JP2001187065A - 顕微鏡下手術支援システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】顕微鏡、手術器具の３次元データが常に安定し
た状態で得られる顕微鏡下手術支援システムを提供する
ことにある。 【解決手段】顕微鏡及び術部に挿入される手術器具の３
次元位置を検出し、術部の解剖学的断層像上に表示する
顕微鏡下手術支援システムにおいて、術部に対する鏡体
２の３次元位置を検出する第１の検出手段と、前記手術
器具２２の鏡体２に対する３次元位置を検出する第２の
検出手段と、前記第１、第２の検出手段の検出結果に基
づき、前記手術器具２２の術部に対する３次元位置を演
算する演算部とからなり，前記第２の検出手段は、鏡体
２の対物開口部近傍に設けたＬＥＤ１３ａ，１３ｂと、
手術器具２２に設けた受信部材ＣＣＤカメラ１７ｃ，１
７ｄからなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は，顕微鏡及び術部
に挿入される手術器具の３次元位置を検出し、術部の解
剖学的断層像上に表示する顕微鏡下手術支援システムに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、脳外科等の顕微鏡下手術の際に使
用されるナビゲーションシステムとしては特開平５−３
０５０７３号公報で示されるシステムが知られている。
一般には手術用顕微鏡本体や内視鏡、吸引管等の手術器
具上に設けられたＬＥＤ等の信号部材を、術室に設置し
たデジタイザと呼ばれる大型のＣＣＤカメラ等の受信装
置で認識することで、それぞれの３次元位置を演算し、
事前に撮影したＣＴ等の画像上に表示することで手術を
支援する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般に顕微鏡下手術は
狭い空間内での処置であり、その術部を中心に執刀医の
他、助手や看護婦が周りを囲んでいる。そのため、内視
鏡や処置具に設けたＬＥＤが術者によって隠れてしま
い、術部から離れた位置に置かれたデジタイザで認識す
ることができなくなる場合がある。また、認識性を高め
るためデジタイザをベッドサイドに近づけた場合、デジ
タイザ自体が大型であるため術者の邪魔になってしまう
こともある。

【０００４】また、このような顕微鏡支援システムの場
合、あらかじめ内視鏡等の手術器具の先端位置、挿入部
太さ、視野方向等の情報をワークステーション上に登録
する、いわゆるキャリブレーションという作業が必要で
ある。そして術中に手術器具を変更した場合、キャリブ
レーションをやり直すか、もしくは手動スイッチで事前
に登録しておいたキャリブレーション情報を読み出し、
設定する必要があり、手技が煩雑になるという問題があ
った。

【０００５】この発明は，前記事情に着目してなされた
もので，その目的とするところは、術者の邪魔になら
ず、尚且つ確実に内視鏡や処置具等の手術器具の位置を
認識可能できる顕微鏡下手術支援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】前記目的を達成するため
に、顕微鏡及び術部に挿入される手術器具の３次元位置
を検出し、術部の解剖学的断層像上に表示する顕微鏡下
手術支援システムにおいて、術部に対する顕微鏡の３次
元位置を検出する第１の検出手段と、手術器具の前記顕
微鏡に対する３次元位置を検出する第２の検出手段と、
前記第１、第２の検出手段の検出結果に基づき、前記手
術器具の術部に対する３次元位置を演算する演算部とか
らなり，前記第２の検出手段は、顕微鏡の対物開口部近
傍に設けた信号部材と、手術器具に設けた複数の受信部
材からなることを特徴とする。

【０００７】前記構成によれば，前記受信部材が前記信
号部材からの信号を検知し、手術器具に対する顕微鏡の
３次元位置を演算することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下，この発明の各実施の形態を
図面に基づいて説明する。

【０００９】図１及び図２は第１の実施形態を示し，図
１は顕微鏡下手術支援システムの全体概略図、図２は鏡
体部分を拡大した側面図である。手術用顕微鏡１は、架
台３が床面を移動自在なベース４と、このベース４上に
支柱５が立設され、その支柱５の上端部には、図示しな
い照明用光源が内蔵された第１アーム６の一端が軸Ｏ１
を中心に回動自在に取付けられている。

