(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
再構成された画像表示を保存する画像メモリを有する画像診断システムの中で、選択的に位置決めが可能であり、且つ予め選択された被検体の身体部分を固定する被検体台（１０）と、
画像座標系（ｘl，ｙ1，ｚ1）の前記画像メモリに保存された前記画像表示の選択部分を表示するディスプレイと、
ガイド軸（４６）に沿って整形外科用器具（８４）を選択的に収容するため、及び、前記ガイド軸（４６）に沿って前記被検体台（１０）に保持した被検体の特定部分に接触可能なポインタ（４４）を収納するため、並びに、前記ガイド軸（４６）に沿って縦に延びる経路を限定するために構成されたガイド（６０）と、
前記ガイド軸（４６）の位置を被検体座標系内で決定するための位置情報が空気中のみを通過して送信される信号であり、この位置情報の信号を選択的に放射する複数の要素（４８、５０）を一対の組にして前記ガイド（６０）に対して一定の相対位置関係を維持しておき、少なくともこの一組を前記整形外科用器具（８４）を配した部材と、前記ポインタを取り付けた棒（４０）とに固定した前記位置情報の放射要素（４８、５０）と、
前記位置情報の放射要素からの信号を受信する受信機（１４）と、
前記受信機（１４）で受信した信号から前記ガイド軸（４６）の位置を決めるための、前記受信機（１４）に接続した軌道決定手段と、
前記被検体座標系内の前記ガイド軸（４６）の位置情報を前記画像座標系（ｘl，ｙ1，ｚ1）に関連づける変換手段と、
前記画像表示に前記ガイド軸（４６）を重畳して表示する表示手段と
を備えたことを特徴とする被検体への器具適用における位置づけとガイドを行う装置。
【請求項２】
前記ガイド（６０）が、前記ポインタ（４４）の先端部を前記ガイド軸（４６）に沿って前記棒（４０）に対して着脱する手段（９０、９２、９４）を含めて受け入れる請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記ガイド（６０）が前記整形外科用器具（８４）を収容する溝または穴（７６、８２、１００）を有しており、更に前記ガイド軸（４６）の位置を決定するための位置情報を放射して与える前記放射要素が前記溝または穴（７６、８２、１００）に沿った軌道を定めるように、前記溝または穴（７６、８２、１００）に関連して予め定めた所定位置に前記放射要素（４８、５０）を配置した請求項２記載の装置。
【請求項４】
更に選択的に先端を前記ガイド（６０）に接続する複数のガイド先端（９６、９８、１００、１０２、１０４）および前記着脱する手段（９０、９２、９４）を有しており、少なくとも１つの前記ガイド先端の方向軸が前記ガイド軸（４６）と合うよう構成された請求項２記載の装置。
【請求項５】
更に前記ガイド軸（４６）により決定された経路に沿って光を出力するよう設置されたレーザ（７８）を前記ガイド軸（４６）に有する請求項１から４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記ガイド軸（４６）に沿って前記整形外科用器具（８４）を収容するガイド部分（７４、８０）と、前記ガイド部分を手持ちで保持する柄（６２）とを有し、手持ち可能な前記ガイド（６０）である請求項１から５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
被検体座標系におけるポインタ（４４）の位置を決定するための前記位置情報を放射して与える要素（４８、５０）と前記ポインタ（４４）とを備える棒（４０）であって、前記棒（４０）と係合する係合手段（６４、７０）を有する請求項１から６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
ガイド軸（４６）を有する整形外科用器具（８４）あるいはガイド軸（４６）を有するポインタ（４４）を持つ棒（４０）のいずれかに交換可能であり、且つ、前記整形外科用器具（８４）あるいは前記棒（４０）のいずれかを前記ガイド軸（４６）に沿って支持する手持用ガイド（６０）と、
