JP6986017B2 - 対象の眼組織に対するツール先端部の位置および配向を決定するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

開示された技法は、一般に対象の眼組織の断裂を防ぐためのシステムおよび方法に関し、詳細には対象の眼組織に対するツール先端部の位置および配向を決定するためのシステムおよび方法に関する。

眼の光学構造は、角膜、虹彩、水晶体および水晶体嚢などの薄く脆弱な透明組織を含む。眼科における一般的な外科的処置（例えば白内障手術、眼内レンズ着床、角膜移植など）は、前眼に関連し、立体顕微鏡を使用して行われる。概して眼組織は透明であり、したがって見難い。これらの外科的処置は、透明の眼組織を通して可視性が低いために複雑である。これらの処置中に外科医はこれらの透明組織を切断し、または切断を避ける必要がある。透明の眼組織への損傷は、手術中に合併症を引き起こすことにより、患者は回復に時間が掛かり、処置の結果が変わり、手術の繰り返しおよび断念をもたらすことがある。外科医が顕微鏡を使用して正確な切開および処置を行う難しさに直面したときに、処置は所望の結果を提供しないことがある。

先行技術のシステムは、手術中に眼胞を配置するための非視覚的走査技術を利用する。ここでＨｕｂｓｃｈｍａｎらに供与された、「リアルタイムの診断走査データから抽出した境界間隔情報に器具を使用する外科的処置」の名称の米国特許第８，９４５，１４０号を参照する。この公開は、外科的処置の間に器具の作業端部と眼の後嚢を分離する距離に関する追加誘導を外科医に提供するための外科方法に関する。方法は非視覚的三次元データ（すなわち診断走査データ）を取得し、器具と水晶体組織の後境界との間の距離を決定するための走査データを処理するものである。距離情報の視覚および／または聴覚伝達が外科医に提供される。

開示された技法の目的は、対象の眼組織に対するツール先端部の位置および配向を決定するための新規の方法およびシステムを提供することである。したがって開示された技法の一態様によれば、対象の眼組織に対するツール先端部の位置および配向を決定するためのシステムが提供される。システムは撮像および追跡モジュールならびにプロセッサを含む。プロセッサは撮像および追跡モジュールと結合される。撮像および追跡モジュールは撮像装置を少なくとも含む。撮像装置は少なくとも１つの組織基準マーカーの少なくとも１つの画像を取得する。撮像および追跡モジュールは、ツールの位置および配向に関する情報をさらに決定する。プロセッサは、組織基準マーカーの取得した少なくとも１つの画像に従って、組織基準マーカーの位置および配向を連続してリアルタイムで決定する。プロセッサは、組織基準マーカーの位置および配向、ならびに組織基準マーカーと対象の眼組織との間の所定の相対位置および配向に従って、対象の眼組織の位置および配向を連続してリアルタイムで決定する。またプロセッサは、ツールマーカーに従ってツール先端部の位置および配向を決定し、ツール先端部と対象の眼組織との間の相対位置および配向を決定する。

開示された技法の別の態様によれば、対象の眼組織に対するツール先端部の位置および配向を決定するための方法がこのように提供される。方法は、基準座標系において少なくとも１つの基準マーカーの少なくとも１つの画像を取得する手順、および基準座標系において少なくとも１つの組織基準マーカーの位置および配向を連続してリアルタイムで決定する手順を含む。また方法は、組織基準マーカーの位置および配向、ならびに組織基準マーカーと対象の眼組織との間の所定の相対位置および配向に従って、基準座標系において対象の眼組織の位置および配向を連続してリアルタイムで決定する手順も含む。方法は、基準座標系においてツール先端部の場所および配向を決定し、ツール先端部と対象の眼組織との間の距離を決定する手順をさらに含む。

開示された技法は、図面とともに以下の詳述からより完全に理解され認識されよう。

開示された技法の一実施形態により構成され作動する、対象の眼組織に対するツール先端部の位置および配向を決定するための例示的システムの概略図である。 開示された技法の別の実施形態により構成され作動する、対象の眼組織に対するツール先端部の位置および配向を決定するためのシステムの概略図である。 開示された技法のさらなる実施形態により作動する、対象の眼組織に対するツール先端部の位置および配向を決定するための方法の概略図である。

開示された技法は、対象の眼組織に対するツール先端部の位置を決定するためのシステムおよび方法を提供することにより、先行技術の不都合を克服する。したがって撮像装置は、眼の少なくとも１つの画像、また特に結膜、虹彩、角膜および透明組織の画像を取得する。取得した１つまたは複数の画像は、１つまたは複数の組織基準マーカー（例えば虹彩、１つまたは複数の標準マーカー、血管）の表示を含む。プロセッサは、基準座標系において１つまたは複数の組織基準マーカーの位置および配向（本明細書では「Ｐ＆Ｏ」と略す）を連続してリアルタイムで決定する。また対象の眼組織と１つまたは複数の組織基準マーカーとの間の相対Ｐ＆Ｏは予め定められる。プロセッサは、少なくとも２つの要因に従って、基準座標系において対象の眼組織のＰ＆Ｏを連続してリアルタイムで決定する。第１の要因は、対象の眼組織と１つまたは複数の組織基準マーカーとの間の相対Ｐ＆Ｏであり、第２の要因は組織基準マーカーのＰ＆Ｏである。基準座標系における対象の眼組織のＰ＆Ｏは、組織に望ましくない損傷をさせることなく（すなわち安全な距離閾値を考慮してもしなくてもよい）ツールを操作できる操作空間を画定する。ツールトラッカーは基準座標系においてツールを追跡する（すなわちＰ＆Ｏに関する情報を決定する）。プロセッサは、ツール先端部と対象の眼組織との間の距離を決定し、この決定された距離を距離表示器に提供する。距離表示器は、ツール先端部と対象の眼組織との間の距離に関する表示を生成する。開示された技法によるシステムおよび方法は、外科医その他が眼組織の切開、また特に透明組織に望ましくない損傷を防ぐ助けとなる。

