JP2013034764A - サージカルガイド装置及びドリルの位置決め方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ドリルの先端を目視でき、ドリルの穿孔方向に誤差が生じにくく、また、冷却水を十分に供給して、歯槽骨の冷却を充分に行うことが可能で、直径の異なる数種類のドリルに対応する。
【解決手段】サージカルガイド装置は、患者の残存歯部に装着されたマウスピースに取付けられた第１のＡＲ認識用マーカを含む患者の口腔内の映像を撮影するカメラと、ディスプレイとを有する撮影表示装置と、撮影表示装置と接続され、カメラが撮影中の患者の口腔内の映像内の第１のＡＲ認識用マーカの位置及び姿勢に基づいて、シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す３次元的位置情報を、カメラが撮影中の患者の口腔内の映像に重畳してディスプレイに表示するＡＲ画像処理装置と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、インプラントのフィクスチャーを患者の歯槽骨の所定の位置及び方向へ正確に埋入するために用いる、埋入孔の穿孔位置及び穿孔方向を患者の口腔内でガイドするサージカルガイド装置及びこれを用いたドリルの位置決め方法に関する。

インプラント治療に使用されるデンタルインプラント（以下、単に「インプラント」という。）は、歯を喪失した歯槽骨に埋入されるフィクスチャー（インプラント体、例えばチタン製）と、フィクスチャーに接続されて支台となるアバットメントと、アバットメントに装着される上部構造（人工歯冠）とによって構成されている。このインプラントを使用するインプラント治療においては、フィクスチャーを埋入するための埋入孔を患者の歯槽骨の所定の位置及び方向へドリルで正確に穿孔することが肝要となっている（例えば、特許文献１参照）。

インプラント治療には、補綴主導型（トップダウントリートメント）と外科主導型の２種類がある。
補綴主導型のインプラント治療においては、患者の歯及び顎のモックアップ（実物大の石膏模型）を作製し、対合歯との咬合関係や歯列の状態から判断して、補綴的（機能的・審美的）に最適と思われる上部構造の形態及び位置を決める。
そして決定した上部構造の形態及び位置に基づいて、フィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を決定する。
外科主導型のインプラント治療においては、患者の歯槽骨の解剖学的形状（歯槽骨の幅、厚みや密度及び神経の走行等）から判断して、外科的に最適と思われる所にフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を決定する。

現在においては、フィクスチャーの埋入位置及び埋入方向について、ＣＴ（コンピュータ断層撮影装置）撮影により取得したＣＴ画像データと、シミュレーションソフトウェアと、を使用することにより、補綴と外科の両面から検討を加えることで、補綴的にも外科的にも妥当なフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を決定することが可能である。
また、ＣＴ撮影時に造影剤入りのテンプレートを使用することにより、シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を、モックアップ上に植立したワイヤの植立位置及び植立方向で示すことも可能である。

しかし、フィクスチャーを埋入する埋入孔を患者の歯槽骨にドリルで穿孔するには、患者の口腔内でのドリルの３次元的な位置決めが必要となるため、シミュレーションソフトウェアの画面やモックアップ上に植立されたワイヤを参酌しながら、フリーハンドで患者の歯槽骨の所定の位置及び方向へドリルで正確に埋入孔を穿孔することは極めて困難である。
このため様々な治具、すなわちサージカルガイドが考案されている。

その代表的なものは、患者の歯槽骨の所定の位置及び方向へドリルをガイドする案内孔を有する金属製のガイドリングを使用したサージカルガイドである。このサージカルガイドを患者の口腔内に装着し、ガイドリングの案内孔にドリルを通して、案内孔に倣ってドリルを進入させることで、患者の歯槽骨の所定の位置及び方向へ正確に埋入孔を穿孔することが可能となる。

特開２００１−１７００８０号公報

しかしながら、上述の、ガイドリングを使用したサージカルガイドには、以下のような問題があった。
（１）サージカルガイドを患者の口腔内に装着すると、術野がサージカルガイドで覆われて見えないため、術者は、ドリルの先端が歯槽骨を削っている部分を目視することができず、不安な状態で施術することとなる、
（２）ドリルとガイドリングの案内孔との間には、適度な間隙（あそび）が必要であるが、埋入孔の深さに比べ、ガイドリングの厚さが薄いため、この間隙（あそび）によってドリルの穿孔方向に誤差を生じ、埋入孔が所定の位置及び方向から少なからずずれてしまうおそれがある、
（３）切削中の歯槽骨が、ガイドリング、及びガイドリングを保持する周縁部によって覆われ、さらにドリルによってガイドリングの案内孔が塞がれて、歯槽骨周辺には閉空間が形成されるため、切削中の歯槽骨に対して、十分な冷却水を供給することが困難となり、歯槽骨の冷却が充分にできないおそれがある、
（４）フィクスチャーを埋入するための埋入孔を穿孔するには、直径が小さなパイロットドリルから始まって、段階的に直径がより大きな数種類のドリルを使用することになるため、それぞれのドリルの直径に合わせたガイドリングを設けた数種類のサージカルガイドが必要となり、その分、コストがかさむ。

そこで、本発明の目的は、ドリルの先端を目視することができ、ドリルの穿孔（進行）方向に誤差を生じにくく、また、冷却水を十分に供給して歯槽骨の冷却を充分に行うことが可能で、しかも、1つで直径の異なる数種類のドリルに対応することが可能なサージカルガイド装置及びこれを使用したドリルの位置決め方法を提供することにある。

