專利名稱：手術(shù)支持設(shè)備、方法及程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及手術(shù)支持設(shè)備、方法及程序，特別是涉及通過補正在手術(shù)前拍攝的手術(shù)部位的多個高精密斷層圖像，并將其顯示到顯示機構(gòu)中，從而支持動手術(shù)的手術(shù)支持設(shè)備和手術(shù)支持方法、以及將計算機用作所述手術(shù)支持設(shè)備的手術(shù)支持程序。
背景技術(shù)：
核磁共振計算機斷層拍攝法(也稱為MRIMagnetic Resonance Imaging、NMR-CTNuclear Magnetic Resonance-Computed Tomography)利用位于靜磁場內(nèi)的活體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)原子核的核磁共振現(xiàn)象，獲得活體的斷層圖像，沒有如X射線CT拍攝的放射線照射，不受骨的影響，具有能夠獲得任意方向的高精密的斷層圖像等的特長，用于手術(shù)、檢查等醫(yī)療的各種場合(另外，在下面將根據(jù)核磁共振計算機斷層拍攝法進行拍攝所獲得的斷層圖像稱為MRI圖像)。
對于比如腦神經(jīng)外科手術(shù)中的摘除對象的腦腫瘤，由于通過目視難以分辨腦腫瘤與正常部分的邊界，因此在腦神經(jīng)外科手術(shù)中，事先拍攝頭部的MRI圖像，并通過反復(fù)地比較實際的手術(shù)區(qū)域與頭部的MRI圖像，一邊判斷腦腫瘤和正常部分的邊界，一邊推進手術(shù)。另外，由于人的腦中具有在功能上重要的區(qū)域(功能區(qū)域eloquent area)(比如，運動區(qū)域、感覺區(qū)域、語言區(qū)域、視覺區(qū)域、聽覺區(qū)域等)，因此，事先調(diào)查各功能區(qū)域如何分布在哪個位置，并在手術(shù)中所參照的頭部的MRI圖像上，將各功能區(qū)域的分布情況作為地圖而顯示(也稱為functional mapping MRI)。
有關(guān)上面所述，在非專利文獻1中，公開了光學(xué)式手術(shù)引導(dǎo)裝置，該裝置的構(gòu)成實現(xiàn)在腦神經(jīng)外科的手術(shù)中，通過采用紅外光的位置檢測，借助共同的坐標(biāo)系，將在手術(shù)前拍攝的頭部的MRI圖像和手術(shù)區(qū)域的空間相互對應(yīng)的同時，檢測進行當(dāng)前手術(shù)操作的點的位置，并將進行當(dāng)前手術(shù)操作的點的位置顯示于MRI圖像上。
另外，在非專利文獻2中，公開了引導(dǎo)裝置，該裝置的構(gòu)成實現(xiàn)通過超聲波探針，在手術(shù)中拍攝超聲波斷層圖像的同時，通過紅外光檢測超聲波探針的位置，由此，將手術(shù)前拍攝的頭部的MRI圖像與在手術(shù)中拍攝的超聲波斷層圖像相互對應(yīng)，與非專利文獻1中記載的光學(xué)式手術(shù)引導(dǎo)裝置相同，在MRI圖像上顯示進行當(dāng)前手術(shù)操作的點。
此外，在專利文獻1中公開了下述的技術(shù)，其中，以光學(xué)式的位置檢測方式，檢測手術(shù)顯微鏡的位置和朝向，進行放大率、焦距的數(shù)據(jù)處理，并將在手術(shù)前拍攝的頭部的MRI圖像、腦血管圖像等的圖像信息與在手術(shù)中通過手術(shù)顯微鏡拍攝的實時圖像對位，并重疊顯示。
還有，在專利文獻2中公開了下述的技術(shù)，其中，將在手術(shù)前拍攝的高精密的MRI圖像(術(shù)前圖像)再次構(gòu)成3維圖像，根據(jù)與預(yù)測的變形有關(guān)的變形條件，對3維圖像進行變形，并作為變形數(shù)據(jù)而存儲；在手術(shù)中拍攝MRI圖像，將術(shù)前圖像中的相關(guān)區(qū)域的2維圖像再次構(gòu)成3維圖像，并與變形數(shù)據(jù)的類似性進行運算，選擇最適合的變形數(shù)據(jù)，對來自硬性鏡的被檢物體的圖像進行重疊顯示。
非專利文獻1Medtronic SNT、“StealthStation”、[online]、[平成16年3月2日檢索]、因特網(wǎng)＜URLhttp://www.stealthstation.com/physician/neuro/library/treon.jsp>
非專利文獻2Medtronic SNT、“SonoNav”、[online]、[平成16年3月2日檢索]、因特網(wǎng)＜URLhttp://www.stealthstation.com/physician/neuro/library/sononav.jsp>
專利文獻1日本專利特開2000-333971號公報專利文獻2日本專利特開2002-102249號公報

發(fā)明內(nèi)容
但是，由于在腦神經(jīng)外科的手術(shù)中，由手術(shù)中的操作導(dǎo)致腦變形，因此，即使參照在手術(shù)前拍攝的頭部的MRI圖像，仍難以高精度地判斷手術(shù)中的實際的腦的狀態(tài)(比如，腦腫瘤的位置、范圍等)。由于上述非專利文獻1、非專利文獻2和專利文獻1中記載的技術(shù)均不考慮由手術(shù)中的操作所引起的腦的變形，在手術(shù)前拍攝的MRI圖像中添加新的信息，或?qū)⒃谑中g(shù)前拍攝的MRI圖像與實時圖像進行對位并顯示，因此，雖然有助于手術(shù)，但是，不一定有助于提高手術(shù)的精度。
針對上述問題，比如在專利文獻2中記載的技術(shù)中，通過在手術(shù)中定期地進行MRI圖像的拍攝，并定期地更新在手術(shù)中參照的MRI圖像的方式解決。但是，為了實現(xiàn)上述技術(shù)，必須在手術(shù)室中設(shè)置MRI拍攝裝置，還必須采用由非磁性材料構(gòu)成的手術(shù)器材等，從而成本極高，限制也非常多，另外，還產(chǎn)生新的問題，即在進行MRI圖像的拍攝的期間，不得不中斷手術(shù)操作問題。另外，專利文獻2所述的技術(shù)還具有如下缺點當(dāng)手術(shù)中的手術(shù)部位的變形與事先預(yù)測的變形條件不同時，顯示圖像的精度降低。
本發(fā)明考慮上述實際情況而完成，本發(fā)明的目的在于得到手術(shù)支持設(shè)備、手術(shù)支持方法和手術(shù)支持程序，能夠以簡單的結(jié)構(gòu)，提示高精度地表示手術(shù)中的手術(shù)部位狀態(tài)的圖像。
本發(fā)明的第1形式中提供一種手術(shù)支持設(shè)備，該手術(shù)支持設(shè)備的構(gòu)成包括第1獲得機構(gòu)，用于在手術(shù)中，以光學(xué)方式測定手術(shù)部位的表面，獲得表示所述手術(shù)部位的表面的各點的3維位置的第1位置信息；第2獲得機構(gòu)，用于在手術(shù)中，通過超聲波測定所述手術(shù)部位的非露出部分，獲得表示所述手術(shù)部位的非露出部分的各點的3維位置的第2位置信息；補正機構(gòu)，用于根據(jù)所述第1獲得機構(gòu)所獲得的所述第1位置信息和所述第2獲得機構(gòu)所獲得的所述第2位置信息，利用根據(jù)在手術(shù)前拍攝的手術(shù)部位的多個高精密斷層圖像而形成的3維模型，推測所述手術(shù)部位的各點的位移和變形，補正所述多個高精密斷層圖像；顯示控制機構(gòu)，用于將所述補正機構(gòu)所補正的高精密斷層圖像顯示到顯示機構(gòu)中。
本發(fā)明的第2形式提供一種手術(shù)支持方法，該手術(shù)支持方法包括第1步驟，根據(jù)在手術(shù)前拍攝的手術(shù)部位的多個高精密斷層圖像，形成所述手術(shù)部位的3維模型；第2步驟，在手術(shù)中，以光學(xué)方式測定手術(shù)部位的表面，獲得表示所述手術(shù)部位的表面的各點的3維位置的第1位置信息，并在手術(shù)中，通過超聲波測定所述手術(shù)部位的非露出部分，獲得表示所述手術(shù)部位的非露出部分的各點的3維位置的第2位置信息；第3步驟，根據(jù)在所述第2步驟中獲得的第1位置信息和第2位置信息，利用在第1步驟中形成的3維模型，推測所述手術(shù)部位的各點的位移和變形，根據(jù)所推測的手術(shù)部位的各點的位移和變形，對在手術(shù)前拍攝的手術(shù)部位的多個高精密斷層圖像進行補正；第4步驟，將所述第3步驟中補正的高精密斷層圖像顯示到顯示機構(gòu)中。