前記ガイド軸（４６）の位置を被検体座標系内で決定するための位置情報が空気中のみを通過して送信される信号であり、この位置情報の信号を選択的に放射する複数の要素（４８、５０）を一対の組にして前記ガイド（６０）に対して一定の相対位置関係を維持しておき、少なくともこの一組を前記整形外科用器具（８４）を配した部材と前記棒（４０）とに固定した前記位置情報の放射要素（４８、５０）と、
を備え、
前記位置情報の前記送信される信号のうち、被検体座標系内の空気中のみを通過する信号を前記位置情報にして、前記ガイド軸（４６）を前記被検体座標系内で定めることを特徴とする患者のための外科用器具をガイドするための装置。
【請求項９】
ガイド軸（４６）を画定するガイド（６０）が、その画定されたガイド軸（４６）に沿って外科用器具（８４）とポインタ（４４）とを交換可能な部材の収納及び支持をする構成であり、
前記部材と一体の棒に固定配置された複数の信号放射手段（４８、５０）が、前記ガイド軸（４６）の位置情報の信号を放射して、空気中のみを通過する前記信号を前記ガイド軸（４６）の位置情報とすることを特徴とする患者のための外科用器具をガイドするための装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、器具適用における位置づけとガイドを行う方法および装置に関する。特に、医療診断および外科技術使用における適切な方法および装置に関するものである。神経外科学に関連した特殊応用であり、詳細な参照を用いて説明する。しかし、本発明は例えば、神経生検、ＣＴ台の針体生検、胸部生検、内向治療、整形外科手術、他の侵襲的医療治療、産業上の品質管理処理手順等とも関連した出願であるということも認識されたい。
【０００２】
【従来の技術】
脳、脊髄および他の身体的部分の立体診断画像データは、ＣＴスキャナ装置、磁気共鳴画像装置および他の医療診断器具により生成される。これらの画像様式はミリメートル、またはそれ以上の解像度で象徴的に詳細な構造を提供する。
【０００３】
患者の立体画像データに有益なフレームなし立体戦術処理手順は多種開発されてきた。例えば、誘導針生検、分路配置、精神的傷害や腫瘍切除における頭蓋解剖等である。非常な精密性を要するフレームなし立体戦術処理手順としては他に、スクリュ固定、骨折減圧および脊髄上の腫瘍切除を含む脊髄外科手術がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
例えばスクリュ固定処理手順においては、外科医や他の医療人員がスクリュを配置すべき脊椎骨にドリルで孔を開ける。外科医は、椎骨に孔を形成するときに外科用ドリルの先端の位置決めをするが、その際ほとんど自身の技量だけを頼りにすることになる。成功するかどうかは、外科医の解剖上の位置づけ判断および手術分野における基礎指導に大きく左右される。そして結果として、神経、血管、あるいは脊髄を損傷し得るスクリュの準最適配置が起きる。
【０００５】
本発明は、上記問題を克服する方法および装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの態様によれば、予選択された被検体の身体部分を固定し、再構成された画像表示を保存する画像メモリを有する診断画像装置において位置選択が可能な被検体台、画像座標系の前記画像メモリに保存された前記画像表示の選択部分を表示するディスプレイ、前記被検体または被検体台の選択部分に選択接触が可能なポインタ、被検体座標系の前記ポインタが接触した前記被検体または被検体台部箇所の電気表示を提供する電気位置表示器、および前記被検体座標系と前記画像座標系を相関させる手段からなり、ガイド軸に沿って縦に延びる経路を限定し、前記ガイド軸に沿って器具を選択収容するよう構成されたガイドおよび該ガイドの座標系を前記画像座標系と調整する前記相関手段に電気信号を供給する前記ガイドに接続された手段によって特徴づけられる被検体への器具適用における位置づけとガイドを行う装置が提供される。
【０００７】
