(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の患部の位置と位置的相関のある第１の指標と、
前記患部を観察する観察装置の光学系の位置と位置的相関のある第２の指標と、
前記第１の指標と前記第２の指標の各々を撮影する撮影手段と、
この撮影手段の撮影結果より、前記患部の位置と前記観察装置の光学系の位置との三次元空間における初期の位置的相関を算出する演算手段と、
前記三次元空間における前記観察装置の光学系の位置に対する前記第２の指標の座標を変更させる変更手段と、
この変更手段が変更させた値を計測する変位計測手段を備え、この変更計測手段が計測した変更量を基に前記患部の位置と前記観察装置の光学系の位置との三次元空間における位置的相関を前記演算手段によって再計算させて算出させる手段と
を具備したことを特徴とする医療用ナビゲーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モニタ画面上に例えば硬性鏡等の手術機器が配置されている患者の患部の３次元画像とともに、術部に対する手術用顕微鏡などの観察装置の光学系の焦点位置が重像されて表示される医療用ナビゲーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、患者の患部の処置を行う手術中に、手術用顕微鏡を用いて微細な手術を行なうことが従来から行なわれている。この種の手術用顕微鏡として例えば特願平１０−３１９１９０号に示されているものがある。ここでは、術部に対する手術用顕微鏡の位置を示す指標となる信号手段と、この信号手段の指標を検出するデジタイザーとを備え、術部に対する手術用顕微鏡の３次元位置を検出する第１の検出手段と、手術用顕微鏡に対する硬性鏡等の手術機器の３次元位置を検出する第２の検出手段（エンコーダあるいはＣＣＤカメラ等）とが設けられている。
【０００３】
そして、手術中に、これらの第１、第２の検出手段の検出結果に基づき術部に対する硬性鏡等の手術機器の３次元位置を演算し、モニタ画面上に硬性鏡等の手術機器が配置されている患者の患部の３次元画像とともに、術部に対する手術用顕微鏡などの観察装置の光学系の焦点位置が重像されて表示される構成にしたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来構成の手術用顕微鏡ではこの手術用顕微鏡に設けた信号手段の指標とデジタイザーとの間が術者の体等で遮られてしまった場合には、術部に対する手術用顕微鏡の３次元位置の検出が不能となる。そのため、手術中の術者の動きなどによってモニタ画面上の表示が遮断されるおそれがあるので、術者の動きが制限されたり、手術が中断されるおそれがある。
【０００５】
本発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的は、手術中の術者の動きなどによって手術用顕微鏡の位置検出が不能になるおそれがなく、術者の動きが制限されたり、手術が中断されることを防止して安定した手術を行うことができる医療用ナビゲーション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】
本発明は、患者の患部の位置と位置的相関のある第１の指標と、
前記患部を観察する観察装置の光学系の位置と位置的相関のある第２の指標と、
前記第１の指標と前記第２の指標の各々を撮影する撮影手段と、
この撮影手段の撮影結果より、前記患部の位置と前記観察装置の光学系の位置との三次元空間における初期の位置的相関を算出する演算手段と、
前記三次元空間における前記観察装置の光学系の位置に対する前記第２の指標の座標を変更させる変更手段と、
この変更手段が変更させた値を計測する変位計測手段を備え、この変更計測手段が計測した変更量を基に前記患部の位置と前記観察装置の光学系の位置との三次元空間における位置的相関を前記演算手段によって再計算させて算出させる手段と
を具備したことを特徴とする医療用ナビゲーションシステムである。
【０００７】
そして、本発明では、患者の患部の位置と位置的相関のある第１の指標と、患部を観察する観察装置の光学系の位置と位置的相関のある第２の指標とが撮影手段によって撮影され、この撮影手段の撮影結果より、演算手段によって患部の位置と観察装置の光学系の位置との三次元空間における初期の位置的相関が算出される。さらに、撮影手段と観察点検出用の第２の指標との間が遮られた場合には、変更手段により三次元空間における観察装置の光学系の位置に対する第２の指標の座標を変更させる。これにより、第２の指標が遮られない位置に移動し、その移動量に基いて演算手段によって新しい観察点の位置を求めることにより、常に観察装置の光学系の位置を正しく検出できるようにしたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図１乃至図５を参照して説明する。図１は本実施の形態の医療用ナビゲーションシステム全体の概略構成を示すものである。図１中で、１は手術室に設置されている手術用顕微鏡（観察装置）、４０は患者３４が載せられている手術用ベッドである。ここで、手術用顕微鏡１の架台２には、床面を移動可能なベース３と、このベース３上に立設された支柱４とが設けられている。なお、手術用顕微鏡１の架台２は手術室内における手術用ベッド４０の先端部側（例えばベッド４０上の患者３４の頭部が配置される側）に配置されている。
