JPH0838506A - コンピュータ支援定位手術において異なる座標系を相関させる方法 - Google Patents

コンピュータ支援定位手術において異なる座標系を相関させる方法

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JPH0838506A
JPH0838506A JP7144243A JP14424395A JPH0838506A JP H0838506 A JPH0838506 A JP H0838506A JP 7144243 A JP7144243 A JP 7144243A JP 14424395 A JP14424395 A JP 14424395A JP H0838506 A JPH0838506 A JP H0838506A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 コンピュータ支援定位手術において付加的な
関連づけマーカを使用せずに異なる座標系を相関させる
方法を提供する。 【構成】 キャリヤシステムに取り付けられた外科用顕
微鏡によって部分的な局所解剖学的情報を収集し、適切
な相関アルゴリズムを使用して、この部分的な局所解剖
学的情報を外科手術に先立って生成されていた診断デー
タと空間的に相関させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、コンピュータ支援定位
手術において付加的ないわゆる参考マーカを使用せずに
異なる座標系を相関させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】コンピュータ支援定位手術においては、
たとえば、ＮＭＲ断層Ｘ線撮影器によって外科手術に先
立って生成されていた診断データを外科手術中にその向
きを最適化する場合に、異なる座標系を互いに相関させ
ることが必要である。たとえば、そのような画像情報を
外科手術領域について得られた画像の上に重ね合わせな
ければならない場合には、これが必要になる。外科手術
領域の現在画像は外科用顕微鏡の中に見える視野、もし
くはビデオカメラを利用して生成されたモニタ画像から
構成されている。
【０００３】そのように必要な相関は、通常、いわゆる
参考マーカを患者の身体上で測定するという関連づけ方
法を採用することにより実行されるが、その際、患者の
座標系と、診断データ座標系とに対するそれらのマーカ
の座標位置はわかっている。そのようなマーカ測定は、
たとえば、出願人のドイツ特許出願４１３４４８１の中
に開示されているもののような外科用顕微鏡を使用して
実行可能である。
【０００４】それに代わるものとして、外科用顕微鏡に
配置したいわゆるレーザーポインタによってマーカを測
定することもできる。米国特許出願５，２７９，３０９
は、患者の身体上に配置され、適切な検出器を介して場
所を規定される小型送信機の形態をとるそのようなマー
カを実現できることを開示している。
【０００５】ところが、マーカを使用する関連づけに基
づく全ての周知の方法には、その方法が相対的に長い時
間を要し、患者の位置を変えたような場合には方法を繰
り返さなければならないという欠点がある。
【０００６】また、それらのマーカを使用して画像生成
診断方法を実行することが常に必要である。たとえば、
米国特許出願５，１７８，１６４に記載されているよう
にマーカを移植しなければならない場合には、この作業
によって患者はストレスを受けることになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、外科手術に先立って生成されていた診断データを、
座標を測定する必要なく又別個の関連づけマーカを場所
規定する必要なく、外科用顕微鏡を使用することによっ
て得られる患者の現在局所解剖学的データと相関させる
ことを可能にする方法を提供することである。詳細にい
えば、外科用顕微鏡の定位的な適用能力を改善しようと
するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】キャリヤシステムに取り
付けられている外科用顕微鏡を使用して部分的な局所解
剖学的情報を獲得し、その情報を外科手術に先立って生
成されていた診断データと相関アルゴリズムを介して空
間的に相関させることを特徴とする。その他の特徴は請
求項２〜請求項８に記載の通りである。
【０００９】本発明に従えば、この場合には、長い時間
を要する関連づけ方法における異なる座標系の相関を実
行するために、別個のマーカを使用しない。その代わり
に、患者の少なくとも部分的な局所解剖学的情報を収集