【００１０】前記第１アーム６の他端部には、軸Ｏ２を
中心に回動自在に第２アーム７の一端が取付けられてい
る。この第２アーム７は上下移動操作を行うべく、リン
ク機構とバランス調整用のスプリング部材からなるパン
タグラフアームであり、その他端部には、軸Ｏ３を中心
に回動自在に第３アーム８が取付けられている。第３ア
ーム８は、軸Ｏ４を中心とした鏡体２の術者の観察方向
に対する前後方向の俯仰、軸Ｏ５を中心とした術者の左
右方向の俯仰を可能としたアームである。第３アーム８
の他端部には鏡体２が設けられている。

【００１１】さらに，前記鏡体２が空間的に自在に位置
調整を行い、位置固定を行うために、これらの回転軸Ｏ
１〜Ｏ５における回転部には図示しない電磁ブレーキが
各々設けられている。前記電磁ブレーキは支柱５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、前
記電磁ブレーキ電源回路は、図２に示すように、鏡体２
に一体に固定されたグリップ９に設けられたスイッチ１
０と接続されている。

【００１２】鏡体２には対物レンズ１１を有しており、
この対物レンズ１１は図示しないモータと位置センサに
連結され、かつ光軸方向に移動可能に構成され、前記位
置センサによりレンズ位置が検出できるように構成され
ている。

【００１３】１２は後述するデジタイザが鏡体２の３次
元座標を検出するための信号板である。信号板１２には
信号部材として２個以上のＬＥＤ１３ａが一体に固定さ
れている。また前記対物レンズ１１の周囲には同様に信
号部材としてのＬＥＤ１３ｂが２個以上設けられてい
る。ＬＥＤ１３ａ，１３ｂはそれぞれＬＥＤ制御装置１
４に接続されている。ＬＥＤ制御装置１４は計測装置１
５と接続されている。

【００１４】１６はＬＥＤ１３ａ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。デジタイザ１６は受信部材として２台のＣ
ＣＤカメラ１７ａ，１７ｂと、前記ＣＣＤカメラ１７
ａ，１７ｂの位置を固定させているカメラ支持部材１８
とスタンド１９により構成され、手術室のベッドから離
れた位置に設置されている。前記ＣＣＤカメラ１７ａ，
１７ｂは各々計測装置１５と接続され、計測装置１５は
Ａ／Ｄ変換機２０を介してワークステーション２１と接
続されている。

【００１５】内視鏡や超音波吸引プローブ等の手術器具
２２の、前記顕微鏡１の対物レンズ１１に対向する位置
の外表面には、受信部材として２台のＣＣＤカメラ１７
ｃ，１７ｄが設けられている。前記ＣＣＤカメラ１７
ｃ，１７ｄは各々計測装置１５と接続され、計測装置１
５はＡ／Ｄ変換機２０を介してワークステーション２１
と接続されている。

【００１６】ワークステーション２１には処理した情報
を表示するモニター２３が接続されている。治療対象と
なる患者２４の術部周囲にはマーク部材２５ａ，２５
ｂ，２５ｃが固定されている。

【００１７】次に，顕微鏡下手術支援システムの作用に
ついて説明する。

【００１８】手術前にあらかじめ撮影したＣＴ、ＭＲＩ
装置等の断層画像を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。手術を始めるにあたっ
てワークステーション２１内の断層画像データと術部の
座標の相関をとるべくマーク部材２５ａ，２５ｂ，２５
ｃを用いてキャリブレーションを行う。

【００１９】術者はグリップ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
によるロックを解除し、鏡体２を移動して術部の観察部
位に焦点位置を位置決めする。

