JP3637025B2 - ツール位置提示システム及びこれを利用したツール位置提示方法、並びに、そのためのツール及びレーザー光照射角度演算方法 - Google Patents
ツール位置提示システム及びこれを利用したツール位置提示方法、並びに、そのためのツール及びレーザー光照射角度演算方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3637025B2 JP3637025B2 JP2002061515A JP2002061515A JP3637025B2 JP 3637025 B2 JP3637025 B2 JP 3637025B2 JP 2002061515 A JP2002061515 A JP 2002061515A JP 2002061515 A JP2002061515 A JP 2002061515A JP 3637025 B2 JP3637025 B2 JP 3637025B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- tool
- laser beam
- laser
- laser irradiation
- presentation system
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Landscapes
- Laser Surgery Devices (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の空間内において、作業者が所定の作業を実行するためのツールの位置決めを支援するためのツール位置提示システムに関し、特に、外科手術等で用いる術具（特に、ドリルやワイヤー）の位置及び方向を被作業体（患者）上に正確に提示するツール位置提示システム、及びこれを利用したツール位置設定方法、並びに、そのためのツールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、整形外科手術を始めとする外科手術では、術者（医師）が術具の位置決めを正確に行うことが重要である。かかる課題に対する解決方法として、例えば、COMPUTER-INTEGRATED SURGERY (THE MIT PRESS (1996年)発行)の４２５頁−４４９頁に記載されている方法が、既に知られている。かかる方法では、例えば、そのFigure 32.19に示されるように、術具であるドリルを、例えばロボットアーム上に取り付けたレーザー装置から、被作業体である脊椎の所定の位置に、所定の角度からレーザー光線を照射して、その先端位置とその進行方法を、１本のレーザー光線上に提示するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、前記の従来技術では、レーザー光線を術具の目標位置に対して目標方向から照射してその直線上に位置提示を行っている。そのため、例えば、このレーザー光線がこれら術具や術者によって遮られてしまい、そのため、このレーザー光線により提示された位置を見失う可能性があり、そのため、術具であるドリルを正確にこのレーザー光線に合わせることが難しかった。特に、ドリルの進行方向は、上記Figure 32.19にも明らかなように、レーザー光線がドリルの後端面の中心部に照射されるように設定しなければならず、なおさらであった。また、そのような場合、かかる従来技術では、このレーザー光線を照射する装置を、再度、適切な場所に移動させるための機構が必要になるという問題もあった。
【０００４】
本発明は、上述したような従来技術における問題点に鑑みてなされるものであり、その目的は、ツールの目標位置及び方向を指示する光線が容易にツールや当該ツールによる作業者の位置などによって遮られることなく、かつ、より正確にツールの位置及び方向を、被作業体上に提示することが可能となる、ツール位置提示システム、及びこれを利用したツール位置設定方法、並びに、そのためのツールを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成すべく、本発明によれば、まず、所定の空間内において、被作業体上におけるツールの位置を提示するツール位置提示システムであって、当該空間内の異なるに位置し当該点から平面状に所定の広がりを有する光線を照射する少なくとも２つの光源と、当該少なくとも２つの光源から照射される平面状の光線の照射角度を制御する制御装置とを備え、当該少なくとも２つの光源からの平面状の光線を利用して、当該ツールの位置を当該所定の空間内に提示するツール位置提示システムが提供される。
【０００６】
なお、本発明によれば、前記のツール位置提示システムにおいて、前記少なくとも２つの平面状の光線は、線状のレーザー光線を振動することにより得るものであり、かつ、前記少なくとも２つの光源は、術者（作業者）の体軸の方向と上記ツールの軸方向とにより形成される面の両側に所定の距離だけ離隔して配置されており、さらに、前記ツールの先端部を、前記少なくとも２つの平面状の光線の交差点によって提示すると共に、前記少なくとも２つの平面状の光線のうち少なくとも一つによって、当該ツールの方向を提示するものである。
【０００７】
そして、本発明によれば、前記に記載したツール位置提示システムにおける前記所定の空間は手術室であり、かつ、前記ツールは手術用具であり、特に、手術用ドリルである。
【０００８】
また、やはり上記の目的を達成するため、本発明によれば、所定の空間内において、前記に記載したツール位置提示システムを利用して、被作業体上におけるツールの位置を設定するツール位置設定方法であって、前記少なくとも２つの光源から照射される少なくとも２つの平面状の光線を利用して提示される位置に従って当該ツールの位置を設定するツール位置設定方法が提供される。
【０００９】
本発明によれば、前記のツール位置設定方法において、特に、前記ツールの先端部を、前記少なくとも２つの平面状光線の交差点によって提示される点に設定すると共に、前記少なくとも２つの平面状光線のうち少なくとも一つによって提示される光線の直線状断面方向に、当該ツールの軸方向を設定するものである。
【００１０】
加えて、本発明によれば、前記のツール位置提示システム、あるいは、ツール位置設定方法を利用して、所定の空間内における被作業体上にその位置が設定されるツールであって、当該ツールの外周面の一部に、前記少なくとも２つの平面状光線のうち少なくとも一つの光線の直線状断面により提示される方向に当該ツールの軸方向を合わせるための手段を備えているものが提供される。なお、前記光線の直線状断面により提示される方向に当該ツールの軸方向を合わせるための手段は、当該ツールの軸方向に形成された直線状のマークであることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を用いて詳細に説明する。
【００１２】
本発明の一実施の形態になるツール位置提示システムの一構成例を、添付の図１に示す。なお、ここに示すツール位置提示システムは、その一例として、外科手術において、すなわち、手術室である所定の空間内において、ツールである手術用のドリルをその一例として、例えば患者の身体の一部（例えば、脊椎骨の一部）に対して、正確にその挿入位置及び方向を設定するために使用されるものである。
【００１３】
このシステムは、図からも明らかなように、少なくとも２個のレーザー光照射装置１ａ、１ｂとを備えており、かつ、これらのレーザー光照射装置から照射されるレーザー光線の照射角度（位置）を制御するための制御手段として、例えば、コンピュータから構成される制御装置２とを有している。なお、この図１において、符号１２は、例えば、手術用のドリルであるツールを、そして、符号１０及び１１は、上記ツールによる被作業体である患者の身体と、その作業部である術部であるその一部を示している。
【００１４】
なお、図には示していないが、上記ツールによる作業者（術者）である医師は、本図の紙面上、その手前に位置しており、上記２個のレーザー光照射装置１ａ、１ｂは、この術者の体軸の方向（即ち、医師の体の軸方向であり、垂直方向）と上記ツールである手術用のドリルの軸方向（即ち、その先端から後方の円筒状の本体にむかって延びる軸の方向）とにより形成される面の両側に所定の距離だけ離隔して配置されている。また、この図中における破線は、これら２つのレーザー光照射手段１ａ、１ｂから平面状に所定の広がりをもって面状（即ち、断面が直線状）に照射されるレーザー光線の光面を示している。
