JP5476036B2 - 網膜投影型ヘッドマウントディスプレイ装置を用いた手術ナビゲーションシステムおよびシミュレーションイメージの重ね合わせ方法 - Google Patents
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Description
患者の口腔内に固定される第1マーカおよびRPHMD装置に固定される第2マーカの3次元位置姿勢を測定する3次元位置計測装置と、
第1マーカとの間の相対的な3次元位置姿勢が関連付けられたインプラントの3次元シミュレーションイメージ情報と、インプラントと第1マーカとの間の3次元位置姿勢と、第2マーカの位置に関係付けられた3次元座標系であるRPHMD装置座標系から術者の網膜における2次元座標系である術者視野座標系への変換を行うための座標系変換情報と、を保持する情報保持装置と、
3次元位置計測装置により計測された、第1マーカおよび第2マーカの位置姿勢と、情報保持装置に保持されている3次元位置姿勢および座標系変換情報とを用いて、インプラントの3次元シミュレーションイメージ情報の座標系を術者視野座標系に変換して、変換されたシミュレーションイメージ情報をRPHMD装置により術者の網膜に投影させて、術者の実視野にて取得される患者の口腔内の術部の実像にシミュレーションイメージを重ね合わせる演算処理装置とを備えることを特徴とする、網膜投影型ヘッドマウントディスプレイ装置を用いた手術ナビゲーションシステムを提供する。
RPHMD装置により術者の網膜に投影されたカーソルが術者により操作されて、術者の実視野におけるキャリブレーション用マーカの位置に重なるように配置されたカーソルの2次元位置座標を、術者視野座標系におけるキャリブレーション用マーカの2次元位置座標値として取得する第2手順と、
第1手順および第2手順を少なくとも6回実施することにより取得された、キャリブレーション用マーカについてのRPHMD装置座標系の3次元座標値と術者視野座標系の2次元座標値との少なくとも6組の位置座標に基づいて、座標系変換情報を算出する第3手順と、を演算処理装置に実行させるキャリブレーション用プログラムをさらに備える、第1態様に記載の網膜投影型ヘッドマウントディスプレイ装置を用いた手術ナビゲーションシステムを提供する。
演算処理装置は、3次元位置計測装置により計測された、第3マーカの3次元位置姿勢および第2マーカの3次元位置姿勢と、情報保持装置に保持されているインプラントの3次元シミュレーションイメージ情報とに基づいて、インプラントの3次元シミュレーションイメージ情報におけるインプラントの埋入位置と、術用工具の位置姿勢との間の位置ズレを補正するための位置ズレ補正情報を算出し、座標系変換情報を用いて、算出された位置ズレ補正情報を、RPHMD装置によりシミュレーションイメージ情報とともに術者の網膜に投影する、第1態様から第4態様のいずれか1つに記載の網膜投影型ヘッドマウントディスプレイ装置を用いた手術ナビゲーションシステムを提供する。
第1マーカおよび第2マーカの3次元位置姿勢と、インプラントと第1マーカとの間の3次元位置姿勢と、第2マーカの位置に関係付けられた3次元座標系であるRPHMD装置座標系から術者の網膜における2次元座標系である術者視野座標系への変換を行うための座標系変換情報とを用いて、インプラントの3次元シミュレーションイメージ情報の3次元座標系を術者視野座標系に変換し、
変換されたシミュレーションイメージ情報をRPHMD装置により術者の網膜に投影して、術者の実視野にて取得される患者の口腔内の術部の実像にシミュレーションイメージを重ね合わせることを特徴とする、網膜投影型ヘッドマウントディスプレイ装置を用いたシミュレーションイメージの重ね合わせ方法を提供する。
RPHMD装置により術者の網膜に投影されたカーソルが術者により操作されて、術者の実視野におけるキャリブレーション用マーカの位置に重なるように配置されたカーソルの2次元位置座標を、術者視野座標系におけるキャリブレーション用マーカの2次元座標値として取得する第2工程と、
第1工程および第2工程を少なくとも6回実施することにより取得された、キャリブレーション用マーカについてのRPHMD装置座標系の3次元座標値と術者視野座標系の2次元座標値との少なくとも6組の位置座標に基づいて、座標系変換情報を算出する第3工程とを実施した後、
第3工程にて算出された座標系変換情報を用いて、インプラントの3次元シミュレーションイメージ情報の3次元座標系を術者視野座標系に変換する、第6態様に記載の網膜投影型ヘッドマウントディスプレイ装置を用いたシミュレーションイメージの重ね合わせ方法を提供する。
