(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体臓器の２次元断層画像データから３次元臓器モデル画像を生成する３次元臓器モデル画像生成手段と、
前記被検体臓器の変動に応じた前記被検体臓器の形状を表わすパラメータと、前記被検体臓器の変動状態において取得された３次元臓器モデル画像とを対応付けて記憶する画像データ記憶手段と、
前記画像データ記憶手段に記憶されたパラメータと、観察時における前記被検体臓器の変動に応じた当該被検体臓器の形状を表わすパラメータとを比較して、前記被検体臓器の形状を認識する形状認識手段と、
前記形状認識手段により認識された前記被検体臓器の形状に基づいて前記被検体臓器の変動量を検出し、当該検出された変動量に基づいて前記３次元臓器モデル画像を補正した３次元臓器モデル補正画像を生成する臓器モデル画像補正手段と、
先端部に磁界発生素子を配設し、前記被検体臓器に挿入される内視鏡と、
前記磁界発生素子から発生する磁界を受信することにより、前記内視鏡の先端部の位置情報を検出する位置情報検出手段と、
前記３次元臓器モデル補正画像と、前記位置情報検出手段によって検出された前記内視鏡先端部の位置情報に基づき、前記３次元臓器モデル補正画像における前記内視鏡の先端部の３次元座標を抽出する３次元座標抽出手段と、
を有することを特徴とする内視鏡システム。
【請求項２】
前記パラメータは、患者の体表面に貼付されたマーカーの位置であることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
【請求項３】
前記パラメータは、患者の呼吸量であることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
【請求項４】
前記３次元座標抽出手段は、前記被検体臓器を囲う骨格を基準として、前記３次元臓器モデル画像及び前記３次元臓器モデル補正画像の夫々の３次元座標系を定義することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の内視鏡システム。
【請求項５】
前記磁界発生素子は、ソースコイルであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の内視鏡システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内視鏡システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、気管支を医療用の内視鏡で観察する場合、気管支腔は複雑に分岐しており、通常の内視鏡では挿入が容易ではなく、目的部位に到達するのに時間がかかっていた。一般に、気管支鏡医は解剖を熟知した上で患者の身体に対して正面・側面から撮影したＸ線写真（二次元）を参考に観察対象部位としての病変部の位置する気管支へ気管支鏡を誘導する方法をとっている。
【０００３】
また、病変部と気管支鏡の位置関係をリアルタイムで把握するためにＸ線透視下で検査が行われる事もあり、正面・側面の透視平面を観察しつつ気管支鏡を挿入する事も少なくない。これらはいずれも術者の技量によるところが大きく、検査に時間がかかり、患者への負担が増してしまうという問題がある。
【０００４】
このような問題を解決するために、医療用挿入具における挿入部の位置及び形状を検出する検出装置が提案されている。このような検出装置の例としては、特開平６−２８５０４３号公報や特開２０００−１７５８６２号公報に示されるものがある。
【０００５】
また、二次元断層画像データから三次元臓器モデルを作成し、仮想的な内視鏡画像を作成し、内視鏡の挿入ルートをナビゲーションする手段としては、特開２０００−１３５２１５号公報に示されるものがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、気管支鏡の場合、呼吸とともに気管支や病変部を含めた肺全体が呼吸によって変動してしまうため、検査前に撮ったデータを基に構築された三次元像では内視鏡と病変部との位置関係を正確に、且つリアルタイムで表示する事が出来なかった。一方、術中Ｘ線透視の場合は、リアルタイムで観察が可能であるが、Ｘ線が患者及び術者の人体に悪影響を与えないような処置を講じる必要がある。