【００１５】
次に、添付の図２には、本システムに使用する、平面状に所定の広がりを有するレーザー光線を照射するためのレーザー光照射装置１ａ、１ｂについて、そのより具体的な構成の一例を示す。なお、これらのレーザー光照射装置１ａ、１ｂは、その構成において同一であることから、以下には、単に符号１により、統一的に説明を加える。
【００１６】
この図２に示すレーザー光照射装置１は、原理的には、照射するレーザー光の照射角度を制御できるものであればよく、例えば、壁面に照射してポイントを指し示すために使用されている。即ち、レーザー光照射装置筐体２０内には、レーザー光線を出力するレーザーポインターなどにより構成されるレーザー光線源２１と、このレーザー光線源から照射されるレーザー光線の方向を所望の方向に変化させる２つのガルバノスキャナー２２、２３が設けられており、これらを用いることにより実現されている。
【００１７】
なお、より具体的には、これらガルバノスキャナー２２、２３は、それぞれ、例えばモータ等の回転軸上にミラー（図中の方形部）を搭載して構成されるものであり、そのミラー角度を所望の角度に自在に制御することができるものである（図中の矢印Ａを参照）。なお、この例では、一方のガルバノスキャナー２３は、図示のように、その軸方向がレーザー光線源２１からの出射光線と同一平面上で直角を成すように配置され、かつ、そのミラーは、レーザー光線源２１からの出射光線を、垂直面方向に変更するような位置に配置されている。他方のガルバノスキャナー２２は、上記一方のガルバノスキャナー２３に対して平面上に所定の距離だけ隔離、すなわち、その上方の面上に配置されており、その軸方向をレーザー光線源２１からの出射光線と同一方向にして配置されている。
【００１８】
なお、この他方のガルバノスキャナー２２のミラーは、図からも明らかなように、上記一方のガルバノスキャナー２３で反射されたレーザー光線をさらに他の方向へ反射する（図中の矢印Ｂを参照）。すなわち、これらガルバノスキャナー２２、２３は、少なくともその一方、又は、両方のミラー角度を変化させることにより、レーザー光線源２１からの出射光線を所定の範囲で自在な方向に照射することが可能に（図中の矢印Ｃを参照）構成されている。
【００１９】
また、本発明では、上述したように、２つのレーザー光照射手段１ａ、１ｂから平面状に所定の広がりをもって面状（即ち、断面が直線状）に照射されるレーザー光線は、上記２つのガルバノスキャナー２２、２３の少なくともその一方、又は、両方のミラー角度を、所定の周波数（人間の視覚上で直線に見える程度の、例えば、５０Ｈｚの周波数）で所定の角度だけ振動（スキャン）することによって形成されている。
【００２０】
すなわち、本実施の形態では、これら２つのガルバノスキャナーのミラー角度を制御することにより、任意の照射角度でレーザー光線を照射することが出来、かつ、これらミラーを高速で動かすことによってレーザー光線を走査し、もって、任意の方向に平面状に所定の広がりをもつ面状のレーザー光を照射することを可能としている。
【００２１】
なお、上記の例では、上記２つのレーザー光照射手段１ａ、１ｂを、それぞれ、レーザーポインターなどにより構成されるレーザー光線源２１と、２つのガルバノスキャナー２２、２３を用いることにより実現するものとして説明されるが、しかしながら、本発明は、かかる構成のみに限ることはなく、例えば、その他のレーザー光照射手段とシリンドリカルレンズとを組み合わせて構成することも可能であり、あるいは、複数のレーザー光線源を利用して予め面状に照射されるレーザー光線を形成し、その照射方向を、例えば、ロボットアームの先端に搭載することによって自在に変更する構成とすることも可能である。
【００２２】
また、上記の実施の形態では、上記２つの照射手段１ａ、１ｂとして、特に、レーザー光を照射するものとして説明したが、しかしながら、本発明は、かかる構成のみに限ることはなく、その他の光源（可視光光源）を利用するものであってもよい。しかしながら，上記実施の形態のように、特に、レーザー光線を利用することによれば、その直進性等の特質から、その照射位置において拡散することのない、優れた光によるツール位置の提示（マーク）を実現することが可能となる。
【００２３】
また、上記した２つのレーザー光照射装置１ａ、１ｂは、上述したように、例えば、術者の体軸の方向と上記ツールの軸方向とにより形成される面の両側に所定の距離だけ離隔して配置されていることとして説明したが、しかしながらこれに限ることなく、それらの位置は、上記術部１１が、常に、死角とならない位置及び方向に、例えば、スタンドにより保持され、あるいは、天井から吊り下げて設置することが可能である。なお、上記の図１で示されている例では、レーザー光照射装置が２つ配置されている構成を示したが、その数についても、２つに限定されることなく、２つ以上設置されてもよいことは、当業者であれば明らかであろう。
【００２４】
次に、上記にその構成を詳細に説明した、本発明になるツール位置提示システムを利用して、そのツールである手術用ドリルを、被作業体である被術者の身体の一部である術部１１に位置合わせを行う方法について、その手順の一例を添付の図３に示すと共に、上記ドリル１２と術部１１との関係を示す添付の図４を参照しながら、以下に詳細に説明する。
【００２５】
まず、上記のツール位置提示システムでは、上記２つのレーザー光照射装置１ａ、１ｂの設定位置及び方向を計測する（ステップＳ１０１）。次に、術具の目標位置及び方向を制御装置２に入力する（ステップＳ１０２）。なお、この術具の目標位置及び方向の入力は、制御装置２に設けられたキーボードやマウスを利用して入力し、あるいは、図示しないが、制御装置と接続された医療用ナビゲーションシステムから入力を行うことも可能である。また、このとき、上記の制御装置２は、レーザー光照射装置１ａ、１ｂの位置及び方向を定義している座標系（基準座標系）以外の座標系で与えられた場合には、基準座標系への座標変換を行うこととなる。
【００２６】
続いて、上記の制御装置２では、上記のステップで入力された術具の目標位置及び方向及びレーザー光照射装置１ａ、１ｂの設置位置及び方向とから、レーザー光線の指令照射角度を求める（ステップＳ１０３）。具体的には、例えば上記図２に示されたレーザー光照射装置１を用いた場合には、各ガルバノスキャナー２２、２３のミラー角度の指令値を求めることとなる。
【００２７】
さらに、上記のツール位置提示システムでは、上記のステップＳ１０３で求められた指令値に従い、レーザー光を照射する（ステップＳ１０４）。具体的には、例えば上記図２に示したレーザー光照射装置２を用いた場合には、上記レーザー光線源２１からレーザー光線を照射させると共に、各ガルバノスキャナー２２、２３を、上記のステップＳ１０３で求められた指令値に従って、その回転角度を制御する。すなわち、これによれば、所定の空間内において、２つの平面状の光線が被作業体上の作業部へ向けて照射されることとなる。
【００２８】
次に、上記の照射された２つの平面状の光線を利用し、術具（ツール）の位置及び方向の設定は、以下の手順で行われる。なお、この位置設定の作業は、上記図３と共に、添付の図４を参照しながら説明する。
【００２９】
まず、上記２つのレーザー光照射装置１ａ、１ｂから照射されたレーザー光面は、術者に対しては、図４（ａ）に示すように、その照射された術部１１の表面上で互いに交叉するレーザーライン３０ａ、３０ｂとして認識される。本発明では、このレーザーライン３０ａ、３０ｂの交点が、術具（例えば、手術用ドリル）の目標刺入位置となるので、この交点に術具１２の先端（例えば、ドリルの刃の先端）を位置合わせる（ステップＳ１０５）。なお、図４に示した術具である手術用ドリル１２の位置合わせは、より具体的には、術者である医師が、例えば、その右手にそのグリップ１２１を把持しながら、その左手でドリル先端のガイド部１３から延びたハンド部１３１を握って誘導することにより行われる。
【００３０】
次に、上記した術具１２の先端の位置合わせを行った後、上記２つのレーザー光照射装置１ａ、１ｂから照射されたレーザー光線は、図４（ｂ）に示すように、術具１２の側面、具体的には、上記手術用ドリル１２のガイド部１３の側面上に照射され、即ち、術具１２の一部の表面上にレーザーライン３０ａ、３０ｂとして認識される。
【００３１】
