(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
手術を行うように構成された端を有する手術用具を保持し配置する手段と、
患者に対する前記手術用具の位置を測定する手段と、
予め選択された位置決め線に対する前記手術用具の端の位置を表示する表示手段とを有する画像案内手術システムであって、
前記手術用具の端の位置を通り、前記予め選択された位置決め線の一点を含む開始平面を選択し、
前記予め選択された位置決め線と前記開始平面の交点である、前記予め選択された位置決め線上にある開始点を計算し、
前記開始点の位置と前記開始面中の前記手術用具の端の位置とを示す案内画像を前記表示手段により再生する手段を有することを特徴とする画像案内手術システム。
【請求項２】
前記開始点を計算する手段は、前記手術用具の端の変位と共に前記開始点を移動させるよう構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の画像案内手術システム。
【請求項３】
患者に対する前記手術用具の位置を測定する手段は、２つの画像センサを有するカメラユニットと、前記手術用具に設けられた複数の赤外線放射ダイオードとを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の画像案内手術システム。
【請求項４】
前記開始点の位置と前記開始面中の前記手術用具の端の位置とを示す案内画像を前記表示手段により再生する手段は、前記案内画面の略中央に前記開始点を再生するように構成されたことを特徴とする、請求項１乃至３いずれか一項に記載の画像案内手術システム。
【請求項５】
前記開始点の位置と前記開始面中の前記手術用具の端の位置とを示す案内画像を前記表示手段により再生する手段は、前記案内画像中の前記端の再生と前記開始点の再生との間の距離に対する前記端と前記開始点との間の距離の比率を、前記端と前記開始点との間の距離に基づき調整するように構成されたことを特徴とする、請求項１乃至４いずれか一項に記載の画像案内手術システム。
【請求項６】
開始点を計算する手段は、前記位置決め線に略垂直に広がるように前記開始面を選択するように構成されたことを特徴とする、請求項１乃至５いずれか一項に記載の画像案内手術システム。
【請求項７】
手術用具を保持し配置する手段は、前記手術用具を指示する回転可能な位置決め部材を有し、前記手術用具の端は前記位置決め部材に対して固定位置に保持され、前記位置決め部材は前記手術用具の端を前記開始点にロックするように構成されたことを特徴とする、請求項１乃至６いずれか一項に記載の画像案内手術システム。
【請求項８】
案内画像を前記表示手段により再生する手段は、前記手術用具の端と目標位置との間の距離を再生するように構成されたことを特徴とする、請求項１乃至７いずれか一項に記載の画像案内手術システム。
【請求項９】
手術用具を保持し配置する手段は、前記位置決め線の方向に前記手術用具の方向を維持しつつ前記手術用具の端と前記目標位置との間の距離を調節するように構成された用具ホルダを有することを特徴とする、請求項１乃至８いずれか一項に記載の画像案内手術システム。
【発明の詳細な説明】
本発明は画像案内手術システムに関する。
この種類の画像案内手術システムは米国特許第５，３８９，１０１号明細書より既知である。
画像案内手術システムは、手術中に外科医のために患者の体内の手術領域内の手術用具の位置を視覚化するために使用される。患者のＣＴ又はＭＲＩ画像といった画像は、手術前に形成される。画像案内手術システムは手術用具の位置を測定する位置測定システムを含む。画像案内手術システムはまた測定された手術用具の位置から当該の画像中の対応する位置を求めるためのコンピュータを含む。手術中、位置測定システムは患者に対する手術用具の位置を測定し、コンピュータはそのような先行画像中の手術用具の測定された位置に対応する位置を求める。次に先行画像は手術用具の実際の位置と共にモニタ上に表示される。外科医は手術用具を直接見ることなく、モニタ上の画像中の手術領域の中の手術用具の位置を見ることができる。外科医は従って、いかにして組織を不必要に損傷させる実際的な危険性なしに、特に致命的な部分を損傷する危険性なしに手術領域中で手術用具を移動させるかを見るために、モニタ上に表示された画像を観察することができる。
この種類の画像案内手術システムは、例えば神経外科では脳手術中に脳内のどこに手術用具が位置しているかを外科医に正確に示すために使用される。
