手術支援システム
【課題】 コンピュータ／ロボットシステムによる手術の場合、手術対象の生体組織の特性を考慮して切除工具の最適な送り速度を算出して手術器械に出力する。
【解決手段】 自動制御される手術器械のアームに取り付けられる手術用工具で生体組織を手術する手術支援システムにおいて、手術対象となる生体組織から得た医用画像データを蓄積してボクセル化する手段と、生体組織の形状から手術個所を設定する手段と、手術個所を手術するために工具が進む工具経路を計算する手段と、工具とボクセルとの干渉領域を判定する手段と、この干渉領域における生体組織の硬さを決定する手段と、この硬さに対応した工具の最適な送り速度を計算する手段と、当該計算で得た送り速度を手術器械に出力する手段とを備える。
【解決手段】 自動制御される手術器械のアームに取り付けられる手術用工具で生体組織を手術する手術支援システムにおいて、手術対象となる生体組織から得た医用画像データを蓄積してボクセル化する手段と、生体組織の形状から手術個所を設定する手段と、手術個所を手術するために工具が進む工具経路を計算する手段と、工具とボクセルとの干渉領域を判定する手段と、この干渉領域における生体組織の硬さを決定する手段と、この硬さに対応した工具の最適な送り速度を計算する手段と、当該計算で得た送り速度を手術器械に出力する手段とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工関節の置換等に際して生体組織をコンピユータ／ロボットシステムによる手術器械で手術する場合に工具の送り速度を最適化し、低侵襲化や手術時間の短縮化を実現する手術支援システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、人工関節等のインプラント構成部品及び生体組織の負荷低減による体内寿命の向上を目指した手術の高精度化、更には小さい傷（低侵襲）で済む手術によって患者の負担軽減と早期回復を目的として、コンピュータ／ロボットシステムによる手術器械、すなわち、手術ロボットが適用されている。例えば、人工関節置換術においては、人工関節を設置するための骨の手術（以下、切除）を正確に行うため、下記特許文献１に例示されるような手術器械のアームに手術用工具（以下、工具）が装着された装置を用い、この工具を自動制御して対象骨を人工関節の設置面形状に適合するように切除するといったことが行われている。
【０００３】
生体組織を術前計画に基づいて正確に切除するには、通常の工作機械で加工される機械部品等の加工物と同様に工具と加工物の相対位置関係を維持することが重要である。一般的な金属材料では、材料剛性が高いために工作機械のテーブルに対して剛直な固定（クランプ）が可能である。しかし、生体組織は金属材料に比して材料剛性が極端に低いために剛直な固定が困難である。例えば、骨組織の場合、皮膚や筋組織より剛性は高いものの、通常、手術対象部位以外の骨周囲は軟組織に囲まれているため、骨を固定具で直接把持して固定できる状況は限られている。
【０００４】
また、最近では、患者の肉体的負担軽減と術後の早期回復を目的とした低侵襲手術が行われているが、このような手術では、患部である骨を直接把持できる場合は更に狭まる。このため、下記特許文献２で見られるような軟組織上から骨を固定する固定具が提案されているが、これに依ったとしても、機械加工における加工物のように強固な固定力は得られない。
【０００５】
さらに、患者の肉体的負担軽減のためには手術時間の短縮は重要であるが、これを実現するためには、骨の切除時間の短縮を目的として工具の切込み量を含めて送り速度を速くすることが考えられる。しかし、送り速度を早くすると、切除負荷が増加することから、工具と生体組織の相対位置関係を維持するために要求される患部固定力はより一層高くすることが要求される。しかし、生体組織における患部固定力には限界があるのは上記したとおりである。このように、正確な生体組織の切除と低侵襲化及び手術時間短縮化を満たすには、切除負荷を一定値以下に設定した上での切除が要求されることとなる。
【０００６】
特に、骨組織では表面の硬い皮質骨と内部の海綿骨が傾斜的な構造を呈している関係で、切除中の切除負荷の変動が大きい。このため、切除負荷が大きな部位では、患部及び工具を把持する手術器械のアームに振動を引き起すとともに、生体組織の変位も生じさせる。このアームの振動及び生体組織の変位を抑制するため、切除中の工具に作用する切除反力を力センサで計測して力帰還による実時間での送り速度を制御する方法がある。しかし、力を検出してからの送り速度制御では固定力の確保が困難な生体組織の切除系では正確な制御が難しく、結果的に切除負荷による生体組織の変位を引き起こして手術精度の低下をもたらす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３０６５００号公報
【特許文献２】特開２００７−２０２９５０号公報
【特許文献３】特開２００８−１４６４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、切除領域である生体組織の傾斜的材料特性を含む様々な特性を考慮し、切除負荷を規定値以下とするとともに、その場合の最適な送り速度を具現することで、正確な生体組織切除と低侵襲化及び手術時間短縮化を実現したものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は、請求項１に記載した、自動制御される手術器械のアームに取り付けられる手術用工具で生体組織を手術する手術支援システムにおいて、手術対象となる生体組織から得た医用画像データを蓄積してボクセル化する手段と、生体組織の形状を含む特性から手術個所を設定する手段と、手術個所を手術するために工具が進む工具経路を計算する手段と、工具とボクセルとの干渉領域を判定する手段と、この干渉領域における生体組織の硬さを決定する手段と、この硬さに対応した工具の最適な送り速度を計算する手段と、当該計算で得た送り速度を手術器械に出力する手段とを備えることを特徴とする手術支援システムを提供したものである。
【００１０】
また、本発明は、以上の手術支援システムにおいて、請求項２に記載した、医用画像における画像輝度値から硬さを推定するとともに、この推定した硬さを基に送り速度が計算される手段、請求項３に記載した、工具に作用する切除反力を実時間計測し、力帰還によって切除反力に対応した送り速度が計算される手段を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によると、生体組織の硬さを事前に予測して送り速度の制御を行うことになり、生体組織に一定値以上の切除負荷が作用しないため、切除中の振動及び生体組織変位の低減が可能となる。したがって、最適な送り速度で切除できることになり、正確な切除はもちろんのこと、手術の低侵襲化、短時間化が可能になる。請求項２の手段によると、骨の硬さを簡単な方法で予測できるし、請求項３の手段によると、付加的な力帰還情報による送り速度の制御が可能になり、工具経路と実空間での生体組織位置のずれの基になる過度な切除負荷の増加を抑制し、安全、かつ、正確な生体組織の切除を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】手術支援システムの説明図である。
【図２】手術支援システムのハードウエアの構成図である。
【図３】レジストレーションの概念図である。
【図４】工具の要素分割と干渉判定に関する概念図である。
【図５】工具進路及び工具姿勢情報の例示図である。
【図６】切除領域に対応する工具の有限要素を抽出を例示する説明図である。
