(57)【要約】  開頭術のシミュレーションを行う際に、異常部位への経路を効率よく決定できるようにするべく、異常部位を含む被検体の脳の３次元画像において、前記異常部位から前記脳における脳溝(36)を通って、前記脳の表面に到達するまでの少なくとも１つの経路を導出する経路導出部(22)と前記３次元画像に含まれる前記被検体の頭部の表面上に、前記経路を辿るための開頭パターンを設定する開頭パターン設定部(22)とを備えるように構成した。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異常部位を含む被検体の脳の３次元画像において、前記異常部位から前記脳における脳溝を通って、前記脳の表面に到達するまでの少なくとも１つの経路を導出する経路導出部と、  前記３次元画像に含まれる前記被検体の頭部の表面上に、前記経路を辿るための開頭パターンを設定する開頭パターン設定部とを備えた開頭術シミュレーション装置。
【請求項２】
前記開頭パターン設定部は、複数の標準的な開頭パターンをそれぞれ表すテンプレートから、前記経路の脳の表面上における位置に応じて選択されたテンプレートに基づいて、前記開頭パターンを設定する請求項１に記載の開頭術シミュレーション装置。
【請求項３】
前記開頭パターン設定部は、前記選択されたテンプレートを、前記被検体の頭部の形状に応じて修正することにより、前記開頭パターンを設定する請求項２に記載の開頭術シミュレーション装置。
【請求項４】
前記経路導出部は、前記異常部位の位置から予め定められた範囲内にある少なくとも１つの脳溝を選択し、該選択された脳溝を通る前記経路を導出する請求項１から３のいずれか１項に記載の開頭術シミュレーション装置。
【請求項５】
前記経路導出部は、予め選択された脳溝以外の脳溝を通る前記経路を導出する請求項１から４のいずれか１項に記載の開頭術シミュレーション装置。
【請求項６】
前記経路導出部は、予め指定された臓器を回避する前記経路を導出する請求項１から５のいずれか１項に記載の開頭術シミュレーション装置。
【請求項７】
前記開頭パターンが設定された前記被検体の頭部の３次元画像を、シミュレーション画像として表示部に表示する表示制御部をさらに備えた請求項１から６のいずれか１項に記載の開頭術シミュレーション装置。
【請求項８】
前記表示制御部は、前記被検体の頭部の表面から、前記経路に沿って前記異常部位へ視点を移動させた前記シミュレーション画像を前記表示部に表示する請求項７に記載の開頭術シミュレーション装置。
【請求項９】
前記表示制御部は、前記経路が強調表示された前記シミュレーション画像を前記表示部に表示する請求項７または８に記載の開頭術シミュレーション装置。
【請求項１０】
前記経路導出部は、複数の前記経路を導出し、  前記開頭パターン設定部は、前記複数の経路のそれぞれについての前記開頭パターンを設定し、  前記表示制御部は、前記異常部位から脳溝までの距離に応じて前記複数の経路をソートして、該ソート結果を表示部に表示する請求項７から９のいずれか１項に記載の開頭術シミュレーション装置。
【請求項１１】
前記経路導出部は、複数の前記経路を導出し、  前記開頭パターン設定部は、前記複数の経路のそれぞれについての前記開頭パターンを設定し、  前記表示制御部は、前記異常部位から前記脳の表面までの距離に応じて前記複数の経路をソートして、該ソート結果を表示部に表示する請求項７から９のいずれか１項に記載の開頭術シミュレーション装置。
【請求項１２】
異常部位を含む被検体の脳の３次元画像において、前記異常部位から前記脳における脳溝を通って、前記脳の表面に到達するまでの少なくとも１つの経路を導出し、  前記３次元画像に含まれる前記被検体の頭部の表面上に、前記経路を辿るための開頭パターンを設定する開頭術シミュレーション方法。
【請求項１３】
異常部位を含む被検体の脳の３次元画像において、前記異常部位から前記脳における脳溝を通って、前記脳の表面に到達するまでの少なくとも１つの経路を導出する手順と、  前記３次元画像に含まれる前記被検体の頭部の表面上に、前記経路を辿るための開頭パターンを設定する手順とをコンピュータに実行させる開頭術シミュレーションプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本開示は、頭部の３次元画像を用いて脳の開頭術のシミュレーションを行う開頭術シミュレーション装置、方法およびプログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  近年、３次元医用画像を用いた手術シミュレーションが盛んに行われている。手術シミュレーションとは、医用画像において、手術対象となる組織、臓器およびその周辺構造を可視化し、実際の手術で行われる手技を術前にシミュレーションするものである。例えば、脳の腫瘍の切除の手術においては、脳を開く開頭術により腫瘍が切除される。開頭術のシミュレーションを行うためには、ＣＴ（Computed Tomography）画像あるいはＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）画像の３次元画像から、皮膚、頭蓋骨、脳、脳動脈、脳静脈、脳神経および腫瘍といった組織を抽出し、これらを可視化した３次元画像が生成される。