【０００９】
さらに、支柱４の上部には、手術用顕微鏡１の鏡体８を任意の方向に移動可能に支持する支持機構４１が設けられている。この支持機構４１には第１アーム５と、第２アーム６と、第３アーム７とが設けられている。ここで、第１アーム５には図示しない照明用光源が内蔵されている。そして、この第１アーム５の一端部は支柱４の上部に略鉛直方向の軸Ｏ１  を中心に回転自在に取付けられている。
【００１０】
さらに、第１アーム５の他端部には、第２アーム６の一端部が略鉛直方向の軸Ｏ２  を中心に回転自在に取付けられている。この第２アーム６はリンク機構とバランス調整用のスプリング部材とからなるパンタグラフアームによって形成され、上下方向に移動操作可能になっている。
【００１１】
また、第２アーム６の他端部には、第３アーム７の一端が略鉛直方向の軸Ｏ３  を中心に回転自在に取付けられている。この第３アーム７の他端には手術用顕微鏡１の鏡体８が設けられている。さらに、この第３アーム７は、略水平面上で、互いに直交する方向の２つの軸Ｏ４  ，Ｏ５  を中心としてそれぞれ回転自在に支持されている。そして、鏡体８はこの第３アーム７によって軸Ｏ４  を中心として術者の観察方向に対する前後方向の俯仰を可能に、かつ軸Ｏ５  を中心として術者の左右方向の俯仰を可能にそれぞれ支持されている。
【００１２】
また、支持機構４１の各回転軸Ｏ１  〜Ｏ５  における軸受部には図示しない電磁ブレーキが各々設けられている。この電磁ブレーキは支柱４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ている。さらに、この電磁ブレーキ電源回路は、図２に示すように鏡体８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。
【００１３】
そして、スイッチ１０によって各回転軸Ｏ１  〜Ｏ５  の電磁ブレーキがオンオフ操作されるようになっている。ここで、スイッチ１０が例えばオン操作された場合には各回転軸Ｏ１  〜Ｏ５  の電磁ブレーキがオフ操作されることにより、支持機構４１がロック解除状態で保持され、鏡体８が空間的に自由に位置調整を行うことができるようになっている。そして、スイッチ１０がオフ操作された場合には各回転軸Ｏ１  〜Ｏ５  の電磁ブレーキがオン操作されて支持機構４１がロック状態に切換えられ、鏡体８の位置固定が行われるようになっている。
【００１４】
また、図３は手術用顕微鏡１の鏡体８の概略構成を示すものである。この鏡体８には、１つの対物レンズ１１と、左右一対の観察光学系１４Ａ，１４Ｂとが設けられている。ここで、左右の各観察光学系１４Ａ，１４Ｂの観察光軸上には左右の変倍光学系１２ａ，１２ｂと、左右の結像レンズ１３ａ，１３ｂと、左右の接眼レンズ１４ａ，１４ｂとが順に配置されている。そして、この左右一対の観察光学系１４Ａ，１４Ｂによって立体観察光学系が構成されている。
【００１５】
また、結像レンズ１３ａ，１３ｂによる結像面は、それぞれ接眼レンズ１４ａ，１４ｂの焦点位置に配置されるように設置されている。なお、図２中の１５は鏡体８の立体観察光学系の焦点位置、図３中の１６は対物レンズ１１のレンズ位置を検出する位置センサーをそれぞれ示すものである。ここで、対物レンズ１１は図示しないモーターと連結されて光軸方向に移動可能に支持されている。そして、この対物レンズ１１の光軸方向のレンズ位置が位置センサー１６により検出できるように構成されている。
【００１６】
また、鏡体８上には、図１に示すように信号板ユニット１７が固定されている。図４はこの信号板ユニット１７の詳細図である。この信号板ユニット１７には信号板１８と、この信号板１８を変位自在に支持する変更手段としての多関節の支持アーム４２とが設けられている。ここで、信号板１８には後述するデジタイザ２９が鏡体８の３次元座標を検出するために手術用顕微鏡１の鏡体８の光学系の位置と位置的相関のある第２の指標としての複数、本実施の形態では３つのＬＥＤ１９ａ、１９ｂ、１９ｃが一体的に固定されている。これらのＬＥＤ１９ａ、１９ｂ、１９ｃはそれぞれ、図１のＬＥＤ制御装置２０と接続されている。さらに、このＬＥＤ制御装置２０は演算手段にあたるワークステーション２１と接続されている。
【００１７】
