(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
顕微鏡及び術部に挿入される手術器具の３次元位置を検出し、術部の解剖学的断層像上に表示するようにした顕微鏡下手術支援システムにおいて、
術部に対する顕微鏡の３次元位置を検出する第１の検出手段と、
前記手術器具の、前記顕微鏡に対する３次元位置を検出する第２の検出手段と、
前記第１、第２の検出手段の検出結果に基づき、前記手術器具の術部に対する３次元位置を演算する演算部と、からなり、
前記第２の検出手段は、
前記顕微鏡の対物開口部付近に設けた信号部材と、
前記手術器具に設けられ、前記信号部材を検出する受信部材と、
からなり、
前記受信部材で前記信号部材を検出することで前記顕微鏡に対する前記手術器具の３次元位置を算出することを特徴とする顕微鏡下手術支援システム。
【請求項２】
前記受信部材は、前記手術器具に着脱可能に取り付けられる受信アダプタに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡下手術支援システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，顕微鏡及び術部に挿入される手術器具の３次元位置を検出し、術部の解剖学的断層像上に表示する顕微鏡下手術支援システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、脳外科等の顕微鏡下手術の際に使用されるナビゲーションシステムとしては特開平５−３０５０７３号公報で示されるシステムが知られている。一般には手術用顕微鏡本体や内視鏡、吸引管等の手術器具上に設けられたＬＥＤ等の信号部材を、術室に設置したデジタイザと呼ばれる大型のＣＣＤカメラ等の受信装置で認識することで、それぞれの３次元位置を演算し、事前に撮影したＣＴ等の画像上に表示することで手術を支援する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に顕微鏡下手術は狭い空間内での処置であり、その術部を中心に執刀医の他、助手や看護婦が周りを囲んでいる。そのため、内視鏡や処置具に設けたＬＥＤが術者によって隠れてしまい、術部から離れた位置に置かれたデジタイザで認識することができなくなる場合がある。また、認識性を高めるためデジタイザをベッドサイドに近づけた場合、デジタイザ自体が大型であるため術者の邪魔になってしまうこともある。
【０００４】
また、このような顕微鏡支援システムの場合、あらかじめ内視鏡等の手術器具の先端位置、挿入部太さ、視野方向等の情報をワークステーション上に登録する、いわゆるキャリブレーションという作業が必要である。そして術中に手術器具を変更した場合、キャリブレーションをやり直すか、もしくは手動スイッチで事前に登録しておいたキャリブレーション情報を読み出し、設定する必要があり、手技が煩雑になるという問題があった。
【０００５】
この発明は，前記事情に着目してなされたもので，その目的とするところは、術者の邪魔にならず、尚且つ確実に内視鏡や処置具等の手術器具の位置を認識可能できる顕微鏡下手術支援システムを提供することにある。
【０００６】
【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、顕微鏡及び術部に挿入される手術器具の３次元位置を検出し、術部の解剖学的断層像上に表示するようにした顕微鏡下手術支援システムにおいて、術部に対する顕微鏡の３次元位置を検出する第１の検出手段と、前記手術器具の、前記顕微鏡に対する３次元位置を検出する第２の検出手段と、前記第１、第２の検出手段の検出結果に基づき、前記手術器具の術部に対する３次元位置を演算する演算部と、からなり、前記第２の検出手段は、前記顕微鏡の対物開口部付近に設けた信号部材と、前記手術器具に設けられ、前記信号部材を検出する受信部材と、からなり、前記受信部材で前記信号部材を検出することで前記顕微鏡に対する前記手術器具の３次元位置を算出することを特徴とする。
【０００７】