請求項１に係る発明（サージカルガイド装置）は、患者の口腔内に設けられた第１のＡＲ認識用マーカを含む患者の口腔内の映像を撮影するカメラとディスプレイとを有する撮影表示装置と、前記撮影表示装置と接続され、前記カメラが撮影中の患者の口腔内の映像内の前記第１のＡＲ認識用マーカの位置及び姿勢に基づいて、シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す３次元的位置情報を、前記カメラが撮像中の患者の口腔内の映像に重畳して前記ディスプレイに表示するＡＲ画像処理装置と、を備える、ことを特徴とする。
ここで、ＡＲとはＡｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ、すなわち拡張現実の略称で、映像という現実情報に３次元的位置情報などの仮想情報を付加して情報の質や量を拡張することを意味する。

請求項２に係る発明は、請求項１に係るサージカルガイド装置において、患者の残存歯部及び患者の口腔内を模したモックアップの前記残存歯部に着脱自在なマウスピースと、前記マウスピースに取り付けられた前記第１のＡＲ認識用マーカと、を有するマーカ部材を備える、ことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に係るサージカルガイド装置において、前記マーカ部材の前記マウスピースにはＸ線造影剤を使用した、平面状もしくは立体的な校正用マーカが複数箇所設けられている、ことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に係るサージカルガイド装置において、前記シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す３次元的位置情報は、シミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像で表示される、ことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項４に係るサージカルガイド装置において、前記シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す３次元的位置情報は、前記フィクスチャーの立体的イメージ画像に前記フィクスチャーの中心軸のイメージ画像を追加した画像で表示され、前記中心軸のイメージ画像は前記フィクスチャーの立体的イメージ画像とは異なる色で表示される、ことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１ないし５のいずれか１項に係るサージカルガイド装置において、前記マウスピースには、前記第１のＡＲ認識用マーカが複数個所に取り付けられており、複数個所に取り付けられた前記第１のＡＲ認識用マーカのうち、いずれか１つは術中において、前記カメラの撮影画像フレーム内に含まれるように配置されている、ことを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１ないし６のいずれか１項に係るサージカルガイド装置において、前記ＡＲ画像処理装置は、ＡＲソフトウェアがインストールされたコンピュータハードウェアを備え、前記シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す３次元的位置情報を含む立体画像を３Ｄオブジェクトとして取り込んで、前記第１のＡＲ認識用マーカの位置及び姿勢に基づいて前記表示を行う、ことを特徴とする。
ここで、ＡＲソフトウェアとは、３Ｄオブジェクトとして取り込んだ立体画像を、前記カメラが撮影中の映像内の前記第１のＡＲ認識用マーカの位置及び姿勢に基づいて座標変換して、前記第１のＡＲ認識用マーカとの３次元的位置関係を保ちながら、前記カメラが撮影中の映像にリアルタイムで重畳して前記ディスプレイに表示するソフトウェアである。

請求項８に係る発明は、請求項７に係るサージカルガイド装置において、前記フィクスチャーの埋入孔を穿孔するドリルが装着されたコントラヘッドに第２のＡＲ認識用マーカが取り付けられており、前記ＡＲソフトウェアに前記ドリルの形状と一致した立体的イメージ画像を３Ｄオブジェクトとして取り込んで、前記カメラが撮影中の前記ドリルの映像に、前記ドリルの形状と一致した立体的イメージ画像を重畳して表示する、ことを特徴とする。

請求項９に係る発明は、請求項３ないし８のいずれか１項に係るサージカルガイド装置において、前記ＡＲ画像処理装置は、前記校正用マーカが複数箇所設けられた前記マーカ部材を患者の残存歯部に装着してＣＴ撮影した患者のＣＴ画像データをシミュレーションソフトウェアに読み込んで、前記シミュレーションソフトウェア上でフィクスチャー埋入シミュレーションを実行して得られた、シミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像と、前記シミュレーションソフトウェアでボリュームレンダリングされた患者の歯槽骨の立体的ＣＴ画像との合成画像を３Ｄオブジェクトとして取り込む、ことを特徴とする。

請求項１０に係る発明は、請求項１ないし８のいずれか１項に係るサージカルガイド装置において、前記ＡＲ画像処理装置は、シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示すワイヤが植立された患者の口腔内を模したモックアップを使用し、前記ＡＲソフトウェアに追加してインストールされた３Ｄペイントソフトウェアにより、前記ワイヤと３次元的に完全に一致した立体的イメージ画像を３Ｄオブジェクトとして取り込む、ことを特徴とする。
ここで、３Ｄペイントソフトウェアとは、前記ＡＲソフトウェアに機能を追加するもので、３次元空間にペイントマーカを用いて描画した３次元の描画軌跡を３Ｄオブジェクトとして取り込み、その３次元の描画軌跡を、前記カメラが撮影中の映像内の第１のＡＲ認識用マーカとの３次元的位置関係を保ちながら、前記カメラが撮影中の映像にリアルタイムで重畳して前記ディスプレイに表示するソフトウェアである。

請求項１１に係る発明は、請求項１ないし１０のいずれか１項に係るサージカルガイド装置において、前記ディスプレイが、前記カメラと一体に構成されたヘッドマウント型のディスプレイである、ことを特徴とする。

請求項１２に係る発明は、請求項１１に係るサージカルガイド装置において、前記ヘッドマウント型のディスプレイに光学透過型のディスプレイを使用し、患者の口腔内の透過像に前記シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す３次元的位置情報を重畳表示する、ことを特徴とする。

請求項１３に係る発明は、請求項１ないし１０のいずれか１項に係るサージカルガイド装置において、前記ディスプレイが、前記カメラから独立したディスプレイである、ことを特徴とする。

