(57)【要約】【課題】手術支援システムにおいて、患部の滑らかな手術経路を簡単に設定でき、これによって整形外科手術を容易に且つ確実に行えるようにする。【解決手段】手術支援システムは、患部を撮像する撮像装置１００と、撮像された患部の立体画像を作成する画像作成部１０１と、手術の種類および立体画像に基づいて手術経路の基準点を入力する基準点入力部１０８と、入力された手術の種類および基準点に基づいて患部の滑らかな手術経路を計算する手術経路計算部１０７と、立体画像および手術経路を所望状態に表示可能に処理する画像処理部１０４と、画像処理部１０３で処理された画像を表示する画像表示装置１０４とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
患部を撮像する撮像装置と、
撮像された患部の立体画像を作成する画像作成部と、
手術の種類および前記立体画像に基づいて手術経路の基準点を入力する基準点入力部と、
前記入力された手術の種類および基準点に基づいて患部の滑らかな手術経路を計算する手術経路計算部と、
前記立体画像および前記手術経路を所望状態に表示可能に処理する画像処理部と、
前記画像処理部で処理された画像を表示する画像表示装置と
を備えることを特徴とする手術支援システム。
【請求項２】
請求項１において、前記立体画像から必要部分の画像を抽出する画像抽出部を備え、前記抽出された画像を所望状態に表示可能に処理する画像処理部としたことを特徴とする手術支援システム。
【請求項３】
請求項１または２において、表示させたいスライス画像用の任意線を指定するスライス画像用任意線入力部を備え、前記指定されたスライス画像用の任意線に基づいてスライス画像を表示可能に処理する前記画像処理部としたことを特徴とする手術支援システム。
【請求項４】
請求項１から３の何れかにおいて、前記計算された手術経路に沿って術具を用いて患部を自動的に手術する手術ロボットを備えることを特徴とする手術支援システム。
【請求項５】
患部を撮像する撮像装置と、
術具を用いて患部を手動で手術する手術ロボットと、
前記手術ロボットの術具の位置情報を前記撮像装置で撮像された患部の画像に統合する位置情報統合部と、
撮像された患部の立体画像を作成すると共に、前記位置情報統合部の統合された情報に基づいて前記立体画像に前記術具の画像を重ねた画像を作成する画像作成部と、
手術の種類および前記立体画像に基づいて手術経路の基準点を入力する基準点入力部と、
前記入力された手術の種類および基準点に基づいて患部の滑らかな手術経路を計算する手術経路計算部と、
前記立体画像および前記手術経路を所望状態に表示可能に処理する画像処理部と、
前記画像処理部で処理された画像を表示する画像表示装置と
を備えることを特徴とする手術支援システム。
【請求項６】
請求項５において、計算された手術経路に沿って術具を用いて患部を自動でも手術する手術ロボットとすると共に、前記手術ロボットの自動での手術と手動での手術とを切替え可能としたことを特徴とする手術支援システム。
【請求項７】
患部を撮像装置により撮像し、
前記撮像された患部の立体画像を画像作成部により作成し、
手術の種類および前記立体画像に基づいて手術経路の基準点を基準点入力部により入力し、
前記入力された手術の種類および基準点に基づいて患部の滑らかな手術経路を手術経路計算部により計算し、
画像処理部により前記立体画像および前記手術経路を所望状態に表示可能に処理し、
前記画像処理部で処理された画像を画像表示装置により表示する
ことを特徴とする手術支援方法。
【請求項８】
患部を撮像装置により撮像し、
手術ロボットの術具を用いて患部を手動で手術し、
前記手術ロボットの術具の位置情報を前記撮像装置で撮像された患部の画像に位置情報統合部により統合し、
画像作成部により、撮像された患部の立体画像を作成すると共に、前記位置情報統合部の統合された情報に基づいて前記立体画像に前記術具の画像を重ねた画像を作成し、
手術の種類および前記立体画像に基づいて患部の手術経路の基準点を基準点入力部により入力し、
入力された手術の種類および基準点に基づいて滑らかな手術経路を手術経路計算部により計算し、
画像処理部により前記立体画像および前記手術経路を所望状態に表示可能に処理し、
前記画像処理部で処理された画像を画像表示装置により表示する
ことを特徴とする手術支援方法。