ところで、本発明では、上記２つのレーザー光照射装置１ａ、１ｂから照射されるレーザー光線は、それぞれ、所定の広がりをもって平面状に形成され、かつ、これらの交線は、所定空間内において、上記ツールの方向を決定する（ステップＳ１０６）。すなわち、これらのレーザーライン３０ａ、３０ｂは、その直線状の断面方向に術具の目標方向を示しているので、術者は、術具１２の軸方向がこれら２本のこのレーザーライン３０ａ、３０ｂと平行に沿うようにすることにより、予め設定された所望の方向にツールを設定することが可能となる。
【００３２】
そこで、本発明では、上記のツール位置提示システムを利用してツールの位置及び方向の設定をより容易かつ確実に実施することを可能とするため、位置決めの際に上記２つのレーザー光照射装置１ａ、１ｂから照射されるレーザー光線が照射されるツールの一部には、ツールの軸方向がレーザーライン３０ａ、３０ｂと平行になっていることを確認するためのマークが設けられている。即ち、上記の手術用ドリル１２の場合には、その先端付近のガイド部１３の側面上に、その軸方向に沿って、ライン状の複数、又は、単数のマークが施されている。これによれば、術者は、ツールの側面の一部に照射されるレーザーライン３０ａ、３０ｂと軸方向のマークとを比較しながら、簡単かつ確実に、その方向を設定することが可能となる。
【００３３】
なお、上記の方法では、上記２つのレーザー光照射装置１ａ、１ｂから照射される２本のレーザー光線による２本のレーザーライン３０ａ、３０ｂを利用してツールの方向を設定するものとして説明したが、しかしながら、設定精度は低下するものの、その一方のレーザーラインだけを利用することも可能である。なお、この場合には、その方向の設定は、一方のレーザーラインにより提示される所定の空間内における一平面上での方向だけを設定することが可能となる。
【００３４】
さらに、上記した例では、特に、所定の空間内において、その位置及び方向を設定するツールとして、例えば、外科手術用のドリルを例として詳細に述べたが、しかしながら、本発明は、その他、例えば、内視鏡（特に、硬性のもの）、腹腔鏡、関節鏡、さらには、カテーテルなど、ワイヤー状の術具の体内への挿入にも適用可能である。
【００３５】
また、さらに、上記においては、特に、医療用のツールについて述べたが、本発明は、それ以外にも、例えば、溶接作業におけるトーチ位置及び方向の設定などにも、広く利用することが出来ることは、上記の説明から、当業者であれば明らかであろう。
【００３６】
また、以上のように、本発明のツール位置提示システムでは、上述した従来技術のシステムのようにレーザー光照射手段を移動させることなく、２つ（又はそれ以上でも可能）のレーザー光照射装置の照射角度を制御することにより、ツールに対して任意の位置及び方向を提示することが可能となる。また、これらのレーザー光線は、ツールである術具の横方向から照射すればよいので、被作業体上で形成されるレーザーラインは、術具や術者により遮られることなく、常に、術部の表面上に、かつ、その術具（ツール）の側面上に、確実に認識することが可能である。
【００３７】
次に、上記図３において符号Ｓ１０１により示した、レーザー光照射手段の設置位置・方向の計測を実施する方法の一例を、以下に、添付の図５を用いて説明する。
【００３８】
まず、レーザー光の照射角度を変化させたときのレーザー光の照射位置を計測する。本例ではレーザー光の照射角度はガルバノスキャナー２２とガルバノスキャナー２３のミラー角度と等価なので、ミラー角度で定義する。ガルバノスキャナー２３とガルバノスキャナー２２のミラー角度を（０，０）としたときのレーザー光の照射位置をＰ１、Ｐ２とし、次に、これらミラー角度を（α，０）としたときの照射位置をＰ３、さらに、これらミラー角度を（０，β）としたときの照射位置をＰ４とし、これらの座標を計測する。なお、このとき、これら角度α、βは０以外の任意の角度でよいが、なるべくガルバノスキャナーのミラー角度の最大値が望ましい。また、上記照射位置Ｐ１〜Ｐ４の座標の計測は、三次元位置計測装置を用いて行うことができる。
【００３９】
次に、得られたガルバノスキャナーの角度と照射位置とから、レーザー光照射装置の設置位置及び方向を計算する。ガルバノスキャナー２２のミラー中心位置をＯとし、かつ、２つのガルバノスキャナーのミラー角度が共に零（０）のときのレーザー光の照射方向を示す単位ベクトルをｅｚ、ガルバノスキャナー２３のみを回転させたときに照射方向が変化する方向を示す単位ベクトルをｅｘ、ガルバノスキャナー２２のみを回転させたときに照射方向が変化する方向を示す単位ベクトルをｅｙとする。また、ガルバノスキャナー２２とガルバノスキャナー２３のミラー間距離をｒとする（但し、このｒは既知である）。さらに、ガルバノスキャナー２２のミラー角度が０のときのレーザー光の等価的な出射位置をＯ１’、ミラー角度がβのときの等価的な出射位置をＯ４’とする。
【００４０】
まず、単位ベクトルｅｚは、上記のＰ１、Ｐ２から次式により求められる。
【数１】
【００４１】
次に、上記のＰ１とｅｚとで定義される直線へ位置Ｐ３から下ろした垂線を求め、その垂線の足をＰ３’とすると、単位ベクトルｅｘは、次式により求められる。
【数２】
【００４２】
また、上記のＰ１とｅｚで定義される直線へ位置Ｐ４から下ろした垂線を求め、その垂線の足をＰ４’とすると、単位ベクトルｅｙは次式により求められる。
【数３】
【００４３】
さらに、∠Ｐ４’ＯＰ４＝βより、Ｐ４’Ｏは、以下の式のようになり、
【数４】
【００４４】
よって、Ｏは次式により求められる。
【数５】
【００４５】
すなわち、以上のようにすれば、レーザー光照射装置の設置位置と等価なガルバノスキャナー２２のミラー位置Ｏと、設置方向と等価なｅｘ、ｅｙ、ｅｚが求めることが出来る。なお、少なくとも３つの照射角度でのレーザー光の照射位置が計測されれば、同様にしてレーザー光照射手段の設置位置・方向を求めることが可能であり、この例で示した照射角度の取り方および演算式により、本発明が限定されるものではないことは言うまでもない。また、上記図２以外のレーザー光照射装置の構成であっても、上記と同様に、その設置位置・方向を求めることは可能であり、すなわち、上記の方法は、レーザー光照射装置の構成により本発明が限定されるものではない。
【００４６】
次に、上記図３にした手順において、術具の目標位置・方向と、レーザー光照射手段の設置位置・方向とからレーザー光の指令照射角度を求める演算処理の一例を、添付の図６を用いて説明する。なお、本例は、上記図２に示されるレーザー光照射装置を対象として説明する。
【００４７】
まず、術具の目標位置をＰ、目標方向を示す単位ベクトルをｖとする。術具の位置及び方向を提示するには、これらＰとｖで定義される直線上において、Ｐを含む線分ＰｓＰｅにレーザー光を照射させればよい。このためには、Ｐｓにレーザー光を照射するためのガルバノスキャナー２３、２２のミラー角度αｓ、βｓ、そして、Ｐｅに照射するためのミラー角度αｅ、βｅを求め、さらに、（αｓ，βｓ）と（αｅ，βｅ）の間を２つのガルバノスキャナーの同期をとって角度を変化させればよい。
【００４８】
なお、上記Ｐｓに照射するためのガルバノスキャナー２３、２２のミラー角度α、βは、上記のレーザー光照射手段の設置位置Ｏと設置方向ｅｘ，ｅｙ，ｅｚとを用いて、次のようにしてを求めることが出来る。すなわち、まず、次式の関係を満たす（ｘ，ｙ，ｚ）を求める。
【数６】
【００４９】
これは、次式により求めることが出来る。
【数７】
【００５０】
これを用いて、α，βは次式により求めることが出来る。
【数８】
【００５１】
同様にすれば、Ｐｅに照射するためのガルバノスキャナーのミラー角度を求めることが出来る。
【００５２】
以上のようにすれば、ツールである術具の目標位置及び方向と、レーザー光照射装置の設置位置及び方向とから、レーザー光の指令照射角度と等価なガルバノスキャナーへの指令値を求めることが出来る。なお、上記図２以外の光照射装置の構成であっても、上記と同様にして指令照射角度を求めることは可能であり、それ故、本発明は、上述したレーザー光照射装置の構成により限定されるものではない。
【００５３】
すなわち、本発明では、ツールの位置及び方向を提示する位置提示システムであって、レーザー光の照射角度を制御できる少なくとも２つのレーザー光照射手段と、レーザー光照射手段を制御する制御手段とを有し、少なくとも２つのレーザー光照射手段から面状に照射されるレーザー光面の交線がツールの目標位置及び方向とから定義される直線と一致させるようにレーザー光の照射角度を制御する位置提示システムが提供される。
【００５４】
これによれば、レーザー光照射手段を移動させることなく簡便にツールの目標位置・方向を常に提示することができる。特に、この位置提示システムは外科手術における術具の位置及び方向の提示に使用するとよい。