請求項１４に係る発明は、請求項１ないし１３のいずれか１項に係るサージカルガイド装置において、前記第１のＡＲ認識用マーカとして、予め登録した平面状もしくは立体的画像を使用する、ことを特徴とする。

請求項１５に係る発明は、請求項１ないし１４のいずれか１項に係るサージカルガイド装置において、前記ＡＲソフトウェアは、前記カメラが撮影している映像から３次元の空間構造を認識して記憶することが可能である、ことを特徴とする。

請求項１６に係る発明は、請求項２ないし１１のいずれか１項に係るサージカルガイド装置を使用した、インプラントのフィクスチャーを患者の歯槽骨に埋入するための埋入孔をドリルで穿孔する際のドリルの位置決め方法において、前記シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す３次元的位置情報を含む立体画像を３Ｄオブジェクトとして前記ＡＲ画像処理装置に取り込む工程と、前記カメラで、患者の残存歯部に装着されたマウスピースに取付けられた第１のＡＲ認識用マーカを含む患者の口腔内の映像を撮影し、前記カメラが撮影中の患者の口腔内の映像内の前記第１のＡＲ認識用マーカの位置及び姿勢に基づいて、前記シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す３次元的位置情報を、前記カメラが撮像中の患者の口腔内の映像に重畳して前記ディスプレイに表示する工程と、を備える、ことを特徴とする。

請求項１７に係る発明は、請求項９に係るサージカルガイド装置を使用した、インプラントのフィクスチャーを患者の歯槽骨に埋入するための埋入孔をドリルで穿孔する際のドリルの位置決め方法において、前記合成画像のデータを前記ＡＲ画像処理装置にインストールされたＡＲソフトウェアが取り込み可能な形式にデータ変換して、前記合成画像を３Ｄオブジェクトとして前記ＡＲソフトウェアに取り込む、合成画像取り込み工程と、前記モックアップの残存歯部に前記マーカ部材を装着し、前記ＡＲソフトウェアにより、前記カメラが撮影中のモックアップの映像に前記合成画像を重畳して表示して、前記映像内の前記校正用マーカと前記合成画像内の校正用マーカのＸ線画像とが３次元的に完全に一致するように、前記マーカ部材のマウスピースに取り付けられた前記第１のＡＲ認識用マーカの位置及び姿勢を調整して固定する、画像位置校正工程と、患者の残存歯部に前記マーカ部材を装着し、前記ＡＲソフトウェアにより、前記カメラが撮影中の患者の口腔内の映像に前記合成画像を重畳して表示して、前記合成画像内のシミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像をガイドとして前記ドリルの位置決めを行う、ドリル位置決め工程と、を備える、ことを特徴とする。

請求項１８に係る発明は、請求項１０に係るサージカルガイド装置を使用した、インプラントのフィクスチャーを患者の歯槽骨に埋入するための埋入孔をドリルで穿孔する際のドリルの位置決め方法において、前記ワイヤが植立されたモックアップの残存歯部に前記マーカ部材を装着し、前記３Ｄペイントソフトウェアのペイントマーカを用いて前記ワイヤの基端から先端までなぞることにより、前記ワイヤと３次元的に完全に一致した立体的イメージ画像を３Ｄオブジェクトとして前記３Ｄペイントソフトウェアに取り込む、ワイヤ画像取り込み工程と、患者の残存歯部に前記マーカ部材を装着し、前記３Ｄペイントソフトウェアにより、前記カメラが撮影中の患者の口腔内の映像に前記ワイヤに一致した立体的イメージ画像を重畳して表示して、前記ワイヤに一致した立体的イメージ画像をガイドとしてドリルの位置決めを行う、ドリル位置決め工程と、を備える、ことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ディスプレイに、シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す３次元的位置情報が、カメラが撮影中の患者の口腔内の映像に重畳して表示されるので、ドリルの先端を目視することができ、ドリルの穿孔（進行）方向に誤差を生じにくく、また、冷却水を十分に供給して歯槽骨の冷却を充分に行うことが可能で、しかも、１つで複数のフィクスチャーに対応し、かつ直径の異なる数種類のドリルにも対応することが可能なサージカルガイド装置を提供することができる。

請求項２の発明によれば、患者の残存歯部を第１のＡＲ認識用マーカの固定源とすることができる。

請求項３の発明によれば、請求項９の示すサージカルガイド装置および請求項１７に示すドリルの位置決め方法が可能となる。

請求項４の発明によれば、コンピュータ上でシミュレーションした時と同じフィクスチャーの立体的イメージ画像をガイドにすることができる。

請求項５の発明によれば、シミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像の中心軸にドリルの軸を一致させることが容易になる。

請求項６の発明によれば、予めマウスピースの複数個所に第１のＡＲ認識用マーカを取り付けておくことで、いずれかの第１のＡＲ認識用マーカをカメラの撮影画像フレーム内に残すことが可能となり、３Ｄオブジェクトが表示されなくなってしまうことを防ぐことができる。

請求項７の発明によれば、請求項１６に示すドリルの位置決め方法が可能となる。

請求項８の発明によれば、シミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像の中心軸にドリルの軸を一致させることがさらに容易になる。

請求項９の発明によれば、シミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像と、シミュレーションソフトウェアでボリュームレンダリングされた患者の歯槽骨の立体的ＣＴ画像との合成画像を使用して、請求項１７に示すドリルの位置決め方法が可能となる。

