JP2014036700A - 関節置換術用ナビゲーション装置，そのプログラム，手術支援装置 - Google Patents

関節置換術用ナビゲーション装置，そのプログラム，手術支援装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 装置構成の小型化、簡略化を図るとともに、患者及び術者の負担を軽減して、良好に人工関節置換を行う。
【解決手段】 骨盤付近のＣＴ画像を術前に取得し、骨盤部分の３Ｄモデルをコンピュータ上で作成する。前記仮想３Ｄ骨モデルを利用して、ガイド器具の設置位置などを計画し、ガイド器具を含めた仮想３Ｄ元術部モデルを構築する。次に、術中において、ガイド器具を設置し、術部の３Ｄ画像を取得して、ガイド器具を含めた実測３Ｄ術部モデルを取得する。仮想３Ｄ術部モデルと、実測３Ｄ術部モデルを対比し、理想的なガイド器具の設置位置と、実際のガイド器具の設置位置の誤差を検出し、誤差が小さくなるように術者を誘導する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば人工股関節コンポーネントを設置する際にコンピュータによる支援ないしナビゲーションを行う関節置換術用ナビゲーション装置，そのプログラム，手術支援装置に関する。
膝や股の人工関節置換を行うに当たって、人工関節のコンポーネント（部品）の設置を精度よく行うため、コンピュータによる支援ないしナビゲーションが利用されており、大きく分けて以下のような手法がある（下記非特許文献１参照）。
(1)ＣＴ（コンピュータ断層撮影）などによる関節部位の画像情報を利用せず、関節を動かすことで得られる運動情報等を利用してナビゲーションを行う方法。
(2)ＣＴなどによる画像情報を利用して３Ｄ（３次元）骨形状モデルを作製し、術中の骨形状との位置合わせを行って、ナビゲーションを行う方法。
これらのうち、前記(1)の方法は、術前における画像取得のための処理を必要としないものの、ナビゲーションの正確さにおいて満足し得るものとはいえない。一方、前記(2)の方法は、ＣＴやＭＲＩ（磁気共鳴画像）などによって精度の高い３Ｄ骨形状モデルを作製することができ、ナビゲーションの精度の向上を図ることができる。
例えば、下記特許文献１の「手術支援装置、方法及びプログラム」は、術前に撮影した患者のＭＲＩ画像に基づいて３Ｄモデルを予め生成しておき、術中においては、患者の表面をレーザ光で走査し反射したレーザ光を検出することで、表面の各個所の３Ｄ座標を測定し、表面の各個所の術前ＭＲＩ画像との対応付けを行うようにしている。
特開２００７−２０９５３１号公報
「人工膝関節置換術［ＴＫＡ］のすべて-安全・確実な手術のために」（株式会社メディカルビュー社，１７６−１８３頁，２００７年２月５日刊行，中村卓司著）
しかしながら、従来のナビゲーション手法には、次のような課題がある。
(1)患者に外部からレーザ光、キセノン光、あるいは赤外線を当ててその表面形状を測定するため、装置構成が大がかりで高価となってしまう。
(2)手術器具の位置を取得するためのマーカを骨に設置するなど、手術侵襲の恐れが高く、患者の負担が大きい。
(3)操作に高度な熟練が必要であり、手術時間も長くなって、術者側の負担も大きい。
本発明は、以上のような点に着目したもので、その目的は、装置構成の小型化、簡略化を図り、価格の低減を図ることである。他の目的は、患者及び術者の負担を軽減して、良好に人工関節置換を行うことである。
本発明の関節置換術用ナビゲーション装置は、ガイド器具に保持された手術器具を用いたナビゲーション装置であって、術前計画において求めた前記ガイド器具の設置位置を含む仮想３Ｄ骨モデルと、術中における前記ガイド器具の設置位置を含む実測３Ｄ骨モデルを比較して、両者の設置誤差を検出する設置誤差検出手段，該設置誤差検出手段による検出結果と、前記ガイド器具及び前記手術器具に設けた姿勢検知手段からの検知結果とに基づいて、術中における手術器具が術前計画における手術器具の設置位置に近づくように誘導する手術器具誘導手段，を備えたことを特徴とする。
