(57)【要約】【課題】模擬用臓器データを用い切断模擬がされたとき、有限要素のノード、行列の次元数を大きく変更せず、処理速度を落とさずに切断模擬する。【解決手段】生体の所定部位に備える物理特性データが設定された各臓器を有限要素に分割し、分割により得たデータを用いて手術操作具と模擬生体の接触による反力と模擬生体の反応との運動を計算する際に、力を要素剛性の部分行列の重ね合わせによる全体剛性行列と変位との関係式において、接触する部分の要素剛性の部分行列を削除する。あるいはその箇所に切断した要素に代えて切断箇所近傍の１のノードを切断した要素のものと異なる予備ノードで置換する。新たな全体剛性行列として模擬運動計算を行う。【選択図】  図４
2008292534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の所定部位に備える物理特性データが設定された各臓器を有限要素に分割する有限要素分割過程と、
前記有限要素分割過程により得たデータを用いて手術操作具と模擬生体の接触による反力と模擬生体の反応との運動を計算する際に、力を有限要素の要素剛性の部分行列の重ね合わせによる全体剛性行列と変位との関係式において、手術操作具が模擬生体に接触する部分の当該有限要素の要素剛性の部分行列を削除して新たな全体剛性行列として模擬運動計算を行う模擬運動過程とからなることを特徴とする生体臓器の手術切断運動模擬方法。
【請求項２】
生体の所定部位に備える物理特性データが設定された各臓器を有限要素に分割する有限要素分割手段と、
前記有限要素分割手段により得たデータを用いて手術操作具と模擬生体の接触による反力と模擬生体の反応との運動を計算する際に、力を有限要素の要素剛性の部分行列の重ね合わせによる全体剛性行列と変位との関係式において、手術操作具が模擬生体に接触する部分の当該有限要素の要素剛性の部分行列を削除して新たな全体剛性行列として模擬運動計算を行う模擬運動計算手段とからなることを特徴とする生体臓器の手術切断運動模擬装置。
【請求項３】
生体の所定部位に備える物理特性データが設定された各臓器を有限要素に分割する有限要素分割過程と、
前記有限要素分割過程により得たデータを用いて手術操作具と模擬生体の接触による反力と模擬生体の反応との運動を計算する際に、力を有限要素の要素剛性の部分行列の重ね合わせによる全体剛性行列と変位との関係式において、手術操作具が模擬生体に接触する部分の当該有限要素の要素剛性の部分行列を削除するとともに前記切断した要素に代えて切断箇所近傍の１のノードを切断した要素のものと異なる予備ノードで置換して新たな全体剛性行列として模擬運動計算を行う模擬運動過程とからなることを特徴とする生体臓器の手術切断運動模擬方法。
【請求項４】
生体の所定部位に備える物理特性データが設定された各臓器を有限要素に分割する有限要素分割手段と、
前記有限要素分割手段により得たデータを用いて手術操作具と模擬生体の接触による反力と模擬生体の反応との運動を計算する際に、力を有限要素の要素剛性の部分行列の重ね合わせによる全体剛性行列と変位との関係式において、手術操作具が模擬生体に接触する部分の当該有限要素の要素剛性の部分行列を削除するとともに前記切断した要素に代えて切断箇所近傍の１のノードを切断した要素のものと異なる予備ノードで置換して新たな全体剛性行列として模擬運動計算を行う模擬運動計算手段とからなることを特徴とする生体臓器の手術切断運動模擬装置。
【請求項５】
予め有限要素に分割して当該要素ごとに固有の要素番号を付与された臓器の手術模擬を行う手術操作具の内部に所定方向に向いた仮想の視点を設定する視点設定過程と、
前記視点と手術操作具の先端との間に仮想のスクリーンとを設定するスクリーン設定過程と、
前記視点がスクリーンに見た仮想画像の画素分を少なくとも有する画像メモリを備えて、その初期値を全て０で初期化しメモリ初期化過程と、
前記視点からの奥行きであるｚ値を前記画像メモリの画素に対応して記録するｚ−バッファを備えて、その初期値を視点から手術操作具の先端までの距離とするｚ−バッファ初期化過程と、
手術操作具の所定の位置及び方向による視点から見た前記臓器の表面要素を描画する際に、現在の視点による画像の各画素のｚ値がｚ−バッファに格納されているｚ値より小さければｚ−バッファのｚ値を書き替えるとともに、表面要素の色データの代わりに、要素番号を画像メモリに書き込ませることにより行う描画過程と、
全画素について描画終了後、画像メモリについて初期値の０以外の要素番号について手術操作具との接触があると判定する接触判定過程とからなることを特徴とする模擬手術接触判定方法。
【請求項６】
生体の臓器を予め有限要素に分割して当該要素ごとに固有の要素番号を付与しておく有限要素番号付与手段と、
前記視点が見た仮想画像の画素分を少なくとも有し、初期値を全て０で初期化する画像メモリと、
視点からの奥行きであるｚ値を前記画像メモリの画素に対応して記録し、初期値を視点から手術操作具の先端までの距離とするｚ−バッファと、
手術操作具の所定の位置及び方向による視点から見た前記臓器の表面要素を描画して前記画像メモリに出力する画像生成部と、
