部１１０は、前記患者１０に直接付着されてもよいが、前記患者１０に相対的に固定されさえすればよいので、手術室のベッドなど他の固定物体に付着され得、前記患者１０に厳格に固定される必要がない。
【００５０】
前記ステッカーマーカー部ＳＴＫは、前記第１部位１２に対して剛体整合が可能な位置の第２部位１４にステッカー形態で付着される。前記第２部位１４は、前記第１部位１２に対して剛体整合が可能であれば、どの位置に形成されても問題ない。また、前記剛体整合とは、厳密な意味の剛体整合である必要はなく、前記患者１０に対する施術の精密性及び正確性などにより柔軟に解釈され得る。
【００５１】
例えば、前記ステッカーマーカー部ＳＴＫは、３次元形態のマーカーを含み得、複数に形成されて互いに異なる部位にそれぞれ付着され得る。
【００５２】
前記形状測定部１２０は、前記第１部位及び前記第２部位１４に対して３次元形状を測定する。
【００５３】
一実施例によれば、前記形状測定部１２０は、測定装置１２２及びマーカー１２４を含み得る。
【００５４】
前記測定装置１２２は、前記３次元画像が含む前記患者１０の第１部位１２に対して３次元形状を測定し、前記第１部位１２に対して剛体整合が可能な位置に存在する前記患者１０の第２部位１４に対して３次元形状を測定する。この時、前記形状測定部１２０は、前記第１部位１２に対応して第１位置に配置され得、前記第２部位１４に対応して第２位置に配置され得る。前記第１位置と前記第２位置は、それぞれ前記第１部位１２及び前記第２部位１４に対応して配置されるので、互いに異なる位置であることが好ましいが、同一の位置であっても問題ない。
【００５５】
一実施例によれば、前記測定装置１２２は、格子パターン光を前記患者１０の前記第１部位１２または前記第２部位１４に照射し、前記格子パターン光による前記患者１０の前記第１部位１２または前記第２部位１４に対する反射イメージを取得した後、前記取得された反射イメージにバケットアルゴリズム（ｂｕｃｋｅｔ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を適用して３次元形状を測定できる。また、前記測定された３次元形状から３次元画像を取得することもできる。
【００５６】
他の実施例によれば、前記測定装置１２２は、光干渉断層撮影（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ；ＯＣＴ）装置を含むこともできる。 前記光干渉断層撮影装置は、光の干渉現象と共焦点顕微鏡の原理を組み合わせて生体組織の内部の微細構造を３次元画像化できる高い分解能を有する画像診断装置であって、例えば、近赤外線（波長０．６μｍ〜１．３μｍ）領域の光源を用いて非接触式及び非侵襲的に生体組織の断面を画像化する光学的断層撮影装置である。具体的には、例えば、前記光干渉断層撮影装置は、マイケルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）干渉計に基づいて動作することができる。即ち、光源から発生した光信号が光カプラで２つの光信号に分けられて基準端とサンプル端に入射されれば、前記基準端から戻ってきた基準光と前記サンプル端から後方散乱されたサンプル光が再び会って光干渉を引き起こさせ、このような光干渉信号を用いて撮影対象の断面が画像化され得る。
【００５７】
前記マーカー１２４は、前記測定装置１２２に設けられる。前記マーカー１２４は、後述するトラッキングセンサ部１３０でセンシングが可能にエネルギーまたは信号を発生させ得る。例えば、前記形状測定部１２０には、複数のマーカーが設けられ、所定のパターンが形成された１つのマーカーが設けられることもある。
【００５８】
前記トラッキングセンサ部１３０は、前記基準マーカー部１１０及び前記形状測定部１２０をそれぞれトラッキングできるように前記基準マーカー部１１０及び前記形状測定部１２０をセンシング（Ｓｅｎｓｉｎｇ）する。
【００５９】
例えば、前記トラッキングセンサ部１３０は、前記基準マーカー部１１０のマーカー１１２をセンシングすることができ、前記形状測定部１２０のマーカー１２４をセンシングすることができる。これにより、前記基準マーカー部１１０の位置及び/又は姿勢が分かり、前記形状測定部１２０の位置及び/又は姿勢が分かる。
【００６０】
前記処理部１４０は、例えば、コンピュータまたはコンピュータの中央処理装置を含み得る。
【００６１】