本発明の前記関節置換術用ナビゲーション装置のプログラムは、前記設置誤差検出手段及び前記手術器具誘導手段として機能することを特徴とする。本発明の手術支援装置は、前記関節置換術用ナビゲーション装置を使用する手術支援装置であって、前記形状測定器具による測定結果と、前記ガイド器具及び前記手術器具に設けた姿勢検知手段からの検知結果を、それぞれ受信する受信手段，前記手術器具誘導手段の誘導に対応して誘導音を出力する発音手段，を含むことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
本発明によれば、患者及び術者双方の負担を軽減し、術前計画に沿ったガイド器具の設置を行って人工関節置換術を良好に行うことができる。
本発明の実施例で使用するガイド器具を示す斜視図である。 前記ガイド器具を矢印Ｆ２方向から見た側面図である。 前記ガイド器具の固定支持部ＰＡの部分を拡大して示す図である。 前記ガイド器具の臼蓋に対する設置例を示す斜視図である。 本発明の手術支援装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例における術前作業の主要手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例における術中作業の主要手順を示すフローチャートである。 仮想３Ｄ術部モデルと実測３Ｄ術部モデルとの関係を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。概略は、次のとおりである。本発明は、各種の人工関節置換術に適用可能であるが、以下、骨盤臼蓋の場合を例として説明する。全体の動作の概要を示すと、次のようになる。
(1)骨盤付近のＣＴないしＭＲＴ画像を術前に取得し、骨盤部分の３Ｄモデルをコンピュータ上で作成する。
(2)前記仮想３Ｄ骨モデルを利用して、ガイド器具の設置位置などを計画し、ガイド器具を含めた仮想３Ｄ術部モデルを構築する。
(3)術中において、ガイド器具を設置し、術部の３Ｄ画像を取得して、ガイド器具を含めた実測３Ｄ術部モデルを取得する。
(4)仮想３Ｄ術部モデルと、実測３Ｄ術部モデルを対比し、理想的なガイド器具の設置位置と、実際のガイド器具の設置位置の誤差を検出する。
(5)検出したガイド器具の設置位置誤差が小さくなるように術者を誘導する。
次に、本発明の実施例１について説明する。最初に、本実施例で使用する人工関節置換術用ガイド器具（以下単に「ガイド器具」という）について、図１〜図４を参照しながら説明する。なお、図１〜図４は、特願2012-36256として出願されたものである。図１には、ガイド器具１０の斜視図が示されており、その矢印Ｆ２方向から見た側面が図２に示されている。これらの図において、ガイド器具１０は、大きく分けて、
ａ，器具自体を骨盤に対して固定支持する固定支持部ＰＡ，
ｂ，形状測定器具やドリルを取り付ける操作部ＰＢ，
ｃ，形状測定器具からの信号を検出する撮像部ＰＣ，
ｄ，前記固定支持部ＰＡに対する前記操作部ＰＢ，撮像部ＰＣの位置を調整するための位置調整アーム部ＰＤ
によって構成されている。
＜固定支持部ＰＡ＞ これらのうち、固定支持部ＰＡは、ガイドポール１９の先端にチャックホルダ１９Ａを介してボールチャック１９Ｂが保持されている。ボールチャック１９Ｂの先端には、アンカービット２０が取り付けられている。ボールチャック１９Ｂを緩めることで、アンカービット２０が変位可能となり、ガイドポール１９とアンカービット２０との角度が調整可能となっている。アンカービット２０は、骨盤の臼蓋外縁部上方に固定されるネジである。すなわち、ボールチャック１９Ｂを緩めたり締め付けたりすることで、アンカービット２０に対するガイドポール１９，更にはガイド器具１０の角度を任意に調整して固定できるようになっている。