前記画像生成部の所定視点における画像の各画素のｚ値がｚ−バッファに格納されているｚ値より小さければｚ−バッファのｚ値を書き替えるとともに、表面要素の色データの代わりに、要素番号を前記画像メモリに書き込ませるｚ値判定手段と、
画像メモリについて初期値の０以外の要素番号について手術操作具との接触があると判定する接触判定部とからなることを特徴とする模擬手術接触判定装置。
【請求項７】
模擬する生体の臓器ごとに分類し、前記分類した各臓器全体を覆った立体の臓器のメタデータを連結部（Ａ）に備えた複数の臓器データ部（Ｂ）と、
臓器を構成する生体部位ごとの生体モデルに分類し、前記分類した各生体モデル全体を覆った立体の生体のメタデータを備え、当該分類した生体モデルごとに力学計算ノードを備えて１つの計算要素とした複数の生体モデル部（Ｃ）とを有し、
前記各生体モデル部（Ｃ）を、前記臓器データ部（Ｂ）におけるメタデータと各臓器内の生体モデルにおけるメタデータ間との接触判定と、生体モデル部の力学計算ノードにおける変数の伝播とを制御するとともに前記連結部（Ａ）において連結する構造とし、
前記各臓器データ部（Ｂ）を、前記各臓器におけるメタデータ間の接触判定と生体モデル部（Ｃ）の力学計算ノードにおける変数の伝播を制御する連結部（Ｄ）において連結する構造としたことを特徴とする手術切断運動模擬用のデータベース構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手術のシミュレーションの際の手術切断運動模擬と、その際の模擬接触判定及びそれらのためのデータベース構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療と工学の融合が急速に深まり、先端的計算技術を活用する手術シミュレータが提案された。
その一例として本願発明者達は、以下のような手術シミュレータを検討した。
図１０は、手術シミュレータ用生体データ作成システム及び手術シミュレータの１実施例の機能ブロック図である。図１０において、１００１は手術シミュレータ用生体データ作成システム、１００２はセグメンテーション部、１００３は物理定数設定部、１００４は有限要素分割部、１００５は記憶装置、１０１０は手術シミュレータ、１０１１は力覚装置、１０１２は模擬運動及び画像生成演算装置、１０１３は画像表示装置、１０１４はネットワーク、１０１５は通信手段、１０１６は評価用のコンソールである。
図１１（ａ）は、手術シミュレータ用生体データ作成方法を説明するフロー図、図１１（ｂ）は、手術シミュレーション方法を説明するフロー図である。
【０００３】
手術シミュレータ用生体データ作成システム１００１において以下のようにモデルデータ生成がされる。
セグメンテーション部１００２には、生体を図示しないＣＴあるいはＭＲＩにより３軸方向について所定の間隔で撮像した撮像データを入力し、このデータから臓器が形成する面をその特徴点から医学的知識を用い決定することにより臓器を抽出する（図１１（ａ）のセグメンテーション過程Ｐ１１０１）。
物理定数設定部１００３は、前記セグメンテーション部１００２におけるセグメンテーション過程Ｐ１１０１で抽出した複数臓器の各臓器を構成する前記３軸の交点について臓器の所定の各部位毎に備える物理特性を設定する（図１１（ａ）の物理定数設定過程Ｐ１１０２）。このときの、物理定数にはヤング率、比重等がある。
有限要素分割部１００４は、前記物理定数設定部１００３における物理定数設定過程Ｐ１１０２で物理特性を設定された所定部位を有限要素に分割する（図１１（ａ）の有限要素分割過程Ｐ１１０３）。
モデルデータは記憶装置１００５に所定のデータ構造で記憶される。例えば、データ構造は有限要素を包含するメタデータの構成を持つ。さらに、モデルデータに実体に即した質量、剛性、色等を付加したボリュームデータとする。
【０００４】
手術シミュレータ１０１０において以下のように動作する。
手術項目に従って、データを記憶装置１００５より選択し読み出す。
手術操作者は画像表示装置１０１３に表示されている模擬生体が表示され、この画像を参照しながら手術操作具として例えばメス又は／及び鉗子を操作する。メス又は／及び鉗子は力覚装置１０１１により模擬される。力覚装置１０１１は３自由度に支持され、定められた一定空間内を自在に移動可能な機構で生体を模擬する位置に配置され、メス又は／及び鉗子を模擬する操作移動に応じて図示しないエンコーダがその移動量を検出し、その位置を計測し、手術模擬操作者が操作するメス又は／及び鉗子としての手術操作具の位置と模擬生体との接触位置に応じた反力を例えばモータにより発生させる（図１１（ｂ）の力覚模擬過程Ｐ１１１１）。
ここで力学計算を説明する。対象とするシミュレーションの主要な目的は、臓器の力学的振る舞いであるので、臓器の切断や、切開、引っ張り等を行う必要から、数学的に精度が保証されている有限要素モデルを用いて弾性体のモデル化を行っている。通常、有限要素法は静解析法であり、次のような力と変位の釣り合い式（１）で表される。
＜Ｆ＞＝［Ｋ］＜Ｕ＞                      （１）
