JPH0838507A

JPH0838507A - 手術器具の位置表示装置

Info

Publication number: JPH0838507A
Application number: JP6197890A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Okamura; 昇一岡村
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1994-07-28
Filing date: 1994-07-28
Publication date: 1996-02-13

Abstract

(57)【要約】【目的】キャリブレーション時の術者や操作者の負担
を軽減することができる手術器具の位置表示装置を提供
する。【構成】画像空間座標値メモリ１１は、断層像に描出
された各マーカーＰ₁〜Ｐ₄の画像空間座標値群を記憶
する。実空間座標値メモリ１２は、キャリブレーション
時に指示された順序で各マーカーの実空間座標値群を記
憶するとともにマーカーの個数に応じて得られる順列組
合せの数だけ前記座標値群の順序を並べ変えて記憶す
る。ベクトル演算部１３は、前記メモリ１１，１２中の
座標値からベクトル群を生成し、ノーマライズ部１４が
ベクトル群を比較できるように操作する。対応度算出部
１５は、ノーマライズされた画像空間ベクトル群と実空
間ベクトル群のノルムの総和を求めて対応度とする。こ
の対応度が最小となった実空間座標値群と画像空間座標
値群とから、変換値算出部１６が変換値を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、手術ナビゲーション
システムとも呼ばれ、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
する装置に係り、特に、断層像撮影装置の固有の画像空
間座標で表され、手術前に収集したＸ線ＣＴ像、ＭＲＩ
像、あるいはＸ線透視画像上の位置と、実空間座標で表
される術中の手術器具の位置とを、被検体の体表面に取
り付けた複数個のマーカーを手術器具の先端部で指示す
ることによって関連付ける、いわゆるキャリブレーショ
ンを行ってから前記画像上に手術器具の位置を重ね合わ
せ表示する手術器具の位置表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】予め収集しておいた断層像上に、術中の
手術器具の位置を重ね合わせ表示する手術器具の位置表
示装置としては、例えば、以下に示すようなものがあ
る。（１）NEURO-NAVIGATOR(「Three Dimensional Digitize
r(Neuronavigator):New Equipment Computed Tomograph
y-Guided Stereotaxic Surgery」:E.Watanabeet al.:Su
rg Neurol 1987;27:p543-p547) （２）「医療用三次元定位装置」（特開平０３−１０６
３５９号公報）（３）「定位脳手術支援装置」（特開平０３−２６７０
５４号公報）（４）「体内三次元位置表示装置」（特開平０３−２８
４２５３号公報）

【０００３】これらの装置では、まず、Ｘ線ＣＴ装置や
ＭＲＩ装置などの断層像撮影装置を使用して、手術前に
予め関心部位の位置ごとに断層像を撮影する。このとき
被検体の関心部位には複数個のマーカーを取り付けてお
き、これとともに断層像を撮影する。この断層像は、断
層像撮影装置の固有の画像空間座標で画像記憶部に格納
される。さらに、画像記憶部に格納された断層像は所定
の順序でモニタに表示され、そのとき断層像上に描出さ
れたマーカーを術者などが指示することによって断層像
上の各マーカーの画像空間座標値が指示された順序で画
像空間座標値記憶部に記憶される。

【０００４】そして手術前には、格納した断層像上の位
置と、手術器具の位置表示装置による手術器具の〔実空
間座標で表される〕位置とを関連付けるキャリブレーシ
ョンを行う。このキャリブレーションは、被検体の体表
面に取り付けたマーカーを介して行われ、被検体の体表
面の複数個のマーカーを手術器具の先端部で指示したと
きの各実空間座標値と、画像空間座標値記憶部の各マー
カーの画像空間座標値とに基づいて、手術器具の位置を
示す実空間座標値を断層像上の画像空間座標値に変換す
るための変換値を算出することによって行われる。

【０００５】そして術中には、位置検出部からの手術器
具の実空間座標値と方向とからなる位置情報を、前記変
換値で画像空間座標値に変換（変換位置情報）し、この
変換位置情報に応じた断層像上に手術器具の位置を示す
所定パターンを重ね合わせて表示する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成を有する従来例の場合には、次のような問題が
ある。すなわち、正確にキャリブレーションを行うため
には、複数個のマーカーの画像空間座標値と実空間座標
値とを正確に関連付ける必要がある。したがって画像空
間座標値記憶部に記憶されている画像上の複数個のマー
カーの画像空間座標値の記憶順序に従って、体表面に取
り付けられた複数個のマーカーを手術器具の先端部で指
示する必要がある。このように体表面に取り付けられた
マーカーを画像空間座標値記憶部の記憶順序にしたがっ
て順次に指示するためには、予め断層像を撮影する際に
各マーカーに名前や記号を付けておき、画像空間座標値
記憶部に各画像空間座標値を記憶した順序をその名前や
記号でメモなどに記録しておくか、術者やキャリブレー
ションの操作者が記憶しておく必要がある。このメモへ
の記録などは手術に直接関連のない作業であるので、操
作者や術者にとっては煩わしく負担となる。なお、この
キャリブレーションが正確に行われなかった場合には、
手術器具の位置が正確に断層像上に表示されないという
問題点がある。