前記構成によれば，前記受信部材が前記信号部材からの信号を検知し、手術器具に対する顕微鏡の３次元位置を演算することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下，この発明の各実施の形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１及び図２は第１の実施形態を示し，図１は顕微鏡下手術支援システムの全体概略図、図２は鏡体部分を拡大した側面図である。手術用顕微鏡１は、架台３が床面を移動自在なベース４と、このベース４上に支柱５が立設され、その支柱５の上端部には、図示しない照明用光源が内蔵された第１アーム６の一端が軸Ｏ１を中心に回動自在に取付けられている。
【００１０】
前記第１アーム６の他端部には、軸Ｏ２を中心に回動自在に第２アーム７の一端が取付けられている。この第２アーム７は上下移動操作を行うべく、リンク機構とバランス調整用のスプリング部材からなるパンタグラフアームであり、その他端部には、軸Ｏ３を中心に回動自在に第３アーム８が取付けられている。第３アーム８は、軸Ｏ４を中心とした鏡体２の術者の観察方向に対する前後方向の俯仰、軸Ｏ５を中心とした術者の左右方向の俯仰を可能としたアームである。第３アーム８の他端部には鏡体２が設けられている。
【００１１】
さらに，前記鏡体２が空間的に自在に位置調整を行い、位置固定を行うために、これらの回転軸Ｏ１〜Ｏ５における回転部には図示しない電磁ブレーキが各々設けられている。前記電磁ブレーキは支柱５に内蔵された図示しない電磁ブレーキ電源回路と接続され、前記電磁ブレーキ電源回路は、図２に示すように、鏡体２に一体に固定されたグリップ９に設けられたスイッチ１０と接続されている。
【００１２】
鏡体２には対物レンズ１１を有しており、この対物レンズ１１は図示しないモータと位置センサに連結され、かつ光軸方向に移動可能に構成され、前記位置センサによりレンズ位置が検出できるように構成されている。
【００１３】
１２は後述するデジタイザが鏡体２の３次元座標を検出するための信号板である。信号板１２には信号部材として２個以上のＬＥＤ１３ａが一体に固定されている。また前記対物レンズ１１の周囲には同様に信号部材としてのＬＥＤ１３ｂが２個以上設けられている。ＬＥＤ１３ａ，１３ｂはそれぞれＬＥＤ制御装置１４に接続されている。ＬＥＤ制御装置１４は計測装置１５と接続されている。
【００１４】
１６はＬＥＤ１３ａの３次元座標における位置を検出するためのデジタイザ（光学式位置検出装置）である。デジタイザ１６は受信部材として２台のＣＣＤカメラ１７ａ，１７ｂと、前記ＣＣＤカメラ１７ａ，１７ｂの位置を固定させているカメラ支持部材１８とスタンド１９により構成され、手術室のベッドから離れた位置に設置されている。前記ＣＣＤカメラ１７ａ，１７ｂは各々計測装置１５と接続され、計測装置１５はＡ／Ｄ変換機２０を介してワークステーション２１と接続されている。
【００１５】
内視鏡や超音波吸引プローブ等の手術器具２２の、前記顕微鏡１の対物レンズ１１に対向する位置の外表面には、受信部材として２台のＣＣＤカメラ１７ｃ，１７ｄが設けられている。前記ＣＣＤカメラ１７ｃ，１７ｄは各々計測装置１５と接続され、計測装置１５はＡ／Ｄ変換機２０を介してワークステーション２１と接続されている。
【００１６】
ワークステーション２１には処理した情報を表示するモニター２３が接続されている。治療対象となる患者２４の術部周囲にはマーク部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃが固定されている。
【００１７】
次に，顕微鏡下手術支援システムの作用について説明する。
【００１８】
手術前にあらかじめ撮影したＣＴ、ＭＲＩ装置等の断層画像を３次元画像データに再構築し、ワークステーション２１に記録する。手術を始めるにあたってワークステーション２１内の断層画像データと術部の座標の相関をとるべくマーク部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃを用いてキャリブレーションを行う。
【００１９】
術者はグリップ９を握り、スイッチ１０を押すことにより軸Ｏ１〜Ｏ５に内蔵された電磁ブレーキによるロックを解除し、鏡体２を移動して術部の観察部位に焦点位置を位置決めする。
【００２０】
デジタイザ１６は、鏡体２に設けた信号板１２上の複数のＬＥＤ１３ａを検出し、これに基づいてデジタイザ１６から発せられる信号は計測装置１５及びＡ／Ｄ変換機２０で処理され、さらにワークステーション２１により生体座標系における鏡体２の位置及び姿勢が算出される。
【００２１】