【請求項９】
請求項８において、３つ以上のマーカを貼り付けた状態で患部を撮像装置により撮像して医用画像を作成し、このマーカを貼り付けたと同じ場所に実際の患者に同数のマーカを貼り付け、このマーカの位置座標を三次元位置計測装置にて計測して３×３以上の行列で表し、この行列を前記医用画像上のマーカの位置座標を表す３×３以上の行列に前記座標統合部で変換し、この変換された行列に基づいて前記立体画像に前記術具の画像を重ねた画像を作成することを特徴とする手術支援方法。
【請求項１０】
整形外科手術を支援するためのコンピュータに、
患部を撮像装置により撮像する手順と、
前記撮像された患部の立体画像を画像作成部により作成する手順と、
手術の種類および前記立体画像に基づいて手術経路の基準点を基準点入力部により入力する手順と、
前記入力された手術の種類および基準点に基づいて患部の滑らかな手術経路を手術経路計算部により計算する手順と、
画像処理部により前記立体画像および前記手術経路を所望状態に表示可能に処理する手順と、
前記画像処理部で処理された画像を画像表示装置により表示する手順と
を実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、手術支援システムに係り、特にコンピュータを用いて成形外科手術を支援するのに好適な手術支援システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、医用画像の撮像装置の発達に伴い、コンピュータ上に表示した医用画像を参考にして手術を計画する方法が普及している。それに伴い、手術計画をコンピュータ上で支援する装置が開発されている。
【０００３】
そのような従来技術として、患部を撮像する撮像装置と、撮像された患部の立体画像を作成する画像作成部と、手術経路を計算する手術経路計算部と、立体画像および手術経路を表示する画像表示装置とを備える手術支援システムがある。
【０００４】
これに関連するものとして、特開２０００−１１３０８６号公報（特許文献１）、特開２００１−２９３００７号公報（特許文献２）及び特開平１１−１５５８１号公報（特許文献３）が挙げられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１１３０８６号公報（第１図）
【特許文献２】
特開２００１−２９３００７号公報（第１１図）
【特許文献３】
特開平１１−１５５８１号公報（第１４図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１〜３の手術支援システムは、撮像された患者の医用画像を利用して患部までの手術経路を低侵襲で行えるように主に脳外科手術で用いられるものであり、患部の骨切りなどの整形外科手術で用いることに配慮されているものではなかった。特に、成形外科手術では患部を滑らかな手術経路を設定することが必要であるが、前記特許文献１〜３ではこれに十分に対応できるように配慮されているとは言えなかった。
【０００７】
本発明の目的は、患部の滑らかな手術経路を簡単に設定でき、これによって整形外科手術を容易に且つ確実に行える手術支援システム及び手術支援方法並びにそのプログラムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、患部を撮像する撮像装置と、撮像された患部の立体画像を作成する画像作成部と、手術の種類および前記立体画像に基づいて手術経路の基準点を入力する基準点入力部と、前記入力された手術の種類および基準点に基づいて患部の滑らかな手術経路を計算する手術経路計算部と、前記立体画像および前記手術経路を所望状態に表示可能に処理する画像処理部と、前記画像処理部で処理された画像を表示する画像表示装置とを備える手術支援システムとしたものである。
【０００９】
ここで、より好ましい構成は、次の通りである。前記立体画像から必要部分の画像を抽出する画像抽出部を備え、前記抽出された画像を所望状態に表示可能に処理する画像処理部としたものである。また、表示させたいスライス画像用の任意線を指定するスライス画像用任意線入力部を備え、前記指定されたスライス画像用の任意線に基づいてスライス画像を表示可能に処理する前記画像処理部としたものである。また、前記計算された手術経路に沿って術具を用いて患部を自動的に手術する手術ロボットを備えるようにしたものである。また、前記計算された手術経路に沿って術具を用いて患部を自動的に手術する手術ロボットを備えるようにしたものである。