ここで、＜Ｆ＞は外力ベクトル、＜Ｕ＞は変位ベクトル、［Ｋ］は剛性マトリクスである。（なお、本明細書において、ｘのベクトル表記を＜ｘ＞、Ｈのマトリクス表記を［Ｈ］とする。）式（１）に力や変位等の拘束条件を付加した連立一次方程式を解くことで、全ノードの変位を求める。しかし、一般的に連立一次方程式の数値計算は処理が重く、現実的な大きさ（数千ノード）のモデルに対しては、実時間処理できない。従来法では、前処理を行うことで実時間性を確保しているが、切断等により有限要素モデルのトポロジーが変化した場合、剛性マトリクスの再計算とその前処理を実時間処理で行う必要があり、手術シミュレータへの応用としては大きな問題が残る。そこで本発明では、動解析を用いている。式（１）に対し、動解析法は次のような運動方程式（２）で表される。
［Ｍ］ｄ２＜Ｕ＞／ｄｔ２＝＜Ｆ＞−［Ｋ］＜Ｕ＞−［Ｃ］ｄ＜Ｕ＞／ｄｔ  （２）
ここで、［Ｍ］は質量マトリクス、［Ｃ］は粘性マトリクスである。この式から変位＜Ｕ＞に対する時間積分を行うことで、過渡応答を行いながら最終的に式（１）と同じ変位＜Ｕ＞が得られる。
図１２に有限要素法の動的モデルについての計算モデルを示す。
この反力は、手術シミュレータ用生体データ作成システム１００１によるデータを得て、手術操作具の位置と各臓器の所定部位に備える物理定数によりその大きさが決まり、模擬生体の反応を模擬するように模擬運動及び画像生成演算装置１０１２で計算され、また、この状況を仮定する内視鏡から撮像したように模擬映像が生成される（図１１（ｂ）の模擬運動及び画像生成過程Ｐ１１１２）。
生成された映像は表示装置により表示される（図１１（ｂ）の画像表示過程Ｐ１１１３）。
【０００５】
上記模擬運動及び画像生成過程Ｐ１１１２において、手術操作具が例えばメス又は／及び鉗子であり、接触による手術操作具と模擬生体との接触による模擬生体の反応が、メスによる切断、切開、凹み等の接触変形、鉗子による凹み、引っ張り伸び等の接触変形、及び手術操作具操作により変形した模擬生体により更に隣接する模擬生体間の相互変形等を模擬する（図１１（ｂ）の模擬反応過程Ｐ１１１２１）。
【０００６】
図１３（ａ）に臓器を三角形の要素に有限分割したモデルを示す。
上記の説明において、式（１）における計算を一つの有限要素については例えば図１３（ｂ）のように平面の場合で有限要素が三角形でそれぞれの頂点をノード（あるいは節点）としそのノード番号（ｉ，ｊ，ｋ）について外力（ｆｉｘ，ｆｉｙ，ｆｊｘ，ｆｊｙ，ｆｋｘ，ｆｋｙ）とそのときの変位（ｕｉ，ｖｉ，ｕｊ，ｖｊ，ｕｋ，ｖｋ）との関係を、６×６要素剛性行列を用いて求めている（図１３（ｃ））。この剛性行列は臓器のヤング率、ポアソン比、形状（ノードの相対的位置で定まる）等で定義される。有限要素が例えば三角錐の立体の場合は１２×１２要素剛性行列を用いる。臓器全体の外力＜Ｆ＞における変位＜Ｕ＞は各有限要素について剛性行列を重ね合わせた全体剛性行列を用いて求めることとなる（図１３（ｄ））。すなわち、図１３のように１つの有限要素Ｐについてノードが（ｉ，ｊ，ｋ）で定められ、それに隣接し１つのノードを共通にする有限要素Ｑ（ｉ，ｌ，ｍ）がある場合、行列要素（ｉ）について重ね合わされることとなる。
そして、例えば、メスが操作されてある１つの有限要素の部分が切断されるとする（図１４（ａ）（ｂ））。その部分に切断により要素が影響を受けて変形が生じるのであるから、新たなノードを生成して（図１４（ｃ））、要素剛性行列を新たに作り直して再構築し（図１４（ｄ））、この行列に基づいて力と変位との関係を求めている。その全体剛性行列の再構成するための時間がかかっていた。また、行列の次元数も変更され、処理が複雑なものとなっていた。
さらに、メスが臓器を切断する際に、互いに接触したことを判定する必要があり、臓器の部分を特定するために有限要素の固有の番号にいずれに接触するかを知る必要があった。
しかし、臓器はリアルタイムに変形すべきものであるにもかかわらず、手術操作具と臓器との接触判定の計算は時間を要するものであった。臓器が変形する中で、手術操作具に近い要素群を求め、これら有限要素を構成する例えば四面体要素を構成する各平面と手術操作具との位置関係を計算しなければならなかった。（図１５参照。）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、有限要素分割されて生成されたシミュレーション用の臓器データについて切断模擬がされたときに、有限要素のノード、行列の次元数を大きく変更せず、従って処理速度を落とさずに手術切断運動模擬する方法及び装置を提供することにある。さらに、切断模擬する際の臓器と手術操作具との接触判定を高速に行う模擬手術接触判定方法とその装置を提供することにある。