さらに、シミュレーションされたフィクスチャーの埋入位置についての補綴的検証をモックアップ上で行うことも可能となる。
また、下顎管や上顎洞といった外科的に重要な指標を患者の口腔内の映像に重畳して表示することも可能となる。

請求項１０の発明によれば、シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示すワイヤが植立された患者の口腔内を模したモックアップを使用して、請求項１８に示すドリルの位置決め方法が可能となる。

請求項１１の発明によれば、術者は術野から視点を移動させることなく手術を行うことができる。

請求項１２の発明によれば、術者はカメラを通した映像ではなく、ディスプレイの透過像で術野を見ることが可能になる。

請求項１３の発明によれば、術者以外の手術スタッフにも手術の様子が確認できるようになる。

請求項１４の発明によれば、マウスピースもしくは残存歯そのものを第１のＡＲ認識用マーカとして使用することができるようになる。

請求項１５の発明によれば、第１のＡＲ認識用マーカがカメラの撮影画像フレームから外れても、３Ｄオブジェクトを表示し続けることができるようになる。

請求項１６の発明によれば、カメラが撮像中の患者の口腔内の映像に重畳してディスプレイに表示されたシミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す三次元的位置情報をガイドとしてドリルの位置決めを行うことができる。

請求項１７の発明によれば、シミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像をガイドとしてドリルの位置決めを行うことができる。

請求項１８の発明によれば、シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示すワイヤに一致した立体的イメージ画像をガイドとしてドリルの位置決めを行うことができる。

インプラントの説明図である。 モックアップ（石膏模型）の残存歯部にマーカ部材を装着した状態を示す説明図である。 第１実施形態のサージカルガイド装置の概要構成ブロック図である。 （ａ)，（ｂ）は、第１実施形態における穿孔時の説明図である。 第２実施形態のサージカルガイド装置の概要構成ブロック図である。 （ａ)，（ｂ）は、第２実施形態における穿孔時の説明図である。 歯槽骨の立体的ＣＴ画像である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づき詳述する。

［概要］
まずは、具体的な説明に先立ち、インプラントについて説明する。
図１は、インプラントの説明図である。
歯（不図示）が抜けた後には、柔らかい海綿骨６０と硬い皮質骨６１とからなる歯槽骨６２と、これを覆う粘膜６３とが残る。インプラント７０は、歯槽骨６２に埋入孔Ｈをあけて埋入したフィクスチャー７１と、フィクスチャー７１に接続されて支台となるアバットメント７２と、アバットメント７２に装着される上部構造７３とによって構成されている。

図２は、モックアップ３０（石膏模型）の残存歯部にマーカ部材１１Ａを装着した状態を示す説明図である。
モックアップ３０は、図２に示すように、患者の口腔内から型取り（印象）して作製した上顎の実寸大の石膏模型である。
図２に示す例では、右上の奥歯（大臼歯）が抜けた状態を示している。奥歯が抜けた部分には、ＣＴ撮影により取得した患者のＣＴ画像データをシミュレーションソフトウェアに読み込んで、補綴と外科の両面から検討を加えながらフィクスチャー埋入シミュレーションを実行し、決定したフィクスチャー７１の埋入位置及び埋入方向を示すワイヤＷが植立されている。このワイヤＷの植立位置及び植立方向は、例えば、以下のようにして決定される。

ＣＴ撮影により取得した患者のＣＴ画像データをシミュレーションソフトウェアに読み込んでシミュレーションしたフィクスチャー７１（図１参照）の埋入位置及び埋入方向と、造影剤入りのＣＴ撮影用テンプレートとの相互の３次元的位置関係をシミュレーションソフトウェアの画面上で計測し、この３次元的位置関係に基づいて造影剤入りのＣＴ撮影用テンプレートにフィクスチャー７１の埋入位置及び埋入方向を示すマークを付ける。これをモックアップ３０に装着し、このマークをガイドとしてモックアップ３０上に直径１ｍｍ程度、深さ１０ｍｍ程度の孔（ワイヤ植立用孔）を開け、当該孔にワイヤＷを植立する。
これにより、シミュレーションしたフィクスチャー７１の埋入位置及び埋入方向を、換言すれば、埋入孔Ｈの穿孔位置及び穿孔方向を、モックアップ３０上のワイヤＷの植立位置及び植立方向として示すことができる。
［１］第１実施形態
まず、シミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像とシミュレーションソフトウェアでボリュームレンダリングされた患者の歯槽骨の立体的ＣＴ画像との合成画像を用いる第１実施形態について説明する。

［１．１］構造
図３は、第１実施形態のサージカルガイド装置１０の概要構成説明図である。
第１実施形態に係るサージカルガイド装置１０は、図３に示すように、大別すると、マーカ部材１１と、撮影表示装置１４と、ＡＲ画像処理装置１５と、を備えている。
マーカ部材１１は、患者の残存歯部及び患者の口腔内を模したモックアップ３０の残存歯部に着脱自在なレジン若しくはポリカーボネイト製のマウスピースＭと、このマウスピースＭに複数箇所設けられたＸ線造影剤を用いた校正用マーカＫと、このマウスピースＭに取り付けられた第１のＡＲ認識用マーカＭＫ1と、を備えている。
撮影表示装置１４は、カメラ１２と、このカメラ１２と一体に構成されたヘッドマウント型のディスプレイ１３と、を備えている。
ＡＲ画像処理装置１５は、撮影表示装置１４と接続され、ＡＲソフトウェアがインストールされたコンピュータハードウェアとして構成されている。