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明は、患部を撮像する撮像装置と、術具を用いて患部を手動で手術する手術ロボットと、前記手術ロボットの術具の位置情報を前記撮像装置で撮像された患部の画像に統合する位置情報統合部と、撮像された患部の立体画像を作成すると共に、前記位置情報統合部の統合された情報に基づいて前記立体画像に前記術具の画像を重ねた画像を作成する画像作成部と、手術の種類および前記立体画像に基づいて手術経路の基準点を入力する基準点入力部と、前記入力された手術の種類および基準点に基づいて患部の滑らかな手術経路を計算する手術経路計算部と、前記立体画像および前記手術経路を所望状態に表示可能に処理する画像処理部と、前記画像処理部で処理された画像を表示する画像表示装置とを備えるものである。
【００１１】
ここで、より好ましい構成は、計算された手術経路に沿って術具を用いて患部を自動でも手術する手術ロボットとすると共に、前記手術ロボットの自動での手術と手動での手術とを切替え可能としたものである。
【００１２】
前記目的を達成するために、本発明は、患部を撮像装置により撮像し、前記撮像された患部の立体画像を画像作成部により作成し、手術の種類および前記立体画像に基づいて手術経路の基準点を基準点入力部により入力し、前記入力された手術の種類および基準点に基づいて患部の滑らかな手術経路を手術経路計算部により計算し、画像処理部により前記立体画像および前記手術経路を所望状態に表示可能に処理し、前記画像処理部で処理された画像を画像表示装置により表示するようにしている。
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明は、患部を撮像装置により撮像し、手術ロボットの術具を用いて患部を手動で手術し、前記手術ロボットの術具の位置情報を前記撮像装置で撮像された患部の画像に位置情報統合部により統合し、画像作成部により、撮像された患部の立体画像を作成すると共に、前記位置情報統合部の統合された情報に基づいて前記立体画像に前記術具の画像を重ねた画像を作成し、手術の種類および前記立体画像に基づいて患部の手術経路の基準点を基準点入力部により入力し、入力された手術の種類および基準点に基づいて滑らかな手術経路を手術経路計算部により計算し、画像処理部により前記立体画像および前記手術経路を所望状態に表示可能に処理し、前記画像処理部で処理された画像を画像表示装置により表示するようにしている。
【００１４】
ここで、より好ましくは、３つ以上のマーカを貼り付けた状態で患部を撮像装置により撮像して医用画像を作成し、このマーカを貼り付けたと同じ場所に実際の患者に同数のマーカを貼り付け、このマーカの位置座標を三次元位置計測装置にて計測して３×３以上の行列で表し、この行列を前記医用画像上のマーカの位置座標を表す３×３以上の行列に前記座標統合部で変換し、この変換された行列に基づいて前記立体画像に前記術具の画像を重ねた画像を作成することである。
【００１５】
前記目的を達成するために、本発明は、整形外科手術を支援するためのコンピュータに、患部を撮像装置により撮像する手順と、前記撮像された患部の立体画像を画像作成部により作成する手順と、手術の種類および前記立体画像に基づいて手術経路の基準点を基準点入力部により入力する手順と、前記入力された手術の種類および基準点に基づいて患部の滑らかな手術経路を手術経路計算部により計算する手順と、画像処理部により前記立体画像および前記手術経路を所望状態に表示可能に処理する手順と、前記画像処理部で処理された画像を画像表示装置により表示する手順とを実行させるためのプログラムである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施例を、図１〜図６を参照しながら説明する。本実施例は、手術ロボットを使用して寛骨臼回転骨切り術（以下、ＲＡＯと称す）による手術を行う場合の適用例ついて説明する。
【００１７】
最初に、ＲＡＯに関して図２を参照しながら説明する。図２は股関節の骨を示す図「寺山和雄、辻陽雄監訳：“整形外科医のための手術解剖学図説”、南江堂、ｐｐ３４４（１９９８）」である。
【００１８】
