JP3217593B2 - 手術器具の位置表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、外科手術ナビゲーシ
ョン装置と呼ばれ、外科手術や生体サンプル採取のため
に被検体内に吸引管などの手術器具を差し入れた際に、
その手術器具が被検体内のどの位置にあるかを表示する
装置、特に、手術前に収集したＸ線ＣＴ像、ＭＲＩ像、
あるいはＸ線透視画像上に手術器具の位置を表示する手
術器具の表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】予め収集しておいたＭＲＩ像、Ｘ線ＣＴ
像、Ｘ線透視画像に手術器具の位置を重ね合わせて表示
する手術器具の位置表示装置としては、例えば、 NEU
RO-NAVIGATOR（「Three Dimensional Digitizer (Neuro
navigator) :New Equipment Computed Tomography-Guid
ed Stereotaxic Surgery」 :E.Watanabe et al. :SurgN
eurol 1987:27:p543-p547）、「医療用三次元定位装
置」（特開平03-106359）NEURO-SAT を用いた定位脳手
術支援装置、「定位脳手術支援装置」（特開平03-267
054 ）を用いたCANS-NAVIGATOR、「体内三次元位置表
示装置」（特開平03-284253 ）などがある。

【０００３】これら従来例に係る手術器具の位置表示装
置では、精度の良い手術器具の位置検出手段や、検出さ
れた手術器具位置の表示手段に工夫がなされ、手術器具
の位置を正確に、かつ、簡便に断層画像上に表示するも
のである。

【０００４】また、手術前に被検体の断層画像を用いて
手術経路等を検討できる機能を備えた手術器具の位置表
示装置も提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】外科手術、特に、脳外
科手術では、正常な脳機能や構造物への影響を最小限に
して、病変部のみを除去することが肝要である。

【０００６】そのために、手術前に予め収集しておいた
断層画像などから被検体（手術患者）の神経や血管等の
注意構造物の位置を知り、それを基に術式等決定する必
要がある。

【０００７】従来に係る手術器具の位置表示装置によれ
ば手術中における手術器具の位置は、断層像に表示され
るものの注意構造物の位置ないしそれの把握は術者（執
刀医）の記憶に頼らざるを得ないものである。

【０００８】また、手術経路等を検討する機能を持った
手術器具の位置表示装置では、手術に先立って術式等を
検討、決定する上で有益であるものの、この機能はその
検討結果を手術中に直接利用できるものではなく、やは
り注意構造物の位置とそれの把握は術者の記憶に頼らざ
るを得ない。

【０００９】注意構造物の位置は通常一つではなく多数
に及び、且つ、被検者毎に異なることから、それらの位
置を記憶することは、術者に多大な精神的負担を強いる
ことになり、術者の集中力を妨げることになる。

【００１０】この発明は、上記に鑑みてなされたもので
あって、手術中に手術器具が注意構造物に近づいたこと
を術者に知らせることができるようにした手術器具の位
置表示装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するために、次のような構成をとる。

【００１２】すなわち、この発明に係る手術機器具の位
置表示装置は、予め収集しておいた被検体の関心部位の
断層画像上に、手術中に被検体内に差し入れられる手術
機器の位置を重ね合わせて表示する手術器具の位置表示
装置であって、前記収集しておいた断層画像上の注意を
要する注意構造物の位置を指定する注意構造物位置指定
手段と、この指定手段で指定された注意構造物の位置を
記憶する注意構造物位置記憶手段と、手術器具の位置検
出手段で検出された手術器具の位置が前記注意構造物位
置記憶手段に記憶された注意構造物の位置情報と一致す
るかを監視し警告信号を出力する位置監視手段と、この
位置監視手段の出力信号で作動する警告手段と、を備え
たことを特徴としている。

【００１３】

【作用】この発明の作用は次のとおりである。

【００１４】注意構造物位置指定手段は、画像記憶手段
に記憶されている被検体の関心部位ごとの断層像上の注
意構造物の位置（座標）を指定し、指定された注意構造
物の位置（座標）が注意構造物位置記憶手段に記憶され
る。

【００１５】位置監視手段は、位置検出手段で順次検出
される手術器具の位置と、前記注意構造物位置記憶手段
に記憶されている注意構造物の位置とを監視し、手術器
具の位置が注意構造物の位置の所定範囲内に近づくと警
告手段を作動させる。

【００１６】警告手段は、スピーカ等の術者の聴覚、な
いし、断層像と共に手術器具の位置を示すパターンが表
示される表示手段上に警告メッセージを表示する視覚に
訴えるものであり、それの作動でもって、術者は注意構
造物に手術器具が接近ないし位置したことが感知でき
る。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例を説
明する。