本発明はまた、結合されたポインタとガイドが所定の入口点に向けて操作され、器具適用のための軌道が限定され、軌道および入口点を電気信号で合図する工程、被検体および前記信号合図された入口点と軌道の座標系を画像メモリに保存された電気画像表示の座標系に相関させる工程および、前記軌道と入口点の重畳した前記画像表示の少なくとも１部の人間読み取り用表示を生成する工程からなり、前記ガイドで前記軌道と合わせて配置された器具収容ガイド経路を限定し、前記器具を前記ガイド経路に沿って前記所定の入口点から前記軌道に沿って被検体内へ挿入することにより特徴づけられる被検体への器具適用における位置づけとガイドを行う方法を提供する。
【０００８】
【実施例】
図面を参照しながら、本発明による装置と方法、およびその変化例について説明する。
【０００９】
図１を参照すると、人間患者等の被検体が手術台、または他の被検体台１０に収容され、手術室内の適切な場所に置かれる。フレーム１２は被検体または被検体台座標系内に正確に位置づけられるよう患者に対してしっかりと固定して取り付けられる。図示した実施例においては、フレーム１２は患者台１０に設置されている。フレーム１２を患者台に取り付けることにより、患者台は患者の座標系を変化させることなく、回転、上昇、下降、他の場所への移動等することができる。患者台はポールや他の不動支柱、部屋の天井板に取り付けることもできる。フレーム１２は、フレーム上の固定位置に設置されたマイクロフォン、無線周波受信機、感光ダイオード、他の感光受信機等、複数の受信機１４をサポートする。頭部クランプ１６等の固定手段は、検査中の患者の身体部分をしっかりと固定する。フレームは、患者の関心領域に集中しながら患者に対してより近い位置づけができるよう、垂直位からの固定角、または選択角において設置される。
【００１０】
引き続き図１を、そして更に図２を参照すると、操作卓１８がコンピュータ・システム２０を収容している。コンピュータ・システムは操作卓と離してケーブルで接続することも可能である。コンピュータ・システムは立体データ・メモリ２２を有する。保存された立体画像データが立体長方形グリッド（２５６ｘ２５６ｘ２５６のグリッドが望ましい）内の各ボクセル、または各点に対してビデオ画素値を有すると好ましい。各画素値が１ミリの立方体を表す場合、画像データは患者を通して解像度１ミリの約２５．６センチの立方体を表すことになる。データが立体長方形グリッド内にあるため、立体メモリからデータの選択的直交面および他の斜面は従来技術を用いてたやすく回収することができる。平面選択手段２４は、表示用に立体メモリから様々な画素値の２次元平面を選択する。
【００１１】
平面選択手段は、患者の選択点から軸平面、球欠平面、前額面および斜面の中から少なくとも３つの平面を選択する。選択された軸平面、球欠平面、前額面および斜面上の画素値は、対応する画像メモリ２６ａ、２６ｂ、２６ｃおよび２６ｄに複写される。ビデオ・プロセッサ手段２８は、１つ以上の画像メモリ２６からの２次元デジタル画像表示を適切な信号に変換してテレビ・モニタ３０、または他の適当な表示手段に表示する。
【００１２】
引き続き図１を、そして更に図３を参照すると、金属等、適切な弾性物質で形成される棒４０は、先端部すなわちポインタ４４にオフセット４２を有する。オフセット４２は棒の指示軸４６に沿って延びる部分に接続されている。この実施例では、オフセット上にエミッタ対４８と５０が取り付けられ、棒の指示軸４６に沿って配置されている。エミッタの発する信号は、スパーク・エミッタ、無線周波送信器、赤外線ＬＥＤ等の受信機１４により受信される。第１のエミッタ４８はポインタ４４から固定既知距離ι1にあり、第２のエミッタ５０は第１のエミッタ４８から固定既知距離ι2にある。棒は従来技術によりたやすく殺菌される。エミッタ対４８と５０は、ロケータ装置で使用される位置決め信号を発して棒の座標および軌道の位置決めをする。ロケータ装置で使用する更なる位置決め信号を供給するために、オフセット上に２つ以上のエミッタを取り付けて棒の座標および軌道の位置決めをすることも可能である。
【００１３】