また、手術切断運動模擬に適したデータベース構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため請求項１に係る生体臓器の手術切断運動模擬方法は、生体の所定部位に備える物理特性データが設定された各臓器を有限要素に分割する有限要素分割過程と、前記有限要素分割過程により得たデータを用いて手術操作具と模擬生体の接触による反力と模擬生体の反応との運動を計算する際に、力を有限要素の要素剛性の部分行列の重ね合わせによる全体剛性行列と変位との関係式において、手術操作具が模擬生体に接触する部分の当該有限要素の要素剛性の部分行列を削除して新たな全体剛性行列として模擬運動計算を行う模擬運動過程とからなることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２に係る生体臓器の手術切断運動模擬装置は、生体の所定部位に備える物理特性データが設定された各臓器を有限要素に分割する有限要素分割手段と、前記有限要素分割手段により得たデータを用いて手術操作具と模擬生体の接触による反力と模擬生体の反応との運動を計算する際に、力を有限要素の要素剛性の部分行列の重ね合わせによる全体剛性行列と変位との関係式において、手術操作具が模擬生体に接触する部分の当該有限要素の要素剛性の部分行列を削除して新たな全体剛性行列として模擬運動計算を行う模擬運動計算手段とからなることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３に係る生体臓器の手術切断運動模擬方法は、生体の所定部位に備える物理特性データが設定された各臓器を有限要素に分割する有限要素分割過程と、前記有限要素分割過程により得たデータを用いて手術操作具と模擬生体の接触による反力と模擬生体の反応との運動を計算する際に、力を有限要素の要素剛性の部分行列の重ね合わせによる全体剛性行列と変位との関係式において、手術操作具が模擬生体に接触する部分の当該有限要素の要素剛性の部分行列を削除するとともに前記切断した要素に代えて切断箇所近傍の１のノードを切断した要素のものと異なる予備ノードで置換して新たな全体剛性行列として模擬運動計算を行う模擬運動過程とからなることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４に係る生体臓器の手術切断運動模擬装置は、生体の所定部位に備える物理特性データが設定された各臓器を有限要素に分割する有限要素分割手段と、前記有限要素分割手段により得たデータを用いて手術操作具と模擬生体の接触による反力と模擬生体の反応との運動を計算する際に、力を有限要素の要素剛性の部分行列の重ね合わせによる全体剛性行列と変位との関係式において、手術操作具が模擬生体に接触する部分の当該有限要素の要素剛性の部分行列を削除するとともに前記切断した要素に代えて切断箇所近傍の１のノードを切断した要素のものと異なる予備ノードで置換して新たな全体剛性行列として模擬運動計算を行う模擬運動計算手段とからなることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項５に係る模擬手術接触判定方法は、予め有限要素に分割して当該要素ごとに固有の要素番号を付与された臓器の手術模擬を行う手術操作具の内部に所定方向に向いた仮想の視点を設定する視点設定過程と、前記視点と手術操作具の先端との間に仮想のスクリーンとを設定するスクリーン設定過程と、前記視点が見た仮想画像の画素分を少なくとも有する画像メモリを備えて、その初期値を全て０で初期化しメモリ初期化過程と、前記視点からの奥行きであるｚ値を前記画像メモリの画素に対応して記録するｚ−バッファを備えて、その初期値を視点から手術操作具の先端までの距離とするｚ−バッファ初期化過程と、手術操作具の所定の位置及び方向による視点から見た前記臓器の表面要素を描画する際に、現在の視点による画像の各画素のｚ値がｚ−バッファに格納されているｚ値より小さければｚ−バッファのｚ値を書き替えるとともに、表面要素の色データの代わりに、要素番号を画像メモリに書き込ませることにより行う描画過程と、全画素について描画終了後、画像メモリについて初期値の０以外の要素番号について手術操作具との接触があると判定する接触判定過程とからなるものである。
【００１３】
請求項６に係る模擬手術接触判定装置は、生体の臓器を予め有限要素に分割して当該要素ごとに固有の要素番号を付与しておく有限要素番号付与手段と、前記視点が見た仮想画像の画素分を少なくとも有し、初期値を全て０で初期化する画像メモリと、視点からの奥行きであるｚ値を前記画像メモリの画素に対応して記録し、初期値を視点から手術操作具の先端までの距離とするｚ−バッファと、手術操作具の所定の位置及び方向による視点から見た前記臓器の表面要素を描画して前記画像メモリに出力する画像生成部と、前記画像生成部の所定視点における画像の各画素のｚ値がｚ−バッファに格納されているｚ値より小さければｚ−バッファのｚ値を書き替えるとともに、表面要素の色データの代わりに、要素番号を前記画像メモリに書き込ませるｚ値判定手段と、画像メモリについて初期値の０以外の要素番号について手術操作具との接触があると判定する接触判定部とからなるものである。
【００１４】