するために、適切なキャリヤシステムに取り付けられて
いる外科用顕微鏡を直接に使用する。外科用顕微鏡によ
って得られた部分的な局所解剖学的情報をその後にデジ
タル化し、外科手術に先立って生成されていた診断デー
タと周知のアルゴリズムを介して相関させる。
【００１０】外科手術に先立って生成される診断データ
レコードを獲得するために、本発明による方法と組み合
わせて全く異なる画像生成方法を使用することができ
る。ここでは、最新の診断方法の例として中性子磁気共
鳴断層撮影（ＮＭＲ）、ポジトロン放出断層撮影法（Ｐ
ＥＴ）、磁気脳撮影法（ＭＥＧ）及び単一光子放出コン
ピュータ断層撮影法（ＳＰＥＣＴ）を指定しておくが、
これらの方法は皆単独で又は何らかの組み合わせをして
使用可能である。
【００１１】外科用顕微鏡を使用する部分的な局所解剖
学的情報を獲得する方式にはいくつかある。本発明によ
る方法の適切な一実施例は、規模魚レイアウトと特定の
必要条件に応じて選択できる。
【００１２】外科用顕微鏡は問題となる方法に従って構
成されなければならない。別個の関連づけマーカを使用
する長時間を要する関連づけ方法や、その結果として
の、そのようなマーカを移植しなければならない場合に
発生する関係患者のストレスを含めた複雑な操作方法は
もはや不要になっている。
【００１３】さらに、外科用顕微鏡を使用して実質的に
自動化して部分的な局所解剖学的情報の収集を実行する
ため、患者の現在位置又は患者の身体の一部分の位置が
変化した場合でも、異なる座標系を迅速に再相関させる
ことができる。
【００１４】本発明による方法及びその様々に異なる実
施例のその他の利点や詳細は、添付の図に基づく以下の
実施例の説明から理解できる。
【００１５】
【実施例】電動キャリヤシステムに取り付けられている
外科用顕微鏡を使用し、本発明に従って少なくとも部分
的な局所解剖学的情報を収集する方法として実行できる
方式はいくつかある。以下、図２〜図８を参照しながら
本発明による方法の異なる実施例を説明する。
【００１６】ここで説明する本発明による方法の実施例
は、全て、この目的に適合する固定装置の必要な基本構
成要素を含めた基本システム構成については共通してい
る。要求されている中で最も重要な構成要素を図１のブ
ロック線図に概略的に示す。
【００１７】本発明による方法を実行するに際しては、
外科用顕微鏡１を想定しており、これをごく概略的に示
した適切なキャリヤシステム２に取り付ける。図示した
実施例においては、キャリヤシステム２はモータによっ
て作動される。
【００１８】このキャリヤシステム２を利用して、外科
用顕微鏡１の既知の座標系を６つまでの空間自由度をも
って規定位置決めすることが可能である。外科用顕微鏡
を空間位置決めするときの標準的な自由度は回転に関わ
る３つの自由度と、並進運動に関わる３つの自由度であ
る。
【００１９】適切な電動式の多重継手キャリヤシステム
２は、出願人のドイツ特許出願４２０２９２２の中に開
示されている。このキャリヤシステムは数ある構成要素
の中に、各々の継手に割当てられた駆動装置とエンコー
ダを含んでいるため、全システムの中央制御装置３はキ
ャリヤシステム２及び外科用顕微鏡１の既知の幾何デー
タと共に外科用顕微鏡１の座標関連位置を絶えず確定す
ることができる。
【００２０】ドイツ特許出願４２０２９２２の中に開示
されている周知のキャリヤシステムに代わるものとし
て、取り付けられている外科用顕微鏡の規定空間位置決
めと、各々の座標位置のデータ収集が可能であるなら
ば、より単純な構成のキャリヤシステムを使用できる。
たとえば、個々の継手に駆動装置を設けずに本発明によ
る方法のいくつかの実施例を構成し、キャリヤシステム
を手動操作で位置決めするか、あるいは別の位置読取り
システムを設けることも実現可能であろう。
【００２１】使用される外科用顕微鏡１は一般に知られ
ている光学系の構成を特徴としているが、別の場所で生
成された画像又は図形表示を周知のビーム分割素子を介
して立体観察光路の少なくとも一方に重ね合わせるとき
に使用できるスーパーインポーズ装置を含むことも可能
である。
【００２２】加えて、外科用顕微鏡１は光学系に基づく
位置識別システムを含み、これにより、観察中の視野平
面を能動的に、高精度で測定することができる。これを
目的として、たとえば、視野平面の中の１点の座標を精
密に確定するレーザー三角測量システムを外科用顕微鏡
の光学系に組込むことが可能である。
【００２３】好ましい適切な外科用顕微鏡に関しては、
特に、出願人のドイツ特許出願４１３４４８１の中に開
示されている外科用顕微鏡を参照のこと。
【００２４】光学系に基づく位置検出システムに代わる
