(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体の画像を撮影する画像入力手段と、
前記画像入力手段の３次元位置姿勢を決定する３次元位置姿勢決定手段と、
前記被検体の表面から前記被検体の目標部に至る手術経路を記憶する記憶手段と、
前記３次元位置姿勢決定手段により決定された前記画像入力手段の３次元位置姿勢情報と、前記記憶手段に記憶された前記手術経路とに基づいて、前記画像入力手段における所定の位置と前記目標部について設定した到達位置とを結ぶ軸線を中心として前記到達位置へと収束する筒状の経路像を生成する経路像生成手段と、
前記画像入力手段により撮影された被検体の画像と、この被検体の画像に対応して前記経路像生成手段により生成された前記経路像とを重ね合わせて表示する制御手段と、
を具備することを特徴とする手術ナビゲーション装置。
【請求項２】
前記経路像生成手段は、前記被検体の目標部と前記画像入力手段の距離情報を付加する手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の手術ナビゲーション装置。
【請求項３】
被検体の画像を撮影する画像入力手段と、
前記画像入力手段の３次元位置姿勢を決定する３次元位置姿勢決定手段と、
前記被検体の表面から前記被検体の目標部に至る複数の線分から構成された手術経路を記憶する記憶手段と、
前記３次元位置姿勢決定手段により決定された前記画像入力手段の３次元位置姿勢情報に基づいて、前記手術経路を構成する複数の線分の内から所定の線分を選択して軸線とし、当該軸線を中心として当該線分の前記目標部に近い端点へと収束する筒状の経路像を生成する経路像生成手段と、
前記画像入力手段により撮影された被検体の画像と、この被検体の画像に対応して前記経路像生成手段により生成された前記経路像とを重ね合わせて表示する制御手段と、
を具備することを特徴とする手術ナビゲーション装置。
【請求項４】
この手術ナビゲーション装置は、前記軸線方向について所定のピッチで前記軸線に直交するように前記筒状の経路像の側面に線を描画する手段をさらに具備する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の手術ナビゲーション装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、手術ナビゲーション装置に係り、特に、外科手術等に用いる手術ナビゲーション装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の手術ナビゲーション装置では、ナビゲーションの対象となる処置具や内視鏡等の先端位置や処置の対象となる患部の位置を、ＣＴやＭＲＩなどの断層像撮影装置により撮影した断面情報等が表示される表示装置上に先端位置を表わす記号を描画することにより表現していた。
【０００３】
例えば、この種の従来技術として知られている文献（Ａ）「医用ナビゲーションシステム」（特開平０９−１７３３５２号公報）の発明の実施の形態では、断層像や、断層像を３次元モデルとして再構成したデータより生成した、アキシアル、サジタル、コロナル方向の３断面像や、患者の３次元表面像上にポインタにより指示する位置を十字記号等を用いて表示するようにしている。
【０００４】
また、この文献（Ａ）による「医用ナビゲーションシステム」では、計画した手術侵入方向を、２つのライトガイド（ある点の位置を光により差し示すことができる）より発せられる２つの光線の交点で挿入位置からの奥行きを表現することにより指示するようにしている。
【０００５】
そして、この文献（Ａ）による「医用ナビゲーションシステム」では、術者は、モニタ上のナビゲーション情報と患者実体へ投影されたライトガイドによる情報とを用いて、処置具や内視鏡等を正確に目標となる患部へ挿入するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来技術として知られている文献（Ａ）「医用ナビゲーションシステム」のように、目標の位置のみを指し示す方法では、術者は、現在の観察位置で確認される目標とのずれ（観察画像中心からのずれ）が位置のずれなのか、姿勢のずれなのかを判断することが困難であった。
【０００７】
図８は、この従来技術での表示例を示している。
【０００８】
すなわち、図８では、画像表示手段であるモニタ１３の中央よりやや上の位置に、被検体の目標部である患部５０と、この位置を指し示す記号２７が表示されている。
【０００９】
このような場合、術者は、観察位置が下にずれているのか、観察方向が下へずれているのか、これら二つが組み合わさったずれが生じているのかを判断することができない。
【００１０】
また、図８では、表示装置上に計画した手術侵入方向（経路）を表示していないため、目標位置と同時に適切な経路を認識することは、術者の勘を頼りにしていた。
【００１１】
また、図８では、経路を患者表面より奥に存在する点で表現しているため、挿入位置からこの点までの途中に存在する計画された経路が持つ連続した位置姿勢の変化という情報を表現できていなかった。
【００１２】
このため、術者は計画した経路全体を把握することが困難であった。
【００１３】
