JP2010200894A - 手術支援システム及び手術ロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】手術の対象となる腫瘍などの対象部位と、手術器具との現在の位置関係、又は予測される将来の位置関係を算出するための技術を提供する。
【解決手段】処手術支援システムは、コンピュータからなる処理装置１、処理装置に接続された表示装置２（ディスプレイ）、手術室内の様々な器具の位置を検出する位置検出器３、及び、人体に埋め込まれた埋込マーカＭＭを検出する埋込マーカ検出装置４を備えている。そしてさらに処理装置は、手術対象となるターゲットデータを記憶するための記憶部１１、領域色分けモデル生成部１２、拡張現実感イメージ生成部１３、内視鏡５の位置・姿勢データ生成部１４、手術器具（処置具）の位置・姿勢データ生成部１５、埋込マーカの位置・姿勢データ生成部１６、手術ナビゲーションデータ生成部１７、及び表示制御部１８を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、手術支援システム及び手術ロボットシステムに関するものである。

手術を支援するシステムとしては、例えば、非特許文献１記載の「拡張現実感（Augmented reality）イメージガイダンス」のためのシステムがある。

拡張現実感イメージガイダンスとは、手術対象を含む立体空間を撮影した「術中あるいは術前に獲得した二次元画像の集合データ（Volume data）」をデジタル情報としてコンピュータにすべて取り込み、そのデータを源に「対象臓器を中心に手術プランニングに役立つような」３次元画像をコンピュータで再構築し、その３次元モデル（computer graphics）を、通常の手術野を提供する内視鏡画面のディスプレイ（通常は２次元画像）に重ね合わせて重畳表示（superimpose）し、手術視野の向こうにある（実際には隠れて見ることのできない）３次元情報を術者に直接視覚的に提供するという特殊なコンピュータグラフィックス技術である。

そして、非特許文献１には手術プランニングに役立つ３次元モデルとして、術前にＣＴ（Computed Tomography）によって取得した腎臓の３次元立体画像において、腫瘍領域を「赤色」、腫瘍辺縁０〜５ミリ領域を「黄色」、腫瘍辺縁５〜１０ミリ領域を「緑色」、腫瘍辺縁１０ミリ超領域を「青色」で示す、４領域４色のモデル（４領域４色識別手術プランニングモデル）が提案されている。

非特許文献１の４領域４色識別手術プランニングモデルを、実際の内視鏡ビデオ画面に重畳表示（superimpose）して術者に提示すると、術者は、リアルタイムに術野の向こうの（実際には隠れてみることのできない）腫瘍等の存在を認識することができる。

浮村理 他，"低侵襲手術の正確さ・安全性・スピードの改善のためのComputer-aided Image Guidance"，泌尿器外科，Ｖｏｌ．２１ Ｎｏ１１，ｐｐ１４８１−Ｐ１４８７，医学図書出版株式会社，２００８年

本発明は、手術の対象となる腫瘍などの対象部位と、手術器具との現在の位置関係、又は予測される将来の位置関係を算出するための技術を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、前記位置関係を、術者に分かり易く提示するための技術を提供することである。
本発明の更に他の目的は、術中の対象部位の移動／変形に対応させることである。
本発明の更に他の目的は、前記位置関係を、ロボット手術の制御に適用することである。

本発明は、手術の対象部位を示す３次元モデルのイメージデータを含むターゲットデータを記憶するための記憶部と、手術器具における特定の基準位置及び／又は手術器具周囲における特定の基準位置が、手術空間において位置する空間座標を、検出する基準位置検出部と、術中の前記対象部位が、前記手術空間において位置する空間座標を、検出する対象部位検出部と、前記ターゲットデータが示す前記３次元モデルが、前記手術空間において位置すべき空間座標を、前記対象部位検出部によって検出された前記対象部位の前記空間座標に基づいて算出する算出部と、前記ターゲットデータが示す前記３次元モデル及びその周囲を前記３次元モデルからの距離に応じて区分けした複数の領域のうち、前記基準位置が位置する領域を示すナビゲーションデータを生成するデータ生成部と、を備えていることを特徴とする手術支援システムである。

前記ナビゲーションデータを画面表示させる表示手段を備え、前記表示手段は、前記ターゲットデータが示す前記３次元モデル及びその周囲を前記３次元モデルからの距離に応じて区分けした複数の領域のうち、前記基準位置が位置する領域を、前記複数の領域それぞれに設定された色で示すための画面を表示させるのが好ましい。

前記基準位置検出部によって前記空間座標の検出対象となる前記基準位置には、前記手術器具の前記姿勢及び／又は前記移動方向に基づいて予測される、前記手術器具の予測位置が含まれるのが好ましい。

前記基準位置には、前記手術器具から延びる仮想的な直線上に含まれる複数の点が含まれるのが好ましい。

前記仮想的な直線は、長尺状の前記手術器具の長手軸方向に一致する直線であるのが好ましい。

前記基準位置には、前記手術器具の周囲に設定された仮想的な球の表面上の位置が含まれるのが好ましい。

前記基準位置には、前記手術器具の周囲に設定された仮想的な半球の表面の位置が含まれる位置が含まれ、前記仮想的な半球は、その半球の天頂を、前記手術器具の先端から延びる仮想的な直線が通過するものであるのが好ましい。

前記対象部位又はその周囲に埋め込まれた複数のマーカによって、術中の前記対象部位の移動及び／又は変形を検出し、検出された前記対象部位の移動及び／又は変形に応じて、前記３次元モデルの座標を移動させる処理、及び／又は、前記３次元モデルを変形させる処理を行う手段を備えているのが好ましい。

他の観点からみた本発明は、前記手術器具の移動を駆動制御する制御部と、前記手術支援システムと、を備えた手術ロボットシステムであって、前記制御部は、前記手術支援システムによって生成されたナビゲーションデータを、取得し、取得したナビゲーションデータに基づいて、前記手術器具の移動を駆動制御することを特徴とする手術ロボットシステムである。