棒４０はガイド６０と一緒に使用して、患者に外科器具を適用する座標および軌道を指定する。ガイドは、棒を位置づけて外科軌道を確立するいかなるガイド、または器具であってもよい。この実施例では、ガイド６０は柄６２および内口径６６を限定して棒を収容し、正確に位置づける管部材６４を有する可搬器具である。器具ガイドの口径６６の直径は、棒４０またはドリル、生検針等の外科器具のどちらをも非同時挿入できるようになっている。ガイド６０は手で持たなくても、フレーム付の立体装置等の手術室内の他機構に取り付けることができる。内部手術使用においては、棒４０はポインタ４４が器具ガイドの末端７２に当たるまで器具ガイドの口径内に挿入される。棒に設置された棒ストッパ７０は、棒の先端が末端７２と合ったときに器具ガイドの近位端面６８と隣接する。棒の先端が器具ガイドの端と合えば、外科医は患者を調べて適切な外科器具を挿入すべき最適座標および軌道を探り始めることができる。そのため、外科医は結合された棒と器具ガイドを所定の軌道にあやつってエミッタを作動する。エミッタからの信号は軌道４６および棒のポインタ４４を計るために使用される。軌道および端点は、立体画像または選択画像平面に重畳され、モニタ３０に表示される。患者および棒の座標系を画像データの座標系に相関させる過程の詳細については、下記に説明する。
【００１４】
外科医はディスプレイ３０を見ることで、解剖構造上の棒端位置および口径の軌道を確認することができる。軌道が満足できるものならば、棒を除去して外科器具を挿入し、処理手順が実行される。軌道に問題がある場合は、棒の位置を変えて新しい軌道が決定、判断されることになる。この方法により、従来の外科医自身による患者の解剖判断と比べて外科計画は改善される。適切な軌道および座標を確認しながら、ガイドをその位置に保持したままで棒４０を口径６６から除去する。ガイド６０をしっかりと固定することにより、棒で決定された軸平面および球欠平面内の適切な軌道および位置座標が保たれる。その後、適切な外科器具または器械をガイド６０内に挿入する。この方法により、外科器具は外科手術過程で必要な適切な軌道に適切に位置づけられることになる。
【００１５】
棒および器具ガイドは、最適な入口点、軌道および患者の脊髄柱内に配置するスクリュの挿入深度を正確に確認するのに特に有益である。これについては、下記に詳細に説明する。
【００１６】
図４、図５および図６を参照すると、本発明の他の実施例が示され、ここではガイドは棒と統合されている。一般に他の実施例は、位置決め信号を発する複数のエミッタが設置された棒オフセット部を有する。本実施例においては、エミッタ４８と５０は棒の指示軸４６に沿って配置されている。しかし他の実施例では、中央軸または指示方向４６は棒と統合形成されたガイド手段の縦軸と合っている。どの変化例においても、ガイド手段は延長部を介して棒オフセット部に接続されている。
【００１７】
図４を参照すると、管部７４は棒と統合されている。管部は、縦軸に沿って延びる口径７６を限定する。内部手術使用においては、外科医は近位探索で患者を調べて外科器具用に適切な座標および軌道を位置づける。一度座標および軌道が位置づけられると、外科医は外科器具が管内に挿入される間オフセット部を保持する。その後、外科器具を操作して外科過程が実行される。
【００１８】
図５を参照すると、上記変化例と同様に第２の変化例が示してある。しかし、上記説明の構造に加えて、レーザ７８がオフセット部に取り付けられている。レーザより発せられる光は、管部材の口径７６の縦指示軸４６に沿って移動する。内部手術使用においては、外科医はモニタ３０に表示される画像を見ながらレーザ付棒を操作する。表示用に選択された画像は、統合棒の近位端上の口径中央点の座標と軌道に基づいている。一度適切な座標および軌道が確認されると、統合棒は外科医がレーザを作動する間そのまま保持される。レーザより発せられる光は近位端で口径中央点と交差する。
【００１９】