本発明はこの点に着目し、容易に目標の位置、及び目標への計画された経路全体を認識可能な、手術ナビゲーション装置を提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、上記課題を解決するために、
（１）被検体の画像を撮影する画像入力手段と、
前記画像入力手段の３次元位置姿勢を決定する３次元位置姿勢決定手段と、
前記被検体の表面から前記被検体の目標部に至る手術経路を記憶する記憶手段と、
前記３次元位置姿勢決定手段により決定された前記画像入力手段の３次元位置姿勢情報と、前記記憶手段に記憶された前記手術経路とに基づいて、前記画像入力手段における所定の位置と前記目標部について設定した到達位置とを結ぶ軸線を中心として前記到達位置へと収束する筒状の経路像を生成する経路像生成手段と、
前記画像入力手段により撮影された被検体の画像と、この被検体の画像に対応して前記経路像生成手段により生成された前記経路像とを重ね合わせて表示する制御手段と、
を具備することを特徴とする手術ナビゲーション装置が提供される。
【００１５】
（対応する発明の実施の形態）
この発明に関する実施の形態は、後述する第１の実施形態、及び第２の実施形態が対応する。
【００１６】
上記構成要素中の画像入力手段は、後述する第１の実施形態では、硬性鏡３が該当し、後述する第２の実施形態では、軟性鏡が該当するが手術用顕微鏡等も含むものとする。
【００１７】
また、上記構成要素中の被検体の目標部は、これらの実施形態では、患部５０及び患部５０に対して設定した到達位置２４が該当するが、血管や神経等の重要な組織など、ＣＴ、ＭＲＩ像などから位置、形状を特定できる任意のものを含むものとする。
【００１８】
また、上記構成要素中の記憶手段に記憶される被検体の表面から被検体の目標部へ至る手術経路は、後述する第１の実施形態では、患部５０に対して設定した到達位置２４、及び硬性鏡挿入部５１を結ぶ経路データ１０が該当し、後述する第２の実施形態では、患部５０の位置２４、軟性鏡の挿入部５１の位置及び途中に存在する屈曲点４３、屈曲点４４の位置を含む経路データ１０が該当するが、経路は直線に限らず、曲線、連結された直線や曲線を含むものとする。
【００１９】
また、上記構成要素中の３次元位置姿勢計測手段は、後述する第１の実施形態では、センシングプレート２、センシングプレート４、センサ情報記憶部５、センサ制御部６、画像撮影方式のセンサアセンブリ７より構成され、後述する第２の実施形態では、磁気式の６軸センサ、センサ制御部６より構成されるが、光学式、磁気式に限らず機械式等その他の３次元位置姿勢計測方法によるものも含むものとする。
【００２０】
また、上記構成要素中の経路像生成手段は、これらの実施形態では、ナビゲーション制御部８が該当する。
【００２１】
また、上記構成要素中の「筒状」という用語は、本明細書では底面を円、楕円、または多角形とする錐形状（円錐、楕円錐、多角錐）、錐台形状（円錐台、楕円錐台、多角錐台）、柱形状（円柱、楕円柱、多角柱）などを意味しているものと定義する。
【００２２】
（作用）
この手術ナビゲーション装置は、目標部までの経路を表わす筒状の経路像と、画像入力手段により撮影された画像とを重ね合わせて表示する。
【００２３】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
（２）前記経路像生成手段は、前記被検体の目標部と前記画像入力手段の距離情報を付加する手段をさらに有することを特徴とする（１）に記載の手術ナビゲーション装置が提供される。
【００２４】
（対応する発明の実施の形態）
この発明に関する実施の形態は、後述する第１の実施形態が対応する。
【００２５】
上記構成要素中の目標部と前記画像入力手段との距離情報は、この実施形態では、円錐２６の頂点２４からの距離を表わす文字情報１１が該当するが、筒状の経路像自身の色、濃度、描画する線の太さ、種類等の属性情報を変化させた表現も含むものとする。
【００２６】
（作用）
この手術ナビゲーション装置は、目標部までの経路を筒状の経路像として表示し、且つ表示されている経路像に目標部と前記画像入力手段との距離情報を付加する。
【００２７】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
（３）前記経路像生成手段は、前記３次元位置姿勢計測手段により計測された前記被検体または前記画像入力手段の少なくとも一方の３次元位置姿勢情報と、前記記憶手段に記録された複数の線分から構成された手術経路を用いて、手術経路を構成する線分から任意の線分を選択し、選択された線分に対して筒状の経路像を生成することを特徴とする（１）または（２）に記載の手術ナビゲーション装置が提供される。
【００２８】
（対応する発明の実施の形態）
この発明に関する実施の形態は、後述する第２の実施形態が対応する。
【００２９】
上記構成要素中の複数の線分の結合により構成される手術経路は、この実施形態では経路１０が該当するが、直線が結合した経路に限らず、曲線を含む線分が結合した経路も含むものとする。
【００３０】
（作用）
この手術ナビゲーション装置は、被検体及び画像入力手段の３次元位置姿勢情報の少なくとも一方に基づいて、現在術者が必要としている部分の経路像を生成する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００３２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による手術ナビゲーション装置の構成を示す図である。