本発明によれば、手術の対象となる腫瘍などの対象部位と、手術器具との現在の位置関係、又は予測される将来の位置関係が算出される。

手術支援システムの全体構成を示す図である。 処理装置の機能ブロック図である。 ターゲットデータＴが示す３次元モデル（臓器及び腫瘍）のイメージ図である。 領域色分けモデルのイメージ図である。 手術ナビゲーションデータ生成部の機能ブロック図である。 サージカルシグナルデータ＆サージカルレーダデータ生成部の機能ブロック図である。 基準位置を示す図である。 対象部位内外の複数の領域を示す図である。 基準位置と複数の領域の関係を示す図である。 サージカルシグナルデータを示す図である。 サージカルシグナルデータの表示画面を示す図である。 基準位置となる半球表面上の点を示す図である。 ｙｚ平面上の投影点ｑを示す図である。 半球と複数の領域の関係とを示す図である。 サージカルレーダデータの表示画面を示す図である。 手術ロボットシステムの構成図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
なお、以下の説明では、内視鏡手術を例として説明するが、本システムが支援の対象とする手術法が内視鏡手術に限定されるものではない。

［１．手術支援システムの全体構成］
図１に示すように、本実施形態に係る手術支援システムは、コンピュータからなる処理装置１、処理装置１に接続された表示装置（ディスプレイ）２、手術室内の様々な器具の位置を検出する位置検出器３、及び、人体に埋め込まれた埋込マーカＭＭを検出する埋込マーカ検出装置４を備えている。

前記処理装置１には、前記位置検出用器３、埋込マーカ検出装置４、及び内視鏡５が接続されており、前記位置検出用カメラ３、埋込マーカ検出装置４、及び内視鏡５から取得したデータに基づいて、手術支援のためのナビゲーションデータを生成する処理を行う。なお、処理装置１の機能の詳細については後述する。
前記表示装置（ディスプレイ装置）２は、前記処理装置によって生成されたナビゲーションデータ等を画面表示することで、ナビゲーションデータ等を術者（医師）に提示する。

前記位置検出器３は、位置を検出する対象物に取り付けられた光学マーカＯＭ１，ＯＭ２，ＯＭ３を検出するカメラ（赤外線カメラ）によって構成されている。本実施形態では、光学マーカは、埋込マーカ検出装置４に取り付けられたものＯＭ１と、内視鏡５に取り付けられたものＯＭ２と、手術器具６に取り付けられたものＯＭ３と、がある。ここでの手術器具６とは、切除などの手術のための処置を行う処置具であり、例えば、メスや鉗子などである。

各光学マーカＯＭ１，ＯＭ２，ＯＭ３は、それぞれ、位置検出対象物の位置及び姿勢を検出できるように、ＬＥＤなどの発光体を一つの位置検出対象物について複数（３個又はそれ以上）取り付けて構成されている。なお、光学マーカは、光を発生する能動的なもの以外に、光を反射する受動的なものであってもよい。

各光学マーカＯＭ１，ＯＭ２，ＯＭ３がそれぞれ有する複数の発光体の光（若しくは反射光）は、カメラからなる前記位置検出器３によって取得される。
位置検出器３によって取得された撮影画像は、処理装置１によって画像処理され、処理装置１において、位置検出対象物４，５，６それぞれの位置及び姿勢を示すデータ（位置・姿勢データ）が生成される。位置検出対象物の位置は、手術支援システムが配置された手術室の空間（手術空間）での空間座標（３次元座標）で表現される。
なお、位置検出対象物４，５，６の位置・姿勢の検出は、光学方式に限られるものではなく、磁気方式など他の方式であってもよい。

前記埋込マーカ検出装置４は、体内（特に、手術の対象となる臓器）に埋め込まれた複数の埋込マーカＭＭ，ＭＭの位置を検出するためのものである。このような埋込マーカ検出装置４としては、カリプソ・メディカル・テクノロジーズ社のカリプソ・４Ｄローカリゼーション・システム（商標）を利用できる。このような埋込マーカ検出装置４は、磁場を発生する磁場発生装置４ａと、磁場を検出するセンサ部４ｂとを備えている。

埋込マーカＭＭとしては、上記カリプソ・４Ｄローカリゼーション・システムにおいて用いられるビーコン・エレクトロマグネティック・トランスポンダとよばれる数ｍｍ程度の大きさの無線マーカを利用できる。この無線マーカ（埋込マーカＭＭ）は、コイル及び必要な回路を有しており、磁場発生装置４ａの磁場によって、無線マーカ（埋込マーカＭＭ）の位置及び姿勢を特定するための応答信号として磁気信号が励起される。

センサ部４ｂは、複数の埋込マーカＭＭそれぞれの前記応答信号を検出し、検出された応答信号は、処理装置１に与えられる。処理装置１は、検出された応答信号に基づいて、各埋込マーカＭＭの位置及び姿勢を示すデータ（位置・姿勢データ）を生成する。

なお、埋込マーカ検出装置４によって検出される埋込マーカＭＭの位置・姿勢は、埋込マーカ検出装置４の位置からみた相対的なものである。
ただし、埋込マーカ検出装置４には、前記光学マーカＯＭ１が設けられているため、埋込マーカ検出装置４によって検出された埋込マーカＭＭの位置・姿勢は、処理装置１において、手術支援システムが配置された手術室の空間（手術空間）での位置・姿勢に変換される。

この埋込マーカ検出装置４は、手術の対象部位を含む臓器の位置、変形を検出するためのものであるが、手術の対象部位を含む臓器の位置、変形を検出するための手段は、このような埋込マーカ検出装置４に限られるものではなく、例えば、レーザ光を臓器に照射してその反射光から臓器の位置・変形などを検出するものであってもよい。

［２．処理装置１の構成］
図２は、処理装置１の機能を示している。処理装置１は、ＣＰＵ及び記憶装置などを有するコンピュータによって構成されている。処理装置１を構成するコンピュータには、当該コンピュータ１に図２に示す処理装置１としての機能を実現するためのコンピュータプログラムがインストールされている。以下に説明する処理装置１の各機能部は、すべて、当該コンピュータプログラムがコンピュータによって実行されることで発揮されるものである。

処理装置１は、ターゲットデータを記憶するための記憶部１１、領域色分けモデル生成部１２、拡張現実感イメージ生成部１３、内視鏡５の位置・姿勢データ生成部１４、手術器具（処置具）６の位置・姿勢データ生成部１５、埋込マーカの位置・姿勢データ生成部１６、手術ナビゲーションデータ生成部１７、及び表示制御部１８を備えている。

