(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータ支援定位手術で付加的な関連づけマーカを使用せずに異なる座標系を相関させる装置において、
キャリヤシステム（２）に取り付けられている外科用顕微鏡（１）を被検体に対して相対的に移動させて所定の空間的広がりを持つ該被検体の局所解剖学的情報を獲得する手段と、
この獲得された局所解剖学的情報を外科手術に先立って生成されていた前記被検体の診断データと相関アルゴリズムを介して空間的に相関させる手段と
を備えたことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記局所解剖学的情報を獲得する手段は、前記キャリヤシステム（２）に取り付けられている外科用顕微鏡（１）を観測中である被検体の関心領域の表面に沿って移動させて該被検体の関心領域における複数の表面点に至るまでの距離を点ごとに測定して前記被検体の関心領域の三次元表面プロファイルを生成する手段を有しており、
この生成された三次元表面プロファイル情報を、前記相関手段の局所解剖学的情報として使用することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記外科用顕微鏡（１）が手動操作可能であることを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記外科用顕微鏡（１）が電動キャリヤシステムに取り付けられており、該外科用顕微鏡（１）が中央制御装置（３）によって規定された、あらかじめ選択された位置決めパラメータに従って自動的に位置決めされることを特徴とする請求項２記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、コンピュータ支援定位手術において付加的ないわゆる参考マーカを使用せずに異なる座標系を相関させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータ支援定位手術においては、たとえば、ＮＭＲ断層Ｘ線撮影器によって外科手術に先立って生成されていた診断データを外科手術中にその向きを最適化する場合に、異なる座標系を互いに相関させることが必要である。たとえば、そのような画像情報を外科手術領域について得られた画像の上に重ね合わせなければならない場合には、これが必要になる。外科手術領域の現在画像は外科用顕微鏡の中に見える視野、もしくはビデオカメラを利用して生成されたモニタ画像から構成されている。
【０００３】
そのように必要な相関は、通常、いわゆる参考マーカを患者の身体上で測定するという関連づけ方法を採用することにより実行されるが、その際、患者の座標系と、診断データ座標系とに対するそれらのマーカの座標位置はわかっている。そのようなマーカ測定は、たとえば、出願人のドイツ特許出願４１３４４８１の中に開示されているもののような外科用顕微鏡を使用して実行可能である。
【０００４】
それに代わるものとして、外科用顕微鏡に配置したいわゆるレーザーポインタによってマーカを測定することもできる。
米国特許出願５，２７９，３０９は、患者の身体上に配置され、適切な検出器を介して場所を規定される小型送信機の形態をとるそのようなマーカを実現できることを開示している。
【０００５】
ところが、マーカを使用する関連づけに基づく全ての周知の方法には、その方法が相対的に長い時間を要し、患者の位置を変えたような場合には方法を繰り返さなければならないという欠点がある。
【０００６】
また、それらのマーカを使用して画像生成診断方法を実行することが常に必要である。たとえば、米国特許出願５，１７８，１６４に記載されているようにマーカを移植しなければならない場合には、この作業によって患者はストレスを受けることになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、外科手術に先立って生成されていた診断データを、座標を測定する必要なく又別個の関連づけマーカを場所規定する必要なく、外科用顕微鏡を使用することによって得られる患者の現在局所解剖学的データと相関させることを可能にする方法を提供することである。詳細にいえば、外科用顕微鏡の定位的な適用能力を改善しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
キャリヤシステムに取り付けられている外科用顕微鏡を使用して部分的な局所解剖学的情報を獲得し、その情報を外科手術に先立って生成されていた診断データと相関アルゴリズムを介して空間的に相関させることを特徴とする。
その他の特徴は請求項２〜請求項８に記載の通りである。
【０００９】
本発明に従えば、この場合には、長い時間を要する関連づけ方法における異なる座標系の相関を実行するために、別個のマーカを使用しない。その代わりに、患者の少なくとも部分的な局所解剖学的情報を収集するために、適切なキャリヤシステムに取り付けられている外科用顕微鏡を直接に使用する。外科用顕微鏡によって得られた部分的な局所解剖学的情報をその後にデジタル化し、外科手術に先立って生成されていた診断データと周知のアルゴリズムを介して相関させる。
