(57)【要約】【課題】関節鏡手術において術前計画を手術中に再現することができる関節鏡手術ナビゲーションシステムを提供する。【解決手段】関節鏡３の内部変数及び外部変数と、予め計測して得た骨１の３次元骨モデル２の情報と、骨１と関節鏡３にそれぞれ設置した赤外線反射マーカー４，５の位置をトラッキングして得た骨１の位置、姿勢及び関節鏡３との位置関係の情報とに基づいて骨１の仮想鏡視画像を作成し、この仮想鏡視画像と実際の鏡視画像７とを重ね合わせてリアルタイム表示するように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節鏡の内部変数及び外部変数と、予め計測して得た対象物の３次元モデルの情報と、前記対象物と前記関節鏡にそれぞれ設置したマーカーの位置をトラッキングして得た前記対象物の位置、姿勢及び前記関節鏡との位置関係の情報とに基づいて前記対象物の仮想鏡視画像を作成し、この仮想鏡視画像と実際の鏡視画像とを重ね合わせてリアルタイム表示するように構成したことを特徴とする関節鏡手術ナビゲーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節鏡手術ナビゲーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
関節鏡は骨関節疾患を治療対象とする整形外科領域における内視鏡であり日本で開発された。従来、膝関節を中心に行われていたが、低侵襲手術（Minimum Invasive Surgery：ＭＩＳ）の考え方から普及が拡大し、現在膝関節のみならず肩関節、足関節、股関節、肘関節、手関節、指関節や、脊椎、アキレス腱など関節以外の神経や軟部組織の手術にも用いられている。特に、膝関節では、手術全体の６０％以上が関節鏡で行われている。
【０００３】
一方、近年、コンピュータを用いた各種のナビゲーション技術やロボット技術が整形外科手術にも導入され、人工関節手術や脊椎手術では３次元的な術前計画と手術中のナビゲーション利用による正確な手術手技が可能となっている。しかし、関節鏡手術はカメラを通して得られる画像を見て手術を行う特殊性から、一般的なナビゲーションで行う術中の形状と術前形状の重ね合わせ（レジストレーション）が応用できず、術前計画を手術中に再現することができない。そして、このことが現行の関節鏡手術のナビゲーションにおける大きな問題点となっている。
【０００４】
なお、非特許文献１には、膝関節手術におけるオーバーレイシステムが開示されているが、これは全体が直視できる形を、ハーフミラーを通して重ね合わせるものであり、関節鏡による画像を重ね合わせるものとはなっていない。
【非特許文献１】松居和広ほか：膝関節手術におけるＩｎｔｅｇｒａｌ  Ｖｉｄｅｏｇｒａｐｈｙ立体像オーバーレイシステム−立体像表示に関する評価−，第１４回日本コンピュータ外科学会大会・第１５回コンピュータ支援画像診断学会大会  合同論文集
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、関節鏡手術において術前計画を手術中に再現することができる関節鏡手術ナビゲーションシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の関節鏡手術ナビゲーションシステムは、関節鏡の内部変数及び外部変数と、予め計測して得た対象物の３次元モデルの情報と、前記対象物と前記関節鏡にそれぞれ設置したマーカーの位置をトラッキングして得た前記対象物の位置、姿勢及び前記関節鏡との位置関係の情報とに基づいて前記対象物の仮想鏡視画像を作成し、この仮想鏡視画像と実際の鏡視画像とを重ね合わせてリアルタイム表示するように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の関節鏡手術ナビゲーションシステムによれば、仮想鏡視画像と実際の鏡視画像とを重ね合わせてリアルタイム表示することにより、関節鏡手術において術前計画を正確かつ瞬時に再現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の関節鏡手術ナビゲーションシステムの一実施例について、添付した図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下の実施例により限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。