【０００７】この発明は、このような事情に鑑みてなさ
れたものであって、キャリブレーション時の術者や操作
者の負担を軽減しつつ、正確なキャリブレーションを行
うことによって手術器具の位置を正確に断層像上に表示
することができる手術器具の位置表示装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、このような
目的を達成するために、次のような構成をとる。すなわ
ち、この発明に係る手術器具の位置表示装置は、被検体
の体表面に取り付けた複数個のマーカーとともに、断層
像撮影装置の固有の画像空間座標で、断層像の画像デー
タを予め記憶する画像記憶手段と、手術器具の位置情報
（実空間座標値，方向）を順次出力する位置検出手段
と、手術に先立って前記位置検出手段からの実空間座標
値と前記画像記憶手段の断層像から得られる画像空間座
標値とに基づいて前記位置検出手段からの位置情報を画
像空間座標値に変換するための変換値を算出する変換値
算出手段と、術中に前記位置検出手段からの位置情報を
変換して出力する位置変換手段と、前記位置変換手段か
らの変換位置情報に応じた画像データを前記画像選択手
段から選択する画像選択手段と、前記選択された画像上
の、術中の変換位置情報の示す位置に、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
手段とを備えた手術器具の位置表示装置において、
（ａ）前記画像記憶手段に記憶されている断層像の画像
データから、複数個のマーカーの画像空間座標値を任意
の順序で記憶（画像空間座標値群）する画像空間座標値
記憶手段と、（ｂ）前記手術器具の先端部で前記各マー
カーを任意の順序で指示した際に、前記位置検出手段か
ら出力される位置情報の実空間座標値を順次に記憶（実
空間座標値群）するとともに、マーカーの個数に応じて
得られる順列組合せの数だけ前記実空間座標値群の順序
を並べ変えて、前記順序とは異なる実空間座標値群を新
たに記憶する実空間座標値記憶手段と、（ｃ）前記画像
空間座標値記憶手段に記憶されている画像空間座標値群
の先頭の画像空間座標値から他の画像空間座標値へのベ
クトル（画像空間ベクトル群）を算出するとともに、前
記実空間座標値記憶手段に記憶されている各実空間座標
値群のそれぞれの先頭の実空間座標値から他の実空間座
標値へのベクトル（実空間ベクトル群）を算出するベク
トル演算手段と、（ｄ）前記画像空間ベクトル群の起点
と前記各実空間ベクトル群のそれぞれの起点とを一致さ
せるとともに、一組の対応するベクトル同士の方向を一
致させ、かつ前記一組のベクトル同士とは異なる一組の
対応するベクトル同士を前記ベクトルを含む面内に回転
移動させる操作を含むノーマライズを行うノーマライズ
手段と、（ｅ）前記ノーマライズされた画像空間ベクト
ル群と前記ノーマライズされた各実空間ベクトル群との
対応するベクトル同士の差分（差分ベクトル群）を求
め、前記各差分ベクトル群のそれぞれについてノルムの
総和を対応度として算出する対応度算出手段と、を備え
るとともに、（ｆ）前記変換値算出手段は、前記各対応
度のうち最小の対応度をもつ実空間ベクトル群に対応す
る実空間座標値群と前記画像空間座標値群とに基づい
て、変換値を算出することを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】この発明の作用は次のとおりである。複数個の
マーカーとともに撮影された断層像は、画像記憶手段に
記憶され、断層像に描出されている各マーカーの画像空
間座標値が、任意の順序で画像空間座標値記憶手段に記
憶される。まず、手術器具の先端部で被検体の体表面に
取り付けられた各マーカーを任意の順序で指示すると、
位置検出手段から順次出力された実空間座標値が実空間
座標値記憶手段に記憶される。実空間座標値記憶手段
は、マーカーの個数に応じて得られる順列組合せの数だ
け記憶した実空間座標値群の順序を並べ変えて、記憶さ
れている実空間座標値群の順序とは異なる実空間座標値
群を新たに記憶する。このように任意の順序でマーカー
を指示して得られた実空間座標値群に加えて、マーカー
の個数に応じて得られる順列組合せの数だけ新たに実空
間座標値群を記憶するので、各実空間座標値群のなかに
は画像空間座標値記憶手段に記憶されている画像空間座
標値群の順序と同じになる実空間座標値群を含むことに
なる。

【００１０】次に、ベクトル演算手段は、画像空間座標
値記憶手段に記憶されている画像空間座標値群の先頭の
画像空間座標値から、他の画像空間座標値へのベクトル
（画像空間ベクトル群）を算出するとともに、実空間座
標値記憶手段に記憶されている各実空間座標値群のそれ
ぞれの先頭の実空間座標値から他の実空間座標値へのベ
クトル（実空間ベクトル群）を算出する。これにより画
像空間ベクトル群と各実空間ベクトル群の各ベクトル
は、その起点がそれぞれの先頭の座標値となる。そして
ノーマライズ手段は、以下に述べるノーマライズを行
う。まず、画像空間ベクトル群の起点と、各実空間ベク
トル群のそれぞれの起点とを一致させる。そして、画像
空間ベクトル群と実空間ベクトル群との一組の対応する
ベクトル同士の方向を一致させ、かつ前記一組の対応す
るベクトル同士とは異なる一対の対応するベクトル同士
を前記ベクトルを含む面内に回転移動させる。例えば、
４個のマーカーを三角錐を形成するように被検体に取り
付けた場合には、三角錐の〔ベクトルの起点に相当す
る〕頂点同士が一致し、さらに一辺と一側面が一致した
状態である。したがって、このノーマライズによって、
それぞれ異なる起点を有し、かつそれぞれ異なる方向へ
向かっていた画像空間ベクトル群で形成される空間図形
と実空間ベクトル群で形成される空間図形との相似性を
比較することができる。

【００１１】次に、対応度算出手段はノーマライズされ
た画像空間ベクトル群とノーマライズされた各実空間ベ
クトル群との対応するベクトル同士の差分（差分ベクト
ル群）を求め、さらに各差分ベクトル群のそれぞれにつ
いてノルム（差分ベクトルの長さに相当）の総和を求め
る。そして、このノルムの総和を各実空間ベクトル群の
画像空間ベクトルへの対応度とする。この対応度は、小
さいほど上記の相似性が良いことを示す。そして、変換
値算出手段は、各対応度のうち最小の対応度（（相似性
が良い）をもつ実空間ベクトル群に対応する実空間座標
値群と、画像空間座標値群とに基づいて、実空間座標値
を画像空間座標値に変換する変換値を算出する。このよ
うに対応度が最小の実空間ベクトル群を選択すること
は、画像空間座標値記憶手段に記憶されている画像空間
座標値群と同じ順序となる実空間座標値群を実空間座標
値記憶手段のなかから選択することである。したがっ
て、記憶順序が一致した画像空間座標値群と実空間座標
値群とから変換値を算出するので、術中の位置検出手段
からの実空間座標値を含む位置情報を画像空間座標値に
正確に変換することができる。

