JP3772063B2 - 位置検出装置、及び、位置検出システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、挿入具の位置検出装置に係り、特に、生体内に挿入される治療器具等の挿入具の位置姿勢を検出し、手術でのナビゲーション等に利用する位置計測装置としての挿入具の位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、医療における手術等の治療行為に対して、術前にＸ線、ＣＴ、ＭＲＩ等の画像診断装置より得られた断層画像を三次元画像に再構成し、術中に治療器具の三次元位置姿勢を検出して術前の三次元再構成像に表示することが行われている。
【０００３】
この際、治療器具の三次元位置姿勢を計測する必要があるが、特開平５−３０５０７３号公報に開示されているような光学式の三次元計測装置が比較的多く利用されている。
【０００４】
このような光学式の三次元計測装置を用いて、三次元位置姿勢計測を行う場合には、計測対象となる治療器具に、計測装置に対応した信号部材を取り付ける必要がある。
【０００５】
三次元での姿勢を計測するためには、直線状になく、位置関係が拘束された３個以上の信号部材を必要とする。
【０００６】
このため、光学式の三次元計測装置を用いて、三次元位置姿勢計測を行う場合には、治療器具の挿入軸後方に、信号部材が取り付けられた信号板が装着され、それらとは非接触でそれら信号部材を認識できるＴＶカメラ等の複数の受信部材が設けられている。
【０００７】
そして、治療器具の位置姿勢を算出するには、治療器具に対して信号板がどのように固定されているのかを示すキャリブレーションデータが必要であり、信号板を取り付けた各治療器具毎にキャリブレーションデータが一対一に対応付けされている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
位置計測装置では、処置中に受信部材と信号板の位置関係上、信号部材の計測が困難な状況になる場合がある。
【００１４】
この場合、信号板の取り付け位置を受信部材で計測可能な位置姿勢へ変更することで、再び計測できるようになるが、この際に、三次元位置姿勢の算出に使用するキャリブレーションデータも変更した位置姿勢に対応したものに変更しなければ、計測対象である治療器具の三次元位置姿勢を算出することができない。
【００１７】
本発明はこの点に着目し、治療器具使用時に容易に信号板の取り付け位置を変更でき、且つキャリブレーションデータも変更した取り付け位置に対応したものに変更することで、三次元位置姿勢計測を継続することができるようにすることを課題とする。
【００１９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、治療器具使用時に容易に信号板の取り付け位置を変更でき、かつ、キャリブレーションデータも変更した取り付け位置に対応したものに変更することで、三次元位置姿勢計測を継続可能な位置計測装置としての挿入具の位置検出装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一実施態様の位置検出装置は、位置検出の基準となるマーカーと、前記マーカーが取り付けられ、生体内に挿入される挿入具に連結部材を介して取り付けられ、前記挿入具に対する取り付け位置が可変なマーカー取り付け部材と、前記マーカーの位置を非接触で検出するマーカー検出部と、前記マーカー取り付け部材と前記挿入具との間に設けられ、前記取り付け位置の情報を設定する位置情報設定手段と、前記位置情報設定手段から入力された前記取り付け位置の情報に基づいて前記マーカーと前記挿入具とを関連付けるデータを変更し、当該データと前記マーカー検出部によって検出されたマーカーの位置とに基づいて前記挿入具の位置姿勢を算出する位置姿勢算出手段と、を具備することを特徴とする。
【００２１】
（対応する発明の実施の形態）