また、信号板１８の支持アーム４２は、第１アーム２２、第２アーム２３、第３アーム２４、第４アーム２５及び回動可能な関節２６ａ〜２６ｄより構成されている。そして、信号板１８は第４アーム２５の先端部に固定されている。
【００１８】
ここで、第１アーム２２の下端部は鏡体８に略鉛直方向の軸Ｓ１を回転軸とする間節２６ａを介して連結されている。また、第１アーム２２の上端部は第２アーム２３の下端部に略水平方向の軸Ｓ２を回転軸とする関節２６ｂを介して連結されている。また、第２アーム２３の上端部は第３アーム２４の下端部に略水平方向の軸Ｓ３を回転軸とする関節２６ｃを介して連結されている。また、第３アーム２４の上端部は第４アーム２５の基端部に略水平方向の軸Ｓ４を回転軸とする関節２６ｄを介して連結されている。
【００１９】
さらに、各関節２６ａ〜２６ｄは、図４で示される変更計測手段としてのエンコーダー２７ａ〜２７ｄと、モータ２８ａ〜２８ｄとをそれぞれ有している。ここで、エンコーダ２７ａ〜２７ｄはワークステーション２１と接続されている。また、モータ２８ａ〜２８ｄは支柱４の内部に設けられた図示しないモータ駆動手段と接続されている。このモータ駆動手段はワークステーション２１と接続されている。
【００２０】
また、２９は信号板１８上のＬＥＤ１９ａ、１９ｂ、１９ｃ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。このデジタイザ２９は撮影手段にあたる２台のＣＣＤカメラ３０ａ、３０ｂと、これらのＣＣＤカメラ３０ａ、３０ｂの位置を固定させているカメラ支持部材３１と、スタンド３２とにより構成されている。そして、このデジタイザ２９は手術室内における手術用ベッド４０の基端部側（例えばベッド４０上の患者３４の足元側が配置される側）に配置された状態で設置されている。
【００２１】
さらに、ＣＣＤカメラ３０ａ、３０ｂはそれぞれワークステーション２１と接続されている。このワークステーション２１は、内部に図示しないＡ／Ｄ変換器を備え、モニタ３３と接続されている。
【００２２】
また、ワークステーション２１には、術前においてあらかじめＣＴやＭＲＩといった図示しない画像診断装置による断層画像データ、及び断層画像データを加工し、３次元に再構築されたデータが記録されている。
【００２３】
図２において患者３４の頭部の所定の位置にはヘッドフレーム３５が固定され、その上は図示しない減菌ドレープで覆われている。そして、滅菌ドレープ上には、ヘッドフレーム３５に固定されたアーク部３６が設けられている。このアーク部３６には患者３４の患部の位置と位置的相関のある第１の指標としての３つのマーク部材３７ａ、３７ｂ、３７ｃが固定されている。Ｏｂ−Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂは第１の指標のマーク部材３７ａ、３７ｂ、３７ｃを基準に定義される生体座標系である。
【００２４】
また、図５はモニタ３３の画面上に表示される画像を示す。ここで、モニタ３３の画面上には患者３４の術前の断層画像に基づく３次元に再構築された術部３９の画像とともに、手術用顕微鏡１の焦点位置１５が表示されている。
【００２５】
次に、上記構成の作用について説明する。まず、本実施の形態の医療用ナビゲーションシステムを使用する手術前にあらかじめ撮影したＣＴ、ＭＲＩ装置などの断層画像を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。
【００２６】
また、手術を始めるにあたっては、ワークステーション２１内の断層画像データと術部３９の座標の相関をとるためマーク部材３７ａ、３７ｂ、３７ｃを用いてキャリブレーション（生体座標系Ｏｂ−Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂの記憶）を行う。
【００２７】
以上の作業によりワークステーション２１には生体座標系が記憶される。その後、術者３８は手術用顕微鏡１の鏡体８のグリップ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を解除し、鏡体８を移動して術部３９の観察部位に焦点位置１５を位置決めする。
【００２８】
手術用顕微鏡１による観察時には術部３９から発せられた光束は、鏡体８に入射する。このとき、対物レンズ１１から鏡体８へ入射した光束は、変倍光学系１２ａ、１２ｂ、結像レンズ１３ａ、１３ｂ、接眼レンズ１４ａ、１４ｂを透過して観察され、術者３８は術部３９を所望の倍率で観察する。なお、ここで、観察像の焦点位置が合わない時は、対物レンズ１１を図示しないモータにより駆動し、焦準を行う。
【００２９】