【００１２】術中には、実空間座標値を含む位置情報が
位置検出手段から順次出力され、この位置情報は位置変
換手段によって画像空間座標値を含む変換位置情報に変
換される。そして画像選択手段により変換位置情報に応
じた画像データが画像記憶手段から選択される。選択さ
れた画像データによって構成される断層像上には、変換
位置情報の示す位置に手術器具の位置を示す所定パター
ンが画像合成手段によって合成されて表示手段に表示さ
れる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例を
説明する。図１は、この発明に係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。

【００１４】図中、符号１は被検体Ｍが載せられた手術
台である。符号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３次元
方向にそれぞれ磁界を発生させる磁気ソース３ａが、被
検体Ｍとの相対位置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
固定されてもよい。手術器具２には磁気ソース３ａから
発生された３次元の磁界を検出する磁気センサ３ｂが取
付けられている。なお、この手術器具２は、手術におい
て関心部位に直接作用しない単なる器具も含んでいる。
例えば、切開した関心部位内に現れた腫瘍などが関心部
位内のどの位置にあるのかを確認するための棒状の指示
器具も含むものとする。

【００１５】図２に示すように、磁気ソース３ａは、３
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３_aX，３_aY，３_aZ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３次元の磁界Ｈを発生す
る。磁気センサ３ｂも同様に、互いに直交した３つのコ
イル３_bX，３_bY，３_bZから構成されている。磁気センサ
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３_bX，３_bY，３_bZからの検出信号を増幅し
て、適宜のデジタル信号に変換した位置データを出力す
る。磁気ソース３ａ、磁気センサ３ｂ、駆動回路４、検
出回路５、および後述する位置算出部９は、この発明に
おける位置検出手段に相当する。

【００１６】画像処理コンピュータ８は、主として手術
器具２の位置算出、後述するキャリブレーション、位置
情報に応じた画像の選択、選択された画像上への手術器
具２のパターンの合成を行うものである。その内部構成
を機能的に大別すると、位置算出部９、キャリブレーシ
ョン部１０、位置変換部２０、画像選択部２１、画像合
成部２３となる。

【００１７】位置算出部９は、検出回路５からの位置デ
ータに基づいて、磁気センサ３ｂの３次元位置（実空間
座標値）および方向を算出し、これを位置情報として順
次出力する。なお、上述した磁気ソース３ａおよび磁気
センサ３ｂを使って磁気センサ３ｂの実空間座標値およ
び方向を算出する手法は、例えば、特開平３−２６７０
５４号公報によって知られているので、ここでの説明は
省略する。位置変換部２０は、後述するキャリブレーシ
ョン部１０で求められた変換値によって位置算出部９か
らの位置情報を変換する。なお、位置変換部２０は、こ
の発明における位置変換手段に相当する。

【００１８】画像選択部２１は、位置変換部２０からの
変換位置情報（実空間座標値から画像空間座標値に変換
された位置情報）に基づき、画像メモリ２２から所要の
断層像の画像データを選択するもので、この発明におけ
る画像選択手段に相当する。画像メモリ２２は、被検体
Ｍの関心部位ごとに関心部位の断層像の画像データを記
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。

【００１９】画像合成部２３は、画像選択部２１によっ
て選択された画像上の、位置変換部２０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。画像合成部２３は、この
発明における画像合成手段に相当する。画像合成部２３
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２４に与えられる。

【００２０】ここでキャリブレーション部１０について
説明する。このキャリブレーション部１０は、ＭＲＩ装
置やＸ線ＣＴ装置などの断層像撮影装置によってマーカ
ーとともに撮影された断層像上の各マーカーの画像空間
座標と、磁気ソース３ａを基準とする各マーカーの実空
間座標の異なる座標系間の対応付けを行うものである。
このキャリブレーション部１０の構成を大別すると画像
空間座標値メモリ１１、実空間座標値メモリ１２、ベク
トル演算部１３、ノーマライズ部１４、対応度算出部１
５、変換値算出部１６となる。

【００２１】画像空間座標値メモリ１１は、画像メモリ
２２に記憶されている断層像に描出されている各マーカ
ーの座標を、図示しない指示部によって指示された順序
で、かつ断層像撮影装置に固有の座標系（画像空間座
標）で記憶する。実空間座標値メモリ１２は、手術器具
２の先端部で被検体Ｍの体表面に取り付けられた各マー
カーを指示した際に、位置算出部９からの位置情報のう
ち実空間座標値を指示した順序で記憶する（実空間座標
値群）。さらに、マーカーの個数に応じて得られる順列
組合せの数だけ前記実空間座標値群中の実空間座標値を
並べ変えて、記憶したときの順序とは異なる実空間座標
値群を新たに記憶する。なお、画像空間座標値メモリ１
１と実空間座標値メモリ１２は、それぞれこの発明の画
像空間座標値記憶手段と実空間座標値記憶手段に相当す
る。

【００２２】ベクトル演算部１３は、画像空間座標値メ
モリ１１に記憶されている画像空間座標値群の先頭の画
像空間座標値から他の画像空間座標値へのベクトル（画
像空間ベクトル群）を算出する。さらに、実空間座標値
メモリ１２に記憶されている各実空間座標値群のそれぞ
れの先頭の実空間座標値から他の実空間座標値へのベク
トル（実空間ベクトル群）を算出する。なお、ベクトル
演算部１３は、この発明におけるベクトル演算手段に相
当する。