【００１０】
外科手術に先立って生成される診断データレコードを獲得するために、本発明による方法と組み合わせて全く異なる画像生成方法を使用することができる。ここでは、最新の診断方法の例として中性子磁気共鳴断層撮影（ＮＭＲ）、ポジトロン放出断層撮影法（ＰＥＴ）、磁気脳撮影法（ＭＥＧ）及び単一光子放出コンピュータ断層撮影法（ＳＰＥＣＴ）を指定しておくが、これらの方法は皆単独で又は何らかの組み合わせをして使用可能である。
【００１１】
外科用顕微鏡を使用する部分的な局所解剖学的情報を獲得する方式にはいくつかある。本発明による方法の適切な一実施例は、規模魚レイアウトと特定の必要条件に応じて選択できる。
【００１２】
外科用顕微鏡は問題となる方法に従って構成されなければならない。
別個の関連づけマーカを使用する長時間を要する関連づけ方法や、その結果としての、そのようなマーカを移植しなければならない場合に発生する関係患者のストレスを含めた複雑な操作方法はもはや不要になっている。
【００１３】
さらに、外科用顕微鏡を使用して実質的に自動化して部分的な局所解剖学的情報の収集を実行するため、患者の現在位置又は患者の身体の一部分の位置が変化した場合でも、異なる座標系を迅速に再相関させることができる。
【００１４】
本発明による方法及びその様々に異なる実施例のその他の利点や詳細は、添付の図に基づく以下の実施例の説明から理解できる。
【００１５】
【実施例】
電動キャリヤシステムに取り付けられている外科用顕微鏡を使用し、本発明に従って少なくとも部分的な局所解剖学的情報を収集する方法として実行できる方式はいくつかある。以下、図２〜図８を参照しながら本発明による方法の異なる実施例を説明する。
【００１６】
ここで説明する本発明による方法の実施例は、全て、この目的に適合する固定装置の必要な基本構成要素を含めた基本システム構成については共通している。要求されている中で最も重要な構成要素を図１のブロック線図に概略的に示す。
【００１７】
本発明による方法を実行するに際しては、外科用顕微鏡１を想定しており、これをごく概略的に示した適切なキャリヤシステム２に取り付ける。図示した実施例においては、キャリヤシステム２はモータによって作動される。
【００１８】
このキャリヤシステム２を利用して、外科用顕微鏡１の既知の座標系を６つまでの空間自由度をもって規定位置決めすることが可能である。外科用顕微鏡を空間位置決めするときの標準的な自由度は回転に関わる３つの自由度と、並進運動に関わる３つの自由度である。
【００１９】
適切な電動式の多重継手キャリヤシステム２は、出願人のドイツ特許出願４２０２９２２の中に開示されている。このキャリヤシステムは数ある構成要素の中に、各々の継手に割当てられた駆動装置とエンコーダを含んでいるため、全システムの中央制御装置３はキャリヤシステム２及び外科用顕微鏡１の既知の幾何データと共に外科用顕微鏡１の座標関連位置を絶えず確定することができる。
【００２０】
ドイツ特許出願４２０２９２２の中に開示されている周知のキャリヤシステムに代わるものとして、取り付けられている外科用顕微鏡の規定空間位置決めと、各々の座標位置のデータ収集が可能であるならば、より単純な構成のキャリヤシステムを使用できる。たとえば、個々の継手に駆動装置を設けずに本発明による方法のいくつかの実施例を構成し、キャリヤシステムを手動操作で位置決めするか、あるいは別の位置読取りシステムを設けることも実現可能であろう。
【００２１】
使用される外科用顕微鏡１は一般に知られている光学系の構成を特徴としているが、別の場所で生成された画像又は図形表示を周知のビーム分割素子を介して立体観察光路の少なくとも一方に重ね合わせるときに使用できるスーパーインポーズ装置を含むことも可能である。
【００２２】
加えて、外科用顕微鏡１は光学系に基づく位置識別システムを含み、これにより、観察中の視野平面を能動的に、高精度で測定することができる。これを目的として、たとえば、視野平面の中の１点の座標を精密に確定するレーザー三角測量システムを外科用顕微鏡の光学系に組込むことが可能である。
【００２３】
好ましい適切な外科用顕微鏡に関しては、特に、出願人のドイツ特許出願４１３４４８１の中に開示されている外科用顕微鏡を参照のこと。
【００２４】
光学系に基づく位置検出システムに代わるものとして、好ましくは非タクチックである他の位置検出システムを本発明に従って使用しても良いであろう。たとえば、３Ｄ超音波音声ディジタイザの使用が可能であろう。
【００２５】
さらに、制御コンピュータの形態をとる（先に述べた）中央制御装置３を想定している。中央制御装置３はキャリヤシステムの制御作業と位置検出の全てを実行すると共に、外科手術に先立って生成され、デジタル化され、適切な画像データベース４にファイルされていた診断データレコードの画像情報をも処理する。