本發(fā)明的第3形式提供一種手術(shù)支持程序，完成第1獲得機構(gòu)，在手術(shù)中，以光學(xué)方式測定手術(shù)部位的表面，獲得表示所述手術(shù)部位的表面的各點的3維位置的第1位置信息；第2獲得機構(gòu)，在手術(shù)中，通過超聲波測定所述手術(shù)部位的非露出部分，獲得表示所述手術(shù)部位的非露出部分的各點的3維位置的第2位置信息；補正機構(gòu)，根據(jù)所述第1獲得機構(gòu)所獲得的所述第1位置信息和所述第2獲得機構(gòu)所獲得的所述第2位置信息，利用根據(jù)在手術(shù)前拍攝的手術(shù)部位的多個高精密斷層圖像而形成的3維模型，推測所述手術(shù)部位的各點的位移和變形，根據(jù)所推測的手術(shù)部位的各點的位移和變形，補正所述多個高精密斷層圖像；顯示控制機構(gòu)，將所述補正機構(gòu)補正的高精密斷層圖像顯示到顯示機構(gòu)中。
按照本發(fā)明，在手術(shù)中，以光學(xué)方式測定手術(shù)部位的表面，獲得表示手術(shù)部位的表面的各點的3維位置的第1位置信息，并在手術(shù)中，通過超聲波測定手術(shù)部位的非露出部分，獲得表示手術(shù)部位的非露出部分的各點的3維位置的位置信息，根據(jù)第1位置信息和第2位置信息，利用基于在手術(shù)前拍攝的手術(shù)部位的多個高精密斷層圖像而形成的手術(shù)部位的3維模型，推測手術(shù)部位的各點的位移和變形，對多個高精密斷層圖像進行補正，將所補正的高精密斷層圖像顯示到顯示機構(gòu)中，由此，能夠獲得很好的效果，即，可以以簡單的構(gòu)成，實現(xiàn)提示高精度地表示的手術(shù)中的手術(shù)部位狀態(tài)的圖像。


圖1為表示手術(shù)支持設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)的方框圖；圖2A為安裝有3維形狀測定裝置和攝像機的手術(shù)顯微鏡的側(cè)視圖；圖2B為安裝有3維形狀測定裝置和攝像機的手術(shù)顯微鏡的底視圖；圖3A為表示3維形狀測定裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的斜視圖；圖3B為表示3維形狀測定裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的斜視圖；圖4A為說明MRI圖像的拍攝和由MRI圖像生成3維腦模型的形象化的比喻圖；圖4B為說明MRI圖像的攝影和由MRI圖像生成3維腦模型的形象化的比喻圖；圖4C為說明MRI圖像的攝影和由MRI圖像生成3維腦模型的形象化的比喻圖；圖5為表示通過計算機執(zhí)行的手術(shù)支持設(shè)備的MRI圖像顯示處理的內(nèi)容的流程圖；圖6A為說明根據(jù)腦表面的各點和相當(dāng)于腦的非露出部分的各特征點的3維坐標(biāo)，補正3維腦模型的形象化的比喻圖，為了容易觀看由MRI圖像生成的3維腦模型，以2維圖像簡化表示；圖6B為說明根據(jù)腦表面的各點和相當(dāng)于腦的非露出部分的各特征點的3維坐標(biāo)，補正3維腦模型的形象化的比喻圖，并表示根據(jù)腦表面的各點和相當(dāng)于腦的非露出部分的各特征點的3維坐標(biāo)，修正對應(yīng)節(jié)點的位置的三維腦模型；圖6C為說明根據(jù)腦表面的各點和相當(dāng)于腦的非露出部分的各特征點的3維坐標(biāo)，補正3維腦模型的形象化的比喻圖，表示通過有限元法，對位置未修正的節(jié)點位置進行推定運算并補正的3維腦模型，在右中括號中所表示的節(jié)點組為通過有限元法進行節(jié)點位置的推定運算的節(jié)點組。
具體實施例方式
下面參照附圖，具體對本發(fā)明的實施方式的一個例子進行描述。另外，在下面以用于支持摘除手術(shù)部位為腦的內(nèi)部所產(chǎn)生的腦腫瘤的手術(shù)的情況為例，說明本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于此。
圖1示出本實施方式的手術(shù)支持設(shè)備10。該手術(shù)支持設(shè)備10包括由個人計算機(PC)等構(gòu)成的計算機12。該計算機12包括CPU12A、ROM12B、RAM12C以及輸入/輸出端口12D，這些通過總線12E相互連接。另外，在輸入/輸出端口12D中分別連接有鍵盤14和鼠標(biāo)16，其用于用戶輸入任意的信息，或提供各種指示；顯示器18，其由LCD或CRT構(gòu)成，并可顯示任意的信息；硬盤驅(qū)動器(HDD)20和CD-ROM驅(qū)動器22。另外，顯示器18與本發(fā)明的顯示機構(gòu)相對應(yīng)。
在計算機12的HDD20中，預(yù)先安裝有用于形成后述的3維腦模型的3維模型生成程序，以及用于進行后述的MRI圖像顯示處理的MRI圖像顯示程序。
將3維模型生成程序和MRI圖像顯示程序安裝(移入)到計算機12的方法有幾種，比如，將3維模型生成程序和MRI圖像顯示程序，與安裝程序一起記錄到CD-ROM中，然后將該CD-ROM置于計算機12的CD-ROM驅(qū)動器22中，并指示CPU12A執(zhí)行上述安裝程序，則CPU12A從CD-ROM中依次讀出3維模型生成程序和MRI圖像顯示程序，依次寫入HDD20中，并根據(jù)需要進行各種設(shè)定，由此，進行3維模型生成程序和MRI圖像顯示程序的安裝。
另外，在計算機12中的輸入/輸出端口12D中分別連接有MRI拍攝裝置24，可通過核磁共振計算機斷層拍攝法，拍攝任意方向的活體的高精密的斷層圖像(MRI圖像)；3維形狀測定裝置30和攝像機32，它們安裝在手術(shù)顯微鏡26上；超聲波斷層拍攝裝置34，可拍攝活體的超聲波斷層圖像。MRI拍攝裝置24為在手術(shù)前拍攝本發(fā)明的“手術(shù)部位的多個高精密斷層圖像”的拍攝裝置，該裝置設(shè)置在MRI拍攝室中，MRI拍攝室的設(shè)置獨立于進行手術(shù)的手術(shù)室。另外，當(dāng)計算機12進行后述的MRI圖像顯示處理時，由于從MRI拍攝裝置24獲得在手術(shù)前通過MRI拍攝裝置24所拍攝的MRI圖像的數(shù)據(jù)即可，故計算機12也可以不與MRI拍攝裝置24連接，可通過比如CD-R或CD-RW、MO、ZIP、DVD-R、DVD-RW等各種記錄媒體中的任意一個，將MRI圖像的數(shù)據(jù)從MRI拍攝裝置24傳送到計算機12。
另一方面，手術(shù)顯微鏡26的結(jié)構(gòu)中包括圖2所示的顯微鏡部分38，在該顯微鏡部分38上，安裝有物鏡40和目鏡42，物鏡40朝向顯微鏡部分38的下側(cè)(圖2(A)的下側(cè))，目鏡42從顯微鏡部分38的側(cè)面向斜上方突出地設(shè)置。另外，物鏡40具體為由多個透鏡構(gòu)成的變焦透鏡(可改變焦距的透鏡)。另外，在物鏡40和目鏡42之間，設(shè)置有將射入物鏡40的光導(dǎo)向目鏡42的棱鏡等光學(xué)部件，但該棱鏡等光學(xué)部件沒有圖示。從而，由通過兩眼看目鏡42的手術(shù)人員，能夠視覺辨認(立體觀看)由物鏡40和目鏡42形成的拍攝對象的光學(xué)影像。此外，在物鏡40和目鏡42之間，設(shè)置有調(diào)焦機構(gòu)，手術(shù)人員通過操作腳踏開關(guān)或安裝在顯微鏡部分38的鏡筒附近的開關(guān)，可調(diào)節(jié)拍攝對象的光學(xué)影像的焦距和變焦倍數(shù)。