【００１８】図１は、この発明に係わる手術器具の位置
表示装置の一実施例の概略構成を示す図である。

【００１９】図１においては、符号１は被検体Ｍが載置
された手術台である。２は手術中に術者によって被検体
Ｍに差し入れられる手術器具である。手術台１上には、
三次元方向にそれぞれ磁界を発生する磁気ソース３ａ
が、被検体Ｍとの相対位置関係が変化しないように配備
されている。なお、この磁気ソース３ａは被検体Ｍ自身
に取付け固定してもよい。手術器具２の後端部には、磁
気ソース３ａから発生された三次元の磁界を検出する磁
気センサー３ｂが取り付けられている。図２に示すよう
に、磁気ソース３ａは、三次元方向Ｘ、Ｙ、Ｚにそれぞ
れ磁界を発生させる３つのコイル３ax、３ay、３azから
構成されている。磁気ソース３ａは、駆動回路４に接続
され、この駆動回路４から交流電流を与えられることに
より三次元の磁界Ｈを発生する。磁気センサー３ｂも同
様に、互いに直交した３つのコイル３bx、３by、３bzか
ら構成されている。磁気センサー３ｂは、検出回路５に
接続されている。この検出回路５は、各コイル３bx、３
by、３bzからの検出信号を増幅して、適宜のディジタル
信号に変換した位置データーを出力する。磁気ソース３
ａ、磁気センサー３ｂ、駆動回路４、検出回路５、及び
後述する位置算出部７は、この発明における位置検出手
段に相当する。

【００２０】画像処理コンピューター６は、手術器具２
の位置検出、その先端部の位置検出、検出された位置に
応じた画像の選択、選択された画像上への手術器具２の
パターンの合成、注意構造物位置指定部で指定された注
意構造物の位置の記憶、手術器具位置が注意構造物の位
置に存在しているかどうかの監視を行なうものであり、
その内部構成を機能別に大別すると、位置算出部７、位
置情報変換部８、変換値算出部９、画像選択部１０、画
像合成部１１、注意構造物位置メモリ１２、位置監視部
１３からなる。

【００２１】位置算出部７は、検出回路５からの位置デ
ーターに基づいて、磁気センサー３ｂの三次元位置及び
方向を算出する。さらに予めデーターとして与えられて
いる手術器具２の大きさを考慮して、最終的には、手術
器具２の先端の三次元位置及び方向を求める。なお、上
述した磁気ソース３ａおよび磁気センサー３ｂを使って
磁気センサー３ｂの実空間座標および方向を算出する手
法は、例えば、特開平３−２６７０５４号によって知ら
れているので、ここでの説明は省略する。

【００２２】変換値算出部９は、位置算出部７によって
算出された磁気センサー３ｂ実空間座標／方向からなる
位置情報を、手術器具２の大きさや形状からその先端部
の位置を含む変換位置情報に変換するための変換値を予
め格納するものである。位置情報変換部８は変換値算出
部９内の変換値を使用して、位置算出部７からの位置情
報を画像上の位置情報に変換する。

【００２３】画像選択部１０は、位置情報変換部８から
与えられる手術器具２の先端部の位置情報に基づき、画
像メモリ１４から所要の断層像の画像データーを選択す
るもので、この発明における画像選択手段に相当する。
画像メモリ１４は、被検体Ｍの関心領域内の関心部位毎
の断層像の画像データーを記憶するものであり、この発
明における画像記憶手段に相当する。

【００２４】画像合成部１１は、画像選択部１０によっ
て選択された画像上の、位置情報変換部８によって求め
られた変換位置情報の示す位置に手術器具２の位置を示
す所定パターンを重ね合わせるもので、この発明におけ
る画像合成手段に相当する。画像合成部１１で合成され
た画像は、この発明における表示手段に相当するモニタ
１５に与えられる。

【００２５】注意構造物位置メモリ１２は、マウスなど
の注意構造物位置指定部１６で指定された注意構造物の
位置（座標）を記憶するもので、この発明における注意
構造物位置記憶手段に相当し、注意構造物位置指定部１
６は、この発明における注意構造物位置指定手段に相当
する。

【００２６】位置監視部１３は、位置情報変換部８から
与えられる手術器具２の先端部の位置と注意構造物位置
メモリ１２に記憶されている注意構造物の位置とを比較
して手術器具２の状態を常に監視し、手術器具２が注意
構造物に接近ないし位置した際に警告信号を発するもの
で、この発明の位置監視手段に相当する。