ものとして、好ましくは非タクチックである他の位置検
出システムを本発明に従って使用しても良いであろう。
たとえば、３Ｄ超音波音声ディジタイザの使用が可能で
あろう。
【００２５】さらに、制御コンピュータの形態をとる
（先に述べた）中央制御装置３を想定している。中央制
御装置３はキャリヤシステムの制御作業と位置検出の全
てを実行すると共に、外科手術に先立って生成され、デ
ジタル化され、適切な画像データベース４にファイルさ
れていた診断データレコードの画像情報をも処理する。
【００２６】中央制御装置３は、たとえば、オペレータ
が外科手術計画を立てるときに使用できるキーボードな
どの形態をとる入力インタフェース３．１をさらに具備
する。
【００２７】次に、本発明による方法の最初の１例を図
２の流れ図を使用して説明する。図２には、方法の主要
な過程を列挙してある。本発明による方法の最初の１実
施例における電動キャリヤシステムに取り付けられてい
る外科用顕微鏡を、まず、相関をされるべき患者の関心
身体部分に沿って定義された経路を通って移動させる。
このために、第１に、問題となる身体領域を選択し、電
動キャリヤシステムを利用して外科用顕微鏡をこの領域
の上方に位置決めする。
【００２８】次に、外科用顕微鏡の視野平面を関心身体
領域に沿って走査運動しつつ移動させる。オペレータが
電動キャリヤシステムに取り付けられている外科用顕微
鏡の操作を手動操作で制御することによって、この走査
運動を実行できる。その代わりに、あらかじめ選択して
おいた特定の位置決めパラメータをもつ中央制御装置に
より、問題領域に沿った規定位置決めを行うことも可能
である。そのような位置決めパラメータには、たとえ
ば、規定走査範囲及び走査速度の事前選択などがある。
外科手術に先立って生成されていた診断データレコード
と空間的に相関させるべき関心身体領域に沿った走査運
動の間に、外科用顕微鏡の位置検出システムは被検体表
面と、キャリヤシステムのエンコーダ情報の結果として
空間座標が中央制御装置にわかっている外科用顕微鏡と
のポイントごとの距離を規定し続ける。このようにし
て、患者の身体領域についての部分的な局所解剖学的情
報を記録し且つこのデータをデジタル化形態でファイル
することが可能である。この実施例では、このようにし
て得られる局所解剖学的情報はある広さの表面領域にわ
たる被検体表面と、外科用顕微鏡との様々に異なる距離
から生成されたような三次元表面プロファイルである。
外科用顕微鏡によって得られた観測すべき被検体領域、
すなわち、関心被検体領域の部分的な局所解剖学的情報
を、その後に、外科手術に先立って生成されていた、同
様に三次元被検体情報を提供する診断データレコードの
局所解剖学的情報と相関させる。測定３Ｄプロファイル
と、外科手術に先立って生成されていた診断データレコ
ードとの相関に際しては、写真測量の分野で知られてい
るもののような周知の相関アルゴリズムを使用する。
【００２９】本発明による方法のこの実施例では、患者
に別個のマーカを設ける必要はなく、また、たとえば、
ドイツ特許出願４１３４４８１の前述の外科用顕微鏡を
使用するのであれば、外科用顕微鏡に装置を追加する必
要もない。使用する外科用顕微鏡に求められる唯一の条
件は、視野中の１点の距離測定値を測定し且つその信号
を中心制御装置へ転送できなければならないということ
である。
【００３０】本発明による方法のこの実施例では、もう
１つの可能性として別の外科用顕微鏡の使用も可能であ
る。それらの外科用顕微鏡は、たとえば、要求されるポ
イントごとの距離測定を実行させることができる能動オ
ートフォーカスシステムを装備していても良い。
【００３１】患者の局所解剖学的情報と、外科手術に先
立って生成された診断データとの相関が実行されていた
ときに関連づけ方法は完了し、そこで、外科用顕微鏡を
その後の外科手術の開始位置として計算していたポイン
トへ移動する。
【００３２】追加マーカを使用せずに、外科用顕微鏡を
使用して異なる座標系を相関させるための本発明による
方法の別の実施例を図３及び図４で説明する。
【００３３】実際の外科手術の前に、関心身体領域にお
ける解剖学的な特定の詳細に中央制御装置で、外科手術
に先立って生成されていた診断データレコードの、異な
る切断平面に対応する少なくとも２つの画像の輪郭線を
与える。たとえば、脳外科手術を計画した場合、患者の
頭部の周囲又は一方の耳の輪郭を２つの画像における輪
郭線としてマーキングすることができる。次に、そのよ
うな修正画像をデジタル化して、同様に画像データベー
スにファイルする。
【００３４】この時点では輪郭線のみが残されている修