手術(shù)顯微鏡26包括固定在手術(shù)室內(nèi)的規(guī)定位置的基體部分，基體部分上以可旋轉(zhuǎn)的方式連接有臂44的一端，該臂44由多根桿的端部之間以可旋轉(zhuǎn)的方式連接而成，顯微鏡部分38以可旋轉(zhuǎn)的方式連接在臂44的另一端(前端)(在圖2中，僅示出臂44的一端)。在顯微鏡部分38的側(cè)面，安裝有操作用的持握部分46。手術(shù)人員持握該持握部分46移動顯微鏡部分38，從而使臂44的各連接部(關(guān)節(jié))旋轉(zhuǎn)，可以將顯微鏡部分38移向所需位置，或朝向所需的方向，手術(shù)人員可將所需的范圍通過光學(xué)影像辨認。
另外，在顯微鏡部分38的底面安裝有測定/拍攝組件48，該測定/拍攝組件48由3維形狀測定裝置30和攝像機32成為一體而形成的。測定/拍攝組件48的機殼呈箱形，攝像機32以能夠?qū)︼@微鏡部分38的下方側(cè)進行拍攝的方式安裝在測定/拍攝組件48的機殼上。另外，在測定/拍攝組件48的機殼的底面，設(shè)有矩形的開口，該開口由光透射性的蓋50關(guān)閉，3維形狀測定裝置30安裝在與測定/拍攝組件48的機殼內(nèi)部的蓋50(開口)相對應(yīng)的位置。
如圖3所示，3維形狀測定裝置30包括架設(shè)在一對導(dǎo)軌(rail)54之間的活動基座56。在活動基座56中螺合有滾珠絲杠60，該滾珠絲杠60通過與導(dǎo)軌54平行地延伸設(shè)置的馬達58而旋轉(zhuǎn)，伴隨滾珠絲杠60的旋轉(zhuǎn)，活動基座56沿導(dǎo)軌54滑動。另外，在活動基座56上安裝有包括激光光源的發(fā)光部分62，在發(fā)光部分62的激光(送出激光)射出側(cè)，依次設(shè)置有電流計反射鏡66和安裝在活動基座56上的反射鏡64，其中，電流計反射鏡66伴隨安裝在馬達72的旋轉(zhuǎn)軸上的馬達72的驅(qū)動改變朝向。從發(fā)光部分62射出的送出激光通過反射鏡64、電流計反射鏡66反射，透過蓋50，向測定/拍攝組件48的機殼之外射出。
然后，向測定/拍攝組件48的機殼之外射出的送出激光通過照射對象(比如，手術(shù)部位的腦的表面)反射，形成返回激光，通過蓋50，射入反射鏡67中。反射鏡67以與電流計反射鏡66相同的朝向安裝在馬達72的旋轉(zhuǎn)軸上，以伴隨馬達72的驅(qū)動能夠改變朝向。在反射鏡67的返回激光射出側(cè)，依次設(shè)置反射鏡68、透鏡69、由多個光電轉(zhuǎn)換元件排成一列所構(gòu)成的線形傳感器70，射入到反射鏡67中的返回激光通過反射鏡67、68反射，透過透鏡69，在線形傳感器70中接收返回激光。線形傳感器70的輸出信號通過放大器、A/D轉(zhuǎn)換器，輸入到3維形狀測定裝置30的控制器中(均未圖示)。該控制器中，連接有檢測活動基座56的位置的位置傳感器、檢測電流計反射鏡66(和反射鏡67)的朝向的角度傳感器。
該控制器根據(jù)經(jīng)過從線形傳感器70到放大器、A/D轉(zhuǎn)換器而輸入的接收光數(shù)據(jù)，判斷由線形傳感器70中的哪個光電轉(zhuǎn)換元件接收激光，并根據(jù)在線形傳感器70上的接收激光的光電轉(zhuǎn)換元件的位置、由傳感器所檢測到的活動基座56的位置以及電流計反射鏡66的朝向，通過三角測量法檢測(運算)被照射對象上的激光照射位置的3維坐標(biāo)(具體的說，以測定/拍攝組件48的機殼的位置為基準(zhǔn)而設(shè)定的3維坐標(biāo)系(稱為“機殼坐標(biāo)系”)中的3維坐標(biāo))。另外，該控制器中分別連接有馬達72、58，控制器驅(qū)動馬達72，改變電流計反射鏡66(和反射鏡67)的朝向，由此，沿著與馬達72的旋轉(zhuǎn)軸的軸線相垂直的方向，移動被照射對象上的激光照射位置(主掃描)的同時，通過移動馬達58移動活動基座56，由此，沿著與導(dǎo)軌54平行的方向，移動被照射對象上的激光照射位置(副掃描)。
從而，被照射對象的表面形狀(被照射對象的表面的各部位的3維坐標(biāo))的整個面，由3維形狀測定裝置30測定。當(dāng)計算機12發(fā)出指示時，3維形狀測定裝置30進行被照射對象的表面形狀的測定，并將表示通過測定所得到的被照射對象的表面的各部位的3維坐標(biāo)的數(shù)據(jù)(在下面將該數(shù)據(jù)稱為“表面測定數(shù)據(jù)”)輸出給計算機12。在此，表面測定數(shù)據(jù)與本發(fā)明的第1位置信息相對應(yīng)，導(dǎo)軌54、活動基座56、馬達58、滾珠絲杠60、發(fā)光部分62、反射鏡64、電流計反射鏡66和馬達72與權(quán)利要求2所述的掃描儀相對應(yīng)，反射鏡67、68、透鏡69、線形傳感器70和馬達72分別與權(quán)利要求2所述的檢測機構(gòu)相對應(yīng)。另外，攝像機32的位置和朝向已調(diào)節(jié)好，以拍攝與3維形狀測定裝置30的測定范圍相同的范圍。
此外，如圖1所示，在超聲波斷層拍攝裝置34中，連接有探針36，探針36發(fā)送超聲波，并接收通過任意的物體所反射的超聲波。超聲波斷層拍攝裝置34由探針36接收超聲波，并將由探針36輸入的信號變換為超聲波斷層圖像，并輸出給計算機12。另外，為了檢測探針36的位置和朝向，在該探針36的前端部和后端部貼上由光反射率高的材料構(gòu)成的標(biāo)志36A。如后述，當(dāng)超聲波斷層拍攝裝置34進行超聲波斷層圖像的拍攝時，由3維形狀測定裝置30測定貼在探針36上的標(biāo)志36A的3維坐標(biāo)。
下面對本實施方式的作用進行描述。在本實施方式中，在進行摘除腦腫瘤的手術(shù)時，首先，在MRI拍攝室中通過MRI拍攝裝置24事先拍攝患者(手術(shù)對象者)的頭部的MRI圖像。在拍攝MRI圖像時，如圖4B所示，根據(jù)事先對患者的頭部所確定的皮膚切開線(表示切開頭皮的位置的線)，在患者的頭部中對應(yīng)于手術(shù)切開范圍的周邊的位置中，貼3個或更多的術(shù)前標(biāo)志80，該術(shù)前標(biāo)志80由在MRI圖像上映現(xiàn)的材料構(gòu)成。該術(shù)前標(biāo)志80對應(yīng)于權(quán)利要求8所述的第1標(biāo)志，例如，可采用直徑大小為5mm程度的、白色的球狀的標(biāo)志。另外，圖4B所示的開顱范圍指，在手術(shù)時切除頭蓋骨的范圍。
另外，作為例子，如圖4A所示，在患者的頭部中，針對以一定間隔(比如，1mm程度)設(shè)定的多個斷面，由MRI拍攝裝置24拍攝每個斷面的MRI圖像。由此，獲得高精密地顯示所設(shè)定的各斷面的多個MRI圖像(手術(shù)部位的多個高精密斷層圖像)。另外，通過拍攝所獲得的多個MRI圖像的一部分中，還照入術(shù)前標(biāo)志80。而且，對于貼在患者頭部上的術(shù)前標(biāo)志80，不改變貼附位置并保留，直至手術(shù)。另外，MRI拍攝裝置24所拍攝的多個MRI圖像與本發(fā)明的多個高精度斷層圖像(權(quán)利要求6所述的MRI圖像)相對應(yīng)。
通過上述拍攝所獲得的多個MRI圖像的數(shù)據(jù)，從MRI拍攝裝置24輸入到計算機12中，并存儲到HDD20中。然后，通過計算機12形成患者的腦的3維模型(3維腦模型)。具體的說，首先，在輸入的數(shù)據(jù)所表示的多個MRI圖像中，選擇包括3個術(shù)前標(biāo)志80中的至少1個術(shù)前標(biāo)志的全部MRI圖像，設(shè)定以所選擇的MRI圖像上的3個術(shù)前標(biāo)志80的位置為基準(zhǔn)(比如，將3個術(shù)前標(biāo)志80中的任意一個術(shù)前表示作為原點)的3維坐標(biāo)系(以下稱為MRI坐標(biāo)系)。然后，從多個MRI圖像中，分別抽取相當(dāng)于患者的腦中的圖像區(qū)域，并對于從多個MRI圖像中所抽取的圖像區(qū)域，設(shè)定多個位于腦的表面或內(nèi)部且容易判斷的MRI圖像、表面測定數(shù)據(jù)、超聲波斷層圖像上的特征點(還包括與腦溝、腦回、動脈、靜脈等腦的特征部分相對應(yīng)的點、相當(dāng)于腦腫瘤和正常部分之間的邊界的點)，求出各特征點在MRI坐標(biāo)系中的3維坐標(biāo)，同時將各特征點在MRI坐標(biāo)系中的3維坐標(biāo)和各特征點在MRI圖像上的位置存儲到HDD20等中。