【００２７】音声部１７はこの実施例ではスピーカで位
置監視部１３の警告信号で音、ないし、音声を発するも
ので、この発明の警告手段に相当する。

【００２８】上記構成の装置において手術器具２の位置
を表示するには、装置を動作させるに先立ち、画像メモ
リ１４に断層像を収集記憶させると共に注意構造物位置
メモリ１２に注意構造物の位置を記憶させておく必要が
ある。

【００２９】図３を参照して画像メモリ１４に記憶され
る断層像の収集について説明する。図３(a) に示すよう
に、手術台１に載置された被検体Ｍの関心部位付近（こ
の例では頭部）の体表面の４ケ所にマーカーＰ₁ 、
Ｐ₂ 、Ｐ₃ 、Ｐ₄ を貼り付け、関心部位を含む領域内の
複数のスライス面Ｓ₁ 〜Ｓ_n の断面像を各マーカー
Ｐ₁、Ｐ₂ 、Ｐ₃ 、Ｐ₄ とともにＸ線ＣＴ装置、ＭＲＩ
装置などにより撮影する。このようにして得られた断層
像Ｉ₁ 〜Ｉ_n の模式図を図３(b) に示す。これらの断層
像Ｉ₁ 〜Ｉ_n およびマーカーＰ₁ 、Ｐ₂ 、Ｐ₃ 、Ｐ
₄ は、撮影に使用したＸ線ＣＴ装置の固有の空間座標
（ＣＴ座標系）によってその位置が定義されている。こ
の断層像Ｉ₁ 〜Ｉ_n およびマーカーＰ₁ 、Ｐ₂ 、Ｐ₃ 、
Ｐ₄ のＣＴ座標系は画像メモリ１３に格納される。

【００３０】注意構造物の位置を指定し、位置メモリ１
２に記憶させるには注意構造物位置指定部１６を用い
る。注意構造物位置指定部１６で画像メモリ１４に収集
記憶した画像を読み出してモニタ１５上に表示し、手術
の際に取り扱いに注意を要する血管や神経等の注意構造
物の画像上の位置をマウス等で指定し、その画像上の座
標を注意構造部位置メモリ１２に記憶させる。このとき
同時に、複数の画像のいずれかに写っているマーカーの
画像上の座標（ＣＴ座標系）も記憶させておく。なお、
図３(b) のＡ、Ｂは、注意構造物を示す。

【００３１】画像メモリ１４に収集記憶された画像デー
ターは、Ｘ線ＣＴ装置などの断層撮影を行なった装置の
固有の空間座標（ＣＴ座標系）で表わされており、この
ＣＴ座標系の固有空間座標と、手術器具の位置表示装置
の実空間座標（手術器具の位置検出手段を基準とする座
標系）との対応付け、所謂、キャリブレーションを手術
の直前に行なう必要がある。

【００３２】キャリブレーションは、各マーカーＰ₁ 、
Ｐ₂ 、Ｐ₃ 、Ｐ₄ の実空間上の位置を図１で説明した磁
気ソース３ａ、及び、磁気センサー３ｂを使って測定す
ることで行なう。

【００３３】すなわち、被検体Ｍを磁気ソース３ａと共
に手術台１に固定し、磁気センサー３ｂが取付けられて
いてその先端位置が検出可能なキャリブレーションプロ
ーブの先端を、被検体Ｍ上の各マーカーＰ₁ 、Ｐ₂ 、Ｐ
₃ 、Ｐ₄ に順次接触させる。各マーカー位置は、検出回
路５を通り磁気ソース３ａとの相対位置から、実空間上
のそれぞれの三次元位置座標として算出される。

【００３４】このようにして求めた全マーカーＰ₁ 、Ｐ
₂ 、Ｐ₃ 、Ｐ₄ の実空間上の座標は、先に求めた同じマ
ーカーの画像上の座標にそれぞれ対応づけられ、実空間
上の位置を画像上の位置に三次元アフィン変換するため
の変換値が変換値算出部９で算出され、その変換値が位
置情報変換部８に記憶される。

【００３５】以上のように断層像の収集、注意構造物の
位置指定とその記憶及び、画像上の位置と実空間上の位
置との対応付け（キャリブレーション）が終了すると、
手術に移行する。

【００３６】手術では、磁気センサー３ｂが固定されそ
の先端座標が計算可能な吸引管等の手術器具２が被検体
Ｍの関心部位（体内）に差し入れられる。被検体Ｍに対
しその位置が固定されている磁気ソース３ａには、駆動
回路から交流が送られ、磁気ソース３ａ内部のコイルに
よって三次元方向に磁場が発生される。検出回路５はこ
の交流電流から磁気センサー３ｂの位置を計算し、位置
算出部７は手術器具２の先端の実空間上の座標を順次求
める。