【０００７】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、人体に悪影響を与えることなしに、且つ呼吸による肺全体の変動に影響されず、気管支鏡の先端と観察対象部位との位置関係を正確にリアルタイムで表示できる内視鏡システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の発明に係る内視鏡システムは、被検体臓器の２次元断層画像データから３次元臓器モデル画像を生成する３次元臓器モデル画像生成手段と、前記被検体臓器の変動に応じた前記被検体臓器の形状を表わすパラメータと、前記被検体臓器の変動状態において取得された３次元臓器モデル画像とを対応付けて記憶する画像データ記憶手段と、前記画像データ記憶手段に記憶されたパラメータと、観察時における前記被検体臓器の変動に応じた当該被検体臓器の形状を表わすパラメータとを比較して、前記被検体臓器の形状を認識する形状認識手段と、  前記形状認識手段により認識された前記被検体臓器の形状に基づいて前記被検体臓器の変動量を検出し、当該検出された変動量に基づいて前記３次元臓器モデル画像を補正した３次元臓器モデル補正画像を生成する臓器モデル画像補正手段と、先端部に磁界発生素子を配設し、前記被検体臓器に挿入される内視鏡と、前記磁界発生素子から発生する磁界を受信することにより、前記内視鏡の先端部の位置情報を検出する位置情報検出手段と、前記３次元臓器モデル補正画像と、前記位置情報検出手段によって検出された前記内視鏡先端部の位置情報に基づき、前記３次元臓器モデル補正画像における前記内視鏡の先端部の３次元座標を抽出する３次元座標抽出手段と、を有する。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明に係る内視鏡システムにおいて、前記パラメータは、患者の体表面に貼付されたマーカーの位置である。
【００１０】
また、第３の発明は、第１の発明に係る内視鏡システムにおいて、前記パラメータは、患者の呼吸量である。
また、第４の発明は、第１から第３のいずれか１つに記載の発明において、  前記３次元座標抽出手段は、前記被検体臓器を囲う骨格を基準として、前記３次元臓器モデル画像及び前記３次元臓器モデル補正画像の夫々の３次元座標系を定義する。
また、第５の発明は、第１から第４のいずれか１つに記載の発明において、前記磁界発生素子は、ソースコイルである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の実施形態の概略を説明する。本実施形態では、被検体臓器としての肺の全体の変動が呼吸による規則的な変動である点に着目し、予め準備した少なくとも２種類以上の呼吸状態のＣＴまたはＭＲＩ像のデータを基に胸郭の骨格を基準として胸郭内の座標系を定義して変動する臓器内の構造物の変化の時間変動分を補間し、逐一正確な肺や気管支の形状を表示させる。同時に気管支鏡先端の位置をこの座標系の中で検知し、目的とする病変部と気管支鏡の位置関係をモニター表示する。
【００１２】
このような方法によれば、患者の呼吸状態毎にＣＴまたはＭＲＩ断層像データを撮影する事なく、実際の使用において問題のないレベルの誤差で病変部と気管支鏡の位置関係を把握する事が可能である。尚、呼吸状態毎にデータをとる場合、僅かな呼吸量（または胸郭の大きさ）毎にデータをとる必要があるため、そのデータ量は膨大になるという欠点がある。更に、気管支を抽出するためには細かなスライス幅で撮影しなければならない事情もあり、実用的ではない。逆にスライス幅を大きくすると、気管支の抽出が困難になる。
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１，図２は、通常の呼吸状態を示したものである。
【００１４】
図１は、胸郭の動きを模式的に示したもので、吸気時（図１（Ａ））は胸郭が拡張するとともに横隔膜が収縮する。呼気時（図１（Ｂ））は胸郭が縮小するとともに横隔膜が弛緩する。この時、病変１の位置は胸郭の動きに対し規則的に変動を繰り返している。
【００１５】