接著，在所設(shè)定的多個特征點中，將位于腦的表面的特征點(節(jié)點)通過邊連接，并將通過邊所包圍的部分視為平面，由此，形成表示腦的外緣的立體模型的同時，將位于腦的內(nèi)部的特征點(節(jié)點)也通過邊連接，并將通過邊所包圍的部分視為平面，由此，將表示腦的外緣的立體模型分為多個立體元素。這樣，如圖4C所示，根據(jù)患者頭部的多個MRI圖像，可以形成用多個立體元素的集合表示的患者的腦的3維模型。然后，計算機12根據(jù)MRI坐標(biāo)系中的各特征點(各節(jié)點)的3維坐標(biāo)，調(diào)整3維腦模型的節(jié)點的疏密，如果在3維腦模型中存在節(jié)點間距大(密度低)的區(qū)域，則通過在該區(qū)域中添加節(jié)點，平均化構(gòu)成3維腦模型的各立體元素的尺寸。然后，計算機12將所形成的3維腦模型的數(shù)據(jù)存儲到HDD20中。
在此，也可以通過與計算機12不同的其它計算機形成所述3維腦模型，并將所形成的3維腦模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給計算機12。
在上述MRI圖像的拍攝和3維腦模型的形成完成之后，進行摘除腦腫瘤的手術(shù)，但是，在該手術(shù)開始時，由手術(shù)人員指示計算機12啟動MRI圖像顯示程序，由此，在手術(shù)中，通過計算機12進行MRI圖像顯示處理。下面參照圖5所示的流程圖，對該MRI圖像顯示處理進行說明。
在步驟100中，判定患者的開顱手術(shù)是否完成，在判定為“是”之前，反復(fù)進行步驟100。在腦腫瘤摘除手術(shù)中，首先，切開患者的頭皮，使頭蓋骨露出，然后，在所露出的頭蓋骨中，切除事先所確定的開顱范圍的部分，由此，進行使手術(shù)部位的腦露出的開顱手術(shù)。當(dāng)開顱手術(shù)結(jié)束，并由手術(shù)人員通過鍵盤14輸入表示開顱手術(shù)完成的信息時，步驟100的判定結(jié)果為“是”，并轉(zhuǎn)到步驟102，通過在顯示器18中顯示消息等方式，要求手術(shù)人員設(shè)置術(shù)中標(biāo)志。然后，在下一步驟104中，判定是否完成術(shù)中標(biāo)志的設(shè)置，在判定結(jié)果為“是”之前，反復(fù)進行步驟104。
當(dāng)要求設(shè)置術(shù)中標(biāo)志時，作為實例如圖4B所示，手術(shù)人員在通過開顱手術(shù)切除頭蓋骨的一部分所形成的骨窗附近的頭蓋骨上，設(shè)置3個或3個以上的術(shù)中標(biāo)志82。在此，術(shù)中標(biāo)志82，比如與前述的術(shù)前標(biāo)志80相同，可以采用直徑為5mm程度大小的、白色的球狀的標(biāo)志。當(dāng)結(jié)束術(shù)中標(biāo)志82的設(shè)置時，手術(shù)人員移動開顱手術(shù)期間設(shè)置在不妨礙開顱手術(shù)的位置上的手術(shù)顯微鏡26的顯微鏡部38，讓通過開顱手術(shù)所露出的腦，進入手術(shù)顯微鏡26的物鏡40和目鏡42形成光學(xué)像的視野范圍內(nèi)的位置之后(隨著該顯微鏡部38的移動，所露出的腦、術(shù)中標(biāo)志82、術(shù)前標(biāo)志80進入3維形狀測定裝置30的測定范圍內(nèi)和攝像機32的拍攝范圍內(nèi))，通過鍵盤14輸入表示術(shù)中標(biāo)志82的設(shè)置完成的信息。
由此，步驟104的判定結(jié)果為“是”，在下一步驟106以后，進行求出坐標(biāo)變換式的變換處理，其中，坐標(biāo)變換式用于將機殼坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值變換為MRI坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。即，首先，在步驟106中，將表示當(dāng)前狀態(tài)為“測定中”的消息顯示到顯示器18中，由此，中斷手術(shù)操作。然后，在步驟108中，指示3維形狀測定裝置30測定表面形狀的同時，指示攝像機32拍攝腦的表面。由此，在3維形狀測定裝置30中，通過改變電流計反射鏡66(和反射鏡67)的朝向的同時移動活動基座56，反復(fù)向包括腦的表面的患者頭部射出送出激光，并根據(jù)在線形傳感器70上接收通過患者頭部所反射的返回激光的位置，檢測(運算)激光照射位置的3維坐標(biāo)，由此，進行經(jīng)過開顱手術(shù)的患者頭部的表面形狀(包括腦的表面的頭部各部位的3維坐標(biāo))的測定。而攝像機32分別對腦的表面進行拍攝。上述3維形狀測定裝置30的表面形狀的測定和攝像機32的拍攝在20秒程度的時間內(nèi)完成。
在步驟110中，從3維形狀測定裝置30中獲取表面測定數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是3維形狀測定裝置30測定經(jīng)過開顱手術(shù)的患者頭部的表面形狀所得到的，同時從攝像機32中獲取攝像機32所拍攝得到的圖像數(shù)據(jù)。在步驟112中，從3維形狀測定裝置30中所獲取的表面測定數(shù)據(jù)中，抽取與各術(shù)前標(biāo)志80和各術(shù)中標(biāo)志82對應(yīng)的數(shù)據(jù)(術(shù)前標(biāo)志80和術(shù)中標(biāo)志82，由3維形狀測定裝置30作為球狀的物體而檢測)，并根據(jù)所抽取的數(shù)據(jù)，通過運算求出各術(shù)前標(biāo)志80和各術(shù)中標(biāo)志82的中心的3維坐標(biāo)。
另外，由于術(shù)前標(biāo)志80和術(shù)中標(biāo)志82，在攝像機32拍攝所獲得的拍攝圖像中以圓形的圖像部存在，因此，通過將從表面測定數(shù)據(jù)中所抽取的數(shù)據(jù)所表示的各術(shù)前標(biāo)志80、各術(shù)中標(biāo)志82所對應(yīng)的球狀物體的中心，與存在于拍攝圖像中的各術(shù)前標(biāo)志80、各術(shù)中標(biāo)志82所對應(yīng)的圓形圖像部的中心重合，由此能夠重合表面測定數(shù)據(jù)和拍攝圖像。而且，也可以在開顱手術(shù)之前(在設(shè)置術(shù)中標(biāo)志82之前)，先求出各術(shù)前標(biāo)志80的3維坐標(biāo)，通過比較在步驟112中運算的各術(shù)前標(biāo)志80的3維坐標(biāo)所表示的各術(shù)前標(biāo)志80的位置關(guān)系(術(shù)前標(biāo)志80的間隔)和在開顱手術(shù)之前所求出的各術(shù)前標(biāo)志80的位置關(guān)系，檢查術(shù)前標(biāo)志80的位置是否隨著開顱手術(shù)變化，并根據(jù)需要，修正術(shù)前標(biāo)志80的位置、再導(dǎo)出術(shù)前標(biāo)志80和術(shù)中標(biāo)志82的3維坐標(biāo)。
在步驟112中運算的各術(shù)前標(biāo)志80和各術(shù)中標(biāo)志82的3維坐標(biāo)為機殼坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，但是，由于各術(shù)前標(biāo)志80在MRI坐標(biāo)系中的3維坐標(biāo)值是已知的，因此，在下一步驟114中，根據(jù)步驟112中運算的各術(shù)前標(biāo)志80和各術(shù)中標(biāo)志82的3維坐標(biāo)值所表示的術(shù)前標(biāo)志組和術(shù)中標(biāo)志組的位置關(guān)系、以及各術(shù)前標(biāo)志80在MRI坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，以術(shù)中標(biāo)志82的位置為基準(zhǔn)，導(dǎo)出將機殼坐標(biāo)系中的3維坐標(biāo)值變換為MRI坐標(biāo)系中的3維坐標(biāo)值的坐標(biāo)變換式，并將所導(dǎo)出的坐標(biāo)變換式存儲于HDD20中。由此，完成變換處理。