そして、生成された３次元画像を用いて、皮膚切開、開頭および開頭した位置から腫瘍に至る経路をコンピュータで計算する等してシミュレーションが行われ、シミュレーションを参考に手術計画が立てられる。【０００３】  一方、開頭術を行うに際しては、手術後の美容の観点から、例えば目、鼻および口等の頭部の重要な臓器は切開しないような皮膚切開のパターンが採用される。一般的には、髪に隠れる位置が切開されるように、皮膚切開のパターンが決定される。また、切開位置から腫瘍等の異常部位に到達するためには、脳の一部を切開せざるを得ないが、脳を切開すると後遺症が発生する可能性がある。このため、脳溝をできる限り利用して開頭位置から異常部位に到達するための経路がシミュレーションされる。【０００４】  例えば、特許文献１には、３次元画像において特定した脳溝に沿って脳内にカニューレを挿入する際の、カニューレ挿入の軌道を求める手法が提案されている。また、特許文献２には、３次元画像に基づいて、組織にアプローチするための脳溝の目標位置および手術経路のシミュレーションを行う手法が提案されている。また、特許文献３には、脳の３次元画像から、てんかん焦点の位置情報、脳血管および脳溝の位置情報に基づいて、使用すべきでない脳溝を特定する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】【特許文献１】特表２０１７−５１４６３７号公報
【特許文献２】特表２０１６−５１７２８８号公報
【特許文献３】特開２０１３−１１１４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  上記特許文献１〜３に記載された手法においては、決定された皮膚の切開位置から異常部位に到達するためのシミュレーションが行われる。すなわち、決定した皮膚の切開位置において皮膚切開をし、次いで骨切開をし、脳溝を選択し、脳溝をかき分けて腫瘍に到達するというシミュレーションが行われる。しかしながら、シミュレーションにより求められた経路上に、脳神経および重要な血管が存在するような場合が生じる。また、シミュレーションされた経路が、手術を行う医師の希望にそぐわない場合もある。このような場合、皮膚の切開位置を変更する等してシミュレーションをやり直す必要がある。このため、特許文献１〜３に記載された手法では、異常部位への経路を効率よく決定することができない。【０００７】  本開示は上記事情に鑑みなされたものであり、開頭術のシミュレーションを行う際に、異常部位への経路を効率よく決定できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本開示による開頭術シミュレーション装置は、異常部位を含む被検体の脳の３次元画像において、異常部位から脳における脳溝を通って、脳の表面に到達するまでの少なくとも１つの経路を導出する経路導出部と、  ３次元画像に含まれる被検体の頭部の表面上に、経路を辿るための開頭パターンを設定する開頭パターン設定部とを備える。【０００９】  なお、本開示による開頭術シミュレーション装置においては、開頭パターン設定部は、複数の標準的な開頭パターンをそれぞれ表すテンプレートから、経路の脳の表面上における位置に応じて選択されたテンプレートに基づいて、開頭パターンを設定するものであってもよい。【００１０】  「開頭パターンを表すテンプレート」は、開頭術において使用される標準的な皮膚の切開の位置および形状、並びに骨の切開の位置および形状を標準的な頭部のモデルに対して重畳したものである。【００１１】  また、本開示による開頭術シミュレーション装置においては、開頭パターン設定部は、選択されたテンプレートを、被検体の頭部の形状に応じて修正することにより、開頭パターンを設定するものであってもよい。【００１２】  また、本開示による開頭術シミュレーション装置においては、経路導出部は、異常部位の位置から予め定められた範囲内にある少なくとも１つの脳溝を選択し、選択された脳溝を通る経路を導出するものであってもよい。【００１３】  また、本開示による開頭術シミュレーション装置においては、経路導出部は、予め選択された脳溝以外の脳溝を通る経路を導出するものであってもよい。【００１４】  また、本開示による開頭術シミュレーション装置においては、経路導出部は、予め指定された臓器を回避する経路を導出するものであってもよい。【００１５】  また、本開示による開頭術シミュレーション装置においては、開頭パターンが設定された被検体の頭部の３次元画像を、シミュレーション画像として表示部に表示する表示制御部をさらに備えるものであってもよい。【００１６】  また、本開示による開頭術シミュレーション装置においては、表示制御部は、被検体の頭部の表面から、経路に沿って異常部位へ視点を移動させたシミュレーション画像を表示部に表示するものであってもよい。【００１７】  また、本開示による開頭術シミュレーション装置においては、表示制御部は、経路が強調表示されたシミュレーション画像を表示部に表示するものであってもよい。【００１８】  また、本開示による開頭術シミュレーション装置においては、経路導出部は、複数の経路を導出し、  開頭パターン設定部は、複数の経路のそれぞれについての開頭パターンを設定し、  表示制御部は、異常部位から脳溝までの距離に応じて複数の経路をソートして、ソート結果を表示部に表示するものであってもよい。