この発明に関する実施の形態は、後述する第１及び第２の実施の形態が対応する。
【００２２】
上記解決手段中の挿入具は、これらの実施の形態では、硬性鏡１が該当するが、硬性鏡１のみに限定されることなく、電気メス、吸引管、ピンセット、鉗子などの器具であってもよい。
【００２３】
また、上記解決手段中の信号部材としてのマーカーは、これらの実施の形態では、ＬＥＤ３が該当するが、ＬＥＤ３のみに限定されることなく、赤外ＬＥＤのようなアクティブ型マーカーや反射球のようなパッシブ型マーカーであってもよい。
【００２４】
また、上記解決手段中の受信部材としてのマーカー検出部は、これらの実施の形態では、カメラ６が該当するが、カメラ６のみに限定されることなく、マーカーの三次元位置姿勢を計測できるものであれば、個数は問わない。
【００２５】
また、上記解決手段中の位置姿勢算出手段は、これらの実施の形態では、センサ制御部７、及びセンサ情報記憶部８が該当する。
【００２６】
また、上記解決手段中の信号取付部材としてのマーカー取り付け部材は、これらの実施の形態では、マーカ取付板４、及びマーカ取付具５（取付部材５ａ、５ｂで構成）が該当する。
【００２７】
また、上記解決手段中の連結部材は、上記解決手段中の信号取付部材としてのマーカー取り付け部材と一体になった部材としてもよい。
【００５１】
上記解決手段中の位置情報設定手段は、第１の実施の形態ではスイッチ１０、１１が該当する。
【００５２】
また、第２の実施の形態ではエンコーダ１５が該当するが、ポテンショメータなどの角度を計測するためのセンサ、及び距離を計測するためのセンサ、及びこれらを複合的に組み合わせたものに置き換えてもよい。
【００５７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００５８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態による挿入具の位置検出装置の全体的な概略構成を示す図である。
【００５９】
この発明の第１の実施の形態は、次のように構成されている。
【００６０】
すなわち、図１に示すように、硬性鏡１には、ＣＣＤカメラヘッド部２が、硬性鏡挿入軸に対して屈曲した状態で取り付けられている。
【００６１】
また、マーカー取付板４には、ＬＥＤ３が正三角形の頂点を構成するように３個取り付けられている。
【００６２】
このＬＥＤ３は、ケーブルによりセンサ制御部７に接続されている。
【００６３】
前記マーカー取付板４は、後述するように、マーカー取付具５によって、ＣＣＤカメラヘッド部２に取り付けられている。
【００６４】
カメラ６は、硬性鏡１の使用範囲におけるマーカー取付板４の移動範囲を視野に捕らえるように設置されており、センサ制御部７へ接続されている。
【００６５】
図２（ａ）〜（ｄ）は、図１のマーカー取付具５の概略的な構成を示す図である。
【００６６】
すなわち、図２の（ａ）〜（ｄ）に示すように、マーカー取付具５は、ＣＣＤカメラヘッド部２に固定する取付部材５ｂと、マーカー取付板４に固定する取付部材５ａとから構成されている。
【００６７】
ここで、取付部材５ｂには、取り付け方向毎に異なる複数の窪み９が設けられている。
【００６８】
一方、取付部材５ａには、スイッチ１０、１１が取り付けられている。
【００６９】
これにより、取付部材５ａが取付部材５ｂへ取り付けられると、窪み９の無い部分に対応するスイッチだけがオン状態になり、窪み９がある部分に対応するスイッチはオフ状態のままになる。
【００７０】
これらのスイッチ１０、１１は、図１のセンサ制御部７へ接続されている。
【００７１】
図３の（ａ），（ｂ）は、図２のスイッチ１０、１１のオン状態、オフ状態を示す図である。
【００７２】
図１において、キャリブレーションデータが蓄えられているセンサ情報記憶部８は、センサ制御部７へ接続されている。
【００７３】
このセンサ制御部７は、図示しないナビゲーション装置に接続されている。
【００７４】