本明細書の上記および下記において用語「リアルタイムで」は、システムの要件に関して実質的に高い速度で（例えば毎秒１５回を超える）、およびシステムの要件に関して実質的に低い遅延（例えば０．１秒未満）で行われる操作（例えば画像の取得、Ｐ＆Ｏの決定）を指す。本明細書の上記および下記において用語「連続して」は、画定された時間の間に操作（例えば画像の取得、Ｐ＆Ｏの決定）を繰り返し行うことに関する。

次に図１Ａ〜図１Ｄを参照する。図１Ａ〜図１Ｄは、開示された技法の一実施形態により構成され作動する、対象の眼組織に対するツール先端部のＰ＆Ｏを決定するための、概ね１００で示された例示的システムの概略図である。例示的システム１００が本明細書に記載されており、この場合水晶体嚢内の対象の眼組織および組織基準マーカーは虹彩である。システム１００は三次元（３Ｄ）撮像装置１０２、プロセッサ１０４、距離表示器１０６およびデータベース１０８を含む。プロセッサ１０４は３Ｄ撮像装置１０２、距離表示器１０６、およびデータベース１０８と結合される。

３Ｄ撮像装置１０２は、例えば立体撮像装置、構造化光撮像装置、タイムオブフライト（ＴＯＦ）撮像装置などである。ツール１１０はツールマーカー１１２を含み、ツールマーカー１１２はアクティブマーカーまたはパッシブマーカーであってもよい。アクティブマーカーは、例えば３Ｄ撮像装置１０２が感知する（すなわち３Ｄ撮像装置１０２はツールマーカー１１２の画像を取得でき、ツールマーカー１１２はこれらの画像内で識別できる）波長で光を放つ光発光体（例えば発光ダイオード、ＬＥＤ）である。パッシブマーカーは、例えば３Ｄ撮像装置１０２に向かってその上で衝突する光を反射する反射体（すなわち鏡面反射体、逆反射体または拡散反射体）である。

システム１００は、一般に眼１１４の構造に対する、詳細には対象の眼組織に対する、ツール１１０、また特にツール先端部１１１を追跡する（すなわちＰ＆Ｏを決定する）ために利用される。そのために、システム１００は、３Ｄ撮像装置１０２によって取得したその画像に従って基準座標系１２８においてツールマーカー１１２のＰ＆Ｏを決定する。マーカー１１２に対するツール先端部１１１のＰ＆Ｏは予め定められているので、システム１００はツール先端部１１１のＰ＆Ｏを決定する。

システム１００の機能性を記載する前に、以下の段落は眼１１４の簡単な説明を提供する。眼１１４は角膜１１６、虹彩１１８、前房１２０、水晶体嚢１２２、水晶体１２４、および網膜１２６を含む。角膜１１６は、虹彩１１８および前房１２０を覆う眼１１４の透明前部である。角膜１１６は前房１２０、水晶体１２４とともに網膜１２６上に光を屈折させる。虹彩１１８は、瞳孔（図示せず）の直径および大きさを、ひいては網膜１２４に達する光の量を制御するために関与する薄い円形構造である。すなわち虹彩１１８は開口絞りであり、瞳孔は開口である。前房１２０は虹彩１１８と角膜１１６の内面との間の空間であり、房水で満たされている。水晶体嚢１２２は水晶体１２４を完全に包囲する、透き通った（すなわち透明な）膜構造である。水晶体嚢１２２は水晶体１２４およびその表面曲率を形づくる支援をする。水晶体１２４は、網膜１２６上を通ってそこを通過する光の焦点を合わせるのに（角膜１１０とともに）役に立つ透明の両凸構造である。網膜１２６は眼１１４の球体の内膜であり、組織の感光層である。

データベース１０８は、虹彩と水晶体嚢との間の相対Ｐ＆Ｏに関する情報を記憶する。この相対Ｐ＆Ｏは実質的に一定である。データベース１０８は水晶体嚢の形状および大きさに関する情報をさらに記憶してもよい。この記憶した情報は、水晶体嚢の体積モデルを画定するために利用される。処置の間に３Ｄ撮像装置１０２は虹彩１１８の３Ｄ画像を連続して取得する。３Ｄ撮像装置１０２は、取得した３Ｄ画像をプロセッサ１０４に提供する。プロセッサ１０４は、取得した画像に従って基準座標系１２８において虹彩１１８のＰ＆Ｏを連続してリアルタイムで決定する。次いでプロセッサ１０４は、虹彩１１８の決定されたＰ＆Ｏに従って、またデータベース１０８内に記憶された虹彩と水晶体嚢モデルとの間の相対Ｐ＆Ｏに従って、基準座標系１２８において水晶体嚢１２２のＰ＆Ｏを連続してリアルタイムで決定する。したがってプロセッサ１０４は、組織に望ましくない損傷をもたらすことなくツール１１０を操作１１０できる、許容された操作空間を決定する。