【００５５】
また、本発明によれば、ツールの位置及び方向を提示する位置提示方法であって、レーザー光の照射角度の制御できるレーザー光照射手段の設置位置及び方向を計測し、ツールの目標位置及び方向とレーザー光照射手段の設置位置及び方向とからレーザー光の指令照射角度を演算し、指令照射角度に基づきレーザー光照射手段を制御する位置提示方法が提供される。特に、この位置提示方法は外科手術における術具の位置・方向の提示に使用するとよい。
【００５６】
この位置提示方法におけるレーザー光照射手段の設置位置及び方向の計測は、少なくとも３つの照射角度で照射したレーザー光の照射位置を計測し、少なくとも３つの照射角度と計測されたレーザー光の照射位置とからレーザー光照射手段の設置位置・方向を演算することにより行う。
【００５７】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明によれば、ツールの目標位置及び方向を指示する光線が容易にツールや当該ツールによる作業者の位置などによって遮られることなく、かつ、より正確にツールの位置及び方向を、被作業体上に提示することが可能となる、実用的にも優れた、ツール位置提示システム、及びこれを利用したツール位置設定方法、並びに、そのためのツールを提供するが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態になるツール位置提示システムの概略構成の一例を示すブラック図である。
【図２】上記図１のツール位置提示システムに使用されるレーザー光照射装置の具体的な構成例を説明する図である。
【図３】本発明になるツール位置提示システムの動作及びこれを利用したツール位置設定方法の詳細を示すフローチャート図である。
【図４】本発明になるツール位置提示システムを利用したツール位置設定方法を説明するため、ツール上に表示されるレーザーラインを含めた説明図である。
【図５】上記本発明におけるレーザー光照射手段の設置位置・方向の計測方法の一例を説明する説明図である。
【図６】本発明における術具の目標位置・方向とレーザー光照射手段の設置位置・方向とからレーザー光の指令照射角度を求める方法の一例を説明する説明図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ レーザー光照射装置
２ 制御装置
１０ 被作業体（被術者）
１１ 作業部（術部）
１２ 術具（手術用ドリル）
２０ レーザー光照射装置筐体
２１ レーザー光線源
２２、２３ ガルバノスキャナー
３０ａ、３０ｂ レーザーライン
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の空間内において、作業者が所定の作業を実行するためのツールの位置決めを支援するためのツール位置提示システムに関し、特に、外科手術等で用いる術具（特に、ドリルやワイヤー）の位置及び方向を被作業体（患者）上に正確に提示するツール位置提示システム、及びこれを利用したツール位置設定方法、並びに、そのためのツールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、整形外科手術を始めとする外科手術では、術者（医師）が術具の位置決めを正確に行うことが重要である。かかる課題に対する解決方法として、例えば、COMPUTER-INTEGRATED SURGERY (THE MIT PRESS (1996年)発行)の４２５頁−４４９頁に記載されている方法が、既に知られている。かかる方法では、例えば、そのFigure 32.19に示されるように、術具であるドリルを、例えばロボットアーム上に取り付けたレーザー装置から、被作業体である脊椎の所定の位置に、所定の角度からレーザー光線を照射して、その先端位置とその進行方法を、１本のレーザー光線上に提示するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、前記の従来技術では、レーザー光線を術具の目標位置に対して目標方向から照射してその直線上に位置提示を行っている。そのため、例えば、このレーザー光線がこれら術具や術者によって遮られてしまい、そのため、このレーザー光線により提示された位置を見失う可能性があり、そのため、術具であるドリルを正確にこのレーザー光線に合わせることが難しかった。特に、ドリルの進行方向は、上記Figure 32.19にも明らかなように、レーザー光線がドリルの後端面の中心部に照射されるように設定しなければならず、なおさらであった。また、そのような場合、かかる従来技術では、このレーザー光線を照射する装置を、再度、適切な場所に移動させるための機構が必要になるという問題もあった。
【０００４】
本発明は、上述したような従来技術における問題点に鑑みてなされるものであり、その目的は、ツールの目標位置及び方向を指示する光線が容易にツールや当該ツールによる作業者の位置などによって遮られることなく、かつ、より正確にツールの位置及び方向を、被作業体上に提示することが可能となる、ツール位置提示システム、及びこれを利用したツール位置設定方法、並びに、そのためのツールを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成すべく、本発明によれば、まず、所定の空間内において、被作業体上におけるツールの位置を提示するツール位置提示システムであって、当該空間内の異なるに位置し当該点から平面状に所定の広がりを有する光線を照射する少なくとも２つの光源と、当該少なくとも２つの光源から照射される平面状の光線の照射角度を制御する制御装置とを備え、当該少なくとも２つの光源からの平面状の光線を利用して、当該ツールの位置を当該所定の空間内に提示するツール位置提示システムが提供される。
【０００６】
なお、本発明によれば、前記のツール位置提示システムにおいて、前記少なくとも２つの平面状の光線は、線状のレーザー光線を振動することにより得るものであり、かつ、前記少なくとも２つの光源は、術者（作業者）の体軸の方向と上記ツールの軸方向とにより形成される面の両側に所定の距離だけ離隔して配置されており、さらに、前記ツールの先端部を、前記少なくとも２つの平面状の光線の交差点によって提示すると共に、前記少なくとも２つの平面状の光線のうち少なくとも一つによって、当該ツールの方向を提示するものである。
【０００７】
そして、本発明によれば、前記に記載したツール位置提示システムにおける前記所定の空間は手術室であり、かつ、前記ツールは手術用具であり、特に、手術用ドリルである。
【０００８】
また、やはり上記の目的を達成するため、本発明によれば、所定の空間内において、前記に記載したツール位置提示システムを利用して、被作業体上におけるツールの位置を設定するツール位置設定方法であって、前記少なくとも２つの光源から照射される少なくとも２つの平面状の光線を利用して提示される位置に従って当該ツールの位置を設定するツール位置設定方法が提供される。
【０００９】
本発明によれば、前記のツール位置設定方法において、特に、前記ツールの先端部を、前記少なくとも２つの平面状光線の交差点によって提示される点に設定すると共に、前記少なくとも２つの平面状光線のうち少なくとも一つによって提示される光線の直線状断面方向に、当該ツールの軸方向を設定するものである。
【００１０】
加えて、本発明によれば、前記のツール位置提示システム、あるいは、ツール位置設定方法を利用して、所定の空間内における被作業体上にその位置が設定されるツールであって、当該ツールの外周面の一部に、前記少なくとも２つの平面状光線のうち少なくとも一つの光線の直線状断面により提示される方向に当該ツールの軸方向を合わせるための手段を備えているものが提供される。なお、前記光線の直線状断面により提示される方向に当該ツールの軸方向を合わせるための手段は、当該ツールの軸方向に形成された直線状のマークであることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を用いて詳細に説明する。
【００１２】
本発明の一実施の形態になるツール位置提示システムの一構成例を、添付の図１に示す。なお、ここに示すツール位置提示システムは、その一例として、外科手術において、すなわち、手術室である所定の空間内において、ツールである手術用のドリルをその一例として、例えば患者の身体の一部（例えば、脊椎骨の一部）に対して、正確にその挿入位置及び方向を設定するために使用されるものである。