まず、図2に示すように、歯科インプラント手術を受ける患者の口腔内(例えば、下顎構造31)に、第1マーカ21が固定部材20を介して固定された診断用ステントを装着した状態で、CT(Computed Tomographic)を撮影し、撮影された断層データの3次元再構成を行う。このような3次元再構成を行う装置としては、例えば、VGStudio MAX 1.2 (Volume Graphics GmbH, Germany)を用いることができる。なお、図2では、患者自身の下顎構造31を概略的に示している。
上述した術前処理により作成されたインプラントSIの情報、並びに第1マーカ21の位置姿勢を基準としたインプラントSIへの変換行列1(数1)およびRPHMD装置座標系から術者視野座標系への変換行列2(数2)を、情報保持装置18に記憶させる。
次に、上述したキャリブレーション処理の手順について説明する。このキャリブレーション処理は、原則として術前に行われる。または術中においては、術者2が装備しているRPHMD装置12の装備位置の位置ズレが生じた場合に行われる。
RPHMD装置12により術者2の網膜に投影されたマウスポインタ(カーソル)を術者により操作し、術者2の実視野における第4マーカ24の特定の位置(例えば、原点位置)にマウスポインタを合わせてマウスをクリックするという動作を、第4マーカ24の3次元空間における位置を変化させながらn回繰り返す。それとともに、第4マーカ24の3次元空間における3次元座標値を、3次元位置計測装置14により計測する。この作業により、第4マーカ24の3次元空間における3次元座標値と、それに対応するRPHMD装置12の投影画像上での2次元座標値との組がn組得られる。このn組の対応点からランダムにF点選択し、最小2乗法を用いたキャリブレーション処理により、投影行列の解候補を算出する。
次に、数21で定義される解候補の誤差値を計算する。
処理1と処理2とをq回繰り返して、数21で計算されるerr2が最小となるF個の対応点を用いて計算されるカメラパラメータを選択する。
4 患者
6 インプラントドリル
10 網膜投影型ヘッドマウントディスプレイを用いた手術ナビゲーションシステム
12 網膜投影型ヘッドマウントディスプレイ装置(RPHMD装置)
13 眼鏡
14 3次元位置計測装置
16 コンピュータ装置
18 情報保持装置
21 第1マーカ
22 第2マーカ
23 第3マーカ
24 第4マーカ
Claims (4)
- 術者の顔に取り付けられ、術者の網膜に対して映像を投影する網膜投影型ヘッドマウントディスプレイ装置(以下「RPHMD装置」とする)と、
患者の口腔内に固定される第1マーカおよびRPHMD装置に固定される第2マーカの3次元位置姿勢を測定する3次元位置計測装置と、
第1マーカとの間の相対的な3次元位置姿勢が関連付けられたインプラントの3次元シミュレーションイメージ情報と、インプラントと第1マーカとの間の3次元位置姿勢と、第2マーカの位置に関係付けられた3次元座標系であるRPHMD装置座標系から術者の網膜における2次元座標系である術者視野座標系への変換を行うための座標系変換情報と、を保持する情報保持装置と、
3次元位置計測装置により計測された、第1マーカおよび第2マーカの位置姿勢と、情報保持装置に保持されている3次元位置姿勢および座標系変換情報とを用いて、インプラントの3次元シミュレーションイメージ情報の座標系を術者視野座標系に変換して、変換されたシミュレーションイメージ情報をRPHMD装置により術者の網膜に投影させて、術者の実視野にて取得される患者の口腔内の術部の実像にシミュレーションイメージを重ね合わせる演算処理装置と、
3次元位置計測装置により取得されたキャリブレーション用マーカの3次元位置座標および第2マーカの3次元位置座標に基づいて、キャリブレーション用マーカのRPHMD装置座標系における3次元座標値を取得する第1手順と、
RPHMD装置が術者により操作されて、RPHMD装置により術者の網膜に投影されたカーソルが、術者の実視野におけるキャリブレーション用マーカの位置に重なるように配置されたカーソルの2次元位置座標を、術者視野座標系におけるキャリブレーション用マーカの2次元位置座標値として取得する第2手順と、