【００３３】
この発明の第１の実施形態による手術ナビゲーション装置は、次のように構成されている。
【００３４】
即ち、図１では、手術台上に、被検体１が仰向けの状態で寝ているものとしている。
【００３５】
そして、この被検体１の頭部には、赤外線ＬＥＤを三角形状に配置したセンシングプレート２がテープにて固定されている。
【００３６】
また、硬性鏡３には、赤外線ＬＥＤを三角形状に配置したセンシングプレート４が固定されている。
【００３７】
これらセンシングプレート２、及びセンシングプレート４上において、配置された赤外線ＬＥＤ同士の位置関係が変化することはない。
【００３８】
また、センシングプレート２上で定義された座標系ｐ、及びセンシングプレート４上で定義された座標系ｅに対して、各赤外線ＬＥＤが配置された位置は、事前に計測されており、ＬＥＤ定義データとしてセンサ情報記憶部５に蓄えられている。
【００３９】
このセンサ情報記憶部５は、センサ制御部６に接続されている。
【００４０】
センシングプレート２、及びセンシングプレート４が計測範囲内に位置するように、画像撮影方式のセンサアセンブリ７が配置されている。
【００４１】
センサ制御部６には、センシングプレート２、及びセンシングプレート４とセンサアセンブリ７が接続されていることにより、３次元位置姿勢計測手段を構成している。
【００４２】
この３次元位置姿勢計測手段によって得られる３次元位置姿勢情報は、センサ制御部６よりナビゲーション制御部８に渡される。
【００４３】
また、被検体１のＣＴ、ＭＲＩ撮影像から手術対象となる患部５０に対して設定した到達位置２４、及び硬性鏡挿入部５１の位置が、ＣＴ、ＭＲＩ撮影像を３次元再構成したデータで定義されるオブジェクト座標系ｍ上に設定されており、ナビゲーション情報記憶部９に経路データ１０として記憶されている。
【００４４】
この場合、前記硬性鏡挿入部５１から患部５０までの経路を、前記硬性鏡挿入部５１の位置と患部５０に対して設定した到達位置２４とを結ぶ直線で表現するものとする。
【００４５】
また、被検体１の耳や目等の身体上の特徴点や、被検体１に取り付けたマーカ等の座標値が、オブジェクト座標系ｍ上の値であるモデルデータ７０として、ナビゲーション情報記憶部９に記憶されている。
【００４６】
前記硬性鏡３の光学系より得られる画像は、図示しないカメラ制御装置、画像入力ボードを介して、ナビゲーション制御部８に入力される。
【００４７】
このナビゲーション制御部８では、該ナビゲーション制御部８で生成される経路像と、該ナビゲーション制御部８に入力された硬性鏡３の光学系より得られる画像とを重ね合わせて出力し、モニタ１３によって術者に対し表示する。
【００４８】
図２に示すように、被検体１のデータと被検体１自身は、耳や目等の身体上の特徴点や、被検体１に取り付けたマーカ等のオブジェクト座標系ｍ上の座標値モデルデータ７０と、これに対応する特徴点のセンシングプレート２で規定される座標系ｐ上の座標値を計測し、座標変換行列ｐＨｍ１４を算出することで関連づけられている。
【００４９】
この座標変換行列ｐＨｍ１４は、ナビゲーション情報記憶部９に記憶されている。
【００５０】
この座標変換行列ｐＨｍ１４は、図３に示すように、３次元空間での回転動作を表す３行３列の回転成分Ｒと、３次元空間での並進動作を表す３行１列の並進成分Ｔと、定数成分とで構成される４行４列の行列である。
【００５１】
また、図４に示すように、センシングプレート４で規定される座標系ｅから硬性鏡３の光学系を表現するカメラモデルで使用される座標系ｃへの座標変換行列ｃＨｅ１５と、カメラモデル座標系ｃから実際のモニタ１３上の座標系ｓへの座標変換行列ｆ  ｃｔｏｓ１６が求められている。
【００５２】
なお、硬性鏡３の光学系を表現するカメラモデルで使用される座標系ｃの原点は、硬性鏡３の先端に一致しており、硬性鏡３の光軸をカメラ座標系ｃのＺ軸としている。
【００５３】
これらの座標変換行列ｃＨｅ１５、および座標変換行列ｆ  ｃｔｏｓ１６は、ナビゲーション情報記憶部９に記憶されている。
【００５４】
次に、この発明の第１の実施形態による手術ナビゲーション装置の作用を説明する。
【００５５】
本手術ナビゲーション装置の動作中、３次元位置姿勢計測手段の構成要素であるセンサ制御部６は、センシングプレート２、及びセンシングプレート４上の各赤外線ＬＥＤを順番に発光させ、センサアセンブリ７はこれら赤外線ＬＥＤが発光している状態を映像として捉える。
【００５６】
センサ制御部６では、赤外線ＬＥＤを発光させたタイミングとセンサアセンブリ７より得た映像を用いて、各赤外線ＬＥＤの３次元位置を算出する。
【００５７】
各赤外線ＬＥＤの３次元位置とセンサ情報記憶部５に記憶されたＬＥＤ定義データを用いて、センシングプレート２、及びセンシングプレート４の３次元位置姿勢を算出する。
【００５８】
さらに、センシングプレート２、及びセンシングプレート４の３次元位置姿勢を、センシングプレート２に対するセンシングプレート４の相対的な位置姿勢へと変換し、座標変換行列ｅＨｐ１７を得る。
【００５９】
図５に示すように、座標変換行列ｅＨｐ１７が３次元位置姿勢計測手段より得られることで、本手術ナビゲーション装置を動作させるために必要な座標変換行列が全て揃う。