ツール１１０または別のツール（すなわち別のツールもツールマーカー１１２と同様のマーカーと一致する）のいずれかが水晶体嚢１２２の中に（すなわち手動または自動的に）挿入されると、３Ｄ撮像装置１０２はツールマーカー１１２のリアルタイムの画像を取得し、取得したリアルタイムの画像をプロセッサ１０４に提供する。プロセッサ１０４は、リアルタイムで基準座標系１２８においてツール先端部１１１のＰ＆Ｏを決定する。次いでプロセッサ１０４は、ツール先端部１１１と水晶体嚢１２２との間の距離を決定し、この決定された距離を距離表示器１０６に提供する。この距離は、例えば水晶体嚢１２２までの最小距離、またはツール先端部１１１が配向された方向におけるツール先端部１１１と水晶体嚢１２２との間の距離である。距離表示器１０６は、ツール先端部１１１と水晶体嚢１２２の境界との間の距離に関する表示を生成する。

距離表示器１０６によって生成された表示は、例えば距離の数字表示、距離バーなどの可視表示であってもよい。さらなる例として、可視表示は、ディスプレイ（例えば液晶画面、ヘッドアップディスプレイ、ニアツーアイディスプレイなど）上に表されてもよい。また可視表示は、ツール１１０の記号を伴う眼の３Ｄモデル（すなわち上記の記憶されたモデルまたは異なるモデルのいずれか）であってもよい。眼の３Ｄモデルの位置に対するディスプレイ上のツール１１０の記号のＰ＆Ｏは、ツール１１０と水晶体嚢１２２との間の相対Ｐ＆Ｏに対応する。可視表示は点滅記号をさらに含んでもよく、この場合、点滅頻度はツール先端部１１１と水晶体嚢１２２との間の距離に反比例する。表示は別法としてまたは追加として、例えばピッチもしくは音量またはその両方の音などの、距離に応じて変化する音声表示であってもよい。また音声は距離を表示する、または水晶体嚢までの距離を警告する声であることも可能である。さらに別法としてまたは追加として、距離表示器１０６は、ツール先端部１１１と水晶体嚢１２２との間の距離が閾値未満であることを表示してもよい。上に提示された例では、プロセッサは、組織に望ましくない損傷をもたらすことなく（すなわち安全な閾値を考慮せず）ツール１１０を操作１１０できる、操作空間として水晶体嚢１２２全体を決定する。しかしこの操作空間はさらに限定されてもよい（すなわち安全な閾値を考慮する）。例えば図１Ｄを参照すると、プロセッサ１０４は、水晶体嚢１２４またはその一部に関する仮想境界１３０を画定してもよい。この仮想境界は、ユーザが組織に望ましくない損傷をもたらすことなくツール１１０を操作できる操作空間をさらに限定する。ツール１１０がその仮想境界を横断すると、上述のような表示が生成される。またこの仮想境界は、上記の３Ｄモデルの一部としてユーザに表示されてもよい。

上記のように、ツール１１０は自動的に動いてもよい。例えばツール１１０は、プロセッサ１０４と結合されたロボットアームなどのロボット（図示せず）に取り付けられる。プロセッサ１０４は、ツール１１０および水晶体嚢１２２のＰ＆Ｏに従って、ツール１１０を水晶体嚢１２２に向かって動かすようにロボットに命令する。プロセッサ１０４は、例えばツール先端部１１１と水晶体嚢１２２との間の距離が閾値未満であるとき、停止するようにロボットにさらに命令してもよい。

基準座標系１２８における水晶体嚢１２２のＰ＆Ｏ、幾何学的構造および大きさの上記の概算の精度（すなわち体積モデルの精度）は、水晶体嚢１２２の実際のＰ＆Ｏに関する情報を取得することにより向上（すなわち実際の体積により近づいて一致する）されてもよい。そのために、また図１Ｂを参照すると、ツール１１０が動く。３Ｄ撮像装置１０２は、ツール先端部１１１が１つまたは複数の点で（例えば顕微鏡を通してツール先端部１１１を見ることによって決定される際に）水晶体嚢１２２の外側境界と接触する、または接触するほど接近すると、ツールマーカー１１２の１つまたは複数のそれぞれの３Ｄ画像を取得する。３Ｄ撮像装置１０２は取得した画像をプロセッサ１０４に提供する。図１Ｃを参照すると、ツール１１０は動き続ける。３Ｄ撮像装置１０２は、ツール先端部１１１が１つまたは複数の点で水晶体嚢１２２の内側境界と接触する、または接触するほど接近すると、ツールマーカー１１２の別のそれぞれの１つまたは複数の３Ｄ画像を取得する。プロセッサ１０４は、ツール先端部１１１が水晶体嚢１２２の外側および内側境界点と接触する、または接触するほど接近すると、基準座標系１２８におけるツール先端部１１１の位置および任意選択で配向を決定する。ツール先端部１１１の決定された位置および／または配向に従って、プロセッサ１０４は、水晶体嚢１２２の幾何学的構造および大きさ、ならびに基準座標系１２８における水晶体嚢１２２のＰ＆Ｏを見積もることにより、水晶体嚢１２２のモデルを決定する。例えば２つの点のみ（すなわち水晶体嚢１２２の外側境界の１つおよび内側境界の１つ）が利用されると、プロセッサ１０４は、水晶体嚢１２２の幅の概算を決定する。それにもかかわらず、ツール先端部１１１が複数の点で水晶体嚢１２２の外側および内側境界と接触する、または接触するほど接近すると、ツール先端部１１１の位置および配向の決定は、水晶体嚢１２２の幾何学的構造、大きさ、位置および配向の上記の概算の精度を増す。