次に、この発明の実施の形態の作用を説明する。
【００７５】
前記スイッチ１０，１１からの情報は、センサ制御部７へ渡される。
【００７６】
センサ制御部７では、スイッチ１０，１１からの情報を位置を表現するビット情報として解釈し、現在の取り付け状態に対応するキャリブレーションデータをセンサ情報記憶部８より取得する。
【００７７】
図４は、センサ制御部７によるキャリブレーションデータの取得関係を示す図である。
【００７８】
このキャリブレーションデータは、マーカー取付板４で構成される座標系と硬性鏡１で構成される座標系間に関係付けられる座標変換行列となっている。
【００７９】
図５は、マーカー取付板４で構成される座標系と、硬性鏡１で構成される座標系とを示す図である。
【００８０】
図６は、マーカー取付板４で構成される座標系と硬性鏡１で構成される座標系間に関係付けられる座標変換行列を示す図である。
【００８１】
まず、センサ制御部７は、ＬＥＤ３を順番に１個ずつ発光させる。
【００８２】
カメラ６は、マーカー取付板４の画像を取得し、センサ制御部７へ画像を送信する。
【００８３】
センサ制御部７では、このカメラ６からの画像と、自ら制御したＬＥＤ発光のタイミングとに基づいて導かれるＬＥＤ３のＩＤ情報から、マーカー取付板４の三次元位置姿勢を算出する。
【００８４】
次に、センサ制御部７は、センサ情報記憶部８より取得したキヤリブレーションデータを用いて、マーカー取付板４の三次元位置姿勢から硬性鏡１の三次元位置姿勢へ変換し、これを出力する。
【００８５】
この結果として、センサ制御部７より出力される硬性鏡１の三次元位置姿勢を用いて、ナビゲーションが行われることになる。
【００８６】
このナビゲーションを行っている状態で、術者は硬性鏡１と処置具１２を用いて患部１４に対して手術を行う。
【００８７】
図７は、ナビゲーションを行っている状態で、術者は硬性鏡１と処置具１２を用いて患部１４に対して手術を行う状態を示す図である。
【００８８】
すなわち、図７に示すように、硬正鏡１と処置具１２は同じ穴１３、もしくは非常に近い穴から患部１４に向かって挿入されるため、処置具１２の操作範囲に硬性鏡１が干渉しないよう配置することが非常に重要である。
【００８９】
この実施の形態では、ナビゲーションを行うために必要なマーカー取付板４が、硬性鏡１に対して屈曲した状態になっているＣＣＤカメラヘッド部２に取り付けられているため、処置具１２の操作にマーカー取付板４が干渉することがないように考慮されている。
【００９０】
また、カメラ６によってマーカー取付板４を撮影できない位置関係になったときには、マーカー取付板４の取り付け位置を変更することができるようになされている。
【００９１】
図８、カメラ６によってマーカー取付板４を撮影できない位置関係になったときに、マーカー取付板４の取り付け位置を変更状態を示す図である。
【００９２】
図９の（ａ），（ｂ）は、マーカー取付板４の取り付け位置の変更によって、マーカー取付板４を撮影できない位置関係からマーカー取付板４を撮影できる位置関係となることを示す図である。
【００９３】
そして、マーカー取付板４の取り付け位置の変更によって、マーカー取付具５に設けられたスイッチ１０、１１より得られる情報が変化し、センサ制御部７は対応するキャリブレーションデータをセンサ情報記憶部８より再取得することになる。
【００９４】
この結果、センサ制御部７は、マーカー取付板４の取り付け位置を変更しても正しい硬性鏡１の三次元位置姿勢を出力することができる。
【００９５】
なお、かつ、マーカー取り付け位置を変更しても処置具１２の操作に干渉することはない。
【００９６】
なお、この発明の第１の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【００９７】
例えば、マーカー取付板４に取り付けられたＬＥＤ３は、各々異なる波長であり、それらを同時に発光させ、カメラ６に各波長に対応するフィルタ等を用いて個々のＬＥＤを識別する方式でもよい。