【００６０】
図６、及び図７は、経路を表現する円錐２６の作成手順を説明するための図である。
【００６１】
ここで、円錐２６の頂点は、患部５０に対して設定した到達位置２４に一致する。
【００６２】
座標変換行列ｃＨｅ１５、座標変換行列ｅＨｐ１７、座標変換行列ｐＨｍ１４から硬性鏡３の先端に原点が一致しているカメラ座標系ｃのＸＹ平面２０が、オブジェクト座標系ｍで定義される。
【００６３】
このカメラ座標系ｃのＸＹ平面２０は、硬性鏡３の先端面を表現している。
【００６４】
患部５０に対して設定した到達位置２４と挿入部５１とを結ぶ経路データ１０とカメラ座標系ｃのＸＹ平面２０との交点が、円錐２６の底面となる円２２の中心２１となる。
【００６５】
患部５０に対して設定した到達位置２４と挿入部５１とを結ぶ経路データ１０とカメラ座標系ｃのＸＹ平面２０とが交わらない場合には、挿入部５１が円錐２６の底面となる円２２の中心２１となる。
【００６６】
円錐２６の底面となる円２２は、底面となる円２２の中心２１を通り、経路を法線べクトルとする平面上に予め設定された頂角と、底面となる円２２の中心２１から頂点（到達位置２４）までの距離より算出される半径で描かれる。
【００６７】
なお、底面となる円２２の半径ｒと頂角ａと底面となる円２２の中心２１から頂点（到達位置２４）までの距離ｄとの間には以下の関係式が成立している。
【００６８】
ｒ＝ｄｘｔａｎ（ａ）
この実施の形態では、例えば、頂角を１５度としている。
【００６９】
ここで、円錐２６の側面の表現要素として描かれる直線２３は、底面となる円２２を８分割した位置と円錐２６の頂点（到達位置２４）とを結ぶことにより描かれる。
【００７０】
また、底面となる円２２と頂点２４との間に描画される円２５は、底面となる円２２平行に、経路を等分割するよう描画される。
【００７１】
これら円２５の数は、予め、設定されており、この例では４つとしている。
【００７２】
つまり、円錐２６内部に描画される円２５は、硬性鏡３の先端位置と患部５０に対して設定した到達位置２４との距離に関係無く４つである。
【００７３】
円錐２６の側面を表現する円２５の中心と円錐２６の頂点２４との距離は、円錐２６のデータを生成する際に明らかになるパラメータである。
【００７４】
この例では、円２５による経路の分割数を４と設定しているので、円２５の経路上のピッチは円錐２６の頂点２４から底面となる円２２までの距離を５等分した値となっている。
【００７５】
つまり、円錐２６の頂点２４から底面となる円２２までの距離が２５ｍｍのときには、経路上のピッチは５ｍｍとなり、円錐２６の頂点２４から底面となる円２２までの距離が６０ｍｍのときには、経路上のピッチは１２ｍｍへと変化することになる。
【００７６】
このピッチを円錐２６の頂点２４からの距離へ変換した値の文字情報１１を同時に生成し、経路像として表示される円錐２６に付加する。
【００７７】
このように構成されたオブジェクト座標系ｍにおける円錐２６は、更に座標変換行列ｆ  ｃｔｏｓ１６、座標変換行列ｃＨｅ１５、座標変換行列ｅＨｐ１７、座標変換行列ｐＨｍ１４を乗算することにより、モニタ１３上でのワイヤフレーム像の位置データヘ変換される。
【００７８】
この円錐２６と硬性鏡３の光学系より得られる画像とを重ね合わせて、図７に示すように、モニタ１３上に表示する。
【００７９】
術者は、モニタ１３上に重畳表示された硬性鏡３の光学系より得られる画像と円錐２６による経路像とを同時に見ながら硬性鏡３を操作し、手術を行う。
【００８０】
次に、この発明の第１の実施形態による手術ナビゲーション装置の効果を説明する。
【００８１】
本手術ナビゲーション装置では、患部５０に対して設定した到達位置２４を頂点とし、計画した経路１０を主軸とする円錐２６で、患部５０に対して設定した到達位置２４と経路１０が同時にモニタ１３上に示されるので、術者はこれらを直感的に容易に把握することができる。
【００８２】
また、本手術ナビゲーシヨン装置では、患部５０に対して設定した到達位置２４、および経路１０からの位置ずれと姿勢ずれが同時に表現されるため、患部５０に対して設定した到達位置２４のみのナビゲーション情報では位置ずれなのか姿勢ずれなのかを判断しずらい状況であっても、ずれの内容を容易に把握することができる。
【００８３】
例えば、図９に示すように、患部５０に対して設定した到達位置２４と経路１０が円錐２６で表示された場合、円錐２６の底面となる円２２がモニタ１３の画面上方にあることから、現在位置が計画した経路１０よりも下に位置していることが容易に把握できる。
【００８４】
また、円錐２６の頂点２４である患部５０に対して設定した到達位置２４が円錐２６の底面となる円２２の中心よりも下にあることから、現在の姿勢が計画した経路１０よりも上を向いていることが容易に把握できる。
【００８５】
また、術者は円錐２６と同時に表示される円錐２６の頂点２４からの距離を表す文字情報１１から、現在の硬性鏡３の先端位置と患部５０に対して設定した到達位置２４との距離を常に把握することができる。
【００８６】
この結果、術者は硬性鏡３を安全且つ確実に目標へ挿入することができる。
【００８７】
なお、この発明の第１の実施形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【００８８】