前記ターゲットデータＴは、手術の対象部位（腫瘍など）を含む特定の臓器（腎臓など）の全体形状等を示す３次元モデルの３次元イメージデータ（３次元ボリュームデータ）として構成されている。図３に示すターゲットデータＴは、臓器の全体形状を示す３次元モデルのイメージデータＴ１と、切除の対象となる腫瘍（対象部位）が存在する腫瘍領域（対象部位領域）の、臓器全体からみた位置及び形状を特定する３次元モデルのイメージデータＴ２とを有している。

このターゲットデータＴは、術前に撮影されたＣＴイメージデータに基づいて生成される。ターゲットデータＴの生成には、術前に撮影されたＣＴイメージデータから自動生成するためのシステムを構築・利用してもよいが、コンピュータ支援により人手で行っても良い。

ターゲットデータＴ生成のためには、まず、術前に、手術の対象部位を含む特定の臓器内又はその周辺に、前記埋込マーカＭＭを、複数個、埋め込んでおく。臓器の位置だけを検出する場合、埋め込まれるマーカＭＭの数は、３個乃至４個程度でもよいが、さらに臓器の変形を検出するには、より多い（例えば、３０個程度）のが好ましい。

次に、体内に埋込マーカＭＭが埋め込まれた患者のＣＴイメージデータを取得する。そして、そのＣＴイメージデータから、手術の対象部位を含む臓器を特定し、その臓器の形状を示す３次元モデルの３次元イメージデータＴ１を生成する。また、ＣＴイメージデータから、その臓器における腫瘍の位置及び形状を特定し、その腫瘍の位置及び形状を特定する３次元モデルの３次元イメージデータＴ２を生成する。

さらに、前記ＣＴイメージに存在する埋込マーカＭＭの像から、３次元イメージデータＴ１（及び３次元イメージデータＴ２）における各埋込マーカＭＭの位置・姿勢を特定し、３次元イメージデータＴ１（及び３次元イメージデータＴ２）における埋込マーカＭＭの位置・姿勢データＴ３を、前記ターゲットデータに含める。
なお、臓器の形状を示す３次元イメージデータＴ１中に、埋込マーカＭＭの像が含まれている場合、その埋込マーカＭＭの像が埋込マーカＭＭの位置・姿勢を示すため、埋込マーカＭＭの位置・姿勢を示すデータＴ３を、３次元イメージデータＴ１と別に生成していなくてもよい。

以上のようにして生成されたターゲットデータＴは、術前に、処理装置１のターゲットデータ記憶部１１に記憶される。
なお、ターゲットデータＴの元となるイメージは、ＣＴイメージに限られるものではなく、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）、ＦＭＲＩ（Functional ＭＲＩ）、ＰＥＴ（Positron Emission Tomography）、超音波断層法、シンチグラムなどによって得られたイメージであってもよい。

前記領域色分けモデル生成部１２は、ターゲットデータ記憶部１１の前記ターゲットデータＴから、図４に示す、領域色分けモデル（４領域４色識別手術ブランニングモデル）を生成する。図４に示す領域色分けモデルは、ターゲットデータＴの３次元イメージデータＴ２が示す腫瘍領域を「赤色」、腫瘍辺縁０〜５ミリ領域を「黄色」、腫瘍辺縁５〜１０ミリ領域を「緑色」、腫瘍辺縁１０ミリ超領域を「青色」で示した３次元モデルである。

この領域色分けモデルを生成するには、ターゲットデータＴの臓器全体形状を示す３次元イメージデータＴ１において、腫瘍を示す３次元イメージデータＴ２の部分を「赤色」に色彩設定し、３次元イメージデータＴ２が示す腫瘍表面から５ミリまでの範囲を「黄色」に色彩設定し、３次元イメージデータＴ２が示す腫瘍表面から５〜１０ミリまでの範囲を「緑色」に色彩設定し、３次元イメージデータＴ２が示す腫瘍表面から１０ミリ超の範囲を「青色」に色彩設定すればよい。

なお、本実施形態においては、処理装置１が、ターゲットデータ記憶部１１に記憶されたターゲットデータＴから領域色分けモデルを生成するように構成されているが、拡張現実感イメージの表示のためには、前記領域色分けモデルは、術前に生成されたものが、処理装置の記憶部に予め記憶されていてもよい。

前記拡張現実感イメージ生成部１３は、図４に示す領域色分けモデルと、内視鏡５にて撮影された映像とを重畳（スーパインポーズ）して、表示装置２に表示させるための拡張現実感イメージを生成する。
術者は、「緑色」の範囲内で、切除を進めれば、十分なガン陰性切除断領域（黄色の領域）腫瘍側につけて、かつ最大限の（青色領域）の腎機能温存を果たすことができる。
なお、拡張現実感イメージは、後述の手術ナビゲーションデータ（サージカルシグナルデータＳＤ及びサージカルレーダデータＲＤ）と一緒に、表示装置２に表示される。

前記内視鏡５の位置・姿勢データ生成部１４及び手術器具６の位置・姿勢データ生成部１５は、位置検出器３（カメラ）で取得した画像に基づいて、位置検出対象物５，６である内視鏡５及び手術器具６の位置及び姿勢を示すデータ（位置・姿勢データ）を生成する。この位置・姿勢データは、手術支援システムが配置された手術室の空間（手術空間）における座標系の位置・姿勢として表現される。

また、埋込マーカＭＭの位置・姿勢データ生成部１６は、埋込マーカ検出装置４によって検出された複数の埋込マーカＭＭそれぞれの位置・姿勢データと、位置検出器３によって検出された当該埋込マーカ検出装置４の位置・姿勢データとに基づいて、手術室の空間（手術空間）における座標系での、複数の埋込マーカＭＭそれぞれの位置・姿勢データを生成する。
これにより、複数の埋込マーカＭＭそれぞれの位置・姿勢は、内視鏡５及び手術器具６の位置・姿勢データの座標系と同じ座標系で表されることになる。