請求項７に係る手術切断運動模擬用のデータベース構造は、模擬する生体の臓器ごとに分類し、前記分類した各臓器全体を覆った立体の臓器のメタデータを連結部（Ａ）に備えた複数の臓器データ部（Ｂ）と、臓器を構成する生体部位ごとの生体モデルに分類し、前記分類した各生体モデル全体を覆った立体の生体のメタデータを備え、当該分類した生体モデルごとに力学計算ノードを備えて１つの計算要素とした複数の生体モデル部（Ｃ）とを有し、前記各生体モデル部（Ｃ）を、前記臓器データ部（Ｂ）におけるメタデータと各臓器内の生体モデルにおけるメタデータ間との接触判定と、生体モデル部の力学計算ノードにおける変数の伝播とを制御するとともに前記連結部（Ａ）において連結する構造とし、前記各臓器データ部（Ｂ）を、前記各臓器におけるメタデータ間の接触判定と生体モデル部（Ｃ）の力学計算ノードにおける変数の伝播を制御する連結部（Ｄ）において連結する構造としたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に係る生体臓器の手術切断運動模擬方法よると、有限要素分割過程において生体の所定部位に備える物理特性データが設定された各臓器を有限要素に分割し、模擬運動過程において前記分割により得たデータを用いて手術操作具と模擬生体の接触による反力と模擬生体の反応との運動を計算する際に、力を有限要素の要素剛性の部分行列の重ね合わせによる全体剛性行列と変位との関係式において、手術操作具が模擬生体に接触する部分の当該有限要素の要素剛性の部分行列を削除して新たな全体剛性行列として模擬運動計算を行うから、切断のあった有限要素部分の部分行列を削除するのみで、ノード数の変更、全体剛性行列の次元数を変更せずに、高速に処理することができる。
【００１６】
請求項２に係る生体臓器の手術切断運動模擬装置よると、有限要素分割手段において生体の所定部位に備える物理特性データが設定された各臓器を有限要素に分割し、模擬運動計算手段において前記分割により得たデータを用いて手術操作具と模擬生体の接触による反力と模擬生体の反応との運動を計算する際に、力を有限要素の要素剛性の部分行列の重ね合わせによる全体剛性行列と変位との関係式において、手術操作具が模擬生体に接触する部分の当該有限要素の要素剛性の部分行列を削除して新たな全体剛性行列として模擬運動計算を行うから、切断のあった有限要素部分の部分行列を削除するのみで、ノード数の変更、全体剛性行列の次元数を変更せずに、高速に処理することができる。
【００１７】
請求項３に係る生体臓器の手術切断運動模擬方法よると、有限要素分割過程において生体の所定部位に備える物理特性データが設定された各臓器を有限要素に分割し、模擬運動過程において前記分割により得たデータを用いて手術操作具と模擬生体の接触による反力と模擬生体の反応との運動を計算する際に、力を有限要素の要素剛性の部分行列の重ね合わせによる全体剛性行列と変位との関係式において、手術操作具が模擬生体に接触する部分の当該有限要素の要素剛性の部分行列を削除するとともにその箇所に前記切断した要素に代えて切断箇所近傍の１のノードを切断した要素のものと異なる予備ノードで置換して新たな全体剛性行列として模擬運動計算を行うから、切断のあった有限要素部分の部分行列を削除しかつその部分新たな予備ノードを置き換えるのみで、ノード数の変更、全体剛性行列の次元数を大きく変更せずに、高速に処理することができる。
【００１８】
請求項４に係る生体臓器の手術切断運動模擬装置よると、有限要素分割手段において生体の所定部位に備える物理特性データが設定された各臓器を有限要素に分割し、模擬運動計算手段において前記分割により得たデータを用いて手術操作具と模擬生体の接触による反力と模擬生体の反応との運動を計算する際に、力を有限要素の要素剛性の部分行列の重ね合わせによる全体剛性行列と変位との関係式において、手術操作具が模擬生体に接触する部分の当該有限要素の要素剛性の部分行列を削除するとともにその箇所に前記切断した要素に代えて切断箇所近傍の１のノードを切断した要素のものと異なる予備ノードで置換して新たな全体剛性行列として模擬運動計算を行うから、切断のあった有限要素部分の部分行列を削除しかつその部分新たな予備ノードを置き換えるのみで、ノード数の変更、全体剛性行列の次元数を大きく変更せずに、高速に処理することができる。
【００１９】
請求項５に係る模擬手術接触判定方法によると、視点からの奥行きであるｚ値を画像メモリの画素に対応して記録するｚ−バッファを備えて所定の視点位置におけるｚ値を前のｚ値と比較して、小さいすなわち手術操作具の先端が臓器内部にあるときに、その画素部分の画像メモリを要素番号を格納することにより、要素番号で表される臓器の部分に接触しているものとすることができる。
【００２０】
請求項６に係る模擬手術接触判定装置によると、視点からの奥行きであるｚ値を画像メモリの画素に対応して記録するｚ−バッファを備えて、ｚ値判定手段において所定の視点位置におけるｚ値を前のｚ値と比較して、小さいすなわち手術操作具の先端が臓器内部にあるときに、画像メモリはその画素部分に要素番号を格納することにより、要素番号で表される臓器の部分に接触しているものとすることができる。
【００２１】
請求項５に係る手術切断運動模擬用のデータベース構造よると、各臓器データ部（Ｂ）とそれらの構成する生体部位ごとの生体モデル部（Ｃ）とで構造のデータとし、各臓器にメタデータと、各生体モデルにメタデータを備えて、メタデータを各臓器及び生体モデルを簡単な構造で表し、これらの間で高速に接触判定をすることができ、各生体モデルに力学計算ノードにおいて接触判定と生体の変形計算をするものとして、構造のもとで変形、力のデータを転送し、段階的に高速に実施することができる。
