JP2001525074A

JP2001525074A - 可動対象物の位置検出

Info

Publication number: JP2001525074A
Application number: JP50014198A
Authority: JP
Inventors: シュピンク、ローガー
Original assignee: ライカミクロスコピーズュステーメアーゲー
Priority date: 1996-06-03
Filing date: 1997-05-17
Publication date: 2001-12-04
Also published as: WO1997046168A1; US6081370A; EP0959796A1

Abstract

(57)【要約】赤外線送信器を有する位置検出装置には、顕微鏡の赤外線発光ダイオードと、室内に配置された赤外線受信器との間に大きな距離があるという問題があった。この区間での人等に起因する外部の影響によって装置にノイズが発生することがある。本発明の課題は、このノイズの影響を阻止することである。従って本発明の構造は非常に小型である。位置検出装置は顕微鏡（１）と、顕微鏡に直接固定される画像検出ユニット（３）からなる。このことによりノイズにつながる間隔が回避される。装置を使用に対して最適に調整するために、比較体（５）を用いて較正される。コンピュータ（６）により顕微鏡ビーム路に別の画像データ（１０）（例えばＭＲＩ画像データ）が重畳される。このようにして得られた観察野はコンピュータ画面（７ａ）または外部モニタ（７ｂ）に表示することができる。

Description

【発明の詳細な説明】可動対象物の位置検出［技術分野］本発明は、顕微鏡によって観察される点の、物体（Medium）における位置を検出する装置に関する。被検物体は必ずしも静止対象物である必要はなく、本発明に対しては可動物体であっても良い。とりわけ医学では、患者の位置と顕微鏡調整データが同時に既知である場合に、正確な観察箇所（手術野）を導き出すことができることが非常に重要である。このことは現代の顕微鏡外科学ではますます重要になっている。執刀医は正しい箇所を拡大して手術を実行することができる。このような知見の重要性は、種々の画像形式、例えばＸ線画像データ、ＣＴ画像データ、ＰＥ画像データ、ＭＲＩ画像データ等の技術進歩と共にますます増大している。このような画像技術では、顕微鏡ビーム路中に見ることができ、また見ている画像に重畳することができ、これにより執刀医は位置的に正しく表示された比較情報を、手術野を介して得ることができる。しかし本発明は、医学分野に限らず、他の顕微鏡検査の実行される領域で有効に使用できる。［技術的背景］顕微鏡の位置検出、およびひいては顕微鏡によって観察される手術野の位置検出は現在の技術水準では、例えば赤外線位置検出装置によって行われる。顕微鏡に、符号化された送信信号を出力する３つの赤外線送出器が配置され、その信号が空間（室内）に配置された赤外線受信器によって検出される。やや古いが未だに使用されている位置検出方法は、１つにはリンク接合部に（ロボットアームの如く）測定素子を有する顕微鏡支持架台の使用である。この測定素子は顕微鏡の位置変化に連続的に追従し、マイクロプロセッサを介して位置を検出する。また、位置検出を顕微鏡に配置された超音波送信器および超音波センサを用いて行うこともある。これまで公知のすべての位置検出方法では、基本的には機能するのだが問題が発生する。比較的に古い方法では、患者が位置検出によって影響を受けないように注意しなければならず、また観察領域（例えば手術筒所）の測定結果が位置検出法によって影響を受けないようにしなければならない。この２つの問題は、赤外線位置検出装置を使用する場合には解決される。しかしこの場合、赤外線受信器をＩＲ(赤外線）ダイオードないし顕微鏡のマーキングダイオードから空間（室）内に間隔をおいて設けなければならないという問題が発生する。このことは送信器と受信器との間にノイズの影響が発生し得ることを意味する。このノイズは例えば信号交換領域に自ら入り込む人間により、またはここに挿入される対象物によって発生し得る。