前記処理部１４０は、前記トラッキングセンサ部１３０でセンシングされた結果及び前記形状測定部１２０で測定された結果に基づいて、前記基準マーカー部１１０、前記トラッキングセンサ部１３０、前記形状測定部１２０及び前記患者の第１部位１２の間の第１座標変換関係を取得し、前記基準マーカー部１１０、前記トラッキングセンサ部１３０、前記形状測定部１２０及び前記患者の第２部位１４の間の第２座標変換関係を取得する。前記処理部１４０は、第１及び第２座標変換関係から前記第１部位１２及び第２部位１４の間の第３座標変換関係を抽出して前記トラッキングセンサ部１３０に対し相対的な前記第１部位１２をトラッキングする。
【００６２】
具体的には、前記処理部１４０は、前記形状測定部１２０が前記第１位置に配置される時、前記トラッキングセンサ部１３０でセンシングされた結果に基づいて、前記基準マーカー部１１０と前記トラッキングセンサ部１３０との間の座標変換関係及び前記形状測定部１２０と前記トラッキングセンサ部１３０との間の座標変換関係を取得する。これにより、前記処理部１４０は、前記形状測定部１２０で測定された結果に基づいて、前記患者１０の第１部位１２と前記形状測定部１２０との間の座標変換関係を取得する。このように取得された前記座標変換関係から前記第１座標変換関係が取得され得る。ここで、前記座標変換関係は、例えば、行列形態で定義され得る。
【００６３】
また、前記処理部１４０は、前記形状測定部１２０が前記第２位置に配置される時、前記トラッキングセンサ部１３０でセンシングされた結果に基づいて、前記基準マーカー部１１０と前記トラッキングセンサ部１３０との間の座標変換関係及び前記形状測定部１２０と前記トラッキングセンサ部１３０との間の座標変換関係を取得する。これにより、前記処理部１４０は、前記形状測定部１２０で測定された結果に基づいて前記患者１０の第２部位１４と前記形状測定部１２０との間の座標変換関係を取得する。このように取得された前記座標変換関係から前記第２座標変換関係が取得され得る。ここで、前記座標変換関係は、例えば、行列形態で定義され得る。
【００６４】
前記処理部１４０は、取得された前記第１及び第２座標変換関係から前記第１部位１２と前記第２部位１４との間の第３座標変換関係を抽出し、前記トラッキングセンサ部１３０に対し相対的な前記第１部位１２をトラッキングする。
【００６５】
一方、前記形状測定部１２０の前記測定装置１２２の測定位置と前記形状測定部１２０のマーカー１２４の位置は多少差があるので、正確な座標系の定義のために前記測定装置１２２と前記マーカー１２４との間の位置差による誤差をキャリブレーション（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）することもできる。これにより、前記処理部１４０は、前記形状測定部１２０のマーカー１２４と前記トラッキングセンサ部１３０との間の座標変換関係及び前記形状測定部１２０の前記測定装置１２２と前記マーカー１２４との間の座標変換関係を別個に取得することができる。例えば、前記座標変換関係は、座標変換行列で表され得る。
【００６６】
以下、前記座標変換関係を用いて前記患者１０の第１部位１２をトラッキングするための前記オプティカルトラッキングシステム１００のモデリング設定及び解決過程を図面を参照してさらに詳細に説明する。
【００６７】
図２〜図４は、図１のオプティカルトラッキングシステムのモデリング過程を説明するための概念図である。
【００６８】
図２を参照すると、前記オプティカルトラッキングシステム１００は、前記座標変換関係を座標変換行列Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４及びＰＲでそれぞれ示すことができる。
【００６９】
ここで、ＰＲは、前記基準マーカー部１１０に対する前記患者１０の所定部位１６の座標変換行列、Ｔ１は、前記トラッキングセンサ部１３０に対する前記基準マーカー部１１０の座標変換行列、Ｔ２は、前記トラッキングセンサ部１３０に対する前記形状測定部１２０のマーカー１２４の座標変換行列、Ｔ３は、前記形状測定部１２０のマーカー１２４に対する測定装置１２２の座標変換行列、Ｔ４は、前記形状測定部１２０の測定装置１２２に対する前記患者１０の所定部位１６の座標変換行列を意味する。ここで、前記所定部位１６は、前記第１部位１２及び前記第２部位１４を含む前記患者１０の特定部位を意味する。
【００７０】
前記基準マーカー部１１０に対する前記患者１０の所定部位１６の座標変換行列ＰＲを図２に示された矢印方向に基づいて閉ループ（ｃｌｏｓｅｄ  ｌｏｏｐ）を形成するようにＴ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４で表すと、数式1が得られる。
【００７１】
【数１】
0006450849.tif 000004
【００７２】