【実施例１】
【０００９】
本発明の関節鏡手術ナビゲーションシステムの一実施例の模式図である図１において、１は、対象物としての骨であり、本実施例においては大腿骨である。そして、骨１を予めＸ線ＣＴ（コンピュータ断層撮影）により撮影して得たデータにより３次元モデル化したものが、３次元骨モデル２である。３は、関節鏡であり、骨１と関節鏡３には、それぞれマーカーとして赤外線反射マーカー４，５が設置されている。赤外線反射マーカー４，５の位置は、モーションキャプチャカメラ６によりトラッキング、すなわち追尾されるようになっている。そして、図示しない演算手段により、関節鏡３の内部変数及び外部変数と、予め計測して得た骨１の３次元骨モデル２の情報と、骨１と関節鏡３にそれぞれ設置した赤外線反射マーカー４，５の位置をトラッキングして得た骨１の位置、姿勢及び関節鏡３との位置関係の情報とに基づいて骨１の仮想鏡視画像を作成し、この仮想鏡視画像と実際の鏡視画像７とを重ね合わせてリアルタイム表示、すなわちリアルタイムオーバーレイ表示するように構成されている。なお、演算手段は、パーソナルコンピュータにより構成することができる。
【００１０】
以下、本実施例の関節鏡手術ナビゲーションシステムの動作について説明する。
【００１１】
はじめに、関節鏡３のカメラを校正する。これにより、関節鏡３の内部変数（焦点距離、画像の歪み）と外部変数（ワールド座標系に対するカメラの位置及び姿勢）を推定することができる。実際に鋼球マーカーと３次元測定器を用いた基礎的実証実験を行ったところ、校正精度は０．２３±０．０２ｍｍであった。
【００１２】
つぎに、骨１をＸ線ＣＴにより撮影して３次元骨モデル２を作成する。３次元骨モデル２は、Ｘ線ＣＴの撮影データから専用ソフトウエアを用いて作成することができる。また、この３次元骨モデル２における解剖学的座標系は、３次元骨モデル２内の大腿骨頭、内側後顆、外側後顆をそれぞれ球近似し、その中心に基づいて座標原点と座標軸を設定することにより、決定することができる。
【００１３】
そして、３次元骨モデル２を用いて、病変部の正確な位置や大きさ、手術に用いる器具の至適設置や方向などの情報を集約して術前計画を立てるとともに、手術のシミュレーションを行う。
【００１４】
その後、骨１及び関節鏡３へそれぞれ赤外線反射マーカー４，５を設置し、この赤外線反射マーカー４，５の位置をモーションキャプチャカメラ６にて追尾させると同時に、リアルタイムに手術中の骨１の鏡視画像７と３次元骨モデル２とを重ね合わせる。
【００１５】
具体的には、赤外線反射マーカー４が固定された骨１を２方向透視Ｘ線撮影し、その仮想空間に３次元骨モデル２を呼び込み、２Ｄ／３Ｄレジストレーション法を用いて透視Ｘ線像に３次元骨モデル２の仮想投影像を重ね合わせる。これにより、仮想空間における３次元骨モデル２の位置及び姿勢が得られる。つぎに、同じ仮想空間における赤外線反射マーカー４の位置を投影像から推定し、その上にマーカー座標系を設定して、最終的に骨１の解剖学的座標系からマーカー座標系への座標変換を得る。同じく赤外線反射マーカー５を設置した関節鏡３をモーションキャプチャカメラ６にて追尾し、関節鏡３、大腿骨、脛骨の位置関係をマーカートラッキングにより随時計測し、実際の鏡視画像７と３次元骨モデル２の仮想鏡視像をリアルタイムに重ね合わせモニターに表示する。このレジストレーション精度を実証したところ、膝関節の回転要素（屈曲・伸展、内反・外反、内旋・外旋）で０．５度以下、並進要素（内外、前後、遠近方向）で０．５ｍｍ以下であった。
【００１６】
本実施例の関節鏡手術ナビゲーションシステムによれば、仮想鏡視画像と実際の鏡視画像７とを重ね合わせて高精度にリアルタイム表示できる。したがって、関節鏡手術において術前計画を正確かつ瞬時に再現することができ、その結果、手術時間を短縮でき、より良好な臨床成績を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の関節鏡手術ナビゲーションシステムの一実施例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  骨（対象物）
２  ３次元骨モデル（３次元モデル）
３  関節鏡
４，５  赤外線反射マーカー（マーカー）
７  鏡視画像
【図１】
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