図６を参照すると、第３の態様が示され、ここでは溝付ガイド部材部８０が棒に統合されている。溝付部材はオフセット部に接続されている。溝付部材は、棒の指示軸４６と一直線上の縦軸をもつ溝８２を有する。この変化例は、針生検において特に有益である。内部手術使用においては、生検針８４は生検針の先端８６が統合棒の近位端で溝の中央点と合うように溝内に配置される。生検針は、溝部材の両端に付けられたVelcroＲ等の制止手段により保持される。
【００２０】
図７の実施例では、棒４０は軸４６と離して設置されたエミッタ５０、５０’、５０''を有する。エミッタの位置と軸４６間の関係は固定されているため、一度エミッタが位置づけられると、軸４６が決定される。
【００２１】
図８の実施例では、５０1、５０2、５０3、．．．と３つ以上のエミッタが   示してある。どの２つのエミッタでも軸４６を決定するが、余分に軸４６を決定して結果を平均することでより精密になる。いろいろなエミッタ対によって決定された軸４６における偏向の補正に使用される正方形は、最小限であることが望ましい。
【００２２】
図９の実施例では、棒４０は交換可能な先端を有する。棒４０は先端の第２の接続部９２と選択的に接続する第１の接続部９０を有する。ねじ付口径およびねじ付シャフト、スナップ・ロック等、様々な接続方法が考えられている。キーおよびキー溝方式、または他の先端と棒を固定する手段は、コネクタが軸４６から離れているときに特に有益である。
【００２３】
先端は多種考えられている。短先端９６は、精密な表示のために提供される。長先端９８を使うと、被検体の内部深くまで到達することができる。管状ドリルガイド１００は様々な直径に適用され、いろいろな大きさのドリルを収容することができる。アダプタ１０２を使用すると、内向器具および他の器具を棒に取り付けることができる。超音波変換器配列１０４等の器具類は、アダプタ１０２に接続可能で、また、棒への直接接続用に構成することもできる。様々な応用のために、その他にもいろいろな種類の先端が考えられている。
【００２４】
本実施例では、立体棒を使用して、患者、器具ガイドおよび棒を含む手術室内の座標系を先に準備されたメモリ内の立体画像に合わせる。器具ガイドの適切な座標および軌道を確認するのに先立ち、患者の空間は望ましくは後述の技術を用いて保存された立体画像データと合わせられるか、または参照される。
【００２５】
図１０において、受信機１４がマイクロフォンの場合、複数の基準エミッタ１０６がフレーム１２に取り付けられる。基準受信機は、それぞれ隣接する受信機またはマイクロフォン１４からの既知距離、すなわち距離Ｓ1およびＳ2の間隔  でフレームの側端に沿って配置される。ここで、Ｓ1＝Ｓ2＝Ｓであることが好  ましい。更に、各基準受信機とフレームの反対側に配置されたエミッタとの間の距離はＤである。
【００２６】
棒上エミッタからフレームまでの距離、故に、患者と関連した棒の位置は音の走時によって決定される。空中を通る音パルスの速度は、温度、湿度および空気の化学成分による。これらの要因は、手術中および処置から処置に移る間に大きく変化することが可能で、また実際変化する。図４で示すように、手術室内の音速を決定するための計算が行われる。校正手段１１０は選択的に基準エミッタ１０６を振動し、マイクロフォン受信機１４で信号を受信し、そして図１１の処理手順により経過時間情報を処理する。明確に言えば、校正手段１１０は、基準エミッタ１０６の第１のエミッタに信号パルスを発射させる工程または手段１１２を有する。工程または手段１１４は範囲値Ｄ1、すなわち超音波パルスが距離Ｄ を横切って行くのに要する時間を得る。工程または手段１１６は、図１０で示す４つのエミッタそれぞれに対して１回等、この処理が予選択の回数分だけ繰り返されるようにする。
【００２７】
