JPH10286251A

JPH10286251A - 透視下操作装置

Info

Publication number: JPH10286251A
Application number: JP9095541A
Authority: JP
Inventors: Eiichi Masai; 栄一正井; Takeo Omichi; 武生大道; Keiichi Kenmochi; 圭一見持; Tsugio Miki; 次夫三木; Kouichi Souhaku; 宏一早柏
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-04-14
Filing date: 1997-04-14
Publication date: 1998-10-27

Abstract

(57)【要約】【課題】リアルタイムで高精度な画像を得る透視下操
作装置の提供を目的とする。【解決手段】高精度な分解能を有する透視装置１０
と、先端の位置姿勢を検出可能な装置３０上に設置され
た高速透視装置２０、それぞれの装置１０，２０による
透視画像上でその相対的位置・姿勢を関係づける演算を
行なう演算・処理装置０２と組み合わせたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｘ線と超音波とに
よるそれぞれの透過画像を得ることによる透視下操作装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば医療機器に着目するとき、生検に
当ってはＸ線ＣＴスキャナを用いたり超音波診断装置を
用いて透過画像を得るものがある。この場合、これら機
器を例えば手術にて、リアルタイムにかつ精確な画像を
得るべく利用したいものであるが、Ｘ線被曝の問題や精
度が採れないという問題があって、手術装置、手術支援
装置、遠隔手術装置などに用いることは、今の所行なわ
れていない。

【０００３】具体的には次のようになる。現行の手術ガン等の手術は、手術医の直視にたよる切開型手術が一
般的であり、このため患部のみならずその周辺部や血管
等の切開を行なうこととなり患者には大きな苦痛が伴
い、術後の回復にも長時間を要することとなるが、透視
画像による手術に当り患部の正確な状況を外部から把握
しようとしても、体内をリアルタイムで精度良く透視で
きず、また高精度透視のためＸ線ＣＴスキャナを用いる
場合は医師の長時間被曝という問題が生ずる。

【０００４】低侵襲手術のアプローチ現在、切開等の手段を伴うことなく患部のみを直接処置
する低侵襲手術の試みも行なわれつつあるが、この低侵
襲手術を行なうに当っては患部を透視する必要があり、
この方法としては次のようなものが考えられる。 (i) Ｘ線簡便であるが、画像が２次元的で奥行きの必要な手術は
不適当であり、また被曝のため医師の長時間の接近は不
可能である。 (ii) Ｘ線ＣＴスキャナ体内を断層化して画像化するため、詳細な患部状態が把
握できる。しかしながら一般的には多くの方向からＸ線
を照射する必要があるため、画像化に時間を要し、リア
ルタイムな体内透視には不向きであると共に、医師の接
近作業は不可能である。 (iii) ＭＲ（磁気共鳴）強力な磁界の中に患部を置き、原子運動の変化を画像化
する方式でリアルタイムにも画像の緻密さにも良好であ
るが、手術等では強い磁場が他機器の動作の妨げとな
る。 (iv) 超音波画像リアルタイム性には優れるが、得られる画質は良くな
い。探触子をマルチ化することによって３次元画像を作
ることも可能となるが、この場合には、処理時間は長く
なりリアルタイム性がなくなる。Ｘ線ＣＴやＭＲに優る
断層画像や、３次元画像を作ることは困難である。以上
いずれの透視においても、被曝や精度、リアルタイム
性、あるいは３次元画像の困難性等につき問題となって
いる。

【０００５】オフライン型アプローチリアルタイムにて体内透視を観察しながらの手術は困難
であるので、例えば（特開平７−２３６６３３号）の如
き提案もある。つまり、図１５の如くＸ線ＣＴ１にて事
前に患部の状況を画像化し、患部をＣＴ画面２上にて同
定座標化する。このＣＴ座標をＣＴ受像器の位置と機械
的に関係付けられた手術台、手術装置とを関係付け、手
術装置の先端を患部へ導く方式がとられている。つま
り、図１６の如くスキャンの後、病変部の認定や空間座
標の算出・表示を行なっている。しかし、この装置では
患者はＣＴ撮影から手術完了まで完全に固定されている
ことが前提であり、その間の患者の苦痛や万一の動きに
対しては、誤手術の可能性を有する。また、補償マーク
を活用する方式では上記を少し改善できるものの、３次
元的動きに対しては補償が困難である。また、体内に於
る臓器の動きに対しては全く効果を発揮することは出来
ない。

【０００６】手術装置手術装置は一般的に図１７に示すように円弧状のレール
３と手術器挿入用の針４から構成される。このことによ
って、挿入針がね収納状態の場合にはレール３を含む面
に於て患者との接触を避けることが可能となる。しか
し、挿入針４の方向は任意に変える必要があり、レール
３自体を回転させることが必要となるがその角度によっ
ては接触の恐れがあり、また、これを規制すると挿入方
向に制限を受け自由な手術が不可能となる。更に円弧レ
ール３は角度を一義に決めてしまうため挿入初期位置と
角度の関係付けが難しく正確な患部へのアクセスに熟練
を要する。

【０００７】バーチャルリアリティの応用次世代手術への応用が期待されている方式としてバーチ
ャルリアリティがある。本発想は実際には見えていない
患部をあたかも透視出来ているかのような画像を提供し
手術を的確に行なう試みである。しかしながら本手法も
患者が動かないことが前提であり、脳手術や手術の事前
模擬試行等への応用が試みられている段階である。図１
６参照（土肥，コンピュータ外科におけるロボット技
術，ロボット学会誌、Vol.１４，No. ５，P.６３８，図
１，２）。ところが、この場合もリアルタイムで緻密な
３次元画像が得られていない、またＸ線ＣＴを用いると
き被曝の問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上説明の如く例えば
手術において、外部にて画像を表示する場合にも、種々
の方法があってその方法それぞれにつき問題をかかえて
いるという現状である。つまり、体内を高精度にしかも
リアルタイムにて透視することができにくいこと、３次
元透視画像を生成しにくいこと、被曝の問題もあるこ
と、患者を固定しなければならないこと、手術装置の誤
動作のおそれがあること、手術装置の位置姿勢を患者に
応じて変えられないこと、等である。

【０００９】本発明は、上述の問題を全て軽減し又は解
決した透視下操作装置の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明は、次の発明特定事項を有する。（１）高精度な分解能を有する透視装置Ａと、位置・姿
勢を検出できる手段を備えた高速透視装置Ｂと、これら
の装置Ａ，Ｂから得られた画像の座標軸を変更して画像
を一致させる演算処理装置とを有する低侵襲手術装置か
らなることを特徴とする。（２）上記（１）において、上記座標軸の変更は人体の
一部や外部からの挿入物である体内マーカによる照合マ
ーカを合致させるように行なうことを特徴とする。（３）上記（１）において、上記座標軸の変更は、外部
に備えられた体外マーカによる照合マーカを合致させる
ように行うことを特徴とする。（４）上記（１）において、透視装置Ａ及び高速透視装
置Ｂそれぞれの座標軸に基づきマニピュレータの座標軸
に変更して上記マニピュレータを制御することを特徴と
する。（５）上記（１）において、透視装置Ａ及び高速透視装
置Ｂそれぞれの座標軸に基づきかつ位置・姿勢を検出で
きる手段を備えた上記高速透視装置Ｂの位置・姿勢を撮
影するカメラ及びマニピュレータの位置・姿勢を撮影す
る上記カメラの画像情報に基づき、上記マニピュレータ
の座標軸に変換して上記マニピュレータを制御すること
を特徴とする。（６）上記（４）又は（５）において、マニピュレータ
には、そのアクチュエータが最も伸びた状態で対象に接
触しない配置としたことを特徴とする。（７）上記（４）又は（５）において、マニピュレータ
としてパラレルリンク型マニピュレータを用いることと
したことを特徴とする。（８）上記（４）又は（５）において、マニピュレータ
は、力センサを活用して零フォースにて先端を手動し得
る機能を加味したことを特徴とする。（９）上記（４）又は（５）において、マニピュレータ
は水圧駆動としたことを特徴とする。（１０）上記（４）又は（５）において、マニピュレー
タにはロック機構を備えたことを特徴とする。（１１）上記（１）において、透視装置Ａは電子ビーム
Ｘ線ＣＴ装置であり、高速透視装置Ｂは超音波画像装置
であることを特徴とする。（１２）高精度な分解能を有する透視装置Ａと、位置・
姿勢を検出できる手段を備えた高速透視装置Ｂと、これ
らの装置Ａ，Ｂから得られた画像の座標軸を変更して画
像を一致させる演算処理装置とを有する非破壊検査装置
からなることを特徴とする。

【００１１】本発明装置を手術装置として適用した場合
には、次の作用となる。高速Ｘ線ＣＴ装置による断層写
真（２次元）の部位をずらして複数枚撮影し、これらか
ら３次元のＸ線画像を作成する。ここでＸ線ＣＴは高速
なほど患者の動きに対する影響を除去可能である。ま
た、心臓等のように時々その形状を変化させる臓器につ
いては同じ位置での撮影を増やし、時間的変化の全てに
対し、３次元画像を生成する。同じ部位（必ずしも正確
に同じではなくても良い）に於る超音波３次元画像を生
成する。Ｘ線画像と超音波画像を重ね合わせる。このと
き超音波、Ｘ線双方によって同定し易い骨、臓器の特徴
部を照合対象とし、体外の機械的な情報は補完程度とす
る。このとき、照合対象が不明確な場合は体内にマーク
用の針等を挿入し、これを照合対象として両画像を合成
することもできる。同時に超音波ヘッド、手術装置のマ
ーカによって得られる座標情報と関係付ける。即ち、こ
れらを患部に対するマニピュレータの制御情報のベース
データとして用いる。なお、ＣＴ装置は撮影に機械的駆
動部を有しない電子ビームＣＴが高速化、３次元画像化
に有効である。

【００１２】また、患者が動いても超音波画像はリアル
タイムで入手できるため、体内マークを利用する限り、
超音波画像にＣＴ画像に重ねた画像は画像上に於て正確
な患部を表わす。この超音波ヘッドの位置姿勢はマニピ
ュレータ座標とリアルタイムに関係付られるため、複合
画像上の患部位置は、最初の位置（患者の動き以前）に
関係なく、マニピュレータから正確に同定できる。念の
ために、超音波ヘッドはその位置姿勢を同定する機械的
手段（ゴニオメータ）上に設置される。ゴニオメータ、
超音波ヘッドの位置姿勢計測装置（３次元ＣＣＤ）、Ｘ
線ＣＴ受像器、マニピュレータ、マニピュレータ先端の
手術装置は機械的に正確に連結・計測可能である。従っ
て、患部をベースとした座標と装置の一部（例えばＣＴ
受像器）を原点とする座標はお互いを相互監視可能で、
手術ミス等を排除可能である。

【００１３】患部に対して位置・姿勢を自在に設定でき
る高剛性なマニピュレータと一方向にのみ動かせる挿入
装置を組み合わせる。挿入装置の収納位置ではマニピュ
レータが伸びきった状態でも患者に触れない構造とす
る。従って、マニピュレータとしては伸びきった状態で
は作業位置・姿勢の作り難い腕型のものよりは直動シリ
ンダ等を組み合わせたパラレルリンクマニピュレータが
適切である。また、パラレルリンクマニピュレータは剛
性も高く、正確な操作に有効であるとともに、後述のロ
ック機構も容易に実現できる。本マニピュレータにはロ
ック機構が設置され、挿入装置収納状態で挿入位置・姿
勢を決定した後は挿入装置を除く全ての駆動部を機械的
に完全ロックする。このとき、駆動部が液圧シリンダ方
式であればその液圧の往復路を閉じることで、伸縮の双
方向をロックできる。開閉弁を手動方式とすればノイズ
等で弁が誤動作することもない。また、液体として水圧
を用いることは油を用いた場合のように万一のもれ等に
よる手術室の油汚染等を防ぐことが可能となる。挿入装
置は合成画像（リアルタイムに修正）を見ながら、遠隔
でも、あるいは医師自ら動かすことができる安全性の高
い方式となっている。医師が挿入装置を動かすときも実
際に活用する透視装置は超音波画像装置のみであり、医
師も安全に作業が行なえる。

【００１４】

【発明の実施の形態】ここで、本発明の実施の形態につ
き図１〜図１４を参照して説明する。図１は、本発明を
手術装置に適用した場合、例えば注射針を肝臓に挿入し
てアルコールを注入する場合、更には注射針の位置決め
までを行う手術支援装置に適用した場合の全体構成を示
している。図１において、手術装置０１には、Ｘ線ＣＴ
像を生成するための電子ビームＸ線ＣＴ装置１０を有
し、超音波画像を生成する超音波画像装置２０がゴニオ
メータ３０の先端に設置された状態で組み込まれてい
る。また、マニピュレータ４０の先端には挿入装置５０
が設置されている。手術用モニタ６０は手術装置０１の
一部に移動可能な状態で設置される。また、ゴニオメー
タ３０、マニピュレータ４０もレール７０上に往復自在
に取りつけられている。また、超音波画像装置２０、マ
ニピュレータ４０もしくは挿入装置５０上のマーカ２０
１，４０１等の３次元位置を計測する３次元ＣＣＤカメ
ラ８０がゴニオメータ３０と共にゴニオメータ基台３１
上に設置される。

【００１５】一方、演算処理装置０２は各装置の間の座
標変換演算を行なう。座標変換装置１００、Ｘ線ＣＴ装
置１０の画像を生成するＣＴ画像処理装置１１０、超音
波画像装置２０の画像を生成するＵＳ像装置１２０、お
よびこれらの画像を合成する合成装置１３０を有する。
また、ＣＴ画像を表示するＣＴ表示装置１４０、超音波
像を表示するＵＳ表示装置１５０およびこれらの合成像
を表示する合成ディスプレイ１６０から成る。なお、合
成ディスプレイはＣＴ、超音波それぞれの単独像、これ
らの複合像をマルチウィンドで表示したり、画像の拡大
縮小、回転等が自在に行なえるものであり、所要の表示
を選択できる。なお、手術モニタ６０の機能も合成ディ
スプレイ１６０の表示と同等とすることにより、手術の
有効支援が可能となる。また、演算処理装置０２にはマ
ニピュレータ４０や電子ビームＣＴ１０の制御装置１７
０や１８０が組み込まれている。

【００１６】以上が全体構成の概略であるが、かかる装
置にて前述の目的達成のためには、電子ビームＸ線ＣＴ
装置１０及び超音波画像装置２０それぞれによって得ら
れた画像の合成が必要となり、次にその合成について述
べる。電子ビームＣＴ装置１０およびＣＴ画像処理装置
１１０で得られた３次元透視像は超音波画像処理装置２
０とＵＳ像装置１２０で得られた３次元像と体内の明確
に表示できる部分（不変部分）、もしくは挿入装置５０
により体内に挿入された薬注針５０１をお互いの照合マ
ークとして重ね合わせられ、合成３次元像となる。この
合成をイメージ的に２次元にて示したものが図２であ
り、（ａ）に示すＸ線ＣＴ画像に対して（ｂ）の超音波
画像（ＵＳ像）を重ね合わせて合成画像（ｃ）を得るも
のであり、具体的には、まず、 (i) ＣＴ像（座標軸Ｘ_o−Ｙ_o）と超音波像（座標軸Ｘ
_u−Ｙ_u）で明確に表示できる部分（例えばここでは背
骨ａとする）をお互いの画囲の中で重ねる（平行移
動）。 (ii) 背骨ａのりんかくが重なるように、どちらかの像
（座標軸Ｘ_o−Ｙ_o）を回転する（ここではＣＴ像を回
転）。 (iii) 全体の像のりんかくが重なるようにＣＴ像を拡大
・縮小する。 (iv) これら(i) 〜(iii) の工程をくり返し、合成精度
を高める。このようにして、図２（ｃ）のような精確な合成画像を
得るものである。ここで体内患部の近傍に明確なマーカ
となる画像が得られない場合には薬注針５０１等を危険
がなくかつ患部近傍に挿入し合成用の照合マークとす
る。ここで、照合マークは、体内マークが最も望ましい
が、患者の動きが激しくない場合にはＣＴを撮像して得
られる体の表面形状や体表面に置いた例えば鉛小円板な
どのマークをＣＣＤにて撮像して透視像を得ることがで
き、これら体表マークを超音波にて関係付けるようにし
てもよい。また、超音波とＣＴ像のマーカは画像を判別
する専門の医師が外部から選択、補正決定することが可
能である。

【００１７】以後、ＵＳ像の変化に対応し、同様な操作
を実時間で実施することによって、医師は合成ディスプ
レイ１６０、および、手術モニタ６０上で詳明で、か
つ、正確な透視像を得ることが可能になる。そして、合
成画像内に患部ｂを表示することによって、手術中にも
リアルタイムで患部ｂを観察することができる。体内の
照合マークがない場合、すなわち薬注針５０１等を用い
る場合、なるべく患者を固定するように努力してゴニオ
メータ３０からの位置・姿勢で合成画像を補償しながら
観察する。この場合確認のため手術開始後に挿入装置ロ
ック状態を作り、医師が別室に退室した後、再度薬注針
５０１をマークに合成画像の修正を行ない、問題がなけ
れば再度手術を実行するということも可能である。ここ
での手術は例えば薬注針５０１によりエチルアルコール
をガン細胞に注入して石綿化させるという手術を念頭に
置いている。なお、体内マークを用いる場合はともか
く、体外マークを用いて注射針を挿入して注入する手術
装置に用いる場合、患者の固定は必要となるが、注射針
位置決めまでの手術支援装置の場合には、注射時の短い
時間の固定で済む。

【００１８】つぎに、超音波装置等により得られる座標
に基づきマニピュレータ４０の制御情報のデータベース
とするための座標変換につき述べる。患部を原点とする
ＣＴ像の座標系（Ｘ_o−Ｙ_o系）は、図２に示す合成後
超音波画像装置２０上での座標系（Ｘ_u−Ｙ_u系）を用
いて表現できる。すなわち、座標Ｋ_o（Ｘ_o，Ｙ_o）を
座標Ｋ_u（Ｘ_u，Ｙ_u）にて表現できる。一方、座標Ｘ
_u−Ｙ_u系にて機械的に拘束され固定されているマーカ
２０１を３次元ＣＣＤカメラ８０にて位置計測すること
によって、そのＣＣＤカメラ８０の座標系（Ｘ_c，Ｙ_c
系）に置き換えることができ、引いては患部の座標をカ
メラ座標Ｋ_c（Ｘ_c，Ｙ_c）にて表現できる。すなわ
ち、Ｘ_o−Ｙ_o系からＸ_u−Ｙ_u系への変換はＫ_u＝Ａ
_ouＫ_oとなる。ここでＡ_ouはＸ_o−Ｙ_o系からＸ_u−Ｙ
_u系への変換演算子を示す。したがって、患部座標から
カメラ座標への変換は、Ｋ_c＝Ａ_ucＫ_u＝Ａ_ocＫ_oとな
り、Ａ_oc＝Ａ_ou・Ａ_ucとして行なうことができる。

【００１９】つぎに、患部をマニピュレータ４０更には
アクチュエータや挿入装置５０の座標に置きかえ本例で
の手術支援につき述べる。３次元ＣＣＤカメラ８０によ
って、挿入装置５０上のマーカ４０１も計測することが
でき、挿入装置５０の座標系（Ｘ_i−Ｙ_i系）とカメラ
座標系（Ｘ_c−Ｙ_c系）との座標変換が可能となる。つま
り、患部の座標をカメラを介して挿入装置５０の座標系
に置き換えることができる。すなわち、Ｋ_i＝Ａ_ciＫ_c
＝Ａ_oiＫ_oとなり、ここでＡ_ci＝Ａ_ou・Ａ_uc・Ａ_ciであ
るので、座標Ｋ_o（Ｘ_o，Ｙ_o）を挿入装置座標系Ｋ_i
（Ｘ_i，Ｙ_i）となる。

【００２０】更に、挿入装置５０はマニピュレータ４０
の先端に位置することになるので、マニピュレータ４０
の基点座標系（Ｘ_m−Ｘ_m系）にて表現できる。つま
り、Ｋ_m＝Ａ_imＫ_i＝Ａ_om・Ｋ_oとなり、Ａ_om＝Ａ_ou・
Ａ_uc・Ａ_ci・Ａ_imである。

【００２１】また、マニピュレータ座標にてマニピュレ
ータ先端の位置・姿勢Ｋ_mが定義できれば、アクチュエ
ータの動作量Ｌ_mを算出することができる。つまり、Ｌ
_m＝ＢＫ_mとなる。ここで、Ｂはマニピュレータの基点
座標とアクチュエータ動作量とを関係付ける演算子であ
る。

【００２２】この結果、マニピュレータ４０の各アクチ
ュエータを必要量動かすことによって患部へのアクセス
が可能となる。つまり、実際上は、挿入装置５０の空間位置の設定及び挿入量の決定マ
ニピュレータの位置・姿勢の固定挿入装置５０のロッ
クの解除医師による薬注針５０１の挿入というアクセ
スが可能となる。そして、このとき薬注針５０１は合成
超音波像にてモニタ表示される。

【００２３】原理上は、上述の座標変換により患部と挿
入装置５０との関連ができたわけであるが、更に精度の
向上及び信頼性の確保のため次のようにした。ゴニオメ
ータ３０は超音波画像装置２０と機械的に結合されてい
るため、超音波画像座標系（Ｘ_u−Ｙ_u系）は、ゴニオ
メータ３０の基点座標系（Ｘ_g−Ｙ_g系）にて表現でき
る。そして、ゴニオメータ３０それ自体は角測定機能を
有するため、ゴニオメータ３０の関節の角度をθ及び関
節角度θから基点座標Ｋ_g(Ｘ_gＹ_g）で先端を表現する
ための演算子をＣとした場合、超音波座標とゴニオメー
タ座標の変換はＫ_g＝Ｃ・θ＝Ａ_ug・Ｋ_uとなる。

【００２４】更に、ゴニオメータ３０とマニピュレータ
４０とは機械的に結合されるため、Ｋ_gはＫ_mを用いて
表現することができ、Ｋ_m′＝Ａ_gm・Ｋ_g＝Ａ_om・Ｋ_o
となり、Ａ_om＝Ａ_ou・Ａ_ug・Ａ_gmとなる。前述した（Ｘ
_o−Ｙ_o）→（Ｘ_u−Ｙ_u）→（Ｘ_c−Ｙ_c）→（Ｘ_i
−Ｙ_i）→（Ｘ_m−Ｙ_m）による座標変換にて求められ
たＫ_mとこの（Ｘ_g−Ｙ_g）を用いたＫ_m′とは、本来
一致すべきものであるが、実際上誤差を有するためＫ_m
≒Ｋ_m′となる。したがって、この差異を監視すること
によって信頼度の高い装置を得ることができる。更に、
Ｋ_mとＫ_m′とを得たことにより、手術又は手術支援に
当たりその平均値を利用したり、また差が大き過ぎると
きは停止させるとか、双方の値により初期化を容易にで
き、また実時間で使用しやすい値を用いる等の活用がで
きる。また、Ｋ_m又はＫ_m′いずれかのルートのみの座
標変換を行って位置決めを行うことは、精度上問題とな
らない場合には構造上、演算上の簡単化となって効果的
である。

【００２５】図２に示すＣＴ像の超音波像への移動や回
転は、背骨ａや薬注針５０１にて行なうのであるが、超
音波画像による体内マークが不明瞭な場合には、図３に
示す機械系による座標・変換原理によって、最初に合成
した画像をベースとしてそれに基づき新たな合成画像を
作ることができる。

【００２６】図１に示す全体構成と図２，図３に示す各
座標変換は、上述のとおりであるが、ここで図１の各構
成要素について説明しておく。（電子ビームＸ線ＣＴ）図５は電子ビームＸ線ＣＴスキ
ャナの原理を示し、図４は通常のＸ線ＣＴ装置を例示
し、図６は断層図の３次元合成の概観を示す。図４にお
いて、Ｘ線発生器１０１から出たＸ線は人体を透過し受
光器１０２にはいる。このときのＸ線体内吸収によって
その受光強度が変化する。そして、発生器１０１と受光
器１０２を同時回転させ、同様な操作を行ないこれらの
２次元的に合成することで一枚のＸ線ＣＴ断層図が得ら
れる。その後、水平方向に人体（もしくはＸ線発生器１
０１・受光器１０２）をずらして同様な操作を行うと別
の断層図が得られる。これらを３次元座標上に並べ各断
層間を滑らかに継げると３次元透視画像が得られる（図
６）。図４は通常のＸ線ＣＴであるが、本発明では高速
化のため人体移動のない電子ビームＸ線ＣＴを得てお
り、この電子ビームＣＴ（図５）はこれら一連の走査を
機械的な動きを伴なうことなく実現するものであり、高
速なＣＴ像を得ることができる。図５にて電子銃１１１
から出た電子線（電子ビーム）１１２は偏向マグネット
１１３によってターゲットＡ₁へ向けられる。ターゲッ
トＡ₁に電子ビームがあたるとＸ線が発生し、その一部
は体内を通過して受光器１０２へ向う。ここでターゲッ
トＡ₁の角度を適切にすると、効率よくＸ線を対応する
受光器１０２に向けることができる。ターゲットＡ₁は
円周状に細かく配置されており、偏向マグネット１１３
により電子ビーム１１２を順次あてることによって通常
ＣＴ装置の照射・受光器の回転動作と同じ作用をさせる
ことができる。なお、ターゲット位置を特定できるよう
にすることで、ターゲット自体を動かすこともできる。
また、角度と位置の異なるターゲットＡ₂を用いるとＸ
線の通過部が距離Δ１異なるため、人体をΔ１動かした
のと同様な効果が得られる。このようにして、電子ビー
ムの偏向と異なるターゲット位置により、図６の如き人
体の断層図が高速にて得られる。なお、通常のＸ線ＣＴ
は患者を囲むようにリング状になっているが、マニピュ
レータ等の設置に支障なく設置できれば、図４に示す通
常のＸ線ＣＴでも適用できる。更には、高画質の画像が
得られれば、超音波ＣＴに置きかえることもできる。

【００２７】（超音波画像装置）超音波画像装置は多く
の形式が考えられ、図７に示す例示により２次元的に説
明する。超音波発受信器２１０（ＳＲ₁）から発射され
た音波は音の透過特性が異なる物体があるとその一部が
反射し、超音波発受信器２１０に反射波として再びキャ
ッチされる。同様に、超音波発受信器２１１（ＳＲ₂）
で同様な現象が生じる。このとき、超音波の速度Ｖ_usが
既知であれば音波の反射波をキャッチするまでの時間を
測定することによって、その位置を同定することができ
る。超音波発受信器２１０，２１１から対象までの距離
をｒ₁ｒ₂とした場合、次式となる。すなわち、ｒ₁＝
Ｖ_us・Δｔ₁／２で、Ｖ_usは超音波伝播速度、Δｔ₁は
ＳＲ ₁での送受信時間、ｒ₂＝Ｖ_us・Δｔ₂／２で、Δ
ｔ₂はＳＲ₂での送受信時間である。反射体２１２の位
置はｒ₁ｒ₂を半径とする円上にあり、その交点Ｐ_Rが
その位置となる。なお、一般的には方程式を用いて２次
元面内にて確実に反射体を同定するためには３個の超音
波送受信器を必要とする。すなわち、２次元の平面内で
の位置の確実な同定は、例えばＸ−Ｙ平面内でのＳ
Ｒ₁，ＳＲ₂の外ＸＹ平面外でのＳＲ₃による計測にて
確実化する。同様に３次元での反射体の位置を求めるた
めには、４個の超音波送受信器により確実に同定するこ
とができる。原理的にはこのようにして３次元的超音波
画像（反射物体像）が得られるが、更に解像度向上のた
めには、ビームを絞って反射波の量を増やすことが行わ
れ、そして、ビームを絞ると音波が反射体へあたる確率
が減ずるため、様々な入射角度をもった超音波送受信器
を多数個配置（アレイ化）することが行なわれる。以上
のように、超音波画像装置２０は原理が単純なため、処
理時間が早くリアルタイム化に効果的であるが、ＯＮ−
ＯＦＦ的信号を用いるため、詳細な画像は得難く、画像
の質向上には上述のようにアレイ化が有効であるが、処
理時間が多く要する（既送信波の減衰を待って次の送信
波の入射が必要）ことになる。本発明では、最低限ＣＴ
像を重ね合せるマーカ位置のみ明確化するために利用で
きる。

【００２８】（３次元ＣＣＤカメラによるマーカ位置の
同定）３次元ＣＣＤカメラ８０によって超音波画像装置
２０のマーカ２０１と挿入装置５０のマーカ４０１との
位置を特定するのであるが、３次元ＣＣＤには図８に示
すように２つのＣＣＤカメラ８０ａ，８０ｂとこれを保
持するパンチルト台８１０からなり、パンチルト台８１
０には回転軸８１１と屈曲軸８１２とを有して対象とな
るマーカを視野内に入れることができるよう、姿勢を自
由に変えることができる。マーカ２０１，４０１は超音
波画像装置２０や挿入装置５０の各座標系に対して幾何
学的に正確に固定され、その先端には２つ以上（図８は
３個）のレーザ光源２０２，２０３，２０４，４０２，
４０３，４０４を有する。レーザ光源２０２，２０３，
２０４，４０２，４０３，４０４はＣＣＤカメラ８０
ａ，８０ｂに対し周囲画像よりも鮮明にとらえることが
できる。ＣＣＤカメラ８０ａ，８０ｂは、ステレオカメ
ラの手法によって画面の奥行き（カメラまでの距離）を
得ることができ、カメラ座標とマーカ２０１，４０１の
各座標により３次元的にマーカ位置を同定することがで
きる。図９は、ＣＣＤカメラ８０ａ又は８０ｂによるカ
メラ像を示している。なお、レーザ光源を２個以上用い
ることによりマーカ２０１、４０１が取付けられた超音
波画像装置本体あるいは挿入装置本体の姿勢を知ること
ができる。

【００２９】（モニタ６０への表示）モニタ表示は、画
像情報の必要な表示とその利用の仕方により適切に分割
され、例えば次の表示が可能であり図１０の如くにな
る。１）超音波画像装置２０のリアルタイム像２）時前撮影のＸ線ＣＴ像（３次元or断層）３）ＣＧによる薬注針表示（マニピュレータ含む）４）合成画像５）必要に応じターゲットへのガイダンスマークの重畳

【００３０】（パラレルリンクマニピュレータ）説明の
簡単化のために図１１にて２次元にて説明する。構成と
しては、次のようになる。なお、添字ａは片側、添字ｂ
は他の片側を示す。すなわち、基台４２０に球ジョイン
ト４２１を介して、シリンダ４２２が取りつけられる。
シリンダ４２２にはピストン４２３が内挿されシール４
２４で完全に両シリンダ室４２７，４２８は分離され
る。ピストン４２３はロッド４２５に連結され、その先
端で球ジョイント４２６を介して先端台４２７と連結さ
れる。シリンダ室４２７，４２８はそれぞれ配管４３
０、サーボ弁４３１、水圧ポンプ４３２を介して、清浄
水タンク４３３に継がる。また配管４３０には締め切り
弁４５０がそれぞれ設置される。ロッド４２５とシリン
ダ４２２の相対距離はストロークセンサ４４０で測定で
きる。ポンプ４３２で圧力化された水は圧力水管４３５
を通り、サーボ弁４３１に継がる。サーボ弁４３１はａ）ロッド４２５を伸長→配管４３０ａ，４３０ｄ側を
選択し、シリンダ室Ａ４２７側を加圧する。ｂ）ロッド４２５を収縮する場合→配管４３０ｂ，４３
０ｃを選択し、シリンダ室Ｂ４２７側を加圧する。ｃ）これらのとき加圧されないシリンダ室に継がる配管
は戻り管４３６側と接続される。このことによって、ピストンは加圧側の反対へ動くこと
になる。また、その動き（ストローク）はそれぞれスト
ロークセンサ４４０で計測できる。図１１において、ロ
ッドの位置は次式Ｌ²≒Ｘ²＋Ｙ²の関係となり、この
関係を保つことにより先端台４２７をＸだけ平行移動で
きる。また、図１１（ｃ）は先端台４２７の姿勢θを変
化したものである。図１１（ｃ）にてΔＹの変位は、式
ΔＹ＝（Ｌ_o／２）tan θとなり、ΔＹ＝Ｌ_b−Ｌ_aと
なる。ここでＬ_aはロッド４２８ａの位置、Ｌ_bはロッ
ド４２８ｂの位置である。上記のようにロッドストロー
ク位置を変化させることによって、先端台４２７、即
ち、先端台４２７に設置される挿入装置５０の位置と姿
勢を変化させることができる。以上の説明は、２次元
（２シリンダ）で説明したが、６本のシリンダを用いる
ことによって３次元的動きを作ることができる。即ち、
挿入装置の位置・姿勢を薬注針の直進動作のみで実施で
きる状態に持っていくことができる（６自由度パラレル
リンクマニピュレータ）。この場合ロッドストロークは
次のようになる。Ｌ_i＝ｆ（Ｋｍ）Ｌ_i：ロッドストローク（ｉ＝１〜６）ｆ：先端座標ロッドストロークを算出する演算子本状態を作った後、締切り弁４５０を閉じると、シリン
ダ室４２７，４２８、配管４３０は非圧縮性流体である
水で満たされる。ここで、ピストン４２３のシール４２
４はシリンダ室４２７，４２８の流体の移動を完全に防
止するため、ロッドは完全ロック状態となる。従って、
外力によるマニピュレータを動かそうとする力やサーボ
弁の誤動作があってもマニピュレータを完全ロック状態
に保ち、医師の操作による挿入装置のみが動くことが可
能で、安全な手術が実施できる。更に、ロック機構４６
０を動作させれば、マニピュレータは機械的にも完全に
ロックできる（本機構は容易に構成できるので説明を略
する）。なお、精度や安全性の点からパラレルマニピュ
レータとしたが、ロック機構や伸びきった位置での使用
が可能ならば、パラレルマニピュレータに限るものでは
ない。

【００３１】（挿入装置５０とアクセス限界）図１２に
おいて、挿入装置５０は注入ピストン５１０、ガイドシ
リンダ５１１、薬注針５０１、ロックネジ５１３、操作
ハンドル５１４等から成る。挿入装置５０の位置・姿勢
が決まるとロックネジ５１３がはずされ、ガイドシリン
ダ５１１は往復動自在となり、操作ハンドル５１４で操
作できる。このとき、ガイドシリンダ５１１の方向は患
部を向いており、その挿入量は手術モニタ６０に示され
る。また、挿入状況は合成画像、超音波画像で知ること
ができるのでそれをモニタしながら、薬注針５０１の挿
入を所定の位置まで行う。その位置で注入ボタン５１５
を押すと注入ピストン５１０が動いて、ガン用薬液（例
えば１００％エチルアルコール）が薬注針５０１を通っ
て患部へ注入される。また、ロックネジ５１３をゆるめ
る前の状態ではマニピュレータの最伸長位置に於いて、
マニピュレータ、挿入装置のいずれも患者の体表に接触
出来ない位置関係となっている。即ち、マニピュレータ
動作中（ロック以前）はどのような誤動作、操作があっ
ても患者の安全が完全に保たれる。

【００３２】（マニピュレータの直接操作）上述のよう
に挿入装置の位置・姿勢は自動的に決定することができ
るが、医師が直接マニピュレータを操作したいときのた
めに次のことが考慮される。操作ハンドル５１４の根元
部には力センサ５３０（６方向検出）があり、操作ハン
ドルに加えられた力の方向にマニピュレータが制御され
る。従って、医師は自らの手の感覚のみでアクセスの位
置・姿勢を設定することでできる。このとき当然のこと
ながら挿入装置の位置は自動的に演算されモニタへ表示
される。

【００３３】（ゴニオメータ）図８にて示すごとく多関
節型のゴニオメータにて説明するに、ゴニオメータ３０
はリンク３１０、屈曲軸３１１、回転軸３１２からなる
マニピュレータに似た構造で、その一部を簡略して示す
図１３の如く、リンク３１０どおしはロッド３２１と軸
受３２０にて回転自在となっており、ロッド３２１には
エンコーダ３２２が備えられている。このため、リンク
３１０が回転するとその相対角度変化がエンコーダ３２
２によって同時に測定され、従って前述のＸ_g−Ｘ_g系の
座標Ｋ_g＝Ｃ・θが行られることになる。すなわち、ゴ
ニオメータ３０の先端に設置される超音波画像装置の位
置・姿勢をゴニオメータ３０の基台３１０の基点を原点
とする座標系Ｘ_g−Ｘ_g系にて表現できる。

【００３４】なお、図３に示すように、ゴニオメータ３
０の基点、３次元ＣＣＤ８０の基点、マニピュレータ４
０の基点は機械的にリンクされているので、これらは互
いの機械的位置関係を知ることにより関連する。なお、
図１３（ｂ）に示すようにゴニオメータ３０にモータ３
３０を加えることにより多関節マニピュレータとして動
かせることも可能である。この場合、ロッド３２１をギ
ヤ３３１，３３２，３３３にて連結しており、このギヤ
３３２，３３３のギヤ比を加味してモータ３３０のトル
クは必要最小限とし、最大パワー時にても先端にて人体
の抵抗にて停止するようなものとする。このようにする
とゴニオメータ３０は外部からも操作可能でＣＴ撮影中
も超音波画像を操作可能となり、画像の複合（統合）が
より高精度に行える。また、Ｘ線ＣＴ装置１０、受光器
ゴニオメータ３０とマニピュレータ４０の基台はレール
７０上部をスライド可能でかつその移動量が検出可能で
ある（容易に実現できる構造なので省略）。従って、手
術に都合の良い位置関係を設定することができる。

【００３５】ここで、一例として肝臓ガン低侵襲手術に
つき本発明装置による処置を述べる。（１）ガンの検出と位置同定ガンの検出・同定は本装置を使用しても良いが、他の手
法でも良い。いずれにしても、Ｘ線ＣＴ装置の３次元画
像データとして表現する。（２）Ｘ線ＣＴ像を本装置を用いて撮影する。（３）超音波画像との統合超音波画像をみながら適切な体内マークのある部位で超
音波画像を入手する。（４）体内マークを参照してＸ線ＣＴ画像と超音波画像
を統合する。このとき、専門医師が適宜モニタを見なが
ら補正を加える。（初期統合画像）（５）初期統合画像を基本として、リアルタイム複合画
像を生成する。（６）挿入装置のアクセスポイントを演算する。（７）マニピュレータを動かし、挿入装置を挿入状態に
し、マニピュレータをロックする。（８）挿入装置ロックネジをはずし、医師が手の感触を
使いながら、薬注針を体表より少し侵入させる。ロック
ネジをロックする。超音波画像装置を患者上に設置す
る。（９）医師が手術室より一旦退室し、再度Ｘ線ＣＴ画像
を映す（患者を動かす必要がないので可能）。同時に超
音波ゴニオメータを動かし超音波画像も入手する。（10）アクセス方向に誤りがないかを室内外モニタで再
チェックする。（11）問題がなければ再び挿入装置ロックネジを外し、
挿入を行なって薬注を行なう。なお、肺ガンや脳手術等への適用、あるいは心臓等動き
を伴う臓器への適用も可能となる。

【００３６】図１４は、本破壊検査へ応用した例を示し
たものである。すなわち、Ｘ線と超音波とをリアルタイ
ムに用いて検査しており、例えば配管９０の容器部検査
等の精度の向上のために用いられる。図１４において、
電子ビームＸ線ＣＴ装置１０及び３次元ＣＣＤカメラ８
０とゴニオメータ３０、更には超音波画像装置２０を配
管９０の内外に備え、ＣＴ像と超音波像との画像合成を
行なうことにより、欠陥に対して超音波とＸ線とで相互
補完し合い精度向上が図れる。なお、電子ビームＣＴに
よる高速処理、可動部の不要性という効果もあり、ある
いはゴニオメータ３０を前述のアクティブ方式として完
全自動とすることができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、対
象の電子ビームＸ線ＣＴ画像及び超音波画像を重ね合わ
せることができて高精度にしかもリアルタイムに透視す
ることができ、Ｘ線ＣＴにしても超音波にしても３次元
画像を得ることができ、Ｘ線による被曝の問題は予めＣ
Ｔ画像を得ることにより除去でき、また、照合マーカを
対象自体に求められる場合には固定しなければならない
必要性も無く、誤動作、対象の姿勢変更は除去される。

【図面の簡単な説明】

【図１】全体構成図。

【図２】ＣＴ像と超音波像とを合成する説明図。

【図３】各部座標系と座標変換手順の説明図。

【図４】通常のＸ線ＣＴの説明図。

【図５】電子ビームＣＴの原理説明図。

【図６】断層図の合成説明図。

【図７】超音波画像装置の原理説明図。

【図８】マーカによる空間位置固定のための説明図。

【図９】ＣＣＤカメラ像の説明図。

【図１０】モニタのイメージの表示例を示す図。

【図１１】パラレルリンクマニピュレータの構成図。

【図１２】挿入装置と安全動作条件の説明図。

【図１３】ゴニオメータの回転部の構成図。

【図１４】非破壊検査の応用例の説明図。

【図１５】従来例の手術装置の構成図。

【図１６】手術の手順を示す図。

【図１７】半固定型手術装置の構成図。

【図１８】バーチャルリアリティを応用する場合の図。

【符号の説明】

０１手術装置０２演算処理装置１０電子ビームＸ線ＣＴ装置２０超音波画像装置３０ゴニオメータ４０マニピュレータ５０挿入装置６０モニタ８０（８０ａ，８０ｂ）３次元ＣＣＤカメラ９０配管１００座標変換装置１１０ＣＴ画像処理装置１２０ＵＳ像装置１３０合成装置２０１（２０２，２０３，２０４），４０１（４０２，
４０３，４０４）マーカ４６０ロック機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者見持圭一兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者三木次夫兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者早柏宏一兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高精度な分解能を有する透視装置Ａと、
位置・姿勢を検出できる手段を備えた高速透視装置Ｂ
と、これらの装置Ａ，Ｂから得られた画像の座標軸を変
更して画像を一致させる演算処理装置とを有する低侵襲
手術装置からなる透視下操作装置。
【請求項２】上記座標軸の変更は人体の一部や外部か
らの挿入物である体内マーカによる照合マーカを合致さ
せるように行なう請求項１記載の透視下操作装置。
【請求項３】上記座標軸の変更は、外部に備えられた
体外マーカによる照合マーカを合致させるように行う請
求項１記載の透視下操作装置。
【請求項４】透視装置Ａ及び高速透視装置Ｂそれぞれ
の座標軸に基づきマニピュレータの座標軸に変更して上
記マニピュレータを制御する請求項１記載の透視下操作
装置。
【請求項５】透視装置Ａ及び高速透視装置Ｂそれぞれ
の座標軸に基づきかつ位置・姿勢を検出できる手段を備
えた上記高速透視装置Ｂの位置・姿勢を撮影するカメラ
及びマニピュレータの位置・姿勢を撮影する上記カメラ
の画像情報に基づき、上記マニピュレータの座標軸に変
換して上記マニピュレータを制御する請求項１記載の透
視下操作装置。
【請求項６】マニピュレータには、そのアクチュエー
タが最も伸びた状態で対象に接触しない配置とした請求
項４又は５記載の透視下操作装置。
【請求項７】マニピュレータとしてパラレルリンク型
マニピュレータを用いることとした請求項４又は５記載
の透視下操作装置。
【請求項８】マニピュレータは、力センサを活用して
零フォースにて先端を手動し得る機能を加味した請求項
４又は５記載の透視下操作装置。
【請求項９】マニピュレータは水圧駆動とした請求項
４又は５記載の透視下操作装置。
【請求項１０】マニピュレータにはロック機構を備え
た請求項４又は５記載の透視下操作装置。
【請求項１１】透視装置Ａは電子ビームＸ線ＣＴ装置
であり、高速透視装置Ｂは超音波画像装置である請求項
１記載の透視下操作装置。
【請求項１２】高精度な分解能を有する透視装置Ａ
と、位置・姿勢を検出できる手段を備えた高速透視装置
Ｂと、これらの装置Ａ，Ｂから得られた画像の座標軸を
変更して画像を一致させる演算処理装置とを有する非破
壊検査装置からなる透視下操作装置。