【００２３】ノーマライズ部１４は、ベクトル演算部１
３によって算出された画像空間ベクトル群の起点と、同
様に算出された各実空間ベクトル群のそれぞれの起点と
を一致させるとともに、一組の対応するベクトル同士の
方向を一致させ、かつ前記一組のベクトル同士とは異な
る一組の対応するベクトル同士を前記ベクトルを含む面
内に回転移動させる操作を含むノーマライズを行う。こ
れは起点が異なり、さらに異なる方向を向いているベク
トル群によって構成される空間図形を比較できるように
するための操作である。なお、ノーマライズ部１４は、
この発明におけるノーマライズ手段に相当する。

【００２４】対応度算出部１５は、ノーマライズ部１４
によってノーマライズされた画像空間ベクトル群と、同
様にノーマライズされた各実空間ベクトル群との対応す
るベクトル同士の差分（差分ベクトル群）を求め、これ
らの各差分ベクトル群についてノルムの総和を対応度と
して算出する。ここでノルムとは、差分ベクトル群の各
差分ベクトルの長さを示している。なお、対応度算出部
１５は、この発明における対応度算出手段に相当する。

【００２５】変換値算出部１６は、対応度算出部１５で
算出された各対応度のうち最小の対応度をもつ実空間ベ
クトル群に対応する実空間座標値群と画像空間座標値群
とに基づいて、位置算出部９からの位置情報を画像空間
座標値に変換するための変換値を算出する。なお、変換
値算出部１６は、この発明における変換値算出手段に相
当する。

【００２６】次に、図３のフローチャートおよび図４な
いし図１９を参照して、断層像の収集およびキャリブレ
ーションについて説明する。

【００２７】まず、ステップＳ１では、断層像の収集を
行う。この例では、関心部位を被検体Ｍの頭部とし、こ
の体表面の適宜の位置に、好ましくは三角錐を形成する
ように４個のマーカーＰ₁〜Ｐ₄を取り付ける（図４参
照）。この例では頭頂部にマーカーＰ₁を、鼻根部にマ
ーカーＰ₂を、そして両耳の下部にマーカーＰ₃，Ｐ₄
を取り付けている。これらのマーカーＰ₁〜Ｐ₄を含む
関心部位を対象にして、ＭＲＩ装置などの固有の画像空
間を有する断層像撮影装置によって複数のスライス面Ｓ
₁〜Ｓ_nの断層像を撮影する。この撮影された断層像Ｉ
₁〜Ｉ_nは、スライス面が画像空間でのＸ_MRI−Ｙ_MRI
面であり、画像メモリ２２に固有の画像空間座標（Ｘ
_MRI，Ｙ_MRI，Ｚ_MRI）で記憶される（図５参照）。な
お、関心部位に取り付けるマーカーの個数は、３個であ
ってもよい。

【００２８】ステップＳ２では、断層像に描出されてい
る各マーカーＰ₁〜Ｐ₄の座標を記憶する。具体的に
は、画像メモリ２２に記憶されている断層像Ｉ₁〜Ｉ_n
をモニタ２４に順次表示し、これらの断層像Ｉ₁〜Ｉ_n
に描出されている各マーカーＰ₁〜Ｐ₄の座標を図示し
ない指示部を介して操作者が指示する。そして指示され
た順に各マーカーＰ₁〜Ｐ₄の画像空間座標値が画像空
間座標値メモリ１１に記憶される。この例では、マーカ
ーＰ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄の順に指示したものとし、そ
れぞれの画像空間座標値Ｇ₁（Ｘ_MRI1，Ｙ_MRI1，
Ｚ_MRI1），Ｇ₂（Ｘ_MRI2，Ｙ_MRI2，Ｚ_MRI2），Ｇ₃（Ｘ
_MRI3，Ｙ_MRI3，Ｚ_MRI3），Ｇ₄（Ｘ_MRI4，Ｙ_MRI4，Ｚ
_MRI4）の画像空間座標値群Ｃ₀が画像空間座標値メモリ
１１に記憶される（図６参照）。

【００２９】ステップＳ３では、体表面のマーカーＰ₁
〜Ｐ₄の座標を記憶する。具体的には、手術器具２の先
端部で体表面の各マーカーＰ₁〜Ｐ₄を任意の順序で
（例えば、指示し易い順序で）指示する。そして各マー
カーを指示する毎に、図示しない指示部を介してそのと
きの位置算出部９からの位置情報（磁気ソース３ａを基
準とした実空間座標値と方向を含む）の実空間座標値を
実空間座標値メモリ１２に記憶させる。この例では、ま
ず、術者が被検体Ｍの右側に立ってマーカーＰ₁，Ｐ₃
を指示し、次いで被検体Ｍの左側に立ってマーカー
Ｐ₂，Ｐ₄を指示したとする。すると実空間座標値メモ
リ１２には、マーカーＰ₁の実空間座標値Ｒ₁（Ｘ₁，
Ｙ₁，Ｚ₁）、マーカーＰ₃の実空間座標値Ｒ
₂（Ｘ₂，Ｙ₂，Ｚ₂）、マーカーＰ₂の実空間座標値
Ｒ₃（Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃）、マーカーＰ₄の実空間座標
値Ｒ₄（Ｘ₄，Ｙ₄，Ｚ₄）の実空間座標値群Ｃ₁が記
憶される（図７参照）。