図２は、平均的な男子の呼吸状態を示したものである。一般に、安静時の呼吸はＡに示す１回呼吸量といわれ、約０．５リットル程度の量を示す。Ｂに示す最大呼気位−最大吸気位の差は肺活量といわれ、この時に胸郭は最も大きな変動を示す。気管支鏡検査は患者の意識下で行われるため、呼吸により病変部の位置も絶えず変動している。
【００１６】
本実施形態ではこの変動分を補正するために胸郭の骨格を基準として座標系を定義し、この中で気管支を始めとする肺内の構造物の位置を定義し、予め気管支鏡検査前に撮影したＣＴまたはＭＲＩのデータをその時の胸郭の形状を示すパラメータと合わせて三次元画像を合成しておく。気管支鏡検査中の動きを同じパラメータを使って検出する事により呼吸間の状態を補間してリアルタイムで表示する。
【００１７】
尚、使用するＣＴまたはＭＲＩのデータはより構造物を正確に把握するためにもスライス幅は１〜２ミリ程度が望ましい。少なくとも病変部の位置する近傍だけでもスライス幅を細かくしておく必要がある。
【００１８】
（第１実施形態）
図３は、本発明の第１実施形態に係る内視鏡システムの構成を示す図である。
システム制御部１０８には位置検知装置（位置情報検出手段）１０９と、モニタ１０７が接続されている。システム制御部１０８は、画像データ記憶部１０８−１と、胸郭形状認識部１０８−２と、胸郭変動補正部（臓器モデル画像補正手段）１０８−３と、制御部（臓器モデル画像生成手段、３次元座標抽出手段）１０８−４とから構成される。また、位置検知装置１０９は、マーカー位置検知部１０９−１と、ソースコイル位置検知部１０９−２とから構成される。
【００１９】
本実施形態では、胸郭の形状を示すパラメータとして患者の体表面に貼付されたマーカーを利用する。マーカー位置は胸郭の形状を正しく反映し、且つ体外から確認可能な部位に貼付する事が望ましい。また、マーカーは三次元形状を認識するためにも同一平面内に存在しない３点以上の部位に設けるべきである。貼付する部位としては、例えば剣状突起（マーカーＡ）や胸骨柄（マーカーＣ）や第１０肋骨の両側肋軟骨接合部（マーカーＢ）など解剖的に特徴のある部位が適当である。
【００２０】
術前ＣＴまたはＭＲＩ画像を撮る場合は予め上述の部位にマーカーを貼付しておき、患者が呼吸を止めた状態で撮影する。この時、図２に示す１回呼吸量の最大位置Ｖ１や最小位置Ｖ２あるいは最大吸気位Ｖmax や最大呼気位Ｖmin にて撮影すると良い。これらの画像をもとに三次元画像を作成し、マーカーの位置とともにシステム制御部１０８の画像データ記憶部１０８−１に記憶しておく。
【００２１】
一方、気管支鏡検査は、同じ部位にマーカーを貼付した状態で行う。マーカーは赤外ＬＥＤや磁場発生コイルを用い、マーカー位置を検知する位置検知装置１０９をベットサイドに置き、患者の胸郭形状を常に観察する。
【００２２】
観察においては、まず、マーカーＡ〜Ｃに内視鏡としての気管支鏡１０６の先端を押し当てて定義した座標系の中で気管支鏡１０６の先端位置の設定を行っておく（イニシャライズ）。
【００２３】
胸郭形状認識部１０８−２は、画像データ記憶部１０８−１に予め記憶しておいたマーカー位置と、マーカー位置検知部１０９−１により検知された、観察中のマーカー位置とを比較し、胸郭の形状を判断する。胸郭変動補正部１０８−３は胸郭変動分を補正して三次元画像を作り直してモニタ１０７に表示する。つまり、呼吸状態における三次元画像は、２つ以上の原画像により作成された擬似的な像である。
【００２４】
一方、気管支鏡１０６の先端部には磁界を発生する磁界発生素子としてのソースコイル１０２が配置されており、前述の位置検知装置１０９により気管支鏡１０６の先端位置を検出する事が可能である。更に、最先端にはジャイロ１００が配設されており、重力方向が検出可能になっている。
【００２５】
図４は、胸郭の変動分を模式的に示したものである。図４において実線が呼気時の胸郭の大きさを示し、破線が吸気時の胸郭の大きさを示すものである。この時、病変部の位置の変動（ＰからＰ′）は、座標位置（（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から（Ｘ′，Ｙ′，Ｚ′））の移動で示される。同時に気管支鏡１０６の先端の位置も座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表示される。