既知の画像案内手術システムを使用した場合、用具の１つの端を所望の位置にして用具を位置決めすることは困難である。用具を所望の位置へ移動させるためには、所望の位置に達しているかを決定するために患者に対する手術用具の位置を示す画像を観察せねばならないと同時に、用具を移動させる必要がある。用具の正確な位置決めはかなりの訓練を必要とし、これらの手術はやはり時間がかかることが分かっている。
本発明は、手術用具の正確な位置決めをより簡単且つ迅速に行える画像案内手術システムを提供することを目的とする。
この目的は、目標位置を通る位置決め線を求め、手術用具の端を通る開始平面を選択し、位置決め線上且つ開始平面上にある開始点を求め、開始平面上の端及び開始点の相互の位置を再生する位置決めシステムを含む、画像案内手術システムによって達成される。
目標位置は、通常患者の人体の中又は上に位置し、手術の所与の段階の間に手術用具の端が案内されるべき位置である。手術中、手術用具は表面上の入口位置を通って患者の人体の中へ挿入される。目標位置は幾つかの場合には、手術用具の端によって最終的に到達されるべき最終位置である。最終位置には、例えば除去されるべき腫瘍が位置する。しかしながらより一般的には、例えば最終位置が入口位置から延びる湾曲した路に沿って達成されるべき場合、目標位置は最終位置と入口位置との間のどこかに位置する。位置決め線は目標位置を通過し、目標位置に容易に接近しうる方向を有する。例えば、位置決め線は入口位置と目標位置とを通って延びる。使用者は望ましくは入口位置から目標位置へ容易に達しうるよう、入口位置を選択する。外科的介在の始めの時点では、手術用具は開始点に位置決めされる。これは開始平面上で手術用具の端を開始点に達するまで移動させることによって非常に容易に達成されうる。位置決めシステムは使用者に対していかにして端を開始点へ移動させるかを示す。このため、位置決めシステムは、例えば開始平面上の端及び開始点の位置を示す。開始点及び手術用具の端の位置は、様々な方法によって使用者に示されうる。例えば、開始平面上の開始点及び手術用具の端の座標を示すのは非常に簡単である。モニタといった画像表示ユニット上に案内画像を表示することは特に望ましい。案内画像は開始点及び手術用具の端の画像を含む開始平面の画像である。使用者はいかにして手術用具の端が開始平面上を移動するかを見るために案内画像を観察することができ、それにより使用者はどのようにして手術用具の端を開始点へ移動させるかを知る。他の可能性は、例えば位置決めシステムが、手術用具の端が開始点に達するために移動されるべき向きを、例えば矢印によって所望の方向を示すことによって示すことである。使用者は手術用具の端の位置決め線に平行な変位を考慮する必要がない。従って、手術用具の端を３次元空間を通って移動させるよりも、１つの平面、即ち開始平面に制限された方向に移動させることがはるかに容易である。開始平面は手術用具の端を常に含む。開始平面は、手術用具の端から所定の一定の距離に位置する任意の平面を選択することによって選択されうる。開始平面は任意の平面から所定の一定の距離にあり任意の平面に平行に延びる平面となる。例えば、任意の平面は手術用具の端から所定の一定の距離に位置する手術用具上の所定の点を通って延びるよう選択されうる。
開始平面は手術用具の移動に依存して空間中を移動する。開始平面が患者に対して変化するとき、開始点の患者に対する位置もまた変化するが、略全ての外科的介在において、開始点が位置決め線上のどこに位置するかは重要ではない。位置決めシステムは手術用具の端の瞬間的な位置と開始点の位置とを再生する。これは使用者が手術用具を迅速且つ正確に制御して開始位置へ移動させることを可能にする。
手術用具は、例えば当該の外科的介在を実行するのに使用される用具である。手術用具は、開始位置に位置決めされ、続いて外科的介在を実行する用具によって置き換えられるポインタであり得る。
本発明による画像案内手術システムは、様々な外科的介在、特に脳手術及び脊髄手術といった神経外科手術における使用に適している。
本発明による画像案内手術システムの望ましい実施例における位置決めシステムは、開始点を案内画像の略中央に再生するよう構成される。
開始点は案内画像の略中央に再生されるため、使用者は手術用具の端を開始点へ移動させるのに手術用具がどのように移動されねばならないかを非常によく見ることができる。更に、手術用具の端は開始点から変位される間案内画像の略中央に再生されるため、手術用具は手術用具の端の再生像が案内画像から（殆ど）外へ移動するようには殆ど移動されない。更に、開始点は案内画像の中央に示されることが前もって決定されているため、開始点と手術用具の端の位置との間に混同が起こる危険性が少ない。
本発明による画像案内手術システムの望ましい実施例における位置決めシステムは、位置決め線に略垂直に延びるよう開始平面を選択するよう構成される。