［発明の開示］前記の問題点は多くの適用に対して満足すべき程度に解決されていない。しかし顕微鏡に対する患者の位置は重要な情報である。従って本発明の課題は、位置検出装置を有する顕微鏡を提供することであり、この位置検出装置が位置検出に影響を与えたり、測定を誤らせることのある外部ノイズの影響を受けないようにすることである。また顕微鏡がどちらに向かって正確に配向されているかを、ユーザーが顕微鏡を覗くことなしに知ることも必要である。さらに観察画像に他の画像データ（例えばＸ線、ＣＴ、またはＭＲＩ画像データ）を正しい位置で重畳できるようにすべきである。この課題は、本発明により、少なくとも１つの画像検出ユニットを顕微鏡に用い、システムの較正および測定に資する少なくとも１つの試料体を用いることによって解決される。その際試料体は観察対象物と固定的に結合可能でなければならず、顕微鏡でも、前の例えばＭＲＩ、Ｘ線、ＰＥ等の他の記録技術でもこのことが当てはまる。位置検出は本発明では、画像検出ユニットによる画像識別を介して行われる。この画像検出ユニットは顕微鏡に剛に（固定的に）結合されているか、または顕微鏡に組み込まれている。この画像検出ユニットが既知の対象物を注視する際に較正を行うことができる。従って画像検出装置を備えた顕微鏡が、既知の対象物と剛性にかつ可視に結合された他の（未知）の対象物を注視すれば、そこから当該他の（未知）の対象物の位置または状態を画像処理を介して検出することができる。必要なら、場合によっては一時的にのみ、元々は未知の対象物を既知の対象物として、または較正対象物として記憶することができる。画像検出ユニットは顕微鏡のビーム路に対して既知の角度、例えば平行に取り付けられる。顕微鏡を所定のように調整した際のセンサデータも、画像検出ユニットもコンピュータに入力することができ、コンピュータは送出されたデータから顕微鏡に対する手術野の正確な位置を計算する。従って顕微鏡により観察された画像にはディスプレイおよび差込み入射（スーパーインポーズ）要素によって他の画像データ（例えばＭＲＩ画像等）を正しい位置で重畳することができる。このようにして得られた観察野はコンピュータ画面または他の接続されたモニタに表示することができる。すでに公開された“VISLAN-方法、ないし-プロジェクト”で、カメラによる画像処理を介して対象物を空間で同定することが公知である。この対象物はいわゆる基準点（FIDUCIALS）によりマーキングされている。しかしこの技術だけでは視野ないし手術野のどの詳細領域に顕微鏡が配向されているのかを定義することはできず、顕微鏡に比較可能な基準点（複数）を設け、基準点の１つの画像情報と比較可能な基準点での画像情報との間で幾何学的に顕微鏡がどの方向を注視しているのかを計算しなければならないこととなる。この高い計算の複雑さないしコストを別にしても、再び前記の問題、すなわち基準点とカメラとの間に入り込む人または物によるノイズの問題が発生し、一方または他方の基準点の位置決めが不可能になる。この欠点が本発明では生ぜず、画像検出装置が顕微鏡に対して拡大された視野を有するときにとくに有利である。画像検出装置が顕微鏡の外でこれと結合されているのではなく、場合により顕微鏡に組み込まれている場合でも、さらに主対物レンズ自体によって見る場合でも、画像検出装置は、−例えば異なる倍率による−拡大された視野を顕微鏡ビーム路に対して有していなければならない。これは、位置検出の良好な有効作用範囲を保証するためである。その際以下のことが重要である。顕微鏡ないしその主対物レンズの視線方向；手術野に対する主対物レンズの位置。この位置は、方向が既知となれば、例えば別個の測定装置により付加的に検出されるｚ-距離を介して、または試料体による画像情報からも画像検出装置の調整データが既知であれば算出することができる。しかし興味の対象はまた、視点が水平観察面のどこにあるか（面内における位置）である。この情報を得ることができるようにするため、装置は各使用の前に比較体によって較正される。