また位置センサにより対物レンズ１１の位置情報がワークステーション２１に伝送される。ワークステーション２１では対物レンズ１１の位置情報から鏡体２に対する焦点の相対位置が算出される。
【００２２】
手術器具２２に設けた２台のＣＣＤカメラ１７ｃ，１７ｄは、常に術部に向いている鏡体２の対物レンズ１１周囲に設けられたＬＥＤ１３ｂを検出し、これに基づいてＣＣＤカメラ１７ｃ，１７ｄから発せられる信号は計測装置１５及びＡ／Ｄ変換機２０で処理され、ワークステーション２１により手術器具２２と鏡体２の相対位置及び姿勢が算出される。さらに、この情報は、ワークステーション２１上で先の生体座標系における鏡体２の位置及び姿勢情報と統合され、生体座標系における手術器具２２の位置及び姿勢が算出される。
【００２３】
以上により得られた生体座標系における鏡体２の位置、姿勢、焦点、及び手術器具２２の位置、姿勢情報は、ワークステーション２１によりモニター２３上に前記生体内３次元画像データに重ねて表示される。
【００２４】
なお、第１の実施形態におけるデジタイザ１６の代わりに、第２の実施形態として，前記手術用顕微鏡１に回転軸Ｏ１〜Ｏ５に各々図示しないエンコーダを設け、各エンコーダからの出力は前記Ａ／Ｄ変換機２０を経由してワークステーション２１へ送られるようにしてもよい。
【００２５】
このように構成すれば，手術用顕微鏡１の各回転軸Ｏ１〜Ｏ５に設けた各エンコーダからの出力を元に、鏡体２の位置、姿勢がワークステーションにて算出される。従って，大型のデジタイザを術室内に設置する必要が無いため、術者や助手が安全かつ自由に移動可能となる。
【００２６】
図３は第３の実施形態を示し，手術器具２２として，例えば硬性鏡を示す。この手術器具２２の基端側には受信アダプター３０が設けられている。受信アダプター３０は把持部３１とカメラ支持部３２とから構成されている。把持部３１はその一部に長手方向の開口部３３を有する弾性樹脂材等から成る円筒形状を有している。この開口部３３は手術器具２２の基端側の径より狭く、また把持部３１の内径は手術器具２２の基端側の径とほぼ同等に形成されている。
【００２７】
カメラ支持部３２には、長手方向に離れた位置にＣＣＤカメラ３４ａ，３４ｂが設けられている。カメラ支持部３２の基端側にはケーブル３７が設けられている。ＣＣＤカメラ３４ａ，３４ｂの信号は前記ケーブル３７を介して計測装置１５に通じている。
【００２８】
本実施形態によれば，術者は術前に、使用する内視鏡や超音波プローブ等の手術器具２２に受信アダプター３０を開口部３３を押し付ける。開口部３３は弾性部材であるため、必要な幅に広がって装着される。術後は、受信アダプター３０を装着時と反対方向に引張ることで手術器具２２から取り外すことができる。
【００２９】
従って，使用する手術器具２２に自由に受信アダプター３０を着脱することが可能であるため、顕微鏡下手術専用の手術器具２２を用意する必要が無く、従来の器具を流用できるため経済的である。
【００３０】
前記第１〜第３の実施形態によれば，顕微鏡上の信号部材と手術器具上の受信部材との間を術者や助手等が邪魔してしまうことが無く、確実に両者の信号−受信関係が成立する。従って、顕微鏡、手術器具の３次元データが常に安定した状態で得られるため、また、第１の検出手段も顕微鏡のみを認識すればよいため、術部から離れた位置に設置すればよく、術者や助手の動きを損なうことも無く術者も安心して手技に専念できるという効果がある。
【００３１】
図４及び図５は第４の実施形態を示し，第１の実施形態と同一構成部分は同一番号を付して説明を省略する。内視鏡や超音波吸引プローブ等の手術器具２２の基端側には信号アダプター３５が着脱自在に固定されている。信号アダプター３５には少なくとも２個のＬＥＤ３６が設けられている。ＬＥＤ３６はケーブル３７を介してＬＥＤ制御装置１４を経由して計測装置１５と接続されている。
【００３２】
鏡体２の内部は図５に示すように，鏡体２には変倍光学系４０と一対の結像レンズ４１ａ，４１ｂの間に９０度横に光束の一部を偏光すべく配置したハーフミラー４２が備えられている。さらに偏光された光束を再度上方に反射させるミラー４３が設けられている。４４ａ，４４ｂは前記偏光された光束を結像するための一対の結像レンズである。変倍光学系４０には図示しない倍率検出手段が連結され、更にワークステーション２１へと接続され、倍率情報をモニター２３上に表示可能となっている。結像レンズ４１ａ,４１ｂは接眼レンズ４５ａ，４５ｂの焦点位置に光束を結像する位置に設けられている。
