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長軸部先端からの光軸を有する物体における光軸位置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、装置およびシステム

国内特許コード P110002354
整理番号 S2009-0349-N0
掲載日 2011年4月13日
出願番号 特願2009-029216
公開番号 特開2010-183995
登録番号 特許第5560424号
出願日 平成21年2月11日(2009.2.11)
公開日 平成22年8月26日(2010.8.26)
登録日 平成26年6月20日(2014.6.20)
発明者
  • 山本 清二
  • 高井 利久
  • 林本 悦一
  • 金原 昌秋
  • 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 長軸部先端からの光軸を有する物体における光軸位置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、装置およびシステム
発明の概要 【課題】 位置および姿勢を定義する手段として複数の座標または複数の座標およびベクトルを定義する手段を備えた硬性内視鏡のような長軸部先端からの光軸を有する物体において、実際の光軸位置を遠方まで精度よく検出する。
【解決手段】 被測定物体10の長軸部11先端からの光軸と第1標識部12との3次元相対関係を測定する3次元相対関係測定装置であって、光軸が当たるターゲット23と3次元形状測定装置により測定可能な第2標識部22とを有する第1の較正用物体20と、3次元形状測定装置により測定可能な第3標識部を有する第2の較正用物体30と、第1の較正用物体を被測定物体10と相対的に移動させる移動手段とを有し、移動手段により第1の較正用物体20を移動させてターゲット23に長軸部11先端からの光軸が当たるようにした後、3次元形状測定装置で第1乃至第3標識部の3次元相対位置を測定することにより被測定物体10の光軸と第1標識部12との3次元相対関係を測定する。
【選択図】 図1
従来技術、競合技術の概要



従来から、内視鏡等の手術器具が患者の体内に挿入されたときに、当該手術器具の先端の正確な位置を術前に撮影されたCT(Computed Tomography)やMRI(Magnetic Resonance Imaging)による画像上に表示し、術者を支援する手術ナビゲーション(手術支援情報表示)が行われている。例えば特許文献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、3次元形状測定装置による患者の3次元表面形状と、予め撮像した3次元断層データとを位置合わせする技術が記載されている。また、患者の3次元表面形状を測定する3次元形状測定装置により、手術器具に取り付けられた位置姿勢検出用の標識部(図1の球体12)を測定して、手術器具の位置姿勢を算出する技術も記載されている。しかしながら、これらの方法は何れも手術器具やポインタなど器具の先端の位置を表示するのみで、内視鏡で撮像している部位が、CTやMRIによる術前画像のどの部分に相当するかを表示するものではない。





もし、内視鏡で撮像している部位(内視鏡のモニタに表示されている術野)が術前のCT等による画像のどこに相当するのかを確認することができれば、例えば術者は左手に持った内視鏡で操作を加える場所を直視下に確認し、それが術前のCT等による画像のどの部位を観察しているかを認識しながら、右手で自由に任意の手術器具を持ち替えて手術操作を連続して行うことができる。





このような内視鏡で撮像している部位を画像上に表示することが示されている従来技術として、特許文献2及び3が挙げられる。また、本発明者らによる従来技術として、WO2008/093517がある。





特許文献2には、手術ナビゲーション装置において、使用中の硬性内視鏡の光軸方向を3次元断層像上に表示する技術が記載されている。





特許文献3には、患者の体内に挿入される内視鏡挿入部の先端から患者体内の術部までの距離を測定する距離測定手段(スポット光照射による三角測量法や超音波センサ等)を有する内視鏡を用いて、内視鏡で観察している場所を決定し、術前CT/MRIに表示する技術が記載されている。





上記特許文献2および3では、内視鏡の位置姿勢の検出に、内視鏡に取り付けられた発光素子などのマーカーと、前記マーカーを検出する位置センサとを用いているが、これらのシステムでは3次元断層データと患者の座標系との位置合わせのために、患者に何らかのマーカーを取り付けるか、別途、患者の形状を測定する装置を設ける必要があり、患者に不便を強いたり、システムが複雑になってしまう。





これに対し本発明者らによる従来技術であるWO2008/093517では硬性内視鏡の位置姿勢検出に患者の3次元表面形状を測定する3次元形状測定装置を用いており、患者に不便を強いたり、システムが複雑にならないようにすることができる。





ただし、WO2008/093517においては上記特許文献2および3と同様、内視鏡の光軸は公称値通りであることを前提としており、内視鏡の光軸の較正については考慮されていない。例えば直視鏡では、内視鏡の光軸が内視鏡の鏡筒中心を通る、すなわち内視鏡光軸と内視鏡の鏡筒中心線のなす角が0度であるという公称値通りであることを前提として内視鏡の光軸情報を表示している。





手術ナビゲーションにおいて内視鏡で撮像している部位を画像上に表示する場合、内視鏡の先端から遠方までの光軸情報が必要になるが、これまでは、内視鏡はレンズから比較的近い部分のものを見ることが多いため、先端から近傍付近における光軸の較正やレンズ位置等の較正については考慮されても先端から遠方までの光軸の較正については考慮されたことはなかった。例えば特許文献4には、細長いシャフトおよび遠位端レンズを有する内視鏡のレンズ位置、先端から近傍付近における光軸および視野を較正する装置が記載されている。しかしながら、先端から遠方までの光軸を較正する方法については記載も示唆もされていない。