各エミッタと受信機対間の走時が予選択回数分得られると、工程または手段１２０は、固定の機械遅延時間を修正する。つまり、基準エミッタ１０６を発射させるコマンドが与えられたときの時間と、エミッタが実際に検知可能な超音波信号を生成する時間との間には決まった小さな時間の遅れが存在するのである。同様に、超音波パルスが受信機、またはマイクロフォン１４に到達する時間と、コンピュータ・プロセッサが受信する測定可能な電気信号になる時間との間にも、小さな遅れが生じる。これらの遅延は、工程または手段１１４で測定された時間から減算される。平均手段１２２は、送信機と受信機間の超音波パルスの伝送における機械の遅延が修正された後、実際の時間を平均する。最も正確な結果を提供するのは、範囲値Ｄ1における時間である。工程または手段１２４は、手術室 内の患者と隣接した超音信号の現在の速度を示す校正係数Ｆを計算する。本実施例においては、校正係数Ｆは音波測定距離Ｄ1の距離Ｄを正確に機械測定したも のに対する比率である。
【００２８】
図１２、図１３および図１４を参照すると、棒の座標および軌道決定手段１３０はエミッタ対４８と５０の位置をそれぞれ決定している。明確に言えば、工程または手段１３２はエミッタ４８に超音波信号を発射させている。フレーム上の受信機１４は、対応する時間Ｌ1−Ｌ4において超音波信号を受信する。工程ま  たは手段１３４はこれらの時間を取得、更に保持する。工程または手段１３６は、第２のエミッタ５０の送信を実行する。工程または手段１３８は、超音波信号が第２のエミッタからマイクロフォン１４に送られるのに要する４つの時間Ｌ1 −Ｌ4を取得する。超音波伝送の速度および伝送時間の精密性は、これらの距離 がミリ単位またはそれ以上で測定できるほどのものである。工程または手段１４０は、エミッタに発射させ、対応するデータ値Ｌ1−Ｌ4がデジタル上の精密性  を改善するための複数の回数、すなわち２回を取得するようにする。
【００２９】
音波エミッタが使用されると、工程または手段１４２は、校正手段１１０に患者と隣接した音の現在の速度表示を提供するために図１１で説明された工程を実行させる。もちろん、図４における校正処理は１３２〜１３８の工程の直前に、あるいは平均用のいくつかのデータの収集中に間欠的に実行することも可能である。工程または手段１４４は、工程または手段１２０において説明した固定の機械遅延を考慮してＬ1−Ｌ4の値を修正する。工程または手段１４６は、工程ま  たは手段１２４で決定された校正係数Ｆに従って、超音波信号が第１および第２のエミッタ４８、５０から受信機１４に送信されるのに要した時間Ｌ1−Ｌ4の  それぞれを修正する。平均手段１４８は、遅延および校正修正時間Ｌ1−Ｌ4を  平均し、故に各棒上エミッタ４８、５０と各受信機１４間の距離が平均される。これらの距離から、少なくとも３つの受信機１４が提供されたとすると、工程または手段１５０は、エミッタ対４８と５０の、患者空間内のカルテシアン座標（ｘ1，ｙ1，ｚ1）および（ｘ2，ｙ2，ｚ2）を計算する。第１のエミッタ座      標ｘ1，ｙ1，ｚ1は、４つの範囲値Ｌ1−Ｌ4における３つの値から計算され     る。Ｌ4を無視したとすると、座標は次のように計算される。
【００３０】
ｘ1＝〔（Ｌ12−Ｌ22）＋Ｓ2〕／２Ｓ
ｙ1＝〔（Ｌ12−Ｌ32）＋Ｓ2〕／２Ｓ
ｚ1＝（Ｌ12−ｘ12−ｙ12〕1/2 
【００３１】
ここで、図１０で定義されたようにＳ＝Ｓ1＝Ｓ2である。選択された範囲値  はＬ1−Ｌ4の中で短いもの３つであることが望ましい。第２のエミッタのｘ2   、ｙ2およびｚ2座標にも同様の計算が行われる。工程または手段１５２は、測  定の妥当性を検査する。明確に言えば、棒上エミッタ間の既知離隔距離は、次のように棒上エミッタの測定座標ｘ1，ｙ1，ｚ1とｘ2，ｙ2，ｚ2間の離隔距      離と比較される。
【００３２】
｛Ｓｅｐknown - [(x1-x2)2 + (y1-y2)2 + (z1-z2)2]1/2 ｝≦誤差
【００３３】
１ミリの解像度で測定された既知の離隔距離が許容誤差、すなわち０．７５ミリよりも大きい場合は、エラー測定信号が発せられる。この測定は放棄され、外科医または他のユーザは測定処理１３０をもう一度実行することになる。エミッタ対４８、５０の座標および図２で説明した棒の幾何学による工程または手段１５４により、ポインタ４４のカルテシアン座標（ｘ0，ｙ0，ｚ0）が計算される。
【００３４】
先端座標（ｘ0，ｙ0，ｚ0）は、次のように定義される。
【００３５】
ｒ  ＝  ι1／ι2 
ｘ0 ＝（１＋ｒ）ｘ1−ｒｘ2 