【００２０】デジタイザ１６は、鏡体２に設けた信号板
１２上の複数のＬＥＤ１３ａを検出し、これに基づいて
デジタイザ１６から発せられる信号は計測装置１５及び
Ａ／Ｄ変換機２０で処理され、さらにワークステーショ
ン２１により生体座標系における鏡体２の位置及び姿勢
が算出される。

【００２１】また位置センサにより対物レンズ１１の位
置情報がワークステーション２１に伝送される。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２に対する焦点の相対位置が算出される。

【００２２】手術器具２２に設けた２台のＣＣＤカメラ
１７ｃ，１７ｄは、常に術部に向いている鏡体２の対物
レンズ１１周囲に設けられたＬＥＤ１３ｂを検出し、こ
れに基づいてＣＣＤカメラ１７ｃ，１７ｄから発せられ
る信号は計測装置１５及びＡ／Ｄ変換機２０で処理さ
れ、ワークステーション２１により手術器具２２と鏡体
２の相対位置及び姿勢が算出される。さらに、この情報
は、ワークステーション２１上で先の生体座標系におけ
る鏡体２の位置及び姿勢情報と統合され、生体座標系に
おける手術器具２２の位置及び姿勢が算出される。

【００２３】以上により得られた生体座標系における鏡
体２の位置、姿勢、焦点、及び手術器具２２の位置、姿
勢情報は、ワークステーション２１によりモニター２３
上に前記生体内３次元画像データに重ねて表示される。

【００２４】なお、第１の実施形態におけるデジタイザ
１６の代わりに、第２の実施形態として，前記手術用顕
微鏡１に回転軸Ｏ１〜Ｏ５に各々図示しないエンコーダ
を設け、各エンコーダからの出力は前記Ａ／Ｄ変換機２
０を経由してワークステーション２１へ送られるように
してもよい。

【００２５】このように構成すれば，手術用顕微鏡１の
各回転軸Ｏ１〜Ｏ５に設けた各エンコーダからの出力を
元に、鏡体２の位置、姿勢がワークステーションにて算
出される。従って，大型のデジタイザを術室内に設置す
る必要が無いため、術者や助手が安全かつ自由に移動可
能となる。

【００２６】図３は第３の実施形態を示し，手術器具２
２として，例えば硬性鏡を示す。この手術器具２２の基
端側には受信アダプター３０が設けられている。受信ア
ダプター３０は把持部３１とカメラ支持部３２とから構
成されている。把持部３１はその一部に長手方向の開口
部３３を有する弾性樹脂材等から成る円筒形状を有して
いる。この開口部３３は手術器具２２の基端側の径より
狭く、また把持部３１の内径は手術器具２２の基端側の
径とほぼ同等に形成されている。

【００２７】カメラ支持部３２には、長手方向に離れた
位置にＣＣＤカメラ３４ａ，３４ｂが設けられている。
カメラ支持部３２の基端側にはケーブル３７が設けられ
ている。ＣＣＤカメラ３４ａ，３４ｂの信号は前記ケー
ブル３７を介して計測装置１５に通じている。

【００２８】本実施形態によれば，術者は術前に、使用
する内視鏡や超音波プローブ等の手術器具２２に受信ア
ダプター３０を開口部３３を押し付ける。開口部３３は
弾性部材であるため、必要な幅に広がって装着される。
術後は、受信アダプター３０を装着時と反対方向に引張
ることで手術器具２２から取り外すことができる。

【００２９】従って，使用する手術器具２２に自由に受
信アダプター３０を着脱することが可能であるため、顕
微鏡下手術専用の手術器具２２を用意する必要が無く、
従来の器具を流用できるため経済的である。

【００３０】前記第１〜第３の実施形態によれば，顕微
鏡上の信号部材と手術器具上の受信部材との間を術者や
助手等が邪魔してしまうことが無く、確実に両者の信号
−受信関係が成立する。従って、顕微鏡、手術器具の３
次元データが常に安定した状態で得られるため、また、
第１の検出手段も顕微鏡のみを認識すればよいため、術
部から離れた位置に設置すればよく、術者や助手の動き
を損なうことも無く術者も安心して手技に専念できると
いう効果がある。