【図７】手術支援システムのを実行するためのＮＣコードを例示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、手術個所である生体組織として人工膝関節置換のための骨、すなわち、大腿骨及び脛骨の切除を例にとって説明する。図１は本発明を構成する各手段のブロック図であり、本発明では、膝周辺の生体組織（以下では骨という）から医用画像を取得する手段１と、取得した医用画像を蓄積してボクセル化する手段２と、骨の形状から手術個所を設定する手段３と、手術個所を切除するために工具が進む工具経路を計算する手段４と、工具とボクセルとの干渉領域を判定する手段５と、この干渉領域における生体組織の硬さを決定する手段６と、この硬さに対応した工具の最適な送り速度を計算する手段７と、当該計算で得た送り速度をＮＣデータ９として手術器械に出力する手段８とを有しており、これらで手術支援装置（以下、支援装置）１０を構成している。
【００１４】
支援装置１０の主体はコンピュータであり、外部からの情報取得及び外部への出力手段である入出力部１１（一般的にはＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤドライブ又はＬＡＮ等、実時間出力の場合にはＬＡＮを使用する）、外部からの取得情報や内部で計算される情報及び計算用のプログラムが格納される記憶部１２［ＲＯＭ（Read Only Memory) 、ＲＡＭ（Random Access Memory) 、ＯＳ（Operation System) 又はＯＳ相当のプログラムが格納されたハードディスク］及び内部計算情報とプログラムによって計算を行う演算部１３（Central Processing Unit)、規定値等を設定する入力部１４（キーボードやマウス等のデバイス）、情報を表示する表示部１５（ディスプレー）で構成される。
【００１５】
そして、情報の格納は記憶部１２で行い（ＲＯＭ又はＲＡＭに格納される情報量が膨大な場合には、ハードディスクに格納される場合もある）、計算は記憶部１２に格納されるプログラムにより演算部１３で行い、骨の硬さ等による切除負荷の設定値（規定値）や種々の指令の入力は入力部１４から行い、外部から取得される情報及び外部に出力される情報は入出力部１１から行うものとして上記の各手段について説明する。
【００１６】
まず、切除対象となる骨の医用画像データを蓄積してボクセル化する手段２について説明する。本例では、医用画像としてＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and Communication in Medicine)形式のＣＴ(Computered Tomography) マルチスライスデータを使用するが、ＤＩＣＯＭデータには画像スライス位置とピクセルサイズ及び画像厚さデータが格納されている。そこで、図３に示すようにＤＩＣＯＭデータ内で定義されるピクセルサイズｄと画像厚さｔを基準とする立体的なボクセルデータを作成する。ボクセルデータ内の各ボクセル要素に対してボクセル要素の中心位置と画像輝度値（本例では、後述するＣＴ値を採用）が記憶部１２に格納される。
【００１７】
ＣＴ撮影による断層画像のスライス間隔とボクセルの厚みとの関係でスライス間に隙間ができる場合があるが、この場合は、この隙間の部分のボクセル要素を補間する。この補間には線形補間法があり、隣接するボクセル要素をスライス間に線形で挿入することで実際に即したボクセルデータが得られる。なお、スライス間補間は種々の原理に基づく非線形補間法でもよい。逆に、断層画像間がオーバーラップする場合には、隣接する各ボクセル要素をオーバーラップ分だけ減弱する。さらに、本例では、ＣＴ画像を使用しているが、ＭＲＩ (Magnetic Resonance Imaging system)の断層画像データであっても差し支えない。医用画像の撮影領域は、工具による切除領域を十分に含んだものになっている。
【００１８】
次に、骨の形状から切除面を設定する手段３について説明する。最初に、切除対象となる手術個所、つまり、骨の形状情報を取得する。本例では、人工膝関節置換術を対象としているため、骨（大腿骨と脛骨）形状をＣＴ画像によるボクセルデータから抽出し、その形状データを参照して人工関節の設置位置を決定する。本例では、ボクセルデータの輝度値に基づいて特定の輝度値の範囲にあるボクセルデータ要素を骨組織として認識させ、マーチング・キューブ法により骨表面形状を構築する。この骨表面形状を参照して人工関節の設置位置を決定することで、骨表面形状データに対する人工関節の設置面位置（言い換えると、骨に対する切除位置）が確定、数値化される。
【００１９】
なお、上記の骨表面形状は記憶部１２に格納されるボクセルデータを使用して演算部１３で構築され、表示部１５に骨形状として表示される。また、人工関節の形状データも同様に記憶部１２に格納されており、表示部１５に骨表面形状とともに人工関節形状及び位置が表示される。人工関節位置は、入力部１４による入力値により調整され、表示部１５に表示される骨表面形状と人工関節形状を対比しながら医師の判断で人工関節位置を決定する。
【００２０】
ここで、上記の骨表面形状の構築及び人工関節の位置等の指定は、汎用コンピュータを使用してＤＩＣＯＭビューア（例えば、Materialize 社のソフトウエアMimics) 等で行うことも可能である。この場合には、骨表面形状データ及び数値化された切除位置情報等は、入出力部１１から転送され、記憶部１２に格納される。また、取得される骨表面形状データ及び人工関節形状データの形式はＳＴＬ (STereo Lithograohy) が適しているが、ＩＧＥＳ等による汎用ＣＡＤデータの情報でも差し支えない。
【００２１】
人工関節設置面を形成するための工具が進む工具経路を計算する手段４では、骨表面形状データと人工関節設置位置から確定される切除面情報２０から工具経路（ＣＬ−Cutter Location ）を計算する。さらに、この工具経路の他に工具姿勢も計算する（以下、工具情報３０と総称する）。工具経路及び工具姿勢の計算に関して、第一過程として図３に示すようにＣＴマルチスライスデータから構築されたボクセルデータが表現されているボクセル座標系３２（骨表面形状は本ボクセルデータから構築されているため、人工関節設置面（切除面）位置とともに同座標系で表現されている）から工具３１が先端に装着され、実際に切除を行う手術器械のアーム２１の手術器械座標系３４に変換する。本例では、赤外線座標測定機（NDI 社製、商品名Polaris ）を使用して座標変換を行っており、以下にその手順を説明する。
【００２２】
図３において、まず、切除面情報２０が表現されているボクセル座標系３２から手術室空間内の骨（大腿骨２３、脛骨２４）が表現されている実空間座標系３３に変換する。この場合、骨２３、２４には赤外線測定用のトラッカー（大腿骨用は２５、脛骨用は２６）が固定され、それを基準として実空間座標系３３を設定している。そして、赤外線座標測定機のプローブ２７によって骨２３、２４の形状を皮切部２８からそれぞれ実空間座標系３３に対して計測し、計測された骨２３、２４の形状情報と上記した骨の形状から切除面を設定する手段３で取得された骨表面形状情報間で誤差が最小となるように位置合わせを行い、切除面情報２０が表現されているボクセル座標系３２と手術室内の骨２３、２４が表現されている実空間座標系３３との対応付け（位置合わせともいう）を行う。
【００２３】
このような操作を行うのは、切除面情報２０と実際の骨２３、２４との位置を合わせるためであり、これをレジストレーションという。このレジストレーションは、例えば、［齋藤季他：”骨表面形状からの点計測誤差分布推定を用いた点対応レジストレーションにおける特徴点の最適化”日本コンピュータ外科学会誌vol.10, no.3, pp.313-314 (2008) 、上記特許文献３］の方法で行えばよい。このレジストレーションにより、ボクセル座標系３２は実空間座標系３３に変換される。
【００２４】