【００３７】手術器具２の先端の実空間上の座標は、位
置情報変換部８によって断層像上の座標に変換される。
画像選択部１０は、この変換された断層像上の座標に対
応する断層像を画像メモリ１４から選択して取り出す。
選択された画像は画像合成部１１に送られる。

【００３８】画像合成部１１は、この選択された断層像
上の位置情報変換部８で変換された座標位置に、手術器
具２の位置を示す所定のパターンを重ね合わせ、その合
成画像をモニタ１５に出力する。以上の処理を逐次リア
ルタイムで実行することによりモニタ１５には、選択さ
れた画像上に位置算出部７で検出された手術器具２の現
在位置を所定パターンで表わした画像が順次表示され、
術者は手術器具２の位置を確認しながら手術を行なうこ
とができる。

【００３９】この動作と並行して手術器具２の先端が注
意構造物の位置に接近ないし位置したかの監視を位置監
視部１３がリアルタイムで行なう。図４は位置監視部１
３の動作を示すフロチャートである。

【００４０】位置算出部７で手術器具２の先端の実空間
上の座標が刻々求められ（ステップＳ₁ ）、位置情報変
換部８で断層像上の座標に変換される（ステップ
Ｓ₂ ）。送られてきた手術器具２の位置情報であるそれ
の先端の断層像上の座標は、即前記注意構造物位置メモ
リ１２に記憶されている注意構造物の画像上の座標と比
較される（ステップＳ₃ 、Ｓ₄ ）。

【００４１】この比較は位置監視部１３で行なわれ、手
術器具先端の実空間上の座標が、注意構造物の座標の中
心とする半径５mmの球内に存在しなければ、それはなに
も指示を出さずにステップＳ₁ へ戻り、次の手術器具２
の位置情報を得、同様の動作を繰り返えす。もし、手術
器具先端の実空間上の座標が、注意構造物Ａの座標を中
心とする半径５mmの球内に存在すれば（ステップ
Ｓ₃ ）、音声部１７を動作させそれから警告音ないし、
警告メッセイジを発生させると共にモニタ１５に警告メ
ッセイジを表示する（ステップＳ₅ ）。これにより、術
者が注意構造物Ａの座標（位置）の半径５mmの球内に手
術器具の先端が位置したことを知ることができる。注意
構造物Ａでの手技がなされ、手術器具の先端が次の注意
構造物Ｂの位置に近づいてそれの座標を中心とする半径
５mmの球内に存在すると（ステップＳ₄）、音声部１６
を動作させそれから警告音ないし警告メッセイジを発生
させると共にモニタ１５に警告メッセイジを表示する
（ステップＳ₆ ）。

【００４２】この動作は注意構造物位置メモリ１２に記
憶されている全ての注意構造物について行なわれる。

【００４３】したがって、術者が手術前に注意構造物位
置指定部１６で指定した注意構造物に手術器具先端が近
づいたことを術者は手術中にリアルタイムに知ることが
できる。

【００４４】

【変形実施例】

１）実施例では、Ｘ線ＣＴ装置で撮影した画像を直接画
像メモリに記憶させるようにしたが、Ｘ線ＣＴ装置等で
撮影した断層像のフィルムをフィルムリーダーなどで読
み取り、画像メモリに記憶させても、また、光磁気ディ
スクなどの記録媒体から読み取り、画像メモリに記憶さ
せるようにしてもよい。

【００４５】２）実施例では、注意構造物座標を中心と
する半径５mmの球内に、手術器具の先端が位置した場合
に警告音と警告メッセイジを発するようにしたが、注意
構造物座標を含んでおれば、どのような形状のどのよう
な範囲であってもよい。

【００４６】また、その形状や範囲を手術前ないし手術
中に変更できるようにしてもよい。さらに、注意構造物
座標を中心とする範囲に応じて警告音の種類や警告メッ
セイジの内容を変えてもよい。

【００４７】このようにすれば、手術器具の先端がどの
程度、注意構造物に近づいているかを術者が知ることが
できる。

【００４８】また、手術器具の先端が注意構造物座標を
中心とする所定の範囲に存在している間中警告音や警告
メッセイジが発せられるようにすることも可能である。

【００４９】３）注意構造物を指定する際に、その座標
値と共に「内頚動脈」、「視神経」などの注意構造物の
部位名も入力し記憶させ、部位名をも警告するようにし
てもよい。