【００３１】図４及び図５は第４の実施形態を示し，第
１の実施形態と同一構成部分は同一番号を付して説明を
省略する。内視鏡や超音波吸引プローブ等の手術器具２
２の基端側には信号アダプター３５が着脱自在に固定さ
れている。信号アダプター３５には少なくとも２個のＬ
ＥＤ３６が設けられている。ＬＥＤ３６はケーブル３７
を介してＬＥＤ制御装置１４を経由して計測装置１５と
接続されている。

【００３２】鏡体２の内部は図５に示すように，鏡体２
には変倍光学系４０と一対の結像レンズ４１ａ，４１ｂ
の間に９０度横に光束の一部を偏光すべく配置したハー
フミラー４２が備えられている。さらに偏光された光束
を再度上方に反射させるミラー４３が設けられている。
４４ａ，４４ｂは前記偏光された光束を結像するための
一対の結像レンズである。変倍光学系４０には図示しな
い倍率検出手段が連結され、更にワークステーション２
１へと接続され、倍率情報をモニター２３上に表示可能
となっている。結像レンズ４１ａ,４１ｂは接眼レンズ
４５ａ，４５ｂの焦点位置に光束を結像する位置に設け
られている。

【００３３】鏡体２の所定の位置にはカメラボックス４
６が取り付けられており、ＣＣＤカメラ４７ａ，４７ｂ
が内蔵されている。ＣＣＤカメラ４７ａ，４７ｂは各々
結像レンズ４４ａ，４４ｂによる結像面に配置されるよ
うにカメラボックス４６の所定の位置に固定されてい
る。

【００３４】前記ＣＣＤカメラ４７ａ，４７ｂは各々図
示しないＣＣＵ（カメラコントロールユニット）を経由
して計測装置１５、更にワークステーション２１へと接
続されている。

【００３５】図６は第５の実施形態を示し，手術器具と
して内視鏡４８を示す。内視鏡４８は挿入部４９、把持
部５０、接眼部５１から構成されている。接眼部５１に
は図示しない既知のＣＣＤカメラが接続可能な形状を有
している。把持部５０は前記信号アダプター３５が着脱
可能な円筒形状を有し、図示しない既知のライトガイド
ケーブルが着脱可能な口金部５２が径方向に設けられて
いる。

【００３６】挿入部４９は円筒形状であり、その先端側
外周面には内視鏡４８の機能を示すバーコード５３が設
けられている。ここで言う内視鏡４８の機能とは、画
角、視野方向、挿入部４９の外径、軸方向長さ等であ
る。前記バーコード５３は挿入部４９の円周方向の一部
に限らず、全周に設けてあってもよい。

【００３７】前記バーコード５３は、挿入部４９の先端
側に限らず、基端側もしくは把持部５０の外表面上に設
けてもよい。また複数箇所に設けてもよい。ワークステ
ーション２１には処理した情報を表示するモニター２３
が接続されている。また，治療対象となる患者２４の術
部周囲にはマーク部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃが固定さ
れている。

【００３８】なお、内視鏡４８の位置、傾きは信号アダ
プター３５に設けられたＬＥＤ３６をデジタイザ１６が
検出することで鏡体２と同様、可能となる。

【００３９】術部からの光束は対物レンズ１１から鏡体
２へ入射し、変倍光学系４０を透過しハーフミラー４２
により透過して直進する光束と、前記ハーフミラー４２
で反射して９０度偏光された光束に分配される。直進し
た光束は結像レンズ４１ａ，４１ｂにより結像し接眼レ
ンズ４５ａ，４５ｂを透過して観察される。一方、ハー
フミラー４２で反射した光束はミラー４３で上方に反射
し、一対の結像レンズ４４ａ，４４ｂで結像し、ＣＣＤ
カメラ４７ａ，４７ｂに各々投影される。これにより撮
影された画像はモニター２３上に映し出されるとともに
計測装置１５を経由しワークステーション２１に出力さ
れる。

