JP2009061132A - Method for manufacturing template for registration in medical navigation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ディスプレイ上の手術対象部位の二次元及び三次元画像で手術治具をモニタリングしながら行う医療用ナビゲーションシステム手術において、手術中に移動する手術治具の位置に正確に追従するディスプレイ上の患者の手術対象部位の三次元立体画像上の手術治具の位置の自動的対応を設定するために、手術を行う前に、患者の手術対象部位の三次元立体画像の３点以上の位置と実際の手術対象部位の３点以上の位置合わせに用いるレジストレーション用テンプレートに関するものである。
さらに詳しくは、本発明レジストレーション用テンプレートは、患者の手術対象部位の骨の曲面等に正確に適合する曲面を有し、手術に際して、このレジストレーション用テンプレートの曲面が手術台に固定されている患者の手術部位に密着嵌合する位置を求め、密着嵌合した位置で、レジストレーション用テンプレートに設けた３点以上のレジストレーションポイントをナビゲーションシステムに最初にレジストレーション（登録）することによって、手術中移動する手術治具の位置を手術対象部位の三次元立体画像上に自動的にナビゲーションするために用いるレジストレーション用テンプレートに関する。
The present invention relates to a medical navigation system operation performed while monitoring a surgical jig with two-dimensional and three-dimensional images of a surgical target site on the display, on a display that accurately follows the position of the surgical jig that moves during the operation. In order to set the automatic correspondence of the position of the surgical jig on the three-dimensional stereoscopic image of the patient's surgical target site, the position of three or more points of the three-dimensional stereoscopic image of the patient's surgical target site before performing the surgery And a template for registration used for alignment of three or more points of the actual surgical site.
More specifically, the registration template of the present invention has a curved surface that accurately matches the curved surface of the bone of the patient's surgical site, and the curved surface of the registration template is fixed to the operating table during surgery. Surgery is performed by first obtaining (registering) three or more registration points provided in the registration template at the position where the patient is in close contact with the surgical site. The present invention relates to a registration template used for automatically navigating the position of a surgical jig that moves in the middle on a three-dimensional stereoscopic image of a surgical target part.
医療用ナビゲーションシステムは手術中の患者の手術対象部位とメス、ドリル、ロボットハンド等の手術治具の位置関係を表示することを目的とした医療機器の組み合わせ又は方法のことである。
ナビゲーションシステムは、頭頸部外科、脳神経外科、耳鼻咽喉科、整形外科、形成外科、口腔外科、又は美容外科などにおいて利用されていて、今後さらに発展することが期待されている。
ナビゲーションシステムのセットアップは、患者の手術対象部位の撮影、撮影した画像の取込み、レジストレーション、ナビゲーションの４ステップに分けられる。
レジストレーションのステップは、ナビゲーション中の画像と実際の患者の手術対象部位との位置関係を自動的に整合させるものであるので、患者が手術***をとった後に行われる。レジストレーションの精度は、ナビゲーション中の手術治具の位置の精度に直接影響し、医療用ナビゲーションシステムにおいて非常に重要な問題となっている。
従来技術として、医療用ナビゲーションシステムのレジストレーションの方法として、撮影前に患者の皮膚に貼ったマーカーに基づき、実際の手術対象部位と医療用ナビゲーションシステムの画像データとを整合させていくポイントレジストレーションがあり、ポイントレジストレーションを基にさらに多くの皮膚表面のポイントをランダムに入力することで三次元的な形状を合わせていくサーフェイスレジストレーションがある（非特許文献１）。
しかし、患者における皮膚の表面の部分を基準とすると皮膚等の表面は動いたり変形したりするものであるため、正確なレジストレーションを行うことが困難である。
また、従来技術として、多関節アームを用いたプローブにて、患者の皮膚表面に接触し、位置情報を得るものがある（特許文献１）。
これについても患者の皮膚表面でのレジストレーションは精度が劣ること、手術中にシステム若しくは患者に由来した事由でズレが生じたときに、再レジストレーションが不可能であるという欠点がある。
さらに、従来技術として、金属製マーカー等を患者の骨等の硬い部分に直接付ける方法がある（特許文献２）。しかし、手術前に切開又は穿孔等の患者に負担をかけるという欠点がある。
The navigation system is used in head and neck surgery, neurosurgery, otolaryngology, orthopedic surgery, plastic surgery, oral surgery, or cosmetic surgery, and is expected to further develop in the future.
The setup of the navigation system is divided into four steps: imaging of the surgical target region of the patient, capturing of the captured image, registration, and navigation.
The registration step automatically aligns the positional relationship between the image being navigated and the actual patient's surgical site, and is therefore performed after the patient has taken the surgical position. The accuracy of registration directly affects the accuracy of the position of the surgical jig during navigation, and is a very important problem in medical navigation systems.
As a conventional technique, as a registration method for medical navigation systems, point registration that aligns the actual surgical target area with the image data of the medical navigation system based on markers attached to the patient's skin before imaging There is surface registration that matches a three-dimensional shape by randomly inputting more points on the skin surface based on point registration (Non-Patent Document 1).