【００９８】
また、マーカーとしては、それぞれが識別できる受動的な（発光しない）マーカーであってもよい。
【００９９】
また、マーカーの形状そのものから画像処理的手法により、特徴部位を抽出する方式であってもよい。
【０１００】
また、例えば、マーカー取付具５に設けられたスイッチ１０、１１は、これに限らず、角度を計測するためのセンサであるポテンショメータやエンコーダを用いることができる。
【０１０１】
また、この場合には、対応するキャリブレーションデータを選択するという方式だけでなく、ポテンショメータやエンコーダの出力をパラメータとしてキャリブレーションデータを計算することもできる。
【０１０２】
また、例えば、マーカー取付具５には、距離計測センサが取り付けられており、マーカー取付具５の取付部材５ａと取付部材５ｂとの距離が可変になっていてもよい。
【０１０３】
この場合には、距離計測センサもセンサ制御部７へ接続され、キャリブレーションデータの選択／生成に利用される。
【０１０４】
また、この距離を段階的に変化させるようにし、距離情報をスイッチなどでセンシングしてもよい。
【０１０５】
また、例えば、ＣＣＤカメラヘッド部２の硬性鏡１に対する移動、及びまたは回転する手段と合わせて、これを計測する手段が設けられており、この情報をセンサ制御部７で取得することにより、ＣＣＤカメラヘッド部２の移動、回転によらず硬性鏡１の三次元位置姿勢を算出し、ナビゲーションを継続することが可能になる。
【０１０６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【０１０７】
図１０は、本発明の第２の実施の形態による挿入具の位置検出装置の全体的な概略構成を示す図である。
【０１０８】
この発明の第２の実施の形態は、前述した第１の実施の形態の構成と以下の点を除いて、同様に構成されている。
【０１０９】
すなわち、第１の実施の形態において、マーカー取付具５にはスイッチ１０、１１が取り付けられているが、第２の実施の形態では、マーカー取付具５Ａにはエンコーダ１５が取り付けられている。
【０１１０】
図１１の（ａ），（ｂ）は、図１０のマーカー取付具５Ａの概略的な構成を示す図である。
【０１１１】
すなわち、図１１の（ａ），（ｂ）に示すように、マーカー取付具５Ａにはエンコーダ１５が取り付けられている。
【０１１２】
このエンコーダ１５は、図１０のセンサ制御部７へ接続されている。
【０１１３】
また、センサ情報記憶部８に記録されているキャリブレーションデータは、エンコーダ１５の出力を変数とする関数の形（キャリブレーション関数）で記述されている。
【０１１４】
図１２の（ａ）〜（ｅ）は、第２の実施の形態におけるＣＣＤカメラヘッド部２と硬性鏡１の取り付け部分の構成を示す図である。
【０１１５】
図１２中の接点１７は，センサ制御部７へ接続されている。
【０１１６】
次に、この発明の第２の実施の形態の作用を説明する。
【０１１７】
まず、マーカー取付具５Ａに取り付けられたエンコーダ１５からの出力が、センサ制御部７へ渡される。
【０１１８】
また、ＣＣＤカメラヘッド部２と硬性鏡１の取り付け部に設けられた接点１７のオン／オフ情報がセンサ制御部７に渡される。
【０１１９】
センサ制御部７では、接点情報を硬性鏡の個別番号（ＩＤ）を表現するビット情報として解釈し、現在の硬性鏡に対応するキャリブレーション関数をセンサ情報記憶部８より取得する。
【０１２０】
図１３は、接点情報を硬性鏡の個別番号（ＩＤ）を表現するビット情報として解釈する一例を示す図である。
【０１２１】
図１４は、センサ制御部７によるキャリブレーション関数の取得関係を示す図である。
【０１２２】
そして、センサ制御部７では、このキャリブレーション関数とエンコーダ１５からの出力とにより、実際の計算で使用するキャリブレーションデータを算出する。
【０１２３】