ここで、ＡＲソフトウェアとは、３Ｄオブジェクトとして取り込んだ立体画像を、カメラ１２が撮影中の映像内の第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１の位置及び姿勢に基づいて座標変換して、この第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１との３次元的位置関係を保ちながら、カメラ１２が撮影中の映像にリアルタイムで重畳してディスプレイ１３に表示するソフトウェアである。

［１．２］操作手順
次に、第１実施形態に係るサージカルガイド装置１０の操作手順について説明する。
（１）マーカ部材１１を患者の残存歯部に装着してＣＴ撮影を行い、ＣＴ画像データを取得する。
（２）得られたＣＴ画像データをシミュレーションソフトウェアに読み込んでフィクスチャー埋入シミュレーションを実行し、シミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像Ｆと、シミュレーションソフトウェアでボリュームレンダリングされた患者の歯槽骨の立体的ＣＴ画像Ｂとの合成画像Ｇのデータを得る（図７参照）。
（３）合成画像Ｇのデータを、ＡＲ画像処理装置１５にインストールされたＡＲソフトウェアが取り込み可能な形式Ｇ’ （不図示）にデータ変換する。
（４）合成画像Ｇ’ を３ＤオブジェクトとしてＡＲ画像処理装置１５にインストールされたＡＲソフトウェアに取り込む（合成画像Ｇ’ を第１のＡＲ認識用マーカＭＫ1の座標系に取り込む。）。
（５）モックアップ３０の残存歯部にマーカ部材１１を装着してカメラ１２でマーカ部材１１が装着されたモックアップ３０を撮影し、ＡＲソフトウェアにより、カメラ１２が撮影中のモックアップ３０の映像に患者の歯槽骨の立体的ＣＴ画像Ｂを重畳してディスプレイ１３に表示する。
（６）モックアップ３０の映像内の校正用マーカＫと患者の歯槽骨の立体的ＣＴ画像Ｂ内の校正用マーカＫのＸ線画像ＫＢ（不図示）とが３次元的に完全に一致する（３次元的なずれが所定誤差範囲内となる）ように、マウスピースＭに取り付けられた第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１の位置及び姿勢を調整してマウスピースＭに固定する。
以上により前準備は完了である。つづいて実際に患者の歯槽骨に穿孔を行う手順を示す。
図４は、穿孔時の説明図である。
（７）図４（ａ）に示すように、患者の残存歯部にマーカ部材１１を装着してカメラ１２でマーカ部材１１が装着された患者の口腔内を撮影し、図４（ｂ）に示すように、ＡＲソフトウェアにより、カメラ１２が撮影中の患者の口腔内の映像にシミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像Ｆを重畳した表示画像１３Ｖをディスプレイ１３に表示する。

ここで、ＡＲソフトウェアの処理内容を具体的に示すと、以下のようになる。
（ステップ１）第１のＡＲ認識用マーカＭＫ1のパターンの取り込み。
（ステップ２）第１のＡＲ認識用マーカＭＫ1の座標系への３Ｄオブジェクト（本実施形態では合成画像Ｇ’）の取り込み。
（ステップ３）カメラ１２による映像の取得とディスプレイ１３への表示。
（ステップ４）カメラ１２による映像内の第１のＡＲ認識用マーカＭＫ1のパターンの認識（抽出）と比較。
（ステップ５）カメラ１２による映像内の第１のＡＲ認識用マーカＭＫ1の３次元的位置及び姿勢の計算。
（ステップ６）カメラ１２による映像内の第１のＡＲ認識用マーカＭＫ1の座標系へ座標変換するための変換行列式の計算。
（ステップ７）カメラ１２による映像内の第１のＡＲ認識用マーカＭＫ1の座標系への３Ｄオブジェクトの描画とディスプレイ１３に表示中の映像への重畳表示。
（８）術者は、患者の口腔内の映像に重畳して表示された、シミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像Ｆをガイドとしてドリル２１の位置決めを行う。
（９）術者は、上述のドリル２１の位置決めに従ってドリリングを開始し埋入孔Ｈを穿孔する。
上記の手順により、術者は、患者の歯槽骨の所定の（シミュレーションしたフィクスチャーの）位置及び方向へドリル２１で正確に埋入孔Ｈを穿孔することができる。

以上の説明においては、説明の簡略化のため、マーカ部材１１に１つのＡＲ認識用第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１を取り付けた場合を説明したが、第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１がカメラ１２の撮影画像フレームから外れると、３Ｄオブジェクト（本実施形態では合成画像Ｇ’）が表示されなくなってしまうこととなる。そこで、予めマウスピースＭの複数個所に第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１を取り付けておくことで、いずれかの第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１をカメラ１２の撮影画像フレーム内に残すことが可能となり、これを防ぐことができる。

また、以上の説明では、フィクスチャーの立体的イメージ画像Ｆについてのみ説明したが、シミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像Ｆに、その中心軸のイメージ画像Ｚを異なる色で追加するようにしてもよい。
これにより、シミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像Ｆの中心軸にドリル２１の軸を一致させることが容易になる。

また、ドリル２１を装着したコントラヘッド２０に第２のＡＲ認識用マーカＭＫ２を取り付け、ＡＲソフトウェアにドリル２１の形状に一致した立体的イメージ画像Ｄを３Ｄオブジェクトとして取り込んで、カメラ１２が撮影しているドリル２１の映像にドリル２１の形状に一致した立体的イメージ画像Ｄを重畳して表示するようにしてもよい。
これにより、シミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像Ｆの中心軸にドリル２１の軸を一致させることがさらに容易になる。

また、以上の説明では、校正用マーカＫは、平面的な形状であるものとしていたが、凹凸のある立体で構成することも可能である。
これにより画像位置校正が正確かつ容易になる。