一方、前記トラッキングセンサ部１３０から前記患者１０まで互いに異なる２つの経路を閉ループになるように形成して数式２を得た後、これを変形しても同一の結果である数式１が得られる。
【００７３】
【数２】
0006450849.tif 000005
【００７４】
前記処理部１４０は、数式１（または、数式２）により座標変換行列ＰＲを取得することにより、前記基準マーカー部１１０に対し相対的な前記患者１０の所定部位１６の座標系を定義することができる。
【００７５】
例えば、前記トラッキングセンサ部１３０は、前記トラッキングセンサ部１３０に対する前記基準マーカー部１１０の座標変換行列Ｔ１及び前記トラッキングセンサ部１３０に対する前記形状測定部１２０のマーカー１２４の座標変換行列Ｔ２を取得するための情報を測定することができ、前記形状測定部１２０は、前記形状測定部１２０の測定装置１２２に対する前記患者１０の所定部位１６の座標変換行列Ｔ４を取得するための情報を測定することができる。前記処理部１４０は、前記測定された情報を用いて座標変換行列Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４を取得することができ、前記取得された座標変換行列Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４から前記形状測定部１２０のマーカー１２４に対する測定装置１２２の座標変換行列Ｔ３及び前記基準マーカー部１１０に対する前記患者１０の所定部位１６の座標変換行列ＰＲを算出することができる。
【００７６】
具体的には、前記座標変換行列Ｔ３、ＰＲは、下記のような数学的方式を適用して取得され得、前記処理部１４０は、このような数学的方式を具現して前記座標変換行列Ｔ３、ＰＲを算出することができる。
【００７７】
まず、前記座標変換行列を回転変換部分Ｒと位置変換部分ｔを含むように構成した後、これを数式２に代入して整理すると数式３が得られる。
【００７８】
【数３】
0006450849.tif 000006
【００７９】
数式３を整理すると、数式４が得られる。
【００８０】
【数４】
0006450849.tif 000007
【００８１】
数式４の各成分を等式で表せば、数式５及び数式６が得られる。
【００８２】
【数５】
0006450849.tif 000008
【００８３】
【数６】
0006450849.tif 000009
【００８４】
数式５において、ＲＴＴを定義して数式５を整理すると、数式７が得られる。
【００８５】
【数７】
0006450849.tif 000010
【００８６】
また、数式６において、ｔＴＴを追加で定義して数式６を整理すると、数式８が得られる。
【００８７】
【数８】
0006450849.tif 000011
【００８８】
数式７及び数式８において、回転変換行列Ｒは３×３形態を有し、位置変換行列ｔは３×１形態を有するので、数式７から３×３行列の各成分に対する式である９つの方程式が得られ、数式８から３×１行列の各成分に対する式である３つの方程式が得られる。
【００８９】
数式７においてＲＴＴの全ての成分(即ち、ＲＴ１及びＲＴ２の全ての成分)及びＲＴ４の全ての成分を先に説明された測定から分かり、数式８においてこれに加えてｔＴ４の全ての成分が分かるので、未知数はＲＰＲとＲＴ３それぞれの９つの成分と、ｔＰＲとｔＴ４のそれぞれの３つの成分などいずれも２４個である。
【００９０】
数式７及び数式８は、いずれも２４個の未知数を含む１２個の方程式なので、２回以上の測定で、より正確な解を求めることができ、これにより、前記トラッキングセンサ部１３０及び前記形状測定部１２０の測定は２回以上行われ得る。
【００９１】
従って、上記のように測定された座標変換関係を用いて前記患者１０の所定部位１６の座標系を定義することができる。
【００９２】
前記座標変換行列Ｔ３、ＰＲを取得するために上述した数学的方式は、他の方式により代替することもできる。例えば、前記処理部１４０は、デュアルクォータニオン（ｄｕａｌ  ｑｕａｔｅｒｎｉｏｎ）方式を応用して、前記座標変換行列Ｔ３、ＰＲを算出することができる。
【００９３】
具体的には、まず先に記述した数式１から下記の数式９が得られ、数式９を変形して下記の数式１０が得られる。
【００９４】
【数９】
0006450849.tif 000012
【００９５】
【数１０】
0006450849.tif 000013
【００９６】
数式１０を展開し、高次項を除去すると、数式１１が得られる。
【００９７】
【数１１】
0006450849.tif 000014
【００９８】
数式９と数式１１をそれぞれデュアルクォータニオン方式を応用して変形すると、下記の数式１２と下記の数式１３が得られる。