従って、使用者が手術用具を開始点へ移動させ始めるとき、開始点は手術用具の端の位置からあまり遠くない位置に位置し、そのため手術用具は短い距離に亘ってのみ変位される必要がある。従って、手術用具の端を開始点へ正確に移動させるのに短い時間のみが必要とされる。更に、開始点は患者からあまり離れて位置しないことが容易に確実にされえ、それにより手術用具は位置決め線に沿って目標位置へ正確に容易に移動されうる。
本発明による画像案内手術システムの望ましい実施例における画像表示システムは、上記端と開始点との間の距離と、上記案内画像中の端の再生像と開始点の再生像との間の距離との比率を、上記端と開始点との間の距離に基づいて調整するよう構成される。
比率の調整によって、案内画像は手術用具の端と開始点との間の距離に依存した拡大又は縮小をされて再生される。望ましくは、手術用具の端がまだ開始点から遠方にあるときはあまり拡大されないか、更には縮小が使用され、（より大きな）拡大は手術用具の端が開始点の近傍に達した時に使用される。使用者はこのようにして、手術用具の端がまだ開始点から遠方にあるとき、端の再生像は案内画像中に位置し、手術用具の端及び開始点の再生像は共に案内画像の中で観察されうるため、手術用具の端がどのようにして開始点へ変位されねばならないかを常に非常によく見ることができる。手術用具の端が開始点の近傍に達するとすぐに、手術用具の端及び開始点の再生像は両方とも案内画像の中で適当に別々に再生される。望ましくは、案内画像の再生像は手術用具が開始点へ近づくにつれ段階的に拡大される。
本発明による画像案内手術システムの望ましい実施例における位置決めシステムは、上記手術用具を支持する回転可能な位置決め部材を含み、手術用具の端は位置決め部材の中の一定の位置に保持され、上記位置決め部材は外科要素の端を上記開始点にロックするよう構成され、上記位置決めシステムは、位置決め部材の中の該一定の位置を通って延びるよう開始平面を選択するよう構成される。
手術用具の端は位置決め部材に対して上記一定の位置に保持されているため、位置決め部材の中の一定の位置を通る開始平面は手術用具の端を含む。位置決め部材が手術用具の端を開始点にロックする場合、手術用具の端の回りの回転はやはり可能である。手術用具は手術要素を支持する位置決め部材を回転させることにより位置決め線の方向に向けられる。
本発明による画像案内手術システムの望ましい実施例における位置決めシステムは、上記手術用具の端と上記目標位置との間の距離を再生するよう構成される。
手術用具はこのように、目標位置に達するまで位置決め線の方向に容易に移動されうる。これは生検が行われるときに特に有利である。このとき手術用具は組織の試料を取り出す目標位置に位置決めされる生検針からなる。本発明による画像案内手術システムの望ましい実施例における位置決めシステムは、上記手術用具の端と上記目標位置との間の距離を調整し、上記手術用具の向きを上記位置決め線の方向に維持するよう構成された用具ホルダを含む。
そのような用具ホルダは手術用具を支持する。これは患者に対する過剰な危険性なしに目標位置に達するよう、手術用具が位置決め線の方向に正確に容易に変位されることを可能にする。
本発明はまた請求項１０に定義される手術用具の位置決め方法に関する。
本発明による方法は、既知の画像案内手術システムで実行される位置決めと比較して、手術用具のより容易且つより迅速且つより正確な位置決めを達成する。
本発明の上記及び他の面を以下の実施例及び添付の図面を参照して説明する；図面は本発明が使用される画像案内手術システムを図式的に示す図である。
画像案内手術システムは、カメラユニット１０及び２つのＣＣＤ画像センサ１１を有する位置測定システムを含む。カメラユニット１０は患者台３０上に取り付けられる。カメラユニット１０は異なる方向から手術用具２０の画像を形成する。手術用具は、複数、例えば３つの赤外線放射ダイオード（ＩＲＥＤ）１９を設けられている。ＣＣＤ画像センサは手術用具２０、特にＩＲＥＤ１９の個々の画像を表わす画像信号、特に電子ビデオ信号を生成する。位置測定システムはまた画像信号から手術用具の位置を求めるコンピュータ１２を含む。検査又は処置されるべき患者２１の画像情報は画像メモリ１３の中に記憶される。画像情報は、例えば外科処置前又は外科処置中に形成された例えばＭＲＩ及び／又はＣＴ画像に関する。特に基準マーカによって形成されるマーク２３はまた患者の画像の中に生成される。マーク２２の位置は例えばマークを手術用具によって指示することによって、位置測定システムによって測定される。コンピュータ１２は患者２１の中又は上の位置と画像中の対応する位置との間の関係を、マークの位置と形成された画像中のマークの画像の位置とから求める。手術用具２０の測定された位置と上記の関係に基づいて、画像プロセッサ１４は患者２１の画像情報と、患者内の手術用具２０の瞬間的な位置とを示す画像を表わす画像信号を形成する。コンピュータ１２、画像メモリ１３及び画像プロセッサはモニタ８が接続されているデータプロセッサ９の中に含まれる。画像信号はモニタ８へ与えられる。手術用具２０がどこに位置するかを示す患者２１の画像情報は、モニタ８上に表示される。使用者は従って用具を直接見ることなく、組織を不必要に損傷させることなく、患者２１の中で手術用具２０を移動させうる。