ここで、算出されたキャリブレーションデータは、図５及び図６に示したように、マーカー取付板４で構成される座標系と硬性鏡１で構成される座標系間に関係付けられる座標変換行列となっている。
【０１２４】
次に、第１の実施の形態と同様に、センサ制御部７より、硬性鏡１の三次元位置姿勢が出力される。
【０１２５】
マーカー取付板４のＬＥＤ３がカメラ６で撮影できない位置関係になったときには、マーカー取付板４の取り付け位置を変更することができる。
【０１２６】
マーカ取付板４の取り付け位置の変更によって、マーカ取付具５Ａに設けられたエンコーダ１５より得られる情報が変化し、センサ制御部７は対応するキャリブレーションデータをキャリブレーション関数とエンコーダ１５との出力に基づいて算出する。
【０１２７】
この結果、センサ制御部７は、正しい硬性鏡１の三次元位置姿勢を出力することができる。
【０１２８】
なお、かつ、マーカ取付板４の位置を変更しても処置具操作に干渉することはない。
【０１２９】
また、硬性鏡１を用いる手術においては、視野方向を切り替えるため、複数の種類の硬性鏡（直視：挿入軸に対して光軸が平行、３０度側視：挿入軸に対して光軸が３０度傾斜、７０度側視：挿入軸に対して光軸が７０度傾斜、など）を術中に取り替える。
【０１３０】
図１５の（ａ）は、直視硬性鏡を示しており、図１５の（ｂ）は、３０度側視硬性鏡を示しており、図１５の（ｃ）は、７０度側視硬性鏡を示している。
【０１３１】
この場合、この第２の実施の形態では、マーカー取付板４は、硬性鏡１ではなく、ＣＣＤカメラヘッド部２に取り付けられているので、使用する硬性鏡すべてに対してマーカー取付板４を用意する必要がなく、一つのマーカー取付板４で対応可能になっている。
【０１３２】
そして、硬性鏡１を取り替えた情報は、接点情報としてセンサ制御部７に渡されるので、センサ制御部７では、新たに対応するキャリブレーション関数をセンサ情報記憶部８より取得することにより、使用者に特別な操作を要求することなく、硬性鏡１の三次元位置姿勢を算出することができる。
【０１３３】
また、対応するキャリブレーション関数が存在しない場合には、同じ種類の硬性鏡をＩＤから識別可能であるので、同じ種類の硬性鏡に対応するキャリブレーション関数を用いることができ、状況の急変に対しても可能な限り対応することができるようになっている。
【０１３４】
なお、この発明の第２の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【０１３５】
例えば、マーカー取付具５Ａに取り付けられたエンコーダ１５は、これに限らず、同様に角度情報を出力するポテンショメータに置き換えてもよい。
【０１３６】
また、マーカー取付具５Ａに取り付けられたエンコーダ１５は、第１の実施の形態に示したように、スイッチを用いてもよい。
【０１３７】
また、例えば、取り替えの対象となる硬性鏡１は、硬性鏡に限らず、患部の吸引、切除等を行う処置具であってもよい。
【０１３８】
この場合、ＣＣＤカメラヘッド部２は、マーカー取付板４を処置具に取り付けるための機能に限定される。
【０１３９】
また、ＣＣＤカメラヘッド部２と硬性鏡１の取り付け部に設けられた接点１７は、この構造に限定されるものではなく、硬性鏡本体のＩＤを認識できれば、いかなる方式のものでもよい。
【０１４０】
例えば、ＣＣＤカメラヘッド部２と硬性鏡１の取り付け部に設けられた接点１７は、硬性鏡視野外部分にＩＤを示すマーク（バーコード等）を映し込み、これを画像処理の手法によって読み取るという形態に置き換えることもできる。
【０１４１】
そして、上述したような実施の形態で示した本明細書には、特許請求の範囲に示した請求項１乃至３以外にも、以下に付記１乃至付記２として示すような発明が含まれている。
【０１４２】
（付記１） 前記位置情報設定手段は、
前記マーカー取り付け部材に設けられたスイッチであることを特徴とする請求項３に記載の挿入具の位置検出装置。
【０１４３】
（付記２） 前記位置情報設定手段は、