正画像を、次に、外科用顕微鏡の投影装置を経て観測光
学系の中へ投影し、それによって観測中の視野に重ね合
わせる。次に、投影された修正画像が視野中の患者の適
切な解剖学的細部と一致するまで、すなわち、輪郭線が
一致するまで、ユーザはキャリヤシステムに取り付けら
れている外科用顕微鏡を手動操作によって患者の関心被
検体領域の上方で移動させる。最適の一致状態が得られ
たときに、外科用顕微鏡の空間座標と、付随する視野の
向き及び位置とを中央制御装置によりピックアップし、
初期データレコードとしてファイルする。視野を含めた
外科用顕微鏡位置の座標の確定は、キャリヤシステムの
座標情報と、位置検出システムの情報とを評価する中央
制御装置を介して周知の方式で実行される。外科用顕微
鏡の手動操作の位置決めはユーザが操作する制御要素を
介して行われ、この制御要素は電動キャリヤシステムに
取り付けられている外科用顕微鏡を規定の通りに制御す
る。この目的のためには、たとえば、ジョイスティック
に似たハンドルなどを使用できる。
【００３５】続いてファイルされ、修正される第２の画
像も全く同じ方式で処理される。その後、外科用顕微鏡
の確定位置と、付随する視野の向き及び位置とに関連す
る第２の記録データレコードを同様にしてファイルす
る。
【００３６】視野の向きと位置を含めて、外科用顕微鏡
の２つの空間的位置は輪郭線に対してわかっているの
で、次に、座標系の必要な関連づけ、すなわち、相関を
実行することができる。中央制御装置による相関が完了
したならば、関連づけ方法は終了し、先に説明した本発
明による方法の実施例の場合と同様に、外科手術につい
て計画していた開始位置をとる。
【００３７】制御要素を使用する外科用顕微鏡の手動操
作による空間的位置決めに代わるものとして、本発明に
よる方法のこの実施例により、電動キャリヤシステムに
取り付けられている外科用顕微鏡を関心被検体領域に沿
って自動的に移動させることが可能である。このプロセ
スの間、移動した被検体領域を記録し、修正輪郭線画像
によってリアルタイム整合手続きを実行する。修正画像
と視野中の解剖学的細部の輪郭線の最適の一致が得られ
たとき、先に説明した方法の場合と同様に、外科用顕微
鏡の位置と視野を記録などする。本発明による方法のこ
の実施例につていは、走査運動中に、たとえば、ビデオ
カメラによって視野を絶えず記録しておかなければなら
ない。たとえば、外科用顕微鏡の文書化光路の中にビデ
オカメラ又は他の適切な電子光学画像検出器を配置でき
ると有利である。
【００３８】図４は、外科手術に先立って生成された診
断画像の中に特定の特徴解剖学的細部６−この場合には
患者の耳−の輪郭線をマークしてある中央制御装置の表
示（５）を提示している。この修正画像をデジタル化
し、座標データと共にファイルする。
【００３９】本発明による方法では、次にこの画像を外
科用顕微鏡の観測光学系の中に投影し、それと同時に、
この輪郭線が実際の解剖学的細部とできる限り一致する
まで、外科用顕微鏡を手動操作により又は自動的に変位
させる。
【００４０】最前に説明した本発明による方法の実施例
に代わるものとして、部分的な局所解剖学的情報を収集
するための別の実施例によれば、解剖学的関心細部のマ
ーキングなしで外科用顕微鏡を利用して作業し、観測中
の被検体領域の中の点を、視野と対応する診断画像との
双方で明確に認識し且つ識別することができるのであれ
ば、それらの点を外科用顕微鏡を使用して直接に測定す
ることが可能になる。
【００４１】この実施例の基本手続き過程を表わす流れ
図を図５に示す。この場合、まず、診断画像の中の少な
くとも３つの特徴点を外科手術前に中央制御装置によっ
てマーキングする。その後に同様に外科用顕微鏡を通し
て観測される被検体領域の少なくとも一部に関する診断
データレコードの画像を選択する必要があることは言う
までもない。次に、キャリヤシステムに取り付けられて
いる外科用顕微鏡を、視野の中に明確に識別可能な点が
位置しているように空間的に位置決めする。続いて、そ
れらの点の座標を位置検出システムによって測定し、そ
れと同時に外科用顕微鏡の位置を記録する。
【００４２】その後に、外科手術に先立って生成された
診断データレコードとの相関を周知の方式で実行する。
【００４３】先に説明した実施例と同様に、関連する被
検体領域に沿って外科用顕微鏡を手動操作で操作し且つ
ユーザ側からそれらの点を適切に割当てることにより、
特徴点の識別を実行できる。代替実施例として、先の場
合と同じように外科用顕微鏡が適切な電子光学画像検出
器を装備しており且つ電動キャリヤシステムが設けられ
ているならば、それらの点の自動認識を含む自動化方法