【００３３】
鏡体２の所定の位置にはカメラボックス４６が取り付けられており、ＣＣＤカメラ４７ａ，４７ｂが内蔵されている。ＣＣＤカメラ４７ａ，４７ｂは各々結像レンズ４４ａ，４４ｂによる結像面に配置されるようにカメラボックス４６の所定の位置に固定されている。
【００３４】
前記ＣＣＤカメラ４７ａ，４７ｂは各々図示しないＣＣＵ（カメラコントロールユニット）を経由して計測装置１５、更にワークステーション２１へと接続されている。
【００３５】
図６は第５の実施形態を示し，手術器具として内視鏡４８を示す。内視鏡４８は挿入部４９、把持部５０、接眼部５１から構成されている。接眼部５１には図示しない既知のＣＣＤカメラが接続可能な形状を有している。把持部５０は前記信号アダプター３５が着脱可能な円筒形状を有し、図示しない既知のライトガイドケーブルが着脱可能な口金部５２が径方向に設けられている。
【００３６】
挿入部４９は円筒形状であり、その先端側外周面には内視鏡４８の機能を示すバーコード５３が設けられている。ここで言う内視鏡４８の機能とは、画角、視野方向、挿入部４９の外径、軸方向長さ等である。前記バーコード５３は挿入部４９の円周方向の一部に限らず、全周に設けてあってもよい。
【００３７】
前記バーコード５３は、挿入部４９の先端側に限らず、基端側もしくは把持部５０の外表面上に設けてもよい。また複数箇所に設けてもよい。ワークステーション２１には処理した情報を表示するモニター２３が接続されている。また，治療対象となる患者２４の術部周囲にはマーク部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃが固定されている。
【００３８】
なお、内視鏡４８の位置、傾きは信号アダプター３５に設けられたＬＥＤ３６をデジタイザ１６が検出することで鏡体２と同様、可能となる。
【００３９】
術部からの光束は対物レンズ１１から鏡体２へ入射し、変倍光学系４０を透過しハーフミラー４２により透過して直進する光束と、前記ハーフミラー４２で反射して９０度偏光された光束に分配される。直進した光束は結像レンズ４１ａ，４１ｂにより結像し接眼レンズ４５ａ，４５ｂを透過して観察される。一方、ハーフミラー４２で反射した光束はミラー４３で上方に反射し、一対の結像レンズ４４ａ，４４ｂで結像し、ＣＣＤカメラ４７ａ，４７ｂに各々投影される。これにより撮影された画像はモニター２３上に映し出されるとともに計測装置１５を経由しワークステーション２１に出力される。
【００４０】
バーコード５３が顕微鏡下にあり, ＣＣＤカメラ４７ａ，４７ｂに映し出されている場合において、計測装置１５及びワークステーション２１はバーコード５３の情報を認識し,それに伴い表示内容設定を切り替え,画像情報（画角、視野方向、挿入部４９の外径、軸方向長さ等）としてモニター２３上に、既に記録されている断層画像等と共に重ね合せ、表示する。
【００４１】
術中、術者が視野方向や挿入部外径の異なる内視鏡に交換した場合、前述と同様に、交換した内視鏡に設けてあるバーコード５３に従った情報に設定が切り替わり、モニター２３上に表示される。
【００４２】
なお，バーコード５３が円周全周にある場合は、内視鏡４８が長手軸を中心にどのような位置に回転していても認識が可能である。
【００４３】
図７は第６の実施形態を示し，計測装置１５及びワークステーション２１は画像上の文字を認識するプログラムを有する。内視鏡４８は外表面上の少なくとも１ヶ所に型番号５４が表示されている。
【００４４】
そして,術者は，あらかじめ術中に使用するであろう内視鏡の型番号および機能（画角、視野方向、挿入部４９の外径、軸方向長さ等）をワークステーション上に登録しておく。
【００４５】
内視鏡４８の外表面に設けられた型番号５４が顕微鏡観察下にあり、ＣＣＤカメラ４７ａ，４７ｂに映し出されている場合において、計測装置１５及びワークステーション２１は型番号５４を認識し、あらかじめ登録しておいた型番号に伴う情報（画角、視野方向、挿入部４９の外径、軸方向長さ等）を読み出し、モニター２３上に、既に記録されている断層画像等と共に重ね合せ、表示する。
【００４６】
従って，医療器具は外表面に型番が設けてあればそれを利用することができるため、専用のものを新たに用意する必要が無く、経済的である。
【００４７】
図８は第７の実施形態を示し，内視鏡４８の外表面には機種毎に反射率や間隔が異なるマーカー部５５が設けられている。
