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長軸部を有する物体の長軸部の先端座標と該物体の位置姿勢を定義する手段との3次元相対関係測定方法およびシステム

国内特許コード P110002059
整理番号 S2008-0238-N0
掲載日 2011年3月29日
出願番号 特願2008-045332
公開番号 特開2009-204372
登録番号 特許第5200582号
出願日 平成20年2月27日(2008.2.27)
公開日 平成21年9月10日(2009.9.10)
登録日 平成25年2月22日(2013.2.22)
発明者
  • 山本 清二
  • 高井 利久
  • 林本 悦一
  • 三浦 曜
出願人
  • 国立大学法人浜松医科大学
  • パルステック工業株式会社
発明の名称 長軸部を有する物体の長軸部の先端座標と該物体の位置姿勢を定義する手段との3次元相対関係測定方法およびシステム
発明の概要

【課題】 3次元形状測定精度が通常の環境下でも、手術器具のように長軸部を有する物体の先端部と位置姿勢検出用の標識部との3次元相対関係を精度良く較正できる。
【解決手段】 被測定物体10の長軸部の先端部と第1標識部12との3次元相対関係測定方法であって、較正用物体20を被測定物体の長軸部の先端部に取付けるステップと、3次元形状測定装置により被測定物体および較正用物体の立体形状データ群を測定するステップと、立体形状データ群から第1標識部の位置および姿勢と第2標識部21,22,23の位置および立体形状とを算出するステップと、第2標識部の位置および立体形状と当接部と第2標識部との3次元相対関係とに基づいて当接部24の3次元座標を算出するステップと、第1標識部の位置および姿勢と当接部の3次元座標とに基づいて被測定物体の長軸部の先端部と第1標識部との3次元相対関係を算出するステップと、を有する。
【選択図】 図1

従来技術、競合技術の概要


近年、外科手術を行う際、体内に挿入した手術器具を体内の画面とともに表示しながら手術を行う手術支援(手術ナビゲーション)の研究や装置の開発が進められている。
この手術支援(手術ナビゲーション)においては体内に挿入した手術器具の位置姿勢を正確に検出することが必要であるが、この方法として例えば以下の特許文献1(特開2007-209531号公報)に記載されたように、手術器具の体外に出ている箇所に少なくとも3つの定点を定義可能な物体を取り付け、手術の期間中、人体および手術器具の3次元形状を測定し続け、3次元形状データを処理することで少なくとも3つの定点座標を検出し、検出した定点座標から手術器具の位置姿勢を検出する方法がある。
この方法においてはあらかじめ手術器具を3次元形状測定して手術器具の3次元形状データと少なくとも3つの定点座標とを取得して記憶し、手術の期間中の3次元形状測定から検出した少なくとも3つの定点座標と記憶している少なくとも3つの定点座標から座標変換係数を算出し、算出した座標変換係数を用いて記憶している手術器具の3次元形状データを座標変換して、同一座標系で人体の3次元形状データと手術器具の3次元形状データとを得ている。
この方法は手術器具の3次元形状測定を精度よく行えば、手術の期間中は少なくとも3つの定点座標を精度よく取得するのみで高精度で手術器具の位置姿勢を検出することができる。



ただし、手術器具の3次元形状測定において手術器具の先端座標を正確に検出しないと手術において患部を損傷するという危険があるため、特に手術器具の先端座標の検出は高精度で行う必要があるが、3次元形状測定は表面の多数の点の座標データ(以下、点群データという)を取得する測定であり、手術器具における体内に挿入される箇所は細長いため、この細長い箇所で取得される点群データは少なく、細長い箇所の先端の点の座標データを取得するには、取得する点群データを通常より何倍も多くする測定が必要になる。しかし、実際の3次元形状測定器はそのような測定ができる構成にはなっておらず、仮に3次元形状測定器をそのような測定ができる構成にすると、手術器具の点群データが多くなりすぎ、手術器具を体内の画面とともに表示するためのデータ処理に時間がかかるため、リアルタイムで手術器具の位置姿勢が表示できなくなり手術の効率に支障をきたすという問題がある。このため、3次元形状測定において取得する点群データを通常より何倍も多くして手術器具の先端座標を高精度で検出することは非常に困難である。