産業上の利用分野



本発明は主に長軸部先端からの光軸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先端からの光軸の位置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、長軸部先端からの光軸の位置と長軸部先端からの光軸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(硬性内視鏡等)に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
長軸部と、長軸部先端からの光軸と、前記長軸部の近傍にあって、3次元形状が測定されたとき取得された立体形状データ群を処理することにより、位置および立体形状が測定可能な第1標識部とを有する被測定物体の、前記光軸と前記第1標識部との3次元相対関係を、3次元相対関係測定システムにより測定する3次元相対関係測定方法であって、
前記3次元相対関係測定システムは、
対象物の3次元形状を測定するとともに、取得された立体形状データ群を処理することにより対象物の位置および立体形状を測定する3次元形状測定装置と、
前記被測定物体を固定する固定手段と、
前記被測定物体の長軸部先端からの光軸が当たるターゲットと、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、前記ターゲットの中心座標と前記第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ターゲットの中心座標と前記第2標識部との3次元相対関係が測定可能な第1の較正用物体と、
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3標識部を有し、前記固定手段により前記被測定物体が固定されたとき、前記被測定物体の長軸部先端の座標または前記長軸部先端からの光軸に含まれる座標と前記第3標識部との3次元相対関係が一定であり、予め前記第3標識部との3次元相対関係がわかっているか、または前記3次元形状測定装置により前記被測定物体の長軸部先端の座標または前記長軸部先端からの光軸上に含まれる座標と前記第3標識部との3次元相対関係が測定可能な第2の較正用物体と、を有し、
記被測定物体を前記固定手段に固定し、前記第1の較正用物体のターゲットの中心に前記被測定物体の長軸部先端からの光軸が当たるようにするステップと、
前記3次元形状測定装置により、前記被測定物体、前記第1の較正用物体および前記第2の較正用物体の立体形状データ群を取得するステップと、
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立体形状と前記第2標識部の位置および立体形状と前記第3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、前記第3標識部の位置および立体形状と、前記ターゲットの中心座標と前記第2標識部との3次元相対関係と、前記長軸部先端の座標または前記長軸部先端からの光軸に含まれる座標と前記第3標識部との3次元相対関係とに基づいて、前記長軸部先端からの光軸の位置を算出するステップと、
前記第1標識部の位置および立体形状と、前記長軸部先端からの光軸の位置とに基づいて、前記被定物体の長軸部先端からの光軸と前記第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】
前記第1の較正用物体の第2標識部は、予め立体形状がわかっており、
前記ターゲットの中心座標と前記第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、前記ターゲットの中心座標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】
前記第1の較正用物体のターゲットの中心座標と前記第2標識部の定点位置とは等しいか、または前記第1の較正用物体のターゲットの中心座標は前記第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】
前記第2の較正用物体の第3標識部は、予め立体形状がわかっており、
前記長軸部先端の座標または前記長軸部先端からの光軸に含まれる座標と前記第3標識部との3次元相対関係は、前記第3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、前記長軸部先端の座標または前記長軸部先端からの光軸に含まれる座標との関係により定義される、請求項1乃至3いずれか記載の3次元相対関係測定方法。

【請求項5】
前記長軸部先端の座標または前記長軸部先端からの光軸に含まれる座標と前記第3標識部の定点位置とは等しいか、あるいは前記長軸部先端の座標または前記長軸部先端からの光軸に含まれる座標は前記第3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4記載の3次元相対関係測定方法。

【請求項6】
前記長軸部先端の座標または前記長軸部先端からの光軸に含まれる座標は、前記第3標識部における2つの定点を結んだ直線または前記第3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3標識部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5記載の3次元相対関係測定方法。

【請求項7】
前記長軸部先端からの光軸に含まれる座標は、光を透過する平板に形成されたターゲットの中心座標として定義されることを特徴とする請求項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】
前記第1の較正用物体および前記第2の較正用物体は、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7いずれか記載の3次元相対関係測定方法。

【請求項9】
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、前記長軸部先端からの光軸は長軸部先端からの撮像方向であり、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8いずれか記載の3次元相対関係測定方法。