【実施例１】
【００２２】
図１は本発明に係る生体臓器の手術切断運動模擬装置の機能ブロック図、図２（ａ），（ｂ）は生体臓器の手術切断運動模擬方法を説明するフロー図である。図１において、１０１は手術シミュレータ用生体データ作成システム、１０２はセグメンテーション部、１０３は物理定数設定部、１０４は有限要素分割部、１０５はモデルデータを記憶する記憶装置、１１０は手術シミュレータ、１１１は力覚装置、１１２は模擬運動及び画像生成演算装置、１１３は画像表示装置、１１４はネットワーク、１１５は通信手段、１１６は評価用のコンソールである。
模擬運動及び画像生成演算装置１１２は、ホストコンピュータ１１２１と、画像合成部１１２２と、ホストコンピュータ１１２１と画像合成部１１２２に接続し、それぞれ異なる臓器の模擬運動及び画像生成を行う模擬運動計算機としてのノードコンピュータ１１２３１〜１１２３Ｎを備える。
生体データ作成システム１０１において、図１０と同様にしてモデルデータが生成され、記憶装置１０５に後述するデータ構造で記憶される。
【００２３】
（実施態様１）
手術シミュレータ用生体データ作成システム１０１において（背景技術）の欄で説明したと同様にモデルデータ生成がされる。
セグメンテーション部１０２には、生体を図示しないＣＴあるいはＭＲＩにより３軸方向について所定の間隔で撮像した撮像データを入力し、このデータから臓器が形成する面をその特徴点から医学的知識を用い決定することにより臓器を抽出する（セグメンテーション過程）。
物理定数設定部１０３は、前記セグメンテーション部１０２におけるセグメンテーション過程で抽出した複数臓器の各臓器を構成する前記３軸の交点について臓器の所定の各部位毎に備える物理特性を設定する（物理定数設定過程）。このときの、物理定数にはヤング率、比重等がある。
有限要素分割部１０４は、前記物理定数設定部１０３における物理定数設定過程で物理特性を設定された所定部位を有限要素に分割する（図２（ａ）の有限要素分割過程Ｐ２０１ａ）。
モデルデータは記憶装置１０５に所定のデータ構造で記憶される。例えば、データ構造は有限要素を包含するメタデータの構成を持つ。さらに、モデルデータに実体に即した質量、剛性、色等を付加したボリュームデータとする。
生体データ作成システム１０１において、臓器の生体モデルを例えば図３（ａ）のように三角形の要素に分割し、その要素のノードに番号を付して（ｉ，ｊ，ｋ）とする。前述した力と変位の釣り合い式（１）における［Ｋ］の剛性マトリクスを初期化時に構築してある（図３（ｂ））。手術操作者がメスを操作し、模擬運動及び画像生成演算装置１１２の当該臓器についてのノードコンピュータ１１２３ｉがメスと臓器との接触を後述するように判定する。このメスが接触した臓器を構成する要素Ｐはノードの番号（ｉ，ｊ，ｋ）とする。さらに、メスの移動が進み当該臓器の生体部分を切断することになる。このとき、この要素Ｐ（ｉ，ｊ，ｋ）の剛性行列が全体の剛性行列に関わりなくなると考え、この要素Ｐとそれに係る部分行列を削除する（図３（ｃ），（ｄ））。従って、新たな全体剛性マトリクスは、前記要素Ｐ（ｉ，ｊ，ｋ）の部分の部分行列を加えあわせないものとなる。ノードコンピュータ１１２３ｉ（ｉは、１〜Ｎのうち当該臓器の生体に割り当てられたもの）は、新たな剛性行列に基づいて式（１）により、模擬により生じた力に応じた変位を求める。（図２（ａ）の模擬運動過程Ｐ２０２ａ）
【００２４】
（実施態様２）
実施態様と同様に、有限要素分割部１０４は、前記物理定数設定部１０３における物理定数設定過程で物理特性を設定された所定部位を有限要素に分割する（図２（ｂ）の有限要素分割過程Ｐ２０１ｂ）。
切断される箇所に相当する要素に関しその部分行列を単に削除しただけでなく、予備の要素を備え削除した部分にその予備の要素を交換して置き換えるようにして、切断模擬をすることができる。例えば、図４（ａ）のように、切断することにより削除される要素Ｐのノードの番号を（ｉ，ｊ，ｋ）とする。このノードの番号は、もとの要素Ｐを示す他に前記要素Ｐに隣接する他の要素例えば要素Ｑについて番号（ｉ，ｋ）を共通にし、要素Ｒについて番号（ｊ，ｋ）を共通にする。新たな予備の要素Ｓは、番号を（ｊ，ｋ，ｌ）として、番号（ｊ，ｋ）は要素Ｒと共通にして隣接させ、番号（ｌ）については、置き換えの初期に番号（ｉ）と同一箇所に位置させる。従って、新たな全体剛性マトリクスは、前記要素（ｉ，ｊ，ｋ）の部分行列に代えて要素（ｊ，ｋ，ｌ）（ｌはもとの全体行列にはない新たなノードに関するものである。）の関する部分行列を加えあわせたものとなる（図４（ｂ））。従って、新たなノード番号（ｌ）を含んだ新たな全体剛性行列を再構築する必要があるが、ただ１つのノードが増えるだけで、複雑になることはない。新たに置き換えられた予備の要素Ｓを含んだ要素の集合について、ノードコンピュータ１１２３ｉ（ｉは、１〜Ｎのうち当該切断された臓器の生体に割り当てられたもの）は、新たな剛性行列に基づいて式（１）により、模擬により生じた力に応じた変位を求めることができる（図２（ｂ）の模擬運動過程Ｐ２０２ｂ）。交換された要素Ｓについて、最初ノード（ｌ）は要素Ｑのノード（ｉ）と一致しているが、加えられた力（重力、手術操作具により加えられる力）と臓器の物理定数により変位して、互いに離れることとなり、これらはノードコンピュータ１１２３ｉにより計算され、この状況の画像が生成され、表示装置により表示される。