また、手術用顕微鏡１による観察中、デジタイザ２９は信号板ユニット１７のＬＥＤ１９ａ、１９ｂ、１９ｃを検出し、ワークステーション２１内の図示しない計測手段およびＡＤ変換器手段により信号処理されて、信号板ユニット１７の生体座標系における位置が算出される。ここで、信号板ユニット１７は所定の位置で鏡体８に連結しておりＬＥＤ１９ａ〜１９ｃの生体座標系における位置は既知であるため、生体座標系における鏡体８の座標および姿勢が算出される。
【００３０】
また、位置センサ１６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。この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８に対する焦点位置１５の相対位置が算出される。
【００３１】
続いて、鏡体８の生体座標系における位置及び姿勢と、鏡体８に対する焦点位置１５の相対位置から、生体座標系における焦点位置１５の位置が演算される。このとき、モニタ３３には画像上の生体座標系に３次元画像データと焦点位置１５が重像されて表示される。
【００３２】
次に、信号板１８が術者の体や器材などで遮られた場合の作用を説明する。手術用顕微鏡１による観察中、デジタイザ２９がＬＥＤ１９ａ、１９ｂ、１９ｃを検出できない時は、ワークステーション２１は支柱４内部に設けられた図示しないモータ駆動手段に対し制御信号を出す。
【００３３】
この制御信号を受けたモータ駆動手段は図４における信号板ユニット１７の支持アーム４２の関節２６ａ〜２６ｄに設けられたモータ２８ａ〜２８ｄに対し駆動信号をそれぞれ出力する。このとき、信号板１８はモータ２８ａ（軸Ｓ１）が駆動されることで旋回し、モータ２８ｂ（軸Ｓ２）とモータ２８ｃ（軸Ｓ３）が駆動されることで昇降し、モータ２８ｄ（軸Ｓ４）が駆動されることで傾斜する。
【００３４】
さらに、モータ駆動手段はこの信号板１８の旋回、昇降、傾斜という動作をそれぞれまたは複合して行うように各モータ２８ａ〜２８ｄを制御する。そして、デジタイザ２９が信号板１８のＬＥＤ１９ａ、１９ｂ、１９ｃの全てを同時に検出できる（術者や器材で遮られない）位置を見つけた時点でモータ２８ａ〜２８ｄの駆動を停止させる。この状態で、デジタイザ２９は、信号板１８のＬＥＤ１９ａ、１９ｂ、１９ｃの生体座標系における位置を検出する。
【００３５】
この状態のエンコーダ２７ａ〜２７ｄによる回転角は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では一般的に知られている数学的手法により鏡体８に連結した第１アーム２２に対する第２アーム２３の位置、第２アーム２３に対する第３アーム２４の位置、第３アームに対する第４アーム２５の位置、第５アームに対する信号板１８およびＬＥＤ１９ａ〜１９ｃの位置が順次計算される。
【００３６】
そして、この結果が、図５に示すように３次元画像データによる術部３９の画像に焦点位置１５が重像された状態でモニタ３５上に表示され、術者３８は３次元画像データによる術部３９の画像上において顕微鏡１の観察位置を知ることができる。
【００３７】
そこで、上記構成のものにあっては次の効果を奏する。すなわち、本実施の形態では手術中において、手術用顕微鏡１の鏡体８を動かすことでデジタイザ２９のＣＣＤカメラ３０ａ、３０ｂに対し観察点検出用のアーク部３６のマーク部材３７ａ、３７ｂ、３７ｃが動いたり、またＣＣＤカメラ３０ａ、３０ｂと観察点検出用のアーク部３６のマーク部材３７ａ、３７ｂ、３７ｃの間が障害物で遮られても、支持アーム４２が信号板１８のＬＥＤ１９ａ、１９ｂ、１９ｃをＣＣＤカメラ３０ａ、３０ｂで撮影可能な位置に変更し、その変更量を基に手術用顕微鏡１の鏡体８の位置が求められるので、常に手術用顕微鏡１の鏡体８の位置を検出することができ、安全な手術が行える。さらに、本実施の形態では信号板ユニット１７の可動範囲が広く、広範囲をカバーできる効果がある。
【００３８】
なお、本実施の形態では信号板ユニット１７を鏡体８上に設けたがこれに限らず、鏡体８の焦点位置と位置的相関がとれる場所であれば何処でも良い。さらに、回転軸Ｏ１  〜Ｏ５  に回転角検出手段を設けることで信号板ユニット１７を手術用顕微鏡１における鏡体８の支持機構４１の第１アーム５、第２アーム６、第３アーム７上に設けても良い。
【００３９】
また、信号板ユニット１７の構成も、本実施の形態の４関節の構造に限らず、少なくとも旋回、昇降、傾斜のいずれか、またはその組合せが実現できるものであれば何でも良い。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施の形態について図６を参照して説明する。第１の実施の形態（図１乃至図５参照）では信号板ユニット１７の信号板１８が固定された支持アーム４２の旋回・昇降・傾斜動作を順次行い、デジタイザ２９が検出できる位置を闇雲に探していたのに対し、本実施の形態ではデジタイザ２９に対する信号板１８の移動情報の検出手段を付加し、信号板１８がデジタイザ２９によって検出不能となった際に信号板１８の移動情報の検出手段からの検出結果に基いて信号板１８の検出の可能性が高い方向に支持アーム４２を移動させることで迅速に信号板１８が検出可能な位置を見つけるように構成したものである。なお、これ以外の構成は第１の実施の形態と同じであり、第１の実施の形態と同じ構成の部分については第１の実施の形態と同一符号を付してその説明を省略する。