【請求項10】
長軸部と、長軸部先端からの光軸と、前記長軸部の近傍にあって、3次元形状が測定されたとき取得された立体形状データ群を処理することにより、位置および立体形状が測定可能な第1標識部とを有する被測定物体の、前記光軸と前記第1標識部との3次元相対関係を、3次元相対関係測定システム上で動作する3次元相対関係測定プログラムであって、
前記3次元相対関係測定システムは、
対象物の3次元形状を測定するとともに、取得された立体形状データ群を処理することにより対象物の位置および立体形状測定する3次元形状測定装置と、
前記被測定物体を固定する固定手段と、
前記被測定物体の長軸部先端からの光軸が当たるターゲットと、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、前記ターゲットの中心座標と前記第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ターゲットの中心座標と前記第2標識部との3次元相対関係が測定可能な第1の較正用物体と、
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3標識部を有し、前記固定手段により前記被測定物体が固定されたとき、前記被測定物体の長軸部先端の座標または前記長軸部先端からの光軸に含まれる座標と前記第3標識部との3次元相対関係が一定であり、予め前記第3標識部との3次元相対関係がわかっているか、または前記3次元形状測定装置により前記被測定物体の長軸部先端の座標または前記長軸部先端からの光軸上に含まれる座標と前記第3標識部との3次元相対関係が測定可能な第2の較正用物体とを有し、
記被測定物体前記固定手段に固定され、前記第1の較正用物体のターゲットの中心に前記被測定物体の長軸部先端からの光軸を一致させた状態で、前記3次元形状測定装置により、前記被測定物体、前記第1の較正用物体および前記第2の較正用物体の立体形状データ群を取得するステップと、
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立体形状と前記第2標識部の位置および立体形状と前記第3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、前記第3標識部の位置および立体形状と、前記ターゲットの中心座標と前記第2標識部との3次元相対関係と、前記長軸部先端の座標または前記長軸部先端からの光軸に含まれる座標と前記第3標識部との3次元相対関係とに基づいて、前記長軸部先端からの光軸の位置を算出するステップと、
前記第1標識部の位置および立体形状と、前記長軸部先端からの光軸の位置とに基づいて、前記被定物体の長軸部先端からの光軸と前記第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11】
長軸部と、長軸部先端からの光軸と、前記長軸部の近傍にあって、3次元形状が測定されたとき取得された立体形状データ群を処理することにより、位置および立体形状が測定可能な第1標識部とを有する被測定物体の、前記光軸と前記第1標識部との3次元相対関係を測定する3次元相対関係測定システムであって、
対象物の3次元形状を測定するとともに、取得された立体形状データ群を処理することにより対象物の位置および立体形状を測定する3次元形状測定装置と、
前記被測定物体を固定する固定手段と、
前記被測定物体の長軸部先端からの光軸が当たるターゲットと、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、前記ターゲットの中心座標と前記第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ターゲットの中心座標と前記第2標識部との3次元相対関係が測定可能な第1の較正用物体と、
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3標識部を有し、前記固定手段により前記被測定物体が固定されたとき、前記被測定物体の長軸部先端の座標または前記長軸部先端からの光軸に含まれる座標と前記第3標識部との3次元相対関係が一定であり、予め前記第3標識部との3次元相対関係がわかっているか、または前記3次元形状測定装置により前記被測定物体の長軸部先端の座標または前記長軸部先端からの光軸上に含まれる座標と前記第3標識部との3次元相対関係が測定可能な第2の較正用物体と
記被測定物体を前記固定手段に固定し、前記第1の較正用物体のターゲットの中心に前記被測定物体の長軸部先端からの光軸を一致させた状態で、前記3次元形状測定装置により、前記被測定物体、前記第1の較正用物体および前記第2の較正用物体の立体形状データ群を取得する手段と、
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立体形状と前記第2標識部の位置および立体形状と前記第3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、前記第3標識部の位置および立体形状と、前記ターゲットの中心座標と前記第2標識部との3次元相対関係と、前記長軸部先端の座標または前記長軸部先端からの光軸に含まれる座標と前記第3標識部との3次元相対関係とに基づいて、前記長軸部先端からの光軸の位置を算出する手段と、
前記第1標識部の位置および立体形状と、前記長軸部先端からの光軸の位置とに基づいて、前記被定物体の長軸部先端からの光軸と前記第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。

【請求項12】
長軸部と、長軸部先端からの光軸と、前記長軸部の近傍にあって、3次元形状が測定されたとき取得された立体形状データ群を処理することにより、位置および立体形状が測定可能な第1標識部とを有する被測定物体の、前記光軸と前記第1標識部との3次元相対関係を測定するための3次元相対関係測定装置であって、
前記被測定物体を固定可能な固定手段と、
前記被測定物体の長軸部先端からの光軸が当たるターゲットと、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、前記ターゲットの中心座標と前記第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3次元形状測定装置により前記ターゲットの中心座標と前記第2標識部との3次元相対関係が測定可能な第1の較正用物体と、
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3標識部を有し、前記固定手段により前記被測定物体が固定されたとき、前記被測定物体の長軸部先端の座標または前記長軸部先端からの光軸に含まれる座標と前記第3標識部との3次元相対関係が一定であり、予め前記第3標識部との3次元相対関係がわかっているか、または前記3次元形状測定装置により前記被測定物体の長軸部先端の座標または前記長軸部先端からの光軸上に含まれる座標と前記第3標識部との3次元相対関係が測定可能な第2の較正用物体と
前記第1の較正用物体を前記被測定物体と相対的に移動させる移動手段と、を有し、
前記移動手段により前記第1の較正用物体を移動させて前記ターゲットに前記長軸部先端からの光軸が当たるようにした後、3次元形状測定装置で前記第1乃至第3標識部の3次元相対位置を測定することにより、前記被測定物体の前記光軸と前記第1標識部との3次元相対関係を測定可能な3次元相対関係測定装置。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 登録
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