【００３０】ステップＳ４では、体表面のマーカーの座
標記憶順序を、マーカーの個数に応じた順列組合せの数
だけ並べ変える。具体的には、マーカーの個数である４
個に応じて（すなわち、２４通り）実空間座標値メモリ
１２に記憶されている実空間座標値群Ｃ₁の実空間座標
値の記憶順序を並べ変え、実空間座標値群Ｃ₁とは異な
る実空間座標値群Ｃ₂〜Ｃ₂₄を新たに実空間座標値メモ
リ１２に記憶する（図８参照）。このように任意の順序
で各マーカーを指示して得られた実空間座標値群Ｃ₁に
加えて、マーカーの個数に応じて得られる順列組合せの
数だけ新たに実空間座標値群Ｃ₂〜Ｃ₂₄を記憶すること
によって、各実空間座標値群Ｃ₁〜Ｃ₂₄のなかには画像
空間座標値群Ｃ₀の順序と同じになる実空間座標値群
（この例ではＣ₃）を含むことになる。

【００３１】ステップＳ５では、ベクトルの生成を行
う。具体的には、画像空間座標値メモリ１１に記憶され
ている画像空間座標値群Ｃ₀および実空間座標値メモリ
１２に記憶されている実空間座標値群Ｃ₁〜Ｃ₂₄につい
てベクトル演算部１３がベクトルを算出する。すなわ
ち、画像空間座標値群Ｃ₀の先頭の画像空間座標値Ｇ₁
から、他の画像空間座標値Ｇ₂〜Ｇ₄へのベクトルを算
出するとともに、各実空間座標値群Ｃ_1,Ｃ₂，………Ｃ
₂₄のそれぞれの先頭の実空間座標値から、他の実空間座
標値へのベクトルを算出する。

【００３２】まず、画像空間座標値群Ｃ₀から算出され
るベクトル（画像空間ベクトル群ｖＣ₀）は、〔マーカ
ーの個数が４個であるのでベクトルは３つ算出され、そ
れぞれ〕以下のようにして算出される。これを模式図で
示すと図９に示すようになる。なお、ここで符号の前に
付した記号ｖは、その符号がベクトルであることを示
し、ベクトルを“終点の座標−起点の座標”で表す。画像空間ベクトル群ｖＣ₀ ｖα₁＝G₂ (Ｘ_MRI2,Ｘ_MRI2,Ｘ_MRI2) −G₁ (Ｘ_MRI1,
Ｙ_MRI1,Ｚ_MRI1）ｖα₂＝G₃（Ｘ_MRI3,Ｘ_MRI3,Ｘ_MRI3）−G₁（Ｘ_MRI1,
Ｙ_MRI1,Ｚ_MRI1）ｖα₃＝G₄（Ｘ_MRI4,Ｘ_MRI4,Ｘ_MRI4）−G₁（Ｘ_MRI1,
Ｙ_MRI1,Ｚ_MRI1）そして、実空間座標値群Ｃ₁〜Ｃ₂₄から算出されるベク
トル（実空間ベクトル群ｖＣ₁〜ｖＣ₂₄）は、以下のよ
うにして算出される。このうち実空間ベクトル群ｖ
Ｃ₁，ｖＣ₃，ｖＣ₂₄を模式図で示すとそれぞれ図１
０，図１１，図１２のようになる。実空間ベクトル群ｖＣ₁ ｖβ₁＝R₂ (Ｘ_2,Ｘ_2,Ｘ₂) −R₁ (Ｘ_1,Ｙ_1,Ｚ₁）ｖβ₂＝R₃（Ｘ_3,Ｘ_3,Ｘ₃）−R₁（Ｘ_1,Ｙ_1,Ｚ₁）ｖβ₃＝R₄（Ｘ_4,Ｘ_4,Ｘ₄）−R₁（Ｘ_1,Ｙ_1,Ｚ₁）実空間ベクトル群ｖＣ₂ ……… 実空間ベクトル群ｖＣ₃ ｖβ₁＝R₃ (Ｘ_3,Ｘ_3,Ｘ₃) −R₁ (Ｘ_1,Ｙ_1,Ｚ₁）ｖβ₂＝R₂（Ｘ_2,Ｘ_2,Ｘ₂）−R₁（Ｘ_1,Ｙ_1,Ｚ₁）ｖβ₃＝R₄（Ｘ_4,Ｘ_4,Ｘ₄）−R₁（Ｘ_1,Ｙ_1,Ｚ₁） … … … 実空間ベクトル群ｖＣ₂₄ ｖβ₁＝R₃ (Ｘ_3,Ｘ_3,Ｘ₃) −R₄ (Ｘ_4,Ｙ_4,Ｚ₄）ｖβ₂＝R₂（Ｘ_2,Ｘ_2,Ｘ₂）−R₄（Ｘ_4,Ｙ_4,Ｚ₄）ｖβ₃＝R₁（Ｘ_1,Ｘ_1,Ｘ₁）−R₄（Ｘ_4,Ｙ_4,Ｚ₄）

【００３３】ステップＳ６では、ステップＳ５で算出し
たベクトルのノーマライズをノーマライズ部１４が行
う。このノーマライズは、全く別々の方向に向いた画像
空間ベクトル群ｖＣ₀と各実空間ベクトルｖＣ₁〜ｖＣ
₂₄とを比較できるように、その起点と方向とを位置合わ
せするものである。

【００３４】このノーマライズは、以下の手順で行う。
なお、以下のベクトル操作は、ベクトル群中の位置関係
を変えることなく行う。画像空間ベクトル群ｖＣ₀と各実空間ベクトルｖＣ₁
〜ｖＣ₂₄の一組の対応するベクトル同士（ｖα₁とｖβ
₁、ｖα₂とｖβ₂、ｖα₃とｖβ₃）の起点が一致す
るように、かつ、方向が一致するようにベクトル群を回
転移動する。すなわち、両ベクトルを同一直線上に位置
させる。なお、この実施例では、同一直線上をＺ
_MRI（Ｚ）軸上とし、ここに両ベクトルを回転移動す
る。での一組の対応するベクトルとは異なる一組の対応
するベクトル（例えば、でｖα₁とｖβ₁の起点およ
び方向を一致させたときは、ｖα₂とｖβ₂、ｖα₃と
ｖβ₃のうちどちらかの一組のベクトル）を、のベク
トル同士を含む面内にのベクトル同士を軸として回転
移動させる。なお、この実施例では、面をＺ_MRI−Ｘ
_MRI（Ｚ−Ｘ）面とし、ベクトルをｖα₂とｖβ₂とし
てその面にこれらのベクトルを回転移動する。