ここで、埋込マーカＭＭの位置・姿勢データは、埋込マーカＭＭが埋め込まれた部位又はその近傍の位置・形状を示しているため、埋込マーカＭＭの位置・姿勢データは、対象部位（腫瘍）は、手術室の空間（手術空間）における座標系での、位置・形状を示していることになる。
つまり、埋込マーカＭＭの位置・姿勢データ生成部１６は、術中の対象部位が、手術空間において位置する空間座標を検出する対処部位検出部として機能する。

各データ生成部１４，１５，１６にて生成された位置・姿勢データは、前記手術ナビゲーションデータ生成部１７に与えられる。
前記手術ナビゲーションデータ生成部１７は、ターゲットデータ記憶部１１に記憶されたターゲットデータＴと、各位置・姿勢データとに基づいて、手術器具６とターゲットデータが示す手術の対象部位（腫瘍）との位置関係を示すナビゲーションデータを生成する。本実施形態では、前記ナビゲーションデータとして、サージカルシグナルデータＳＤ及びサージカルレーダデータＲＤが生成される。

［３．手術ナビゲーションデータの生成］
前記手術ナビゲーションデータ生成部１７は、図５に示すように、ターゲットデータＴの移動／変形処理部２１、及びサージカルシグナルデータ＆サージカルレーダデータ生成部２２を備えている。

ターゲットデータ移動／変形処理部２１は、ターゲットデータ記憶部１１及び埋込マーカの位置・姿勢データ生成部１６から、ターゲットデータＴ及び複数の埋込マーカＭＭの位置・姿勢データに基づいて、術中の臓器（手術対象の生体器官）の位置／形状に対応したターゲットデータ（以下、修正ターゲットデータという）を生成する。

修正ターゲットデータは、ターゲットデータＴにおける複数の埋込マーカＭＭの位置・姿勢が、埋込マーカの位置・姿勢データ生成部１６によって生成された複数の埋込マーカＭＭの位置・姿勢データが示す位置・姿勢に一致するように、ターゲットデータＴが示す臓器の３次元イメージデータＴ１が前記手術室における空間座標において位置すべき空間座標及び形状を算出することで得られる。

より具体的には、移動／変形処理部２１は、ターゲットデータＴにおける複数の埋込マーカＭＭの位置・姿勢と、埋込マーカの位置・姿勢データ生成部１６によって生成された複数の埋込マーカＭＭの位置・姿勢データが示す位置・姿勢と、の誤差が、各埋込マーカＭＭについて最小となるように、ターゲットデータＴの３次元イメージデータＴ１が示す臓器が空間座標系において位置すべき座標を算出し、必要に応じて３次元イメージデータＴ１が示す臓器の形状を変形させる。
なお、前記誤差を最小化するアルゴリズムとしては、最小二乗法などの公知のアルゴリズムを最小することができる。

また、対象となる臓器が、移動・変形しないものである場合には、移動／変形処理部２１における臓器の移動／変形処理は省略することが可能である。また、移動／変形処理部２１では、ターゲットデータＴにおける３次元イメージデータＴ２が示す３次元モデル（腫瘍）の空間座標系における位置だけを算出して、臓器等の変形処理については省略してもよい。
このように、移動／変形処理部２１は、ターゲットデータＴが示す３次元モデル（腫瘍）が、手術空間において位置すべき空間座標算出する算出部として機能すれば足りる。

ここで、臓器を示す３次元イメージデータＴ１と、腫瘍を示す３次元イメージデータＴ２との位置・形状は対応付けられているため、処理部２１は、３次元イメージデータＴ１が示す臓器の位置／形状を算出すると、対応するデータＴ２が示す腫瘍の位置／形状も併せて算出されることになる。

以上により、ターゲットデータＴが示す臓器及び腫瘍（手術の対象部位）の、手術空間での術中のリアルタイムでの位置・形状を示す修正ターゲットデータが求まる。
この修正ターゲットデータは、サージカルシグナルデータ＆サージカルレーダデータ生成部２２に与えられる。

サージカルシグナルデータ＆サージカルレーダデータ生成部２２は、修正ターゲットデータ及び、手術器具６の位置・姿勢データ生成部１５によって生成された手術器具６の位置・生成データに基づいて、サージカルシグナルデータＳＤ及びサージカルレーダデータＲＤを生成する。

［３．１ 主基準位置と単位ベクトルの算出］
サージカルシグナルデータ＆サージカルレーダデータ生成部（以下、単に「データ生成部」という」）２２は、図６に示すように、手術器具６の先端ポイントｐ₀を主基準位置として算出するための３次元座標算出部（基準位置検出部）２４を備えている。
この３次元座標算出部２４は、手術器具６の位置・姿勢データから、特定の主基準位置を算出するためのものであり、主基準位置としては、図７に示すように手術器具６の先端ポイントｐ₀とするほか、手術器具６上のその他の位置又は手術器具６の周囲の位置でもよいが、手術器具６が、切開等のために手術の対象部位に作用する位置又はその近傍であるのが好ましい。

データ生成部２２には、手術器具６において光学マーカＯＭ３が設けられている位置と、主基準位置ｐ₀との位置関係を示す情報が予め設定されており、算出部２４では、手術器具６の（光学マーカＯＭ３における）位置・姿勢データと、予め設定された位置関係情報に基づいて、主基準位置（先端ポイント）ｐ₀の、手術空間における３次元座標（空間座標）を算出する。

また、データ生成部２２は、主基準位置（先端ポイント）ｐ₀における、手術器具６の長手軸方向ｌを示す単位ベクトルｕを算出する算出部２５を備えている。この算出部２５は、手術器具６の位置・姿勢データから、長尺状の手術器具６の長手軸方向ｌ（手術器具６の姿勢）を求めることで算出することができる。

なお、本実施形態において、単位ベクトルｕは、主基準位置（手術器具先端ポイント）における手術器具６の長手軸方向ｌを示すものであるが、単位ベクトルが示す方向は、長手軸方向ｌに限られるものではなく、他の方向を示すものであってもよい。また、単位ベクトルが示す方向は、長手軸方向のように手術器具６の姿勢から一意に決定される方向だけでなく、手術器具（の先端）の移動方向を示すものであってもよい。また、予測される移動軌跡は、直線として予測するのが簡便であるが、可能であれば、曲線で示される移動軌跡を予測してもよい。