【００１３】
このシステムは、図からも明らかなように、少なくとも２個のレーザー光照射装置１ａ、１ｂとを備えており、かつ、これらのレーザー光照射装置から照射されるレーザー光線の照射角度（位置）を制御するための制御手段として、例えば、コンピュータから構成される制御装置２とを有している。なお、この図１において、符号１２は、例えば、手術用のドリルであるツールを、そして、符号１０及び１１は、上記ツールによる被作業体である患者の身体と、その作業部である術部であるその一部を示している。
【００１４】
なお、図には示していないが、上記ツールによる作業者（術者）である医師は、本図の紙面上、その手前に位置しており、上記２個のレーザー光照射装置１ａ、１ｂは、この術者の体軸の方向（即ち、医師の体の軸方向であり、垂直方向）と上記ツールである手術用のドリルの軸方向（即ち、その先端から後方の円筒状の本体にむかって延びる軸の方向）とにより形成される面の両側に所定の距離だけ離隔して配置されている。また、この図中における破線は、これら２つのレーザー光照射手段１ａ、１ｂから平面状に所定の広がりをもって面状（即ち、断面が直線状）に照射されるレーザー光線の光面を示している。
【００１５】
次に、添付の図２には、本システムに使用する、平面状に所定の広がりを有するレーザー光線を照射するためのレーザー光照射装置１ａ、１ｂについて、そのより具体的な構成の一例を示す。なお、これらのレーザー光照射装置１ａ、１ｂは、その構成において同一であることから、以下には、単に符号１により、統一的に説明を加える。
【００１６】
この図２に示すレーザー光照射装置１は、原理的には、照射するレーザー光の照射角度を制御できるものであればよく、例えば、壁面に照射してポイントを指し示すために使用されている。即ち、レーザー光照射装置筐体２０内には、レーザー光線を出力するレーザーポインターなどにより構成されるレーザー光線源２１と、このレーザー光線源から照射されるレーザー光線の方向を所望の方向に変化させる２つのガルバノスキャナー２２、２３が設けられており、これらを用いることにより実現されている。
【００１７】
なお、より具体的には、これらガルバノスキャナー２２、２３は、それぞれ、例えばモータ等の回転軸上にミラー（図中の方形部）を搭載して構成されるものであり、そのミラー角度を所望の角度に自在に制御することができるものである（図中の矢印Ａを参照）。なお、この例では、一方のガルバノスキャナー２３は、図示のように、その軸方向がレーザー光線源２１からの出射光線と同一平面上で直角を成すように配置され、かつ、そのミラーは、レーザー光線源２１からの出射光線を、垂直面方向に変更するような位置に配置されている。他方のガルバノスキャナー２２は、上記一方のガルバノスキャナー２３に対して平面上に所定の距離だけ隔離、すなわち、その上方の面上に配置されており、その軸方向をレーザー光線源２１からの出射光線と同一方向にして配置されている。
【００１８】
なお、この他方のガルバノスキャナー２２のミラーは、図からも明らかなように、上記一方のガルバノスキャナー２３で反射されたレーザー光線をさらに他の方向へ反射する（図中の矢印Ｂを参照）。すなわち、これらガルバノスキャナー２２、２３は、少なくともその一方、又は、両方のミラー角度を変化させることにより、レーザー光線源２１からの出射光線を所定の範囲で自在な方向に照射することが可能に（図中の矢印Ｃを参照）構成されている。
【００１９】
また、本発明では、上述したように、２つのレーザー光照射手段１ａ、１ｂから平面状に所定の広がりをもって面状（即ち、断面が直線状）に照射されるレーザー光線は、上記２つのガルバノスキャナー２２、２３の少なくともその一方、又は、両方のミラー角度を、所定の周波数（人間の視覚上で直線に見える程度の、例えば、５０Ｈｚの周波数）で所定の角度だけ振動（スキャン）することによって形成されている。
【００２０】
すなわち、本実施の形態では、これら２つのガルバノスキャナーのミラー角度を制御することにより、任意の照射角度でレーザー光線を照射することが出来、かつ、これらミラーを高速で動かすことによってレーザー光線を走査し、もって、任意の方向に平面状に所定の広がりをもつ面状のレーザー光を照射することを可能としている。
【００２１】
なお、上記の例では、上記２つのレーザー光照射手段１ａ、１ｂを、それぞれ、レーザーポインターなどにより構成されるレーザー光線源２１と、２つのガルバノスキャナー２２、２３を用いることにより実現するものとして説明されるが、しかしながら、本発明は、かかる構成のみに限ることはなく、例えば、その他のレーザー光照射手段とシリンドリカルレンズとを組み合わせて構成することも可能であり、あるいは、複数のレーザー光線源を利用して予め面状に照射されるレーザー光線を形成し、その照射方向を、例えば、ロボットアームの先端に搭載することによって自在に変更する構成とすることも可能である。
【００２２】
また、上記の実施の形態では、上記２つの照射手段１ａ、１ｂとして、特に、レーザー光を照射するものとして説明したが、しかしながら、本発明は、かかる構成のみに限ることはなく、その他の光源（可視光光源）を利用するものであってもよい。しかしながら，上記実施の形態のように、特に、レーザー光線を利用することによれば、その直進性等の特質から、その照射位置において拡散することのない、優れた光によるツール位置の提示（マーク）を実現することが可能となる。
【００２３】
また、上記した２つのレーザー光照射装置１ａ、１ｂは、上述したように、例えば、術者の体軸の方向と上記ツールの軸方向とにより形成される面の両側に所定の距離だけ離隔して配置されていることとして説明したが、しかしながらこれに限ることなく、それらの位置は、上記術部１１が、常に、死角とならない位置及び方向に、例えば、スタンドにより保持され、あるいは、天井から吊り下げて設置することが可能である。なお、上記の図１で示されている例では、レーザー光照射装置が２つ配置されている構成を示したが、その数についても、２つに限定されることなく、２つ以上設置されてもよいことは、当業者であれば明らかであろう。
【００２４】
次に、上記にその構成を詳細に説明した、本発明になるツール位置提示システムを利用して、そのツールである手術用ドリルを、被作業体である被術者の身体の一部である術部１１に位置合わせを行う方法について、その手順の一例を添付の図３に示すと共に、上記ドリル１２と術部１１との関係を示す添付の図４を参照しながら、以下に詳細に説明する。
【００２５】
まず、上記のツール位置提示システムでは、上記２つのレーザー光照射装置１ａ、１ｂの設定位置及び方向を計測する（ステップＳ１０１）。次に、術具の目標位置及び方向を制御装置２に入力する（ステップＳ１０２）。なお、この術具の目標位置及び方向の入力は、制御装置２に設けられたキーボードやマウスを利用して入力し、あるいは、図示しないが、制御装置と接続された医療用ナビゲーションシステムから入力を行うことも可能である。また、このとき、上記の制御装置２は、レーザー光照射装置１ａ、１ｂの位置及び方向を定義している座標系（基準座標系）以外の座標系で与えられた場合には、基準座標系への座標変換を行うこととなる。
【００２６】
続いて、上記の制御装置２では、上記のステップで入力された術具の目標位置及び方向及びレーザー光照射装置１ａ、１ｂの設置位置及び方向とから、レーザー光線の指令照射角度を求める（ステップＳ１０３）。具体的には、例えば上記図２に示されたレーザー光照射装置１を用いた場合には、各ガルバノスキャナー２２、２３のミラー角度の指令値を求めることとなる。
【００２７】
さらに、上記のツール位置提示システムでは、上記のステップＳ１０３で求められた指令値に従い、レーザー光を照射する（ステップＳ１０４）。具体的には、例えば上記図２に示したレーザー光照射装置２を用いた場合には、上記レーザー光線源２１からレーザー光線を照射させると共に、各ガルバノスキャナー２２、２３を、上記のステップＳ１０３で求められた指令値に従って、その回転角度を制御する。すなわち、これによれば、所定の空間内において、２つの平面状の光線が被作業体上の作業部へ向けて照射されることとなる。
【００２８】
次に、上記の照射された２つの平面状の光線を利用し、術具（ツール）の位置及び方向の設定は、以下の手順で行われる。なお、この位置設定の作業は、上記図３と共に、添付の図４を参照しながら説明する。
【００２９】