ガイドポール１９の他端側は、位置調整アーム部ＰＤにスライド可能に挟まれており、その先にはレール保持部１８を介してハンドル１９Ｃが設けられている。レール保持部１８は、撮像部ＰＣのレール１４Ａをスライド可能に保持しており、これにより、固定支持部ＰＡに対して撮像部ＰＣをスライド可能に保持している。前記レール保持部１８には、ガイドピンホール１８Ａが一対形成されており、前記チャックホルダ１９Ａには、ガイドピンホール１９Ｈが一対形成されている。これらのガイドピンホール１８Ａ，１９Ｈは、軸方向が一致しており、位置調整アーム部ＰＤを挟むように、それぞれガイドピン（図示せず）が挿通されている。これらガイドピンにより、アンカービット側に対するハンドル側の捩じれが防止されている。
図３には、前記アンカービット２０を骨盤ＲＰＶに固定した状態が示されている。アンカービット２０は、フランジ２０Ｂの上側がボール２０Ａ、下側がネジ２０Ｃとなっており、ネジ２０Ｃを骨盤ＲＰＶにおける臼蓋外縁の上端付近にねじ込むことで、骨盤ＲＰＶに固定される。そして、その後ボール２０Ａにボールチャック１９Ｂを取り付ける。そのときのボールチャック１９Ｂの取付角度によって、ガイドポール１９の角度を調整することができる。
＜操作部ＰＢ＞ 次に、操作部ＰＢは、治具ホルダ１２を中心に構成されている。治具ホルダ１２は、大径円筒状の基部１２Ａ内を移動可能な小径円筒状の移動部１２Ｂを備えている。すなわち、治具ホルダ１２は、基部１２Ａの円筒と移動部１２Ｂの円筒によって、二重の筒構造を構成している。基部１２Ａの一部が延長形成されており、移動部１２Ｂの移動をガイドするための延長ガイド１２Ｄとして機能する。また、移動部１２Ｂも一部が延長形成されており、形状測定器具１１ないしドリル（図示せず）の移動をガイドずるための延長ガイド１２Ｅとして機能する。移動部１２Ｂの先端には、リング状の当接部１２Ｃが形成されている。リング状当接部１２Ｃは、臼蓋開口面から臼蓋底部まで移動可能となっている。
前記移動部１２Ｂの円筒部分には、形状測定器具１１や、ドリル（図示せず）などの施術具が挿入可能，着脱可能となっており、更に前記延長ガイド１２Ｅに沿ってリング状当接部１２Ｃの方向に移動可能となっている。一方、基部１２Ａは、位置調整アーム部ＰＤに接合しており、これによって固定支持部ＰＡのガイドポール１９の軸方向と、形状測定器具１１等との角度が調整可能となっている。
次に、形状測定器具１１は、
ａ，患者の臼蓋の形状，
ｂ，ガイド器具１０の位置（具体的には、アンカービット２０の固定位置及びガイドポール１９の傾き）
を計測するためのレーザ光を使用するセンサであり、例えば、特開2007-285891号公報に開示された内面形状測定装置を利用することができる。他に、特開昭63-055441，特開2006-064690，特開2004-101190，特開2005-233925，特開2005-195936，特開平5-107037，なども、同様に適用可能である。円筒状の形状測定器具１１の先端側には、半導体レーザ素子による第１レーザ発振部１１Ａ，円錐形状のミラーで形成された第１反射部１１Ｂ，第２レーザ発振部１１Ｃ，第２反射部１１Ｄが、円筒の長手方向に沿って同軸上に設けられている。
第１レーザ発振部１１Ａから発振・出力されたレーザ光は、第１反射部１１Ｂで反射される。これにより、レーザ光は、形状測定器具１１の軸方向と直交する平面の全周方向に広がる円盤状のレーザ光Ｃ１として射出される。一方、第２レーザ発振部１１Ｃから発振・出力されたレーザ光は、第２反射部１１Ｄで反射される。これにより、レーザ光は、形状測定器具１１の軸方向と直交する平面の全周方向に広がる円盤状のレーザ光Ｃ２として射出される。
前記レーザ光Ｃ１，Ｃ２は、一部が延長ガイド１２Ｄ，１２Ｅで遮られるため、円盤状ではなく扇形状となる。延長ガイド１２Ｄ，１２Ｅ内壁面によるレーザ光の反射による悪影響を避けるため、レーザ光を吸収するような壁面とするとよい。また、前記第２反射部１１Ｄとの間に十字形のスリットを設けるか、あるいは第２反射部１１Ｄのプリズム形状により、前記レーザ光Ｃ２を、円錐形状ではなく、十字形状に広がるレーザ光としてもよい。