手術器具の先端座標の定義または検出方法が示されている従来技術として、特許文献1および2が挙げられる。
特許文献1には、本発明者らによる手術支援システムが記載されおり、手術器具に位置姿勢検出用の標識部(図1および2の球体36A)を設けることも記載されている。この特許文献1においては、前記標識部と手術器具の先端との3次元相対関係は既にわかっていることを前提にしている。しかしながら、仮に予め体内挿入器具(手術器具)の先端部と位置姿勢検出用の標識部との3次元相対関係が正確にわかっていたとしても、実際には使用のたびに器具の先端部が少しずつ変形している可能性が高く、長期間の間に前記3次元相対関係が変化し、精度の高い手術をすることが困難になるという問題がある。
特許文献2には、手術支援システムにおける手術器具の追跡アセンブリ90(位置姿勢を定義する手段)と先端部との相対位置を追跡アセンブリ100を用いて較正することが示唆されている。これによれば定期的に較正を行うことで特許文献1における上記問題点はなくなる。しかしながら、特許文献2においては、前記追跡アセンブリ90,100の追跡要素95,102はLEDを用いているため、前記手術器具の位置および姿勢を検出するためには、患者の表面形状を測定する3次元形状測定装置とは別の位置検出装置が必要であるという問題がある。

【特許文献1】特開2007-209531号公報

【特許文献2】特表2003-528688号公報

産業上の利用分野


本発明は主に長軸部を有する物体の位置および姿勢を定義する手段である複数の座標または複数の座標およびベクトルを検出し、検出した位置および姿勢に基づいて長軸部を有する物体の長軸部の先端座標を定義する手段または方法において必要とされる方法であって、長軸部を有する物体の長軸部の先端座標と長軸部を有する物体の位置および姿勢を定義する手段である複数の座標または複数の座標およびベクトルとの3次元相対関係を同一座標系で検出する方法に関する。また、体内挿入器具(手術器具、硬性内視鏡、等)に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
3次元形状測定装置と、
長軸部と、前記3次元形状測定装置により位置および姿勢が測定可能な第1標識部とを有する被測定物体と、
前記被測定物体の長軸部の先端部に着脱自在であって、前記被測定物体の長軸部の先端部と当接する当接部と、前記3次元形状測定装置により位置および立体形状が測定可能な第2標識部とを有し、前記当接部と前記第2標識部との3次元相対関係が予めわかっているか、または前記3次元形状測定装置により前記当接部と前記第2標識部との3次元相対関係が測定可能な較正用物体と、
を有する3次元形状測定システムにおける、前記被測定物体の長軸部の先端部と前記第1標識部との3次元相対関係を測定する3次元相対関係測定方法であって、
前記較正用物体を、前記被測定物体の長軸部の先端部に取付けるステップと、
前記3次元形状測定装置により、前記被測定物体および前記較正用物体の立体形状データ群を測定するステップと、
前記立体形状データ群から、前記第1標識部の位置および姿勢と前記第2標識部の位置および立体形状とを算出するステップと、
前記第2標識部の位置および立体形状と、前記当接部と前記第2標識部との3次元相対関係とに基づいて、前記当接部の3次元座標を算出するステップと、
前記第1標識部の位置および姿勢と、前記当接部の3次元座標とに基づいて、前記被測定物体の長軸部の先端部と前記第1標識部との3次元相対関係を算出するステップと、
を有する、3次元相対関係測定方法。

【請求項2】
前記較正用物体の前記第2標識部は、予め立体形状がわかっており、
前記当接部と前記第2標識部との3次元相対関係は、前記第2標識部の立体形状に関連するベクトルまたは定点位置と、前記当接部の相対位置との関係により定義される、
請求項1記載の3次元相対関係測定方法。

【請求項3】
前記較正用物体の当接部と前記第2標識部の定点位置とは等しいか、または前記較正用物体の当接部は前記第2標識部における2つ以上の定点を用いて定義される点であることを特徴とする請求項2記載の3次元相対関係測定方法。