【００４８】
そして，術者は、あらかじめ術中使用するであろう内視鏡のマーカー部５５をデジタイザ１６で認識させ、同時に機能（画角、視野方向、挿入部４９の外径、軸方向長さ等）をワークステーション上に登録し、マーカー部との相関を取る。
【００４９】
術中、内視鏡を交換した場合、内視鏡４８の外表面上のマーカー部５５をデジタイザ１６が認識すると、計測装置１５及びワークステーション２１はあらかじめ登録しておいた機能情報を読み出し、モニター２３上に、既に記録されている断層画像等と共に重ね合せ、表示する。
【００５０】
従って，手術器具の種別／機能認識をデジタイザが行うため、顕微鏡にＣＣＤカメラを設ける必要が無く、システムが簡便になる。また，術者が術中に手術器具を交換しても、自動的にその器具に伴う設定に切り替わり、術者の手を煩わすことが無く、安心して術式に集中できる。
【００５１】
前記各実施の形態によれば，次のような構成が得られる。
【００５２】
（付記１）顕微鏡及び術部に挿入される手術器具の３次元位置を検出し、術部の解剖学的断層像上に表示する顕微鏡下手術支援システムにおいて、術部に対する顕微鏡の３次元位置を検出する第１の検出手段と、前記手術器具の前記顕微鏡に対する３次元位置を検出する第２の検出手段と、前記第１、第２の検出手段の検出結果に基づき、前記手術器具の術部に対する３次元位置を演算する演算部とからなり，前記第２の検出手段は、顕微鏡の対物開口部近傍に設けた信号部材と、手術器具に設けた受信部材からなることを特徴とする顕微鏡下手術支援システム。
【００５３】
（付記２）前記受信部材は、手術器具に着脱自在であることを特徴とする付記１記載の顕微鏡下手術支援システム。
【００５４】
（付記３）前記受信部材はＣＣＤであることを特徴とする付記１または２記載の顕微鏡下手術支援システム。
【００５５】
（付記４）顕微鏡及び術部に挿入される手術器具の３次元位置を検出し、術部の解剖学的断層像上に表示する顕微鏡下手術支援システムにおいて、術部に対する顕微鏡の３次元位置を検出する第１の検出手段と、前記手術器具の外表面に設けた手術器具の形態情報を示す指標部と、前記指標部を認識する第２の検出手段とを有し、この認識に基づき自動的に表示設定を切り替えるようにしたことを特徴とする顕微鏡下手術支援システム
（付記５）前記第１の検出手段と第２の検出手段は同一であることを特徴とする付記４記載の顕微鏡下手術支援システム。
【００５６】
（付記６）前記第２の検出手段は、顕微鏡の光学部材内に設けたことを特徴とする付記４記載の顕微鏡下手術支援システム
（付記７）前記指標部はバーコードであることを特徴とする付記４または６記載の顕微鏡下手術支援システム。
【００５７】
付記８）前記指標部は文字であり、前記第２の検出手段は文字認識機能を有することを特徴とする付記４または６記載の顕微鏡下手術支援システム。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように，この発明によれば，顕微鏡上の信号部材と手術器具上の受信部材との間を術者や助手等が邪魔してしまうことが無く、確実に両者の信号−受信関係が成立する。従って、顕微鏡、手術器具の３次元データが常に安定した状態で得られるため、また、第１の検出手段も顕微鏡のみを認識すればよいため、術部から離れた位置に設置すればよく、術者や助手の動きを損なうことも無く術者も安心して手技に専念できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す顕微鏡下手術支援システム全体の構成図。
【図２】同実施形態を示し、鏡体の側面図。
【図３】この発明の第３の実施形態を示す硬性鏡の斜視図。
【図４】この発明の第４の実施形態を示す鏡体の側面図。
【図５】同実施形態の鏡体の内部構造を示す構成図。
【図６】この発明の第５の実施形態を示す硬性鏡の斜視図。
【図７】この発明の第６の実施形態を示す硬性鏡の斜視図。
【図８】この発明の第７の実施形態を示す硬性鏡の斜視図。
【符号の説明】
１…手術用顕微鏡
２…鏡体
１３ａ，１３ｂ…ＬＥＤ（信号部材）
１６…デジタイザ
１７ｃ，１７ｄ…ＣＣＤカメラ（受信部材）
【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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