【００２６】
図５（Ａ），図５（Ｂ）は、気管支鏡画像上に変動に対応した病変部の位置あるいは気管支形状をリアルタイムで重畳表示させたものである。特に、目的とするところは、病変部へのアプローチの容易化、であるために、気管支鏡画像を極力妨げない形で表示するのが好ましく、矢印１５０による表示（図５（Ａ））あるいはワイヤーフレームによる重畳表示（図５（Ｂ））を採用している。
【００２７】
また、病変部との距離関係を把握するためにワイヤーフレームや矢印の色を距離により変化させたりする事も有効である。
【００２８】
図６は、二次元画像から作成された三次元画像２０１と気管支鏡画像２０３とをモニタ１０７に並列に表示した図である。２０１−１は三次元画像２０１の主軸であり、２０３−１は気管支鏡画像２０３の主軸である。この主軸２０３−１が重力方向と並行になるように表示される。加えて、病変部までの三次元位置データ２０２が表示される。
【００２９】
図７は画像の補正について説明するための図である。気管支鏡画像２０３の主軸２０３−１が重力方向とずれて表示された場合は、主軸２０３−１が重力方向と並行になるように気管支鏡画像２０３を補正する。
【００３０】
また、図８は、三次元画像を重畳表示する代わりに、気管支鏡画像２０３に加えて、病変部や気管支鏡１０６先端までの直線距離や、気管支鏡１０６先端を曲げる角度形状や病変部までの距離などを表示させるものである。勿論、これらの表示形式は各々組み合わせる事も可能である。
【００３１】
（第２実施形態）
以下に図９，図１０，図１１を参照して本発明の第２実施形態を説明する。前述したように、胸郭の形状は呼吸と相関があるために第１実施形態で使用したマーカーＡ〜Ｃを使用する事なく胸郭の形状を把握する事が可能である。つまり、図９に示す患者の呼吸状態のある特定位置を設定し、これに対応させてＣＴまたはＭＲＩデータをとる事によりその時の胸郭の形状と対応付ける事が可能である。
【００３２】
具体的には、撮影を行う際に患者の呼吸状態をモニタリングしつつ最大呼気位や最大吸気位などの設定しやすい呼吸状態で撮影する。そして、各々の三次元画像を記憶しておき、これらのデータをもとに呼吸量をパラメータとして胸郭変動分を補正し、三次元画像を作り直してモニターに表示すれば良い。
【００３３】
なお、図１１に示すように、呼吸量はガイドシース１０１などの案内管の口元に呼気流量計等の検知手段１０３を取り付ける事で検出することができる。また、呼吸気量表示手段１１０により検出結果を表示することが可能である。
【００３４】
マーカーを使わない場合は第１実施形態のような気管支鏡位置の初期設定（イニシャライズ）は解剖学的に特徴のある位置で行う事が望ましい。気管支鏡１０７の場合は図１０に示すように、気管３００から主気管支３０３に分岐する気管分岐部３０１などで行うと良い。
【００３５】
この他、喉頭部（声門位置）や体外では剣状突起などが分かりやすい。
【００３６】
尚、呼吸量による補間（補正）計算に時間がかかる場合は、気管支鏡検査の前に予め三次元画像を記憶している画像データ記憶部１０８−１で呼吸量または胸郭変動量をパラメータとした三次元画像を作成しておき、検査時はこれを呼び出す形をとっても良い。
【００３７】
上記した実施形態によれば、人体に悪影響を与えることなしに、且つ呼吸による肺全体の変動に影響されず、気管支鏡の先端と観察対象部位との位置関係を正確にリアルタイムで表示可能になる。これによって、気管支鏡を観察対象部位に容易に誘導できるので、検査時間の短縮が図れる。
【００３８】
また、あらゆる呼吸状態すべてにわたって画像（データ）をとる事なく、呼吸時の肺や気管支の変動に対応させる事が可能であるため、ＣＴまたはＭＲＩのデータ量が少なくて済み、同時に患者への撮影時の負担が少なくて済む。これによって病院は費用面で大きなメリットを得ることができる。
【００３９】
（付記）
上記した具体的実施形態から以下のような発明が抽出される。
【００４０】
１．予め準備した少なくとも２種類以上の呼吸状態におけるＣＴまたはＭＲＩデータをもとに三次元像を作成する三次元画像データ合成手段と、
患者の呼吸状態における胸郭の形状を判断する胸郭形状判断手段と、