【００２６】
中央制御装置３は、たとえば、オペレータが外科手術計画を立てるときに使用できるキーボードなどの形態をとる入力インタフェース３．１をさらに具備する。
【００２７】
次に、本発明による方法の最初の１例を図２の流れ図を使用して説明する。図２には、方法の主要な過程を列挙してある。本発明による方法の最初の１実施例における電動キャリヤシステムに取り付けられている外科用顕微鏡を、まず、相関をされるべき患者の関心身体部分に沿って定義された経路を通って移動させる。このために、第１に、問題となる身体領域を選択し、電動キャリヤシステムを利用して外科用顕微鏡をこの領域の上方に位置決めする。
【００２８】
次に、外科用顕微鏡の視野平面を関心身体領域に沿って走査運動しつつ移動させる。オペレータが電動キャリヤシステムに取り付けられている外科用顕微鏡の操作を手動操作で制御することによって、この走査運動を実行できる。その代わりに、あらかじめ選択しておいた特定の位置決めパラメータをもつ中央制御装置により、問題領域に沿った規定位置決めを行うことも可能である。そのような位置決めパラメータには、たとえば、規定走査範囲及び走査速度の事前選択などがある。外科手術に先立って生成されていた診断データレコードと空間的に相関させるべき関心身体領域に沿った走査運動の間に、外科用顕微鏡の位置検出システムは被検体表面と、キャリヤシステムのエンコーダ情報の結果として空間座標が中央制御装置にわかっている外科用顕微鏡とのポイントごとの距離を規定し続ける。このようにして、患者の身体領域についての部分的な局所解剖学的情報を記録し且つこのデータをデジタル化形態でファイルすることが可能である。この実施例では、このようにして得られる局所解剖学的情報はある広さの表面領域にわたる被検体表面と、外科用顕微鏡との様々に異なる距離から生成されたような三次元表面プロファイルである。外科用顕微鏡によって得られた観測すべき被検体領域、すなわち、関心被検体領域の部分的な局所解剖学的情報を、その後に、外科手術に先立って生成されていた、同様に三次元被検体情報を提供する診断データレコードの局所解剖学的情報と相関させる。測定３Ｄプロファイルと、外科手術に先立って生成されていた診断データレコードとの相関に際しては、写真測量の分野で知られているもののような周知の相関アルゴリズムを使用する。
【００２９】
本発明による方法のこの実施例では、患者に別個のマーカを設ける必要はなく、また、たとえば、ドイツ特許出願４１３４４８１の前述の外科用顕微鏡を使用するのであれば、外科用顕微鏡に装置を追加する必要もない。使用する外科用顕微鏡に求められる唯一の条件は、視野中の１点の距離測定値を測定し且つその信号を中心制御装置へ転送できなければならないということである。
【００３０】
本発明による方法のこの実施例では、もう１つの可能性として別の外科用顕微鏡の使用も可能である。それらの外科用顕微鏡は、たとえば、要求されるポイントごとの距離測定を実行させることができる能動オートフォーカスシステムを装備していても良い。
【００３１】
患者の局所解剖学的情報と、外科手術に先立って生成された診断データとの相関が実行されていたときに関連づけ方法は完了し、そこで、外科用顕微鏡をその後の外科手術の開始位置として計算していたポイントへ移動する。
【００３２】
追加マーカを使用せずに、外科用顕微鏡を使用して異なる座標系を相関させるための本発明による方法の別の実施例を図３及び図４で説明する。
【００３３】
実際の外科手術の前に、関心身体領域における解剖学的な特定の詳細に中央制御装置で、外科手術に先立って生成されていた診断データレコードの、異なる切断平面に対応する少なくとも２つの画像の輪郭線を与える。たとえば、脳外科手術を計画した場合、患者の頭部の周囲又は一方の耳の輪郭を２つの画像における輪郭線としてマーキングすることができる。次に、そのような修正画像をデジタル化して、同様に画像データベースにファイルする。
【００３４】
この時点では輪郭線のみが残されている修正画像を、次に、外科用顕微鏡の投影装置を経て観測光学系の中へ投影し、それによって観測中の視野に重ね合わせる。次に、投影された修正画像が視野中の患者の適切な解剖学的細部と一致するまで、すなわち、輪郭線が一致するまで、ユーザはキャリヤシステムに取り付けられている外科用顕微鏡を手動操作によって患者の関心被検体領域の上方で移動させる。最適の一致状態が得られたときに、外科用顕微鏡の空間座標と、付随する視野の向き及び位置とを中央制御装置によりピックアップし、初期データレコードとしてファイルする。視野を含めた外科用顕微鏡位置の座標の確定は、キャリヤシステムの座標情報と、位置検出システムの情報とを評価する中央制御装置を介して周知の方式で実行される。
外科用顕微鏡の手動操作の位置決めはユーザが操作する制御要素を介して行われ、この制御要素は電動キャリヤシステムに取り付けられている外科用顕微鏡を規定の通りに制御する。この目的のためには、たとえば、ジョイスティックに似たハンドルなどを使用できる。