【００９９】
【数１２】
0006450849.tif 000015
【０１００】
【数１３】
0006450849.tif 000016
【０１０１】
数式１２及び数式１３を行列方程式の形態に変形すると、下記の数式１４が得られ、数式１４から前記座標変換行列Ｔ３、ＰＲを算出することができる。
【０１０２】
【数１４】
0006450849.tif 000017
【０１０３】
一方、前記処理部１４０は、前記患者１０に対して施術前に予め取得された３次元画像の座標系及び前記患者１０の第１部位１２の座標系を前記形状測定部１２０で測定された３次元形状に基づいて整合できる。
【０１０４】
具体的には、前記患者１０に直接マーカーまたはマーカーに相当する構造物を付着し、これに基づいて前記３次元画像の座標系と前記患者１０の座標系を整合する代わりに、上記のように取得された３次元形状（または、これから得られる３次元画像）の座標系と前記３次元画像の座標系を、前記３次元形状自体を標識にして整合する（ｎａｔｕｒａｌ  ｌａｎｄｍａｒｋ）。前記所定部位１６が前記第１部位１２である場合、前記３次元形状は、前記患者１０の患部に対応する３次元形状になる。
【０１０５】
図３を参照すると、前記所定部位１６が前記第１部位１２である場合、前記基準マーカー部１１０に対する前記患者１０の第１部位１２の座標変換行列はＰＲ１で表すことができる。また、前記所定部位１６が前記第２部位１４である場合、前記基準マーカー部１１０に対する前記患者１０の第２部位１４の座標変換行列はＰＲ２で表すことができる。
【０１０６】
この場合、前記数式１は、前記第１部位１２の場合、数式１５で、また前記第２部位１４の場合、数式１６で示すことができ、前記数式２〜前記数式１４に示される数式は前記数式１５及び前記数式１６により修正して表されることができる。
【０１０７】
【数１５】
0006450849.tif 000018
【０１０８】
【数１６】
0006450849.tif 000019
【０１０９】
ここで、ＰＲ１及びＰＲ２はそれぞれ前記基準マーカー部１１０に対する前記患者１０の第１部位１２及び第２部位１４の座標変換行列を意味する。また、前記形状測定部１２０が前記第１部位１２及び前記第２部位１４に対応する位置をそれぞれ第１位置Ｌ１及び第２位置Ｌ２とする時、Ｔ１は前記トラッキングセンサ部１３０に対する前記基準マーカー部１１０の座標変換行列、Ｔ２及びＴ２’はそれぞれ前記第１位置Ｌ１及び前記第２位置Ｌ２で前記トラッキングセンサ部１３０に対する前記形状測定部１２０のマーカー１２４の座標変換行列、Ｔ３及びＴ３’はそれぞれ前記第１位置Ｌ１及び前記第２位置Ｌ２で前記形状測定部１２０のマーカー１２４に対する測定装置１２２の座標変換行列、Ｔ４及びＴ４’はそれぞれ前記第１位置Ｌ１及び前記第２位置Ｌ２で前記形状測定部１２０の測定装置１２２に対する前記患者１０の第１部位１２及び第２部位１４の座標変換行列を意味する。一方、前記第１位置Ｌ１及び前記第２位置Ｌ２は、前記形状測定部１２０の位置を形式的に示したものに過ぎず、具体的に定量化された位置を意味するものではない。
【０１１０】
前記数式１５及び前記数式１６から、前記第２部位１４に対する前記第１部位１２の座標変換行列ＰＲＸが得られ、数式１７のように示すことができる。
【０１１１】
【数１７】
0006450849.tif 000020
【０１１２】
図４を参照すると、前記第２位置Ｌ２における前記形状測定部１２０に関わる座標変換行列Ｔ２’、Ｔ３’、Ｔ４’及び前記座標変換行列ＰＲＸを用いて、数式１７から前記トラッキングセンサ部１３０に対する前記第１部位１２の座標変換行列ＰＲＳを数式１８のように定義することができる。前記数式１８では、前記基準マーカー部１１０及び前記第１位置Ｌ１における前記形状測定部１２０に関わる座標変換行列Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は全て排除されている。
【０１１３】
【数１８】
0006450849.tif 000021
【０１１４】
前記数式１５を前記数式２〜前記数式１４に適用すれば、前記座標変換行列Ｔ３、ＰＲ１を取得でき、前記数式１６を前記数式２〜前記数式１４に適用すれば、前記座標変換行列Ｔ３’、ＰＲ２を取得できるので、前記数式１７から前記座標変換行列ＰＲＸを取得できる。前記第１部位１２に対して前記第２部位１４は剛体整合関係にあるので、前記座標変換行列ＰＲＸは固定不変の行列と認められ得る。
【０１１５】
従って、前記トラッキングセンサ部１３０が前記形状測定部１２０をセンシングし、前記形状測定部１２０は前記ステッカーマーカー部ＳＴＫを測定して、持続的に前記患者１０の患部に対応する第１部位１２をトラッキングできる。