また、ヘッドマウント型のディスプレイ１３として光学透過型のディスプレイを使用し、患者の口腔内の透過像にシミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像Ｆを重畳表示するようにしてもよい。尚、この場合には、カメラ１２が撮影している患者の口腔内の映像と術者が見ている透過像とを完全に一致させるキャリブレーション機構が必要となる。具体的には、カメラ１２の撮影画像に相当する視野が、人間が注視していないときに肉眼で視認できる視野に一番近い画角（例えば、３５ｍｍ判一眼レフカメラにおける単焦点５０ｍｍレンズの画角）となるように設定し、当該撮影画像中のオブジェクト（例えば、マウスピースＭもしくは残存歯）を認識して、それらの位置及び向きから視認方向を検出して、リアルタイムにカメラ１２が撮影している患者の口腔内の映像と術者が見ている透過像とを完全に一致させるようにすればよい。
これにより、術者はカメラ１２を通した映像ではなく、ディスプレイの透過像で術野を見ることが可能になる。

以上では、カメラ１２と一体のヘッドマウント型のディスプレイ１３を使用する例を説明したが、これに代えて、カメラ１２とは独立したディスプレイに表示するようにしてもよい。
これにより、術者以外の手術スタッフにも手術の様子が確認できるようになる。

従来型の第１のＡＲ認識用マーカＭＫ1の代わりに、予め登録した平面状もしくは立体的画像を第１のＡＲ認識用マーカとして使用するようにしてもよい。
これにより、マウスピースＭもしくは残存歯そのものを第１のＡＲ認識用マーカとして使用することができるようになる。

ＡＲソフトウェアとして、カメラ１２が撮影している映像から３次元の空間構造を認識して記憶することが可能なものを使用するようにしてもよい。
これにより、第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１がカメラ１２の撮影画像フレームから外れても、３Ｄオブジェクト（本実施形態では合成画像Ｇ’）を表示し続けることができるようになる。

［２］第２実施形態
次にシミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示すワイヤが稙立されたモックアップを用いる第２実施形態について説明する。

［２．１］構造
図５は、第２実施形態のサージカルガイド装置１０Ａの概要構成説明図である。
第２実施形態に係るサージカルガイド装置１０Ａは、図５に示すように、大別すると、マーカ部材１１Ａと、撮影表示装置１４と、ＡＲ画像処理装置１５Ａと、を備えている。
マーカ部材１１Ａは、患者の残存歯部及び患者の口腔内を模したモックアップ３０の残存歯部に着脱自在なレジン若しくはポリカーボネイト製のマウスピースＭと、このマウスピースＭに取り付けられた第１のＡＲ認識用マーカＭＫ1と、を備えている。
撮影表示装置１４は、カメラ１２と、このカメラ１２と一体に構成されたヘッドマウント型のディスプレイ１３と、を備えている。
ＡＲ画像処理装置１５Ａは、撮影表示装置１４と接続され、３ＤペイントソフトウェアがＡＲソフトウェアに追加してインストールされたコンピュータハードウェアとして構成されている。

ここで、３Ｄペイントソフトウェアとは、ＡＲソフトウェアに機能を追加するもので、３次元空間にペイントマーカＰ（不図示）を用いて描画した３次元の描画軌跡Ｓを３Ｄオブジェクトとして取り込み、その３次元の描画軌跡Ｓを、カメラ１２が撮影中の映像内の第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１との３次元的位置関係を保ちながら、カメラ１２が撮影中の映像にリアルタイムで重畳してディスプレイ１３に表示するソフトウェアである。

［２．２］操作手順
次に第２実施形態に係るサージカルガイド装置１０Ａの操作手順について説明する。
（１）シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示すワイヤＷが稙立されたモックアップ３０の残存歯部にマーカ部材１１Ａを装着する。
（２）ＡＲ画像処理装置１５Ａにインストールされた３ＤペイントソフトウェアのペイントマーカＰを用いてワイヤＷの基端から先端までなぞることにより、ワイヤＷと３次元的に完全に一致した立体的イメージ画像Ｌを３Ｄオブジェクトとして３Ｄペイントソフトウェアに取り込む（ワイヤＷに一致した立体的イメージ画像Ｌを第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１の座標系に取り込む。）。

図６は、穿孔時の説明図である。
（３）図６（ａ）に示すように、患者の残存歯部にマーカ部材１１Ａを装着してカメラ１２でマーカ部材１１Ａが装着された患者の口腔内を撮影し、図６（ｂ）に示すように、３Ｄペイントソフトウェアにより、カメラ１２が撮影中の患者の口腔内の映像にワイヤＷに一致した立体的イメージ画像Ｌを重畳した表示画像１３Ｖをディスプレイ１３に表示する。
ここで、３Ｄペイントソフトウェアの処理内容を具体的に示すと、以下のようになる。（ステップ１）第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１及びペイントマーカＰのパターンの取り込み。
（ステップ２）カメラ１２による映像の取得とディスプレイ１３への表示。
（ステップ３）カメラ１２による映像内の第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１及びペイントマーカＰのパターンの認識（抽出）と比較。
（ステップ４）カメラ１２による映像内の第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１の３次元的位置及び姿勢の計算

（ステップ５）カメラ１２による映像内のペイントマーカＰの軌跡Ｓの３次元的位置及び姿勢の計算。
（ステップ６）第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１に対する軌跡Ｓの３次元的位置及び姿勢の計算と記憶（軌跡Ｓを３Ｄオブジェクトとして第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１の座標系に取り込む）。
（ステップ７）カメラ１２による映像内の第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１の座標系へ座標変換するため変換行列式の計算。
（ステップ８）カメラ１２による映像内の第１のＡＲ認識用マーカＭＫ１の座標系への軌跡Ｓの描画とディスプレイ１３に表示中の映像への重畳表示。