【００４０】バーコード５３が顕微鏡下にあり, ＣＣＤ
カメラ４７ａ，４７ｂに映し出されている場合におい
て、計測装置１５及びワークステーション２１はバーコ
ード５３の情報を認識し,それに伴い表示内容設定を切
り替え,画像情報（画角、視野方向、挿入部４９の外
径、軸方向長さ等）としてモニター２３上に、既に記録
されている断層画像等と共に重ね合せ、表示する。

【００４１】術中、術者が視野方向や挿入部外径の異な
る内視鏡に交換した場合、前述と同様に、交換した内視
鏡に設けてあるバーコード５３に従った情報に設定が切
り替わり、モニター２３上に表示される。

【００４２】なお，バーコード５３が円周全周にある場
合は、内視鏡４８が長手軸を中心にどのような位置に回
転していても認識が可能である。

【００４３】図７は第６の実施形態を示し，計測装置１
５及びワークステーション２１は画像上の文字を認識す
るプログラムを有する。内視鏡４８は外表面上の少なく
とも１ヶ所に型番号５４が表示されている。

【００４４】そして,術者は，あらかじめ術中に使用す
るであろう内視鏡の型番号および機能（画角、視野方
向、挿入部４９の外径、軸方向長さ等）をワークステー
ション上に登録しておく。

【００４５】内視鏡４８の外表面に設けられた型番号５
４が顕微鏡観察下にあり、ＣＣＤカメラ４７ａ，４７ｂ
に映し出されている場合において、計測装置１５及びワ
ークステーション２１は型番号５４を認識し、あらかじ
め登録しておいた型番号に伴う情報（画角、視野方向、
挿入部４９の外径、軸方向長さ等）を読み出し、モニタ
ー２３上に、既に記録されている断層画像等と共に重ね
合せ、表示する。

【００４６】従って，医療器具は外表面に型番が設けて
あればそれを利用することができるため、専用のものを
新たに用意する必要が無く、経済的である。

【００４７】図８は第７の実施形態を示し，内視鏡４８
の外表面には機種毎に反射率や間隔が異なるマーカー部
５５が設けられている。

【００４８】そして，術者は、あらかじめ術中使用する
であろう内視鏡のマーカー部５５をデジタイザ１６で認
識させ、同時に機能（画角、視野方向、挿入部４９の外
径、軸方向長さ等）をワークステーション上に登録し、
マーカー部との相関を取る。

【００４９】術中、内視鏡を交換した場合、内視鏡４８
の外表面上のマーカー部５５をデジタイザ１６が認識す
ると、計測装置１５及びワークステーション２１はあら
かじめ登録しておいた機能情報を読み出し、モニター２
３上に、既に記録されている断層画像等と共に重ね合
せ、表示する。

【００５０】従って，手術器具の種別／機能認識をデジ
タイザが行うため、顕微鏡にＣＣＤカメラを設ける必要
が無く、システムが簡便になる。また，術者が術中に手
術器具を交換しても、自動的にその器具に伴う設定に切
り替わり、術者の手を煩わすことが無く、安心して術式
に集中できる。

【００５１】前記各実施の形態によれば，次のような構
成が得られる。

【００５２】（付記１）顕微鏡及び術部に挿入される手
術器具の３次元位置を検出し、術部の解剖学的断層像上
に表示する顕微鏡下手術支援システムにおいて、術部に
対する顕微鏡の３次元位置を検出する第１の検出手段
と、前記手術器具の前記顕微鏡に対する３次元位置を検
出する第２の検出手段と、前記第１、第２の検出手段の
検出結果に基づき、前記手術器具の術部に対する３次元
位置を演算する演算部とからなり，前記第２の検出手段
は、顕微鏡の対物開口部近傍に設けた信号部材と、手術
器具に設けた受信部材からなることを特徴とする顕微鏡
下手術支援システム。