【０１１６】
例えば、前記患者１０が動いたり姿勢が変わる場合にも、前記トラッキングセンサ部１３０が前記形状測定部１２０をセンシングして座標変換行列Ｔ２’を再び取得し、前記形状測定部１２０は前記ステッカーマーカー部ＳＴＫを測定して座標変換行列Ｔ４’を取得した後、前記数式１８を適用することができる。これにより、前記数式１８で前記座標変換行列Ｔ２’、Ｔ４’、ＰＲＸを代入して前記数式２〜数式１４の方式を適用すれば、前記座標変換行列ＰＲＳ、Ｔ３’を取得することができるので、前記座標変換行列ＰＲＳを用いて前記患者１０の第１部位１２を容易にリアルタイムでトラッキングできる。
【０１１７】
前記処理部１４０は前記患者１０に対して施術前に予め取得された３次元画像の座標系及び前記患者１０の第１部位１２の座標系を前記形状測定部１２０で測定された前記患者１０の第２部位１４の３次元形状及び前記第３座標変換関係に基づいて再整合することができる。即ち、前記形状測定部１２０で測定された前記患者１０の第２部位１４の３次元形状を用いて前記第２部位１４の座標系を定義することができ、前記第３変換関係に対応する前記座標変換行列ＰＲＸを用いて前記第１部位１２に変換することができるので、これにより前記患者１０に対して施術前に予め取得された３次元画像の座標系及び前記第１部位１２の座標系を再整合することができる。
【０１１８】
一方、前記ステッカーマーカー部ＳＴＫは脱着が容易で、いつでも位置を修正して前記患者１０の他の部位に付着する場合にも、上述した過程を再実行することにより、前記患者１０の第１部位１２をトラッキングできる。
【０１１９】
また、前記ステッカーマーカー部ＳＴＫは追加で付着が容易で、いつでも追加のステッカーマーカー部を前記患者１０の他の部位に付着する場合にも、上述した過程を再実行することにより、前記患者１０の第１部位１２をトラッキングできる。
【０１２０】
一方、前記のようなトラッキング過程は自動で、あるいは使用者により手動で再実行され得る。
【０１２１】
一実施例によれば、前記オプティカルトラッキングシステム１００は、前記患者１０の動きを感知する動き感知部（図示せず）を含み得、これを別途に含む代わりに前記トラッキングセンサ部１３０で前記患者１０の動きを感知することもできる。前記動き感知部または前記トラッキングセンサ部１３０で前記患者１０の動きを感知すれば、前記処理部１４０は上記の過程を再実行することにより、前記トラッキング過程を再実行することができる。
【０１２２】
一方、前記ステッカーマーカー部ＳＴＫが前記トラッキングセンサ部１３０により直接センシング可能に形成される場合、前記基準マーカー部１１０は、前記トラッキングセンサ部１３０で前記ステッカーマーカー部ＳＴＫを直接トラッキングすることにより省略されてもよい。この場合、前記ステッカーマーカー部ＳＴＫと前記基準マーカー部１１０は同一になるので、前記座標変換行列のうち、ＰＲ１＝ＰＲ２＝Ｉ（単位行列）と定義して、先立つトラッキング過程を行うことができる。
【０１２３】
以下、上記のオプティカルトラッキングシステム１００で施術道具をトラッキングする方法及び施術道具の座標系と患者の座標系を整合する過程を図面を参照して詳細に説明する。
【０１２４】
図５は、図１のオプティカルトラッキングシステムで施術道具のトラッキング及び整合を説明するための概念図である。
【０１２５】
図５を参照すると、前記オプティカルトラッキングシステム１００は、施術道具１５０をさらに含み得る。
【０１２６】
前記施術道具１５０は、前記患者１０を施術するための道具であって、マーカー１５２を含む。前記マーカー１５２は、前記トラッキングセンサ部１３０でセンシングが可能にエネルギーまたは信号を発生させ得る。例えば、前記マーカー１５２は複数に形成され得、パターン情報を含むこともできる。
【０１２７】
前記トラッキングセンサ部１３０は、前記施術道具１５０のマーカー１５２をセンシングして前記施術道具１５０をトラッキングできる。
【０１２８】
前記処理部１４０は、前記トラッキングセンサ部１３０でトラッキングされた前記施術道具１５０の第１トラッキング結果及び前記トラッキングセンサ部１３０に対し相対的にトラッキングされた前記患者１０の第１部位１２の第２トラッキング結果から、前記患者１０の第１部位１２に対し相対的に前記施術道具１５０をトラッキングできる。
【０１２９】
具体的には、前記第１トラッキング結果に基づいて前記施術道具１５０のマーカー１５２と前記トラッキングセンサ部１３０との間の座標変換関係を取得し、前記第２トラッキング結果に基づいて前記患者１０の第１部位１２と前記トラッキングセンサ部１３０との間の座標変換関係を取得する。ここで、前記座標変換関係は、例えば、行列形態で定義され得、座標変換行列で表され得る。