（４）術者は、患者の口腔内の映像に重畳して表示された、ワイヤＷに一致した立体的イメージ画像Ｌをガイドとしてドリル２１の位置決めを行う。
（５）術者は、上述のドリル２１の位置決めに従ってドリリングを開始し埋入孔Ｈを穿孔する。
上記の手順により、本第２実施形態においても、術者は、患者の歯槽骨の所定の（シミュレーションしたフィクスチャーの）位置及び方向へドリル２１で正確に埋入孔Ｈを穿孔することができる。

［３］実施形態の効果
第１実施形態１及び第２実施形態２によれば、以下のような効果が得られる。
［３．１］患者の口腔内にはマーカ部材１１（または１１Ａ）が残存歯部に装着されるだけなので、術野を覆うものが何もないので手術の邪魔にならない。また、患者の開口量もサージカルガイド装置を使用しない場合と変わらない。
［３．２］ドリル２１の先端を目視することが可能なのでドリル２１の穿孔位置及び穿孔方向に誤差が生じないようにドリリングの方向を正確にコントロールすることができる。また、冷却水の注水も容易である。

［３．３］サージカルガイド装置１０（または１０Ａ）とドリル２１が接触しないので、遊離端症例でもサージカルガイド装置１０（または１０Ａ）が不安定になることもなく、フラップ法とフラップレス法の両方に対応できる。
［３．４］１つのサージカル装置１０（または１０Ａ）で複数のフィクスチャーに対応可能で、しかも直径の異なる数種類のドリルにも対応できる。またピエゾなどドリル以外の器具にも対応できる。
［３．５］シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向についての補綴的検証をモックアップ３０上で行うことが可能である。
［３．６］下顎管や上顎洞といった外科的に重要な指標を術中の口腔内の映像に重畳して表示することが可能である。
［３．７］以上の説明では、シミュレーションソフトウェアと、ＡＲソフトウェアとは、別体のものとしていたが、シミュレーションソフトウェアとＡＲソフトウェアと、を統合することにより、透明なモックアップ上でシミュレーションを行うことも可能となる。

１０，１０Ａ サージカルガイド装置
１１，１１Ａ マーカ部材
１２ カメラ
１３ ディスプレイ
１３Ｖ 表示画面
１４ 撮影表示装置
１５，１５Ａ ＡＲ画像処理装置
２０ コントラヘッド
２１ ドリル
３０ モックアップ
Ｄ ドリル２１に一致した立体的イメージ画像
Ｆ シミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像
Ｈ 埋入孔
Ｋ 校正用マーカ
ＫＢ 校正用マーカＫのＸ線画像
Ｌ ワイヤに一致した立体的イメージ画像
Ｍ マウスピース
ＭＫ１ 第１のＡＲ認識用マーカ
ＭＫ２ 第２のＡＲ認識用マーカ
Ｚ Ｆの中心軸のイメージ画像

Claims (18)