【００４１】
図６は本実施の形態の医療用ナビゲーションシステムにおけるワークステーション１００の制御ブロック図である。このワークステーション１００内には、撮影手段としてのデジタイザ２９や、変更計測手段としてのエンコーダ２７ａ〜２７ｄからの出力信号を受ける計測部１０１と、Ａ／Ｄ変換手段１０２と、第２の指標が撮影可否であるかに加えその移動方向を検出する移動情報検出部１０３と、演算部１０４と、モニター表示部１０５と、データベース部１０６と、モータ制御部１０７とが設けられている。
【００４２】
次に、上記構成の作用について説明する。本実施の形態ではデジタイザ２９と顕微鏡１の鏡体８を手術に適切な位置に配置した後、第１の実施の形態と同様に、キャリブレーションを行う。これにより生体座標系Ｏｂ−Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂが記憶される。
【００４３】
この状態で、信号板ユニット１７の各モータ２８ａ〜２８ｄの回転動作と、デジタイザ２９上に撮影される信号板１８の３つのＬＥＤ１９ａ、１９ｂ、１９ｃの移動方向との対応をとる初期調整動作の制御が行われる。このとき、モータ制御部１０７は図示しないモータ駆動手段を制御して信号板１８の旋回、昇降、傾斜という一連の動作を所定の回数行い、それをデジタイザ２９が撮影し、その検出情報はデータベース部１０６に記憶される。この初期調整動作はキヤリブレーション後に１回だけ行われる。
【００４４】
また、手術中、鏡体８を動かす等でデジタイザ２９によって信号板１８が検出できなくなった場合の作用を説明する。ここで、手術中、移動情報検出部１０３は、デジタイザ２９に撮影される信号板１８の撮影の可否に加え、その動き方向を検出している。
【００４５】
そして、信号板１８がデジタイザ２９によって検出不可となった場合は、移動情報検出部１０３は検出不可になる直前の信号板１８の移動方向を調べる。続いて、信号板１８を逆の方向に動かすために、信号板ユニット１７のモータ２８ａ〜２８ｄのうちのどのモータをどの方向に回転させれば良いかをデータベース１０６を参照して割り出し、モータ制御手段１０７がモータ駆動手段を駆動する。ここで、鏡体８が動いてもそれを相殺する方向に支持アーム４２が動き、デジタイザ２９で信号板１８が検出される位置まで移動される。
【００４６】
そこで、本実施の形態では第１の実施の形態と同様の効果が得られることに加え、本実施の形態では特に、デジタイザ２９が信号板１８を検出不能になった際に短い時間で再検出できるので、より迅速で安全な手術が行える効果がある。
【００４７】
なお、本実施の形態では信号板ユニット１７の各モータ２８ａ〜２８ｄの回転動作と、デジタイザ２９上に撮影される信号板１８の３つのＬＥＤ１９ａ、１９ｂ、１９ｃの移動方向との対応をとる初期調整動作の制御をキャリブレーション後に１回だけ行う構成としたが、これに限らず一定時間毎に初期調整動作の対応制御を行うことで対応の誤差を小さくする構成にしても良い。
【００４８】
また、図７乃至図９は本発明の第３の実施の形態を示すものである。本実施の形態は第１の実施の形態（図１乃至図５参照）の医療用ナビゲーションシステムの構成を次の通り変更したものである。
【００４９】
すなわち、第１の実施の形態では信号板ユニット１７が多関節の支持アーム４２を備えていたのに対し、本実施の形態では可動部のない四角錐形のユニット本体５１を設け、このユニット本体５１の四角錐の各面に第２の指標としてのＬＥＤ５２をそれぞれ３個づつ設けて信号板ユニット１７を構成したものである。なお、これ以外の構成は第１の実施の形態と同じであり、第１の実施の形態と同じ構成の部分については第１の実施の形態と同一符号を付してその説明を省略する。
【００５０】
ここで、本実施の形態の手術用顕微鏡１の鏡体８の所定位置には信号板ユニット１７における四角錐形状のユニット本体５１の底面が固定されている。なお、図８は信号板ユニット１７の四角錐形状のユニット本体５１の上面図であり、図９はその側面図である。
【００５１】
図８において、信号板ユニット１７の四角錐形状のユニット本体５１では、四角錐の４面、すなわちＡ面５３、Ｂ面５４、Ｃ面５５、Ｄ面５６によって第２の指標取付け面が構成されている。ここで、Ａ面５３には３つのＬＥＤ５２ａ１、５２ａ２、５２ａ３が固定されている。同様に、Ｂ面５４には３つのＬＥＤ５２ｂ１、５２ｂ２、５２ｂ３が、Ｃ面５５には３つのＬＥＤ５２ｃ１、５２ｃ２、５２ｃ３が、Ｄ面５６には３つのＬＥＤ５２ｄ１、５２ｄ２、５２ｄ３がそれぞれ固定されている。