次に、骨２３、２４に取り付けられたトラッカー２５、２６及びアーム２１に取り付けられたトラッカー２９の位置の同時計測による相対位置関係から、実空間座標系３３を手術器械座標系３４に変換する。最終的に、骨の形状と切除面が表現されている切除面情報２０はボクセル座標系３２における座標値をアーム２１の手術器械座標系３４の座標値に以下の（１）式により変換される。
【００２５】
この場合、
は手術器械座標系３４での座標値、
はボクセル座標系３２での座標値、
は実空間座標系３３から手術器械座標系３４への変換情報（レジストレーション情報）、
はボクセル座標系３２から実空間座標系３３へのレジストレーション情報である。このように、各座標系３２、３３、３４への変換を行うのは、それぞれの座標軸の向きが違うこと及び皮切部２８からのプローブ２７による骨形状計測、骨切除時に骨周囲の組織とプローブ２７及び工具３１との干渉を回避するために骨２３、２４の位置及び角度を変更する場合があるためである。つまり、ボクセル座標系３２から実空間座標系３３に一度座標変換をしておけば、骨２３、２４の位置・姿勢が変更になった場合には実空間座標系３３から手術器械座標系３４への変換のみでボクセル座標系３２から手術器械３４への座標変換が済むため、レジストレーションを再度する必要がなく、手間が省けるからである。
【００２６】
手術器械座標系３４に変換された骨２３、２４における切除面情報２０から工具経路及び工具姿勢を計算して工具情報３０とするのは上記した。工具情報３０の計算は、文献［N.Sugita et al, "Bone cutting robot with Soft tissue collision avoidance capability by a redundant axis for minimally invasive orthopaedic surgery", Proceedings of IEEE/CME International Conference on Comprex Medical Engineering(CME 2007)]に記載される方法等が考えられる。
【００２７】
ここで、工具情報３０の上記文献の計算方法について説明する。まず、皮切部２８の形状を手術器械座標系３４に対して計測する。これは、小さい傷（低侵襲）で人工関節設置のための切除面を形成するために、工具３１と皮切部２８及び骨周囲組織との干渉による骨周囲組織の損傷を回避するためである。
【００２８】
次に、座標系３４に変換された切除面情報２０に含まれる骨表面形状データと切除面位置を利用して、骨２３、２４の切除領域を計算する。この骨２３、２４の切除領域は、骨表面形状データを切除面でトリム（切り取る）及び分割し、分割された骨表面形状データの工具３１で切削される部分の骨表面形状データを骨２３、２４の切除領域とする。この操作は本実施例では手術器械座標系３４に変換された大腿骨２３及び脛骨２４の骨表面形状データに対して行い、大腿骨２３及び脛骨２４の切除領域を決定する。
【００２９】
切除領域確定後、規定の工具切り込み深さ及びオーバーラップ率から切除領域全体を工具が走査するように工具経路が計算される。さらに、計測された皮切部２８の形状から、計算された工具経路に対して皮切部２８と干渉しない工具姿勢が決定される。
【００３０】
本例では、アーム１８は並進３軸と回転３軸を有するため、任意の工具位置及び姿勢を定義することができる。なお、本例では、工具情報３０は手術器械座標系３４に対して記述される。このような工具情報３０の計算方法により、骨周囲組織の損傷を回避しながら人工関節設置のための骨切除を実現する。
【００３１】
続いて、工具３１とボクセルとの干渉領域を判定する手段５を実行する。この場合、送り速度の最適化のため、まず、骨２３、２４の硬さ計算を行うが、その場合、工具情報３０による情報から算定した工具位置と、この工具位置においてＣＴマルチスライスデータ等の画像情報から生成されたボクセルと工具３１との干渉、すなわち、ボクセル内の切除領域の該当箇所の判定を行う。本例では、図４に例示するように工具切刃領域形状４０を有限要素４１に分割した近似形状によってボクセルと工具３１が干渉しているかどうかの判定を行う。以下に、その処理について説明する。
【００３２】
本例では、工具３１としてボールエンドミルを使用しているが、ボールエンドミルの切刃領域４０を有限要素４１に分割し、工具情報３０による情報からアーム２１の手術器械座標系３４における有限要素４１の位置及び姿勢に変換する。さらに、上記式（１）の逆変換によって、有限要素４１を図３のアーム２１の位置が表現されている手術器械座標系３４からボクセルが表現されているボクセル座標系３２に変換する。
【００３３】
そして、ボクセル座標系３２に変換された工具の切除に関与する領域の有限要素４１と、ＣＴマルチスライスデータ等の医用画像から構成されたボクセルとを同座標系に重ね合わせて対比することで干渉判定を行う。干渉判定は工具３１の有限要素４１とボクセルが同じボクセル座標系３２で表現されていることから容易に可能である。本例では、干渉判定はＡＡＢＢ(Axis-Aligned Bounding Box)法で実施しているが、この他にＯＢＢ(Oriented Bounding Box) 法等でも差し支えない。
【００３４】
すなわち、この工程で工具の工具の切除に関与する領域の有限要素４１と干渉すると判定されたボクセル要素は、工具位置情報Ｎijにおける工具による骨切削領域を表現していることになる。
【００３５】
ここで、ボクセル座標系３２で表現されるボクセルをアーム２１の位置が表現されている実空間座標系３４に変換して、上記の工具情報３０の計算時に工具情報３０と対比することで干渉判定を行うことも可能である。しかし、工具３１の有限要素４１の数はボクセル要素数に比べて圧倒的に少ないことから、計算効率化のために前者の方法を採用している。
【００３６】
干渉判定は、図５に示すように連続する工具位置情報Ｎi （ｉ＝１，２，３，４，…ｍ）に対してＮi とＮi+1 （ｉ＝１，２，３，４…ｍ−１）間を規定距離で分割し、分割された上記情報Ｎij（ｊ＝１，２，３，４，…ｎ）を生成し、分割された工具位置情報Ｎijそれぞれについて計算する。判定対象となる有限要素４１は切除に関与する領域（本例ではボールエンドミルの切刃部分）のみとしていることから、実際の切除領域４０を表現できる。切除に関与する工具３１の有限要素４１の抽出は、図６に例示するように点Ｐを通る切込み方向ベクトルＶc 、工具移動方向ベクトルＶm 及び工具の有限要素中心位置と点Ｐで表現されるベクトルＶe の内積を計算し、以下の条件式双方を満たすものとする。
Vc・Ve
arccos (───── ）＜９０(deg) ‥‥（２）
｜Vc｜｜Ve｜
Vm・Ve
arccos (───── ）＜９０(deg) ‥‥（３）
｜Vm｜｜Ve｜
ここで、点Ｐの座標値はボールエンドミルの先端球形状の中心を基準として中心座標値Ｐc 、球半径をｒ、切込み深さをｄとして以下の式にて計算している。
Vc
Ｐ＝Ｐｃ＋（ｒ−ｄ）────
｜Vc｜ ‥‥（４）
【００３７】
なお、切込み方向ベクトルＶc 及び工具移動方向ベクトルＶm は、図３に示すアーム２１の位置が表現されている手術器械座標系３４に対して表現されているものを上記（１）式の方法によってボクセルが表現されているボクセル座標系３２に変換することで上記（２）及び（３）の計算を行う。このような操作・処理によって工具３１の切除に関与する領域が定まる。
【００３８】
骨２３、２４の硬さを決定する手段６では、上記の工具位置情報Ｎijにおける骨切除領域から干渉領域の骨２３、２４の硬さを決定する。本例では、ＤＩＣＯＭ形式のＣＴ画像からボクセルを構築しているため、各ボクセル要素に画像の輝度値が格納されている。この輝度値はＣＴ値に対応しているため、ここでは、輝度値をＣＴ値とするが、このＣＴ値を上記工具３１とボクセルとの干渉領域を判定する手段５で工具位置情報Ｎijにおいて判定されたボクセル領域の各ボクセル要素に対して集積し、平均値を計算することで工具３１による骨切削領域の硬さの指標とする。