まず、上記２つのレーザー光照射装置１ａ、１ｂから照射されたレーザー光面は、術者に対しては、図４（ａ）に示すように、その照射された術部１１の表面上で互いに交叉するレーザーライン３０ａ、３０ｂとして認識される。本発明では、このレーザーライン３０ａ、３０ｂの交点が、術具（例えば、手術用ドリル）の目標刺入位置となるので、この交点に術具１２の先端（例えば、ドリルの刃の先端）を位置合わせる（ステップＳ１０５）。なお、図４に示した術具である手術用ドリル１２の位置合わせは、より具体的には、術者である医師が、例えば、その右手にそのグリップ１２１を把持しながら、その左手でドリル先端のガイド部１３から延びたハンド部１３１を握って誘導することにより行われる。
【００３０】
次に、上記した術具１２の先端の位置合わせを行った後、上記２つのレーザー光照射装置１ａ、１ｂから照射されたレーザー光線は、図４（ｂ）に示すように、術具１２の側面、具体的には、上記手術用ドリル１２のガイド部１３の側面上に照射され、即ち、術具１２の一部の表面上にレーザーライン３０ａ、３０ｂとして認識される。
【００３１】
ところで、本発明では、上記２つのレーザー光照射装置１ａ、１ｂから照射されるレーザー光線は、それぞれ、所定の広がりをもって平面状に形成され、かつ、これらの交線は、所定空間内において、上記ツールの方向を決定する（ステップＳ１０６）。すなわち、これらのレーザーライン３０ａ、３０ｂは、その直線状の断面方向に術具の目標方向を示しているので、術者は、術具１２の軸方向がこれら２本のこのレーザーライン３０ａ、３０ｂと平行に沿うようにすることにより、予め設定された所望の方向にツールを設定することが可能となる。
【００３２】
そこで、本発明では、上記のツール位置提示システムを利用してツールの位置及び方向の設定をより容易かつ確実に実施することを可能とするため、位置決めの際に上記２つのレーザー光照射装置１ａ、１ｂから照射されるレーザー光線が照射されるツールの一部には、ツールの軸方向がレーザーライン３０ａ、３０ｂと平行になっていることを確認するためのマークが設けられている。即ち、上記の手術用ドリル１２の場合には、その先端付近のガイド部１３の側面上に、その軸方向に沿って、ライン状の複数、又は、単数のマークが施されている。これによれば、術者は、ツールの側面の一部に照射されるレーザーライン３０ａ、３０ｂと軸方向のマークとを比較しながら、簡単かつ確実に、その方向を設定することが可能となる。
【００３３】
なお、上記の方法では、上記２つのレーザー光照射装置１ａ、１ｂから照射される２本のレーザー光線による２本のレーザーライン３０ａ、３０ｂを利用してツールの方向を設定するものとして説明したが、しかしながら、設定精度は低下するものの、その一方のレーザーラインだけを利用することも可能である。なお、この場合には、その方向の設定は、一方のレーザーラインにより提示される所定の空間内における一平面上での方向だけを設定することが可能となる。
【００３４】
さらに、上記した例では、特に、所定の空間内において、その位置及び方向を設定するツールとして、例えば、外科手術用のドリルを例として詳細に述べたが、しかしながら、本発明は、その他、例えば、内視鏡（特に、硬性のもの）、腹腔鏡、関節鏡、さらには、カテーテルなど、ワイヤー状の術具の体内への挿入にも適用可能である。
【００３５】
また、さらに、上記においては、特に、医療用のツールについて述べたが、本発明は、それ以外にも、例えば、溶接作業におけるトーチ位置及び方向の設定などにも、広く利用することが出来ることは、上記の説明から、当業者であれば明らかであろう。
【００３６】
また、以上のように、本発明のツール位置提示システムでは、上述した従来技術のシステムのようにレーザー光照射手段を移動させることなく、２つ（又はそれ以上でも可能）のレーザー光照射装置の照射角度を制御することにより、ツールに対して任意の位置及び方向を提示することが可能となる。また、これらのレーザー光線は、ツールである術具の横方向から照射すればよいので、被作業体上で形成されるレーザーラインは、術具や術者により遮られることなく、常に、術部の表面上に、かつ、その術具（ツール）の側面上に、確実に認識することが可能である。
【００３７】
次に、上記図３において符号Ｓ１０１により示した、レーザー光照射手段の設置位置・方向の計測を実施する方法の一例を、以下に、添付の図５を用いて説明する。
【００３８】
まず、レーザー光の照射角度を変化させたときのレーザー光の照射位置を計測する。本例ではレーザー光の照射角度はガルバノスキャナー２２とガルバノスキャナー２３のミラー角度と等価なので、ミラー角度で定義する。ガルバノスキャナー２３とガルバノスキャナー２２のミラー角度を（０，０）としたときのレーザー光の照射位置をＰ１、Ｐ２とし、次に、これらミラー角度を（α，０）としたときの照射位置をＰ３、さらに、これらミラー角度を（０，β）としたときの照射位置をＰ４とし、これらの座標を計測する。なお、このとき、これら角度α、βは０以外の任意の角度でよいが、なるべくガルバノスキャナーのミラー角度の最大値が望ましい。また、上記照射位置Ｐ１〜Ｐ４の座標の計測は、三次元位置計測装置を用いて行うことができる。
【００３９】
次に、得られたガルバノスキャナーの角度と照射位置とから、レーザー光照射装置の設置位置及び方向を計算する。ガルバノスキャナー２２のミラー中心位置をＯとし、かつ、２つのガルバノスキャナーのミラー角度が共に零（０）のときのレーザー光の照射方向を示す単位ベクトルをｅｚ、ガルバノスキャナー２３のみを回転させたときに照射方向が変化する方向を示す単位ベクトルをｅｘ、ガルバノスキャナー２２のみを回転させたときに照射方向が変化する方向を示す単位ベクトルをｅｙとする。また、ガルバノスキャナー２２とガルバノスキャナー２３のミラー間距離をｒとする（但し、このｒは既知である）。さらに、ガルバノスキャナー２２のミラー角度が０のときのレーザー光の等価的な出射位置をＯ１’、ミラー角度がβのときの等価的な出射位置をＯ４’とする。
【００４０】
まず、単位ベクトルｅｚは、上記のＰ１、Ｐ２から次式により求められる。
【数１】
次に、上記のＰ１とｅｚとで定義される直線へ位置Ｐ３から下ろした垂線を求め、その垂線の足をＰ３’とすると、単位ベクトルｅｘは、次式により求められる。
【数２】
また、上記のＰ１とｅｚで定義される直線へ位置Ｐ４から下ろした垂線を求め、その垂線の足をＰ４’とすると、単位ベクトルｅｙは次式により求められる。
【数３】
さらに、∠Ｐ４’ＯＰ４＝βより、Ｐ４’Ｏは、以下の式のようになり、
【数４】
よって、Ｏは次式により求められる。
【数５】
すなわち、以上のようにすれば、レーザー光照射装置の設置位置と等価なガルバノスキャナー２２のミラー位置Ｏと、設置方向と等価なｅｘ、ｅｙ、ｅｚが求めることが出来る。なお、少なくとも３つの照射角度でのレーザー光の照射位置が計測されれば、同様にしてレーザー光照射手段の設置位置・方向を求めることが可能であり、この例で示した照射角度の取り方および演算式により、本発明が限定されるものではないことは言うまでもない。また、上記図２以外のレーザー光照射装置の構成であっても、上記と同様に、その設置位置・方向を求めることは可能であり、すなわち、上記の方法は、レーザー光照射装置の構成により本発明が限定されるものではない。
【００４６】
次に、上記図３にした手順において、術具の目標位置・方向と、レーザー光照射手段の設置位置・方向とからレーザー光の指令照射角度を求める演算処理の一例を、添付の図６を用いて説明する。なお、本例は、上記図２に示されるレーザー光照射装置を対象として説明する。
【００４７】
まず、術具の目標位置をＰ、目標方向を示す単位ベクトルをｖとする。術具の位置及び方向を提示するには、これらＰとｖで定義される直線上において、Ｐを含む線分ＰｓＰｅにレーザー光を照射させればよい。このためには、Ｐｓにレーザー光を照射するためのガルバノスキャナー２３、２２のミラー角度αｓ、βｓ、そして、Ｐｅに照射するためのミラー角度αｅ、βｅを求め、さらに、（αｓ，βｓ）と（αｅ，βｅ）の間を２つのガルバノスキャナーの同期をとって角度を変化させればよい。
【００４８】
なお、上記Ｐｓに照射するためのガルバノスキャナー２３、２２のミラー角度α、βは、上記のレーザー光照射手段の設置位置Ｏと設置方向ｅｘ，ｅｙ，ｅｚとを用いて、次のようにしてを求めることが出来る。すなわち、まず、次式の関係を満たす（ｘ，ｙ，ｚ）を求める。
【数６】
これは、次式により求めることが出来る。
【数７】
これを用いて、α，βは次式により求めることが出来る。
【数８】