【００５２】
これらのＬＥＤ５２は図７の時分割点灯手段としてのＬＥＤ制御装置５７と接続されている。このＬＥＤ制御装置５７はワークステーション２１に接続されている。
【００５３】
次に、上記構成の作用について説明する。本実施の形態ではデジタイザ２９が信号板ユニット１７の四角錐形状のユニット本体５１の各面に設けられた３つのＬＥＤ５２の信号を検出できない場合には、ワークステーション２１はＬＥＤ制御装置５７にＬＥＤ計測不能の信号を出す。
【００５４】
これを受けたＬＥＤ制御装置５７は信号板ユニット１７のＡ面５３〜Ｄ面５６に設けられたＬＥＤ５２を時分割で順次点灯させる。たとえば、０．５秒間隔でＡ面５３、Ｂ面５４、Ｃ面５５、Ｄ面５６の順にＬＥＤ５２が順次点灯される。ここで、各面のＬＥＤ５２の点灯の同期信号は計測装置であるワークステーション２１に戻されることで、ワークステーション２１は現在点灯中のＬＥＤ５２がＡ面〜Ｄ面のどの面であるかを判別する。
【００５５】
そして、３つのＬＥＤ５２の全てが検出できる面が基準面として選択される。例えば、Ｄ面５６のＬＥＤ５２ｄ１、５２ｄ２、５２ｄ３が検出された場合にはワークステーション２１は同期信号よりＤ面５６のＬＥＤ５２ｄ１、５２ｄ２、５２ｄ３が点灯している状態を検出する。ここで、ワークステーション２１はＬＥＤ制御装置５７に対しＬＥＤ５２の時分割点灯を止め、Ｄ面５６のＬＥＤ５２ｄ１、５２ｄ２、５２ｄ３のみ点灯させるように制御する。この状態で、Ｄ面５６のＬＥＤ５２ｄ１、５２ｄ２、５２ｄ３の生体座標系における位置が検出される。
【００５６】
ここで、信号板ユニット１７は所定の位置で鏡体８に固定されているので、Ｄ面５６のＬＥＤ５２ｄ１、５２ｄ２、５２ｄ３と鏡体８の相対位置も既知である。これと先のＤ面５６のＬＥＤ５２ｄ１、５２ｄ２、５２ｄ３の生体座標系における位置が明確になることで、鏡体８の生体座標系における座標および姿勢が算出される。後は、第１の実施の形態と同様である。
【００５７】
そこで、上記構成のものにあっては次の効果を奏する。すなわち、本実施の形態では可動部のない四角錐形のユニット本体５１を設け、このユニット本体５１の四角錐の各面に第２の指標としてのＬＥＤ５２をそれぞれ３個づつ設けて信号板ユニット１７を構成したので、信号板ユニット１７に可動部が無く、構造を簡略化できる。そのため、手術用顕微鏡１の鏡体８を小型軽量にできる効果がある。
【００５８】
なお、本実施の形態では信号板ユニット１７を四角錐形状のユニット本体５１によって構成したがこれに限らず三角錐形状にしても良い。さらに、ＬＥＤ５２が設置できる複数の面があれば角錐に限らず他の形状でも良い。
【００５９】
また、図１０は本発明の第４の実施の形態を示すものである。本実施の形態は第３の実施の形態（図７乃至図９参照）の医療用ナビゲーションシステムの構成を次の通り変更したものである。
【００６０】
すなわち、本実施の形態では第３の実施の形態の四角錐形のユニット本体５１を備えた信号板ユニット１７を複数設けたものである。なお、これ以外の部分の構成は第３の実施の形態と同じであり、第３の実施の形態と同じ構成の部分については第３の実施の形態と同一符号を付してその説明を省略する。
【００６１】
図１０に示すように本実施の形態の手術用顕微鏡１の鏡体８の上面には第１の信号板ユニット１７Ａが、右面には第２の信号板ユニット１７Ｂが、左面には第３の信号板ユニット１７Ｃがそれぞれ固定されている。
【００６２】
これらの信号板ユニット１７Ａ〜１７Ｃは第３の実施の形態の信号板ユニット１７の四角錐形状のユニット本体５１と同様で四角錐形状のユニット本体５１が設けられている。そして、このユニット本体５１の底面が手術用顕微鏡１の鏡体８に固定され、残りの４面（Ａ面５３〜Ｄ面５６）には各３つのＬＥＤ５２が固定されている。
【００６３】
これらのＬＥＤ５２は時分割点灯手段としてのＬＥＤ制御装置５７と接続されている。さらに、このＬＥＤ制御装置５７はワークステーション２１に接続されている。
【００６４】
次に、上記構成の作用について説明する。本実施の形態ではデジタイザ２９が３つの信号板ユニット１７Ａ〜１７Ｃの各面に設けられた３つのＬＥＤ５２の信号を検出できない場合には、ワークステーション２１はＬＥＤ制御装置５７にＬＥＤ計測不能の信号を出す。
【００６５】
これを受けたＬＥＤ制御装置５７は各信号板ユニット１７Ａ〜１７Ｃの各面に設けられたＬＥＤ５２を時分割で順次点灯させる。例えば、０．５秒間隔で以下の順で順次点灯される。すなわち、第１の信号板ユニット１７ＡのＡ面、同Ｂ面、同Ｃ面、同Ｄ面、第２の信号板ユニット１７ＢのＡ面、同Ｂ面、同Ｃ面、同Ｄ面、第３の信号板ユニット１７ＣのＡ面、同Ｂ面、同Ｃ面、同Ｄ面の順で順次点灯される。
【００６６】