【００３５】ここでの回転移動は、画像空間ベクトル
ｖαを例に採って説明すると、ｖα’＝Ａ・ｖα で表すことができる。但し、ここでＡは変換行列であ
り、次の数式１に示す行列で定義される。ここでφ，
ψ，θはオイラー角であり、それぞれ〔Ｚ軸回りの回転
角度を示す〕方位角（azimuth ）、〔φによって回転し
た後のＹ軸回りの回転角度を示す〕上昇角（elevation
）、〔φ，ψによって回転した後のＺ軸回りの回転角
度を示す〕ロール角（roll）である。

【００３６】

【数１】

【００３７】具体的には、まずｖα₁をＺ軸上に回転移
動する変換行列Ａ₁を求める。そのためには、ｖα₁’＝Ａ₁・ｖα₁ を解いて、オイラー角（φ₁，ψ₁，θ₁）を求めれば
よい。但し、ｖα₁’は、ｖα₁の大きさをもつＺ軸上
のベクトルｖα₁’＝（０，０，｜ｖα₁｜）である。
そして、この求めれたオイラー角（φ₁，ψ₁，θ₁）
を変換行列Ａに代入すれば、変換行列Ａ₁を算出するこ
とができる。そして、この変換行列Ａ₁でｖα₂，ｖα
₃にも回転移動を施せばよい。これによってベクトル群
ｖＣ₀中の〔ベクトルｖα₁，ｖα₂，ｖα₃の〕位置
関係を変えることなく回転移動を施すことができる。な
お、回転移動後の画像空間ベクトル群をｖＣ₀’（ｖα
₁’，ｖα₂’，ｖα₃’）とする。

【００３８】同様に、各実空間ベクトル群ｖＣ₁〜ｖＣ
₂₄のｖβ₁，ｖβ₂，ｖβ₃について、ｖβ₁’＝Ｂ₁・ｖβ₁ を解いて、オイラー角を求めればよい。但し、ｖβ₁’
は、ｖβ₁の大きさをもつＺ軸上のベクトルｖβ₁’＝
（０，０，｜ｖβ₁｜）である。これによって回転移動
を施せば、画像空間ベクトル群ｖＣ₀と実空間ベクトル
群ｖＣ₁の一組の対応するベクトル同士ｖα₁，ｖβ₁
を同一直線上（Ｚ軸上）に、それぞれの位置関係を変え
ることなく回転移動することができる。そして、残りの
各実空間ベクトル群ｖＣ₂〜ｖＣ₂₄についても同様の回
転移動を施す。

【００３９】次に、上記のの処理を行う。まず、ｖα
₂’がＺ−Ｘ平面上に位置するようにＺ軸回りに回転移
動を行う。そのためには、ｖα₂”＝Ａ₂・ｖα₂’ を解いて、方位角φ₂を求めればよい（この場合、Ｚ軸
回りの回転移動のみであるので、上昇角ψ₂，ロール角
θ₂はともに「０」である。）。但し、ｖα₂”は、ｖ
α₂’を（ｘ，ｙ，ｚ）とした場合、ｖα₂”＝（√
（ｘ²＋ｙ²），０，ｚ）である。そして、この方位角
φ₂を変換行列Ａに代入すれば、変換行列Ａ₂を求める
ことができる。さらにこの変換行列Ａ₂でｖα₃”にも
Ｚ軸回りの回転移動を施せばよい。以上の手順で画像空
間ベクトル群ｖＣ₀、実空間ベクトル群ｖＣ₁，ｖ
Ｃ₃，ｖＣ₂₄をノーマライズした後の画像空間ベクトル
群ｖＣ₀”、実空間ベクトル群ｖＣ₁”，ｖＣ₃”，ｖ
Ｃ₂₄”の模式図を図１３ないし図１６に示す。

【００４０】ノーマライズ後のステップＳ７において、
対応度を算出する。この対応度は、ノーマライズされた
画像空間ベクトル群ｖＣ₀”と各実空間ベクトル群ｖＣ
₁”〜ｖＣ₂₄”の対応するベクトル同士の差分（差分ベ
クトル群）を求め、各差分ベクトル群のそれぞれについ
てノルムを求め、実空間ベクトル群ごとの総和によって
求まる。この対応度の算出は、対応度算出部１５にて行
われる。

【００４１】まずは差分ベクトルを求める。差分ベクト
ルをｖγ_nで表すと、各実空間ベクトル群と画像空間ベ
クトル群との各差分ベクトル群は、実空間ベクトル群ｖＣ₁”の差分ベクトル群ｖＤ₁ ｖγ₁＝ｖβ₁”−ｖα₁” ｖγ₂＝ｖβ₂”−ｖα₁” ｖγ₃＝ｖβ₃”−ｖα₁” ……… 実空間ベクトル群ｖＣ₃”の差分ベクトル群ｖＤ₃ ｖγ₁＝ｖβ₁”−ｖα₁” ｖγ₂＝ｖβ₂”−ｖα₁” ｖγ₃＝ｖβ₃”−ｖα₁” ……… ……… 実空間ベクトル群ｖＣ₂₄”の差分ベクトル群ｖＤ₂₄ ｖγ₁＝ｖβ₁”−ｖα₁” ｖγ₂＝ｖβ₂”−ｖα₁” ｖγ₃＝ｖβ₃”−ｖα₁” のようにして算出する。以上のようにして算出された実
空間ベクトル群ｖＣ₁，ｖＣ₃，ｖＣ₂₄のそれぞれの差
分ベクトル群ｖＤ₁，ｖＤ₃，ｖＤ₂₄（図中の２点鎖
線）の模式図を図１７ないし図１９に示す。