水晶体嚢１２２のＰ＆Ｏをリアルタイムで決定するとき、プロセッサ１０４は、（例えばこれらの境界点の場所を制限として利用することにより）水晶体嚢１２２の決定されたＰ＆Ｏの精度を向上させるために、ツール先端部１１１が水晶体嚢１２２の外側および内側境界と接触する、または接触するほど接近すると、ツール先端部１１１の上記の位置をさらに利用してもよい。別の代替形態によれば、処置の前に水晶体嚢１２２をモデリングすることは、撮像技法を利用することにより達成されてもよい。例えば処置の前に眼の光干渉断層撮影（ＯＣＴ）画像または超音波画像（すなわちモデル画像）が取得される。この画像は水晶体嚢１２２の表示を含む。水晶体嚢１２２の幾何学的構造および大きさは、画像処理技法を利用することによりこのような画像から抽出されてもよい。また虹彩１１８と水晶体嚢１２２との間の相対Ｐ＆Ｏは、水晶体嚢１２２および虹彩１１８の両方がモデル画像内に見えるときに、取得した画像から決定されてもよい。概して水晶体嚢１２２をモデリングし、虹彩１１８のＰ＆Ｏを決定することは、連続してまたは同時に行われてもよいことに留意されたい。

上述されたように、プロセッサ１０４は、組織基準マーカーとして虹彩１１８を利用し、基準座標系１２８における虹彩１１８のＰ＆Ｏを決定する。しかし組織基準マーカーは３Ｄ撮像装置１０２によって検出可能なあらゆるマーカーであってもよく、この場合、水晶体嚢１２２とマーカーとの間の相対Ｐ＆Ｏは予め定められる。例えば組織基準マーカーは、結膜、結膜内または眼の他の器官内の血管であってもよい。別法として、組織基準マーカーは眼の上に置かれた人工マーカー（例えば標準マーカー）であることが可能である。例えば組織基準マーカーは、水晶体嚢１２２の境界が決定されたときに、水晶体嚢１２２に取り付けられるパッチである。さらなる例として、組織基準マーカーは、専用のマーカーペンにより眼の上に描かれる。取得した３Ｄ画像において組織基準マーカーのＰ＆Ｏを決定するために、プロセッサ１０４は、画像処理技法を利用する。例えば組織基準マーカーが虹彩１１８であるとき、プロセッサ１０４は、縁に関連する第２のリングによって取り囲まれた虹彩に関連する、第１のリングによって取り囲まれた瞳孔に関連する黒円を同定することにより、取得した３Ｄ画像において虹彩を同定する。したがって虹彩のパターンおよび形状は、システムに認識可能な組織基準マーカーを提供する。第１のリングのＰ＆Ｏは虹彩１１８の位置に関連する。

図１Ａ〜図１Ｃとともに本明細書で上記のシステムは、３Ｄ撮像装置が撮像ならびに追跡のため利用される例示的システムに関し、この場合、対象の眼組織は水晶体嚢であり、組織基準マーカーは虹彩である。概して開示された技法によるシステムは、光学追跡、電磁追跡、超音波追跡および慣性追跡などの医療ツールを追跡するための様々な技法を利用してもよい。さらに上記のように、３Ｄ撮像装置は、立体カメラ、構造化光撮像装置またはＴＯＦカメラなどの様々な３Ｄ撮像装置のいずれか１つであってもよい。別法として、撮像装置は二次元（２Ｄ）撮像装置であってもよい。撮像装置が２Ｄ撮像装置であるときは、少なくとも３つの人工マーカーが眼の上に置かれる。また対象の眼組織は眼内の他の組織、例えば網膜であってもよい。次に図２を参照する。図２は、開示された技法の別の実施形態により構成され作動する、対象の眼組織に対するツール先端部のＰ＆Ｏを決定するための、概ね２００で示されたシステムの概略図である。システム２００の作動は、図１Ａ〜図１Ｃとともに上に記載されたシステム１００の作動に類似している。システム２００は、撮像および追跡モジュール２０２、プロセッサ２０４、距離表示器２０６、ならびにデータベース２０８およびツールマーカー２１０を含む。撮像および追跡モジュール２０２は、撮像装置２１２を少なくとも含む。撮像装置２１２は３Ｄ撮像装置または２Ｄ撮像装置であってもよい。撮像および追跡モジュール２０２は、任意選択で光源２１４およびツールトラッカー２１６（すなわち斜線によって示されている）を含む。プロセッサ２０４は撮像および追跡モジュール２０２、距離表示器２０６、およびデータベース２０８と結合される。ツールマーカー２１０は撮像および追跡モジュール２０２と結合される。