【００３９】
なお、本実施例ではＣＴ値として８ｂｉｔデータを例示しているが、１６ｂｉｔデータでも差し支えない。ＤＩＣＯＭ形式のＣＴ画像では、画像輝度値であるＣＴ値は１６ｂｉｔデータで格納されているが、本実施例では記憶部１２に格納される情報量低減のため、骨組織全体のＣＴ値を内包するように線形ウインドウ変換及びビット変換を行い、８ｂｉｔデータを適用している。ＣＴ値への逆変換は、情報量低減により変換精度は低下するものの、本例のような骨組織ではＣＴ値に十分な幅があるため硬さの決定に支障はない。
【００４０】
また、骨組織と軟組織の複合状態での切除を行う場合には、ＣＴ値の分布幅が大きくなるので、その場合にはウインドウ変換時の中央値と幅を対象組織のＣＴ値を内包するような設定を行えばよい。
【００４１】
骨２３、２４を切除する際の工具３１の最適な送り速度を計算する手段７では、骨２３、２４の硬さを決定する手段６で計算された平均ＣＴ値を硬さの指標として送り速度を決定する。一般的に、ＣＴ値は生体組織の密度に比例し、例えば、肝臓等の軟組織は０〜１００、骨は５０〜１０００程度である。このように、軟組織と骨のような硬組織ではＣＴ値に差異が生ずる性質を利用し、ＣＴ値が高い場合は高密度で硬く、低い場合には柔らかい組織であると推定して送り速度を決定する。
【００４２】
本例の骨組織では、切除条件（切込み深さ、工具形状、工具回転数）とＣＴ値及び送り速度をパラメータとする切除条件であって切除負荷に対応する切除反力の関係を実験的に予め求めて最適値を計算し、これを規定値として記憶部１２に格納しておく。骨２３、２４の硬さを決定する手段６において分割された工具位置情報Ｎijに対する平均ＣＴ値から切除反力を計算し、切除反力が規定値以上となる場合には実行されている送り速度に対して減速を指令する。反対に、規定値以下となる場合は増速を指令する。
【００４３】
最適な送り速度とともに、工具情報３０にに基づく工具位置情報Ｎi を出力する手段８では、分割された工具位置情報Ｎijと、それに対応する送り速度増減速指令を基にアーム２１の動作命令を出力する。本例では、アーム２１の自由度は上述のように並進３軸（Ｕ、Ｖ、Ｗ）、回転３軸（Ａ、Ｂ、Ｃ）であるため、慣例に従って工具情報動作命令は工作機械一般で使用されているＮＣ（Numerical Control)指令によるものとして、手術器械座標系３４に対して表現される機械座標系（直行ＵＶＷ軸）によって定義されるローカルな座標系）に対して記述されることとして以下に説明する。
【００４４】
工具位置情報ＮijはＮＣ指令に変換される。例えば、稼動軸であるＵＶＷＡＢＣ軸に対応してＧ５４Ｇ００Ｕ２Ｖ４Ｗ８Ａ２０Ｆ２００のように表現される。工具位置情報Ｎi とＮi+1 間で上記送り速度計算の手段で送り速度増減速指令がない場合には、Ｎi により生成されたＮＣ指令の次にＮi+1 のＮＣ指令が出力される。
【００４５】
一方で、工具位置情報Ｎi と工具位置情報Ｎi+1 間、例えば、Ｎijで送り速度増減速指令がある場合には、工具位置情報Ｎij-1に対応するＮＣ指令の送り速度を増減速する。これは、切除反力の上昇をもたらす硬い部分や低下をもたらす軟らかい部分に工具が到達する前に送り速度を増減速することで切除負荷の上昇を抑制したり、低下を補完するためである。送り速度を増減速した場合、工具位置情報Ｎij+1で送り速度指令が発せられない場合、それ以後の指令によって送り速度を既定された送り速度に段階的に戻すＮＣ指令を出力する。
【００４６】
上記した過程を分割された工具位置情報Ｎij（ｉ＝１，２，３，４…. ｍ、ｊ＝１，２，３，４….ｎ）に対して行い、図７に例示するように送り速度が最適化された一連のＮＣコードを生成する。
【００４７】
以上のような送り速度の最適化により、手術器械の振動や生体組織の変位を抑制してアーム２１先端の工具３１と切除対象の骨２３、２４との相対位置を維持することができるため、正確な骨２３、２４の切除が可能になる。さらに、骨２３、２４の硬さに応じて送り速度の増減を行うものであるから、切除反力を規定値以下に保ちながら加工時間の短縮にも繋がる。
【００４８】
加えて、本発明では請求項３に示すように、切除反力の力帰還による送り速度の実時間制御手段を備える。工具３１に作用する力を図２に例示する力センサ１６で検出し、実時間計測による切除反力が規定値を超えた場合に、段階的に送り速度減速指令を直接アーム２１の制御盤１７に出力することで工具３１と切除対象である骨２３、２４の相対位置変化を抑制する。反対に、規定値に満たない場合には送り速度増速指令を発する。
【００４９】
一般的に、生体組織の切除では生体組織形状と加工位置情報が表現されている座標系（本実施例では図３に例示するボクセル座標系３２）と手術室での実空間に座する生体組織が表現されている座標系（本実施例では実空間座標系３３）の対応付けを行うため、レジストレーションを行う必要があるのは上記した。このレジストレーションでは１ｍｍ以下程度の誤差が生じるため、図１の工具経路を計算する手段４で計算される工具情報３０にこの誤差が伝播される。このため、実空間の生体組織位置に対して工具位置がレジストレーション誤差分シフトする結果となり、その誤差が大きい場合にはＮＣによる送り速度増減速指令が加工対象の生体組織の硬さと対応せず、既定の送り速度によって硬い又は軟らかい組織に工具が遭遇する場合がある。
【００５０】
このような場合に、力帰還による実時間送り速度制御による手段を付加することは、レジストレーション誤差が大きい場合に正確な生体組織の切除を担保する上で有効である。なお、以上は生体組織として骨を例にしたが、その他の組織及びその混合組織でも適用可能であることはいうまでもなく、その場合は上記した説明中の骨は特定の生体組織ということになる。
【符号の説明】
【００５１】
１ 医用画像の取得
２ 医用画像データを蓄積しボクセル化する手段
３ 生体組織形状と加工面情報を取得する手段
４ 工具経路を計算する手段
５ 工具とボクセルの干渉領域判定の手段
６ 生体組織の硬さを決定する手段
７ 送り速度計算の手段
８ 工具位置と姿勢情報を出力する手段
９ 手術器械へ出力するＮＣデータ
１０ 手術支援装置
１１ 入出力部
１２ 記憶部
１３ 演算部
１４ 入力部
１５ 表示部
１６ 力センサー
１７ 制御盤
２０ 生体組織の形状と加工面情報
２１ アーム
２２ 赤外線座標測定器
２３ 大腿骨
２４ 脛骨
２５ 大腿骨用トラッカー
２６ 脛骨用トラッカー
２７ プローブ
２８ 皮切部
２９ 手術器械のアーム用トラッカー
３０ 工具位置及び工具姿勢情報（工具情報）
３１ 工具
３２ ボクセル座標系
３３ 実空間座標系
３４ 手術器械座標系
４０ 工具切刃領域
４１ 有限要素
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工関節の置換等に際して生体組織をコンピユータ／ロボットシステムによる手術器械で手術する場合に工具の送り速度を最適化し、低侵襲化や手術時間の短縮化を実現する手術支援システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、人工関節等のインプラント構成部品及び生体組織の負荷低減による体内寿命の向上を目指した手術の高精度化、更には小さい傷（低侵襲）で済む手術によって患者の負担軽減と早期回復を目的として、コンピュータ／ロボットシステムによる手術器械、すなわち、手術ロボットが適用されている。例えば、人工関節置換術においては、人工関節を設置するための骨の手術（以下、切除）を正確に行うため、下記特許文献１に例示されるような手術器械のアームに手術用工具（以下、工具）が装着された装置を用い、この工具を自動制御して対象骨を人工関節の設置面形状に適合するように切除するといったことが行われている。