【０１３０】
前記処理部１４０は、前記取得された座標変換関係を用いて前記患者１０に対し相対的な前記施術道具１５０の座標系を定義することができる。例えば、前記座標系は行列形態で定義され得る。
【０１３１】
即ち、前記トラッキングセンサ部１３０に対する前記患者１０の第１部位１２の座標変換行列ＰＲＳを用い、前記トラッキングセンサ１３０でセンシングして算出される座標変換行列Ｔ２”を用いれば、下記の数式１９により前記患者１０の第１部位１２に対し相対的に定義された前記施術道具１５０の座標変換行列Ｔ５が分かる。
【０１３２】
【数１９】
0006450849.tif 000022
【０１３３】
従って、上記のように測定された座標変換関係を用いて前記患者１０の第１部位１２に対し相対的に前記施術道具１５０を追跡でき、前記患者１０の第１部位１２に対し相対的な施術道具１５０の座標系を定義することができる。
【０１３４】
図５及び数式１９において、前記施術道具１５０の座標変換行列Ｔ５は、前記マーカー１５２に基づいて示されているが、トラッキングが必要な地点、例えば、前記施術道具１５０の端部１５４に基づいて座標変換行列を定義することができる。即ち、前記座標変換行列Ｔ５を前記施術道具１５０のマーカー１５２に対する前記施術道具１５０の端部１５４の座標変換行列Ｔ３”及び前記施術道具１５０の端部１５４に対する前記患者１０の第１部位１２の座標変換行列Ｔ４”を用いて定義することができ(Ｔ５＝Ｔ３”Ｔ４”)、この場合、Ｔ３”は、前記施術道具１５０の幾何学的形状から分かるので、前記患者１０に対し相対的な前記施術道具１５０の座標系を前記端部１５４に基づいて定義することができる。
【０１３５】
一方、前記処理部１４０は、前記患者１０に対する施術前に予め取得された３次元画像の座標系及び前記患者１０の第１部位１２に対し相対的に定義された前記施術道具１５０の座標系を前記３次元画像の座標系及び前記患者１０の第１部位１２の座標系の整合結果に基づいて整合することができる。
【０１３６】
即ち、図１及び図２で説明された通り、前記患者１０の第１部位１２に対する施術前に予め取得された３次元画像の座標系及び前記患者１０の第１部位１２の座標系を前記形状測定部１２０で測定された３次元形状に基づいて整合でき、上記に説明された通り、前記患者１０の第１部位１２に対し相対的な施術道具１５０の座標系を定義できるので、これにより前記患者１０の第１部位１２に対する施術前に予め取得された３次元画像の座標系及び前記患者１０の第１部位１２に対し相対的に定義された前記施術道具１５０の座標系を互いに整合できる。
【０１３７】
前記オプティカルトラッキングシステム１００は、前記処理部１４０と連結されたディスプレイ部(図示せず)をさらに含み得る。前記ディスプレイ部は、前記施術前に予め取得された３次元画像、前記形状測定部１２０で測定された３次元形状に関する画像、前記施術道具１５０に対する画像、前記画像が整合されたオーバーラップ画像などが表示され得る。
【０１３８】
このように、前記処理部１４０は、前記座標変換関係から前記患者１０の第１部位１２に対し相対的な前記施術道具１５０の座標系を定義でき、施術時にリアルタイムで前記施術道具１５０をトラッキングできる。
【０１３９】
以下、上記のオプティカルトラッキングシステム１００を用いて施術前に予め撮影される３次元画像の座標系及び患者の患部と施術機構が位置する施術時の実際の世界の座標系を整合する過程と、前記患者の患部及び前記施術道具のトラッキング方法を、図面を参照して説明する。
【０１４０】
図６は、本発明の一実施例によるオプティカルトラッキングシステムの座標系整合方法及びトラッキング方法を示したフローチャートである。
【０１４１】
図２〜図６を参照すると、まず、患者１０に対する施術前に前記患者１０の患部に対応する第１部位１２を含む３次元画像、例えば、ＣＴ画像を取得する（Ｓ１１０）。
【０１４２】
上述のように施術前に予め取得したＣＴ画像のような３次元画像（これを再構成した画像を含む）を、例えば、コンピュータに格納することができる。
【０１４３】
続いて、次の通り施術時の過程が行われる。
【０１４４】
まず、前記患者１０に相対的に固定配置された基準マーカー部１１０及び前記患者１０の第１部位１２に対して３次元形状を測定するように第１位置Ｌ１に配置される形状測定部１２０をトラッキングセンサ部１３０によりセンシングする（Ｓ１２０）。
【０１４５】