は可能である。
【００４４】以上説明した本発明による方法の第３の実
施例による部分的な局所解剖学的情報の収集プロセス
は、たとえば、脳外科手術の間に脳の変位が起こり、観
測中の視野を手術に先立って生成されていた診断データ
レコードに対して再関連づけする必要が生じた場合に手
術の最中でも使用できるので有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による方法を実行するために要求され
る最も重要な構成要素を示すブロック線図。
【図２】 本発明による方法の第１の実施例を示す流れ
図。
【図３】 本発明による方法の第２の実施例を示す流れ
図。
【図４】 本発明による方法の第２の実施例において関
連づけのために使用できる外科用顕微鏡の視野の中に見
える輪郭線を示す図。
【図５】 本発明による方法の第３の実施例を示す流れ
図。
【符号の説明】
１…外科用顕微鏡、２…電動キャリヤシステム、３…中
央制御装置、６…解剖学的細部（輪郭線）。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 コンピュータ支援定位手術で付加的な関
    連づけマーカを使用せずに異なる座標系を相関させる方
    法において、キャリヤシステム（２）に取り付けられて
    いる外科用顕微鏡（１）を使用して部分的な局所解剖学
    的情報を獲得し、この部分的な局所解剖学的情報を外科
    手術に先立って生成されていた診断データと相関アルゴ
    リズムを介して空間的に相関させることを特徴とする方
    法。
  2. 【請求項２】 キャリヤシステム（２）に取り付けられ
    ている外科用顕微鏡（１）を観測中である被検体の特定
    の表面領域に沿って移動させ、身体の関心領域の三次元
    表面輪郭を生成するために、身体のこの関心領域におけ
    る複数の表面点に至るまでの距離を点ごとに絶えず測定
    し、その後、この情報を後の相関アルゴリズムに関わる
    部分的な局所解剖学的情報として使用することを特徴と
    する請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 外科用顕微鏡（１）をユーザにより手動
    操作で身体の関心領域に沿って操作することを特徴とす
    る請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 外科用顕微鏡（１）が電動キャリヤシス
    テムに取り付けられているとき、外科用顕微鏡（１）を
    中央制御装置（３）によって規定された、あらかじめ選
    択された位置決めパラメータに従って自動的に位置決め
    することを特徴とする請求項２記載の方法。
  5. 【請求項５】 外科手術に先立って生成されていた診断
    画像の中で、観測中の視野の特定の解剖学的細部（６）
    に輪郭線を与え、それらの輪郭線を外科用顕微鏡（１）
    の観測光学系の中へ投影し、投影された輪郭線と、観察
    される被検体構造との間に最適の一致が得られるまで、
    電動キャリヤシステム（２）によって外科用顕微鏡
    （１）を関心視野の上に位置決めすることを特徴とする
    請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 オペレータが投影された輪郭線（６）と
    観察している被検体構造とのできる限り良い一致に関す
    る連続目視検査を実行している間に、外科用顕微鏡
    （１）を手動操作で操作することを特徴とする請求項５
    記載の方法。
  7. 【請求項７】 外科用顕微鏡（１）は電動キャリヤシス
    テムに取り付けられており、各々の視野が電子光学画像
    検出器により絶えず測定され且つデジタル化形態で処理
    されるように、投影された輪郭線（６）と観察中の被検
    体との最適の一致の維持を連続して自動的に検査しつ
    つ、外科用顕微鏡（１）は中央制御装置（３）によって
    操作されることを特徴とする請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 外科用顕微鏡（１）の位置検出システム
    を使用して、被検体視野の中の少なくとも３つの特徴点
    を測定し、それらの点も同様に外科手術に先立って生成
    されていた診断画像の少なくとも１つの中で明確に識別
    できることを特徴とする請求項１記載の方法。
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