例えば、３次元位置計測手段は本実施形態の光学式に限定されることなく、磁気式や機械式などどのような形態であってもよい。
【００８９】
また、表示される経路像の形状は円錐に限定されることなく、円錐台や円柱、角錐、柱形状のものであってもよい。
【００９０】
また、表示される経路像の形態はワイヤフレーム像に限定されることなく、サーフェスモデル像や半透明なボリュームレンダリング像など他の３次元コンピュータグラッフィクスオブジェクトであってもよい。
【００９１】
また、円錐２６の頂点２４からの距離を表す文字情報１１は、３次元コンピュータグラッフィクスオブジェクトの色や濃度や線の太さ、及び線種（実線、破線、一点鎖線等）の少なくとも一方に置き換えてもよい。
【００９２】
この場合、図１０に示すように、凡例２８をモニタ１３のディスプレイ上に示すようにすることも有効である。
【００９３】
また、図１１に示すように、経路１０が挿入部５１から患部５０に対して設定した到達位置２４までの連続的なデータで与えられた曲線、または連結された線分であってもよい。
【００９４】
この場合、円２５は、主軸上の距離が均等になり、主軸に対して垂直になるように生成される。
【００９５】
なお、図１１に示す曲線経路は、図１２に示すように、モニタ１３上で描画される。
【００９６】
また、曲線的な経路１０に挿入可能なように、硬性鏡３を軟性鏡、あるいは多関節鏡へと置き換えて手術を行うことにも対応可能である。
【００９７】
また、円錐２６の側面を表現する円２５の数を本実施形態では４つと設定しているが、この数は術者が自由に設定できる。
【００９８】
また、円２５を作成する間隔を設定し、数は円錐２６の頂点２４と底面となる円２２の中心２１との距離に応じて変化するようにしてもよい。
【００９９】
この場合、例えば、間隔を２ｍｍに設定すると、円錐２６の頂点２４と底面となる円２２の中心２１との距離が４０ｍｍであれば、円２５は１９個が描画される。
【０１００】
また、モニタ１３はＨＭＤなどの映像提示装置へ置き換えることができる。
【０１０１】
（第２の実施の形態）
第２の実施形態による手術ナビゲーション装置の構成は、上述した第１の実施の形態と共通な部分が多いので、異なる部分のみを以下に示す。
【０１０２】
すなわち、この実施形態において、図１に示した被検体１の頭部には、赤外線ＬＥＤを三角形状に配置したセンシングプレート２に代わって用いられる磁気式の６軸センサが取り付けられているものとする。
【０１０３】
また、この実施形態において、図１に示した硬性鏡３に代わって用いられる軟性鏡の先端にも、小型の磁気式６軸センサが取り付けられているものとする。
【０１０４】
また、この実施形態において、図１に示したセンサ制御部６には、これらの２つの６軸センサが接続されているものとする。
【０１０５】
そして、この実施形態において、センサ制御部６、２つの６軸センサとで、３次元位置姿勢計測手段が構成されているものとする。
【０１０６】
また、この実施形態において、上記３次元位置姿勢計測手段によって得られる３次元位置姿勢情報は、第１の実施の形態と同様にして、センサ制御部６よりナビゲーション制御部８へ渡されるものとする。
【０１０７】
この実施形態において、図１に示した硬性鏡３に代わって用いられる軟性鏡の先端に取り付けられた磁気式６軸センサは、軟性鏡先端の光学系に対して取り付け位置が変化しないものとする。
【０１０８】
よって、この実施形態において、磁気式６軸センサで規定される座標系ｅから軟性鏡の光学系を表現するカメラモデルで使用される座標系ｃヘの座標変換行列ｃＨｅ１５は固定値となる。
【０１０９】
また、この実施形態において、上記座標変換行列ｃＨｅ１５とカメラモデル座標系ｃから実際のモニタ１３上の座標系ｓへの座標変換行列ｆ  ｃｔｏｓ１６は、第１の実施形態と同様に事前に求められており、図１に示したナビゲーション情報記憶部９へ記憶させておくものとする。
【０１１０】
なお、この場合、軟性鏡の光学系を表現するカメラモデルで使用される座標系ｃの原点は、軟性鏡の先端に一致しており、軟性鏡の光軸をカメラ座標系ｃのＺ軸としているものとする。
【０１１１】
これらの座標変換行列ｃＨｅ１５、および座標変換行列ｆ  ｃｔｏｓ１６は、図１に示したナビゲーション情報記憶部９に記憶されているものとする。
【０１１２】
図１３の（ａ）に示すような、被検体のＣＴ、ＭＲＩ撮影像から手術対象となる患部５０の到達位置２４、軟性鏡挿入部５１の位置、及び経路１０の屈曲点４３、屈曲点４４の位置がオブジェクト座標系において計測されており、図１に示したナビゲーション情報記憶部９に経路データ１０として蓄えられているものとする。
【０１１３】
次に、この発明の第２の実施形態による手術ナビゲーション装置の作用を説明する。
【０１１４】
本手術ナビゲーション装置の動作中、３次元位置姿勢計測手段により、患者頭部に対する軟性鏡先端の位置姿勢が計測され、座標変換行列ｅＨｐ１７が得られる。
【０１１５】
図１３の（ａ）は、経路を表現する円錐４６の作成手順を説明するために示された図である。
【０１１６】
計測された軟性鏡先端の患者頭部に対する現在位置から、通っているべき経路（最も近い経路）データ４０の両端４４、４８の位置情報がナビゲーション情報記憶部９より引き出される。