撮像装置２１２が３Ｄ撮像装置であるとき、撮像装置２１２は眼の１つまたは複数の３Ｄ画像を取得する。本明細書の上記および下記において用語「３Ｄ画像」は、状況における様々な特徴のＰ＆Ｏ（すなわち基準座標系において）に関する情報を含む画像データに関する。撮像装置２１２が３Ｄ撮像装置であるとき、撮像装置２１２は、２つの異なる視点から眼の２つの画像を取得する、立体カメラとして具現化されてもよい。撮像装置２１２が立体カメラであるとき、光源２１４は任意選択である。撮像装置２１２は別法として構造化光撮像装置として具現化されてもよい。このような場合、光源２１４は構造化光で眼を照らし、撮像装置２１２は照らされた（すなわち構造化光で）眼の画像（すなわち二次元画像であってもよい）を取得する。別の代替形態によれば、撮像装置２１２はＴＯＦカメラであってもよい。したがって光源２１４は光の時間的パルスを眼に向かって放つ。撮像装置２１２は光源２１４と時刻同期され、眼の１つまたは複数の画像を取得する。撮像装置１２は、光パルスが反射して撮像装置に戻ると予期されるときのみ光を統合する。光源２１４がパルスを放つ時間と、撮像装置２１２が反射された光パルスの画像を取得する時間との差は、追跡モジュール２０２に対する撮像装置２１２と追跡される物体との間の距離に関連する。撮像装置２１２が２Ｄ撮像装置であるとき、撮像装置２１２は眼の上に置かれた少なくとも３つの人工組織基準マーカーの１つまたは複数の２Ｄ画像を取得する。人工マーカー間の相対位置は既知である（例えば比較的高精度が必要なときにデータベース２０８内に記憶される）。別法としてマーカー間の相対位置は、例えば各マーカー上にツール先端部を置くこと、基準座標系２１８において各マーカーの位置を決定すること、およびそれに応じてマーカー間の相対位置を決定することによって決定される。

概してツールトラッカー２１６は、基準座標系２１８におけるツールマーカー２１０のＰ＆Ｏに関する情報を少なくとも取得する。一代替形態によれば、図１Ａ〜図１Ｃとともに上に記載されたのと同様に、ツールトラッカー２１６および撮像装置２１２は、同一である。したがって上述と同様に、ツールマーカー２１０はアクティブまたはパッシブマーカーである。例えばツールマーカー２１０は、ツール上に配置されたＬＥＤのアレイまたは標準マーカーであり、撮像装置２１２によって取得した画像内で識別できる。したがってツールマーカー２１０は、撮像および追跡モジュール２０２と光学的に結合すると考えられ、ツールマーカー２１０のＰ＆Ｏは、撮像装置２１２によって取得した画像に従って決定される。別の代替形態によれば、ツールトラッカー２１６は撮像装置２１２と異なる光学トラッカーである。どちらの場合も、ツールマーカー２１０のＰ＆Ｏに関する情報はツールマーカー２１０の画像である。またツールトラッカー２１６もその形状に応じてツールを追跡してもよい。ツールの形状は、システム２００の準備習得段階の間に取得したツールモデルに基づいて、データベース２０８内に記憶されてもよい。したがって撮像装置２１２はツールの３Ｄ画像を取得する。

さらなる代替形態によれば、ツールトラッカー２１６は電磁トラッカーであり、ツールマーカー２１０は少なくとも１つの電磁センサ（例えばコイル、ホール効果センサ）である。したがってツールマーカー２１０は撮像および追跡モジュール２０２と電磁結合すると考えられ、ツールマーカー２１０のＰ＆Ｏは、電磁センサにより磁場の測定に従って決定される。電磁はツールトラッカー２１６によって発生される。

さらに別の代替形態によれば、ツールトラッカー２１６は超音波トラッカーであり、ツールマーカー２１０は少なくとも１つの超音波変換器を含み、ツールトラッカー２１６は少なくとも３つの超音波受信機を含む。したがってツールマーカー２１０は撮像および追跡モジュール２０２と超音波結合されると考えられ、ツールマーカー２１０のＰ＆Ｏは、音の送信と受信との間の経過した時間の測定値、および媒体内の音の速度によって決定される。

さらに別の代替形態によれば、ツールトラッカー２１６は慣性ナビゲーションシステムであり、ツールマーカー２１０は慣性計測装置（ＩＭＵ）である。ツールマーカー２１０はツールの直線および回転加速度に関する情報を提供し、ツールトラッカーは慣性の既知基準に応じてツールマーカー２１０のＰ＆Ｏを決定する。

一実施形態によれば、プロセッサ２０４は、ツールトラッカー２１６によって提供されたツールマーカー２１０のＰ＆Ｏに関する情報に従って、ツールマーカー２１０のＰ＆Ｏを決定する。別法として、ツールトラッカー２１６はツールマーカー２１０のＰ＆Ｏを決定し、決定されたＰ＆Ｏをプロセッサ２０４に提供する。どちらの場合も、プロセッサ２０４はツール先端部のＰ＆Ｏおよびツール先端部と対象の眼組織との間の距離を決定する。

プロセッサ２０４は、従来のマイクロプロセッサとともに実装されてもよい中央処理装置、情報を一時的に記憶するためのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、および情報を永久に記憶するための読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）などの、演算操作を行うために必要な構成要素を含む。メモリ制御装置はＲＡＭを制御するために提供される。バスはプロセッサシステムの構成要素を相互接続する。バス制御装置はバスを制御するために提供される。割り込み制御装置は、システム構成要素から様々な割り込み信号を受信し処理するために使用される。大容量記憶装置はハードディスクドライブ（ＨＤＤ）によって、またはフラッシュドライブによって提供されてもよい。プロセッサシステムは、システムをローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）または広域ネットワーク（ＷＡＮ）に接続できるネットワークインターフェースをさらに含む。プロセッサの作動は、概してメモリ上に記憶できるシステム・ソフトウェアを作動することによって制御され調整される。プロセッサ２０４は、この決定された距離を距離表示器２０６に提供する。距離表示器２０６は、上述と同様にツール先端部と対象の眼組織との間の距離の表示を提供する。