【００１９】  また、本開示による開頭術シミュレーション装置においては、経路導出部は、複数の経路を導出し、  開頭パターン設定部は、複数の経路のそれぞれについての開頭パターンを設定し、  表示制御部は、異常部位から脳の表面までの距離に応じて複数の経路をソートして、ソート結果を表示部に表示するものであってもよい。【００２０】  本開示による開頭術シミュレーション方法は、異常部位を含む被検体の脳の３次元画像において、異常部位から脳における脳溝を通って、脳の表面に到達するまでの少なくとも１つの経路を導出し、  ３次元画像に含まれる被検体の頭部の表面上に、経路を辿るための開頭パターンを設定する。【００２１】  なお、本開示による開頭術シミュレーション方法をコンピュータに実行させるためのプログラムとして提供してもよい。【００２２】  本開示による他の開頭術シミュレーション装置は、  コンピュータに実行させるための命令を記憶するメモリと、  記憶された命令を実行するよう構成されたプロセッサとを備え、プロセッサは、  異常部位を含む被検体の脳の３次元画像において、異常部位から脳における脳溝を通って、脳の表面に到達するまでの少なくとも１つの経路を導出し、  ３次元画像に含まれる被検体の頭部の表面上に、経路を辿るための開頭パターンを設定する処理を実行する。
【発明の効果】
【００２３】  本開示によれば、開頭術のシミュレーションを行う際に、異常部位への経路を効率よく決定できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】【図１】本開示の実施形態による開頭術シミュレーション装置を適用した、診断支援システムの概要を示すハードウェア構成図
【図２】本実施形態による開頭術シミュレーション装置の構成を示す概略ブロック図
【図３】頭部の３次元画像の例を示す図
【図４】３次元画像に含まれる脳を３次元座標上において示す図
【図５】脳溝を説明するための脳の断層画像を示す図
【図６】脳溝の選択を説明するための脳の断層画像を示す図
【図７】経路の導出を説明するための図
【図８】テンプレートの例を示す図
【図９】導出された経路の脳の表面上の位置を示す図
【図１０】位置合わせ後のテンプレートを被検体の頭部と重ね合わせた状態を示す図
【図１１】表示された被検体の頭部の３次元画像であるシミュレーション画像を示す図
【図１２】シミュレーション画像を示す図
【図１３】シミュレーション画像を示す図
【図１４】シミュレーション画像を示す図
【図１５】シミュレーション画像を示す図
【図１６】シミュレーション画像を示す図
【図１７】本実施形態において行われる処理を示すフローチャート
【図１８】脳溝の選択を説明するための脳の断層画像を示す図
【図１９】導出された経路の脳の表面上の位置を示す図
【図２０】ソート結果を含むシミュレーション画像を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２５】  以下、図面を参照して本開示の実施形態について説明する。図１は、本開示の実施形態による開頭術シミュレーション装置を適用した、診断支援システムの概要を示すハードウェア構成図である。図１に示すように、診断支援システムでは、本実施形態による開頭術シミュレーション装置１、３次元画像撮影装置２、および画像保管サーバ３が、ネットワーク４を経由して通信可能な状態で接続されている。
【００２６】  ３次元画像撮影装置２は、被検体の診断対象となる部位を撮影することにより、その部位を表す３次元画像を生成する装置であり、具体的には、ＣＴ装置、ＭＲＩ装置、およびＰＥＴ（Positron Emission Tomography）装置等である。３次元画像撮影装置２により生成された３次元画像は画像保管サーバ３に送信され、保存される。なお、本実施形態においては、被検体である患者の診断対象部位は脳であり、３次元画像撮影装置２はＭＲＩ装置であり、３次元画像撮影装置２において、被検体である患者の頭部のＭＲＩ画像が３次元画像として生成されるものとする。
【００２７】  画像保管サーバ３は、各種データを保存して管理するコンピュータであり、大容量外部記憶装置およびデータベース管理用ソフトウェアを備えている。画像保管サーバ３は、有線あるいは無線のネットワーク４を介して他の装置と通信を行い、画像データ等を送受信する。具体的には３次元画像撮影装置２で生成された３次元画像等の画像データを含む各種データをネットワーク経由で取得し、大容量外部記憶装置等の記録媒体に保存して管理する。なお、画像データの格納形式およびネットワーク４経由での各装置間の通信は、ＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and Communication in Medicine）等のプロトコルに基づいている。
【００２８】  なお、画像保管サーバ３に保存される３次元画像Ｇ０は、不図示の異常部位検出装置において、脳に含まれる腫瘍および動脈瘤等の異常部位の位置が特定されているものとする。異常部位の特定は、ディープラーニング等により学習がなされた判別器を用いたＣＡＤ（Computer-Aided Diagnosis）により行えばよいが、これに限定されるものではない。表示された３次元画像Ｇ０を医師が読影することにより、異常部位を特定してもよい。特定された異常部位の情報は３次元画像Ｇ０と併せて画像保管サーバ３に保存される。