在本實施方式中，由于將術(shù)前標(biāo)志80設(shè)置在患者頭部的頭皮上，因此，術(shù)前標(biāo)志80的位置隨著手術(shù)的進行而有可能變化，但是，由于術(shù)中標(biāo)志82設(shè)置在骨窗附近的頭蓋骨上，因此術(shù)中標(biāo)志82的位置在手術(shù)過程中不變化。另外，在本實施方式中，如上所述，由于以術(shù)中標(biāo)志82的位置為基準(zhǔn)，導(dǎo)出將機殼坐標(biāo)系中的3維坐標(biāo)值變換為MRI坐標(biāo)系中的3維坐標(biāo)值的坐標(biāo)變換式，因此，可通過采用所述坐標(biāo)變換式，即使術(shù)前標(biāo)志80的位置隨著手術(shù)的進行而發(fā)生變化，也不受到影響，可以以術(shù)中標(biāo)志82的位置為基準(zhǔn)，能夠以良好的精度將機殼坐標(biāo)系中的3維坐標(biāo)值變換為MRI坐標(biāo)系(以當(dāng)初的術(shù)前標(biāo)志80的位置為基準(zhǔn)而設(shè)定的MRI坐標(biāo)系)中的3維坐標(biāo)值，并能夠以良好的精度進行3維腦模型(以及MRI圖像)和第1位置信息(表面測定數(shù)據(jù))以及第2位置信息(非露出部分數(shù)據(jù)具體內(nèi)容在后面描述)之間的位置對應(yīng)。
另外，以術(shù)中標(biāo)志82的位置為基準(zhǔn)，將機殼坐標(biāo)系中的3維坐標(biāo)值變換為MRI坐標(biāo)系中的3維坐標(biāo)值，從而，在3維形狀測定裝置30的后續(xù)測定和攝像機32的后續(xù)拍攝中，不必將設(shè)置在相對開顱手術(shù)范圍(骨窗)距離較大的位置的術(shù)前標(biāo)志80加入到3維形狀測定裝置30的測定范圍內(nèi)和攝像機32的拍攝范圍內(nèi)。由此，可以在顯微鏡部38(3維形狀測定裝置30和攝像機32)接近于手術(shù)部位的腦的情況下，進行3維形狀測定裝置30的測定和攝像機32的拍攝，因此，還可以提高3維形狀測定裝置30的測定和攝像機32的拍攝的精度。
在下一步驟116中，刪除顯示器18中所顯示的“測定中”的消息的同時，從HDD20中讀取在手術(shù)前所拍攝的MRI圖像的數(shù)據(jù)，并根據(jù)所讀取的數(shù)據(jù)，在顯示器18中顯示MRI圖像(患者腦的高精密的斷層圖像)。通過參照顯示器18中所顯示的上述MRI圖像，手術(shù)人員可以在開顱手術(shù)結(jié)束后的階段中，正確地判斷摘除對象為腦腫瘤的位置等。在此，也可以設(shè)置用于顯示MRI圖像的專用的高精密的顯示器，并在該高精密顯示器中顯示MRI圖像。另外，在顯示器18中不僅只顯示MRI圖像，而且也可以運算手術(shù)顯微鏡26的物鏡40和目鏡42形成光學(xué)影像的視野范圍的中心對應(yīng)于MRI圖像上的哪個位置，并通過在MRI圖像上的所運算得到的位置中顯示比如閃爍的標(biāo)志等方式，在MRI圖像上明示手術(shù)人員所關(guān)注的部位。
另外，在如上所述的開顱手術(shù)完成之后的階段中，并不限于顯示在手術(shù)之前所拍攝的MRI圖像(未補正的MRI圖像)的情況，可以考慮因開顱手術(shù)所產(chǎn)生的腦位移、變形的可能性，即使在開顱手術(shù)完成之后的階段，也可以顯示經(jīng)過后述的步驟122～步驟150的處理而補正的MRI圖像，也可以在開顱手術(shù)完成之后的階段，可以由手術(shù)人員選擇是顯示未補正的MRI圖像，還是顯示已補正的MRI圖像。
在下一步驟118中，判定是否到需要更新顯示器18中所顯示的MRI圖像的時刻。該判定可以通過判斷MRI圖像的顯示開始之后(或在上次進行MRI圖像的更新之后)，是否經(jīng)過一定時間的方式進行，還可以通過判斷手術(shù)人員是否指示MRI圖像的更新的方式進行。如果步驟118中判定結(jié)果為“否”，則轉(zhuǎn)到步驟120，判斷手術(shù)是否結(jié)束。該判定可以通過判斷表示手術(shù)結(jié)束的信息是否通過鍵盤14由手術(shù)人員輸入的方式進行。如果該判定結(jié)果也為“否”，則返回到步驟118，在上述任一判定結(jié)果為“是”之前，反復(fù)進行步驟118、120。
如上所述，如果代替“測定中”的消息，在顯示器18中顯示MRI圖像，則手術(shù)人員開始腦腫瘤摘除手術(shù)中的開顱手術(shù)之后的手術(shù)操作，在該手術(shù)操作中包括，比如通過手術(shù)工具(へラ)按壓腦，切開或切除腦的一部分等的操作。然而，對腦進行這樣的操作時，由于腦的各部分產(chǎn)生位移、變形，因此，實際的腦的狀態(tài)(各部分的位置、形狀)與顯示器18中所顯示的MRI圖像所表示的腦的狀態(tài)變?yōu)椴煌?，即使參照顯示器18中所顯示的MRI圖像，手術(shù)人員仍難以以良好的精度判斷摘除對象的腦腫瘤的位置、范圍等。由此，在MRI圖像顯示處理中，如果MRI圖像的顯示開始之后(或上次進行MRI圖像的更新之后)經(jīng)過一定時間，或由手術(shù)人員通過鍵盤14輸入指示更新MRI圖像的信息，則步驟120的判定結(jié)果為“是”，然后轉(zhuǎn)到步驟122，在步驟122之后，對顯示器18中所顯示的MRI圖像進行補正、更新的處理。
即，首先，在步驟122中，將表示當(dāng)前狀態(tài)為“測定中”的消息顯示到顯示器18中，中斷手術(shù)操作。然后，在步驟124中，指示3維形狀測定裝置30測量表面形狀的同時，指示攝像機32拍攝腦的表面。由此，在3維形狀測定裝置30中，通過改變電流計反射鏡66(和反射鏡67)的朝向的同時移動活動基座56，反復(fù)進行向包括腦的表面的患者頭部射出送出激光，并根據(jù)在線形傳感器70上接收患者的頭部所反射的返回激光的位置，檢測(運算)激光的照射位置的3維坐標(biāo)的操作，從而，進行經(jīng)過開顱手術(shù)的患者頭部的表面形狀(頭部的各部位的3維坐標(biāo))的測定。另外，攝像機32分別對腦的表面進行拍攝。上述3維形狀測定裝置30的表面形狀的測定和攝像機32的拍攝在20秒程度的時間內(nèi)完成。
另外，在腦腫瘤摘除手術(shù)等中，手術(shù)人員持握持握部46移動手術(shù)顯微鏡26中的顯微鏡部38，并通過手術(shù)顯微鏡26視覺辨認進行手術(shù)操作的部分，進行該手術(shù)，而由于3維形狀測定裝置30和攝像機32安裝在該手術(shù)顯微鏡26上，因此，在3維形狀測定裝置30進行表面形狀的測定，或者攝像機32進行拍攝時，不必重新調(diào)整表面形狀的測定范圍和拍攝范圍，3維形狀測定裝置30可以僅僅通過測定機殼坐標(biāo)系中的一定范圍內(nèi)的表面形狀，就可以測定包括腦的表面、術(shù)中標(biāo)志82的測定范圍內(nèi)的表面形狀，同樣對于攝像機32，也可以僅僅通過對一定拍攝范圍進行拍攝，就可以拍攝到包括腦的表面、術(shù)中標(biāo)志82的拍攝范圍。