本発明による画像案内手術システムは、使用者がそれによって手術用具２０を適当な開始位置Ｂに容易に位置決めしうる位置決めシステムを含む。位置決めシステムは、カメラユニット１０、コンピュータ１２、画像プロセッサ１４及びモニタ８を含む。望ましくは、位置決めシステムはまた位置決め部材７を支持するアーム６のシステムを含む。外科的介在、例えば生検の前に、使用者は予め記録された画像情報から目標位置Ｔと、また位置決め線ｌとを選択する。位置決め線ｌは目標位置Ｔ及び入口位置Ｅを通過する。入口位置Ｅは、目標位置Ｔが組織を不必要に損傷することなく、即ち患者に対する過剰な危険性なしに位置決め線に沿って容易に達成されうるよう選択される。位置測定システム１０，１２は手術用具の端の位置Ｕを測定する。コンピュータ１２は、目標の再生像の位置と使用者によって画像情報から選択された入口位置とから、目標位置Ｔと入口位置Ｅとの位置を計算する。コンピュータ１２は続いて手術用具の端２５の瞬間的な位置Ｕを通って、望ましくは位置決め線ｌに垂直に延びる開始平面αを計算する。コンピュータ１２はまた位置決め線ｌと開始平面αとの間の交点を計算し、この交点は開始点Ｂである。コンピュータ１２は次に開始平面α上の端の位置Ｕ及び開始点Ｂの位置を計算する。これらの位置に基づいて、画像プロセッサは案内画像を表わす画像信号を形成する。そのような案内画像はモニタ１８上に表示され、開始平面α上の端２５の位置Ｕと、開始点Ｂの位置とを示す。図示される例では、開始点の位置は画像の中央に丸印によって示され、端２５の位置はＸ印によって示されている。使用者は、案内画像を観察しながら、手術用具２０の端２５を開始位置Ｂまで容易に移動させうる。画像プロセッサ１４は、開始点Ｂを達成するのに端２５が開始平面αの中で移動されねばならない方向を示すよう、開始位置Ｂ又は端２５の位置Ｕの位置に隣接して、又はこれらの位置の代わりに、モニタ８上の案内画像の中に矢印２６を設けうる。手術用具の端２５が使用者によって開始位置Ｂへ変位されるときに位置決め線の方向と平行に移動されることは肝要ではない。コンピュータは開始平面αが常に端２５の位置Ｕを通って延びることを確実にすることによって開始平面αの位置を自動的に適合する。開始点は位置決め線ｌと開始平面αとの間の交点であるため、開始点は開始平面αの移動に自動的に適合される。開始点Ｂが位置決め線ｌ上のどこに正確に位置するかはあまり重要でないことがわかっている。
コンピュータ１２はまた手術用具の端２５と目標位置Ｔとの間の距離を計算し；この計算は望ましくは端２５が開始位置Ｂの上に配置されたときに行われる。この距離に基づいて、画像プロセッサ１４は深さの表示を与えるようモニタ８を制御する。深さの表示は例えば、端２５と目標位置Ｔとの間の距離がポインタ２８によって示される目盛り２７である。使用者はこのようにして、目標位置Ｔを達成するのに端２５が位置決め線の方向にどれだけ移動されねばならないかをモニタ上で見ることができる。
位置決めシステムはまた、例えば蝶番３２によって互いに回転可能に結合された複数のアーム３１を有するアーム６のシステムを含む。位置決め部材７はアームのシステムの端２９に固定される。蝶番は位置決め部材７を所望の位置に保持するようロックされうる。手術用具２０は位置決め部材７の中の開口３３の中に嵌合する。位置決め部材７は例えばその中を貫通する円筒状の路３３を設けられた球状部である。位置決め部材７を使用して、手術用具２０は、端を開始位置Ｂに保持して位置決め線ｌの方向に容易に位置決めされうる。手術用具２０を路３３を通して摺動させることにより、端２５は位置決め線ｌの方向に目標Ｔへ向かって正確に移動される。このような位置決め部材が使用されるとき、深さの表示は単に位置決め部材を目標位置Ｔから一定の位置に配置するために使用されうる。そのような一定の位置は例えば生検針の標準的な長さである。位置決め部材が深さの表示に基づいて目標位置から所望の一定の位置に配置されたとき、位置決め部材を通じて患者の中へ移動された生検針は目標位置へ正確に達する。
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