比較体は点（例えば角、凹部）を含んでおり、比較体が定められた位置にあるときそれらすべてのデータは既知である。比較値としてコンピュータに記憶されているこれらデータにより位置検出装置が調整される。較正の際、比較体は顕微鏡の下で、画像検出ユニットの観察野内において予め位置決めされる。次に顕微鏡が既知の点に位置決めされる。コンピュータに記憶されている点の比較値によって計算で較正調整が可能である。コンピュータがこの過程によって得るデータから次に、各他の観察位置が計算され、それらの座標を例えば画面に表示することができる。画像検出ユニットが顕微鏡と同じ方向ではなく、別の方向、例えば手術ホールの天井に向けて配向されており、そこでマーキングに基づいて位置検出を可能にする変形実施例も本発明の枠内である。本発明の実施例が図面に示されている。試料体は種々の輪郭を有することができる。画像検出ユニットとして任意のシステム、例えばＣＣＤカメラを選択することができる。顕微鏡−コンピュータおよび画像検出ユニット−コンピュータの接続がどのように見えるかは、使用される機器およびコンピュータのインターフェースに依存する。図１は、画像検出ユニット、接続されたコンピュータおよび比較体を有する本発明の顕微鏡の原理（基本）構成図である。図１は本発明の原理を示す。ここには光軸を有する顕微鏡１が示されており、光軸内には比較体５がある。光軸２に平行に画像検出ユニット３が設けられている。この画像検出ユニットの観察野４にも同じように比較体５がある。顕微鏡倍率により得られた対象距離８と、接続部９を介してコンピュータ６に伝送される画像検出ユニット３のデータにより、観察位置が正確に計算される。この観察位置には同じようにコンピュータ６で他の画像データ１０（例えばＸ線画像データ、ＣＴ画像データ、またはＭＲＩ画像データ）を重畳することができる。このようにして得られた観察野はコンピュータ画面７ａおよび／または外部モニタ７ｂに表示することができる。図示されていないが本発明の画像検出ユニット３に付加的に、画像センサ（複数）を顕微鏡ビーム路に配置することも考えられる。この画像センサは見られた画像をモニタに表示可能にする。同じようにモニタ７の画像情報を公知の手段により顕微鏡１の接眼レンズビーム路に差込み入射させることも考えられる。これによって顕微鏡ビーム路を挿入された他の画像データと共にコンピュータ画面（７ａ）および／または外部モニタ（７ｂ）に表示することができる。画像検出装置ないしカメラが主対物レンズを通して覗くことの利点は、ドレープ（顕微鏡の滅菌ケーシング）を使用した場合でもカメラに対する視野問題が生じないことである。２つ以上のカメラを有する変形実施例も本発明の枠内である。カメラを１つしか使用しない場合は、複数のオリエンテーションポイントを既知の対象物におくと有利であり、２つ以上のカメラを使用する場合はただ１つのマーキングポイントを配向することでも足りる。カメラが平行に取り付けられる場合、画像処理を計算的にエラーなしで実行できるよう顕微鏡の軸と平行になるよう考慮される。符号リスト１顕微鏡２光軸３画像検出ユニット４画像検出ユニットの観察野５比較体６コンピュータ７ａコンピュータ画面７ｂ外部モニタ８対象距離９ケーブル接続部１０別の画像データに対するソース（例えばＸ線画像データ、ＣＴ画像データ、ＰＥ画像データ、ＭＲＩ画像データ等）

【手続補正書】【提出日】平成１１年１月２２日（１９９９．１．２２）【補正内容】明細書（全文補正）可動対象物の位置検出［技術分野］本発明は、顕微鏡を有する装置、および顕微鏡の空間的位置検出方法に関する。顕微鏡によって観察される対象物は必ずしも静止対象物である必要はなく、本発明の枠内では可動対象物であっても良い。とりわけ医学では、患者の位置と顕微鏡調整データが同時に既知である場合に、正確な観察箇所（手術野）を導き出すことができることが非常に重要である。このことは現代の顕微鏡外科学ではますます重要になっている。執刀医はより確実に正確な位置で手術を実行することができる。このような知見の重要性は技術進歩と共にますます増大している。