【０１１７】
円錐４６の頂点は、軟性鏡が現在通っているべき経路データ４０の両端のうち、患部に近い端点４４に一致する。
【０１１８】
座標変換行列ｃＨｅ１５、座標変換行列ｅＨｐ１７、座標変換行列ｐＨｍ１４から軟性鏡の先端に原点が一致しているカメラ座標系ｃのＸＹ平面６１が、オブジェクト座標系ｍで定義される。
【０１１９】
このカメラ座標系ｃのＸＹ平面６１は、軟性鏡の先端面を表現している。
【０１２０】
軟性鏡が現在通っているべき経路データ４０とカメラ座標系ｃのＸＹ平面６１との交点が、円錐４６の底面となる円４９の中心６０となる。
【０１２１】
また、軟性鏡が現在通っているべき経路データ４０とカメラ座標系ｃのＸＹ平面６１とが交わらない場合には、軟性鏡が現在通っているべき経路データ４０の両端のうち、患部から遠い端点４８が円錐４６の底面となる円４９の中心６０となる。
【０１２２】
円錐４６の底面となる円４９は、底面となる円４９の中心６０を通り、経路を法線べクトルとする平面上に予め設定された頂角と、底面となる円４９の中心６０から頂点４４までの距離より算出される半径で描かれる。
【０１２３】
なお、底面となる円４９の半径ｒと頂角ａと底面となる円４９の中心６０から頂点４４までの距離ｄとの間には以下の関係式が成立している。
【０１２４】
ｒ＝ｄｘｔａｎ（ａ）
この実施の形態では、例えば、頂角を１５度としている。
【０１２５】
円錐４６の側面の表現要素として描かれる直線４２は、底面となる円４９を８分割した位置と円錐４６の頂点４４とを結ぶことにより描かれる。
【０１２６】
底面となる円４９と頂点４４との間に描画される円４１は、底面と平行に、経路を等分割するよう描画される。
【０１２７】
これら円４１の経路上の間隔は予め設定されており、この例では５ｍｍとしている。
【０１２８】
つまり、円錐４６内部に描画される円４１の数は、軟性鏡の先端位置と軟性鏡が現在通っているべき経路データ４０の患部に近い端点４４との距離に応じて変化する。
【０１２９】
例えば、軟性鏡の先端位置と軟性鏡が現在通っているべき経路データ４０の患部に近い端点４４との距離が３０ｍｍの場合、円４１は円錐４６の内部に５個が描画される。
【０１３０】
このように構成されたオブジェクト座標系ｍにおける円錐４６は、更に座標変換行列ｆ  ｃｔｏｓ１６、座標変換行列ｃＨｅ１５、座標変換行列ｅＨｐ１７、座標変換行列ｐＨｍ１４を乗算することにより、モニタ１３上での位置データヘ変換され、軟性鏡の光学系より得られる画像へ重ね合わせて、モニタ１３によって術者に対しワイヤフレーム像として表示される。
【０１３１】
また、計測された軟性鏡先端の患者頭部に対する現在位置から、次に通るべき経路（現在通っているべき経路から、患部５０へより近付いた経路）の端点４３の位置情報もナビゲーション情報記憶部９より引き出される。
【０１３２】
更に、患部５０の位置２４の位置情報もナビゲーション情報記憶部９より引き出される。
【０１３３】
これによって、軟性鏡の現在位置から次に通るべき経路のデータ４０の両端４４、４８と、更に、次に進むべき線分が、ナビゲーション情報記憶部９より引き出されたことになる。
【０１３４】
ここで、端点４４と端点４３とを結ぶ経路を示す線分に対してナビゲーション制御部８において経路を示す筒状経路像を付加してもよいが、複数の経路に対して、同時に、筒状の経路を生成してモニタ１３上に表示すると、経路像が複雑となり、経路の状況が把握しにくくなる。
【０１３５】
そこで、図１３の（ｂ）に示すように手術経路を示す複数の線分の中から、任意の線分を選択して、選択された線分に対してのみ筒状の経路情報を付加して、表示を行うようにしている。
【０１３６】
この場合、図１３の（ｂ）では、軟性鏡の現在位置に最も近い端点４８と端点４４とを結ぶ経路のみに対して、筒状の経路情報を付加して、モニタ１３上に表示するようにしている。
【０１３７】
ここで、モニタ１３上に表示される経路情報を複雑にすることなく、次に進むべき経路を重ね合わせて表示する方法を提示する。
【０１３８】
即ち、図１４に示すように、現在通っているべき経路４０の両端の患部に近い端点４４と、次に通るべき経路の端点４３の位置を座標変換行列ｐＨｍ１４、座標変換行列ｅＨｐ１７、座標変換行列ｃＨｅ１５、座標変換行列ｆ．ｃｔｏｓ１６よりモニタ１３上の座標へ変換し、この変換された現在通っているべき経路４０の両端の患部に近い端点４４と、次に通るべき経路の端点４３での位置を結ぶ矢印４５で描画することにより、現在通っているべき経路から次に通るべき経路への方向を術者へ提示している。
【０１３９】
術者は、モニタ１３上に重畳表示された軟性鏡の光学系より得られる画像と円錐４６による経路像と、矢印４５による次に通るべき経路への方向を提示する像とを同時に見ながら軟性鏡を操作し、手術を行う。
【０１４０】
次に、この発明の第２の実施の形態による手術ナビゲーション装置の効果を説明する。
【０１４１】
本手術ナビゲーション装置では、現在の通っているべき経路の両端を主軸とする円錐で目標位置及び経路が示されるので、術者はこれらを直感的に容易に把握することができる。
【０１４２】
また、次に通るべき経路への進行方向が矢印で示されるので、現在の経路の先端から次にどちらへ軟性鏡の先端を曲げたらよいのかが容易に判断できる。
【０１４３】