処置の間に、撮像装置２１２は１つまたは複数の組織基準マーカーの画像を連続して取得する。撮像装置２１２は取得した画像をプロセッサ２０４に提供する。取得した画像は、１つまたは複数の組織基準マーカーの位置および配向に関する情報を含む。例えば撮像装置２１２が立体カメラであるとき、１つのカメラによって取得された画像内の画像特徴の位置と、第２のカメラによって取得された画像内の同じ画像特徴の位置との間の関係は、基準座標系２１８において実際の特徴の位置と関連付けられる。１つまたは複数の組織基準マーカーと関連付けられた画像特徴を同定することにより、基準座標系２１８においてその位置および配向が決定されてもよい。撮像装置２１２が２Ｄ撮像装置であるとき、撮像装置２１２は少なくとも３つの人工マーカーの画像を取得する。各マーカーの画像画素の場所は２つの角度（すなわち撮像センサの中心から測定された水平角および鉛直角）に関連付けられる。本質的にこれらの角度は、組織基準マーカーの間の既知の相対位置とともに６つの六元方程式（すなわち位置に対して３つおよび配向に対して３つ）を定義する。したがってプロセッサ２０４は、取得した画像に従って基準座標系２１８において組織基準マーカーのＰ＆Ｏを連続してリアルタイムで決定する。次いでプロセッサ２０４は、組織基準マーカーの決定されたＰ＆Ｏに従って、また１つまたは複数の組織基準マーカーと眼組織との間の記憶された相対Ｐ＆Ｏに従って、基準座標系２１８において対象の眼組織のＰ＆Ｏを連続してリアルタイムで決定する。したがってプロセッサ２０４は、ユーザが組織に望ましくない損傷をもたらすことなく（すなわち安全距離閾値を考慮してもしなくてもよい）ツール１１０を操作できる操作空間を決定する。

プロセッサ２０４は、ツール先端部のＰ＆Ｏをリアルタイムで決定し、ツール先端部と対象の眼組織との間の距離を決定する。プロセッサ２０４は、この決定された距離を距離表示器２０６に提供する。距離表示器２０６は、上述と同様にツール先端部と対象の眼組織との間の距離の表示を提供する。システム１００と同様に、ユーザが組織に望ましくない損傷をもたらすことなく操作できる操作ツール１１０を操作できる操作空間は、例えば対象の眼組織に関する仮想境界を画定することにより、安全距離閾値を考慮する。ツールがその仮想境界を横切ると、表示が上記のように生成される。

基準座標系２１８における対象の眼組織の幾何学的構造、大きさ、位置および配向の概算の精度は、処置の前に眼組織をモデリングすることによって向上されてもよい。そのために、プロセッサ２０４は、ツール先端部が複数点で対象の眼組織と接触する、または接触するほど接近すると、ツール先端部の位置を利用する。別の代替形態によれば、処置の前に眼および対象の眼組織をモデリングすることは、撮像技法を利用することによって達成されてもよい。例えば処置の前に眼の光干渉断層撮影（ＯＣＴ）画像または超音波画像（すなわちモデル画像）が取得される。このモデル画像は対象の眼組織の表示を含む。対象の眼組織の幾何学的構造および大きさは、画像処理技法を利用することによりこのような画像から抽出されてもよい。対象の眼組織および組織基準マーカーのどちらもモデル画像内に見られるとき、撮像技法で眼および対象の眼組織ならびに組織基準マーカー（すなわち解剖学的または生物学的）と対象の眼組織との間の相対Ｐ＆Ｏが取得した画像から決定され得るとき。

上述のように、対象の眼組織は網膜であってもよい。このような場合、基準マーカーは好ましくは標準マーカーであり、網膜のＰ＆Ｏはそれに対して計算される。プロセッサ２０４は、ツール先端部のＰ＆Ｏをリアルタイムで決定し、ツール先端部と網膜との間の距離を決定する。プロセッサ２０４は、この決定された距離を距離表示器２０６に提供する。距離表示器２０６は上記と同様にツール先端部と対象の眼組織との間の距離の表示を提供する。

次に図３を参照する。図３は、開示された技法のさらなる実施形態により作動する、対象の眼組織に対するツール先端部の位置および配向を決定するための方法の概略図である。手順２５０では、少なくとも１つの組織基準マーカーの少なくとも１つの画像が、基準座標系において取得される。１つまたは複数の画像は２Ｄ画像または３Ｄ画像であってもよい。３Ｄ画像は立体画像、構造化光画像またはＴＯＦ画像であってもよい。１つまたは複数の画像が２Ｄ画像であるとき、少なくとも３つの組織基準マーカーが利用されてもよい。図２を参照すると、撮像装置２１２は少なくとも１つの組織基準マーカーの画像を取得する。手順２５０の後、方法は手順２５４に進む。