【００２９】  開頭術シミュレーション装置１は、１台のコンピュータに、本開示の開頭術シミュレーションプログラムをインストールしたものである。コンピュータは、診断を行う医師が直接操作するワークステーションまたはパーソナルコンピュータでもよいし、それらとネットワークを介して接続されたサーバコンピュータでもよい。開頭術シミュレーションプログラムは、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）あるいはＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk Read Only Memory）等の記録媒体に記録されて配布され、その記録媒体からコンピュータにインストールされる。または、ネットワークに接続されたサーバコンピュータの記憶装置、もしくはネットワークストレージに、外部からアクセス可能な状態で記憶され、要求に応じて医師が使用するコンピュータにダウンロードされ、インストールされる。 
【００３０】  図２は、コンピュータに開頭術シミュレーションプログラムをインストールすることにより実現される、本開示の実施形態による開頭術シミュレーション装置の概略構成を示す図である。図２に示すように、開頭術シミュレーション装置１は、標準的なワークステーションの構成として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１、メモリ１２およびストレージ１３を備えている。また、開頭術シミュレーション装置１には、表示部１４並びにマウスおよびキーボード等の入力部１５が接続されている。
【００３１】  ストレージ１３には、ネットワーク４を経由して画像保管サーバ３から取得した、被検体の３次元画像Ｇ０、および処理に必要な情報を含む各種情報が記憶されている。ストレージは例えばＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｃ  Ｄｒｉｖｅ）やＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｒｉｖｅ）により構成されている。なお、本実施形態においては、被検体についての頭部を対象部位とする３次元画像Ｇ０がストレージ１３に記憶されているものとする。
【００３２】  また、本態様においてはメモリ１２には、開頭術シミュレーションプログラムが記憶されている。この場合、メモリ１２は不揮発性のメモリにて構成されてもよい。開頭術シミュレーションプログラムは、ＣＰＵ１１に実行させる処理として、異常部位を含む３次元画像Ｇ０を取得する画像取得処理、３次元画像Ｇ０において、異常部位から脳における脳溝を通って、脳の表面に到達するまでの少なくとも１つの経路を導出する経路導出処理、３次元画像Ｇ０に含まれる患者の頭部の表面上に、経路を辿るための開頭パターンを設定する開頭パターン設定処理、および開頭パターンが重畳された患者の頭部の３次元画像Ｇ０を表示部１４に表示する表示制御処理を規定する。また、他の態様としては、ストレージ１３に保存されている開頭術シミュレーションプログラムが、ＣＰＵ１１により呼び出され、メモリ１２に一時的に記憶された後に、実行されてもよい。この場合、メモリ１２はＲＡＭ（Ｒａｎｄａｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）により構成されている。
【００３３】  そして、ＣＰＵ１１がプログラムに従いこれらの処理を実行することで、コンピュータは、画像取得部２１、経路導出部２２、開頭パターン設定部２３および表示制御部２４として機能する。
【００３４】  画像取得部２１は、被検体である患者の頭部の３次元画像Ｇ０を画像保管サーバ３から取得する。なお、３次元画像Ｇ０が既にストレージ１３に記憶されている場合には、画像取得部２１は、ストレージ１３から３次元画像Ｇ０を取得するようにしてもよい。図３は頭部の３次元画像Ｇ０の例を示す図である。なお、図３においては、３次元画像Ｇ０から皮膚、筋肉、頭蓋骨、脳、神経、脳動脈および脳静脈等の臓器のうち、皮膚、筋肉および頭蓋骨の一部のみを透明とした３次元画像Ｇ０をボリュームレンダリング表示した状態を示している。なお、画像取得部２１が取得した３次元画像Ｇ０には、異常部位が含まれている。このため、画像取得部２１は、３次元画像Ｇ０と併せて異常部位の情報も取得する。異常部位の情報は、３次元画像Ｇ０を表す３次元座標における異常部位の重心位置の座標および、異常部位として特定された画素の座標を含む。
【００３５】  図４は、３次元画像Ｇ０に含まれる脳を３次元座標上において示す図である。図４に示すように、３次元画像Ｇ０における原点Ｏを基準として、脳３０における各画素（ボクセル）の位置を、３次元座標により表すことができる。なお、脳３０には腫瘍３１が異常部位として含まれている。図４には、腫瘍３１の重心位置Ｃ０（座標（ｘ０，ｙ０，ｚ０））が示されている。