ＲＡＯを適用する患者が、例えば、股関節の寛骨臼蓋１１０の形状が形成不全のため大腿骨頭の上部を覆うような形状になっておらず、欠損部１１１を生じた状態になっている場合に、大腿骨頭１１３が寛骨臼蓋１１０より外側に少し突き出たような状態で体重がかかることになる。そのため、寛骨臼蓋１１０にかかる力は全体ではなく体の中央側の縁に集中してかかることとなり、患者は歩くたびに痛みを感じることとなる。
【００１９】
ＲＡＯは、例えば、前記のような症状を持つ患者に対して寛骨臼蓋１１０を太線で示した骨切線１１２で切り、大腿骨頭１１３の上部が寛骨臼蓋１１０全体で覆われるように骨切線１１２で囲んだ部分を矢印方向に回転させる手術である。
【００２０】
本実施例は、手術計画通りに滑らかな球面状に骨を切ること、また、切開範囲が小さくて創外固定器（接合した骨が固まる前に歩行可能な補助具）を併用することで手術後の早期自立移動を可能とするように手術ロボットを用いて整形外科手術することを想定し、その際に必要となる手術支援システムに係るものである。
【００２１】
次に、図１を参照しながら本実施例の手術支援システムを説明する。図１は手術支援システムを示す構成図である。
【００２２】
手術支援システム４は、手術計画システム１、手術ロボット２およびナビゲーションシステム３を備えて構成されている。この手術支援システム４はコンピュータや各種の入力装置や出力装置などから構成されている。手術計画システム１は、患部の状態を把握する患部形状把握機能部１０と、患部状態に合わせた手術経路を設定する手術経路設定機能部１１とを備えて構成されている。この手術計画システム１は、患部形状把握機能部１０で患部の状態を把握し、手術経路設定機能部１１で患部状態に合わせた最適な手術経路を設定し、これらに基づいて患部形状把握機能部１０で手術計画の最適性を調べるように構成されている。
【００２３】
コンピュータは、撮像装置１００、画像作成部１０１、画像抽出部１０２、画像処理部１０３、画像を表示する画像表示装置１０４、スライス画像用任意線入力部１０５、基準点入力部１０８、手術経路計算部１０７、位置情報統合部３０２を備えて構成されている。これらの構成要素はプラグラムにより構成されると共に、後述する動作手順により実行される。なお、コンピュータは複数に分割されていてもよい。
【００２４】
そして、手術支援システム４は、手術前に手術計画システム１を用いて手術を計画し、手術中はナビゲーションシステム３を用いて、手術計画と患者に対する手術ロボット２の位置情報を患者の医用画像に重ね合わせて医師に提示するシステムである。本実施例では、手術計画システム１とナビゲーションシステム３は図１に示すように一部を共用して構成されている。
【００２５】
手術計画システム１は、患部の状態を把握する患部形状把握機能部１０と、患部状態に合わせた手術経路を設定する手術経路設定機能部１１とを備えて構成されている。この手術計画システム１は、患部形状把握機能部１０で患部の状態を把握し、手術経路設定機能部１１で患部状態に合わせた最適な手術経路を設定し、これらに基づいて患部形状把握機能部１０で手術計画の最適性を調べるように構成されている。
【００２６】
患部形状把握機能部１０は、患部の画像を撮像する撮像装置１００と、スライス画像や立体画像を作成する画像作成部１０１と、作成された画像から必要部分の画像を抽出する画像抽出部１０２と、抽出した画像を所望の状態に表示できるように処理する画像処理部１０３と、画像を表示する画像表示装置１０４と、見たいスライス画像を指定するスライス画像用任意線入力部１０５と、を備えて構成されている。
【００２７】
この患部形状把握機能部１０は、患部周辺の医用画像を撮像装置１００で撮像し、撮像された医用画像ファイルを画像作成部１０１で読み込みスライス画像や立体画像を作成し、作成した立体画像より骨の部分のみを画像抽出部１０２で画像抽出し、抽出した骨の立体画像を回転表示可能なように画像処理部１０３において画像処理し、この画像を画像表示装置１０４で医師に提示するように構成されている。これによって、医師が様々な角度から骨の形状を調べることを可能としている。
【００２８】
なお、撮像装置１００は、内視鏡画像、電子顕微鏡画像、ＣＣＤカメラによる撮像画像、ＭＲＩ、ＣＴ画像、超音波画像、ＲＩまたはその他の患部画像を撮像する機器である。画像表示装置１０４は、画像処理部１０３より送出された画像情報を、ＣＲＴ、ヘッド・マウント・ディスプレイまたはその他の画像表示装置、または患者上に直接画像情報を投影して表示する機器である。