また、本手術ナビゲーション装置でも第１の実施の形態と同様に位置ずれと姿勢ずれの内容を円錐で表現された経路像から容易に得ることができる。
【０１４４】
この結果、術者は、軟性鏡を、安全、且つ、確実に患部５０まで挿入することができる。
【０１４５】
なお、この発明の第２の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【０１４６】
例えば、３次元位置計測手段は本実施の形態の磁気式に限定されることなく、光学式や機械式などどのような形態であってもよい
また、円錐像を形成するための円４１を配置する主軸上の間隔は、この例では５ｍｍに設定されているが、この値は術者が任意に設定できる。
【０１４７】
また、経路像として描画する円４１の数を設定しておき、経路の長さに合せて円４１の配置間隔を調整する方法でもよい。
【０１４８】
この場合、例えば、円４１の数を４個に設定すると、円錐４６の頂点４４と底面となる円４９の中心６０との距離が４０ｍｍであれば、円４１の配置間隔は８ｍｍとなる。
【０１４９】
また、表示される経路像の形態はワイヤフレーム像に限定されることなく、サーフェスモデル像や半透明なボリュームレングリング像など他の３次元コンピュータグラッフィクスオブジェクトであってもよい。
【０１５０】
また、方向を示す矢印は、方向を表現できるあらゆるアイコンや記号に置き換えてもよい。
【０１５１】
また、例えば、図１５に示すように、経路端から離れた位置に記号４７を表示することにより、方向を示してもよい。
【０１５２】
そして、上述したような実施の形態で示した本明細書には、特許請求の範囲に示した請求項１乃至３以外にも、以下に付記１として示すような発明が含まれている。
【０１５３】
（付記１）  前記経路像生成手段は、前記３次元位置姿勢計測手段により計測された前記被検体または前記画像入力手段の少なくとも一方の３次元位置情報と前記記憶手段に記憶された複数の線分の結合からなる手術経路に基づいて、前記目標部の方向を示す記号を前記経路像を示す線分に付加して生成することを特徴とする請求項３に記載の手術ナビゲーション装置。
【０１５４】
（対応する発明の実施の形態）
この発明に関する実施の形態は、第２の実施形態が対応する。
【０１５５】
上記構成要素中の前記目標部へ向かう線分の方向を示す記号は、この第２の実施形態では矢印４５が該当するが、多角形などのアイコンや記号等も含むものとする。
【０１５６】
また、経路像の主軸から離れた位置に表示することにより、方向性を付加されたアイコンや記号等も含むものとする。
【０１５７】
（作用効果）
この手術ナビゲーション装置は、画像入力手段が現在表示されている経路の次に向う方向を、前記目標部へ向かう線分の方向を示す記号で表現する。
【０１５８】
この結果、使用者は現在の経路の終端から次に進むべき方向を容易に把握することが可能になる。
【０１５９】
【発明の効果】
従って、以上説明したように、請求項１記載の本発明によれば、目標部までの経路を表わす筒状の経路像と、画像入力手段により撮影された画像とを重ね合わせて表示するので、使用者は目標部及び経路と画像入力手段との位置関係と姿勢関係とを同時に容易に把握することが可能になることにより、容易に目標の位置、及び目標への計画された経路全体を認識可能な手術ナビゲーション装置を提供することができる。
【０１６０】
また、以上説明したように、請求項２記載の本発明によれば、目標部までの経路を筒状の経路像として表示し、且つ表示されている経路像に目標部と前記画像入力手段との距離情報が付加されるので、使用者は目標部と画像入力手段との位置関係と姿勢関係とを同時に容易に把握し、且つ目標部と画像入力手段との距離を容易に把握することが可能になることにより、容易に目標の位置、及び目標への計画された経路全体を認識可能な手術ナビゲーション装置を提供することができる。
【０１６１】
また、以上説明したように、請求項３記載の本発明によれば、被検体及び画像入力手段の３次元位置姿勢情報の少なくとも一方に基づいて、現在術者が必要としている部分の経路像を生成するので、表示される経路像が必要以上に複雑になることがなく、この結果、使用者は現在必要な情報を容易に把握することが可能になることにより、容易に目標の位置、及び目標への計画された経路全体を認識可能な手術ナビゲーション装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による手術ナビゲーション装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、図１の被検体１のデータと被検体１自身が、耳や目等の身体上の特徴点や、被検体１に取り付けたマーカ等のオブジェクト座標系ｍ上の座標値モデルデータ７０と、これに対応する特徴点のセンシングプレート２で規定される座標系ｐ上の座標値を計測し、座標変換行列ｐＨｍ１４を算出することで関連づけられていることを示す図である。
【図３】図３は、座標変換行列が、３次元空間での回転動作を表す３行３列の成分Ｒと、３次元空間での並進動作を表す３行１列の成分Ｔと、定数成分で構成される４行４列の行列であることを示す図である。
【図４】図４は、図１のセンシングプレート４で規定される座標系ｅから硬性鏡３の光学系を表現するカメラモデルで使用される座標系ｃへの座標変換行列ｃＨｅ１５と、カメラモデル座標系ｃから実際のモニタ１３上の座標系ｓへの座標変換行列ｆ  ｃｔｏｓ１６が求められていることを示す図である。