第1手順および第2手順を少なくとも6回実施することにより取得された、キャリブレーション用マーカについてのRPHMD装置座標系の3次元座標値と術者視野座標系の2次元座標値との少なくとも6組の位置座標に基づいて、座標系変換情報を算出する第3手順と、を演算処理装置に実行させるキャリブレーション用プログラムをさらに備え、
少なくとも1つのキャリブレーション用マーカと、患者の口腔内に固定される第1マーカとが兼用されて、キャリブレーション用プログラムにおける第1手順または第2手順の実行と、術者の実視野にて取得される患者の口腔内の術部へのシミュレーションイメージの重ね合わせとが、演算処理装置により同時に実施される、網膜投影型ヘッドマウントディスプレイ装置を用いた手術ナビゲーションシステム。 - キャリブレーション用プログラムにおける第3手順において、第1手順および第2手順を少なくとも15回実施して、少なくとも15組の位置座標を取得し、最小二乗法を用いて、少なくとも15組の位置座標から少なくとも10組の位置座標を選定し、少なくとも10組の位置座標に基づいて座標系変換情報を算出する手順をさらに含む、請求項1に記載の網膜投影型ヘッドマウントディスプレイ装置を用いた手術ナビゲーションシステム。
- 3次元位置計測装置は、術者が把持する術用工具に固定された第3マーカの3次元位置姿勢を計測可能であって、
演算処理装置は、3次元位置計測装置により計測された、第3マーカの3次元位置姿勢および第2マーカの3次元位置姿勢と、情報保持装置に保持されているインプラントの3次元シミュレーションイメージ情報とに基づいて、インプラントの3次元シミュレーションイメージ情報におけるインプラントの埋入位置と、術用工具の位置姿勢との間の位置ズレを補正するための位置ズレ補正情報を算出し、座標系変換情報を用いて、算出された位置ズレ補正情報を、RPHMD装置によりシミュレーションイメージ情報とともに術者の網膜に投影する、請求項1または2に記載の網膜投影型ヘッドマウントディスプレイ装置を用いた手術ナビゲーションシステム。 - 網膜投影型ヘッドマウントディスプレイ装置を用いた手術ナビゲーションシステムの作動方法であって、
3次元位置計測装置は、患者の口腔内に固定された第1マーカと、術者の網膜に対して映像を投影する術者の顔に取り付けられた網膜投影型ヘッドマウントディスプレイ(以下「RPHMD装置」とする)に対して固定された第2マーカとの3次元位置姿勢をそれぞれ測定し、
演算処理装置は、第1マーカおよび第2マーカの3次元位置姿勢と、インプラントと第1マーカとの間の3次元位置姿勢と、第2マーカの位置に関係付けられた3次元座標系であるRPHMD装置座標系から術者の網膜における2次元座標系である術者視野座標系への変換を行うための座標系変換情報とを用いて、インプラントの3次元シミュレーションイメージ情報の3次元座標系を術者視野座標系に変換し、
演算処理装置は、変換されたシミュレーションイメージ情報をRPHMD装置により術者の網膜に投影して、術者の実視野にて取得される患者の口腔内の術部の実像にシミュレーションイメージを重ね合わせ、
演算処理装置は、3次元位置計測装置により取得されたキャリブレーション用マーカの3次元位置座標および第2マーカの3次元位置座標に基づいて、キャリブレーション用マーカのRPHMD装置座標系における3次元座標値を取得する第1工程と、
RPHMD装置が術者により操作されて、RPHMD装置により術者の網膜に投影されたカーソルが、術者の実視野におけるキャリブレーション用マーカの位置に重なるように配置されたカーソルの2次元位置座標を、術者視野座標系におけるキャリブレーション用マーカの2次元座標値として取得する第2工程と、
第1工程および第2工程を少なくとも6回実施することにより取得された、キャリブレーション用マーカについてのRPHMD装置座標系の3次元座標値と術者視野座標系の2次元座標値との少なくとも6組の位置座標に基づいて、座標系変換情報を算出する第3工程とを実施した後、
第3工程にて算出された座標系変換情報を用いて、インプラントの3次元シミュレーションイメージ情報の3次元座標系を術者視野座標系に変換し、
少なくとも1つのキャリブレーション用マーカと、患者の口腔内に固定される第1マーカとが兼用されて、キャリブレーション用プログラムにおける第1工程または第2工程の実行と、術者の実視野にて取得される患者の口腔内の術部へのシミュレーションイメージの重ね合わせとが、演算処理装置により同時に実施される、網膜投影型ヘッドマウントディスプレイ装置を用いた手術ナビゲーションシステムの作動方法。
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