1. 患者の口腔内に設けられた第１のＡＲ認識用マーカを含む患者の口腔内の映像を撮影するカメラとディスプレイとを有する撮影表示装置と、
   前記撮影表示装置と接続され、前記カメラが撮影中の患者の口腔内の映像内の前記第１のＡＲ認識用マーカの位置及び姿勢に基づいて、シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す３次元的位置情報を、前記カメラが撮像中の患者の口腔内の映像に重畳して前記ディスプレイに表示するＡＲ画像処理装置と、を備える、
   ことを特徴とするサージカルガイド装置。
2. 患者の残存歯部及び患者の口腔内を模したモックアップの前記残存歯部に着脱自在なマウスピースと、前記マウスピースに取り付けられた前記第１のＡＲ認識用マーカと、を有するマーカ部材を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載のサージカルガイド装置。
3. 前記マーカ部材の前記マウスピースにはＸ線造影剤を使用した、平面状もしくは立体的な校正用マーカが複数箇所設けられている、
   ことを特徴とする請求項２に記載のサージカルガイド装置。
4. 前記シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す３次元的位置情報は、シミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像で表示される、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のサージカルガイド装置。
5. 前記シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す３次元的位置情報は、前記フィクスチャーの立体的イメージ画像に前記フィクスチャーの中心軸のイメージ画像を追加した画像で表示され、前記中心軸のイメージ画像は前記フィクスチャーの立体的イメージ画像とは異なる色で表示される、
   ことを特徴とする請求項４に記載のサージカルガイド装置。
6. 前記マウスピースには、前記第１のＡＲ認識用マーカが複数個所に取り付けられており、複数個所に取り付けられた前記第１のＡＲ認識用マーカのうち、いずれか１つは術中において、前記カメラの撮影画像フレーム内に含まれるように配置されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のサージカルガイド装置。
7. 前記ＡＲ画像処理装置は、ＡＲソフトウェアがインストールされたコンピュータハードウェアを備え、前記シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す３次元的位置情報を含む立体画像を３Ｄオブジェクトとして取り込んで、前記第１のＡＲ認識用マーカの位置及び姿勢に基づいて前記表示を行う、
   ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のサージカルガイド装置。
8. 前記フィクスチャーの埋入孔を穿孔するドリルが装着されたコントラヘッドに第２のＡＲ認識用マーカが取り付けられており、
   前記ＡＲソフトウェアに前記ドリルの形状と一致した立体的イメージ画像を３Ｄオブジェクトとして取り込んで、前記カメラが撮影中の前記ドリルの映像に、前記ドリルの形状と一致した立体的イメージ画像を重畳して表示する、
   ことを特徴とする請求項７に記載のサージカルガイド装置。
9. 前記ＡＲ画像処理装置は、前記校正用マーカが複数箇所設けられた前記マーカ部材を患者の残存歯部に装着してＣＴ撮影した患者のＣＴ画像データをシミュレーションソフトウェアに読み込んで、前記シミュレーションソフトウェア上でフィクスチャー埋入シミュレーションを実行して得られた、シミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像と、前記シミュレーションソフトウェアでボリュームレンダリングされた患者の歯槽骨の立体的ＣＴ画像との合成画像を３Ｄオブジェクトとして取り込む、
   ことを特徴とする請求項３ないし８のいずれか１項に記載のサージカルガイド装置。
10. 前記ＡＲ画像処理装置は、シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示すワイヤが植立された患者の口腔内を模したモックアップを使用し、前記ＡＲソフトウェアに追加してインストールされた３Ｄペイントソフトウェアにより、前記ワイヤと３次元的に完全に一致した立体的イメージ画像を３Ｄオブジェクトとして取り込む、
    ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のサージカルガイド装置。
11. 前記ディスプレイが、前記カメラと一体に構成されたヘッドマウント型のディスプレイである、
    ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のサージカルガイド装置。
12. 請求項１１と請求項１２を入れ替えました
    前記ヘッドマウント型のディスプレイに光学透過型のディスプレイを使用し、患者の口腔内の透過像に前記シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す３次元的位置情報を重畳表示する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載のサージカルガイド装置。
13. 前記ディスプレイが、前記カメラから独立したディスプレイである、
    ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のサージカルガイド装置。
14. 前記第１のＡＲ認識用マーカとして、予め登録した平面状もしくは立体的画像を使用する、
    ことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のサージカルガイド装置。
15. 前記ＡＲソフトウェアは、前記カメラが撮影している映像から３次元の空間構造を認識して記憶することが可能である、
    ことを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項に記載のサージカルガイド装置。
16. 請求項２ないし１１のいずれか１項に記載のサージカルガイド装置を使用した、インプラントのフィクスチャーを患者の歯槽骨に埋入するための埋入孔をドリルで穿孔する際のドリルの位置決め方法において、
    前記シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す３次元的位置情報を含む立体画像を３Ｄオブジェクトとして前記ＡＲ画像処理装置に取り込む工程と、
    前記カメラで、患者の残存歯部に装着されたマウスピースに取付けられた第１のＡＲ認識用マーカを含む患者の口腔内の映像を撮影し、前記カメラが撮影中の患者の口腔内の映像内の前記第１のＡＲ認識用マーカの位置及び姿勢に基づいて、前記シミュレーションしたフィクスチャーの埋入位置及び埋入方向を示す３次元的位置情報を、前記カメラが撮像中の患者の口腔内の映像に重畳して前記ディスプレイに表示する工程と、を備える、
    ことを特徴とするドリルの位置決め方法。
17. 請求項９に記載のサージカルガイド装置を使用した、インプラントのフィクスチャーを患者の歯槽骨に埋入するための埋入孔をドリルで穿孔する際のドリルの位置決め方法において、
    前記合成画像のデータを前記ＡＲ画像処理装置にインストールされたＡＲソフトウェアが取り込み可能な形式にデータ変換して、前記合成画像を３Ｄオブジェクトとして前記ＡＲソフトウェアに取り込む、合成画像取り込み工程と、
    前記モックアップの残存歯部に前記マーカ部材を装着し、前記ＡＲソフトウェアにより、前記カメラが撮影中のモックアップの映像に前記合成画像を重畳して表示して、前記映像内の前記校正用マーカと前記合成画像内の校正用マーカのＸ線画像とが３次元的に完全に一致するように、前記マーカ部材のマウスピースに取り付けられた前記第１のＡＲ認識用マーカの位置及び姿勢を調整して固定する、画像位置校正工程と、
    患者の残存歯部に前記マーカ部材を装着し、前記ＡＲソフトウェアにより、前記カメラが撮影中の患者の口腔内の映像に前記合成画像を重畳して表示して、前記合成画像内のシミュレーションしたフィクスチャーの立体的イメージ画像をガイドとして前記ドリルの位置決めを行う、ドリル位置決め工程と、を備える、
    ことを特徴とするドリルの位置決め方法。
18. 請求項１０に記載のサージカルガイド装置を使用した、インプラントのフィクスチャーを患者の歯槽骨に埋入するための埋入孔をドリルで穿孔する際のドリルの位置決め方法において、
    前記ワイヤが植立されたモックアップの残存歯部に前記マーカ部材を装着し、前記３Ｄペイントソフトウェアのペイントマーカを用いて前記ワイヤの基端から先端までなぞることにより、前記ワイヤと３次元的に完全に一致した立体的イメージ画像を３Ｄオブジェクトとして前記３Ｄペイントソフトウェアに取り込む、ワイヤ画像取り込み工程と、
    患者の残存歯部に前記マーカ部材を装着し、前記３Ｄペイントソフトウェアにより、前記カメラが撮影中の患者の口腔内の映像に前記ワイヤに一致した立体的イメージ画像を重畳して表示して、前記ワイヤに一致した立体的イメージ画像をガイドとしてドリルの位置決めを行う、ドリル位置決め工程と、を備える、
    ことを特徴とするドリルの位置決め方法。

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