さらに、データ生成部２２は、他のポイント（副基準位置）ｐ₁〜ｐ_Mの３次元座標（空間座標）を算出するための算出部（基準位置検出部）２６を備えている。この算出部２６によって算出される他のポイントｐ₁〜ｐ_Mは、主基準位置（先端ポイント）ｐ₀から、単位ベクトルｕが示す方向（長手軸方向ｌ）に、距離ｋ_i（ｉ：１〜Ｍの整数）ほど離れた点（手術空間における空間座標）として設定される。
距離ｋ_iは、データ生成部２２におけるポイント間距離ｋ_i調整部２７によって調整可能であるが、予め設定された固定値であってもよい。ポイント間距離ｋ_i調整の詳細については後述する。

なお、本実施形態において、主基準位置ｐ₀は、手術器具６の先端の「現在の」位置を示すという意義を有しているのに対し、他の基準位置である副基準位置ｐ₁〜ｐ_Mは、主基準位置ｐ₀が「将来」において位置すると予測される予測位置を示している。したがって、主基準位置ｐ₀は、手術器具６上か、手術器具６の周囲のごく近傍であるのが好ましく、副基準位置は、手術器具６の長手軸方向や移動方向に鑑みて、ｐ₁〜ｐ_Mは、主基準位置ｐ₀が近い将来位置すると予測される位置として設定されるのが好ましい。

以上のようにして算出された基準位置ｐ_i（ｉ：０〜Ｍ）は、単位ベクトルｕが示す方向上の仮想的な直線（手術器具の予測移動軌跡）上に位置する点である。この仮想的な直線は、手術器具６から延びる線であれば、その位置や方向が特に限定されるものではないが、上記のように、手術器具６の先端（主基準位置）から長手軸方向に延びるものが好ましい。なお、曲線で示される予測移動軌跡上に基準位置を設定してもよい。
なお、図７に示すように、本実施形態では、Ｍ＝２であり、基準位置としては、ｐ₀，ｐ₁，ｐ₂の３つが設定される。なお、基準位置数ｉは、システムのユーザが調整可能であるが、予め設定された固定値であってもよい。

上記基準位置ｐ_i（ｉ：０〜Ｍ）は、手術の対象部位（腫瘍）からの距離の判定の対象となる点である。

［３．２ 対象部位からの距離に応じた複数の領域について］
ここで、データ生成部２２は、各基準位置（ポイント）ｐ₀〜ｐ_Mが属する３次元領域Ｓ_j（ｊ：０〜３）を判定するための判定部２８を備えている。３次元領域Ｓ₀〜Ｓ₃は、修正ターゲットデータが示す腫瘍領域（対象部位）の表面からの距離に応じて区分けしたものである。なお、臓器の移動・変形がない場合には、修正ターゲットデータに代えて、記憶部１１に記憶されている修正前のターゲットデータＴを用いても良い。

これらの領域Ｓ₀〜Ｓ₃のうち、領域Ｓ₀は、修正ターゲットデータにおいて腫瘍を示す３次元イメージデータＴ２に対応する３次元領域であり、領域Ｓ₁〜Ｓ₃は、腫瘍（対象部位）外の３次元領域を、複数（ここでは、３つ）に分割したものである。なお、領域Ｓ₀を含めた領域域数ｊは特に限定されるものではなく、複数であればよい。また、領域数ｊは、システムのユーザが調整可能であるが、予め設定された固定値であってもよい。

図８に示すように、対象部位の領域Ｓ₀の大きさ・範囲は、ターゲットデータＴにおける３次元イメージデータＴ２が示す対象部位の大きさ・範囲に対応する。また、対象部位外の領域Ｓ₁〜Ｓ₃それぞれの大きさは、マージンｗ₁，ｗ₂にて表される。本実施形態において、領域Ｓ₁は、対象部位（腫瘍）を示す領域Ｓ₀までの最小距離Ｄが０より大きくｗ₁以下である点が含まれる３次元領域をいい、領域Ｓ₂は、対象部位（腫瘍）を示す領域Ｓ₀までの最小距離Ｄがｗ₁より大きくｗ₂以下である点が含まれる３次元領域をいい、領域Ｓ₃は、対象部位（腫瘍）を示す領域Ｓ₀までの最小距離がｗ₂より大きい３次元領域をいう。
なお、ｗ₁＝５ｍｍ、ｗ₂＝１０ｍｍに設定した場合、領域Ｓ₀〜Ｓ₃の分け方は、図４に示す領域色分けモデルと一致することになる。

上記マージンｗ₁，ｗ₂は、マージン調整部３４によって調整可能であるが、予め設定された固定値でもよい。なお、マージンの調整については後述する。

［３．３ サージカルシグナルデータ］
図９に示すように、前記判定部２８は、各基準位置（ポイント）ｐ_iについて、領域Ｓ₀からの最小距離Ｄ（ｐ_i，Ｓ₀）を求め、各基準位置（ポイント）ｐ_iが、上記領域Ｓ_j（ｊ：０〜３）のいずれに属するかを判定する。
図９の場合、主基準位置ｐ₀は領域Ｓ₂に、第１の副基準位置ｐ₁は領域Ｓ₂に、第２の副基準位置ｐ₂は領域Ｓ₁に存在すると判定される。

図１０は、上記判定によって生成されたサージカルシグナルデータＳＤを示している。このサージカルシグナルデータは、各基準位置ｐ_iについて、各基準位置が属する領域を示す情報（Ａｒｅａ）、各基準位置が属する領域の番号情報（ｊ）、各基準位置が属する領域の色情報（Ｃｊ）を示している。
なお、領域の色としては、領域ｓ₀には「赤色」、領域ｓ₁には「黄色」、領域ｓ₂には「緑色」、領域ｓ₃には「青色」が設定されている。

図１１は、図１０のサージカルシグナルデータＳＤを、表示装置２に画面表示させた場合の画面（サージカルシグナル画面）Ｄ１を示している。この画面Ｄ１は、サージカルシグナルデータＳＤに基づいて、処理装置１の表示制御部１８によって生成される。
この画面Ｄ１は、各基準位置ｐ₀〜ｐ₂を縦軸方向に並べ、各領域Ｓ₀〜Ｓ₃を横軸方向に並べたマトリックス配置の複数の円形状の表示部によって構成されている。この画面Ｄ１中の各表示部は、各基準位置ｐ₀〜ｐ₂について、基準位置ｐ₀〜ｐ₂が属する領域Ｓ₀〜Ｓ₃に対応するものが、設定された色で点灯するよう構成されている。