【００５０】このようにすれば、術者が手術器具の先端
がどの注意構造物に近づいたかを知ることができる。

【００５１】４）実施例では、注意構造物の位置の注意
構造物位置への記憶をキャリブレーションの前に行なう
ようにしたが、この手順を逆にしてもよい。

【００５２】５）実施例では、キャリブレーション時に
キャリブレーションプローブを用いたが、手術器具２を
キャリブレーションに共用してもよい。

【００５３】このようにすれば、使用する器具に応じて
磁気センサーを付け替える手間を省くことができ、術者
の負担を少なくすることができる。

【００５４】６）実施例では、磁気ソース３ａ及び磁気
センサー３ｂを用いて手術器具２及びキャリブレーショ
ンプローブの位置を検出したが、この発明は、これに限
定されることなく、例えば、手術器具２またはキャリブ
レーションプローブを多関節のアームの先端に取り付
け、各関節部分でアームの角度を検出することにより、
手術器具２またはキャリブレーションプローブの位置を
検出するように構成してもよい。このように構成するこ
とにより磁気ソース３ａによって、形成されている磁界
を乱すような磁性体や導電体などから、構成される器具
を使用することができる。

【００５５】

【発明の効果】以上で明らかなように、この発明によれ
ば、神経や主要血管等の注意構造物に手術器具が近づく
と警告音等で術者にその旨を知らせるので、被検体の個
々の差による注意構造物の違いに関かわらず、術者は注
意構造物に手術器具が近づいたことを知ることができる
ので、被検体個々の注意構造物の位置を全て記憶してお
く必要がなくなる。

【００５６】したがって、術者の精神的負担が著じるし
く軽減し、術者は手術に集中することができる。

【００５７】また、骨など視覚的な妨げとなるものの背
後に注意すべき構造物があるとどうかも容易に知ること
ができるので、重大な医療ミスの可能性もなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係わる手術器具に位置表示装置の概略
構成を示す図である。

【図２】磁気ソース及び磁気センサーの説明図である。

【図３】断層像の収集の説明に供する図である。

【図４】図１の位置監視手段の動作を示すフローチャー
トである。

【符号の説明】

１…手術台 ２…手術器具 ３ａ…磁気ソース ３ｂ…磁気セ
ンサー ４…駆動回路 ５…検出回路 ６…画像処理コンピュータ ７…位置算出
部 ８…位置情報変換部 ９…変換値算
出部 １０…画像選択部 １１…画像合
成部 １２…注意構造物位置メモリ １３…位置監
視部 １４…画像メモリ １５…モニタ １６…注意構造物位置指定部 １７…音声部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 早川 徹 兵庫県神戸市東灘区御影山手１丁目２番 地 (72)発明者 吉峰 俊樹 兵庫県芦屋市竹園町３−７ (72)発明者 加藤 天美 大阪府茨木市上野町９−20 (72)発明者 岡村 昇一 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式 会社 島津製作所 三条工場内 (72)発明者 奥村 武志 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式 会社 島津製作所 三条工場内 (56)参考文献 特開 昭63−294835（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−123327（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−300910（ＪＰ，Ａ) 特表 平８−509393（ＪＰ，Ａ) 特表 平２−500410（ＪＰ，Ａ) 特表 平５−500911（ＪＰ，Ａ) 特表 平２−503519（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 17/00 - 18/28 A61B 19/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体の関心部位ごとの画像データーを
   記憶する画像記憶手段と、手術器具の位置を順次検出す
   る位置検出手段と、前記位置検出手段からの位置情報に
   基づいて前記画像記憶手段から画像データーを順次選択
   する画像選択手段と、前記画像選択手段によって選択さ
   れた画像上の、前記位置検出手段で検出された位置に、
   手術器具の位置を示す所定パターンを重ね合わせる画像
   合成手段と、前記画像合成手段によって合成された画像
   を表示する表示手段と、から構成される手術器具の位置
   表示装置において、前記画像記憶手段に記憶された画像
   上の注意を要する構造物を指定する注意構造物位置指定
   手段と、指定された注意構造物の位置情報を記憶する注
   意構造物位置記憶手段と、前記位置検出手段で検出され
   た手術器具の位置が前記注意構造物位置記憶手段に記憶
   された注意構造物の位置情報と一致するかどうかを監視
   し、警告信号を出力する位置監視手段と、前記位置監視
   手段からの警告信号で作動する警告手段と、を備えたこ
   とを特徴とする手術器具の位置表示装置。