在步驟126中，從3維形狀測定裝置30中獲取通過3維形狀測定裝置30的測定所得到的表面測定數(shù)據(jù)的同時，從攝像機32中獲取通過攝像機32進行拍攝所得到的圖像數(shù)據(jù)。在步驟128中，從3維形狀測定裝置30中所獲取的表面測定數(shù)據(jù)中，分別抽取與各術(shù)中標(biāo)志82對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)所抽取的數(shù)據(jù)，通過運算分別求出各術(shù)中標(biāo)志82的中心的3維坐標(biāo)。在步驟130中，從HDD20中讀取在先步驟114中所導(dǎo)出的坐標(biāo)變換式，并利用所讀取的坐標(biāo)變換式，以在步驟128中所求出的3維坐標(biāo)所表示的各術(shù)中標(biāo)志82的位置為基準(zhǔn)，將表面測定數(shù)據(jù)所表示的腦表面的各點的3維坐標(biāo)(機殼坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值)，分別變換為MRI圖像系統(tǒng)中的3維坐標(biāo)值，并將坐標(biāo)變換后的表面測定數(shù)據(jù)存儲到HDD20中。由此，第1位置信息(表面測定數(shù)據(jù))和3維腦模型(以及MRI圖像)之間的位置對應(yīng)完成。
在步驟132中，將要求手術(shù)人員進行超聲波斷層圖像的拍攝的消息顯示到顯示器18中，由此，采用超聲波斷層拍攝裝置34拍攝腦的超聲波斷層圖像的同時，指示3維形狀測定裝置30進行表面形狀的測定。由此，手術(shù)人員持握探針36，將探針36的前端朝向患者的腦的狀態(tài)下，指示超聲波斷層拍攝裝置34進行超聲波斷層圖像的拍攝。
超聲波斷層拍攝裝置34收到拍攝超聲波斷層圖像的指示時，在沿著一定方向改變探針36的前端發(fā)送超聲波的方向的同時，反復(fù)進行從探針36的前端發(fā)送超聲波，根據(jù)由任意物體反射而由探針36所接收的超聲波，將探針36所輸出的電信號變換為數(shù)字數(shù)據(jù)，并存儲到存儲器等的操作，然后，通過重新排列存儲器等中存儲的數(shù)據(jù)，形成表示與上述一定方向平行的斷面的腦的超聲波斷層圖像的數(shù)據(jù)。而且，手術(shù)人員在向著與上述一定方向大致垂直的方向，每次以基本一定的距離，移動探針36的同時，反復(fù)進行指示超聲波斷層拍攝裝置34拍攝超聲波斷層圖像的操作。
由此，對患者的腦，可以分別拍攝以基本一定的距離間隔的多個斷面所對應(yīng)的多個超聲波斷層圖像。其中，多個超聲波斷層圖像的拍攝在3分鐘程度的時間內(nèi)完成。而且，在拍攝如上所述的各斷面所對應(yīng)的超聲波斷層圖像的期間，繼續(xù)由3維形狀測定裝置30測定表面形狀，由此，可以反復(fù)地測出探針36的位置(貼在探針36上的標(biāo)志36A的3維坐標(biāo))和術(shù)中標(biāo)志82的位置。
在步驟134中，從超聲波斷層拍攝裝置34中分別獲取由超聲波斷層拍攝裝置34所拍攝的多個超聲波斷層圖像的數(shù)據(jù)的同時，從3維形狀測定裝置30中獲取通過3維形狀測定裝置30的測定所得到的表面測定數(shù)據(jù)。在步驟136中，從3維形狀測定裝置30中所獲取的表面形狀測定數(shù)據(jù)中，分別抽取與拍攝各超聲波斷層圖像時的探針36的各標(biāo)志36A對應(yīng)的數(shù)據(jù)，以及獲取與各術(shù)中標(biāo)志82對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)所抽取的數(shù)據(jù)，通過運算分別求出拍攝各超聲波斷層圖像時的各標(biāo)志36A的中心的3維坐標(biāo)和各術(shù)中標(biāo)志82的中心的3維坐標(biāo)。然后，根據(jù)通過運算求出的各標(biāo)志36A的中心的3維坐標(biāo)，運算拍攝各超聲波斷層圖像時的探針36的前端的3維坐標(biāo)(機殼坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值)和探針36的朝向(機殼坐標(biāo)系的朝向)。
在步驟138中，根據(jù)從超聲波斷層拍攝裝置34中所獲取的多個超聲波斷層圖像的數(shù)據(jù)，從各超聲波斷層圖像中分別抽取位于腦的內(nèi)部(通過3維形狀測定裝置30無法檢測到的3維坐標(biāo)的非露出部分)且容易進行圖像上的判斷的特征點(還包括與腦溝、動脈、靜脈等的腦的特征部分對應(yīng)的點，相當(dāng)于腦腫瘤和正常部分之間的邊界的點)。接著，在步驟140中，首先，根據(jù)拍攝步驟136中所運算的各超聲波斷層圖像時的探針36的前端的3維坐標(biāo)和探針36的朝向，以及各超聲波斷層圖像上的各特征點的位置，運算機殼坐標(biāo)系中的各特征點的3維坐標(biāo)，然后，從HDD20中讀取在前面的步驟114中導(dǎo)出的坐標(biāo)變換式，并利用所讀取的坐標(biāo)變換式，分別將機殼坐標(biāo)系中的各特征點的3維坐標(biāo)，以在步驟136中求出的3維坐標(biāo)所表示的各術(shù)中標(biāo)志82的位置為基準(zhǔn)，變換為MRI坐標(biāo)系中的3維坐標(biāo)值，并將坐標(biāo)變換后的各特征點的3維坐標(biāo)和各特征點的超聲波斷層圖像上的位置作為非露出部分數(shù)據(jù)，存儲到HDD20中。由此，第2位置信息(非露出部分數(shù)據(jù))和3維腦模型(以及MRI圖像)之間的位置對應(yīng)完成。
通過上述處理，完成用于MRI圖像的補正的表面測定數(shù)據(jù)和非露出部分數(shù)據(jù)的獲得時，在下一步驟142中，從HDD20中獲取3維腦模型(參照圖6A)的數(shù)據(jù)。在下一步驟144中，首先，將從攝像機32獲取的圖像數(shù)據(jù)所表示的拍攝圖像上顯示的腦的特征部分(比如，腦溝、腦回、動脈、靜脈等)與在MRI圖像中顯示的腦的特征部分進行對照，由此進行拍攝圖像和MRI圖像之間的對應(yīng)處理(拍攝圖像上所顯示的腦表面的各點與MRI圖像上的哪個部分對應(yīng)的判斷)。而且，在本實施方式中，由于攝像機32的位置和朝向已調(diào)節(jié)好，以拍攝與3維形狀測定裝置30的測定范圍相同的范圍，因此，根據(jù)拍攝圖像和MRI圖像之間的對應(yīng)處理的結(jié)果，判斷MRI坐標(biāo)系中的3維坐標(biāo)通過表面測定數(shù)據(jù)成為已知的腦表面的各點對應(yīng)于MRI圖像上的哪個部分。然后，根據(jù)形成3維腦模型時存儲于HDD20中的3維腦模型的各節(jié)點(特征點)的MRI圖像上的位置，在構(gòu)成3維腦模型的各節(jié)點中，判斷MRI坐標(biāo)系中的3維坐標(biāo)通過表面測定數(shù)據(jù)成為已知的腦表面的各點所對應(yīng)的節(jié)點，進行表面測定數(shù)據(jù)和3維腦模型之間的對應(yīng)處理。
如上所述，通過將攝像機32所拍攝的圖像利用于進行表面測定數(shù)據(jù)和3維腦模型之間的對應(yīng)處理中，例如，可以利用比如腦的表面的顏色變化等的、在表面測定數(shù)據(jù)上不清楚的特征，進行表面測定數(shù)據(jù)和3維腦模型之間的對應(yīng)處理，因此，能夠提高表面測定數(shù)據(jù)和3維腦模型之間的對應(yīng)處理的精度。
并且，在步驟144中，同樣的，通過將超聲波斷層圖像中所顯示的腦的特征部分與MRI圖像中所顯示的腦的特征部分進行對照，在超聲波斷層圖像中判斷相當(dāng)于腦的內(nèi)部的各點對應(yīng)于MRI圖像上的哪個部分，并根據(jù)3維腦模型的各節(jié)點(特征點)在MRI圖像上的位置和從超聲波斷層圖像中所抽取的各特征點在超聲波斷層圖像上的位置，在構(gòu)成3維腦模型的各節(jié)點中，判斷MRI坐標(biāo)系中的3維坐標(biāo)通過非露出部分數(shù)據(jù)成為已知的腦的內(nèi)部的各特征點所對應(yīng)的節(jié)點。