【００２９】
手術計画において、医師が臼蓋形成状態を良く調べられるように骨の形状をスライス断面で見たい時には、患部形状把握機能部１０を用いて、スライス画像用任意線入力部１０５で見たいスライス画像を指定し、画像処理部１０３で画像処理し、画像表示装置１０４でスライス画像を医師に提示する。これによって、医師が適切な手術計画を立てることを可能としている。
【００３０】
スライス画像用任意線入力部１０５でスライス画像を指定する際は、画像表示装置１０４に表示されたメニュー画面より「任意線によるスライス断面表示」を選択する。これによって、画像表示装置１０４に患部の立体画像提示画面が表示されると共にその画面の端に図３のようなダイアログ画面１２３が現れる。
【００３１】
そして、患部の立体画像における任意点をマウスクリックすると、その点の色が変わり、スライス画像用任意線の１つめの通過点が指定される。なお、通過点を修正する場合には、ダイアログ画面１２３で該当点の修正ボタン１２０を押してから、患部の立体画像提示画面における修正点をマウスクリックし直すことにより、通過点を新たな修正点に変更することができる。スライス画像用任意線の２つ目の通過点を指定するときは、１つめの通過点を指定した後に修正ボタン１２０を押さずにマウスクリックする。これによって、マウスクリックした点を自動的に２つ目の通過点として認識する。通過点を指定する際は、マウスドラッグすることにより患部の立体画像を自由に回転させながら通過点を指定することができる。
【００３２】
２つ目の通過点を指定すると、上下２点を通るスライス画面が立体画像提示画面にかわって表示される。このスライス画面の方向が適切でない場合には、スライス画面の方向をマウスドラッグにより希望するスライス画面まで動かして変更する。ここで、ダイアログ画面１２３の確定ボタン１２１を押すと、スライス画面の断面が表示される。これによって、医師が適切な手術計画を立てることを可能としている。
【００３３】
なお、ダイアログ画面１２３でスライス方向の修正ボタン１２２を押すと、このスライス画面の方向を決める時点から指示し直すことが出来る。また、ダイアログ画面１２３で通過点１あるいは通過点２の修正ボタン１２０を押すと通過点の場所を決める時点から指示し直すことが出来る。
【００３４】
手術経路設定機能部１１は、手術経路の基準を入力する基準点入力部１０８と、入力した基準に基づいて手術経路を計算する手術経路計算部１０７と、計算した手術経路を表示する手術経路確認部とを備えて構成されている。手術経路確認部は画像処理部１０３および画像表示装置１０４を図１に示すように共用して構成されている。
【００３５】
手術経路設定機能部１１は、医師が、画像表示装置１０４のメニューバーより手術の種類を「骨切線の設定」と指定し、手術経路線を近似する線や面の種類を「球面」と指定し、種類に応じた数の基準点（この場合は球面なので４点）を基準点入力部１０８で入力した後、入力した基準点を通る球面を手術経路計算部１０７で計算し、計算した球面と骨との交線を手術経路確認部の画像表示装置１０４で医師に提示する機能を有している。なお、手術経路設定機能部１１は、医師が、メニューバーより手術の種類を「骨切線の設定」と指定した後に、入力したい基準点の数をメニューバーのリスト画面より入力し、入力した基準点をなめらかに通る曲面を描画ソフトのように記述し、手術経路確認部の画像表示装置１０４で医師に提示するようにしても良い。
【００３６】
基準点入力部１０８で基準点を入力する際には、メニューバーより手術の種類と手術経路近似面とを入力することにより、図４のようなダイアログ画面１３２が画面の端部に現れるので、この画面を用いて１つめの基準点を入力する。この基準点入力部１０８における基準点の入力は、マウスドラッグすることにより立体画像を自由に回転させて基準点として入力したい任意点を表示し、この任意点をマウスクリックすることにより行う。この時、入力した点は色が変わり、入力されたことが容易に認識できる。なお、基準点を修正する場合には、ダイアログ画面１３２で該当点の修正ボタン１３０を押してから、立体画像における基準点をマウスクリックし直すことにより、基準点を新たな修正点に変更することができる。２つめ以降の基準点を指定するときは、１つ前の基準点を指定した後に、修正ボタン１３０を押さずにマウスクリックする。これによって、マウスクリックした点を自動的に次の通過点として認識する。