手順２５２では、対象の眼組織がモデリングされる。対象の眼組織がモデリングされ、例えばツール先端部が組織上の点と接触する、または接触するほど接近すると、ツール先端部の位置、および任意選択で配向を決定することにより、対象の眼組織のＰ＆Ｏ、幾何学的構造および大きさの概算に関する先験的情報の精度が向上する。別法として、対象の眼組織は、ＯＣＴまたは超音波撮像などの撮像を利用することによってモデリングされる。例えば図１Ａ〜図１Ｃおよび図２を参照すると、プロセッサ２０４は対象の眼組織のモデルを決定する。そのためにツール１１０が動く。ツールトラッカー２１６は、ツールの先端部が１つまたは複数の点で対象の眼組織と接触する、または接触するほど接近すると、ツール先端部の位置に関する情報を取得し、取得した情報をプロセッサ２０４に提供する。プロセッサ２０４は、対象の眼組織の水晶体のモデルをその幾何学的構造および大きさ、ならびに基準座標系２１８におけるＰ＆Ｏを見積もることによって決定する。手順２５２の後、方法は手順２５６に進む。また手順２５２は任意選択であることに留意されたい。

手順２５４では、１つまたは複数の組織基準マーカーのＰ＆Ｏが基準座標系において決定される。少なくとも１つの組織基準マーカーのＰ＆Ｏが、取得したその１つまたは複数の画像に従って連続してリアルタイムで決定される。組織基準マーカーは虹彩などの解剖学的マーカーであってもよい。しかしまた１つまたは複数の組織基準マーカーは、結膜、結膜内または眼の他の器官内の血管であってもよい。別法として、１つまたは複数の組織基準マーカーは、眼の上に置かれた人工マーカー、例えば眼の上に取り付けられたパッチ、標準マーカーまたは眼の上に描かれた専用ペンマーカーであってもよい。図２を参照すると、プロセッサ２０４は、基準座標系２１８において組織基準マーカーのＰ＆Ｏを決定する。

手順２５６では、対象の眼組織のＰ＆Ｏは基準座標系において決定される。対象の眼組織のＰ＆Ｏは、１つまたは複数の組織基準マーカーのＰ＆Ｏに従って、また１つまたは複数の組織基準マーカーと対象の眼組織との間の所定の相対Ｐ＆Ｏに従って、連続してリアルタイムで決定される。したがって組織に望ましくない損傷をもたらすことなく（すなわち安全距離閾値を考慮してもしなくてもよい）ツールを操作することができる操作空間が決定される。図２を参照すると、プロセッサ２０４は、対象の眼組織のＰ＆Ｏを決定する。手順２５４は任意選択であることに留意されたい。手順２５４の後、方法は手順２５８に進む。

手順２５８では、ツールの先端部のＰ＆Ｏが基準座標系において決定される。図２を参照すると、ツールトラッカー２１６はツール先端部のＰ＆Ｏに関する情報を取得し、プロセッサ２０４はそれに応じてツール先端部のＰ＆Ｏを決定する。

手順２６０では、ツール先端部と対象の眼組織との間の距離が決定される。図２を参照すると、プロセッサ２０４はツール先端部と対象の眼組織との間の距離を決定する。

手順２６２では、ツール先端部と対象の眼組織との間の距離に関する表示が生成される。この表示は、例えば距離の数字表示、発光ダイオードのアレイ、距離バーなどの可視表示であってもよい。さらなる例として、可視表示は、ディスプレイ（例えば液晶スクリーン、ヘッドアップディスプレイ、ニアツーアイディスプレイなど）上に表されてもよく、これは、ツールの記号を伴う眼の決定された３Ｄモデルを表示するものとする。表示は別法としてまたは追加として、例えばピッチもしくは音量またはその両方の音などの、距離に応じて変化する音声表示であってもよい。さらに別法としてまたは追加として、生成される表示は、ツール先端部と対象の眼組織との間の距離が閾値未満であることを表示してもよい。図２を参照すると、距離表示器２０６は、ツール先端部と対象の眼組織との間の距離に関する表示を生成する。

開示された技法は、具体的に上に示され記載されたことに限定されないことが当業者には理解されよう。むしろ開示された技法の範囲は以下の特許請求の範囲のみによって定義される。

Claims (29)