ここでは、種々の画像データ、例えばＸ線画像データ、ＣＴ画像データ、ＰＥ画像データ、ＭＲＩ画像データ等を顕微鏡ビーム路中に見えるようにでき、また見ている画像に重畳することができ、これにより執刀医は位置的に正しく表示された比較情報を、手術野に対して得ることができる。しかし本発明は、医学分野に限らず、他の顕微鏡検査の実行される領域で有効に使用できる。顕微鏡の位置検出、およびひいては顕微鏡によって観察される手術野の位置検出は現在の技術水準では、例えば赤外線位置検出装置によって行われる。ここでは顕微鏡に、符号化された送信信号を出力する３つの赤外線送出器が配置され、その信号が空間（室内）に配置された赤外線受信器によって検出される。やや古いが未だに使用されている位置検出方法は、１つにはリンク接合部に（ロボットアームの如く）測定素子を有する顕微鏡支持架台の使用である。この測定素子は顕微鏡の位置変化に連続的に追従し、マイクロプロセッサを介して位置を検出する。また、位置検出を顕微鏡に配置された超音波送信器および超音波センサを用いて行うこともある。［発明の開示］これまで公知のすべての位置検出方法では、基本的には機能するのだが問題が発生する。比較的に古い方法では、患者が位置検出によって影響を受けないように注意しなければならず、また観察領域（例えば手術箇所）の測定結果が位置検出法によって影響を受けないようにしなければならない。この２つの問題は、赤外線位置検出装置を使用する場合には解決される。しかしこの場合、赤外線受信器をＩＲ（赤外線）ダイオードないし顕微鏡のマーキングダイオードから空間（室）内に間隔をおいて設けなければならないという問題が発生する。このことは送信器と受信器との間にノイズの影響が発生し得ることを意味する。このノイズは例えば信号交換領域に入り込む人間により、またはここに挿入される対象物によって発生し得る。この問題は、いくつかの適用に対しては満足のいくように解決されていない。しかし顕微鏡に対する患者の状態位置は重要な情報である。従って本発明の課題は、位置検出装置を有する顕微鏡を提供することであり、この位置検出装置が位置検出に影響を与えたり、測定を誤らせることのある外部ノイズの影響を受けないようにすることである。また顕微鏡がどちらに向かって正確に配向されているかを、ユーザーが顕微鏡を覗くことなしに知ることも必要である。この課題は請求項１ないし請求項６による方法ないし装置によって解決される。さらに観察画像に他の画像データ（例えばＸ線、ＣＴ、またはＭＲＩ画像データ）を正しい位置で重畳できるようにすべきである。この課題は、本発明により、少なくとも１つの画像検出ユニットと、少なくとも１つの比較体ないし試料体を顕微鏡に使用し、前記比較体ないし試料体をシステムの較正および測定に用いることによって解決される。その際試料体は観察対象物と固定的に結合可能でなければならず、顕微鏡でも、前の例えばＭＲＩ、Ｘ線、ＰＥ等の他の記録技術でもこのことが当てはまる。位置検出は本発明では、画像検出ユニットによる画像識別を介して行われる。この画像検出ユニットは顕微鏡に剛に（固定的に）接合されているか、または顕微鏡に組み込まれている。この画像検出ユニットが既知の対象物を注視する際に較正を行うことができる。従って画像検出装置を備えた顕微鏡が、既知の対象物と剛性にかつ可視に結合された他（未知）の対象物を注視すれば、そこから当該他（未知）の対象物の位置または状態を画像処理を介して検出することができる。必要なら、場合によっては一時的にのみ、元々は未知の対象物を既知の対象物として、または較正対象物として記憶することができる。画像検出ユニットは顕微鏡のビーム路に対して既知の角度、例えば平行に取り付けられる。顕微鏡を所定のように調整した際のセンサデータも、画像検出ユニットもコンピュータに入力することができ、コンピュータは送出されたデータから顕微鏡に対する手術野の正確な位置を計算する。従って顕微鏡により観察された画像にはディスプレイおよび差込み入射（スーパーインポーズ）要素によって他の画像データ（例えばＭＲＩ画像等）を正しい位置で重畳することができる。このようにして得られた観察野はコンピュータ画面または他の接続されたモニタに表示することができる。