【００３６】  脳の開頭術を行うに際して、皮膚の切開位置から異常部位に到達するためには、脳の一部を切開せざるを得ないが、脳を切開すると後遺症が発生する可能性がある。このため、できる限り脳溝を利用して異常部位に到達する必要がある。図５は脳溝を説明するための脳の断層画像を示す図である。なお、図５は被検体の足側から見た断層面の断層画像３２を示している。図５に示すように、脳の断層画像３２は、頭蓋骨３３および脳実質３４を含む。頭蓋骨３３と脳実質３４との間には髄液３５が満たされている。また、脳実質３４には複数の脳溝３６が含まれる。脳溝３６には髄液３５が侵入するため、３次元画像Ｇ０においては、脳実質３４と脳溝３６とで信号値が異なる。このため、３次元画像Ｇ０においては、脳実質３４内における脳溝３６の位置を特定することができる。
【００３７】  ここで、図６に示すように、脳の断層画像３２において脳内に存在する腫瘍３１が含まれるものとする。なお、図６も被検体の足側から見た断層面の断層画像を示している。経路導出部２２は、腫瘍３１の重心位置Ｃ０から、予め定められた範囲内にある少なくとも１つの脳溝を選択する。本実施形態においては、経路導出部２２は、腫瘍３１の重心位置Ｃ０を中心とした、予め定められた半径を有する球４０を設定し、球４０内にある少なくとも１つの脳溝を選択する。なお、球４０は断層画像においては円となる。図６においては、球４０内には脳溝３６Ａのみしかないため、経路導出部２２は、１つの脳溝３６Ａを選択する。
【００３８】  次いで、経路導出部２２は、経路の導出のために、腫瘍３１の重心位置Ｃ０から選択した脳溝３６Ａへの最短距離Ｐ１を導出する。図７は経路の導出を説明するための、脳溝３６Ａを切断する断面図である。また、図７においては、説明のために脳溝３６Ａの幅を実際よりも大きく示している。図７に示すように、脳実質３４は脳溝３６により完全に分断されているものではなく、脳溝３６の奥においてつながっている。したがって、選択された脳溝３６Ａは底部４１を有する。経路導出部２２は脳溝３６Ａの底部４１上の各画素位置の座標値と腫瘍３１の重心位置Ｃ０の座標値との距離を導出し、そのうちの最も小さい距離を最短距離Ｐ１として導出する。そして、経路導出部２２は、最短距離Ｐ１が導出された底部４１の位置Ｃ１を特定する。
【００３９】  さらに、経路導出部２２は、位置Ｃ１から脳溝３６Ａを通って脳の表面に到達するまでの最短距離Ｐ２を導出する。具体的には、経路導出部２２は、脳溝３６Ａの脳表面における各位置の座標値と、位置Ｃ１の座標値との距離を導出する。なお、導出される距離は、脳溝３６Ａ内を通る距離とする。また、脳溝３６Ａは、脳実質ではないが、脳の表面に視認できる。このため、脳溝３６Ａの脳表面における位置とは、脳の表面において視認できる脳溝３６Ａの位置を意味する。経路導出部２２は、導出した距離のうちの最短距離Ｐ２を導出し、最短距離Ｐ２となった脳溝３６Ａの脳表面における位置を開始位置Ｃ２として特定する。これにより、腫瘍３１から脳溝３６Ａを通って脳の表面の開始位置Ｃ２に到達するまでの経路Ｐ０（＝Ｐ１＋Ｐ２）が導出される。
【００４０】  開頭パターン設定部２３は、３次元画像Ｇ０に含まれる患者の頭部の表面上に、経路Ｐ０を辿るための開頭パターンを設定する。このために、本実施形態においては、複数の標準的な開頭パターンをそれぞれ表すテンプレートがストレージ１３に記憶されている。開頭パターン設定部２３は、ストレージ１３に記憶されたテンプレートから、経路Ｐ０の脳の表面上における開始位置Ｃ２に応じて選択されたテンプレートに基づいて、開頭パターンを設定する。
【００４１】  図８は、テンプレートの例を示す図である。図８に示すように、テンプレートＴ１〜Ｔ５は、開頭術において使用される標準的な皮膚の切開の位置および形状、並びに骨の切開の位置および形状を標準的な頭部のモデルに重畳したものである。なお、テンプレートＴ１〜Ｔ５は３次元画像からなる。図８に示すテンプレートＴ１〜Ｔ５においては、皮膚の切開線を実線で、頭蓋骨の切開線を破線でそれぞれ示している。なお、図８には、８種類のテンプレートＴ１〜Ｔ５を示しているが、テンプレートの数はこれに限定されるものではない。また、術者が好みの開頭パターンがあるため、術者が所望とするテンプレートをストレージ１３に記憶しておくことも可能である。また、テンプレートＴ１，Ｔ２，Ｔ５は、頭部の左右の片側についてのみのテンプレートであるが、実際には頭部の両側についてのテンプレートが用意されている。
【００４２】  開頭パターン設定部２３は、経路Ｐ０の脳の表面上における開始位置Ｃ２に応じて、複数のテンプレートＴ１〜Ｔ５から、適切なテンプレートを選択する。本実施形態においては、図９に示すように、経路Ｐ０の脳の表面上における開始位置Ｃ２が導出されているものとすると、開頭パターン設定部２３は、開始位置Ｃ２に最も近い開頭パターンとなるテンプレートを選択する。本実施形態においては、開始位置Ｃ２は被検体の脳の右側頭部にあるため、開頭パターン設定部２３は、右側頭部を開頭するテンプレートＴ２を選択する。
【００４３】  さらに、開頭パターン設定部２３は、開始位置Ｃ２および被検体の頭部の形状に応じて、選択されたテンプレート修正することにより、開頭パターンを設定する。具体的には、開始位置Ｃ２および被検体の頭部の形状に応じて、選択されたテンプレートＴ２に含まれる皮膚および頭蓋骨の切開線の位置を移動および変形させることにより、テンプレートＴ２を修正する。この際、開頭パターン設定部２３は、選択されたテンプレートＴ２に含まれる頭部を、３次元画像Ｇ０に含まれる被検体の頭部と位置合わせする。この際、剛体位置合わせおよび非剛体位置合わせ等、任意の位置合わせの手法を用いることができる。図１０は位置合わせ後のテンプレートを被検体の頭部と重ね合わせた状態を示す図である。