このとき、各面のＬＥＤ５２の点灯の同期信号はワークステーション２１に戻されることで、ワークステーション２１は現在点灯中のＬＥＤ５２がどの信号板ユニットの何面であるかを判別する。そして、３つのＬＥＤ５２の全てが検出できる面が基準面として選択される。ここで、例えば第１の信号板ユニット１７ＡのＤ面のみが３つのＬＥＤ５２の全てが検出できた場合にはワークステーション２１はＬＥＤ制御装置５７に対し、第１の信号板ユニット１７ＡのＤ面のみを点灯させるように制御する。
【００６７】
この状態で第１の信号板ユニット１７ＡのＤ面の生体座標系における位置が検出される。そして、ワークステーション２１は数学的手法により第１の信号板ユニット１７Ａに対する鏡体８の相対位置を算出する。これにより、先に求めた第１の信号板ユニット１７ＡのＤ面の生体座標系における位置と合わせ、鏡体８の生体座標系における位置および姿勢が検出される。後は、第１の実施の形態と同様である。
【００６８】
そこで、上記構成のものにあっては第３実施の形態と同様の効果が得られることに加え、本実施の形態では特に、信号板ユニットが複数あるので、より広範囲をカバーできる。
【００６９】
また、広範囲をカバーする上で大きな信号板を用いずに小さな信号板ユニットを複数配置しているので、デッドスペースを取らず、空きスペースを有効利用でき、小型軽量化できる効果がある。
【００７０】
なお、本実施の形態では３つの信号板ユニット１７Ａ〜１７Ｃで構成したがこれに限らず２つの信号板ユニットでも、あるいは４つ以上の信号板ユニットでも良い。
【００７１】
さらに、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施できることは勿論である。
次に、本出願の他の特徴的な技術事項を下記の通り付記する。
記
（付記項１）  患部と位置的相関のある第１の指標と、観察装置の光学系と位置的相関のある第２の指標と、前記第１の指標と前記第２の指標の各々を撮影する撮影手段と、前記撮影手段の撮影結果より、前記患部と前記観察装置の光学系との三次元空間における位置的相関を算出する演算手段よりなる光学式ナビゲーションシステムにおいて、
前記第２の指標を前記観察装置の光学系に対し三次元空間における座標を変更させる変更手段と、前記変更手段が変更させた値を計測する変位計測手段を備えるとともに、前記演算手段が前記変更計測手段が測定した変更量を基に前記患部と前記観察装置の光学系との三次元空間における位置的相関を算出することを特徴とする光学式ナビゲーションシステム。
【００７２】
（付記項２）  前記変更手段が、前記第２の指標を前記三次元空間内で変位させる変位手段であることを特徴とする付記項１記載の光学式ナビゲーションシステム。
【００７３】
（付記項３）  前記変更手段が、複数の面を備えた多面体の面に設けられた複数組の第２の指標と、前記第２の指標を時分割で点灯させる時分割点灯手段でより構成され、前記変更計測手段が前記時分割点灯手段の時分割情報を計測することを特徴とする付記項１記載の光学式ナビゲーションシステム。
【００７４】
（付記項４）  前記撮影手段が前記計測手段を撮影不可な条件下で前記変更手段を駆動し、撮影可能箇所を検出する条件制御部を備えたことを特徴とする付記項２、３記載の光学式ナビゲーションシステム。
【００７５】
（付記項５）  前記第２の指標の移動方向を検出する移動情報検出部を備え、前記条件制御部が前記移動情報検出部の移動情報を基に撮影可能箇所を検出することを特徴とする付記項４記載の光学式ナビゲーションシステム。
【００７６】
（付記項６）  前記変位手段が、複数のアームと関節より構成される保持手段であり、前記関節近傍に前記変更計測手段が設けられていることを特徴とする付記項１、２、４、５記載の光学式ナビゲーションシステム。
【００７７】
（付記項７）  前記保持手段がモータ駆動であることを特徴とする付記項４、５記載の光学式ナビゲーションシステム。
【００７８】
（付記項８）  前記関節変更計測手段がエンコーダであることを特徴とする付記項４、５記載の光学式ナビゲーションシステム。
【００７９】
（付記項９）  前記変位手段が複数設けられていることを特徴とする付記項１〜８記載の光学式ナビゲーションシステム。
【００８０】
（付記項１〜９の従来技術）  従来技術としては、特願平１０−３１９１９０号がある。これは、光学式ナビゲーションシステム等に応用可能な技術である。術部に対する手術用顕微鏡の３次元位置を第１の検出手段（信号手段とデジタイザー）が検出し、手術用顕微鏡に対する硬性鏡等の手術機器の３次元位置を第２の検出手段（エンコーダあるいはＣＣＤカメラ等）が検出し、前記第１、第２の検出手段の検出結果に基づき術部に対する硬性鏡等の手術機器の３次元位置を演算可能に構成したものである。手術機器がデジタイザーから遮られた状態でも、術部に対する位置が把握できることで、円滑に手術が行えるという内容である。
【００８１】