【００４２】次に対応度をＦで表すと、実空間ベクトル
群ｖＣ₁〜ｖＣ₂₄の各対応度Ｆx （x:1,2,………,24 ）
は、以下のようにして算出される。対応度Ｆx ＝｜ｖγ₁｜＋｜ｖγ₂｜＋｜ｖγ₃｜この対応度Ｆx は、差分ベクトル群のノルム（ベクトル
の長さ）の合計であり、４個のマーカーによって形成さ
れる三角錐の相似性を示し、対応度Ｆｘが小さいほど相
似性が良いことを示す。そして、この対応度Ｆｘが最小
のものの実空間座標値群は、ステップＳ２での断層像上
に描出されている各マーカーの座標を画像空間座標値メ
モリ１１に記憶した順序に一致するものである。対応度
Ｆｘの最小値は、理想的には「０」であるが、実際には
ある大きさをもつ各マーカーＰ₁〜Ｐ₄を手術器具２の
先端部で指示するので、ある値をもつ。前出の差分ベク
トル群を示した模式図（図１７ないし図１９）は、理想
的な状態を示しているので、図１８の差分ベクトル群の
ノルムの総和は「０」となる。なお、図１８では画像空
間ベクトル群と実空間ベクトル群とがずれることなく重
複しているので、差分ベクトル群は図示していない。こ
の実施例では、対応度Ｆ₃が最小（「０」）となる。

【００４３】ステップＳ８では、変換値を算出する。こ
の変換値は、手術器具２の位置情報（実空間座標値，方
向）を画像空間座標値に変換するためのものであり、変
換値算出部１６によって算出される。この変換値は、ス
テップＳ７において、最小の対応度となった対応度Ｆ₃
の実空間ベクトル群ｖＣ₃に対応する実空間座標値群Ｃ
₃と画像空間座標値群Ｃ₀とに基づいて算出される。具
体的には、実空間座標値群Ｃ₃と画像空間座標値群Ｃ₀
とから３次元アフィン変換（３軸のそれぞれが直交して
いない座標系の座標値を、同じく３軸のそれぞれが直交
していない他の座標系に投影する）のための変換行列を
算出し、これを変換値とすればよい。なお、この変換値
の算出方法は、上述の特開平３−２６７０５４号公報に
詳述されているのでここでの詳細な説明は省略する。

【００４４】このように対応度に基づいて複数の実空間
座標値群Ｃ₁〜Ｃ₂₄の中から、ステップＳ２における各
マーカーＰ₁〜Ｐ₄の画像空間座標値メモリ１１への記
憶順序に一致する実空間座標値群Ｃ₃を選出するので、
キャリブレーション時に各マーカーを指示する順序を考
慮することなく、任意の順序で指示することができる。
したがって、キャリブレーション時の術者や操作者の負
担を軽減することができるともに正確にキャリブレーシ
ョンを行うことができる。

【００４５】上記のキャリブレーションを終えると、次
に手術を行う。術者は、手術器具２を被検体Ｍの関心部
位である頭部に差し入れる。このとき手術器具２の位置
情報（実空間座標値，方向）は、位置算出部９によって
算出され、順次に位置変換部２０に出力される。位置変
換部２０は、入力された位置情報を、キャリブレーショ
ンによって算出された変換値で変換する（変換位置情
報）。この変換位置情報は、画像メモリ２２に記憶され
ている断層像（画像データ）の座標系と同じ画像空間座
標値によって表されている。この変換位置情報は、画像
選択部２１と画像合成部２３に出力される。画像選択部
２１は、変換位置情報に応じた画像データを画像メモリ
２２から選択し、画像合成部２３は、選択された画像デ
ータ上の、変換位置情報の示す位置に手術器具２を示す
所定パターンを合成してモニタ２４に出力する。このと
き、選択された画像データによって構成された断層像Ｉ
₂と、手術器具２を示す所定パターンＰＴがモニタ２４
に表示された状態を図２０に示す。このように手術器具
２を示す所定パターンは、正確に算出された変換値によ
って変換された変換位置情報に基づいて表示されるの
で、手術器具２の位置は正確に断層像上に表示される。

【００４６】なお、この実施例では、最小の対応度をも
つ実空間座標値群に基づいて変換値を算出したが、各実
空間座標値群の座標値と対応度をモニタに表示し、これ
らを見て手術や操作者が実空間座標値群を選択するよう
にしてもよい。これによって例えば、４個のマーカーが
正三角錐を形成するように被検体に取り付けられた場合
に発生する不具合にも対処することができる。

【００４７】また、この実施例では、マーカーの個数に
応じた順列組合せの数だけ実空間座標値群を生成した
が、例えば、頭頂部や鼻根部などの間違う可能性の低い
マーカーについては、術者が直接対応付けするようにし
てもよい。すなわち、４個のマーカーを頭頂部、鼻根
部、両耳下部に取り付けた場合、両耳下部のように左右
取り違えてキャリブレーションを行うと思われるマーカ
ーだけを対象にする。すると２個のマーカーだけを対象
に対応付けをすればよいので、順列組合せの数は「２通
り」となり、結果としてベクトル演算などの演算処理が
軽減される。

【００４８】なお、この実施例では磁気ソース３ａおよ
び磁気センサ３ｂ等を用いて手術器具２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を多関節のアームの先端に取付け、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。