【００４４】  そして、開頭パターン設定部２３は、テンプレートＴ２における頭蓋骨の切開線５１により囲まれる領域の中心が、被検体の脳における開始位置Ｃ２と一致するように、仮想線で示す切開線５１を，破線で示す切開線５２の位置に移動させる。そして、移動された頭蓋骨の切開線５２に適合するように、仮想線で示すテンプレートＴ２の皮膚の切開線５３を、実線で示す切開線５４の位置に移動させる。これにより、被検体の頭部の画像に開頭パターンが設定される。
【００４５】  表示制御部２４は、開頭パターンが設定された被検体の頭部の３次元画像であるシミュレーション画像を表示部１４に表示する。なお、表示制御部２４は、透明度およびカラーテンプレートを適宜設定して、シミュレーション画像をボリュームレンダリング表示する。図１１は、シミュレーション画像を示す図である。図１１に示すシミュレーション画像４９においては、皮膚が不透明とされており、皮膚の開頭パターン５０が頭部に重畳されている。開頭パターン５０は頭蓋骨の切開線５２および皮膚の切開線５４を含む。
【００４６】  本実施形態においては、入力部１５からの指示により、開頭術を行って腫瘍３１に到達とするためのシミュレーションを行う。このために、操作者が入力部１５からシミュレーション開始の指示を行うと、表示制御部２４は、図１２に示すように、皮膚の切開線５４を切開して、皮膚を上方にまくり上げた状態のシミュレーション画像５５を表示部１４に表示する。図１２においては、切開された皮膚が上方にまくり上げられて、頭蓋骨が見えている状態を示している。また、頭蓋骨には頭蓋骨の切開線５２が重畳されている。なお、入力部１５からの指示としては、マウスのホイールの回転またはキーボードの矢印キーの押下等が挙げられるが、これに限定されるものではない。
【００４７】  さらに、操作者が入力部１５から指示を行うと、表示制御部２４は、図１３に示すように、頭蓋骨を切開線５２において切開し、切開した頭蓋骨を取り除いた状態のシミュレーション画像５６を表示部１４に表示する。なお、図１３においては、切開された皮膚を省略している。図１３に示すシミュレーション画像５６においては、切開した頭蓋骨を取り除いた部分から脳が見えている。
【００４８】  操作者は入力部１５から指示を行うことにより、表示部１４に表示された画像の拡大縮小および回転等を行うことが可能である。図１４は図１３における切開した領域を拡大したシミュレーション画像を示す図である。図１４に示すようにシミュレーション画像５７においては、切開線５２で囲まれた領域が拡大されており、拡大された領域内には脳が見えている。また、脳には開始位置Ｃ２が黒丸で表示され、腫瘍３１が半透明で表示されている。図１４においては半透明であることを破線で示している。また、開始位置Ｃ２から腫瘍３１に至るまでの脳溝３６Ａを通る経路６０が矢印により示されている。
【００４９】  さらに、操作者は入力部１５から指示を行うことにより、視点の位置を開始位置Ｃ２から経路６０に沿って腫瘍３１に向けて移動させることが可能である。この指示を行うと、表示制御部２４は、脳の表面から腫瘍３１に向けて徐々に３次元画像Ｇ０の透明度を０にする。図１５は脳の表面から腫瘍３１に向かう途中の経路６０におけるシミュレーション画像を示す図である。図１５に示すように、シミュレーション画像５８においては、脳の内部の組織が丸で囲まれた領域５８Ａ内に示されている。なお、領域５８Ａの外側は脳の表面が見えている。図１５に示すように領域５８Ａ内においては、脳内の血管６１および神経６２等が視認可能な状態となっている。なお、図１５に示すシミュレーション画像５８においては、視点は腫瘍３１には到達していないため、腫瘍３１は半透明（すなわち破線）となっている。また、経路６０は図１４に示すシミュレーション画像５７と比較すると短くなっている。
【００５０】  さらに、操作者が入力部１５を操作して、視点を腫瘍３１に向けて移動させたシミュレーション画像を図１６に示す。図１６に示すように、シミュレーション画像５９においては、脳の内部の組織が丸で囲まれた領域５９Ａ内に示されている。なお、領域５９Ａの外側は図１５と同様に、脳の表面が見えている。図１６に示すように領域５９Ａ内においては、脳内の血管６１および神経６２等が視認可能な状態となっている。さらに、腫瘍３１が視認可能な状態（すなわち実線）となっている。
【００５１】  なお、上記では、脳の表面の開始位置Ｃ２から腫瘍３１に至る経路を順次シミュレーション画像として表示しているが、図１６に示す腫瘍３１が見えている状態から図１１に示すように逆方向にシミュレーションを行うことも可能である。
【００５２】  次いで、本実施形態において行われる処理について説明する。図１７は本実施形態において行われる処理を示すフローチャートである。まず、画像取得部２１が、３次元画像Ｇ０を取得し（ステップＳＴ１）、経路導出部２２が、３次元画像Ｇ０に含まれる腫瘍３１の重心位置Ｃ０から、予め定められた範囲内にある少なくとも１つの脳溝を選択する（ステップＳＴ２）。次いで、経路導出部２２は、腫瘍３１から選択された脳溝３６Ａを通って脳の表面に到達するまでの経路Ｐ０を導出する（ステップＳＴ３）。