然后，將判斷出的與表面測定數(shù)據(jù)所表示的腦表面的那些各點相對應(yīng)的節(jié)點的3維坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)點的3維坐標(biāo)(表面測定數(shù)據(jù)所表示的MRI坐標(biāo)系中的3維坐標(biāo))的同時，將判斷出的與非露出部分數(shù)據(jù)所表示的腦內(nèi)部的那些各特征點相對應(yīng)的節(jié)點的3維坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)特征點的3維坐標(biāo)(非露出部分數(shù)據(jù)所表示的MRI坐標(biāo)系中的3維坐標(biāo))，由此，比如，如圖6B所示，在構(gòu)成3維腦模型的各節(jié)點中，修正與表面測定數(shù)據(jù)所表示的腦表面的那些各點，或非露出部分數(shù)據(jù)所表示的腦的內(nèi)部的那些各特征點相對應(yīng)的節(jié)點的位置。另外，圖6B所示的例中，只對腦的表面或里面所對應(yīng)的節(jié)點的位置進行修正，但是，腦的表面和里面之間的部分所對應(yīng)的節(jié)點也可以作為位置修正的對象。
在步驟146中，根據(jù)在步驟144中作為位置修正對象的節(jié)點和修正該節(jié)點后的位置，在構(gòu)成3維腦模型的各節(jié)點中，將步驟144中作為位置修正對象的節(jié)點移向步驟144中修正后的位置的外力施加于3維腦模型上，由此，采用有限元法，推定運算其它節(jié)點的位置如何位移，并根據(jù)推定運算的結(jié)果，比如，如圖6C所示，修正在步驟144中作為位置修正對象的節(jié)點以外的節(jié)點的位置(3維坐標(biāo))。由此，可以修正3維腦模型，使得以良好的精度表示當(dāng)前腦的狀態(tài)(各部分的位移、變形)。在此，作為有限元法的替代方法，也可以采用與有限元法類似的方法(比如，以提高處理的速度等為目的，簡化有限元法的方法等)。
在下一步驟148中，根據(jù)在步驟144、146中進行各節(jié)點的位置修正的3維腦模型、和3維腦模型的各節(jié)點(特征點)在MRI圖像上的位置，對MRI圖像進行幾何變換處理，例如使得MRI圖像的各象素的位置根據(jù)3維腦模型的修正所產(chǎn)生的各節(jié)點的位置移動而移動，由此，根據(jù)修正后的3維腦模型所表示的腦的各部分的位移、變形，對MRI圖像進行補正。從而，能夠獲得高精密且高精度地表示當(dāng)前的腦的狀態(tài)的MRI圖像。
如上所述，通過參照顯示器18中更新顯示的上述MRI圖像，即使由于開顱手術(shù)之后的各種手術(shù)操作，導(dǎo)致腦的各部分發(fā)生位移、變形，手術(shù)人員仍可以正確地判斷摘除對象的腦腫瘤的位置等。而且，在手術(shù)結(jié)束之前的期間(步驟120中的判定結(jié)果為“是”之前的期間)內(nèi)反復(fù)進行(每當(dāng)步驟118中的判定結(jié)果為“是”時)上述MRI圖像的補正、更新顯示，所以，手術(shù)人員通過參照隨時更新顯示的MRI圖像，在腦腫瘤的摘除開始時、摘除中、摘除結(jié)束時等的各階段中，在確認進行手術(shù)操作的部分和周圍的腦之間的適合的解剖學(xué)的位置關(guān)系的同時，進行手術(shù)。而且，也可以確認有無殘留腫瘤(瘤的去除殘留部)，能夠完全地摘除作為摘除對象的腦腫瘤。此外，顯示到顯示器18中的MRI圖像，也可以是事先調(diào)查的各功能區(qū)域的分布情況作為地圖重疊顯示的functional mapping MRI圖像，但是，在顯示該functional mapping MRI圖像時，手術(shù)人員可以在掌握進行手術(shù)操作的部位和各功能區(qū)域的位置關(guān)系的同時，進行手術(shù)。
產(chǎn)業(yè)上應(yīng)用可能性如上所述，在本實施方式的手術(shù)支持設(shè)備10中，根據(jù)在手術(shù)中由3維形狀測定裝置30以光學(xué)方式測定腦的表面(同時，在手術(shù)中由攝像機32拍攝腦的表面)而得到的表面形狀數(shù)據(jù)，和在手術(shù)中由超聲波斷層拍攝裝置34通過超聲波測定腦的非露出部分而得到的非露出部分數(shù)據(jù)，將事先拍攝的MRI圖像補正為以良好的精度表示的腦的當(dāng)前狀態(tài)的MRI圖像，并在手術(shù)中顯示，因此，手術(shù)人員可以識別當(dāng)前腦的狀態(tài)(隨著手術(shù)操作等，產(chǎn)生位移、變形之后的腦的狀態(tài))，可以實現(xiàn)手術(shù)精度的提高。
另外，在本實施方式的手術(shù)支持設(shè)備10中，由于3維形狀測定裝置30的表面形狀的測定和攝像機32的拍攝在20秒程度的時間內(nèi)完成，超聲波斷層拍攝裝置34的多個超聲波斷層圖像的拍攝在3分鐘程度的時間內(nèi)完成，因此，與手術(shù)中定期地對MRI圖像進行拍攝的情況相比較，大幅度地縮短了手術(shù)操作的中斷時間。從而，還可以避免為了在手術(shù)中顯示腦的當(dāng)前狀態(tài)的MRI圖像，而妨礙手術(shù)的情況。
此外，由于本實施方式的手術(shù)支持設(shè)備10在已有的腦神經(jīng)外科的手術(shù)設(shè)備中，只增加3維形狀測定裝置30、攝像機32以及安裝有3維模型生成程序和MRI圖像顯示程序的計算機12，就可以實現(xiàn)，因此，與在手術(shù)中定期地進行MRI圖像的拍攝的情況相比較，能夠以非常低的成本實現(xiàn)。
還有，在上面的描述中，說明了僅設(shè)置1臺攝像機32的構(gòu)成，但是，并不限于此，也可以設(shè)置從相互不同的方向進行拍攝的多臺攝像機，并利用由各攝像機拍攝的圖像，進行表面測定數(shù)據(jù)和3維腦模型之間的對應(yīng)處理，以進一步提高表面測定數(shù)據(jù)和3維腦模型之間的對應(yīng)處理的精度。
再有，在上面的描述中，說明了本發(fā)明用于摘除腦腫瘤的手術(shù)支持的實例，但是，并不限于此，本發(fā)明也可以用于腦腫瘤的摘除以外的腦手術(shù)。此外，手術(shù)部位也不限于腦，本發(fā)明可用于對人體的任意部位的手術(shù)支持。
另外，在上面的描述中，以MRI圖像為實例對本發(fā)明的高精密斷層圖像進行了說明，但是，只要是高精密地表示手術(shù)部位的斷層圖像就可以，也可以采用比如通過X射線CT拍攝等其它的公知拍攝方法所拍攝的斷層圖像。另外，除了本發(fā)明的高精密斷層圖像以外，在通過參照用其它的拍攝方法(比如，正電子發(fā)射斷層拍攝法(PET)、單光子發(fā)射計算機斷層拍攝法(SPECT)等)拍攝的其它的斷層圖像的同時，進行手術(shù)時，也可以事先將其它的斷層圖像與本發(fā)明的高精密斷層圖像相對應(yīng)，如前所述，根據(jù)表面測定數(shù)據(jù)和非露出部分數(shù)據(jù)，對本發(fā)明的高精密斷層圖像進行補正，然后，根據(jù)補正之后的高精密斷層圖像，對所述其它的斷層圖像也進行補正，并顯示。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種手術(shù)支持設(shè)備，該手術(shù)支持設(shè)備包括第1獲得機構(gòu)，用于在手術(shù)中，以光學(xué)方式測定手術(shù)部位的表面，獲得表示所述手術(shù)部位的表面的各點的3維位置的第1位置信息；第2獲得機構(gòu)，用于在手術(shù)中，通過超聲波測定所述手術(shù)部位的非露出部分，獲得表示所述手術(shù)部位的非露出部分的各點的3維位置的第2位置信息；補正機構(gòu)，用于根據(jù)所述第1獲得機構(gòu)所獲得的所述第1位置信息和所述第2獲得機構(gòu)所獲得的所述第2位置信息，利用根據(jù)在手術(shù)前拍攝的手術(shù)部位的多個高精密斷層圖像而形成的3維模型，推測所述手術(shù)部位的各點的位移和變形，補正所述多個高精密斷層圖像；顯示控制機構(gòu)，用于將所述補正機構(gòu)所補正的高精密斷層圖像顯示到顯示機構(gòu)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手術(shù)支持設(shè)備，其特征在于，所述第1獲得機構(gòu)