次に、前記トラッキングセンサ部１３０でセンシングされた結果及び第１位置Ｌ１に配置された前記形状測定部１２０で測定された結果に基づいて、前記基準マーカー部１１０、前記トラッキングセンサ部１３０、前記形状測定部１２０及び前記患者１０の第１部位１２の間の第１座標変換関係を取得する（Ｓ１３０）。
【０１４６】
この時、前記トラッキングセンサ部１３０でセンシングされた結果に基づいて前記基準マーカー部１１０と前記トラッキングセンサ部１３０との間の座標変換関係及び前記形状測定部１２０と前記トラッキングセンサ部１３０との間の座標変換関係を取得し、前記形状測定部１２０で測定された結果に基づいて前記患者１０の第１部位１２と前記形状測定部１２０との間の座標変換関係を取得して、前記第１座標変換関係を取得することができる。
【０１４７】
続いて、前記第１部位１２に対して剛体整合が可能な位置の第２部位１４にステッカー形態で付着されるステッカーマーカー部ＳＴＫ及び前記第２部位１４に対して３次元形状を測定するように第２位置Ｌ２に配置される形状測定部１２０をトラッキングセンサ部１３０によりセンシングする（Ｓ１４０）。
【０１４８】
次に、前記トラッキングセンサ部１３０でセンシングされた結果及び前記第２位置Ｌ２に配置された前記形状測定部１２０で測定された結果に基づいて、前記基準マーカー部１１０、前記トラッキングセンサ部１３０、前記形状測定部１２０及び前記患者１０の第２部位１４の間の第２座標変換関係を取得する（Ｓ１５０）。
【０１４９】
この時、前記トラッキングセンサ部１３０でセンシングされた結果に基づいて前記基準マーカー部１１０と前記トラッキングセンサ部１３０との間の座標変換関係及び前記形状測定部１２０と前記トラッキングセンサ部１３０との間の座標変換関係を取得し、前記形状測定部１２０で測定された結果に基づいて前記患者１０の第２部位１４と前記形状測定部１２０との間の座標変換関係を取得して、前記第２座標変換関係を取得することができる。
【０１５０】
続いて、前記第１及び第２座標変換関係から前記第１部位１２及び前記第２部位１４の間の第３座標変換関係を抽出して前記トラッキングセンサ部１３０に対し相対的な前記第１部位１２、即ち、患部をトラッキングする（Ｓ１６０）。
【０１５１】
この時、前記第１部位１２のトラッキングにより、前記トラッキングセンサ部１３０に対し相対的な前記第１部位１２の座標系を定義することができる。
【０１５２】
一方、前記患者１０に対する施術前に取得された３次元画像の座標系及び前記患者１０の第１部位１２の座標系を前記形状測定部１２０で測定された３次元形状に基づいて整合することができる（Ｓ１７０）。
【０１５３】
このように、前記患者１０の第１部位１２の座標系を前記トラッキングセンサ部１３０に対し相対的に定義し、予め取得されたＣＴ画像のような３次元画像の座標系と前記患者１０の第１部位１２の座標系を整合することができる。
【０１５４】
医師のような施術者にマーカー１５２が付着された施術道具１５０が提供され、前記施術者は、前記患者１０を施術するための前記施術道具１５０を直接あるいは手術ロボットなどの装備を用いて運用する。前記施術道具１５０に対しては、次の通りトラッキングのための過程が行われる。
【０１５５】
前記トラッキングセンサ部１３０は、前記施術道具１５０のマーカー１５２をセンシングする（Ｓ１８０）。
【０１５６】
続いて、トラッキングされた前記施術道具１５０のトラッキング結果及び前記トラッキングセンサ部１３０に対し相対的にトラッキングされた前記患者１０の第１部位１２のトラッキング結果から、前記患者１０の第１部位１２に対し相対的に前記施術道具１５０をトラッキングする（Ｓ１９０）。
【０１５７】
次に、前記取得された３次元画像の座標系及び前記施術道具１５０のトラッキングにより前記患者１０の第１部位１２に対し相対的に定義される前記施術道具１５０の座標系を前記３次元画像の座標系及び前記患者の第１部位１２の座標系の整合結果に基づいて整合する（Ｓ２００）。
【０１５８】
このように、前記患者１０を施術するための施術道具１５０の座標系を前記患者１０の第１部位１２に対し相対的に定義し、予め取得されたＣＴ画像のような３次元画像の座標系と前記施術道具１５０の座標系を整合することができる。
【０１５９】
本実施例では、前記オプティカルトラッキングシステム１００の座標系整合方法を図６のフローチャートを参照として簡略に説明しているが、前記オプティカルトラッキングシステム１００の具体的な動作は、先に図１〜図５で説明された内容と実質的に同一なので、重複する詳細な説明は省略する。
【０１６０】