同様にすれば、Ｐｅに照射するためのガルバノスキャナーのミラー角度を求めることが出来る。
【００５２】
以上のようにすれば、ツールである術具の目標位置及び方向と、レーザー光照射装置の設置位置及び方向とから、レーザー光の指令照射角度と等価なガルバノスキャナーへの指令値を求めることが出来る。なお、上記図２以外の光照射装置の構成であっても、上記と同様にして指令照射角度を求めることは可能であり、それ故、本発明は、上述したレーザー光照射装置の構成により限定されるものではない。
【００５３】
すなわち、本発明では、ツールの位置及び方向を提示する位置提示システムであって、レーザー光の照射角度を制御できる少なくとも２つのレーザー光照射手段と、レーザー光照射手段を制御する制御手段とを有し、少なくとも２つのレーザー光照射手段から面状に照射されるレーザー光面の交線がツールの目標位置及び方向とから定義される直線と一致させるようにレーザー光の照射角度を制御する位置提示システムが提供される。
【００５４】
これによれば、レーザー光照射手段を移動させることなく簡便にツールの目標位置・方向を常に提示することができる。特に、この位置提示システムは外科手術における術具の位置及び方向の提示に使用するとよい。
【００５５】
また、本発明によれば、ツールの位置及び方向を提示する位置提示方法であって、レーザー光の照射角度の制御できるレーザー光照射手段の設置位置及び方向を計測し、ツールの目標位置及び方向とレーザー光照射手段の設置位置及び方向とからレーザー光の指令照射角度を演算し、指令照射角度に基づきレーザー光照射手段を制御する位置提示方法が提供される。特に、この位置提示方法は外科手術における術具の位置・方向の提示に使用するとよい。
【００５６】
この位置提示方法におけるレーザー光照射手段の設置位置及び方向の計測は、少なくとも３つの照射角度で照射したレーザー光の照射位置を計測し、少なくとも３つの照射角度と計測されたレーザー光の照射位置とからレーザー光照射手段の設置位置・方向を演算することにより行う。
【００５７】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明によれば、ツールの目標位置及び方向を指示する光線が容易にツールや当該ツールによる作業者の位置などによって遮られることなく、かつ、より正確にツールの位置及び方向を、被作業体上に提示することが可能となる、実用的にも優れた、ツール位置提示システム、及びこれを利用したツール位置設定方法、並びに、そのためのツールを提供するが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態になるツール位置提示システムの概略構成の一例を示すブラック図である。
【図２】上記図１のツール位置提示システムに使用されるレーザー光照射装置の具体的な構成例を説明する図である。
【図３】本発明になるツール位置提示システムの動作及びこれを利用したツール位置設定方法の詳細を示すフローチャート図である。
【図４】本発明になるツール位置提示システムを利用したツール位置設定方法を説明するため、ツール上に表示されるレーザーラインを含めた説明図である。
【図５】上記本発明におけるレーザー光照射手段の設置位置・方向の計測方法の一例を説明する説明図である。
【図６】本発明における術具の目標位置・方向とレーザー光照射手段の設置位置・方向とからレーザー光の指令照射角度を求める方法の一例を説明する説明図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ レーザー光照射装置
２ 制御装置
１０ 被作業体（被術者）
１１ 作業部（術部）
１２ 術具（手術用ドリル）
２０ レーザー光照射装置筐体
２１ レーザー光線源
２２、２３ ガルバノスキャナー
３０ａ、３０ｂ レーザーライン
Claims (7)
- 所定の空間内において、被作業体上におけるツールの位置を提示するツール位置提示システムであって、当該空間内の異なる点に位置し、当該点から平面状に所定の広がりを有する光線を照射する少なくとも２つの光源と当該少なくとも２つの光源から照射される平面状の光線の照射角度を制御する制御装置とを備え、かつ、前記ツールの外周面の一部には、前記少なくとも２つの平面状の光線の少なくとも一つの光線により提示される方向と平行になっていることを確認して当該方向に前記ツールの軸方向を合わせるための部材を当該ツールの軸方向に形成しており、前記ツールの先端部の位置を、前記少なくとも２つの平面状の光線の交差点によって提示すると共に、前記少なくとも２つの平面状の光線を前記ツールの一部に形成した前記軸方向を合わせるための部材に照射することによって、当該ツールの方向を提示することを特徴とするツール位置提示システム。
- 前記請求項１に記載したツール位置提示システムにおいて、前記所定の空間は手術室であり、かつ、前記ツールは手術用具であることを特徴とするツール位置提示システム。
- 前記請求項１に記載したツール位置提示システムにおいて、前記ツールは手術用ドリルであることを特徴とするツール位置提示システム。
- 所定の空間内において、前記請求項１に記載したツール位置提示システムを利用して、被作業体上におけるツールの位置を設定するツール位置設定方法であって、前記ツールの先端部の位置を、前記少なくとも２つの平面状の光線の交差点によって提示すると共に、前記少なくとも２つの平面状の光線を、前記ツールの一部に形成した前記軸方向を合わせるための部材に照射することによって、当該ツールの方向を提示することを特徴とするツール位置設定方法。
- 前記請求項１に記載したツール位置提示システム、あるいは、前記請求項７に記載したツール位置設定方法を利用して、所定の空間内における被作業体上にその位置が設定されるツールであって、当該ツールの外周面の一部に、前記少なくとも２つの平面状光線のうち少なくとも一つの光線の直線状断面により提示される方向に当該ツールの軸方向を合わせるための手段を備えていることを特徴とするツール。
- 前記請求項５に記載したツールであって、前記光線の直線状断面により提示される方向に当該ツールの軸方向を合わせるための手段は、当該ツールの軸方向に形成された直線状のマークであることを特徴とするツール。
- 前記請求項１に記載したツール位置提示システムにおいて、前記少なくとも２つの平面状の光線を形成するレーザー光の照射角度を演算するための方法であって、
レーザー照射角度と位置計測装置により計測されるレーザー照射位置とからレーザー照射手段の設定位置及び方向を同定し、
少なくとも４つのレーザー照射角度とレーザー照射位置との対応関係からレーザー照射手段の設定位置及び方向を同定し、
任意のレーザー照射角度（方向１）におけるレーザー光線上の少なくとも２点の座標と、前記方向１とは別の方向（方向２）へ照射角度を変化させたときのレーザー光線上の少なくとも１点の座標と、前記方向１及び前記方向２とは別で、かつ、前記方向１及び前記方向と同一平面内にない方向（方向３）へ照射角度を変化させたときのレーザー光線上の少なくとも１点の座標とを計測し、計測したレーザー照射角度とレーザー光線上の点の座標からレーザー照射手段の設置位置及び方向を同定し、
前記レーザー照射手段の設定位置及び方向を定義した座標系におけるレーザー照射目標位置と、レーザー照射手段に貼り付けた座標系とからレーザー照射角度を求めることを特徴とするレーザー光照射角度演算方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002061515A JP3637025B2 (ja) | 2002-03-07 | 2002-03-07 | ツール位置提示システム及びこれを利用したツール位置提示方法、並びに、そのためのツール及びレーザー光照射角度演算方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002061515A JP3637025B2 (ja) | 2002-03-07 | 2002-03-07 | ツール位置提示システム及びこれを利用したツール位置提示方法、並びに、そのためのツール及びレーザー光照射角度演算方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003260064A JP2003260064A (ja) | 2003-09-16 |
| JP3637025B2 true JP3637025B2 (ja) | 2005-04-06 |
Family
ID=28670355