例えば、図９及び図１０の状態では、基準位置ｐ₀は領域Ｓ₂に属しているから、（ｐ₀，Ｓ₂）の位置にある表示部Ｃ１が、領域Ｓ₂に設定された「緑色」で点灯する。基準位置ｐ₀が属さない領域Ｓ₀，Ｓ₁，Ｓ₃についての表示部は、非点灯の表示（黒又は白での表示）となっている。また、基準位置ｐ₁も領域Ｓ₂に属しているから、（ｐ₁，Ｓ₂）の位置にある表示部Ｃ２が、領域Ｓ₂に設定された「緑色」で点灯する。基準位置ｐ₁が属さない領域Ｓ₀，Ｓ₁，Ｓ₃についての表示部は、非点灯の表示（黒又は白での表示）となっている。また、また、基準位置ｐ₂は領域Ｓ₁に属しているから、（ｐ₂，Ｓ₁）の位置にある表示部Ｃ３が、領域Ｓ₁に設定された「黄色」で点灯する。基準位置ｐ₂が属さない領域Ｓ₀，Ｓ₂，Ｓ₃についての表示部は、非点灯の表示（黒又は白での表示）となっている。

図１１の画面Ｄ１を見た術者は、手術器具６の先端の現在位置ｐ₀が、どの領域Ｓ₀〜Ｓ₃に属するのか、すなわち、腫瘍Ｓ₀からみてどの程度の位置にあるのかを、視覚的に容易に把握することができる。
ここで、領域Ｓ₁〜Ｓ₃の大きさを決定するマージンｗ₁，ｗ₂が、領域色分けモデルと同様に設定された場合、緑色に設定された領域Ｓ₂は、術者が切除すべき切除ラインが属する領域となる。術者は、緑色に設定された領域Ｓ₂内で切除を進めることで、十分な癌陰性切除断端領域（黄色の領域ｓ₁）を腫瘍側につけて、かつ、青色の領域Ｓ₃を最大限温存することができる。
図１１の画面Ｄ１においては、手術器具６の先端の現在位置ｐ₀は、切除のための適切な領域Ｓ₂に位置していることを示しているため、術者は、現在の手術器具の位置は、適切であることを容易に把握できる。

そして、他の基準位置ｐ₁，ｐ₂は、現在位置ｐ₀が将来位置すると予測される予測位置であるから、図１１の画面Ｄ１を術者がみた場合、現在の手術器具６の姿勢や移動方向が、将来においても適切であるかを容易に把握することができる。
つまり、図１１のように、将来の予測位置であるｐ₂（又はｐ₁）が、腫瘍側の領域ｓ₁（又は領域Ｓ₀，Ｓ₃）属していることを示している場合、現在の手術器具６の姿勢や移動方向では、将来において適切な状態からややずれる可能性を、術者が事前に把握することができる。
一方、画面Ｄ１において、ｐ₀，ｐ₁，ｐ₂すべてが領域Ｓ₂に属することを表示していれば、術者は、現在の手術器具６の姿勢や移動方向は適切であると把握でき、その状態で手術を適切に進めることができる。

［３．４ サージカルレーダデータ］
図６に示すように、データ生成部２２は、上記サージカルシグナルデータＳＤを生成する機能のほか、サージカルレーダデータＲＤを生成するため、基準位置ｐ₀を中心とする半球Ｈの表面座標算出部２９と、半球Ｈの表面が属する領域Ｓ₀〜Ｓ₃の判定部３０とを備えている。

サージカルレーダデータＲＤは、サージカルシグナルデータＳＤのように、点（基準位置）が属する領域Ｓ₀〜Ｓ₃を示すものではなく、点（基準位置）の集合としての面に含まれる各位置が属する領域Ｓ₀〜Ｓ₃を示すものである。

本実施形態では、属する領域Ｓ₀〜Ｓ₃の判定対象となる面としては、球面が採用される。さらに、本実施形態では、属する領域Ｓ₀〜Ｓ₃の判定対象となる面として、球面全体ではなく、球面の一部の面として半球の表面が採用される。属する領域Ｓ₀〜Ｓ₃の判定対象となる面は、球表面や半球表面に限定されるものではなく、任意の形状の面（平面又は曲面）とすることができる。

本実施形態において、属する領域Ｓ₀〜Ｓ₃の判定対象となる半球面は、単位ベクトルｕが示す方向（長手軸方向ｌ）が、頂点（天頂）を通過する半球の表面である。
つまり、図１２に示すように、基準位置ｐ₀が原点であり、単位ベクトルｕの方向（長手軸方向ｌ）に直交する平面をｙｚ座標（ｚとｙとは直交する）とし、単位ベクトルｕの方向（長手軸方向ｌ）をｘ座標とするｘｙｚ３次元直交座標系を想定した場合、本実施形態に係る前記半球は、当該ｘｙｚ３次元直交座標系のｘ軸が、半球の頂点（天頂）ｐ_iを通過し、半球の底面（球の大円）がｘ＝０のｙｚ面に存在するものである。

この半球表面上の任意の点ｈは、ｈ＝ｋ_iｒ（θ，φ）で表される。ここで、ｋ_iは半球の半径であり、ｒ（θ，φ）はｐ₀における単位ベクトルである。θは、単位ベクトルｕ（ｐ₀からｐ_iに向かう単位ベクトル）に対して単位ベクトルｒがなす方位角を示し、φは、単位ベクトルに対して単位ベクトルｒがなす仰角を示している。ただし、単位ベクトルｕの方向（ｘ軸方向）がφ＝０である。ここで、前記半球においては、０≦θ＜２π，−（π／２）≦φ＜（π／２）である。
よって、ｒ（θ，φ）＝（ｃｏｓφ，ｃｏｓθｓｉｎφ，ｓｉｎθｓｉｎφ）であり、半球面上の任意の点ｈの前記ｘｙｚ３次元直交座標系の座標は、（ｋ_iｃｏｓφ，ｋ_iｃｏｓθｓｉｎφ，ｋ_iｓｉｎθｓｉｎφ）として算出される。