【００５３】  さらに、開頭パターン設定部２３が、３次元画像Ｇ０に含まれる患者の頭部の表面上に、経路Ｐ０を辿るための開頭パターンを設定する（ステップＳＴ４）。そして、表示制御部２４が、シミュレーション画像を表示部１４に表示し（ステップＳＴ５）、処理を終了する。
【００５４】  このように、本実施形態においては、異常部位を含む患者の脳の３次元画像Ｇ０において、腫瘍３１等の異常部位から脳における脳溝を通って、脳の表面に到達するまでの少なくとも１つの経路Ｐ０を導出し、３次元画像Ｇ０に含まれる患者の頭部の表面上に、経路Ｐ０を辿るための開頭パターンを設定するようにした。このため、開頭位置を変更する等のシミュレーションを繰り返さなくても、開頭位置から異常部位に到達するまでの経路をシミュレーションすることができる。したがって、本実施形態によれば、開頭術のシミュレーションを行う際に、異常部位への経路を効率よく決定できる。
【００５５】  また、本実施形態においては、被検体の頭部の表面から、経路に沿って異常部位へ視点を移動させたシミュレーション画像を表示するようにした。このため、手術を行う際に腫瘍に到達するまでの経路を、術前に確認することができる。
【００５６】  なお、上記実施形態においては、経路導出部２２は１つの経路Ｐ０を導出しているが、これに限定されるものではなく、複数の経路を導出してもよい。例えば、図１８に示すように、腫瘍３１Ａの重心位置Ｃ０を中心とした球４０Ａで示す予め定められた範囲内に複数の脳溝が含まれる場合、すべての脳溝を選択し、選択した脳溝のそれぞれについて経路を導出してもよい。図１８においては、３つの脳溝３６Ｂ〜３６Ｄが選択されている。この場合、経路導出部２２は、選択された脳溝３６Ｂ〜３６Ｄのそれぞれについて経路を導出する。図１９は、３つの脳溝３６Ｂ〜３６Ｄのそれぞれについて導出された経路を示す図である。図１９に示すように、経路導出部２２は、腫瘍３１Ａから脳溝３６Ｂを通って開始位置Ｃ１１に至る経路Ｐ１１、腫瘍３１Ａから脳溝３６Ｃを通って開始位置Ｃ１２に至る経路Ｐ１２、および腫瘍３１Ａから脳溝３６Ｄを通って開始位置Ｃ１３に至る経路Ｐ１３を導出する。
【００５７】  ここで、経路Ｐ１１〜Ｐ１３のそれぞれは腫瘍３１Ａから脳溝３６Ｂ〜３６Ｄのそれぞれまでの距離が異なる。このため、表示制御部２４は、複数の経路Ｐ１１〜Ｐ１３を、腫瘍３１Ａから脳溝３６Ｂ〜３６Ｄまでの距離に応じてソートして、距離が短い順にソート結果を表示部１４に表示する。図２０はソート結果が表示されたシミュレーション画像を示す図である。図２０に示すように、シミュレーション画像７０にはソート結果６５が表示されている。ソート結果６５においては、腫瘍３１Ａから脳溝までの距離が短い順に上から、経路Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３の順で経路が並んでいる。操作者がソート結果６５において、所望とする経路を選択すると、その経路に対応する開頭パターンがシミュレーション画像７０に表示される。図２０においては、一番上の経路Ｐ１１が選択された状態を示しており、経路Ｐ１１に対応する開頭パターン６６Ａがシミュレーション画像７０に実線で表示されている。なお、経路Ｐ１１以外の経路Ｐ１２，Ｐ１３の開頭パターン６６Ｂ，６６Ｃはシミュレーション画像７０には破線で示されている。操作者が表示する経路をソート結果６５において選択すると、選択した経路に対応する開頭パターンが実線で表示される。
【００５８】  なお、上記では、経路Ｐ１１〜Ｐ１３を、腫瘍３１Ａから脳溝までの距離が短い順にソートしているが、これに限定されるものではない。腫瘍３１Ａから脳溝までの距離が長い順にソートしてもよい。また、腫瘍３１Ａから脳の表面の位置Ｃ１１〜Ｃ１３のそれぞれまでの距離が短い順に経路Ｐ１１〜Ｐ１３をソートしてもよく、腫瘍３１Ａから脳の表面の位置Ｃ１１〜Ｃ１３のそれぞれまでの距離が長い順に経路Ｐ１１〜Ｐ１３をソートしてもよい。
【００５９】  また、上記実施形態においては、複数のテンプレートから、導出した経路の脳の表面上における位置に応じてテンプレートを選択し、選択したテンプレートに基づいて開頭パターンを設定しているが、これに限定されるものではない。テンプレートを用いることなく、導出した経路の脳の表面上における位置に応じて開頭パターンを設定してもよい。
【００６０】  また、上記実施形態においては、術者の好みに応じて、腫瘍に到達するまでに使用したい脳溝がある場合がある。このような場合には、入力部１５からの設定により、指定された脳溝を使用しないような経路を導出してもよい。例えば、図１８に示すように、腫瘍３１Ａに基づいて３つの脳溝３６Ｂ〜３６Ｄが選択された場合において、術者が特定の脳溝３６Ｄを使用したくない旨を設定した場合、経路導出部２２は、脳溝３６Ｂおよび脳溝３６Ｃのみを通る経路Ｐ１２，Ｐ１３を導出する。これにより、術者の好みに応じた経路を導出することができる。
【００６１】  また、上記実施形態においては、神経および脳動脈等の臓器が脳溝内にある場合がある。このような臓器が存在する脳溝は、開頭術の際には使用しない方が好ましい。このため、経路導出部２２は、選択された脳溝について、その脳溝内に神経および脳動脈等の臓器が存在するか否かを判定し、臓器が存在する場合には、その臓器を回避した経路を導出するようにしてもよい。この場合、その臓器が存在する脳溝以外の脳溝を通る経路を導出すればよい。