ロンドンにおける放射線医学科学者のプロジェクトですでに公開された“VISL AN-方法、ないし-プロジェクト”で、カメラによる画像処理を介して対象物を空間（室）内で同定することが公知である。この対象物はいわゆる基準点（FIDUCI ALS）によりマーキングされている。しかしこの技術だけでは視野ないし手術野のどの詳細領域に顕微鏡が配向されているのかを定義することはできず、顕微鏡に比較可能な基準点（複数）を設け、基準点の１つの画像情報と比較可能な基準点での画像情報との間で幾何学的に顕微鏡がどの方向を注視しているのかを計算しなければならないこととなる。この高い計算の複雑さないしコストを別にしても、再び前記の問題、すなわち基準点とカメラとの間に入り込む人または物によるノイズの問題が発生し、一方または他方の基準点の位置決めが不可能になる。この欠点が本発明では生ぜず、画像検出装置が顕微鏡に対して拡大された視野を有するときにとくに有利である。画像検出装置が顕微鏡の外でこれと結合されているのではなく、場合により顕微鏡に組み込まれている場合でも、さらに主対物レンズ自体によって見る場合でも、画像検出装置は、−例えば異なる倍率による−拡大された視野を顕微鏡ビーム路に対して有していなければならない。これは、位置検出の良好な有効範囲を保証するためである。その際以下のことが重要である。顕微鏡ないしその主対物レンズの視線方向；手術野に対する主対物レンズの位置。この位置は、方向が既知となれば、例えば別個の測定装置により付加的に検出されるｚ-距離を介して、または試料体による画像情報からも画像検出装置の調整データが既知であれば算出することができる。しかし興味の対象はまた、視点が水平観察面のどこにあるか（面内における位置）である。この情報を得ることができるようにするため、装置は各使用の前に比較体によって較正される。比較体は点（例えば角、凹部）を含んでおり、比較体が定められた位置にあるときそれらすべてのデータが既知である。比較値としてコンピュータに記憶されているこれらデータにより位置検出装置が調整される。較正の際、比較体は顕微鏡の下で、画像検出ユニットの観察野において予め位置決めされる。次に顕微鏡が既知の点に位置決めされる。コンピュータに記憶されている点の比較値によって計算で較正調整が可能である。コンピュータがこの過程によって得るデータから次に、各他の観察位置が計算され、それらの座標を例えば画面に表示することができる。画像検出ユニットが顕微鏡と同じ方向ではなく、別の方向、例えば手術ホールの天井に向けて配向されており、そこでマーキングに基づいて位置検出を可能にする変形実施例も本発明の枠内である。本発明の実施例が図面に示されている。試料体は種々の輪郭を有することができる。画像検出ユニットとして任意のシステム、例えばＣＣＤカメラを選択することができる。顕微鏡−コンピュータおよび画像検出ユニット−コンピュータの接続がどのように見えるかは、使用される機器およびコンピュータのインターフェースに依存する。図１は、画像検出ユニット、接続されたコンピュータおよび比較体を有する本発明の顕微鏡の原理（基本）構成図である。図１は本発明の原理を示す。ここには光軸を有する顕微鏡１が示されており、光軸には比較体５がある。光軸２に平行に画像検出ユニット３が設けられている。この画像検出ユニットの観察野４にも同じように比較体５がある。顕微鏡倍率により得られた対象距離８と、接続部９を介してコンピュータ６に伝送される画像検出ユニット３のデータにより、観察位置が正確に計算される。この観察位置には同じようにコンピュータ６で他の画像データ１０（例えばＸ線画像データ、ＣＴ画像データ、またはＭＲＩ画像データ）を重畳することができる。このようにして得られた観察野はコンピュータ画面７ａおよび／または外部モニタ７ｂに表示することができる。図示されていないが本発明の画像検出ユニット３に付加的に、画像センサ（複数）を顕微鏡ビーム路に配置することも考えられる。この画像センサは見られた画像をモニタに表示可能にする。同じようにモニタ７の画像情報を公知の手段により顕微鏡１の接眼レンズビーム路に差込み入射させることも考えられる。