【００３７】
医師により４つ全ての基準点を入力した後に図４のダイアログ画面で確定ボタン１３１が押されると、骨切線は手術経路計算部１０７で計算される。手術経路計算部１０７は、４つの基準点全てを通る、提示医用画像の座標系における球面の方程式を計算し、球面方程式上の医用画像データの数値が骨を表すデータかどうかを判別することにより、この球面の方程式と骨とが交わる面を骨切線として計算する。骨切線は、画像処理部１０３で画像情報に直された後、画像表示装置１０４において医師に提示される。
【００３８】
骨切線の検討は、画像処理部１０３において、立体図全体の回転で使用しているボタンと左右逆のボタンを押してマウスでドラッグすることにより、骨切線に囲まれた骨を回転させ、手術をシミュレーションして行う。その際、医師は、任意の時点で、画像抽出部１０２において患部の骨周辺の腱などの重要臓器を画像抽出し、骨の画像に重ね合わせて表示することにより、骨を回転させる際に重要臓器を傷つけないか、皮膚切開後に骨組織まで組織を切り開く際に切り開きにくくないかといったような、骨切線と重要臓器との関係を確認することができる。また、画像処理部１０３において、骨切線より画面手前の組織を画像抽出部１０２により削除あるいは移動することにより、骨切線と重要臓器との関係を確認することができる。
【００３９】
骨切線の修正は、図４のダイアログ画面１３２で修正を希望する基準点のボタンを押して、立体画像上で基準点をマウスクリックし直すことにより行う。修正終了後、図４のダイアログ画面１３２において医師により確定ボタン１３１が押されると、４つの基準点全てを通る球面と骨とが交わる面を骨切線として医師に提示する。
【００４０】
ナビゲーションシステム３は、マーカ３００、三次元位置計測装置３０１、位置情報統合部３０２、撮像装置１００、画像作成部１０１、画像抽出部１０２、画像処理部１０３、画像表示装置１０４を備えて構成されている。なお、撮像装置１００、画像作成部１０１、画像抽出部１０２、画像処理部１０３、画像表示装置１０４は、図１に示すように患部形状把握機能部１０と共用されている。
【００４１】
ナビゲーションシステム３は、位置情報統合部３０２において、実際の患者の位置座標系から手術計画前に撮像した患者の医用画像上の位置座標系に変換する変換行列を求め、実際の患者の位置座標系における術具の位置座標にこの変換行列をかけることにより患者の医用画像座標系における術具の座標を求める。しかる後、手術計画前に撮像した患者の医用画像上に術具の位置を提示する画面を画像作成部１０１において作成し、この画面と手術経路計算部１０７で作成した手術経路線と重ね合わせた画面を画像処理部１０３で作成し、画像表示装置１０４においてリアルタイムに医師に提示する。
【００４２】
手術ロボット２は、術具を把持するマニピュレータ（ロボット腕）２０１と、これを操作するマニピュレータ制御装置２００とを備えて構成されている。手術ロボット２の操作は、自動と手動が選択可能である。自動で手術ロボット２の操作を行う際は、手術経路計算部１０７で計算した結果をマニピュレータ制御装置２００に送信して、計画した手術経路どおりにマニピュレータ２０１を制御して手術を行う。
【００４３】
手動で手術ロボット２の操作を行う際は、操作卓より制御情報をマニピュレータ制御装置２００に送信してマニピュレータ２０１を操作することにより手術を行う。なお、手動で手術を行う際は、ナビゲーションシステム３を用いて、手術計画と実際の手術のずれを確認しながら手術を行う。
【００４４】
ここで、手術計画前に撮像した患者の医用画像には、手術計画システム１で用いた医用画像を用いる。ただし、最初に撮像装置１００で撮像する際にマーカを３つ以上貼り付けた状態で撮像しておく。実際の患者の位置座標系から手術計画前に撮像した患者の医用画像上の位置座標系に変換する変換行列は次のようにして求める。まず、手術計画前に患者の医用画像を撮像した時に３つ以上のマーカを貼り付けた場所と同じ場所に実際の患者に同数のマーカ３００を貼り付け、このマーカ３００の位置座標を三次元位置計測装置３０１にて計測して３ラ３以上の行列で表す。この行列を手術計画前に撮像した患者の医用画像上マーカ位置座標を表す３ラ３以上の行列に変換するための行列は、位置情報統合部３０２において計算することにより求められる。