However, it is difficult to perform accurate registration because the surface of the skin or the like moves or deforms when the part of the surface of the skin in the patient is used as a reference.
Further, as a conventional technique, there is a technique that obtains position information by contacting a patient's skin surface with a probe using an articulated arm (Patent Document 1).
This also has the disadvantage that registration on the patient's skin surface is inaccurate and re-registration is not possible when a shift occurs due to a system or patient-derived reason during surgery.
Furthermore, as a prior art, there is a method of directly attaching a metal marker or the like to a hard part such as a patient's bone (Patent Document 2). However, there is a drawback of placing a burden on the patient such as incision or perforation before the operation.
本発明は、患者の骨表面に三次元的に精密に密着する曲面を有するテンプレートを使用することによって、医療用ナビゲーションシステムにおいて高精度のレジストレーションを可能とすることを目的とするものである。 An object of the present invention is to enable highly accurate registration in a medical navigation system by using a template having a curved surface that closely adheres three-dimensionally to a bone surface of a patient.
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、手術される患者の三次元画像データから自然骨の立体的形状の表面に面接合する精密な三次元的曲面を有するテンプレートを用いれば、医療用ナビゲーションシステムにおける正確なレジストレーションが達成でき、しかもこれによれば、本来の手術の前に行われるレジストレーションをする目的のためのみに行う手術をしなくて済み、患者の身体的、精神的な負担が無く、診察時の画像撮影で得た画像情報によって作製したテンプレートを用いれば、簡単かつ迅速な面接合操作で実現できることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
（１）医療用ナビゲーションシステム手術に使用する３以上のレジストレーションポイントを有するテンプレートであって、患者の手術対象部位の骨の断層撮影情報から作成される三次元画像データに基づき、該患者の手術対象部位の骨の表面に正確に面接合する立体的表面画像データを得て、該表面画像データに基づき手術対象部位の骨の表面に正確に面接合する面を有するテンプレート作製することを特徴とするレジストレーション用テンプレートの製造方法、
（２）レジストレーションポイントが型押し状マークである第１項記載のレジストレーション用テンプレートの製造方法、
（３）レジストレーションポイントがガイドホールである第１項記載のレジストレーション用テンプレートの製造方法、
（４）手術対象部位の骨の表面に正確に面接合する面を有するテンプレート作製を粉末焼結積層造形法により作製する第１、第２又は第３項記載のレジストレーション用テンプレートの製造方法、
（５）医療用ナビゲーションシステム手術に使用する３以上のレジストレーションポイントを有するテンプレートであって、患者の手術対象部位の骨の断層撮影情報から作成される三次元画像データに基づき手術対象部位の模型を作成するとともに、前記データを処理して、該患者の手術対象部位の骨の表面に正確に面接合する立体的表面画像データを得て、該表面画像データに基づき手術対象部位の骨の表面に正確に面接合する面を有するテンプレート作製することを特徴とする第１〜４項のいずれか記載のレジストレーション用テンプレートの製造方法、
（６）医療用ナビゲーションシステム手術に使用する３以上のレジストレーションポイントを有するテンプレートであって、患者の手術対象部位の骨の断層撮影情報から作成される三次元画像データに基づき手術対象部位の模型を作製し、該模型の手術対象部位の骨の表面を押し型として、所定の寸法の型に押し付けて手術対象部位の模型の曲面をテンプレート面に転写することを特徴とするレジストレーション用テンプレートの製造方法、
（７）医療用ナビゲーションシステム手術に使用する３以上のレジストレーションポイントを有するテンプレートであって、患者の手術対象部位の骨の断層撮影情報から作成される三次元画像データに基づき手術対象部位の模型を作成し、この模型の手術対象部位の骨の表面に正確に面接合する立体的表面画像データを、非接触式レーザースキャニング装置により得て、該表面画像データに基づき手術対象部位の骨の表面に正確に面接合する面を有するテンプレート作製することを特徴とするレジストレーション用テンプレートの製造方法、
（８）テンプレートが透明である第１〜７項のいずれか記載のレジストレーション用テンプレートの製造方法、及び
（９）テンプレートが手術対象部位の骨の表面に正確に面接合する面の反対面に手術対象部位の骨の凹凸面を有する第１〜８項のいずれか記載のレジストレーション用テンプレートの製造方法、
を提供するものである。
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have a precise three-dimensional curved surface that is joined to the surface of the three-dimensional shape of natural bone from the three-dimensional image data of the patient to be operated on. With the template, accurate registration in a medical navigation system can be achieved, and this eliminates the need for surgery to be performed only for the purpose of registration prior to the original surgery. It has been found that the use of a template prepared from image information obtained by taking an image at the time of medical examination can be realized by a simple and quick surface joining operation. It came to be completed.