【請求項4】
前記較正用物体の当接部は、前記第2標識部における2つの定点を結んだ直線または前記第2標識部における定点とベクトルから定まる直線上において、定点から前記第2標識体の立体形状に関連する長さにより定まる点であることを特徴とする請求項2または3記載の3次元相対関係測定方法。

【請求項5】
前記較正用物体は、前記被測定物体の長軸部の先端部を挿入可能な細穴部を有している、請求項1乃至4いずれか記載の3次元相対関係測定方法。

【請求項6】
前記較正用物体は、球体、多面体、円柱、円錐のいずれかの形状を一部または全体に有している、請求項1乃至5いずれか記載の3次元相対関係測定方法。

【請求項7】
前記較正用物体は、前記被測定物体の長軸部の先端部を固定するために、少なくとも突起または空孔が形成されている、請求項1乃至6いずれか記載の3次元相対関係測定方法。

【請求項8】
前記被測定物体は体内挿入器具であって、前記長軸部は体内挿入部であり、前記第1標識部は体内に挿入されない部分に設けられている、請求項1乃至7いずれか記載の3次元相対関係測定方法。

【請求項9】
3次元形状測定装置と、
長軸部と、前記3次元形状測定装置により位置および姿勢が測定可能な第1標識部とを有する被測定物体と、
前記被測定物体の長軸部の先端部に着脱自在であって、前記被測定物体の長軸部の先端部と当接する当接部と、前記3次元形状測定装置により位置および立体形状が測定可能な第2標識部とを有し、前記当接部と前記第2標識部との3次元相対関係が予めわかっているか、または前記3次元形状測定装置により前記当接部と前記第2標識部との3次元相対関係が測定可能な較正用物体と、
を有する3次元形状測定システムにおける、前記被測定物体の長軸部の先端部と前記第1標識部との3次元相対関係を測定する3次元相対関係測定プログラムであって、
前記較正用物体を前記被測定物体の長軸部の先端部に取付けた状態で、前記3次元形状測定装置により、前記被測定物体および前記較正用物体の立体形状データ群を測定するステップと、
前記立体形状データ群から、前記第1標識部の位置および姿勢と前記第2標識部の位置および立体形状とを算出するステップと、
前記第2標識部の位置および立体形状と、前記当接部と前記第2標識部との3次元相対関係とに基づいて、前記当接部の3次元座標を算出するステップと、
前記第1標識部の位置および姿勢と、前記当接部の3次元座標とに基づいて、前記被測定物体の長軸部の先端部と前記第1標識部との3次元相対関係を算出するステップと、
を有する、3次元相対関係測定プログラム。

【請求項10】
3次元形状測定装置と、
長軸部と、前記3次元形状測定装置により位置および姿勢が測定可能な第1標識部とを有する被測定物体と、
前記被測定物体の長軸部の先端部に着脱自在であって、前記被測定物体の長軸部の先端部と当接する当接部と、前記3次元形状測定装置により位置および立体形状が測定可能な第2標識部とを有し、前記当接部と前記第2標識部との3次元相対関係が予めわかっているか、または前記3次元形状測定装置により前記当接部と前記第2標識部との3次元相対関係が測定可能な較正用物体と、を有し、
前記3次元形状測定装置は少なくとも、前記較正用物体を前記被測定物体の長軸部の先端部に取付けた状態で、前記被測定物体および前記較正用物体の立体形状データ群を測定するものであり
前記立体形状データ群から、前記第1標識部の位置および姿勢と前記第2標識部の位置および立体形状とを算出する手段と、
前記第2標識部の位置および立体形状と、前記当接部と前記第2標識部との3次元相対関係とに基づいて、前記当接部の3次元座標を算出する手段と、
前記第1標識部の位置および姿勢と、前記当接部の3次元座標とに基づいて、前記被測定物体の長軸部の先端部と前記第1標識部との3次元相対関係を算出する手段と、
を有する、3次元相対関係測定システム。
産業区分
  • 測定
  • 治療衛生
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2008045332thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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