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002061515A Expired - Lifetime JP3637025B2 (ja) | 2002-03-07 | 2002-03-07 | ツール位置提示システム及びこれを利用したツール位置提示方法、並びに、そのためのツール及びレーザー光照射角度演算方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3637025B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8246352B2 (en) | 2008-02-28 | 2012-08-21 | Akira Takebayashi | Surgical guide and a method for positioning a drill using the surgical guide |
| JP5252982B2 (ja) * | 2008-04-23 | 2013-07-31 | 晃 竹林 | サージカルガイド、及びこれを使用したドリルの位置決め方法 |
| ITMI20130405A1 (it) * | 2013-03-18 | 2014-09-19 | Medacta Int Sa | Strumentario per l'impianto di una protesi acetabolare |
| US10433911B2 (en) | 2013-09-18 | 2019-10-08 | iMIRGE Medical INC. | Optical targeting and visualization of trajectories |
| CA2924230C (en) * | 2013-09-18 | 2020-03-31 | iMIRGE Medical INC. | Optical targeting and visusalization of trajectories |
| CA3010513A1 (en) * | 2016-01-08 | 2017-07-13 | Boston Scientific Scimed, Inc. | Surgical guidance devices, systems, and methods |
| KR102530305B1 (ko) * | 2016-06-21 | 2023-05-10 | 큐렉소 주식회사 | 라인레이저가 장착된 엔드이펙터 |
| JP7507594B2 (ja) | 2020-04-30 | 2024-06-28 | 株式会社Subaru | 作業ポイント指示方法及び作業ポイント指示システム |
-
2002
- 2002-03-07 JP JP2002061515A patent/JP3637025B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003260064A (ja) | 2003-09-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4329431B2 (ja) | 位置計測装置 | |
| JP6718920B2 (ja) | 定位手術用の手術ロボットシステム及び定位手術用ロボットの制御方法 | |
| JP6487404B2 (ja) | 物体を誘導する３ｄシステム及び方法 | |
| KR100695471B1 (ko) | 수술도구 위치 설정용 다자유도 로봇 | |
| JP4101951B2 (ja) | 手術用顕微鏡 | |
| JP2693195B2 (ja) | 手術個所を指示する装置 | |
| US5891158A (en) | Method and system for directing an instrument to a target | |
| JP3749400B2 (ja) | 断層撮影装置 | |
| US20030164172A1 (en) | Method and apparatus for guiding a surgical instrument | |
| US11298186B2 (en) | Surgery assistive system and method for obtaining surface information thereof | |
| JP3637025B2 (ja) | ツール位置提示システム及びこれを利用したツール位置提示方法、並びに、そのためのツール及びレーザー光照射角度演算方法 | |
| JPH09507130A (ja) | 顕微鏡外科手術用をはじめとする、光学的指示装置 | |
| JP2006312079A (ja) | 医療用マニピュレータ | |
| EP3920804B1 (en) | Method and system for projecting an incision marker onto a patient | |
| JPH09173350A (ja) | アライメント装置における、または、アライメント装置に関する改良 | |
| JP2002085421A (ja) | 外科手術支援システム | |
| US20230218366A1 (en) | Surgery assisting device and computing device for surgery assisting device | |
| EP3685785A1 (en) | Tracker for a surgical navigation system | |
| JP6901160B2 (ja) | 手術支援システムおよびその表面情報を取得する方法 | |
| CN113543714A (zh) | 用于规划椎弓根螺钉固定的***和方法 | |
| JP5881559B2 (ja) | 医療機器 | |
| JP2552023B2 (ja) | 光照射用多関節型マニピュレータ | |
| KR102399973B1 (ko) | 레이저를 이용한 무침습 척추 수술 유도 시스템 | |
| EP3811889B1 (en) | Surgery assistive system for obtaining surface information |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040528 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040615 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040811 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20041214 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20041220 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20050106 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 3637025 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080114 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090114 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090114 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100114 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110114 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110114 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120114 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130114 Year of fee payment: 8 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |