JPH11197159A - 手術支援システム - Google Patents

手術支援システム

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JPH11197159A
JPH11197159A JP449898A JP449898A JPH11197159A JP H11197159 A JPH11197159 A JP H11197159A JP 449898 A JP449898 A JP 449898A JP 449898 A JP449898 A JP 449898A JP H11197159 A JPH11197159 A JP H11197159A
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surgical
data
simulation
patient
surgery
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Hajime Sasaki
元 佐々木
Hitoshi Matsuo
仁司 松尾
Hideyuki Ban
伴　　秀行
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 手術シミュレーションと手術ナビゲーション
を一貫して運用でき手術計画と介入誘導を高度化できる
手術支援システムを提供する。 【解決手段】 手術シミュレーション機能１１の出力で
ある手術計画データ２を手術シミュレーション機能１２
の介入誘導に利用し，手術ナビゲーション機能１２の出
力である手術評価データ３を手術シミュレーション機能
１１へフィードバックして次回の手術計画に利用する。
機能情報も含めた仮想患者モデルを利用し，システム全
体で統一したユーザインタフェースを利用する。 【効果】 手術計画通りの介入誘導と手術結果に基づい
て適切な手術計画が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は，医療行為における
主に外科的治療の計画及び実施を支援する手術支援シス
テムに関する。
【０００２】
【従来の技術】社会の高齢化が進む中，医療の現場では
いかに患者の生活の質を落とさずに治療効果を上げるか
が重要な課題となっている。外科領域では，術前に最適
な術式やアプローチ方向等を決める術前計画と，術中に
術野周辺の状況と患部と手術器具との関係を把握して計
画どおりに手術を行う術中誘導の２点が特に重要であ
る。 術前計画において，医師は患者の状態に基づき様
々な術式やアプローチを想定して手術の計画を立てる。
この際，様々な選択肢を仮想的に試行することができれ
ば，より信頼性の高い計画を立てることが可能となる。
これを手術シミュレーションと呼ぶ。例えば，日本ＭＥ
学会雑誌ＢＭＥ，Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．８（１９９
７），ｐｐ．１８−２３に記載されている「高次元画像
による手術シミュレーション」のように，Ｘ線ＣＴやＭ
ＲＩ等の医用３次元画像等から仮想空間に臓器等のモデ
ルを作成し，術前に最適アプローチ方向や内視鏡の視野
予測等の計算を行い，バーチャルリアリティ（仮想現実
感）の技術等で医師に分かりやすく提示することが行わ
れてきた。
【０００３】一方，術中誘導において，安全確実に目標
部位へアプローチするためには，医師が患部周囲の状態
や患部と手術器具との位置関係等を常に把握している必
要がある。この位置関係をセンサ等で計測してリアルタ
イムで医師に提示することにより，計画どおりの正確な
手術が可能となる。これを手術ナビゲーションと呼ぶ。
この分野では，例えば，定位脳手術という術式におい
て，センサ等で手術器具の位置と方向を測定し，穿刺針
の先端位置を術前画像の上に示すという研究が主に行わ
れてきた。また，日本ＭＥ学会雑誌ＢＭＥ，Ｖｏｌ．１
１，Ｎｏ．８（１９９７），ｐｐ．３−８に記載されて
いる「三次元画像ナビゲーション（Ｖｏｌｕｍｅｇｒａ
ｐｈ）」のように，術前画像より再構成した病変部の３
次元画像を，ハーフミラーを用いて患者頭部に重ね合わ
せて見せるという，オーグメンテッドリアリティ（拡張
現実感）の技術を利用した試みもなされてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】第一に，上記の例を含
む公知技術では，手術シミュレーションと手術ナビゲー
ションは別個になされてきた。例えば，手術シミュレー
ションでどんなに最適な手術計画ができたとしても，そ
れを実施する際の誘導が全くない手術であったり，完全
に別個のナビゲーションシステムであったりしたため，
手術シミュレーションで立案された計画のとおりに実行
することは困難であった。一方，手術ナビゲーションで
どんなに正確に術者の誘導ができるとしても，もし手術
計画に誤りがあったり，患者の予期せぬ急変があったり
した場合には，誘導を断念せざるを得ない。従来の手術
ナビゲーションは，計画が絶対に正しいという前提で誘
導しているため，その前提が崩れた場合でもその教訓を
次回の手術計画に直接生かすことが困難であるという問
題があった。
【０００５】第二に，上記の例を含む公知技術では，手
術シミュレーションで利用する患者・患部のモデルは，
医用画像から得た形状情報と，力学特性に基づき計算し
た力学的情報，すなわち物理的なモデルが利用されてい
た。従って，手術シミュレーションも，穿刺方向決定や
臓器変形予測等の物理的なものに留まっており，手術に
伴う血流量の変化や，最適麻酔量等の機能的な予測に基
づいた手術計画は困難であるという問題があった。
【０００６】第三に，上記の例を含む公知技術では，手
術シミュレーションのユーザインタフェースと手術ナビ
ゲーションのユーザインタフェースが別個のものであっ
たため，術中の操作そのものを術前に訓練するのは困難
であるという問題があった。
【０００７】本願発明の目的は，上記従来技術の課題を
解決し，手術シミュレーションと手術ナビゲーションを
一貫して運用でき手術計画と介入誘導を高度化できる手
術支援システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の手術支援システ
ムでは，画像や検査結果等の術前患者データを入力とし
て，医師の介入に対するシミュレーションを行って，最
適手術条件や最適アプローチ等の手術計画データを出力
する手術シミュレーション機能と，画像や測定値等の術
中患者データや，医師の介入に対する術中誘導を行っ
て，採用した手術条件や実際のアプローチ等の手術評価
データを出力する手術ナビゲーション機能とを有し，手
術シミュレーションの出力である手術計画データを手術
ナビゲーションの入力の一部として利用し，手術ナビゲ
ーションで得られた手術評価データを次回以降の手術シ
ミュレーションの入力の一部として利用することに特徴
があり，患者の形状や力学特性等の物理情報だけではな
く，心肺機能情報や麻酔反応情報等の機能情報も含めた
仮想患者モデルを使用し，手術シミュレーションと手術
ナビゲーションの各段階で利用するユーザインタフェー
スを共通化しておく。
【０００９】本願発明では，手術シミュレーションと手
術ナビゲーションを一貫して運用でき，手術計画と介入
誘導を高度化でき，手術計画通りの介入誘導と手術結果
に基づいて適切な手術計画が可能になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の手術支援システム１を，
図１を用いて説明する。手術支援システム１では，術前
画像や術前検査結果等の術前患者データ４１を入力とし
て，手術における医師６の介入に対する結果を予測する
仮想患者を構築する仮想患者構築処理１０１を行う。次
いで，仮想的な医師の介入である仮想介入データ４２を
入力として，仮想患者の情報に基づいて結果予測を行い
患者予測データ４３を出力する手術シミュレーション実
施処理１０２を行う。ここで得られた仮想介入データ４
２と患者予測データ４３の組から，最適な仮想介入デー
タ４２の組み合わせを選定する手術計画立案処理１０３
を行う。最終的には，構築した仮想患者の情報と，例え
ば，最適手術条件や最適アプローチ等の最適仮想介入デ
ータ４２の組とを，手術計画データ２として出力する。
これが手術支援システム１における手術シミュレーショ
ン機能１１である。
【００１１】また，手術支援システム１は，術中画像や
術中測定値等の術中患者データ４４と，前述の手術計画
データ２とを入力として，術前情報で構築された仮想患
者のデータを現実の患者５に近づける仮想患者修正処理
１０４を行う。次いで，実際に医師６が患者に対して行
う介入行為４５をセンサや画像認識等で計測して得られ
た，例えば，穿刺針の先端位置及び方向等の医師介入デ
ータ４６と，前述の患者術中データ４４を入力として，
医師６の介入行為４５が計画どおり進むよう誘導するた
めの介入誘導データ４７を出力する手術ナビゲーション
実施処理１０５を行う。ここで得られた術中データ４４
と医師介入データ４６と介入誘導データ４７を解析する
手術結果評価処理１０６を行う。最終的には，修正した
仮想患者の情報と，例えば，実際に採用して奏効した介
入行為４５や，採用したのに予想した効果が得られなか
った介入行為４５や，患者の予期せぬ反応のため採用で
きなかった介入行為４５等を抽出した，患者術中データ
４４と医師介入データ４６との組とを，手術評価データ
３として出力する。これが手術ナビゲーション機能１２
である。
【００１２】更に，手術評価データ３を手術シミュレー
ション機能１１の入力として，仮想患者構築処理に使用
するものとする。
【００１３】以上のように，手術シミュレーション機能
１１の出力である手術計画データ２を手術ナビゲーショ
ン機能１２の入力として，手術ナビゲーション機能１２
の出力である手術評価データ３を手術シミュレーション
機能１１の入力として，相互に利用することにより，手
術シミュレーションで立案した手術計画のとおりに的確
な手術ナビゲーションをすることを可能とし，かつ手術
ナビゲーションの結果得られた手術評価を生かしてより
信頼性の高い手術シミュレーションをすることを可能と
した。
【００１４】また，手術支援システム１において，患者
５の形状や力学特性等の物理的情報だけではなく，心肺
機能情報や麻酔反応情報等の機能情報も含めた仮想患者
を構築して利用することことにより，手術に伴う血流量
の変化や，最適麻酔量等の機能的な情報に基づいた手術
シミュレーションや手術ナビゲーションを可能とした。
【００１５】更に，上記した手術支援システムにおい
て，手術シミュレーションと手術ナビゲーションの各段
階で利用する入出力手段１３におけるユーザインタフェ
ースを共通化することにより，手術本番さながらの手術
シミュレーションによる実践的な手技訓練や，訓練さな
がらの手術ナビゲーションによる迅速確実な介入誘導を
可能とした。また，手術支援システム１での各機能１
１，１２における各処理１０１，１０２，１０３，及
び，各処理１０６，１０５，１０４は，実際には共通の
処理手段１４によって実行され，記憶手段１５も各機能
１１，１２において共通に使用される。
【００１６】次に，侵襲が少ない優れた術式として近年
急速に発展した腹腔鏡下胆嚢摘出術への適用を例にとり
説明する。腹腔鏡を用いた胆嚢摘出では，（１）穿刺孔
を正しく位置決めする，（２）胆嚢胆管合流部の胆管走
行を3次元的に把握する，（３）肝動脈等の大血管を避
ける，等の課題があり，誤って総胆管や肝動脈を傷つけ
たら直ちに開腹して処置をする必要がある。これらの課
題をクリアするため，以下の方法で支援することを考え
る。
【００１７】図２に，手術支援システムの構成例の一つ
を示す。本例では，統合処理装置１４１に，直接または
ローカルエリアネットワーク１００１やインターネット
１００２を介して間接に接続された仮想患者データベー
ス用記憶装置１５１と入力インタフェースと出力インタ
フェースとから構成される。入力インタフェースとして
は，位置・角度センサ付きの手術用データグローブ１３
１や，センサ付きの腹腔鏡１３２や，手術器具１３３等
を利用する。この場合に入力されるデータは，医師の手
の位置及び角度，指の各関節の動き，手術器具の位置・
角度・操作状態等がある。出力インタフェースとして
は，２次元又は３次元の大型ディスプレイ１３４や，セ
ンサ付きのＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）１３
５等を利用する。ＨＭＤ１３５は位置や角度等をシステ
ムに入力する機能も同時に持つ。この場合に出力される
データは，手術シミュレーション時には仮想患者のデー
タに基づく画像や数値等の各種情報，手術ナビゲーショ
ン時には仮想患者のデータと実際の患者の術中データの
両方に基づく各種情報等がある。
【００１８】術前にはＭＲＩ・ＣＴ画像にて術野付近の
一般臓器及び血管を，ＤＩＣ−ＣＴ（胆管造影断層撮
影），ＤＩＣ（胆管造影）透視像にて胆管の走行をそれ
ぞれ取得する。また生化学検査やシミュレーション用の
専門の検査を行って得られた機能モデルのパラメータを
用いて，仮想患者のデータを構築する。人体のすべての
情報をモデル化するには技術的に困難であるが，循環機
能モデル・呼吸機能モデル・代謝機能モデル・麻酔機能
モデル等を組み合わせることで，比較的多様なシミュレ
ーションを行うことが可能となる。また，従来の臓器形
状モデル等では，画像データからモデルを再構成するボ
トムアップ方式のモデル構築を行っていたが，本例で
は，標準的な仮想患者の総合モデルを用意しておき，画
像データや検査データ等に基づき標準モデルのパラメー
タを変えることによって対象患者に対応した仮想患者を
作るトップダウン方式のモデル構築を行っても良い。
【００１９】準備が整ったら，手術シミュレーションを
行うが，まず３次元画像を表示して医師が術野を把握し
ている間，コンピュータが最適穿刺方向を自動算出し，
最終決定は医師が下す。また，手術シミュレーションに
は最適麻酔量等の算出機能を持たせ，麻酔計画もほぼ自
動で行えるようにする。術前計画の総まとめとして，本
番と同じ器具を用いて仮想手術のリハーサルを行い，問
題点を洗い出す。
【００２０】ここで図３を用いて，術中のナビゲーショ
ンの例を説明する。図３（ａ）に示す従来の腹腔鏡の表
示画面７１は視野（丸い視野）が狭く，特に総胆管と胆
嚢胆管の誤認等の恐れがあった。そこで術前に構築した
仮想患者の形状モデルを腹腔鏡画像にマッチングさせ，
図３（ｂ）に示すように，視野範囲外の三次元映像を補
完して大型３次元ディスプレイの表示画面７２のように
術者に提供する。また臓器表面だけではなく，臓器内部
の血管や胆石等を表示し，更に重要血管等の名前を文字
表示することにより，死角を減らし，血管等を誤って傷
つけることも避けることができる。文字表示にはアシス
ト機能を付加し，標的部位を提示したり，ミス防止の警
告を発するようにしておくことも効果がある。
【００２１】手術評価データは手術シミュレーションに
フィードバックされ，症例を重ねれば重ねるほど信頼度
の高い仮想患者を構築でき，より適切な術前計画とより
正確な術後予測，より現実に近いシミュレーションとよ
り的確なナビゲーションが可能となる。
【００２２】次に，本発明の第二の実施例として，血管
にカテーテルを挿入して塞栓や血管奇形等を治療する血
管カテーテル治療への適用を，図４を用いて説明する。
術前には造影画像やＭＲＩ等の画像をもとに，手術シミ
ュレーション機能を利用して最適アプローチ経路を決定
する。術中は，カテーテル先端の位置を各種センサやＸ
線透視画像等で検出し，大型３次元ディスプレイの表示
画面８１に，人体マップ画面８１２，８１３を用いて現
在のカーナビゲーションシステムのように誘導データを
提示する。内視鏡一体型のカテーテルを導入すれば，術
中に内視鏡画像を見ながらの挿入が可能となり，術中画
像を画像認識させたりすることにより，どの方向に進む
べきかを誘導画面８１１のように表示画面８１に挿入し
て文字や音声で提示する方式も可能である。
【００２３】本システムは，術式に応じてユーザインタ
フェースを切替えることにより，低侵襲手術だけではな
く，開腹・開頭する一般の術式にも問題なく適用でき
る。本発明の第３の実施例として，図５に一般術式に適
用した例を示す。医師６・助手６０は透過型のＨＭＤ１
３５を装着する。ＨＭＤ１３５の位置・角度から患者／
患部との相対位置を計算し，患者／患部と仮想患者のデ
ータを重ねて提示する。例えば，開腹する前に，患部の
位置や付近の大血管の位置関係を３次元的に把握するこ
とが可能となる。
【００２４】手には手術用のデータグローブ１３１を装
着し，手の位置・角度と指の動きをモニタする。使用す
る手術器具もセンサを備え，危険な動作には警告を出す
ようにする。
【００２５】図５は現実の患者５がいる手術本番の光景
であるが，まったく同じ機器構成で仮想患者だけを対象
とした手術シミュレーションも可能である。医師６の手
の動きや手術器具の動きに応じて仮想患者も皮膚が切開
され患部が露出し，止血を行わなければ出血多量で血圧
が下がる等，手術シミュレーションで患者の反応を忠実
に予測表現させることにより，医師６にとって仮想手術
と現実の手術の差異は著しく小さくなる。したがって，
本番さながらの仮想手術による綿密な計画，仮想手術さ
ながらの本番による迅速な実施が可能となる。
【００２６】なお，本システムの手術シミュレーション
機能は，遠隔地間で手術等の事前打ち合わせを行うテレ
カンファレンスや，学生や研修医等の訓練・教育にも活
用できる。また，手術ナビゲーション機能は，人間の手
ではアクセスできない部位や，微細な処置等を専用のロ
ボットを用いて行うロボット手術の管理や，更にそれを
遠隔地間で行う遠隔手術にも有用である。
【００２７】更に，本発明の手術支援システムは，外科
領域以外にも発展する可能性を持つ。仮想患者の機能モ
デルの部分を充実させれば，内科領域，薬学領域にも本
システムは適用可能であり，外科に限定されない総合的
な医療支援システムへと発展させることが可能である。
【００２８】一方，本システムはゲームやテーマパーク
等のエンターテイメントへの適用も容易である。高齢化
が進む現在，医療や保健に対する関心は非常な勢いで高
まっており，皆が楽しみながら正しい医学知識を学ぶこ
とができれば，大きな社会貢献にもつながる。
【００２９】
【発明の効果】本発明の手術支援システムでは，手術シ
ミュレーションで得られた手術計画データを手術ナビゲ
ーションに利用することによって，計画のとおりに的確
に介入誘導することができ，更に，手術ナビゲーション
で得られた手術評価データを手術シミュレーションに利
用することによって，より適切な術前計画を立てること
ができ，症例を重ねてこれを繰り返すことにより，手術
の計画・実行ともに安全・確実・迅速な高度なものにな
っていくという著しい効果がある。
【００３０】また，患者・患部の物理的情報だけではな
く機能的な情報も含めた仮想患者モデルを構築すること
により，機能的な手術シミュレーションを行うことがで
き，更に，内科領域・薬学領域にも適用できるという著
しい効果がある。
【００３１】更に，手術シミュレーションと手術ナビゲ
ーションとで共通したユーザインタフェースを採用する
ことにより，手術本番さながらの手術シミュレーション
による実践的な手技訓練や，訓練さながらの手術ナビゲ
ーションによる迅速確実な介入誘導が可能になるという
著しい効果がある。
【００３２】なお，本システムはテレカンファレンスや
訓練・教育，ロボット手術や遠隔手術にも有用であるほ
か，ゲームやテーマパーク等のエンターテイメントへの
適用も容易であるという，広く深い可能性を内包してい
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の手術支援システムの基本構成及び基本
機能を説明する概念図。
【図２】本発明の手術支援システムの実施例の構成例を
示す図。
【図３】本発明の手術支援システムを腹腔鏡胆嚢摘出術
に適用した例を説明する図。
【図４】本発明の手術支援システムを血管カテーテル治
療に適用した例を説明する図。
【図５】本発明の手術支援システムを一般術式に適用し
た例を説明する図。
【符号の説明】
１…手術支援システム，２…手術計画データ，３…手術
評価データ，５…患者，６…医師，１１…手術シミュレ
ーション機能，１２…手術ナビゲーション機能，１３…
入出力手段，１４…処理手段，１５…記憶手段，４１…
術前患者データ，４２…仮想介入データ，４３…患者予
測データ，４４…患者術中データ，４５…医師介入行
為，４６…医師介入データ，４７…介入誘導データ，６
０…助手，７１…従来の腹腔鏡の表示画面，７２…腹腔
鏡下胆嚢摘出術への適用例における大型３次元ディスプ
レイの表示画面，８１…血管カテーテル治療への適用例
における大型３次元ディスプレイの表示画面，１０１…
仮想患者構築処理，１０２…手術シミュレーション実施
処理，１０３…手術計画立案処理，１０４…仮想患者修
正処理，１０５…手術ナビゲーション実施処理，１０６
…手術結果評価処理，１３１…位置・角度センサ付き手
術用データグローブ，１３２…位置・角度センサ付きス
テレオ腹腔鏡，１３３…位置・角度センサ付き鉗子，１
３４…大型３次元ディスプレイ，１３５…位置・角度セ
ンサ付き透過率可変型液晶ステレオＨＭＤ，１４１…統
合制御処理装置，１５１…仮想患者データベース用記憶
装置，８１１…術中画像を利用した誘導画面，８１２…
人体マップを利用した誘導画面，８１３…カテーテル先
端部分の拡大画面，１００１…ローカルエリアネットワ
ーク，１００２…インターネット。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】画像や検査結果等の術前患者データを入力
    として，医師の介入に対するシミュレーションを行っ
    て，最適手術条件や最適アプローチ等の手術計画データ
    を出力する手術シミュレーション機能と，画像や測定値
    等の術中患者データや，医師の介入に対する術中誘導を
    行って，採用した手術条件や実際のアプローチ等の手術
    評価データを出力する手術ナビゲーション機能とを有
    し，手術シミュレーションの出力である手術計画データ
    を手術ナビゲーションの入力の一部として利用し，手術
    ナビゲーションで得られた手術評価データを次回以降の
    手術シミュレーションの入力の一部として利用すること
    を特徴とする手術支援システム。
  2. 【請求項２】請求項１の手術支援システムにおいて，患
    者の形状や力学特性等の物理情報だけではなく，心肺機
    能情報や麻酔反応情報等の機能情報も含めた仮想患者モ
    デルを使用することを特徴とする手術支援システム。
  3. 【請求項３】請求項１および請求項２の手術支援システ
    ムにおいて，手術シミュレーションと手術ナビゲーショ
    ンの各段階で利用するユーザインタフェースを共通化し
    た手術支援システム。
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