That is, the present invention
(1) Medical navigation system A template having three or more registration points used for surgery, based on three-dimensional image data created from tomographic information of the bone of the patient's surgery target site, the patient's surgery Obtaining a three-dimensional surface image data accurately surface-bonded to the bone surface of the target site, and producing a template having a surface to be accurately surface-bonded to the bone surface of the surgical target site based on the surface image data Registration template manufacturing method,
(2) The method for manufacturing a registration template according to item 1, wherein the registration point is an embossed mark,
(3) The method for manufacturing a registration template according to item 1, wherein the registration point is a guide hole,
(4) The method for producing a registration template according to the first, second or third aspect, wherein a template having a surface to be accurately surface-bonded to the surface of the bone of the surgical target site is prepared by a powder sintering additive manufacturing method,
(5) Medical navigation system A template having three or more registration points used for surgery, and a model of a surgical target part based on three-dimensional image data created from tomographic information of a bone of a surgical target part of a patient And processing the data to obtain three-dimensional surface image data accurately surface-joined to the bone surface of the surgical target site of the patient, and based on the surface image data, the bone surface of the surgical target site A method for producing a registration template according to any one of items 1 to 4, wherein a template having a surface that is accurately surface-bonded to the substrate is prepared.
(6) Medical navigation system A template having three or more registration points used for surgery, and a model of a surgical target part based on three-dimensional image data created from tomographic information of a bone of a surgical target part of a patient A registration template characterized in that the surface of the bone at the surgical target site of the model is used as a pressing mold, and the curved surface of the model of the surgical target site is transferred to the template surface by being pressed against a mold of a predetermined size. Production method,
(7) Medical navigation system A template having three or more registration points used for surgery, and a model of a surgical target part based on three-dimensional image data created from tomographic information of a bone of a surgical target part of a patient A three-dimensional surface image data accurately surface-joined to the bone surface of the surgical target site of this model is obtained by a non-contact type laser scanning device, and the bone surface of the surgical target site is obtained based on the surface image data. A method for manufacturing a registration template, characterized in that a template having a surface to be accurately surface-bonded is prepared,
(8) The method for manufacturing a registration template according to any one of items 1 to 7, wherein the template is transparent, and (9) the surface opposite to the surface where the template is accurately face-joined to the surface of the bone at the surgical target site. The method for producing a registration template according to any one of items 1 to 8, which has an uneven surface of a bone of a surgical target site,
Is to provide.
本発明によれば、ナビゲーションシステムにおいて、患者の硬い骨表面をレジストレーションするので、正確な位置合わせができ、患者にレジストレーションのための手術の負担を掛けることがない利点がある。また、テンプレートの作成、レジストレーション及びナビゲーションを通じて１回の断層画像の撮影データを利用できるので、事前にマーカーを付着した患者の画像の撮影を行う等の必要がない利点がある。これは、断層撮影の回数が減るため、ＣＴ撮影による放射線被爆を受ける回数が減ること及び手術前に要していた時間を大幅に短縮することができるという利点がある。
また、レジストレーションの操作は、患者の硬い骨表面に正確に嵌合していることは術者の指先の感覚で簡単に感知でき、レジストレーションの操作は非常に簡単に、短時間に実行できる。そのため、手術中に患者の***を変更する場合又は不測の事態で***が変わった場合にも、簡単に再レジストレーションを迅速に実施できる利点がある。
According to the present invention, since the patient's hard bone surface is registered in the navigation system, there is an advantage that accurate positioning can be performed and the patient is not burdened with a surgical operation for registration. In addition, since the tomographic image data can be used once through template creation, registration, and navigation, there is an advantage that it is not necessary to image an image of a patient with a marker attached in advance. This is advantageous in that the number of times of tomography is reduced, the number of times of radiation exposure due to CT imaging is reduced, and the time required before surgery can be greatly shortened.
In addition, the registration operation can be easily sensed by the operator's fingertips that the patient's hard bone surface is accurately fitted, and the registration operation can be performed very easily and in a short time. . Therefore, there is an advantage that re-registration can be easily performed quickly even when the patient's posture is changed during the operation or when the posture changes due to an unexpected situation.
本発明の３以上のレジストレーションポイントを有するテンプレートとは、三次元的に手術治具の位置をナビゲーションするためには、最低３ヵ所のレジストレーションポイントを有することが必要である。
本発明のテンプレートの材質は、適度の硬さがあり、生体適合性を有するものであれば、特に制限なく使用できるが、例えば、合成樹脂、ゴム、無機材料、無機粉末と樹脂との複合材料等に滅菌処理を施した後、術野において使用することができる。
本発明の患者の手術対象部位の骨の断層撮影情報は、ＣＴ、ＭＲＩ等のスライス画像から、しきい値により抽出され補間計算された三次元画像データに基づいて得ることができる。
本発明は、当該三次元画像データの患者の手術対象部位の骨の表面の立体的表面画像データに基づき、当該骨の表面の立体的表面の形状の画像データを求め、この画像データの曲面に正確に適合する面を有するテンプレートを製造することができる。
The template having three or more registration points of the present invention is required to have at least three registration points in order to navigate the position of the surgical jig in three dimensions.
The material of the template of the present invention can be used without particular limitation as long as it has an appropriate hardness and has biocompatibility. For example, synthetic resin, rubber, inorganic material, composite material of inorganic powder and resin After being sterilized, etc., it can be used in the surgical field.
The tomographic information of the bone of the operation target site of the patient according to the present invention can be obtained based on the three-dimensional image data extracted from the slice images such as CT and MRI by the threshold and calculated by interpolation.
The present invention obtains image data of the shape of the three-dimensional surface of the bone surface based on the three-dimensional surface image data of the surface of the bone of the patient's surgical site in the three-dimensional image data. Templates with precisely matching surfaces can be produced.
本発明のテンプレートの製造は、三つの態様がある。
第一の態様は、患者の手術対象部位の骨の三次元化した立体的表面画像データと、所定の３以上のレジストレーションポイントの位置情報に基づく凸若しくは凹の形状データを用いて、当該手術対象部位の立体的実物大の寸法の模型を、例えば、光造形法、インクジェット造形法、粉末造形法、粉末焼結法、紙積層法、粉末焼結積層造形法等によって作成して、この模型の所定の位置の骨表面を押し型として、所定の寸法の型、例えば石膏型等に模型の骨表面を押し付けてテンプレート面に模型の所定の位置の骨曲面を転写して製造することができる。
また、第二の態様は、患者の手術対象部位の骨の三次元化した立体的表面画像データと所定の３以上のレジストレーションポイントの位置情報に基づく凸若しくは凹の形状データを用いて、当該手術対象部位の立体的実物大の寸法の模型を、例えば、光造形法、インクジェット造形法、粉末造形法、粉末焼結法、紙積層法、粉末焼結積層造形法等によって作成して、この模型の手術対象部位の骨の表面に正確に面接合する立体的表面画像データを、非接触式レーザースキャニング装置により得て、該表面画像データに基づき手術対象部位の骨の表面に正確に面接合する面を有するテンプレート製造することができる。
第三の態様は、患者の手術対象部位の骨の三次元化した立体的表面画像データと所定の３以上のレジストレーションポイントの位置情報に基づく凸若しくは凹の形状データを所定の寸法の直方体から差し引くデータ処理に基づき、この立体的表面画像データを押し型とした骨曲面を内面に有し、所定の肉厚を骨面側の反対面に付加した立体的テンプレート画像データを作成、又はこの立体的表面画像データを押し型とした骨曲面を内面及び一定の肉厚を付加した骨面側の反対面に有する立体的テンプレート画像データを作成して、この立体的テンプレート画像データに対応して、光造形法、インクジェット造形法、粉末造形法、粉末焼結法、切削法、紙積層法、粉末焼結積層造形法等によって直接テンプレートを製造することができる。
これらの方法で製造した手術対象部位のモデルは、患者の実寸の患部のモデルであり、図２及び図５に示すように、手術時におけるテンプレートの接合位置、接合状態、接合精度の確認ができ、また、手術手順の事前検討又は手術の練習用モデルとして有効利用することができる。
第三の態様においては、患者の実寸の患部のモデルを手術の事前検討に用いる必要のない場合は、テンプレートのみを直接製造することができる。
本発明のテンプレートは、可能な範囲で厚さを薄く形成することによって、手術時に患者の皮膚及びその他軟組織の下部すなわち骨表面に滑り込ませることにより、切開範囲を最小限にとどめることができる。なお、手術対象部位の骨表面形状を面接合の反対面にも形成することにより、容易に面接合の接合位置を判断可能な第三の態様が、製造工程が簡単である点のみならず、レジストレーションに要する時間の短縮、患者の身体的負担の点においても望ましい。
本発明のレジストレーション用テンプレートの３以上のレジストレーションポイントは、レジストレーションの際に、患者の身体上の手術部位の特定位置とナビゲーションシステムの画像とを対応させて登録するときに、手術治具の先端等を接触させる位置を示すポイントである。
本発明のレジストレーションポイントとしては、レジストレーション登録操作において目印になるものであれば特に制限なく用いることができ、例えば、テンプレート表面の目印となる平面的マーク、着色マークの刻印、型押状マーク、ガイドホール、螺子の打ち込み等の目印になるものを使用することができる。特に、型押状マーク及びガイドホールが立体的に位置決めを確認できる点で好ましい。
There are three modes for producing the template of the present invention.
The first aspect uses the three-dimensional three-dimensional surface image data of the bone of the surgical target site of the patient and the convex or concave shape data based on the positional information of predetermined three or more registration points. Create a model of the three-dimensional full size of the target part by, for example, stereolithography, ink jet modeling, powder modeling, powder sintering, paper lamination, powder sintering lamination modeling, etc. The bone surface at a predetermined position of the model is used as a pressing mold, and the bone surface of the model is pressed onto a mold having a predetermined size, such as a plaster mold, and the bone curved surface at the predetermined position of the model is transferred to the template surface. .
Further, the second aspect uses the convex or concave shape data based on the three-dimensional three-dimensional surface image data of the bone of the patient's surgical target site and the position information of predetermined three or more registration points. Create a three-dimensional full-scale model of the surgical target site by, for example, stereolithography, ink jet modeling, powder modeling, powder sintering, paper lamination, powder sintering lamination modeling, etc. Three-dimensional surface image data accurately surface-bonded to the bone surface of the surgical target site of the model is obtained by a non-contact type laser scanning device, and based on the surface image data, surface bonding is accurately performed to the bone surface of the surgical target site. A template having a surface to be manufactured can be manufactured.
In the third aspect, three-dimensional three-dimensional surface image data of a bone of a surgical operation site of a patient and convex or concave shape data based on positional information of predetermined three or more registration points are obtained from a rectangular parallelepiped having a predetermined size. Based on the data processing to be subtracted, create a three-dimensional template image data having a bone curved surface on the inner surface with the three-dimensional surface image data as a pressing mold, and adding a predetermined thickness to the opposite surface of the bone surface, or Create a three-dimensional template image data having a bone curved surface with a pressing surface as the target surface image data on the inner surface and the opposite surface of the bone surface side with a certain thickness added, and corresponding to the three-dimensional template image data, A template can be directly manufactured by an optical modeling method, an inkjet modeling method, a powder modeling method, a powder sintering method, a cutting method, a paper lamination method, a powder sintering lamination modeling method, or the like.
The model of the site to be operated manufactured by these methods is a model of the affected part of the patient's actual size. As shown in FIGS. 2 and 5, it is possible to check the bonding position, bonding state, and bonding accuracy of the template during the operation. Also, it can be effectively used as a model for prior examination of surgical procedures or practice of surgery.
In the third aspect, only the template can be produced directly if it is not necessary to use a full-scale model of the affected area of the patient for prior examination of the surgery.
The template of the present invention can be made as thin as possible, thereby minimizing the incision area by sliding it under the patient's skin and other soft tissue or the bone surface during surgery. In addition, by forming the bone surface shape of the surgical target site also on the opposite surface of the surface bonding, the third aspect that can easily determine the bonding position of the surface bonding is not only that the manufacturing process is simple, It is also desirable in terms of shortening the time required for registration and physical burden on the patient.
The three or more registration points of the registration template of the present invention can be used when registering a specific position of the surgical site on the patient's body and the image of the navigation system in registration. It is a point which shows the position which makes the front-end | tip etc. contact.
The registration point of the present invention can be used without particular limitation as long as it becomes a mark in the registration registration operation. For example, a planar mark that becomes a mark on the template surface, a color mark stamp, a stamp mark It is possible to use a guide hole, a screw mark or the like. In particular, the embossed mark and the guide hole are preferable in that the positioning can be confirmed three-dimensionally.
まず、第一ステップとして、テンプレート製造のための患者のＣＴ／ＭＲＩデータの撮影を行う。これは診察時において撮影したものを使用することができる。
本発明のナビゲーション用テンプレートの製造の場合には、手術時にレジストレーションするためのマーカーを手術対象部位の骨の断層撮影写真情報撮影時に取り付ける必要がなく、診察のために行った撮影のデータを使用することができる。
本発明の製造方法においては、当該断層撮影情報を汎用ソフト「Ｍｉｍｉｃｓ」を用いてコンピュータに読み込むことができる。
当該汎用ソフト「Ｍｉｍｉｃｓ」によって、三次元画像処理及び編集をすることができ、ＣＴスキャナやＭＲＩのスライス画像を読み込み、関心領域の抽出と三次元画像データの作成が可能であり、ディスプレイに、任意の角度から見た手術対象部位の外観及び内部構造の三次元画像を表示することができる。
本発明の画像処理には、ＤＩＣＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ ａｎｄ ＣＯｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ）データと呼ばれる標準フォーマットを使用することができる。
ＤＩＣＯＭデータを使用することによって、撮像データより、立体化しようとする部位である関心領域をしきい値、及び「Ｍｉｍｉｃｓ」の持つ様々なセグメンテーション機能により抽出することができる。手術対象領域を三次元化計算して、手術対象領域のモデルの画像情報を得て、ボックスデータから手術対象領域のモデルの画像情報を差し引くことによって、対象部位の内面を有する所定の肉厚のテンプレートの画像情報を得ることができる。
また、手術対象領域を三次元化計算して、手術対象領域のモデルの画像情報を得て、これを複写し、骨表面と接合する面の反対面方向にテンプレートの肉厚分だけ一定量移動し、この移動した複写データと元の手術対象領域のモデルの画像情報を差し引くことにより、対象部位の内面を有する所定の肉厚のテンプレートの画像情報を得ることができる。
手術対象領域のモデルの画像情報に基づいて得た対象部位の内面を有する所定の肉厚及び面積寸法のテンプレートの画像情報に基づき、種々の成形手法で本発明テンプレートを作製することができる。
本発明による、医療用ナビゲーションシステムにおけるレジストレーション用テンプレートにより、手術治具が正確にレジストレーションするために、型押し状のマーキング又はガイドホールにて示される３以上のレジストレーションポイントの位置情報が正確に医療用ナビゲーションシステムに読み込まれてＤＩＣＯＭデータ上にこれを反映させることができる。
このため、「Ｍｉｍｉｃｓ」により、三次元画像上において作製された型押し状マークのマーキング又はガイドホールにて示される３以上のレジストレーションポイント用のピンの形状データを０.０１ｍｍ単位の精度にて該患者の手術対象部位のＤＩＣＯＭデータに付与し、出力することができる。
手術用ナビゲーションシステムにおいては、レジストレーションに先立ち、この「Ｍｉｍｉｃｓ」より出力された、型押し状のマーキング又は、ガイドホールにて示される３以上のレジストレーションポイント用のピンの形状データが正確に付与されたＤＩＣＯＭデータを読み込み、しかる後、当該ＤＩＣＯＭ上の３以上のレジストレーションポイントと直接該患者の手術対象部位に正確に面接合されたレジストレーション用テンプレート上の３以上のレジストレーションポイント間においてレジストレーションが容易にしかも高精度にて行うことができる。
First, as a first step, CT / MRI data of a patient for template manufacture is taken. This can be taken at the time of examination.
In the case of manufacturing the navigation template according to the present invention, it is not necessary to attach a marker for registration at the time of surgery tomographic imaging information of the bone of the surgical site, and the data taken for examination is used. can do.
In the manufacturing method of the present invention, the tomographic information can be read into a computer using general-purpose software “Mimics”.
The general-purpose software “Mimics” can perform 3D image processing and editing, read slice images of CT scanners and MRI, extract the region of interest, and create 3D image data. It is possible to display a three-dimensional image of the appearance and internal structure of the surgical target site viewed from the angle.
A standard format called DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) data can be used for the image processing of the present invention.
By using the DICOM data, it is possible to extract a region of interest, which is a part to be three-dimensionalized, from the imaging data by using a threshold and various segmentation functions of “Mimics”. Three-dimensional calculation of the surgical target area, obtaining image information of the model of the surgical target area, and subtracting the image information of the model of the surgical target area from the box data, thereby obtaining a predetermined thickness having the inner surface of the target part Template image information can be obtained.
In addition, three-dimensional calculation of the surgical target area is performed to obtain image information of the model of the surgical target area, which is copied and moved by a certain amount in the direction opposite to the surface to be joined to the bone surface by the thickness of the template. Then, by subtracting the moved copy data from the original model information of the surgical target area, it is possible to obtain image information of a predetermined thick template having the inner surface of the target part.
The template of the present invention can be produced by various molding techniques based on image information of a template having a predetermined thickness and area size having an inner surface of a target region obtained based on image information of a model of a surgical target region.
According to the registration template in the medical navigation system according to the present invention, in order to register the surgical jig accurately, the positional information of three or more registration points indicated by the embossed marking or the guide hole is accurate. It can be read by the medical navigation system and reflected on the DICOM data.
For this reason, with “Mimics”, the shape data of the pin for three or more registration points indicated by the marking of the embossed mark or the guide hole produced on the three-dimensional image is obtained with an accuracy of 0.01 mm. It can be given to DICOM data of the surgical site of the patient and output.
In the navigation system for surgery, prior to registration, the shape data of pins for three or more registration points indicated by the embossed markings or guide holes output accurately from this “Mics” is given. Read DICOM data, and then register between 3 or more registration points on the DICOM and 3 or more registration points on the registration template that are directly face-joined to the surgical site of the patient. Can be easily performed with high accuracy.
本発明における所定の肉厚と面積寸法を有するテンプレートの画像情報に基づく、製造方法としては、特に制限されることはないが、光造形法、インクジェット造形法、粉末造形法、粉末焼結法、紙積層法、粉末焼結積層造形法等の製造方法を好適に使用することができる。
特に、テンプレートとともに、患者の手術対象模型を作成する場合は、成形材料として無機材料を混合した熱可塑性樹脂粉末を用いた粉末焼結積層造形法（特許第３９２７４８７号公報参照）によって、該模型を作製すれば、人体などの自然骨と同一の硬さの立体形状の実寸模型を、精密かつ正確に三次元的に複製することができるものであり、手術前のシミュレーション等に用いることができるので好ましい。
本願発明テンプレートを粉末焼結積層造形法又は光造形法等によって作製する際に、原材料として単なる樹脂等の透明材料を用いれば、透明なレジストレーション用テンプレートを作製することができる。
透明なテンプレートは、レジストレーションの際に嵌合すべき骨表面の状態が容易に視認できる利点がある。
粉末焼結積層造形法および光造形法に用いる三次元形状データは、生体の精密な立体形状モデルを製作するに際して、その原型となる人体の各部位の形状を、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）、Ｘ線コンピュータ断層撮影（Ｘ線ＣＴ）、超音波撮影などのいずれか１種又は２種以上の複合方法を用いて透視計測又は外形計測したものである。得られた人体から実測した各部位の三次元的立体形状と寸法データは、例えば、医用デジタル画像を一度二次元のＤＩＣＯＭデータに変換し、さらにサーフェスタイプのＳＴＬフォーマットデータに変換することにより、粉末焼結積層造形法および光造形法等に適用することができる。
As a manufacturing method based on image information of a template having a predetermined thickness and area dimension in the present invention, there is no particular limitation, but an optical modeling method, an inkjet modeling method, a powder modeling method, a powder sintering method, Manufacturing methods such as a paper lamination method and a powder sintering lamination molding method can be suitably used.
In particular, when creating a patient's surgical model together with a template, the model is obtained by a powder sintering additive manufacturing method using a thermoplastic resin powder mixed with an inorganic material as a molding material (see Japanese Patent No. 3927487). If produced, a solid model with the same hardness as a natural bone such as a human body can be reproduced three-dimensionally accurately and accurately, and can be used for simulations before surgery. preferable.
When a template of the present invention is prepared by a powder sintering additive manufacturing method or an optical modeling method, a transparent registration template can be prepared by using a transparent material such as a simple resin as a raw material.
The transparent template has an advantage that the state of the bone surface to be fitted during registration can be easily visually confirmed.
The three-dimensional shape data used in the powder sintering additive manufacturing method and the stereolithography method is used to produce the shape of each part of the human body, which is the prototype, when producing a precise three-dimensional shape model of a living body, magnetic resonance imaging (MRI), This is a fluoroscopic measurement or external shape measurement using any one or two or more combined methods such as X-ray computed tomography (X-ray CT) and ultrasonic imaging. The three-dimensional three-dimensional shape and dimension data of each part actually measured from the human body can be obtained by, for example, converting a medical digital image into two-dimensional DICOM data and then converting it into surface-type STL format data. The present invention can be applied to a sintered layered modeling method, an optical modeling method, and the like.
本発明のテンプレートを作製するためには、前記データ処理により、作成されたものを使用することができる。
本発明において、焼結積層造形法のテンプレートの材料として用いる合成樹脂粉末に特に制限はなく、例えば、ナイロン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリブチレン、ＡＢＳ樹脂、セルロース系樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂などを挙げることができる。これらの中で、ナイロンを好適に用いることができ、さらに、ナイロン１１を特に好適に用いることができる。また、光造形法のテンプレートの材料として用いる光硬化性樹脂に特に制限はなく、例えば、アクリレート系、エポキシ系等、公知の光硬化性樹脂を用いることができる。
テンプレートの材料として透明材料を使用すると、レジストレーションのために、テンプレートを患者の骨に密着させるときに、骨が見えるので操作上特に好ましい。
なお、本発明におけるテンプレートは、滅菌処理ができるものである。滅菌処理としては、例えば、テンプレートにガス滅菌、コーティング等をすることができる。
In order to produce the template of this invention, what was produced by the said data processing can be used.
In the present invention, the synthetic resin powder used as a template material for the sintering additive manufacturing method is not particularly limited. For example, nylon, polycarbonate, polyester, polyacetal, polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polystyrene, polybutylene, ABS resin, cellulose Resin, acrylic resin, epoxy resin, fluorine resin, and the like. Among these, nylon can be preferably used, and nylon 11 can be particularly preferably used. Moreover, there is no restriction | limiting in particular in the photocurable resin used as a template material of an optical shaping method, For example, well-known photocurable resins, such as an acrylate type and an epoxy type, can be used.
The use of a transparent material as the template material is particularly preferred in terms of operation because the bone is visible when the template is brought into close contact with the patient's bone for registration.
The template in the present invention can be sterilized. As the sterilization treatment, for example, the template can be subjected to gas sterilization, coating, or the like.
実施例１
粉末焼結積層造形法により、手術対象の側頭部位模型及び側頭部位に密着するテンプレートを作製した。
粉末焼結材料として、平均粒径５８μｍの球状のナイロン１１の粉末７０重量％と、平均粒径６０μｍのガラスビーズ３０重量％の混合物を用い、造形装置として、１００Ｗ炭酸ガスレーザを備えた粉末焼結積層造形装置［３Ｄ−Ｓｙｓｔｅｍｓ社、「Ｖａｎｇｕａｒｄ−ＨＳ」］を用いた。
成人男子の側頭部位の骨をＸ線コンピュータ断層撮影したデータから側頭部位及びテンプレートのデータを作成した。テンプレートのデータには、３ヵ所のガイドホールの位置及び寸法のデータを追加した。
ソフトウェア［Ｍａｔｅｒｉａｌｉｓｅ社、「Ｍｉｍｉｃｓ」］を用いて造形用データに変換した。このデータを造形装置に入力し、積層ピッチ０.１０ｍｍで粉末焼結材料を逐次積層焼結し、実寸大の側頭部位模型及び図１に示すような寸法４０×４０ｍｍの最大厚さ１５ｍｍのガイドホール２の付いたテンプレート１を作製した。
図２に示すように、作製した側頭部位模型３の表面にテンプレートを当接すると両者の面同士は精度良く接合して、前後左右にゆすっても移動しない安定な接合が得られた。
この安定な接合状態において、ガイドホールをレジストレーションポイントとして手術治具を当ててレジストレーションすることも可能であり、また、図２に示すガイドホール２を経由して図３のように側頭部位模型３の表面にレジストレーションポイントとして着色マーク４を付けることもできた。
作製した側頭部位模型３を、ドリルメスで切削したところ、自然骨と同一の感触で模型を切削することができた。
実施例２
粉末焼結積層造形法により側頭部位に密着する透明なテンプレートを作製した。
粉末焼結材料として、平均粒径５８μｍの球状のナイロン１１の粉末を用い、造形装置として、１００Ｗ炭酸ガスレーザを備えた粉末焼結積層造形装置［３Ｄ−Ｓｙｓｔｅｍｓ社、「Ｖａｎｇｕａｒｄ−ＨＳ」］を用いた。
成人男子の側頭部位の骨をＸ線コンピュータ断層撮影したデータからテンプレートのデータを作成した。テンプレートのデータには、３ヵ所のガイドホールの位置及び寸法のデータを追加した。また、側頭部位の骨の表面に正確に面接合する面の反対面には、側頭部位の骨の凹凸面のデータを用いた。
ソフトウェア［Ｍａｔｅｒｉａｌｉｓｅ社、「Ｍｉｍｉｃｓ」］を用いて造形用データに変換した。このデータを造形装置に入力し、積層ピッチ０.１０ｍｍで粉末焼結材料を逐次積層焼結し、寸法４０×４０ｍｍの最大厚さ１５ｍｍのガイドホール付きテンプレートを作製した。該テンプレートは無機材料を含んでいないため透明なものであった。そして、図４に示すように側頭部位の骨の表面に正確に面接合する面の反対面に側頭部位の骨の凹凸面を有するものであった。
図５に示すように、実施例１で作製した側頭部位模型の表面に作製した透明なテンプレートを当接すると両者の面同士は精度良く、接合して、前後左右にゆすっても移動しない安定な接合が得られた。
この安定な接合状態において、ガイドホールをレジストレーションポイントとして手術治具を当ててレジストレーションすることも可能であり、また、ガイドホールを経由して側頭部位模型の表面にレジストレーションポイントとして着色マークを付けることもできた。該テンプレートを透明に作製した場合は、接合状態および側頭部位模型の表面にガイドホールを介してマークを付けることが容易に行うことができた。
Example 1
A template that adheres closely to the temporal part model and the temporal part to be operated was prepared by a powder sintering additive manufacturing method.
As a powder sintering material, a mixture of 70% by weight of spherical nylon 11 powder having an average particle size of 58 μm and 30% by weight of glass beads having an average particle size of 60 μm was used. As a modeling apparatus, powder sintering provided with a 100 W carbon dioxide laser An additive manufacturing apparatus [3D-Systems, “Vangguard-HS”] was used.
Temporal site and template data were generated from X-ray computed tomography of the temporal bones of adult males. Data on the position and dimensions of three guide holes were added to the template data.
Using software [Materialise, “Mimics”], it was converted into modeling data. This data is input to the modeling apparatus, and the powder sintered material is sequentially laminated and sintered at a lamination pitch of 0.10 mm, and the actual-size temporal part model and the maximum thickness of 15 mm with dimensions of 40 × 40 mm as shown in FIG. A template 1 with a
As shown in FIG. 2, when the template was brought into contact with the surface of the produced
In this stable joining state, it is also possible to perform registration by applying a surgical jig with the guide hole as a registration point, and also through the
When the produced
Example 2
A transparent template that adheres closely to the temporal region was prepared by a powder sintering additive manufacturing method.
Spherical nylon 11 powder having an average particle size of 58 μm is used as a powder sintering material, and a powder sintering additive manufacturing apparatus [3D-Systems, “Vangguard-HS”] equipped with a 100 W carbon dioxide laser is used as a modeling apparatus. It was.
Template data was created from X-ray computed tomography of bones in the temporal region of adult men. Data on the position and dimensions of three guide holes were added to the template data. Moreover, the data of the uneven surface of the bone of the temporal part was used for the surface opposite to the surface that is accurately surface-joined to the surface of the bone of the temporal part.
Using software [Materialise, “Mimics”], it was converted into modeling data. This data was input into a modeling apparatus, and a powder sintered material was sequentially laminated and sintered at a lamination pitch of 0.10 mm to produce a template with a guide hole having a size of 40 × 40 mm and a maximum thickness of 15 mm. The template was transparent because it contained no inorganic material. And as shown in FIG. 4, it had the uneven | corrugated surface of the bone | frame of a temporal part on the opposite surface to the surface which carries out surface bonding correctly to the surface of the bone of a temporal part.
As shown in FIG. 5, when the transparent template produced on the surface of the temporal part model produced in Example 1 is brought into contact, both surfaces are joined with high accuracy and stable even if they are moved back and forth and left and right. A good bond was obtained.
In this stable bonding state, it is also possible to perform registration by applying a surgical jig with the guide hole as a registration point, and coloring marks as registration points on the surface of the temporal site model via the guide hole Could also be attached. When the template was made transparent, it was possible to easily mark the bonded state and the surface of the temporal part model through a guide hole.
本発明のテンプレートは、手術を受ける患者への負担がなく、医療用ナビゲーションシステムを使用した手術において、患者の骨から位置合わせを行うことができ、画像と患者の手術対象部位の位置合わせを高精度で実施でき、さらに手術中の患者の***の変化に際しても迅速に行うことができるため有用である。 The template of the present invention has no burden on the patient undergoing the operation, and can perform alignment from the bone of the patient in the operation using the medical navigation system, thereby enhancing the alignment between the image and the operation target site of the patient. This is useful because it can be performed with high accuracy and can be performed quickly even when the patient's body position changes during surgery.
１ テンプレート
２ ガイドホール
３ 側頭部位模型
４ 着色マーク
1
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