これによって顕微鏡ビーム路を挿入された他の画像データと共にコンピュータ画面（７ａ）および／または外部モニタ（７ｂ）に表示することができる。画像検出装置ないしカメラが主対物レンズを通して注視することの利点は、ドレープ（顕微鏡の滅菌ケーシング）を使用した場合でもカメラに対する視野問題が生じないことである。２つ以上のカメラを有する変形実施例も本発明の枠内である。カメラを１つしか使用しない場合は、複数のオリエンテーションポイントを既知の対象物におくと有利であり、２つ以上のカメラを使用する場合はただ１つのマーキングポイントを配向すると有利である。カメラが平行に取り付けられる場合、画像処理を計算的にエラーなしで実行できるよう顕微鏡の軸と平行になるよう考慮される。符号リスト１顕微鏡２光軸３画像検出ユニット４画像検出ユニットの観察野５比較体６コンピュータ７ａコンピュータ画面７ｂ外部モニタ８対象距離９ケーブル接続部１０別の画像データに対するソース（例えばＸ線画像データ、ＣＴ画像データ、ＰＥ画像データ、ＭＲＩ画像データ等）請求の範囲１．顕微鏡の空間位置検出方法において、顕微鏡（１）に画像検出ユニット（３）が相対位置が剛性であるよう固定されており、該画像検出ユニットは、動作状態で顕微鏡（１）の観察野を、顕微鏡（１）の光軸（２）に対して角度をなして検出し、かつコンピュータ（６）と接続されており、該コンピュータには画像識別プログラム、および顕微鏡位置を観察野を基準にして検出するための比較データが装備されている、ことを特徴とする顕微鏡の空間位置検出方法。２．観察野と比較体（５）が結合しており、該比較体の空間的寸法は既知であり、コンピュータ（６）に記憶されており、画像検出ユニット（３）により検出される、請求項１記載の方法。３．顕微鏡（１）と画像検出ユニット（３）には使用前に較正のため、輪郭が既知であってコンピュータ（６）に記憶されている比較体（５）が載置される、請求項１または２記載の方法。４．顕微鏡（１）の位置データおよび倍率データを獲得し、当該コンピュータ（６）により獲得され、モディファイされたこれらの画像データと共に、別の画像（１０）を正しい位置でディスプレイ（７）に重畳して表示し、別の記録技術により該別の画像データを獲得する際に、前記比較体（５）は観察野の対象物と結合される、請求項２または３記載の方法。５．前記別の画像データを顕微鏡（１）の接眼レンズビーム路に、観察者に対して可視となるよう挿入入射する、請求項４記載の方法。６．顕微鏡（１）と、該顕微鏡に対して相対位置が剛性に結合された画像検出ユニット（３）とを有する装置であって、顕微鏡と画像検出ユニットとは両方とも動作状態で顕微鏡（１）の観察野を検出する形式の装置において、前記画像検出ユニット（３）は顕微鏡の側方に、該顕微鏡の光軸（２）に対して角度を成して配置されていること、該画像検出ユニット（３）は画像検出プログラムを有するコンピュータ（６）と接続されており、該画像検出プログラムは、観察野に結合可能な比較体（５）を基準にした顕微鏡（１）の位置検出のための比較データを備えており、前記比較体の幾何学的寸法は既知であり、コンピュータ（６）に記憶可能であること、を特徴とする装置。

Claims

【特許請求の範囲】１．顕微鏡の位置検出装置において、顕微鏡に、その光軸（２）に対して角度をなして、観察野を検出するための画像検出ユニット（３）が取り付けられており、該画像検出ユニットはコンピュータ（６）と接続されており、該コンピュータには、位置検出のためのプログラムおよび比較データが装備されている、ことを特徴とする装置。２．装置に使用前に較正のために比較体（５）を載置し、該比較体の輪郭は既知であり、コンピュータ（６）に記憶されている、請求項１記載の方法。３．顕微鏡（１）の位置データおよび倍率データを獲得し、当該データと共にコンピュータ（６）によりモディファイされた別の画像データ（１０）（例えばＸ線画像データ、ＣＴ画像データ、またはＭＲＩ画像データ）を正しい位置で重畳して表示する、請求項２記載の方法。４．前記別の画像データを接眼レンズビーム路に、観察者により可視となるよう挿入入射する、請求項３記載の方法。