【００６２】  また、上記実施形態においては、３次元画像Ｇ０は異常部位が検出されて画像保管サーバ３に保存されているものとしているが、これに限定されるものではない。本実施形態による開頭術シミュレーション装置に、異常部位を検出するためのＣＡＤを設け、本実施形態による開頭術シミュレーション装置において、異常部位を検出するようにしてもよい。
【００６３】  また、上記各実施形態において、例えば、画像取得部２１、経路導出部２２、開頭パターン設定部２３および表示制御部２４といった各種の処理を実行する処理部（Processing Unit）のハードウェア的な構造としては、次に示す各種のプロセッサ（Processor）を用いることができる。上記各種のプロセッサには、上述したように、ソフトウェア（プログラム）を実行して各種の処理部として機能する汎用的なプロセッサであるＣＰＵに加えて、ＦＰＧＡ（Field  Programmable Gate Array）等の製造後に回路構成を変更可能なプロセッサであるプログラマブルロジックデバイス（Programmable Logic Device :PLD）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等が含まれる。
【００６４】  １つの処理部は、これらの各種のプロセッサのうちの１つで構成されてもよいし、同種または異種の２つ以上のプロセッサの組み合わせ（例えば、複数のＦＰＧＡの組み合わせまたはＣＰＵとＦＰＧＡとの組み合わせ）で構成されてもよい。また、複数の処理部を１つのプロセッサで構成してもよい。
【００６５】  複数の処理部を１つのプロセッサで構成する例としては、第１に、クライアントおよびサーバ等のコンピュータに代表されるように、１つ以上のＣＰＵとソフトウェアとの組み合わせで１つのプロセッサを構成し、このプロセッサが複数の処理部として機能する形態がある。第２に、システムオンチップ（System On Chip:SoC）等に代表されるように、複数の処理部を含むシステム全体の機能を１つのＩＣ（Integrated Circuit）チップで実現するプロセッサを使用する形態がある。このように、各種の処理部は、ハードウェア的な構造として、上記各種のプロセッサの１つ以上を用いて構成される。
【００６６】  さらに、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造としては、より具体的には、半導体素子等の回路素子を組み合わせた電気回路（Circuitry）を用いることができる。
【符号の説明】
【００６７】      １    開頭術シミュレーション装置      ２    ３次元画像撮影装置      ３    画像保管サーバ      ４    ネットワーク      １１    ＣＰＵ      １２    メモリ      １３    ストレージ      １４    ディスプレイ      １５    入力部      ２１    画像取得部      ２２    経路導出部      ２３    開頭パターン設定部      ２４    表示制御部      ３０    脳      ３１，３１Ａ    腫瘍      ３２    断層画像      ３３    頭蓋骨      ３４    脳実質      ３５    髄液      ３６    脳溝      ３６Ａ〜３６Ｄ    選択された脳溝      ４０，４０Ａ    球      ４１    脳溝の底部      ４９，５５〜５９，７０    シミュレーション画像      ５０    開頭パターン      ５１    テンプレートにおける頭蓋骨の切開線      ５２    頭蓋骨の切開線      ５３    テンプレートにおける皮膚の切開線      ５４    皮膚の切開線      ５８Ａ，５９Ａ    領域      ６０    経路      ６１    血管      ６２    神経      ６５    ソート結果      ６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃ  開頭パターン      Ｃ０    重心位置      Ｃ１    位置      Ｃ２，Ｃ１１〜Ｃ１３    開始位置      Ｇ０    ３次元画像      Ｏ    原点      Ｐ０    経路      Ｐ１，Ｐ２    最短距離      Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３    経路      Ｔ１〜Ｔ５    テンプレート
【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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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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