【０００３】
生体組織を術前計画に基づいて正確に切除するには、通常の工作機械で加工される機械部品等の加工物と同様に工具と加工物の相対位置関係を維持することが重要である。一般的な金属材料では、材料剛性が高いために工作機械のテーブルに対して剛直な固定（クランプ）が可能である。しかし、生体組織は金属材料に比して材料剛性が極端に低いために剛直な固定が困難である。例えば、骨組織の場合、皮膚や筋組織より剛性は高いものの、通常、手術対象部位以外の骨周囲は軟組織に囲まれているため、骨を固定具で直接把持して固定できる状況は限られている。
【０００４】
また、最近では、患者の肉体的負担軽減と術後の早期回復を目的とした低侵襲手術が行われているが、このような手術では、患部である骨を直接把持できる場合は更に狭まる。このため、下記特許文献２で見られるような軟組織上から骨を固定する固定具が提案されているが、これに依ったとしても、機械加工における加工物のように強固な固定力は得られない。
【０００５】
さらに、患者の肉体的負担軽減のためには手術時間の短縮は重要であるが、これを実現するためには、骨の切除時間の短縮を目的として工具の切込み量を含めて送り速度を速くすることが考えられる。しかし、送り速度を早くすると、切除負荷が増加することから、工具と生体組織の相対位置関係を維持するために要求される患部固定力はより一層高くすることが要求される。しかし、生体組織における患部固定力には限界があるのは上記したとおりである。このように、正確な生体組織の切除と低侵襲化及び手術時間短縮化を満たすには、切除負荷を一定値以下に設定した上での切除が要求されることとなる。
【０００６】
特に、骨組織では表面の硬い皮質骨と内部の海綿骨が傾斜的な構造を呈している関係で、切除中の切除負荷の変動が大きい。このため、切除負荷が大きな部位では、患部及び工具を把持する手術器械のアームに振動を引き起すとともに、生体組織の変位も生じさせる。このアームの振動及び生体組織の変位を抑制するため、切除中の工具に作用する切除反力を力センサで計測して力帰還による実時間での送り速度を制御する方法がある。しかし、力を検出してからの送り速度制御では固定力の確保が困難な生体組織の切除系では正確な制御が難しく、結果的に切除負荷による生体組織の変位を引き起こして手術精度の低下をもたらす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３０６５００号公報
【特許文献２】特開２００７−２０２９５０号公報
【特許文献３】特開２００８−１４６４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、切除領域である生体組織の傾斜的材料特性を含む様々な特性を考慮し、切除負荷を規定値以下とするとともに、その場合の最適な送り速度を具現することで、正確な生体組織切除と低侵襲化及び手術時間短縮化を実現したものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は、請求項１に記載した、自動制御される手術器械のアームに取り付けられる手術用工具で生体組織を手術する手術支援システムにおいて、手術対象となる生体組織から得た医用画像データを蓄積してボクセル化する手段と、生体組織の形状を含む特性から手術個所を設定する手段と、手術個所を手術するために工具が進む工具経路を計算する手段と、工具とボクセルとの干渉領域を判定する手段と、この干渉領域における生体組織の硬さを決定する手段と、この硬さに対応した工具の最適な送り速度を計算する手段と、当該計算で得た送り速度を手術器械に出力する手段とを備えることを特徴とする手術支援システムを提供したものである。
【００１０】
また、本発明は、以上の手術支援システムにおいて、請求項２に記載した、医用画像における画像輝度値から硬さを推定するとともに、この推定した硬さを基に送り速度が計算される手段、請求項３に記載した、工具に作用する切除反力を実時間計測し、力帰還によって切除反力に対応した送り速度が計算される手段を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によると、生体組織の硬さを事前に予測して送り速度の制御を行うことになり、生体組織に一定値以上の切除負荷が作用しないため、切除中の振動及び生体組織変位の低減が可能となる。したがって、最適な送り速度で切除できることになり、正確な切除はもちろんのこと、手術の低侵襲化、短時間化が可能になる。請求項２の手段によると、骨の硬さを簡単な方法で予測できるし、請求項３の手段によると、付加的な力帰還情報による送り速度の制御が可能になり、工具経路と実空間での生体組織位置のずれの基になる過度な切除負荷の増加を抑制し、安全、かつ、正確な生体組織の切除を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】手術支援システムの説明図である。
【図２】手術支援システムのハードウエアの構成図である。
【図３】レジストレーションの概念図である。
【図４】工具の要素分割と干渉判定に関する概念図である。
【図５】工具進路及び工具姿勢情報の例示図である。
【図６】切除領域に対応する工具の有限要素を抽出を例示する説明図である。
【図７】手術支援システムのを実行するためのＮＣコードを例示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、手術個所である生体組織として人工膝関節置換のための骨、すなわち、大腿骨及び脛骨の切除を例にとって説明する。図１は本発明を構成する各手段のブロック図であり、本発明では、膝周辺の生体組織（以下では骨という）から医用画像を取得する手段１と、取得した医用画像を蓄積してボクセル化する手段２と、骨の形状から手術個所を設定する手段３と、手術個所を切除するために工具が進む工具経路を計算する手段４と、工具とボクセルとの干渉領域を判定する手段５と、この干渉領域における生体組織の硬さを決定する手段６と、この硬さに対応した工具の最適な送り速度を計算する手段７と、当該計算で得た送り速度をＮＣデータ９として手術器械に出力する手段８とを有しており、これらで手術支援装置（以下、支援装置）１０を構成している。
【００１４】
支援装置１０の主体はコンピュータであり、外部からの情報取得及び外部への出力手段である入出力部１１（一般的にはＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤドライブ又はＬＡＮ等、実時間出力の場合にはＬＡＮを使用する）、外部からの取得情報や内部で計算される情報及び計算用のプログラムが格納される記憶部１２［ＲＯＭ（Read Only Memory) 、ＲＡＭ（Random Access Memory) 、ＯＳ（Operation System) 又はＯＳ相当のプログラムが格納されたハードディスク］及び内部計算情報とプログラムによって計算を行う演算部１３（Central Processing Unit)、規定値等を設定する入力部１４（キーボードやマウス等のデバイス）、情報を表示する表示部１５（ディスプレー）で構成される。
【００１５】
そして、情報の格納は記憶部１２で行い（ＲＯＭ又はＲＡＭに格納される情報量が膨大な場合には、ハードディスクに格納される場合もある）、計算は記憶部１２に格納されるプログラムにより演算部１３で行い、骨の硬さ等による切除負荷の設定値（規定値）や種々の指令の入力は入力部１４から行い、外部から取得される情報及び外部に出力される情報は入出力部１１から行うものとして上記の各手段について説明する。
【００１６】