【実施例２】
【００２５】
図５は模擬手術接触判定装置を説明する機能ブロック図、図６は模擬手術接触判定方法を説明するフロー図である。模擬手術接触判定は図１における模擬運動及び画像生成演算装置１１２の各ノードコンピュータ１１２３１〜１１２３Ｎにおいて行われ、図５は１の模擬手術接触判定装置を表示する。模擬運動及び画像生成演算装置１１２におけるグラフィックスプロセッサはコンピュータグラフィックス専用ＬＳＩを用いて行い、専用回路により画像生成を高速に実行することができる。
図５において、５０１は図示しない操作具の所定箇所に仮想設定した視点から見た仮想画像の画像データの少なくとも１フレーム分を記憶し、初期値を全て０で初期化する例えばフレームバッファあるいはこれに相当するメモリにより構成する画像メモリ、５０２は前記視点からの仮想画像の奥行きであるｚ値を前記画像メモリ５０１の画素に対応して記録し、初期値を視点から手術操作具の先端までの距離Ｌとするｚ−バッファ、５０３は図示しない手術操作具の所定の位置及び方向による視点から見た仮想の臓器の表面要素を描画して前記画像メモリ５０１に出力する画像生成部、５０４は前記画像生成部５０３の所定視点における画像の各画素のｚ値がｚ−バッファ５０２に格納されているｚ値より小さければｚ−バッファ５０２のｚ値を書き替えるとともに、表面要素の色データの代わりに、要素番号を前記画像メモリ５０１に書き込ませるｚ値判定手段、５０５は画像メモリ５０１について初期値の０以外の要素番号について手術操作具との接触があると判定する接触判定部である。図７に視点から見た情景とそのデータを画像メモリ５０１とｚ−バッファ５０２との格納状況を示す。すなわち、画像メモリ５０１とｚ−バッファ５０２とはスクリーンに表示する画素数と同数の容量を持ち、互いに一つの画素に対応し、スクリーン８０３には視点から見て最近の物体が見え、その奥の物体は最近の物体から遮られない範囲で見ることができるように表示される。
生体の臓器を予め有限要素に分割して当該要素ごとに固有の要素番号は図１の手術シミュレータ用生体データ作成システム１０１において付与される。
図８に示すように例えばメスを模擬する手術操作具８０１の所定箇所Ｌに視点８０２が設定される（図６の過程Ｐ６０１）。さらに視点８０２の前に仮想のスクリーン８０３が設定される（図６の過程Ｐ６０２）。手術操作具８０１に設けた視点８０２は、所定の視野角を有して手術操作者が操作する方向に向けられる。視点８０２の視野角は、狭く設定され、または０に設定される（図６の過程Ｐ６０３）。ｚ−バッファ５０２を前述したＬで初期化する（図６の過程Ｐ６０４）。画像メモリ５０１を０で初期化する（図６の過程Ｐ６０５）。
手術操作者の操作に従って手術操作具８０１が操作され、その位置姿勢が確定される（図６の過程Ｐ６０６）とともに、視点の位置、その姿勢すなわち視線方向が設定される（図６の過程Ｐ６０７）。画像生成部５０３は視点８０２からスクリーン８０３に見た臓器の構成要素を固有の要素番号で描画する。設定した視野角が０の場合、透視投影変換を行わず平行射影を使って描画する。このとき、画像生成部５０３のデータには手術操作具８０１に設定した視点８０２から画像生成対象物すなわち本発明の場合は臓器の表面までの奥行きであるｚ値を各画素について含み、その画素は画像メモリ５０１が格納するフレーム内の位置と対応する。ｚ値判定手段５０４において、臓器の表面要素についてのｚ値は、ｚ−バッファ５０２に格納されているｚ値と比較され、新たなｚ値がもとのｚ値より大きいすなわち奥の要素は描画がキャンセルされ、新たなｚ値がもとのｚ値より小さい場合にｚ−バッファ５０２の値をその画素について書き替えとともに、画像メモリ５０１はｚ値を書き替えた画素に対応して、表面要素の色データの代わりに、要素番号を書き込ませる（図６の過程６０８）。図８（ａ）は臓器８０４と手術操作具８０１が接触なしの場合を図示し、画像メモリ５０１とｚ−バッファ５０２との内容が初期値のままである。図８（ｂ）は臓器８０４の要素２５と手術操作具８０１とが接触した場合を図示し、画像メモリ５０１とｚ−バッファ５０２との所定部分（接触した部分に対応したメモリ部分）の内容がその要素番号２５と距離Ｌから手術操作具８０１であるメスの先端から切り込んだ深さを差し引いた距離Ｍｉが格納される。
描画終了後、接触判定部５０５は、画像メモリ５０１の内容を読み出し（図６の過程６０９）、それを調べる。画像メモリ５０１について全て初期値の０であれば手術操作具８０１と接触なしとみなし、もし０以外の要素番号があれば、それを手術操作具８０１と接触した要素番号とみなして接触ありの判定をする（図６の過程６１０）。接触の判定がされた場合、前述のように全体剛性行列から前記要素番号の要素行列を削除して（図６の過程６１１）、臓器変形計算を行う（図６の過程６１２）こととなる。