【００４９】また、この実施例では４個のマーカーを用
いているが、この発明では５個以上のマーカーを被検体
表面に取付け、その内の４個のマーカーを使用するよう
にしてもよい。その場合には、まず画像上に描出されて
いる全てのマーカーの画像空間上の位置（画像空間座標
値群）を取得する。次いで、それらの中から４個のマー
カーを選ぶ全ての順列組合せの数だけ新たに画像空間座
標値群を生成して画像空間座標値メモリに記憶する。次
に、手術に先立って被検体表面上の５個以上のマーカー
の内の、指示し易く、かつ、関心部位や手術経路をうま
く含む４個のマーカーを選び、各マーカーを指示して実
空間座標値群を実空間座標値メモリに記憶する。そし
て、実空間座標値群に対応する画像空間座標値群を画像
空間座標値メモリから検索して、これらに基づいて変換
値を算出するようにする。

【００５０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明によれば、マーカーの個数に応じた順列組合せの数だ
け実空間座標値群が生成され、これらのなかから画像空
間座標値記憶手段に記憶されたマーカーの記憶順序と一
致する実空間座標値群を対応度に基づいて選出するの
で、被検体の対表面に取り付けられた複数個のマーカー
の指示順序を考慮する必要がない。したがって、術者や
操作者のキャリブレーション時の負担を軽減することが
できる。さらに、複数個のマーカーの画像空間座標値と
実空間座標値の対応付けが確実に行われるので、正確に
キャリブレーションを行うことができる。結果、手術器
具の位置が正確に断層像上に重ね合わせられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る手術器具の位置表示装置の概略構
成を示す図である。

【図２】磁気ソースおよび磁気センサの説明図である。

【図３】断層像の収集およびキャリブレーションを示す
フローチャートである。

【図４】断層像の収集の説明に供する図である。

【図５】断層像の収集の説明に供する図である。

【図６】画像空間座標値メモリの内容を示す模式図であ
る。

【図７】実空間座標値メモリの内容を示す模式図であ
る。

【図８】実空間座標値メモリの内容を示す模式図であ
る。

【図９】画像空間座標値群から算出されるベクトル群を
示す模式図である。

【図１０】実空間座標値群から算出されるベクトル群を
示す模式図である。

【図１１】実空間座標値群から算出されるベクトル群を
示す模式図である。

【図１２】実空間座標値群から算出されるベクトル群を
示す模式図である。

【図１３】ノーマライズ後の画像空間ベクトル群を示す
模式図である。

【図１４】ノーマライズ後の実空間ベクトル群を示す模
式図である。

【図１５】ノーマライズ後の実空間ベクトル群を示す模
式図である。

【図１６】ノーマライズ後の実空間ベクトル群を示す模
式図である。

【図１７】差分ベクトル群を示す模式図である。

【図１８】差分ベクトル群を示す模式図である。

【図１９】差分ベクトル群を示す模式図である。

【図２０】術中における手術器具の位置表示を示す模式
図である。

【符号の説明】

２ … 手術器具８ … 画像処理コンピュータ９ … 位置算出部１０ … キャリブレーション部１１ … 画像空間座標値メモリ１２ … 実空間座標値メモリ１３ … ベクトル演算部１４ … ノーマライズ部１５ … 対応度算出部１６ … 変換値算出部２０ … 位置変換部２１ … 画像選択部２２ … 画像メモリ２３ … 画像合成部２４ … モニタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検体の体表面に取り付けた複数個のマ
ーカーとともに、断層像撮影装置の固有の画像空間座標
で、断層像の画像データを予め記憶する画像記憶手段
と、手術器具の位置情報（実空間座標値，方向）を順次
出力する位置検出手段と、手術に先立って前記位置検出
手段からの実空間座標値と前記画像記憶手段の断層像か
ら得られる画像空間座標値とに基づいて前記位置検出手
段からの位置情報を画像空間座標値に変換するための変
換値を算出する変換値算出手段と、術中に前記位置検出
手段からの位置情報を変換して出力する位置変換手段
と、前記位置変換手段からの変換位置情報に応じた画像
データを前記画像選択手段から選択する画像選択手段
と、前記選択された画像上の、術中の変換位置情報の示
す位置に、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を備えた手術器具の位
置表示装置において、（ａ）前記画像記憶手段に記憶さ
れている断層像の画像データから、複数個のマーカーの
画像空間座標値を任意の順序で記憶（画像空間座標値
群）する画像空間座標値記憶手段と、（ｂ）前記手術器
具の先端部で前記各マーカーを任意の順序で指示した際
に、前記位置検出手段から出力される位置情報の実空間
座標値を順次に記憶（実空間座標値群）するとともに、
マーカーの個数に応じて得られる順列組合せの数だけ前
記実空間座標値群の順序を並べ変えて、前記順序とは異
なる実空間座標値群を新たに記憶する実空間座標値記憶
手段と、（ｃ）前記画像空間座標値記憶手段に記憶され
ている画像空間座標値群の先頭の画像空間座標値から他
の画像空間座標値へのベクトル（画像空間ベクトル群）
を算出するとともに、前記実空間座標値記憶手段に記憶
されている各実空間座標値群のそれぞれの先頭の実空間
座標値から他の実空間座標値へのベクトル（実空間ベク
トル群）を算出するベクトル演算手段と、（ｄ）前記画
像空間ベクトル群の起点と前記各実空間ベクトル群のそ
れぞれの起点とを一致させるとともに、一組の対応する
ベクトル同士の方向を一致させ、かつ前記一組のベクト
ル同士とは異なる一組の対応するベクトル同士を前記ベ
クトルを含む面内に回転移動させる操作を含むノーマラ
イズを行うノーマライズ手段と、（ｅ）前記ノーマライ
ズされた画像空間ベクトル群と前記ノーマライズされた
各実空間ベクトル群との対応するベクトル同士の差分
（差分ベクトル群）を求め、前記各差分ベクトル群のそ
れぞれについてノルムの総和を対応度として算出する対
応度算出手段と、を備えるとともに、（ｆ）前記変換値
算出手段は、前記各対応度のうち最小の対応度をもつ実
空間ベクトル群に対応する実空間座標値群と前記画像空
間座標値群とに基づいて、変換値を算出することを特徴
とする手術器具の位置表示装置。