まず、切除対象となる骨の医用画像データを蓄積してボクセル化する手段２について説明する。本例では、医用画像としてＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and Communication in Medicine)形式のＣＴ(Computered Tomography) マルチスライスデータを使用するが、ＤＩＣＯＭデータには画像スライス位置とピクセルサイズ及び画像厚さデータが格納されている。そこで、図３に示すようにＤＩＣＯＭデータ内で定義されるピクセルサイズｄと画像厚さｔを基準とする立体的なボクセルデータを作成する。ボクセルデータ内の各ボクセル要素に対してボクセル要素の中心位置と画像輝度値（本例では、後述するＣＴ値を採用）が記憶部１２に格納される。
【００１７】
ＣＴ撮影による断層画像のスライス間隔とボクセルの厚みとの関係でスライス間に隙間ができる場合があるが、この場合は、この隙間の部分のボクセル要素を補間する。この補間には線形補間法があり、隣接するボクセル要素をスライス間に線形で挿入することで実際に即したボクセルデータが得られる。なお、スライス間補間は種々の原理に基づく非線形補間法でもよい。逆に、断層画像間がオーバーラップする場合には、隣接する各ボクセル要素をオーバーラップ分だけ減弱する。さらに、本例では、ＣＴ画像を使用しているが、ＭＲＩ (Magnetic Resonance Imaging system)の断層画像データであっても差し支えない。医用画像の撮影領域は、工具による切除領域を十分に含んだものになっている。
【００１８】
次に、骨の形状から切除面を設定する手段３について説明する。最初に、切除対象となる手術個所、つまり、骨の形状情報を取得する。本例では、人工膝関節置換術を対象としているため、骨（大腿骨と脛骨）形状をＣＴ画像によるボクセルデータから抽出し、その形状データを参照して人工関節の設置位置を決定する。本例では、ボクセルデータの輝度値に基づいて特定の輝度値の範囲にあるボクセルデータ要素を骨組織として認識させ、マーチング・キューブ法により骨表面形状を構築する。この骨表面形状を参照して人工関節の設置位置を決定することで、骨表面形状データに対する人工関節の設置面位置（言い換えると、骨に対する切除位置）が確定、数値化される。
【００１９】
なお、上記の骨表面形状は記憶部１２に格納されるボクセルデータを使用して演算部１３で構築され、表示部１５に骨形状として表示される。また、人工関節の形状データも同様に記憶部１２に格納されており、表示部１５に骨表面形状とともに人工関節形状及び位置が表示される。人工関節位置は、入力部１４による入力値により調整され、表示部１５に表示される骨表面形状と人工関節形状を対比しながら医師の判断で人工関節位置を決定する。
【００２０】
ここで、上記の骨表面形状の構築及び人工関節の位置等の指定は、汎用コンピュータを使用してＤＩＣＯＭビューア（例えば、Materialize 社のソフトウエアMimics) 等で行うことも可能である。この場合には、骨表面形状データ及び数値化された切除位置情報等は、入出力部１１から転送され、記憶部１２に格納される。また、取得される骨表面形状データ及び人工関節形状データの形式はＳＴＬ (STereo Lithograohy) が適しているが、ＩＧＥＳ等による汎用ＣＡＤデータの情報でも差し支えない。
【００２１】
人工関節設置面を形成するための工具が進む工具経路を計算する手段４では、骨表面形状データと人工関節設置位置から確定される切除面情報２０から工具経路（ＣＬ−Cutter Location ）を計算する。さらに、この工具経路の他に工具姿勢も計算する（以下、工具情報３０と総称する）。工具経路及び工具姿勢の計算に関して、第一過程として図３に示すようにＣＴマルチスライスデータから構築されたボクセルデータが表現されているボクセル座標系３２（骨表面形状は本ボクセルデータから構築されているため、人工関節設置面（切除面）位置とともに同座標系で表現されている）から工具３１が先端に装着され、実際に切除を行う手術器械のアーム２１の手術器械座標系３４に変換する。本例では、赤外線座標測定機（NDI 社製、商品名Polaris ）を使用して座標変換を行っており、以下にその手順を説明する。
【００２２】
図３において、まず、切除面情報２０が表現されているボクセル座標系３２から手術室空間内の骨（大腿骨２３、脛骨２４）が表現されている実空間座標系３３に変換する。この場合、骨２３、２４には赤外線測定用のトラッカー（大腿骨用は２５、脛骨用は２６）が固定され、それを基準として実空間座標系３３を設定している。そして、赤外線座標測定機のプローブ２７によって骨２３、２４の形状を皮切部２８からそれぞれ実空間座標系３３に対して計測し、計測された骨２３、２４の形状情報と上記した骨の形状から切除面を設定する手段３で取得された骨表面形状情報間で誤差が最小となるように位置合わせを行い、切除面情報２０が表現されているボクセル座標系３２と手術室内の骨２３、２４が表現されている実空間座標系３３との対応付け（位置合わせともいう）を行う。
【００２３】
このような操作を行うのは、切除面情報２０と実際の骨２３、２４との位置を合わせるためであり、これをレジストレーションという。このレジストレーションは、例えば、［齋藤季他：”骨表面形状からの点計測誤差分布推定を用いた点対応レジストレーションにおける特徴点の最適化”日本コンピュータ外科学会誌vol.10, no.3, pp.313-314 (2008) 、上記特許文献３］の方法で行えばよい。このレジストレーションにより、ボクセル座標系３２は実空間座標系３３に変換される。
【００２４】
次に、骨２３、２４に取り付けられたトラッカー２５、２６及びアーム２１に取り付けられたトラッカー２９の位置の同時計測による相対位置関係から、実空間座標系３３を手術器械座標系３４に変換する。最終的に、骨の形状と切除面が表現されている切除面情報２０はボクセル座標系３２における座標値をアーム２１の手術器械座標系３４の座標値に以下の（１）式により変換される。
【００２５】
この場合、
は手術器械座標系３４での座標値、
はボクセル座標系３２での座標値、
は実空間座標系３３から手術器械座標系３４への変換情報（レジストレーション情報）、
はボクセル座標系３２から実空間座標系３３へのレジストレーション情報である。このように、各座標系３２、３３、３４への変換を行うのは、それぞれの座標軸の向きが違うこと及び皮切部２８からのプローブ２７による骨形状計測、骨切除時に骨周囲の組織とプローブ２７及び工具３１との干渉を回避するために骨２３、２４の位置及び角度を変更する場合があるためである。つまり、ボクセル座標系３２から実空間座標系３３に一度座標変換をしておけば、骨２３、２４の位置・姿勢が変更になった場合には実空間座標系３３から手術器械座標系３４への変換のみでボクセル座標系３２から手術器械３４への座標変換が済むため、レジストレーションを再度する必要がなく、手間が省けるからである。
【００２６】
手術器械座標系３４に変換された骨２３、２４における切除面情報２０から工具経路及び工具姿勢を計算して工具情報３０とするのは上記した。工具情報３０の計算は、文献［N.Sugita et al, "Bone cutting robot with Soft tissue collision avoidance capability by a redundant axis for minimally invasive orthopaedic surgery", Proceedings of IEEE/CME International Conference on Comprex Medical Engineering(CME 2007)]に記載される方法等が考えられる。
【００２７】
ここで、工具情報３０の上記文献の計算方法について説明する。まず、皮切部２８の形状を手術器械座標系３４に対して計測する。これは、小さい傷（低侵襲）で人工関節設置のための切除面を形成するために、工具３１と皮切部２８及び骨周囲組織との干渉による骨周囲組織の損傷を回避するためである。