【００４５】
実際の患者の位置座標系における術具の位置座標は次のようにして求める。まず、実際の患者の位置座標系における手術ロボット２の基準位置３点を三次元位置計測装置３０１で計測する。次に、位置情報統合部３０２において、手術ロボット２の設計数値と、マニピュレータ制御装置２００から出力される制御情報より求めた手術ロボット２の基準位置とから、マニピュレータ先端で把持した術具位置までの変換行列を実際の患者の位置座標系における手術ロボット２の基準位置３点の座標に掛ける。これにより前記の術具の位置座標が求められる。
【００４６】
位置情報統合部３０２における、医用画像上のマーカの位置と実際の患者に貼り付けたマーカ３００の位置と手術ロボットの基準点の入力は、次のように行う。
【００４７】
画像表示装置１０５のメニューバーより「ナビゲーション初期設定」を選択すると、図５のようなダイアログ画面３１４が画面の端部に現れる。医師は、このダイアログ画面３１４において表示されているタブ「医用画像」３１０、タブ「実際の患者」３１１、タブ「手術ロボット」３１２より、入力するタブを選択した後に入力を行う。
【００４８】
ここで、医用画像上のマーカの位置を入力する際は、図５においてタブ「医用画像」３１０を選択した後、医用画像の画面で立体図をマウスドラッグすることにより自由に回転させて入力点として入力したい任意点を表示する。この状態で、任意点をマウスクリックすることにより１つめの入力が行われる。修正する場合は、図５のダイアログ画面３１４で該当点の修正ボタン３１３を押してからマウスクリックし直すことにより行われる。２つめ以降の入力点を指定するときは、１つ前の入力点を指定した後に修正ボタンを押さずにマウスクリックすると、マウスクリックした点を自動的に次の入力点として認識する。
【００４９】
実際の患者のマーカ３００の位置を入力する際は、図５においてタブ「実際の患者」３１１を選択した後、三次元位置計測装置３０１の計測プローブを医用画像上のマーカの位置を入力した時と同じ順番で患者に貼り付けたマーカ３００に当てて位置情報統合部３０２にマーカの位置情報を送信する。送信が完了すると、図６に示した画面のように位置座標数値３１３が表示されるので、表示確認後に該当するマーカの入力ボタン３１５を押す。２つめ以降の入力点を指定するときは、１つ前の入力点を指定した後に、修正ボタン３１６を押さずに三次元位置計測装置３０１の計測プローブを患者に貼り付けたマーカ３００に当てる。これによって、位置情報統合部３０２にマーカ３００の位置情報が送信され、１つめのマーカ３００の位置情報を入力した際と同様に位置座標数値３１４が表示されるので、表示確認後入力ボタン３１５を押す。なお、修正する場合は、図６に示したダイアログ画面で該当点の修正ボタン３１６を押してから三次元位置計測装置３０１の計測プローブを患者に貼り付けたマーカに当て直すことにより修正することができる。
【００５０】
手術ロボットの基準点を入力する際は次の通り行う。図５のダイアログ画面においてタブ「手術ロボット」３１２を選択すると、図６で示した実際の患者のマーカ位置入力画面と同様の手術ロボットのマーカ位置入力画面が表示される。その画面において、三次元位置計測装置３０１の計測プローブを予め決めてある順番どおりに基準点に当てる。これによって、位置情報統合部３０２に基準点の位置情報が送信され、図６で示したダイアログ画面のように位置座標数値３１４が表示されるので、表示確認後入力ボタン３１５を押す。なお、修正する場合は入力時と同じダイアログ画面で該当点の修正ボタン３１６を押してから三次元位置計測装置３０１の計測プローブを基準点に当て直すことにより修正することができる。
【００５１】
医用画像上のマーカの位置、実際の患者に貼り付けたマーカの位置、手術ロボットの基準点などの全ての点の位置座標を入力すると、全ての入力完了を確認するダイアログ画面が表示されるので、このダイアログ画面で「ＯＫ」を選択することにより入力が完了する。
【００５２】