半球表面の座標を算出する前記算出部２９は、第１基準位置ｐ₀及び単位ベクトルｕに基づいて、０≦θ＜２π，−（π／２）≦φ＜（π／２）の範囲におけるｒ（θ，φ）を算出し、半球面上の各点（基準位置）ｈの３次元座標を算出する。

なお、半球の半径ｋ_iは、調整部３０によって調整可能である。半径の調整部３０は、ポイント間距離ｋ_i調整部２７によって設定された距離ｋ_iのうちいずれかが、システム又はシステムのユーザによって、半球の半径ｋ_iとして決定される。なお、半球の半径ｋ_iは、ポイント間距離ｋ_i調整部２７によって設定された距離ｋ_iとは無関係に決定してもよい。

ここで、基準位置ｈの集合である半球面も、サージカルシグナルデータＳＤにおける副基準位置ｐ₁，ｐ₂と同様に、手術器具６（の先端）の現在の位置ｐ₀が、将来位置する可能性のある位置を示すという意義を有する。
つまり、サージカルシグナルデータＳＤにおける副基準位置ｐ₁，ｐ₂は、検出された単位ベクトルｕ（手術器具の長手軸方向ないし移動方向）が示す方向の直線上における点であったが、ここでの半球面は、手術器具の長手軸方向ないし移動方向が現在の方向ｕから、｛０≦θ＜２π，−（π／２）≦φ＜（π／２）｝の範囲で変化した場合において、現在位置ｐ₀が位置する可能性のある予測位置の集合を示している。
なお、半球は、手術器具の長手軸方向ないし移動方向にみて前方に配置されているため、現在位置ｐ₀が位置する可能性のある予測位置の集合として適切なものとなっている。
また、本実施形態では、予測位置の集合として、前記半球表面の全体を対象としたが、半球表面の一部であってもよい。

前記領域判定部３１は、半球表面の各点（基準位置）ｈについて、各点ｈが属する領域Ｓ₀〜Ｓ₃を判定する。この判定は、サージカルシグナルデータＳＤについての判定と同様に行われる。

領域判定部３１における領域判定によって、半球表面の各位置ｈが、どの領域Ｓ₀〜Ｓ₃に属するかを示す３次元のサージカルレーダデータＲＤが生成される。このサージカルレーダデータＲＤには、サージカルシグナルデータＳＤと同様に、半球表面の各位置ｈの３次元座標と、各位置が属する領域Ｓ₀〜Ｓ₃を示す情報とが含まれる。

３次元のサージカルレーダデータＲＤを３次元表示してもよいが、２次元の表示装置２を採用する場合の便宜を考慮し、本実施形態のデータ生成部２２は、３次元のサージカルレーダデータＲＤを２次元の平面（半球の底面；球の大円；ｘ＝０のｙｚ平面）に投影する２次元投影処理部３２を備えている。

２次元投影処理部３２は、３次元のサージカルレーダデータＲＤにおける全ての位置ｈを、前記半球の底面（球の大円；ｘ＝０のｙｚ平面）に投影して２次元のサージカルレーダデータＲＤを生成する。
図１３に示すように、投影面であるｙｚ平面（ｘ＝０）における任意の投影点ｑは、原点０（ｐ₀の位置）からの距離がｋ_iｓｉｎφであり、ｚ軸となす角度がθである。
したがって、半球表面上の各位置ｈ（θ，φ）が、前記半球の底面（ｙｚ平面）に投影されたときの投影点ｑ（θ，φ）は、ｑ＝（ｋ_iｃｏｓθｓｉｎφ，ｋ_iｓｉｎθｓｉｎφ）によって算出される。なお、｛０≦θ＜２π，−（π／２）≦φ＜（π／２）｝である。

２次元投影処理部３２は、２次元のサージカルレーダデータＲＤとして、各投影点ｑの座標と、各投影点ｑ（各投影点ｑに対応する位置ｈ）が属する領域Ｓ₀〜Ｓ₃を示す情報と、を含めて生成する。サージカルレーダデータＲＤは、図１０に示すサージカルレーダデータＳＤと同様の形式であって、サージカルレーダデータＲＤ３つの基準位置ｐ₀，ｐ₁，ｐ₂が、前記半球の底面（ｙｚ平面）内の多数の投影点ｑとなったものである。

この２次元のサージカルレーダデータ（周囲データ）ＲＤ、処理装置１の表示制御部１８によって、図１５に示すような画面Ｄ２を生成する。

図１４に示すように半球の頂点ｐ_iとしてサージカルデータＳＤにおける基準位置ｐ₂が採用された場合（半球の半径＝ｋ₂）において、２次元のサージカルデータＲＤを示す画面Ｄ１は図１５に示すようになる。
図１５は、図１４において手術器具６の先端ｐ₀を中心とする球ＳＱの一部である半球表面の各位置ｈが属する領域に対応する色を、先端ｐ₀を原点とするｙｚ座標上で表したものである。

図１５の画面Ｄ２をみた術者は、手術器具６を現在の姿勢ないし移動方向で動かすと、現在位置ｐ₀の将来の予測位置ｐ₂は領域Ｓ₁となり腫瘍領域Ｓ₀にやや近づきすぎた状態であり、手術器具６を姿勢ないし移動方向を、図１５における下方に変化させると、さらに腫瘍領域Ｓ₀に近づいてしまうことがわかる。

一方、図１５において、手術器具６の現在の姿勢ないし移動方向からみた予測位置ｐ２よりも上方には、切除に適した領域Ｓ₂が広がっているから、手術器具６の姿勢ないし移動方向を、図１５における上方に変化させるのが好ましい。図１５のようなサージカルレーダ表示を術者に提示することで、術者は手術器具６の適切な姿勢ないし移動方向を容易に認識することができる。