このようにして接触を判定することにより、グラフィックスプロセッサでは描画処理が高速に、自動的に実施でき、ｚ値の比較判定、ｚ−バッファの更新、を高速に、自動的に実施でき、手術操作具に設定した視野外のデータのキャンセルが高速に、自動的に実施できる。そのため、接触判定と、接触要素番号の特定が高速に実施できる。
【実施例３】
【００２６】
図９は、手術切断運動模擬用のデータベース構造を説明する図であり、データベースは図１の記憶装置１０５に記憶される。
手術切断運動模擬用のデータベースは、臓器データ部９０１１〜９０１３…と、生体モデル部９０２１１，９０２１２，９０２２１，９０２２２，９０２３１，９０２３２…とで構成される。臓器データ部９０１１〜９０１３…は、模擬する生体の臓器ごとに分類し、前記分類した各臓器全体を覆った立体の臓器のメタデータ９０３１，９０３２，９０３３…を連結部（Ａ）９０４１，９０４２，９０４３…に備える。
生体モデル部９０２１１〜９０２３２…は、臓器を構成する生体部位ごとの生体モデル９０５１，９０５２〜９０５６…に分類し、前記分類した各生体モデル９０５１，９０５２〜９０５６…全体を覆った立体の生体のメタデータ９０６１，９０６２〜９０６６…を備える。また生体モデル部９０２１１〜９０２３２…には生体モデル９０５１，９０５２〜９０５６…ごとに力学計算ノード９０７１，９０７２，９０７３，９０７４，９０７５，９０７６…が備えられる。前記臓器のメタデータ９０３１，９０３２，９０３３…と生体のメタデータ９０６１，９０６２〜９０６６…の各々は、例えば球又は楕円体等の簡単な立体で形成して、当該臓器又は生体の全体を覆う。
各生体モデル部９０２１１〜９０２３２…は、その属する臓器内ごとに連結部（Ａ）９０４１，９０４２，９０４３…で連結する構造、例えば樹状構造とされる。各連結部（Ａ）９０４１，９０４２，９０４３…は、前記臓器データ部９０１１〜９０１３…におけるメタデータ９０３１，９０３２，９０３３…と各臓器内の生体モデル９０５１，９０５２〜９０５６…におけるメタデータ９０６１，９０６２〜９０６６…間の接触判定と生体モデル部９０２１１〜９０２３２…の力学計算ノード９０７１〜９０７６…における変数の伝播を制御する。
各臓器データ部９０１１〜９０１３…は、その属する例えば器官ごとに連結部（Ｄ）９０８１，９０８２で連結する構造、例えば樹状構造とされる。連結部（Ｄ）９０８２は、例えば腎臓部である臓器データ部９０１２と副腎部である臓器データ９０１３との腎臓部メタデータ９０３２と副腎部メタデータ９０３３との接触判定及び腎臓部と副腎部とを覆ってできる腹部メタデータ９０９と他の臓器例えば血管部である臓器データ部９０１１の血管メタデータ９０３１との接触判定を行う。
接触判定は、連結部の計算ノードにおいて、メタデータを形成する立体の面について互いに一致する部分があるときに接触するものとする。そして、変数（例えば、「力」、「変位」）のデータを接触する生体に係る連結部（Ａ）９０４１，９０４２…、連結部（Ｄ）９０８１，９０８２を経由して、接触する生体モデルの力学計算ノードに転送してノードコンピュータ１１２３ｉで変位計算を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】生体臓器の手術切断運動模擬及び手術シミュレータ用生体データ作成を説明する機能ブロック図である。
【図２】生体臓器の手術切断運動模擬を説明するフロー図である。
【図３】本発明による切断模擬手法を説明する図である。
【図４】本発明による切断模擬手法を説明する図である。
【図５】模擬手術接触判定装置を説明する機能ブロック図である。
【図６】模擬手術接触判定方法を説明するフロー図である。
【図７】視点から見た情景とそのデータを画像メモリとｚ−バッファとの格納状況を示す図である。
【図８】接触判定を説明する図である。
【図９】本発明による手術切断運動模擬用のデータベース構造を説明する図である。
【図１０】手術シミュレータ用生体データ作成システム及び手術シミュレータの１実施例の機能ブロック図である。
【図１１】手術シミュレータ用生体データ作成方法及び手術シミュレーション方法を説明するフロー図である。
【図１２】有限要素法の動的モデルについての計算モデルを説明する図である。
【図１３】有限要素と、１つの有限要素により行列と、全体行列とを説明する図である。
【図１４】従来の切断模擬手法を説明する図である。
【図１５】臓器を構成する有限要素は固有の番号を持つことを説明する図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０１…手術シミュレータ用生体データ作成システム、１０２…セグメンテーション部、１０３…物理定数設定部、１０４…有限要素分割部、１０５…モデルデータを記憶する記憶装置、１１０…手術シミュレータ、１１１…力覚装置、１１２…模擬運動及び画像生成演算装置、１１３…画像表示装置
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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