ｙ0 ＝（１＋ｒ）ｙ1−ｒｙ2 
ｚ0 ＝（１＋ｒ）ｚ1−ｒｚ2 
【００３６】
ドリル等の外科器具の適切な座標と軌道の位置づけに棒および器具ガイドを使用する前に、患者空間（ｘ，ｙ，ｚ）はメモリに保存された画像空間（ｘ1，ｙ 1，ｚ1）と合わせられる。空間調整は、患者空間内の既知位置または点１６４  を棒先端と対照させることから始まる。例えば、棒のポインタ４４は椎骨上の独立した３位置、すなわち脊柱横行処理における先端に対照させることができる。これらの椎骨上の位置１６４は、画像空間内の関連画素位置１６２と比較される。図１５〜図１８を参照すると、その後、変換手段１６０が患者空間座標を画像空間座標系に変換する。変換手段１６０による基準点を使用して、他の患者空間点１６４の座標を画像空間の座標系に変換、または適合することも可能である。これにより、３つ以上の基準点または印が、患者の身体上の３つ以上の間隔点に固定されることになる。基準点は、結果画像データで安易に識別できる点１６２となるよう選択された画像媒体において見ることができる。基準点は、放射不透明体および磁気共鳴刺激物質によって射出された印、または小さな粒である。小さな点、または入れ墨状のものが患者の皮膚に付けられ、基準点が各点にくっつけられる。これにより、画像データの収集と外科処理の合間で基準点が除去されたとしても、基準点の位置１６４は表示されることになる。棒の先端（ポインタ）は、基準点の画像を患者空間内の基準位置と合わせるために各基準点、または入れ墨状の印点１６４上に配置される。それぞれの椎骨処理先端、または基準点の患者空間内の座標は、図１２〜図１４で説明された手順によって決定される。
【００３７】
３つの基準点または処置点の位置は、画像空間内の関連画素位置と比較される。印１６４の患者空間座標、または患者台の座標系における患者の処置先端が測定される。画素１６２からの同様の座標系が定義され、患者空間の座標系と比較される。画像空間の座標系と患者空間の座標系間の転移回転関係が決定される。図１５を参照すると、手術室空間内の患者位置（ｘ，ｙ，ｚ）、および画像空間内の関連位置（ｘ1，ｙ1，ｚ1）が決定される。つまり、２つの座標系が明示   される。転移手段は、まず、データおよび患者空間内の３つの基準点または処置先端の座標によってそれぞれ決定された三角形の共通重心１６６、１６８間のオフセットｘoffset，ｙoffset，ｚoffsetを決定する。これにより、２つの座標系間のｘ、ｙおよびｚ方向における転移またはオフセットが提供される。ｘoffset、ｙoffsetおよびｚoffsetの値は、患者空間座標および画像空間座標間の転移のために、それぞれに加算または減算される。
【００３８】
しかしながら、図１６において、２つの座標系の原点を転移して整列させることが完全な修正ではない。むしろ、座標系は原点を共通重心にもつ３つの軸全てについて、通常互いに関連し合って回転される。図１６、図１７および図１８に示されるように、（ｙ，ｘ）、（ｘ，ｚ）および（ｘ，ｙ）平面における回転角が決定される。これらの決定が済めば、患者台空間座標の画像空間座標への変換、また逆に、画像空間座標の患者台空間座標への回転は簡単である。棒調整手段１３０は、転換手段１６０を介して平面選択手段２４およびビデオ・プロセッサ２８のうちの１つと接続され、印、すなわち十字線を棒先端の座標でモニタ３０に表示させる。これにより、外科医は画像を使用して患者の上に、または切り口内に特定点を調整することができる。
【００３９】
【発明の効果】