そして、図１５のようなサージカルレーダ表示の画面Ｄ２は、図１１のサージカルシグナル表示の画面Ｄ１と同時に、術者に提示されるため、術者は、両表示画面Ｄ１，Ｄ２をみて、手術器具６と腫瘍（対象部位）との現在の位置関係、及び将来の位置関係を一層容易に把握することができる。また、両表示画面Ｄ１，Ｄ２は、拡張現実感イメージデータの表示とも同時に表示されるため、術者は、これらの表示をみて、複合的に術野の状況を認識することができる。

また、図６に示すように、データ生成部２２は、他のサージカルレーダデータとして、手術器具６（の先端ｐ₀）から、腫瘍を示す領域（ターゲットエリア）Ｓ₀中心までの距離を算出する算出部３３を備えている。この算出部３３によって、手術器具６と腫瘍領域Ｓ₀中心までの位置関係（距離データ）が算出される。この距離データは、他のデータとともに画面表示され、術者に提示される。

［３．５ スケールの自動調整］
算出部３３によって算出された距離データは、ポイント間距離調整部２７によるポイント間距離ｋ_iの調整、半球の半径調整部３０による半径ｋ_iの調整、及び／又はマージ調整部３４によるマージンｗ₁，ｗ₂の調整に用いられる。
各調整部２７，３０，３４は、手術器具６と腫瘍領域Ｓ₀中心までの距離が大きい場合、調整対象の各値を比較的大きくし、手術器具６と腫瘍領域Ｓ₀中心までの距離が小さい場合には、調整対象の各値を比較的小さくする。
これにより、手術器具６が腫瘍領域Ｓ₀から離れている場合には、比較的大きなスケールで、サージカルシグナルデータＳＤ又はサージカルレーダデータＲＤを表示でき、手術器具６が、腫瘍領域Ｓ₀に近づくと、各値が自動的にスケールダウンして、詳細な情報を提供することができる。
なお、上記の各値の調整は、システムによる自動調整だけでなく、ユーザの選択によって行われても良い。

［４．手術ロボットシステム］
図１６は、上記手術支援システム５０を有する手術ロボットシステムを示している。この手術ロボットシステムは、手術器具５１と、当該手術器具５１を駆動させる駆動部５２と、手術器具５１が手術のための動作を行うように駆動制御する制御部５３と、を備えている。

前記制御部５３は、手術支援システム５０（の処理装置１）と接続されており、処理装置１が生成したナビゲーションデータ（サージカルシグナルデータ及び／又はサージカルレーダデータ）を取得する。
ナビゲーションデータを取得した制御部５３は、ナビゲーションデータに基づいて、手術の対処部位（腫瘍）と手術器具５１との現在の又は将来の位置関係を把握できるため、手術器具５１の駆動制御を適切に行うことができる。
例えば、制御部５３は、手術器具５１との現在の又は将来の位置が、腫瘍領域Ｓ₀又は腫瘍近傍領域Ｓ₁になることを検出すると、手術器具５３の動作を強制停止させる安全制御を行うことができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

１１ 記憶部
１６ 埋込マーカの位置・姿勢データ生成部（対象部位検出部）
２１ 移動／変形処理部（算出部）
２２ サージカルシグナルデータ＆サージカルレーダデータ生成部（データ生成部）
２４ 主基準位置の３次元座標算出部（基準位置検出部）
２６ 副基準位置の３次元座標算出部（基準位置検出部）

Claims (9)

1. 手術の対象部位を示す３次元モデルのイメージデータを含むターゲットデータを記憶するための記憶部と、
   手術器具における特定の基準位置及び／又は手術器具周囲における特定の基準位置が、手術空間において位置する空間座標を、検出する基準位置検出部と、
   術中の前記対象部位が、前記手術空間において位置する空間座標を、検出する対象部位検出部と、
   前記ターゲットデータが示す前記３次元モデルが、前記手術空間において位置すべき空間座標を、前記対象部位検出部によって検出された前記対象部位の前記空間座標に基づいて算出する算出部と、
   前記ターゲットデータが示す前記３次元モデル及びその周囲を前記３次元モデルからの距離に応じて区分けした複数の領域のうち、前記基準位置が位置する領域を示すナビゲーションデータを生成するデータ生成部と、
   を備えていることを特徴とする手術支援システム。
2. 前記ナビゲーションデータを画面表示させる表示手段を備え、
   前記表示手段は、前記ターゲットデータが示す前記３次元モデル及びその周囲を前記３次元モデルからの距離に応じて区分けした複数の領域のうち、前記基準位置が位置する領域を、前記複数の領域それぞれに設定された色で示すための画面を表示させる
   請求項１記載の手術支援システム。
3. 前記基準位置検出部によって前記空間座標の検出対象となる前記基準位置には、前記手術器具の前記姿勢及び／又は前記移動方向に基づいて予測される、前記手術器具の予測位置が含まれている
   請求項１又は２に記載の手術支援システム。
4. 前記基準位置には、前記手術器具から延びる仮想的な直線上に含まれる複数の点が含まれる請求項１〜３のいずれか１項に記載の手術支援システム。
5. 前記仮想的な直線は、長尺状の前記手術器具の長手軸方向に一致する直線である請求項４記載の手術支援システム。
6. 前記基準位置には、前記手術器具の周囲に設定された仮想的な球の表面上の位置が含まれる請求項１〜３のいずれか１項に記載の手術支援システム。
7. 前記基準位置には、前記手術器具の周囲に設定された仮想的な半球の表面の位置が含まれる位置が含まれ、
   前記仮想的な半球は、その半球の天頂を、前記手術器具の先端から延びる仮想的な直線が通過するものである請求項１〜３記載の手術支援システム。
8. 前記対象部位又はその周囲に埋め込まれた複数のマーカによって、術中の前記対象部位の移動及び／又は変形を検出し、検出された前記対象部位の移動及び／又は変形に応じて、前記３次元モデルの座標を移動させる処理、及び／又は、前記３次元モデルを変形させる処理を行う手段を備えている請求項１〜７のいずれか１項に記載の手術支援システム。
9. 前記手術器具の移動を駆動制御する制御部と、請求項１〜８のいずれか１項に記載の手術支援システムと、を備えた手術ロボットシステムであって、
   前記制御部は、前記手術支援システムによって生成されたナビゲーションデータを、取得し、取得したナビゲーションデータに基づいて、前記手術器具の移動を駆動制御する
   ことを特徴とする手術ロボットシステム。

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