1. 対象の眼組織に対するツールのツール先端部の位置および配向を決定するためのシステムであって、前記システムは、
   撮像および追跡モジュールであって、前記撮像および追跡モジュールは撮像装置を少なくとも含み、前記撮像装置は少なくとも１つの組織基準マーカーの少なくとも１つの画像を取得するように構成され、前記少なくとも１つの組織基準マーカーは前記対象の眼組織と異なり、前記撮像および追跡モジュールは、前記ツールの位置および配向に関する情報をさらに決定するように構成される、撮像および追跡モジュールと、
   前記撮像および追跡モジュールと結合されたプロセッサであって、前記プロセッサは、前記少なくとも１つの組織基準マーカーの取得された少なくとも１つの画像に従って前記少なくとも１つの組織基準マーカーの位置および配向を連続してリアルタイムで決定するように構成される、プロセッサと、
   を備え、
   前記プロセッサは、前記少なくとも１つの組織基準マーカーの前記位置および配向、ならびに前記少なくとも１つの組織基準マーカーと前記対象の眼組織との間の所定の相対位置および配向に従って、前記対象の眼組織の位置および配向を連続してリアルタイムで決定するように構成され、前記少なくとも１つの組織基準マーカーと前記対象の眼組織との間の前記相対位置および配向は、前記対象の眼組織のモデルから決定され、
   前記プロセッサは、ツールマーカーに従って前記ツール先端部の位置および配向を決定するように構成され、前記プロセッサは、前記ツール先端部と前記対象の眼組織との間の相対位置および配向をさらに決定するように構成される、システム。
2. 前記プロセッサと結合され、前記ツール先端部と前記対象の眼組織との間の距離に関する表示を提供するように構成される、距離表示器をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記距離表示器は、前記ツール先端部と前記対象の眼組織との間の前記距離の可視表示を表示するように構成されるディスプレイである、請求項２に記載のシステム。
4. 前記可視表示は前記ツールの記号を伴う眼の三次元モデルであり、
   前記眼の三次元モデルの位置に対する前記ディスプレイ上の前記記号の位置および配向は、前記ツール先端部と前記対象の眼組織との間の相対位置および配向に対応する、請求項３に記載のシステム。
5. 前記ディスプレイは、ヘッドアップディスプレイおよびヘッドマウントディスプレイの１つである、請求項３に記載のシステム。
6. 前記距離表示器は、前記ツール先端部と前記対象の眼組織との間の距離に応じて変化する音声表示を提供する、請求項２に記載のシステム。
7. 前記撮像装置は三次元撮像装置である、請求項１に記載のシステム。
8. 前記三次元撮像装置は立体カメラである、請求項７に記載のシステム。
9. 前記三次元撮像装置はタイムオブフライトカメラであり、
   前記撮像および追跡モジュールはパルス光を放つように構成される光源をさらに含む、請求項７に記載のシステム。
10. 前記三次元撮像装置は構造化光カメラであり、
    前記撮像および追跡モジュールは構造化光を放つように構成される光源をさらに含む、請求項７に記載のシステム。
11. 前記撮像装置は二次元撮像装置である、請求項１に記載のシステム。
12. 前記少なくとも１つの組織基準マーカーは少なくとも３つの人工マーカーを含む、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記少なくとも１つの組織基準マーカーは、
    虹彩と、
    結膜と、
    前記結膜内の血管と、
    人工マーカーと、
    からなる群の少なくとも１つである、請求項１に記載のシステム。
14. 前記モデルは、前記対象の眼組織の体積モデルである、請求項１に記載のシステム。
15. 前記体積モデルの精度は、前記ツール先端部が前記対象の眼組織と１つ以上の点で少なくとも接触するほど接近すると、前記ツール先端部の少なくとも位置を決定することにより向上される、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記体積モデルは、取得される眼の光干渉断層撮影画像および超音波画像の１つを取得することによって決定される、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記プロセッサと結合されたデータベースをさらに含み、前記データベースは前記体積モデルを記憶する、請求項１４に記載のシステム。
18. 対象の眼組織に対するツールのツール先端部の位置および配向を決定するための方法であって、前記方法は、プロセッサによって自動的に行われ、前記方法は、
    基準座標系において少なくとも１つの組織基準マーカーの少なくとも１つの画像を取得するステップであって、前記少なくとも１つの組織基準マーカーは前記対象の眼組織と異なるステップと、
    前記少なくとも１つの画像から前記基準座標系において前記少なくとも１つの組織基準マーカーの位置および配向を連続してリアルタイムで決定するステップと、
    前記少なくとも１つの組織基準マーカーの前記位置および配向、ならびに前記少なくとも１つの組織基準マーカーと前記対象の眼組織との間の所定の相対位置および配向に従って、前記基準座標系において前記対象の眼組織の位置および配向を連続してリアルタイムで決定するステップであって、前記少なくとも１つの組織基準マーカーと前記対象の眼組織との間の前記相対位置および配向は、前記対象の眼組織のモデルから決定されるステップと、
    前記基準座標系において前記ツール先端部の位置および配向を決定するステップと、
    前記基準座標系における前記ツール先端部の位置および配向、ならびに前記基準座標系における前記対象の眼組織の位置および配向から、前記ツール先端部と前記対象の眼組織との間の相対位置および配向を決定するステップと、
    前記ツール先端部と前記対象の眼組織との間の距離を決定するステップと、
    を備える、方法。
19. 前記ツール先端部と前記対象の眼組織との間の距離に関する表示を生成するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記表示は前記距離の可視化表示である、請求項１９に記載の方法。
21. 前記可視化表示は、前記ツールの記号を伴う眼の三次元モデルであり、
    前記眼の三次元モデルの表示された位置に対する前記記号の表示された位置および配向は、前記ツール先端部と前記対象の眼組織との間の相対位置および配向に対応する、請求項２０に記載の方法。
22. 前記表示は、前記ツール先端部と前記対象の眼組織との間の距離に応じて変化する音声表示である、請求項１９に記載の方法。
23. 前記対象の眼組織をモデリングする予備ステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
24. 前記モデルは、前記対象の眼組織の体積モデルである、請求項１８に記載の方法。
25. 前記体積モデルの精度は、前記ツール先端部が前記対象の眼組織と複数点で少なくとも接触するほど接近すると、前記ツール先端部の少なくとも位置を決定することによって向上される、請求項２４に記載の方法。
26. 前記モデルは、取得される眼の光干渉断層撮影画像および超音波画像の１つを取得することによって決定される、請求項２４に記載の方法。
27. 前記少なくとも１つの画像は三次元画像であり、
    前記三次元画像は、立体画像、タイムオブフライト画像および構造化光画像の１つである、請求項１８に記載の方法。
28. 前記少なくとも１つの画像は三次元画像である、請求項１８に記載の方法。
29. 前記少なくとも１つの組織基準マーカーは、
    虹彩と、
    結膜と、
    前記結膜内の血管と、
    人工マーカーと、
    からなる群の少なくとも１つである、請求項１８に記載の方法。

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