（付記項１〜９が解決しようとする課題）  特願平１０−３１９１９０号は術部に対し手術用顕微鏡の３次元位置が第１の検出手段で確実に検出できるという前提に基づいた内容である。しかし、手術用顕微鏡に設けた信号手段とデジタイザーの間が術者の体等で遮られてしまった場合には、前提は崩れ、術部に対する手術用顕微鏡の位置検出が不能となるという問題があった。
【００８２】
（付記項１〜９の目的）  本発明の目的は、手術用顕微鏡に設けられた信号手段とデジタイザーの間が遮られることで位置検出不能になることなく、確実に位置検出を行える光学式ナビゲーションシステムを提供することにある。
【００８３】
（付記項１の課題を解決するための手段）  患部と位置的相関のある第１の指標と、観察装置の光学系と位置的相関のある第２の指標と、前記第１の指標と前記第２の指標の各々を撮影する撮影手段と、前記撮影手段の撮影結果より、前記患部と前記観察装置の光学系との三次元空間における位置的相関を算出する演算手段よりなる光学式ナビゲーションシステムにおいて、
前記第２の指標を前記観察装置の光学系に対し三次元空間における座標を変更させる変更手段と、前記変更手段が変更させた値を計測する変位計測手段を備えるとともに、前記演算手段が前記変更計測手段が測定した変更量を基に前記患部と前記観察装置の光学系との三次元空間における位置的相関を算出することを特徴とする光学式ナビゲーションシステム。
【００８４】
（付記項１〜９の作用）  撮影手段と観察点検出用の指標の間が遮られても、変更手段により前記指標が遮られない位置に移動し、その移動量から新しい観察点の位置が求められるので、常に観察装置の位置を検出することができ、安全な手術が行える。
【００８５】
（付記項１〜９の効果）  以上説明したように本発明によれば、手術中において、観察装置を動かすことで撮影手段に対し観察点検出用の指標が動いたり、また撮影手段と観察点検出用の指標の間が障害物で遮られても、変更手段が前記指標を撮影手段で撮影可能な位置に変更し、その変更量を基に位置が求められるので、常に観察装置の位置を検出することができ、安全な手術が行える。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によれば患者の患部の位置と位置的相関のある第１の指標と、患部を観察する観察装置の光学系の位置と位置的相関のある第２の指標の各々を撮影する撮影手段を設け、この撮影手段の撮影結果より、患部の位置と観察装置の光学系の位置との三次元空間における初期の位置的相関を算出し、撮影手段と観察点検出用の第２の指標との間が遮られた場合には、変更手段により三次元空間における観察装置の光学系の位置に対する第２の指標の座標を変更させ、ここで変更させた変更量を基に患部の位置と観察装置の光学系の位置との三次元空間における位置的相関を演算手段によって再計算させて算出させる手段を設けたので、手術中の術者の動きなどによって手術用顕微鏡の位置検出が不能になるおそれがなく、術者の動きが制限されたり、手術が中断されることを防止して安定した手術を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態の医療用ナビゲーションシステム全体の概略構成図。
【図２】  第１の実施の形態の医療用ナビゲーションシステムの要部の概略構成図。
【図３】  第１の実施の形態の医療用ナビゲーションシステムにおける手術用顕微鏡の鏡体の概略構成を示す縦断面図。
【図４】  第１の実施の形態の医療用ナビゲーションシステムにおける信号板と支持アームとを示す斜視図。
【図５】  第１の実施の形態の医療用ナビゲーションシステムにおけるモニタ画面上に表示される画像を説明するための説明図。
【図６】  本発明の第２の実施の形態を示す要部の概略構成図。
【図７】  本発明の第３の実施の形態の医療用ナビゲーションシステム全体の概略構成図。
【図８】  第３の実施の形態の医療用ナビゲーションシステムにおける信号板ユニットの平面図。
【図９】  第３の実施の形態の医療用ナビゲーションシステムにおける信号板ユニットの側面図。
【図１０】  本発明の第４の実施の形態の医療用ナビゲーションシステム全体の概略構成図。
【符号の説明】
１    手術用顕微鏡（観察装置）
８    鏡体
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ    ＬＥＤ（第２の指標）
２１    ワークステーション（演算手段）
３０ａ、３０ｂ    ＣＣＤカメラ（撮影手段）
３４    患者
３７ａ、３７ｂ、３７ｃ    マーク部材（第１の指標）
４２    支持アーム（変更手段）
【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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