包括掃描儀和檢測機構(gòu)，所述掃描儀安裝在手術(shù)顯微鏡上，用于通過激光對手術(shù)部位的表面進行掃描，所述檢測機構(gòu)安裝在所述手術(shù)顯微鏡上，用于接收通過所述手術(shù)部位的表面所反射的激光，檢測所述手術(shù)部位的表面中激光照射的點的3維位置；所述第1獲得機構(gòu)在通過激光對所述手術(shù)部位的表面上的各點進行掃描的同時，反復(fù)地進行所述檢測機構(gòu)的3維位置的檢測，獲得所述第1位置信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手術(shù)支持設(shè)備，其特征在于，所述第1獲得機構(gòu)進一步包括拍攝機構(gòu)，所述拍攝機構(gòu)安裝在手術(shù)顯微鏡上，用于拍攝所述手術(shù)部位的表面；所述補正機構(gòu)還利用所述拍攝機構(gòu)所拍攝的圖像，推測所述手術(shù)部位的各點的位移和變形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手術(shù)支持設(shè)備，其特征在于，所述第2獲得機構(gòu)包括探針和變換機構(gòu)，所述探針用于向所述手術(shù)部位發(fā)送超聲波，并且接收在手術(shù)部位的非露出部分的各點所反射的超聲波，所述變換機構(gòu)用于將通過探針?biāo)邮盏某暡ㄗ儞Q為斷層圖像；所述第2獲得機構(gòu)根據(jù)所述探針的3維位置，求出所述變換機構(gòu)所獲得的超聲波斷層圖像上的各點的3維位置，獲得所述第2位置信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的手術(shù)支持設(shè)備，其特征在于，所述第1獲得機構(gòu)包括掃描儀和檢測機構(gòu)，所述掃描儀安裝在手術(shù)顯微鏡上，用于通過激光對所述手術(shù)部位的表面進行掃描，所述檢測機構(gòu)安裝在所述手術(shù)顯微鏡上，用于接收通過所述手術(shù)部位的表面所反射的激光，檢測所述手術(shù)部位的表面中激光照射的點的3維位置；所述第1獲得機構(gòu)還進行所述第2獲得機構(gòu)的所述探針的3維位置的檢測；所述第2獲得機構(gòu)根據(jù)所述第1獲得機構(gòu)所檢測的所述探針的3維位置，求出所述超聲波斷層圖像上的各點的3維位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手術(shù)支持設(shè)備，其特征在于，所述高精密斷層圖像為通過核磁共振計算機斷層拍攝法所拍攝的MRI圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手術(shù)支持設(shè)備，其特征在于，所述補正機構(gòu)根據(jù)所述第1獲得機構(gòu)所獲得的所述第1位置信息和所述第2獲得機構(gòu)所獲得的所述第2位置信息，在所述手術(shù)部位的3維模型中，對3維位置通過所述第1位置信息或所述第2位置信息已知的點所對應(yīng)的部分的位置進行修正后，通過有限元法或與其類似的方法，推測所述手術(shù)部位的3維模型中未知3維位置的點所對應(yīng)的部分的位移和變形，根據(jù)該推測結(jié)果，再次修正所述手術(shù)部位的3維模型，根據(jù)再修正后的所述手術(shù)部位的3維模型，進行所述多個高精密斷層圖像的補正。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手術(shù)支持設(shè)備，其特征在于，在拍攝手術(shù)前的多個高精密斷層圖像時，在手術(shù)部位的周邊設(shè)置3個以上的第1標(biāo)志，并且在手術(shù)時，在手術(shù)部位的附近設(shè)置3個以上的第2標(biāo)志；所述第1獲得機構(gòu)還獲得表示所述第1標(biāo)志和第2標(biāo)志的3維位置的標(biāo)志位置信息；所述補正機構(gòu)根據(jù)所述第1獲得機構(gòu)所獲得的標(biāo)志位置信息和所述高精密斷層圖像上與所述第1標(biāo)志對應(yīng)的圖像部的位置，進行所述高精密斷層圖像與所述第1位置信息以及所述第2位置信息之間的位置對應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手術(shù)支持設(shè)備，其特征在于，在手術(shù)中，所述第1獲得機構(gòu)反復(fù)進行所述第1位置信息的獲得，所述第2獲得機構(gòu)反復(fù)進行所述第2位置信息的獲得，所述補正機構(gòu)反復(fù)進行所述多個高精密斷層圖像的補正，所述顯示機構(gòu)反復(fù)進行所述高精度斷層圖像的顯示。
10.一種手術(shù)支持方法，該手術(shù)支持方法包括第1步驟，根據(jù)在手術(shù)前拍攝的手術(shù)部位的多個高精密斷層圖像，形成所述手術(shù)部位的3維模型；第2步驟，在手術(shù)中，以光學(xué)方式測定手術(shù)部位的表面，獲得表示所述手術(shù)部位的表面的各點的3維位置的第1位置信息，并且在手術(shù)中，通過超聲波測定所述手術(shù)部位的非露出部分，獲得表示所述手術(shù)部位的非露出部分的各點的3維位置的第2位置信息；第3步驟，根據(jù)在所述第2步驟中獲得的所述第1位置信息和所述第2位置信息，利用在第1步驟中形成的3維模型，推測所述手術(shù)部位的各點的位移和變形，根據(jù)所推測的所述手術(shù)部位的各點的位移和變形，對在手術(shù)前拍攝的所述手術(shù)部位的多個高精密斷層圖像進行補正；以及，第4步驟，將在所述第3步驟中補正的高精密斷層圖像顯示到顯示機構(gòu)中。
11.一種手術(shù)支持程序，將連接有顯示機構(gòu)的計算機用作第1獲得機構(gòu)，在手術(shù)中，以光學(xué)方式測定手術(shù)部位的表面，獲得表示所述手術(shù)部位的表面的各點的3維位置的第1位置信息；第2獲得機構(gòu)，在手術(shù)中，通過超聲波測定所述手術(shù)部位的非露出部分，獲得表示所述手術(shù)部位的非露出部分的各點的3維位置的第2位置信息；補正機構(gòu)，根據(jù)所述第1獲得機構(gòu)所獲得的所述第1位置信息和所述第2獲得機構(gòu)所獲得的所述第2位置信息，利用根據(jù)在手術(shù)前拍攝的手術(shù)部位的多個高精密斷層圖像而形成的3維模型，推測所述手術(shù)部位的各點的位移和變形，根據(jù)所推測的所述手術(shù)部位的各點的位移和變形，補正在手術(shù)前拍攝的所述手術(shù)部位的多個高精密斷層圖像；顯示控制機構(gòu)，將所述補正機構(gòu)所補正的高精密斷層圖像顯示到顯示機構(gòu)中。
全文摘要
本發(fā)明公開一種手術(shù)支持設(shè)備及其方法，在該裝置和方法中，根據(jù)在手術(shù)前拍攝的手術(shù)部位的多個高精密斷層圖像，形成所述手術(shù)部位的3維模型，在手術(shù)中，以光學(xué)方式測定手術(shù)部位的表面，獲得表示所述手術(shù)部位的表面的各點的3維位置的第1位置信息。然后，在手術(shù)中，通過超聲波測定所述手術(shù)部位的非露出部分，獲得表示所述手術(shù)部位的非露出部分的各點的3維位置的第2位置信息。進一步，根據(jù)所述第1位置信息和所述第2位置信息，利用所形成的3維模型，推測所述手術(shù)部位的各點的位移和變形。然后，根據(jù)所推測的手術(shù)部位的各點的位移和變形，補正手術(shù)前拍攝的手術(shù)部位的多個高精密斷層圖像，顯示所補正的高精密斷層圖像。
文檔編號A61B8/00GK1964676SQ200580010338
公開日2007年5月16日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月30日
發(fā)明者山本清二, 寺川進, 高井利久, 佐藤克廣 申請人:國立大學(xué)法人浜松醫(yī)科大學(xué)