【００５３】（付記２）前記受信部材は、手術器具に着
脱自在であることを特徴とする付記１記載の顕微鏡下手
術支援システム。

【００５４】（付記３）前記受信部材はＣＣＤであるこ
とを特徴とする付記１または２記載の顕微鏡下手術支援
システム。

【００５５】（付記４）顕微鏡及び術部に挿入される手
術器具の３次元位置を検出し、術部の解剖学的断層像上
に表示する顕微鏡下手術支援システムにおいて、術部に
対する顕微鏡の３次元位置を検出する第１の検出手段
と、前記手術器具の外表面に設けた手術器具の形態情報
を示す指標部と、前記指標部を認識する第２の検出手段
とを有し、この認識に基づき自動的に表示設定を切り替
えるようにしたことを特徴とする顕微鏡下手術支援シス
テム （付記５）前記第１の検出手段と第２の検出手段は同一
であることを特徴とする付記４記載の顕微鏡下手術支援
システム。

【００５６】（付記６）前記第２の検出手段は、顕微鏡
の光学部材内に設けたことを特徴とする付記４記載の顕
微鏡下手術支援システム （付記７）前記指標部はバーコードであることを特徴と
する付記４または６記載の顕微鏡下手術支援システム。

【００５７】付記８）前記指標部は文字であり、前記第
２の検出手段は文字認識機能を有することを特徴とする
付記４または６記載の顕微鏡下手術支援システム。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように，この発明によれ
ば，顕微鏡上の信号部材と手術器具上の受信部材との間
を術者や助手等が邪魔してしまうことが無く、確実に両
者の信号−受信関係が成立する。従って、顕微鏡、手術
器具の３次元データが常に安定した状態で得られるた
め、また、第１の検出手段も顕微鏡のみを認識すればよ
いため、術部から離れた位置に設置すればよく、術者や
助手の動きを損なうことも無く術者も安心して手技に専
念できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態を示す顕微鏡下手術
支援システム全体の構成図。

【図２】同実施形態を示し、鏡体の側面図。

【図３】この発明の第３の実施形態を示す硬性鏡の斜視
図。

【図４】この発明の第４の実施形態を示す鏡体の側面
図。

【図５】同実施形態の鏡体の内部構造を示す構成図。

【図６】この発明の第５の実施形態を示す硬性鏡の斜視
図。

【図７】この発明の第６の実施形態を示す硬性鏡の斜視
図。

【図８】この発明の第７の実施形態を示す硬性鏡の斜視
図。

【符号の説明】

１…手術用顕微鏡 ２…鏡体 １３ａ，１３ｂ…ＬＥＤ（信号部材） １６…デジタイザ １７ｃ，１７ｄ…ＣＣＤカメラ（受信部材）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 工藤 正宏 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 唐沢 均 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 菅井 俊哉 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 塩田 敬司 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 下村 浩二 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 中村 剛明 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4C060 FF31 JJ17 JJ25 4C061 AA00 BB00 CC00 DD00 HH51 HH56 JJ11 5C054 AA01 AA05 CC05 CD05 EA01 EA05 FA09 FC15 FD05 FE13 FF02 HA12

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 顕微鏡及び術部に挿入される手術器具の
   ３次元位置を検出し、術部の解剖学的断層像上に表示す
   る顕微鏡下手術支援システムにおいて、 術部に対する顕微鏡の３次元位置を検出する第１の検出
   手段と、 前記手術器具の前記顕微鏡に対する３次元位置を検出す
   る第２の検出手段と、 前記第１、第２の検出手段の検出結果に基づき、前記手
   術器具の術部に対する３次元位置を演算する演算部とか
   らなり，前記第２の検出手段は、顕微鏡の対物開口部近
   傍に設けた信号部材と、手術器具に設けた受信部材から
   なることを特徴とする顕微鏡下手術支援システム。