【図５】図５は、座標変換行列ｅＨｐ１７が３次元位置姿勢計測手段より得られることで、本発明の第１の実施形態による手術ナビゲーション装置を動作させるために必要な座標変換行列が全て揃うことを示す図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施形態による手術ナビゲーション装置において、経路を表現する円錐２６の作成手順を説明するための図である。
【図７】図７は、本発明の第１の実施形態による手術ナビゲーション装置において、経路を表現する円錐２６の作成手順を説明するための図であり、且つ図６に示す経路がモニタ１３上で描画されることを示す図である。
【図８】図８は、従来技術「医用ナビゲーションシステム」（特開平０９−１７３３５２号公報）での表示例を示す図である。
【図９】図９は、本発明の第１の実施形態による手術ナビゲーション装置において、患部５０に対して設定した到達位置２４と経路１０が円錐２６で表示された場合、現在位置と計画した経路１０との位置及び姿勢のずれを容易に把握できることを示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の第１の実施形態の変形例として、円錐２６の頂点（到達位置２４）からの距離を表す文字情報１１が、３次元コンピュータグラッフィクスオブジェクトの色や濃度や線の太さ、及び線種（実線、破線、一点鎖線等）の少なくとも一方に置き換えてもよい場合に、凡例２８をディスプレイ上に示すようにすることも有効であることを示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の第１の実施形態の変形例として、経路１０が挿入部５１から患部５０に対して設定した到達位置２４までの連続的なデータで与えられた曲線、または連結された線分であってもよいことを示す図である。
【図１２】図１２は、図１１に示す曲線経路が、モニタ１３上で描画されることを示す図である。
【図１３】図１３の（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の第２の実施形態による手術ナビゲーション装置において、経路を表現する円錐４６の作成手順を説明するための図である。
【図１４】図１４は、本発明の第２の実施形態において、現在通っているべき経路４０を表現する円錐４６と、次に通るべき経路の端点を示す結ぶ矢印４５とを描画することにより、現在通っているべき経路から次に通るべき経路への方向を術者へ提示していることを示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の第２の実施形態の変形例として、方向を示す矢印は、方向を表現できるあらゆるアイコンや記号に置き換えてもよい場合に、例えば、経路端から離れた位置に記号４７を表示することにより、方向を示してもよいことを示す図である。
【符号の説明】
１…被検体、
２…センシングプレート、
３…硬性鏡、
４…センシングプレート、
５…センサ情報記憶部、
６…センサ制御部、
７…センサアセンブリ、
８…ナビゲーション制御部、
９…ナビゲーション情報記憶部、
１０…経路データ、
１１…文字情報、
１３…モニタ、
１４…座標変換行列ｐＨｍ、
１５…１６…座標変換行列ｆ  ｃｔｏｓ、
１７…座標変換行列ｅＨｐ、
２０…カメラ座標系ｃのＸＹ平面、
２１…円２２の中心、
２２…円錐２６の底面となる円、
２３…円錐２６の側面の表現要素直線、
２４…到達位置（円錐２６の頂点）、
２５…円錐２６の側面を表す円、
２６…円錐、
２７…患部の位置を示す記号、
２８…凡例、
４０…経路データ、
４１…円錐４６の側面を表す円、
４２…円錐４６の側面の表現要素直線、
４３…次に通るべき経路の端点、
４４…経路４０の患部に近い端点且つ円錐４６の頂点、
４５…矢印、
４６…円錐、
４７…記号、
４８…経路４０の端部、
４９…円錐４６の底面となる円、
５０…患部、
５１…硬性鏡挿入部、軟性鏡挿入部
６０…円４９の中心、
６１…カメラ座標系ｃのＸＹ平面、
７０…モデルデータ、
ｍ…オブジェクト座標系、
ｅ…センシングプレート４で規定される座標系、
ｐ…センシングプレート２で規定される座標系、
ｃ…カメラモデルで使用される座標系、
ｓ…実際のモニタ１３上の座標系。
【図１】
0003780146.tif 000002
【図２】
0003780146.tif 000003
【図３】
0003780146.tif 000004
【図４】
0003780146.tif 000005
【図５】
0003780146.tif 000006
【図６】
0003780146.tif 000007
【図７】
0003780146.tif 000008
【図８】
0003780146.tif 000009
【図９】
0003780146.tif 000010
【図１０】
0003780146.tif 000011
【図１１】
0003780146.tif 000012
【図１２】
0003780146.tif 000013
【図１３】
0003780146.tif 000014
【図１４】
0003780146.tif 000015
【図１５】
0003780146.tif 000016