先端にソースコイルを配置した気管支鏡と、
気管支鏡の先端位置を検知する位置検知手段と、
三次元画像と気管支鏡画像を表示する画像表示手段とを具備し、
前記２種類以上の三次元画像を使って胸郭の骨格を基準として肺、気管支、病変部などの三次元座標系を定義し、胸郭の大きさでこれらの三次元座標を補間した補間座標系を作成し、この座標系の中で前記気管支鏡の位置および病変部の位置を検知し、病変部と気管支鏡の位置関係をモニター上に表示する内視鏡システム。
【００４１】
２．胸郭の形状は予め患者の体表面に貼付した少なくとも２つ以上のマーカーの位置を検知する事により判断される１．に記載の内視鏡システム。
【００４２】
３．上記マーカーは剣状突起や胸骨柄や第１０肋骨肋軟骨接合部などに設けられる２．に記載の内視鏡システム。
【００４３】
４．最大呼気位−最大吸気位あるいは安静呼／吸気時において前記三次元座標系を定義し、気管支鏡検査中の変動に対しある時間Δｔ毎に前記三次元座標系を作成して病変部の時間変動を予測し、同時に気管支鏡の位置を検知してこれらの位置関係を表示する１．に記載の内視鏡システム。
【００４４】
５．三次元座標を定義する時と検査時に呼気流量計により胸郭の大きさを予測して当該三次元座標を作り直す４．に記載の内視鏡システム。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、人体に悪影響を与えることなしに、且つ呼吸による肺全体の変動に影響されず、気管支鏡の先端と観察対象部位との位置関係を正確にリアルタイムで表示可能になる。これによって、気管支鏡を観察対象部位に容易に誘導できるので、検査時間の短縮が図れる。
【００４６】
また、あらゆる呼吸状態すべてにわたって画像（データ）をとる事なく、呼吸時の肺や気管支の変動に対応させる事が可能であるため、ＣＴまたはＭＲＩのデータ量が少なくて済み、同時に患者への撮影時の負担が少なくて済む。これによって病院は費用面で大きなメリットを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】胸郭の動きを模式的に示す図である。
【図２】平均的な男子の呼吸状態を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る内視鏡システムの構成を示す図である。
【図４】胸郭の変動分を模式的に示す図である。
【図５】気管支鏡画像上に変動に対応した病変部の位置あるいは気管支形状をリアルタイムで重畳して表示させた図である。
【図６】二次元画像から作成された三次元画像２０１と気管支鏡画像２０３とをモニタ１０７に並列に表示した図である。
【図７】画像の補正について説明するための図である。
【図８】画像表示の変形例を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態において、患者の呼吸状態を示す図である。
【図１０】気管３００から主気管支３０３に分岐する気管分岐部３０１を示す図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る内視鏡システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１００  ジャイロ
１０２  ソースコイル
１０４  吸気時胸壁
１０５  呼気時胸壁
１０６  気管支鏡
１０７  モニタ
１０８  システム制御部
１０８−１  画像データ記憶部
１０８−２  胸郭形状認識部
１０８−３  胸郭変更補正部
１０８−４  制御部
１０９  位置検知装置
１０９−１  マーカー位置検知部
１０９−２  ソースコイル位置検知部
【図１】
0004583658.tif 000002
【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】
0004583658.tif 000008
【図８】
0004583658.tif 000009
【図９】
0004583658.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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