手術計画前に撮像した患者の医用画像上に術具の位置を提示する画面は、複数の画面が選択可能になっている。即ち、手術計画前に撮像した患者の医用画像上に手術ロボットと術具の画像を３Ｄで重ね合わせて表示する画面と、手術計画前に撮像した患者の医用画像上に術具の画像のみを３Ｄで重ね合わせて表示する画面のどちらかを、医師により選択可能となっている。その選択方法は、メニューバーより「ナビゲーション画面形式選択」を選択した後に、「ロボットと術具」あるいは「術具のみ」を選択する。なお、この選択は手術中も可能である。また、実際の患者の位置座標系における術具の位置座標は、術具に直接マーカを貼り付け、このマーカの位置を三次元位置計測装置３０１を用いて計測して求めても良い。
【００５３】
手術計画前に撮像した患者の医用画像上に術具の位置を提示する方法は、手術前に使用する全ての術具の医用画像を撮像装置１００において撮像し、この画像を患者の医用画像上に３Ｄで重ね合わせて表示する。なお、手術ロボットの３Ｄ画像は予め撮像ファイルに入力してある。術具の画像を選択する方法は、術具を変更するたびに、メニューバーより「術具ファイル選択」を選択し、ファイルを開くダイアログ画面より術具ファイルを選択する。
【００５４】
本実施例によれば、手術計画段階において、手術ロボットによるＲＡＯといった骨切り手術に必要な滑らかな手術経路を描くことができる手術支援システムを提供することができる。また、手術経路を線の集合でなく滑らかな面として設定可能としたことにより、滑らかな手術経路を設定する際に必要な入力項目が、途中の屈曲点を設定する方法よりも少ないため医師の省力化を図ることができ、さらに、整形外科全般で使用できる手術支援システムを提供することができる。
【００５５】
次に、手術ロボット２を使用したＲＡＯによる手術以外の手術を行う際に適用される本発明の第２の実施例を説明する。
【００５６】
この第２の実施例は、手術経路の一部が楕円、楕円柱、円、円柱、放物線、放物線柱、直線、方形、直方体あるいは球で近似できる手術において、骨切や穿刺といった手術の種類を画面上のボタン、スライダ、メニューバーあるいはその他の入力形式により入力したり、近似する線の種類を画面上のボタン、スライダ、メニューバーあるいはその他の入力形式により入力したりする基準点入力部としたものである。また、近似する線の種類に応じた必要数の基準点の三次元位置座標を、手術前に撮像した患者の立体医用画像上においてマウスあるいはタッチパネル上でクリックすることにより指定するようにしたものである。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明した各実施例の説明から明らかなように、本発明によれば、患部の滑らかな手術経路を簡単に設定でき、これによって整形外科手術を容易に且つ確実に行える手術支援システム及び手術支援方法並びにそのプログラムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の手術支援システムを合わせて示す構成図である。
【図２】図１の手術支援システムに用いる患部画像の一例を示す図である。
【図３】図１の手術支援システムのスライス画像用任意線入力部のダイアログ画面を示す図である。
【図４】図１の手術支援システムの基準点入力部のダイアログ画面を示す図である。
【図５】図１の手術支援システムの位置情報統合部のダイアログ画面を示す図である。
【図６】図５のダイアログ画面の異なる表示例を示す図である。
【符号の説明】
１…手術計画システム、２…手術ロボット、３…ナビゲーションシステム、４…手術支援システム、１００…撮像装置、１０１…画像作成部、１０２…画像抽出部、１０３…画像処理部、１０４…画像表示装置、１０５…スライス画像用任意線入力部、１０７…手術経路計算部、１０８…基準点入力部、１１０…寛骨臼蓋、１１１…欠損部、１１２…骨切線、１２０…修正ボタン、１２１…確定ボタン、１２２…修正ボタン、１３０…修正ボタン、１３１…確定ボタン、２００…マニピュレータ制御装置、２０１…マニピュレータ、３００…マーカ、３０１…三次元位置計測装置、３０２…位置情報統合部、３１０…タブ「医用画像」、３１１…タブ「実際の患者」、３１２…タブ「手術ロボット」、３１３…修正ボタン、３１４…位置座標数値、３１５…入力ボタン、３１６…修正ボタン。
【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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