画像と患者空間を整列させると、棒および器具ガイドを使用して、外科器具が患者に適用される入口座標および軌道を確認することができる。例えば、外科医は結合された棒と器具ガイドを使用して、脊髄スクリュ配置用の孔を開けるために外科ドリルを当てる脊柱上の軌道および座標を確認できる。外科医は、結合された棒とドリルガイドを片手に持ち、棒先端により選択されたモニタ上の画像を見ながらこれを露出した椎骨のまわりで動かす。画像は椎骨の横断面図を提供し、外科医はドリルを当てる角度および深度をより精密に計ることができる。ドリルを適用する座標および軌道が一度確認されると、外科医は器具ガイドを保持したまま棒を取り除くことができる。器具ガイドには柄が付いているため、脊柱が患者の呼吸によって動いたとしても、外科医は器具ガイドをそのままの状態に保つことができる。つまり、脊柱が動いたとしても、外科医は簡単に器具ガイドの口径を確認された軌道に保持することができるのである。ガイドが適切に方向づけられると、外科医は脊髄スクリュ固定で必要な外科器具および先端を口径内に挿入する。この技術は、外科医が患者の解剖において自身の技術と知識に完全に頼っていた従来の方法に比べて優れており、またその結果、準最適結果も極めて少なくなる。
【００４０】
本発明は、外科手術の前計画においても有益である。例えば、外科医は手術前に器具が適用される最良の軌道および座標を決定するために、外科器具を挿入する身体部の画像を使用することができる。一度適切な軌道および座標が確認されると、コンピュータ・システムはこれらの画像をメモリに保存して、これを後に棒とドリルガイドにより生成される画像と比較される基準目標として使用することが可能である。特に、棒とドリルガイドにより生成される画像は、コンピュータが画像適合を確認するまで保存画像と比較することができる。コンピュータは一度適合を確認すると、信号を出力して外科医に器具ガイドが適切に位置づけられたことを知らせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本装置が展開される手術室の斜視図である。
【図２】図１の装置の画像データ操作のブロック図である。
【図３】本装置の一部を構成する棒とガイドのいろいろな実施例を示している。
【図４】本装置の一部を構成する棒とガイドのいろいろな実施例を示している。
【図５】本装置の一部を構成する棒とガイドのいろいろな実施例を示している。
【図６】本装置の一部を構成する棒とガイドのいろいろな実施例を示している。
【図７】本装置の一部を構成する棒とガイドのいろいろな実施例を示している。
【図８】本装置の一部を構成する棒とガイドのいろいろな実施例を示している。
【図９】本装置の一部を構成する棒とガイドのいろいろな実施例を示している。
【図１０】本装置のロケータ機構の詳細図である。
【図１１】本装置および方法において使用される１つの校正手順例の概略図である。
【図１２】棒とロケータ機構の関係を示す概略図である。
【図１３】棒とロケータ機構の関係を示す概略図である。
【図１４】棒位置づけ処理のフロー図である。
【図１５】本装置および方法において使用される座標転換を示している。
【図１６】本装置および方法において使用される座標転換を示している。
【図１７】本装置および方法において使用される座標転換を示している。
【図１８】本装置および方法において使用される座標転換を示している。
【符号の説明】
１０  被検体台
１２  フレーム
１４  受信機
１６  頭部クランプ
１８  操作卓
２０  コンピュータ・システム
２２  立体データ・メモリ
２４  平面選択手段
２６ａ〜ｄ  画像メモリ
２８  ビデオ・プロセッサ
３０  モニタ
４０  棒
４２  オフセット
４４  ポインタ
４６  指示軸
４８、５０  エミッタ
６０  ガイド
６２  柄
６４  管部材
６６、７６  口径
６８  器具ガイド近位端面
７０  棒ストッパ
７２  器具ガイド末端
７４  管状部
７８  レーザ
８０  溝付ガイド部材
８２  溝
８６  先端
９０  第１接続部
９２  第２接続部
９４  キー溝系
９６  短先端
９８  長先端
１００  管状ドリルガイド
１０２  アダプタ
１０４  超音波変換器
１０６  基準エミッタ
１１０  配置手段
１３０  棒調整手段
１４８  平均手段
１６０  変換手段
１６２  画素
１６４  印点
１６６、１６８  共通重心
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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