【００２８】
次に、座標系３４に変換された切除面情報２０に含まれる骨表面形状データと切除面位置を利用して、骨２３、２４の切除領域を計算する。この骨２３、２４の切除領域は、骨表面形状データを切除面でトリム（切り取る）及び分割し、分割された骨表面形状データの工具３１で切削される部分の骨表面形状データを骨２３、２４の切除領域とする。この操作は本実施例では手術器械座標系３４に変換された大腿骨２３及び脛骨２４の骨表面形状データに対して行い、大腿骨２３及び脛骨２４の切除領域を決定する。
【００２９】
切除領域確定後、規定の工具切り込み深さ及びオーバーラップ率から切除領域全体を工具が走査するように工具経路が計算される。さらに、計測された皮切部２８の形状から、計算された工具経路に対して皮切部２８と干渉しない工具姿勢が決定される。
【００３０】
本例では、アーム１８は並進３軸と回転３軸を有するため、任意の工具位置及び姿勢を定義することができる。なお、本例では、工具情報３０は手術器械座標系３４に対して記述される。このような工具情報３０の計算方法により、骨周囲組織の損傷を回避しながら人工関節設置のための骨切除を実現する。
【００３１】
続いて、工具３１とボクセルとの干渉領域を判定する手段５を実行する。この場合、送り速度の最適化のため、まず、骨２３、２４の硬さ計算を行うが、その場合、工具情報３０による情報から算定した工具位置と、この工具位置においてＣＴマルチスライスデータ等の画像情報から生成されたボクセルと工具３１との干渉、すなわち、ボクセル内の切除領域の該当箇所の判定を行う。本例では、図４に例示するように工具切刃領域形状４０を有限要素４１に分割した近似形状によってボクセルと工具３１が干渉しているかどうかの判定を行う。以下に、その処理について説明する。
【００３２】
本例では、工具３１としてボールエンドミルを使用しているが、ボールエンドミルの切刃領域４０を有限要素４１に分割し、工具情報３０による情報からアーム２１の手術器械座標系３４における有限要素４１の位置及び姿勢に変換する。さらに、上記式（１）の逆変換によって、有限要素４１を図３のアーム２１の位置が表現されている手術器械座標系３４からボクセルが表現されているボクセル座標系３２に変換する。
【００３３】
そして、ボクセル座標系３２に変換された工具の切除に関与する領域の有限要素４１と、ＣＴマルチスライスデータ等の医用画像から構成されたボクセルとを同座標系に重ね合わせて対比することで干渉判定を行う。干渉判定は工具３１の有限要素４１とボクセルが同じボクセル座標系３２で表現されていることから容易に可能である。本例では、干渉判定はＡＡＢＢ(Axis-Aligned Bounding Box)法で実施しているが、この他にＯＢＢ(Oriented Bounding Box) 法等でも差し支えない。
【００３４】
すなわち、この工程で工具の工具の切除に関与する領域の有限要素４１と干渉すると判定されたボクセル要素は、工具位置情報Ｎijにおける工具による骨切削領域を表現していることになる。
【００３５】
ここで、ボクセル座標系３２で表現されるボクセルをアーム２１の位置が表現されている実空間座標系３４に変換して、上記の工具情報３０の計算時に工具情報３０と対比することで干渉判定を行うことも可能である。しかし、工具３１の有限要素４１の数はボクセル要素数に比べて圧倒的に少ないことから、計算効率化のために前者の方法を採用している。
【００３６】
干渉判定は、図５に示すように連続する工具位置情報Ｎi （ｉ＝１，２，３，４，…ｍ）に対してＮi とＮi+1 （ｉ＝１，２，３，４…ｍ−１）間を規定距離で分割し、分割された上記情報Ｎij（ｊ＝１，２，３，４，…ｎ）を生成し、分割された工具位置情報Ｎijそれぞれについて計算する。判定対象となる有限要素４１は切除に関与する領域（本例ではボールエンドミルの切刃部分）のみとしていることから、実際の切除領域４０を表現できる。切除に関与する工具３１の有限要素４１の抽出は、図６に例示するように点Ｐを通る切込み方向ベクトルＶc 、工具移動方向ベクトルＶm 及び工具の有限要素中心位置と点Ｐで表現されるベクトルＶe の内積を計算し、以下の条件式双方を満たすものとする。
Vc・Ve
arccos (───── ）＜９０(deg) ‥‥（２）
｜Vc｜｜Ve｜
Vm・Ve
arccos (───── ）＜９０(deg) ‥‥（３）
｜Vm｜｜Ve｜
ここで、点Ｐの座標値はボールエンドミルの先端球形状の中心を基準として中心座標値Ｐc 、球半径をｒ、切込み深さをｄとして以下の式にて計算している。
Vc
Ｐ＝Ｐｃ＋（ｒ−ｄ）────
｜Vc｜ ‥‥（４）
【００３７】
なお、切込み方向ベクトルＶc 及び工具移動方向ベクトルＶm は、図３に示すアーム２１の位置が表現されている手術器械座標系３４に対して表現されているものを上記（１）式の方法によってボクセルが表現されているボクセル座標系３２に変換することで上記（２）及び（３）の計算を行う。このような操作・処理によって工具３１の切除に関与する領域が定まる。
【００３８】
骨２３、２４の硬さを決定する手段６では、上記の工具位置情報Ｎijにおける骨切除領域から干渉領域の骨２３、２４の硬さを決定する。本例では、ＤＩＣＯＭ形式のＣＴ画像からボクセルを構築しているため、各ボクセル要素に画像の輝度値が格納されている。この輝度値はＣＴ値に対応しているため、ここでは、輝度値をＣＴ値とするが、このＣＴ値を上記工具３１とボクセルとの干渉領域を判定する手段５で工具位置情報Ｎijにおいて判定されたボクセル領域の各ボクセル要素に対して集積し、平均値を計算することで工具３１による骨切削領域の硬さの指標とする。
【００３９】
なお、本実施例ではＣＴ値として８ｂｉｔデータを例示しているが、１６ｂｉｔデータでも差し支えない。ＤＩＣＯＭ形式のＣＴ画像では、画像輝度値であるＣＴ値は１６ｂｉｔデータで格納されているが、本実施例では記憶部１２に格納される情報量低減のため、骨組織全体のＣＴ値を内包するように線形ウインドウ変換及びビット変換を行い、８ｂｉｔデータを適用している。ＣＴ値への逆変換は、情報量低減により変換精度は低下するものの、本例のような骨組織ではＣＴ値に十分な幅があるため硬さの決定に支障はない。
【００４０】
また、骨組織と軟組織の複合状態での切除を行う場合には、ＣＴ値の分布幅が大きくなるので、その場合にはウインドウ変換時の中央値と幅を対象組織のＣＴ値を内包するような設定を行えばよい。
【００４１】
骨２３、２４を切除する際の工具３１の最適な送り速度を計算する手段７では、骨２３、２４の硬さを決定する手段６で計算された平均ＣＴ値を硬さの指標として送り速度を決定する。一般的に、ＣＴ値は生体組織の密度に比例し、例えば、肝臓等の軟組織は０〜１００、骨は５０〜１０００程度である。このように、軟組織と骨のような硬組織ではＣＴ値に差異が生ずる性質を利用し、ＣＴ値が高い場合は高密度で硬く、低い場合には柔らかい組織であると推定して送り速度を決定する。
【００４２】
本例の骨組織では、切除条件（切込み深さ、工具形状、工具回転数）とＣＴ値及び送り速度をパラメータとする切除条件であって切除負荷に対応する切除反力の関係を実験的に予め求めて最適値を計算し、これを規定値として記憶部１２に格納しておく。骨２３、２４の硬さを決定する手段６において分割された工具位置情報Ｎijに対する平均ＣＴ値から切除反力を計算し、切除反力が規定値以上となる場合には実行されている送り速度に対して減速を指令する。反対に、規定値以下となる場合は増速を指令する。
【００４３】