本発明のオプティカルトラッキングシステム及びトラッキング方法によれば、患部に対して剛体整合が可能な位置にステッカーマーカー部を備えて、形状測定部で前記患部と前記ステッカーマーカー部に対して３次元形状を測定し、トラッキングセンサ部で前記形状測定部と基準マーカー部をセンシングして、これらの間の座標変換関係から前記患部と前記ステッカーマーカー部との間の座標変換関係を抽出することにより、前記座標変換関係を用いて前記形状測定部が前記ステッカーマーカー部をトラッキングする作業のみにて前記トラッキングセンサ部に対する前記患部の位置及び姿勢などをトラッキングできる。
【０１６１】
また、前記形状測定部が前記ステッカーマーカー部を測定する過程が容易に再実行され得るので、前記患者が動いたり姿勢が変わる場合にも、前記患部と前記ステッカーマーカー部との間の座標変換関係を用いて施術時に容易に前記患部及び前記施術道具をリアルタイムで正確にトラッキングできる。
【０１６２】
また、施術が開始された以降に、前記形状測定部は、前記患部を測定する必要なく前記ステッカーマーカー部を測定すれば、前記患部をトラッキングできるので、施術中に前記患部を測定するために、前記形状測定部を移動させる必要がなく、施術中に前記形状測定部が前記患部の周囲に位置することにより施術に妨げられる問題を防止することができる。さらに、前記ステッカーマーカー部が付着される位置は比較的自由に選定され得るので、施術中の前記形状測定部の位置を施術に妨げとならない位置に配置することができる。また、前記ステッカーマーカー部はステッカー付着型であるので、施術に妨げとならない形態で形成され得、施術に妨げとならない位置に付着されることもでき、複数のステッカーマーカー部を採用して施術に妨げとならないように活用することもできる。
【０１６３】
また、前記ステッカーマーカー部を３次元形態で製作する場合、特徴点の追加により整合をさらに容易にすることができ、前記トラッキングセンサ部で前記ステッカーマーカー部を直接トラッキングすることにより前記基準マーカー部を省略することもできる。また、２つ以上のステッカーマーカー部及びこれに対応する２つ以上の形状測定部を採用する場合、前記ステッカーマーカー部の間の座標変換関係を用いて角度測定が可能なので、膝の手術のような施術時にも角度測定により施術が可能であり得る。
【０１６４】
また、施術時に測定された前記患者の３次元形状自体を標識に整合が可能なので、動的参照装置（ＤＲＢ）を患者に直接付着しなくても施術前に予め取得された３次元画像の座標系と施術時にリアルタイムで移動され得る患者の座標系及び施術道具の座標系を互いに整合することができる。また、事前に前記３次元画像を取得する時にも前記動的参照装置を付着する必要がなく、いつでも座標系の再設定及び再整合が可能であり得る。
【０１６５】
従って、マーカーを患者に直接付着することで引き起こされる患者の苦痛と誤差、手術前にスタンプを製作しなければならない等の作業の煩わしさと多くの所要時間及び費用等のような従来技術の問題を解決することができる。
【０１６６】
即ち、別途の準備過程なしに手術室内で迅速に患者の座標系を設定して画像整合を行うことができるので、より短時間及び少ない費用で正確かつ容易に患者の座標系及び施術道具の座標系の設定と画像整合が可能で、患者に直接付着される動的参照装置（ＤＲＢ）の代わりにステッカー形態のステッカーマーカー部を用いて患者の苦痛及び副作用を軽減することができる。
【０１６７】
従って、本発明によるオプティカルトラッキング装置及びこれを用いるトラッキング方法によれば、患者及び施術者共の利便性を大きく向上させることができる。
【０１６８】
前述した本発明の詳細な説明では、本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当該技術分野の熟練した当業者または当該技術分野に通常の知識を有する者であれば、後述する特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び技術領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させることができるものである。従って、前述した説明及び下記の図面は、本発明の技術思想を限定するわけではなく本発明を例示するものと解釈されるべきである。
【図１】
0006450849.tif 000025
【図２】
0006450849.tif 000026
【図３】
0006450849.tif 000027
【図４】
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【図５】
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【図６】
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