【００３５】
続いてファイルされ、修正される第２の画像も全く同じ方式で処理される。その後、外科用顕微鏡の確定位置と、付随する視野の向き及び位置とに関連する第２の記録データレコードを同様にしてファイルする。
【００３６】
視野の向きと位置を含めて、外科用顕微鏡の２つの空間的位置は輪郭線に対してわかっているので、次に、座標系の必要な関連づけ、すなわち、相関を実行することができる。中央制御装置による相関が完了したならば、関連づけ方法は終了し、先に説明した本発明による方法の実施例の場合と同様に、外科手術について計画していた開始位置をとる。
【００３７】
制御要素を使用する外科用顕微鏡の手動操作による空間的位置決めに代わるものとして、本発明による方法のこの実施例により、電動キャリヤシステムに取り付けられている外科用顕微鏡を関心被検体領域に沿って自動的に移動させることが可能である。このプロセスの間、移動した被検体領域を記録し、修正輪郭線画像によってリアルタイム整合手続きを実行する。修正画像と視野中の解剖学的細部の輪郭線の最適の一致が得られたとき、先に説明した方法の場合と同様に、外科用顕微鏡の位置と視野を記録などする。本発明による方法のこの実施例につていは、走査運動中に、たとえば、ビデオカメラによって視野を絶えず記録しておかなければならない。たとえば、外科用顕微鏡の文書化光路の中にビデオカメラ又は他の適切な電子光学画像検出器を配置できると有利である。
【００３８】
図４は、外科手術に先立って生成された診断画像の中に特定の特徴解剖学的細部６−この場合には患者の耳−の輪郭線をマークしてある中央制御装置の表示（５）を提示している。この修正画像をデジタル化し、座標データと共にファイルする。
【００３９】
本発明による方法では、次にこの画像を外科用顕微鏡の観測光学系の中に投影し、それと同時に、この輪郭線が実際の解剖学的細部とできる限り一致するまで、外科用顕微鏡を手動操作により又は自動的に変位させる。
【００４０】
最前に説明した本発明による方法の実施例に代わるものとして、部分的な局所解剖学的情報を収集するための別の実施例によれば、解剖学的関心細部のマーキングなしで外科用顕微鏡を利用して作業し、観測中の被検体領域の中の点を、視野と対応する診断画像との双方で明確に認識し且つ識別することができるのであれば、それらの点を外科用顕微鏡を使用して直接に測定することが可能になる。
【００４１】
この実施例の基本手続き過程を表わす流れ図を図５に示す。この場合、まず、診断画像の中の少なくとも３つの特徴点を外科手術前に中央制御装置によってマーキングする。その後に同様に外科用顕微鏡を通して観測される被検体領域の少なくとも一部に関する診断データレコードの画像を選択する必要があることは言うまでもない。次に、キャリヤシステムに取り付けられている外科用顕微鏡を、視野の中に明確に識別可能な点が位置しているように空間的に位置決めする。続いて、それらの点の座標を位置検出システムによって測定し、それと同時に外科用顕微鏡の位置を記録する。
【００４２】
その後に、外科手術に先立って生成された診断データレコードとの相関を周知の方式で実行する。
【００４３】
先に説明した実施例と同様に、関連する被検体領域に沿って外科用顕微鏡を手動操作で操作し且つユーザ側からそれらの点を適切に割当てることにより、特徴点の識別を実行できる。代替実施例として、先の場合と同じように外科用顕微鏡が適切な電子光学画像検出器を装備しており且つ電動キャリヤシステムが設けられているならば、それらの点の自動認識を含む自動化方法は可能である。
【００４４】
以上説明した本発明による方法の第３の実施例による部分的な局所解剖学的情報の収集プロセスは、たとえば、脳外科手術の間に脳の変位が起こり、観測中の視野を手術に先立って生成されていた診断データレコードに対して再関連づけする必要が生じた場合に手術の最中でも使用できるので有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による方法を実行するために要求される最も重要な構成要素を示すブロック線図。
【図２】  本発明による方法の第１の実施例を示す流れ図。
【図３】  本発明による方法の第２の実施例を示す流れ図。
【図４】  本発明による方法の第２の実施例において関連づけのために使用できる外科用顕微鏡の視野の中に見える輪郭線を示す図。
【図５】  本発明による方法の第３の実施例を示す流れ図。
【符号の説明】
１…外科用顕微鏡、２…電動キャリヤシステム、３…中央制御装置、６…解剖学的細部（輪郭線）。
【図１】
0003881705.tif 000002
【図２】
0003881705.tif 000003
【図３】
0003881705.tif 000004
【図４】
0003881705.tif 000005
【図５】
0003881705.tif 000006