前記マーカー取り付け部材に設けられたエンコーダであることを特徴とする請求項３に記載の挿入具の位置検出装置。
【０１４８】
【発明の効果】
本発明によれば、治療器具使用時に容易に信号板の取り付け位置を変更でき、かつ、キャリブレーションデータも変更した取り付け位置に対応したものに変更することで、三次元位置姿勢計測を継続可能な位置計測装置としての挿入具の位置検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態による挿入具の位置検出装置の全体的な概略構成を示す図である。
【図２】図２の（ａ）〜（ｄ）は、図１のマーカー取付具５の概略的な構成を示す図である。
【図３】図３の（ａ），（ｂ）は、図２のスイッチ１０、１１のオン状態、オフ状態を示す図である。
【図４】図４は、センサ制御部７によるキャリブレーションデータの取得関係を示す図である。
【図５】図５は、マーカー取付板４で構成される座標系と、硬性鏡１で構成される座標系とを示す図である。
【図６】図６は、マーカー取付板４で構成される座標系と硬性鏡１で構成される座標系間に関係付けられる座標変換行列を示す図である。
【図７】図７は、ナビゲーションを行っている状態で、術者は硬性鏡１と処置具１２を用いて患部１４に対して手術を行う状態を示す図である。
【図８】図８、カメラ６によってマーカー取付板４を撮影できない位置関係になったときに、マーカー取付板４の取り付け位置を変更状態を示す図である。
【図９】図９の（ａ），（ｂ）は、マーカー取付板４の取り付け位置の変更によって、マーカー取付板４を撮影できない位置関係からマーカー取付板４を撮影できる位置関係となることを示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２の実施の形態による挿入具の位置検出装置の全体的な概略構成を示す図である。
【図１１】図１１の（ａ），（ｂ）は、図１０のマーカー取付具５Ａの概略的な構成を示す図である。
【図１２】図１２の（ａ）〜（ｅ）は、第２の実施の形態におけるＣＣＤカメラヘッド部２と硬性鏡１の取り付け部分の構成を示す図である。
【図１３】図１３は、接点情報を硬性鏡の個別番号（ＩＤ）を表現するビット情報として解釈する一例を示す図である。
【図１４】図１４は、センサ制御部７によるキャリブレーション関数の取得関係を示す図である。
【図１５】図１５の（ａ）は、直視硬性鏡を示しており、図１５の（ｂ）は、３０度側視硬性鏡を示しており、図１５の（ｃ）は、７０度側視硬性鏡を示している。
【符号の説明】
１…硬性鏡、
２…ＣＣＤカメラヘッド部、
３…ＬＥＤ、
４…マーカー取付板、
５…マーカー取付具、
５ａ…取付部材、
５ｂ…取付部材、
６…カメラ、
７…センサ制御部、
９…窪み、
１０，１１…スイッチ、
５Ａ…マーカー取付具、
１２…処置具、
１３…穴、
１４…患部、
１５…エンコーダ、
１７…接点。

Claims (2)

1. 位置検出の基準となるマーカーと、
   前記マーカーが取り付けられ、生体内に挿入される挿入具に連結部材を介して取り付けられ、前記挿入具に対する取り付け位置が可変なマーカー取り付け部材と、
   前記マーカーの位置を非接触で検出するマーカー検出部と、
   前記マーカー取り付け部材と前記挿入具との間に設けられ、前記取り付け位置の情報を設定する位置情報設定手段と、
   前記位置情報設定手段から入力された前記取り付け位置の情報に基づいて前記マーカーと前記挿入具とを関連付けるデータを変更し、当該データと前記マーカー検出部によって検出された前記マーカーの位置に関するデータとに基づいて前記挿入具の位置姿勢を算出する位置姿勢算出手段と、
   を具備することを特徴とする位置検出装置。
2. 生体内に挿入される挿入具と、請求項１に記載の位置検出装置と、を具備することを特徴とする位置検出システム。

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