最適な送り速度とともに、工具情報３０にに基づく工具位置情報Ｎi を出力する手段８では、分割された工具位置情報Ｎijと、それに対応する送り速度増減速指令を基にアーム２１の動作命令を出力する。本例では、アーム２１の自由度は上述のように並進３軸（Ｕ、Ｖ、Ｗ）、回転３軸（Ａ、Ｂ、Ｃ）であるため、慣例に従って工具情報動作命令は工作機械一般で使用されているＮＣ（Numerical Control)指令によるものとして、手術器械座標系３４に対して表現される機械座標系（直行ＵＶＷ軸）によって定義されるローカルな座標系）に対して記述されることとして以下に説明する。
【００４４】
工具位置情報ＮijはＮＣ指令に変換される。例えば、稼動軸であるＵＶＷＡＢＣ軸に対応してＧ５４Ｇ００Ｕ２Ｖ４Ｗ８Ａ２０Ｆ２００のように表現される。工具位置情報Ｎi とＮi+1 間で上記送り速度計算の手段で送り速度増減速指令がない場合には、Ｎi により生成されたＮＣ指令の次にＮi+1 のＮＣ指令が出力される。
【００４５】
一方で、工具位置情報Ｎi と工具位置情報Ｎi+1 間、例えば、Ｎijで送り速度増減速指令がある場合には、工具位置情報Ｎij-1に対応するＮＣ指令の送り速度を増減速する。これは、切除反力の上昇をもたらす硬い部分や低下をもたらす軟らかい部分に工具が到達する前に送り速度を増減速することで切除負荷の上昇を抑制したり、低下を補完するためである。送り速度を増減速した場合、工具位置情報Ｎij+1で送り速度指令が発せられない場合、それ以後の指令によって送り速度を既定された送り速度に段階的に戻すＮＣ指令を出力する。
【００４６】
上記した過程を分割された工具位置情報Ｎij（ｉ＝１，２，３，４…. ｍ、ｊ＝１，２，３，４….ｎ）に対して行い、図７に例示するように送り速度が最適化された一連のＮＣコードを生成する。
【００４７】
以上のような送り速度の最適化により、手術器械の振動や生体組織の変位を抑制してアーム２１先端の工具３１と切除対象の骨２３、２４との相対位置を維持することができるため、正確な骨２３、２４の切除が可能になる。さらに、骨２３、２４の硬さに応じて送り速度の増減を行うものであるから、切除反力を規定値以下に保ちながら加工時間の短縮にも繋がる。
【００４８】
加えて、本発明では請求項３に示すように、切除反力の力帰還による送り速度の実時間制御手段を備える。工具３１に作用する力を図２に例示する力センサ１６で検出し、実時間計測による切除反力が規定値を超えた場合に、段階的に送り速度減速指令を直接アーム２１の制御盤１７に出力することで工具３１と切除対象である骨２３、２４の相対位置変化を抑制する。反対に、規定値に満たない場合には送り速度増速指令を発する。
【００４９】
一般的に、生体組織の切除では生体組織形状と加工位置情報が表現されている座標系（本実施例では図３に例示するボクセル座標系３２）と手術室での実空間に座する生体組織が表現されている座標系（本実施例では実空間座標系３３）の対応付けを行うため、レジストレーションを行う必要があるのは上記した。このレジストレーションでは１ｍｍ以下程度の誤差が生じるため、図１の工具経路を計算する手段４で計算される工具情報３０にこの誤差が伝播される。このため、実空間の生体組織位置に対して工具位置がレジストレーション誤差分シフトする結果となり、その誤差が大きい場合にはＮＣによる送り速度増減速指令が加工対象の生体組織の硬さと対応せず、既定の送り速度によって硬い又は軟らかい組織に工具が遭遇する場合がある。
【００５０】
このような場合に、力帰還による実時間送り速度制御による手段を付加することは、レジストレーション誤差が大きい場合に正確な生体組織の切除を担保する上で有効である。なお、以上は生体組織として骨を例にしたが、その他の組織及びその混合組織でも適用可能であることはいうまでもなく、その場合は上記した説明中の骨は特定の生体組織ということになる。
【符号の説明】
【００５１】
１ 医用画像の取得
２ 医用画像データを蓄積しボクセル化する手段
３ 生体組織形状と加工面情報を取得する手段
４ 工具経路を計算する手段
５ 工具とボクセルの干渉領域判定の手段
６ 生体組織の硬さを決定する手段
７ 送り速度計算の手段
８ 工具位置と姿勢情報を出力する手段
９ 手術器械へ出力するＮＣデータ
１０ 手術支援装置
１１ 入出力部
１２ 記憶部
１３ 演算部
１４ 入力部
１５ 表示部
１６ 力センサー
１７ 制御盤
２０ 生体組織の形状と加工面情報
２１ アーム
２２ 赤外線座標測定器
２３ 大腿骨
２４ 脛骨
２５ 大腿骨用トラッカー
２６ 脛骨用トラッカー
２７ プローブ
２８ 皮切部
２９ 手術器械のアーム用トラッカー
３０ 工具位置及び工具姿勢情報（工具情報）
３１ 工具
３２ ボクセル座標系
３３ 実空間座標系
３４ 手術器械座標系
４０ 工具切刃領域
４１ 有限要素
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動制御される手術器械のアームに取り付けられる手術用工具で生体組織を手術する手術支援システムにおいて、手術対象となる生体組織から得た医用画像データを蓄積してボクセル化する手段と、生体組織の形状から手術個所を設定する手段と、手術個所を手術するために工具が進む工具経路を計算する手段と、工具とボクセルとの干渉領域を判定する手段と、この干渉領域における生体組織の硬さを決定する手段と、この硬さに対応した工具の最適な送り速度を計算する手段と、当該計算で得た送り速度を手術器械に出力する手段とを備えることを特徴とする手術支援システム。
【請求項２】
医用画像における画像輝度値から硬さを推定するとともに、この推定した硬さを基に送り速度が計算される請求項１の手術支援システム。
【請求項３】
工具に作用する切除反力を実時間計測し、力帰還によって切除反力に対応した送り速度が計算される請求項１又は２の手術支援システム。
【請求項１】
自動制御される手術器械のアームに取り付けられる手術用工具で生体組織を手術する手術支援システムにおいて、手術対象となる生体組織から得た医用画像データを蓄積してボクセル化する手段と、生体組織の形状から手術個所を設定する手段と、手術個所を手術するために工具が進む工具経路を計算する手段と、工具とボクセルとの干渉領域を判定する手段と、この干渉領域における生体組織の硬さを決定する手段と、この硬さに対応した工具の最適な送り速度を計算する手段と、当該計算で得た送り速度を手術器械に出力する手段とを備えることを特徴とする手術支援システム。
【請求項２】
医用画像における画像輝度値から硬さを推定するとともに、この推定した硬さを基に送り速度が計算される請求項１の手術支援システム。
【請求項３】
工具に作用する切除反力を実時間計測し、力帰還によって切除反力に対応した送り速度が計算される請求項１又は２の手術支援システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２５４９７５（Ｐ２０１１−２５４９７５Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３１６４６（Ｐ２０１０−１３１６４６）
【出願日】平成２２年６月９日（２０１０．６．９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 第２２回バイオエンジニアリング講演会 ２０１０年１月９日〜１０日
【出願人】（５０８２８２４６５）ナカシマメディカル株式会社 (22)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月９日（２０１０．６．９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 第２２回バイオエンジニアリング講演会 ２０１０年１月９日〜１０日
【出願人】（５０８２８２４６５）ナカシマメディカル株式会社 (22)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
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