計測時は、形状測定器具１１を、移動部１２Ｂによって基部１２Ａ側からリング状当接部１２Ｃ側に移動する。そして、そのときに得られるレーザ光Ｃ１，Ｃ２の臼蓋及びアンカービット２０による反射光を撮像部ＰＣで検出することで、臼蓋の３Ｄ（立体）形状やアンカービット２０の位置が計測されるようになっている。
更に、形状測定器具１１は、その姿勢角度を検出して姿勢検出信号を出力する姿勢検出センサ１１Ｅと、撮像部ＰＣで得た画像信号や前記姿勢検出信号を、後述するナビゲーション装置に送信するための送信部１１Ｆを備えている。姿勢検出センサ１１Ｅは、例えば、ジャイロセンサ及び３軸加速度センサによって構成される。送信部１１Ｆとしては、例えば無線ＬＡＮなどの近距離無線通信の規格が利用される。なお、駆動用の電池も、形状測定器具１１に内蔵されている。
＜撮像部ＰＣ＞ 次に、撮像部ＰＣについて説明すると、上述したレーザ光Ｃ１，Ｃ２の臼蓋等による反射光が入射する撮像素子１５は、位置調整アーム部ＰＤに沿ってスライド可能なスライダ１４に、前記レーザ光Ｃ１，Ｃ２の照射方向を向いて取り付けられている。スライダ１４からは、位置調整アーム部ＰＤの接線方向に向かって１対のレール１４Ａが延長形成されており、このレール１４Ａに沿って、前記固定支持部ＰＡのレール保持部１８がスライド可能となっている。
前記スライダ１４には、前記位置調整アーム部ＰＤの外側に鉤保持部１６が設けられており、この鉤保持部１６によって、抑え鉤１７が保持されている。抑え鉤１７は、前記位置調整アーム部ＰＤの円弧の中心に向かう方向（円弧と直交する方向）に設けられており、先端に湾曲部１７Ａが形成されている（図４参照）。このような抑え鉤１７を、手術時に開創部から臼蓋周縁に挿入することで、患部の視野を確保して、撮像素子１５による撮像を良好に行えるようにしている。前記スライダ１４と鉤保持部１６との間隔は、支持ロッド１６Ａによって調整可能となっている。また、抑え鉤１７の軸方向は、ガイドポール１９の軸方向と同一となっている。
＜位置調整アーム部ＰＤ＞ 次に、位置調整アーム部ＰＤは、上述した操作部ＰＢにおける基部１２Ａの延長ガイド１２Ｄの先端を中心とする円弧となっており（図２参照）、並行して円弧状に設けられた１対の円弧アーム１３を備えている。円弧アーム１３の一方の端部は、前記操作部ＰＢの治具ホルダ１２に接続固定されている。円弧アーム１３の側面には、円弧状のスリット１３Ａが形成されている。このスリット１３Ａには、上述した撮像部ＰＣのスライダ１４の側面から突出したピン１６Ｂが入り込んでおり（図２参照）、このピン１６Ｂがスリット１３Ａに当接してスライドすることで、スライダ１４が円弧アーム１３に沿ってスライド可能に保持されている。
以上の点をまとめると、次のようになる。
ａ，固定支持部ＰＡは、撮像部ＰＣに対して、レール１４Ａに沿って平行移動可能となっている。
ｂ，撮像部ＰＣは、位置調整アーム部ＰＤに沿って円弧状に移動可能となっている。これにより、撮像部ＰＣは、いずれの位置であっても、操作部ＰＢの先端部分を撮像可能となっている。
ｃ，固定支持部ＰＡは、先端のアンカービット２０に対して角度を変更可能である。これにより、アンカービット２０を中心に考えると、ガイド器具１０の全体の傾きを調整することができる。
また、各部の位置を固定するため、必要に応じて、以下のようなネジなどによる固定具が設けられる。
ａ，円弧アーム１３に対するスライダ１４の位置を固定する。
ｂ，スライダ１４と抑え鉤１７との間隔を固定する。
ｃ，レール１４Ａに対するレール保持部１８の位置を固定する。
上述した図２に示す状態は、略半球形状に窪んだ臼蓋の開口平面をＯＰとしたときの各部の位置関係の一例を示している。固定支持部ＰＡのアンカービット２０は開口平面ＯＰの位置となり、操作部ＰＢ先端のリング状の当接部１２Ｃは、開口平面ＯＰより下の臼蓋内に位置する。また、撮像部ＰＣの撮像素子１５は、形状測定器具１１の先端部分を視野に入れており、抑え鉤１７の湾曲部１７Ａの先端は開口平面ＯＰの位置となって、撮像素子１５の視野を確保している。図４には、骨盤ＰＶに対してガイド器具１０を設置した様子が示されている。
＜ナビゲーション装置＞ 次に、図５のブロック図を参照しながら、上述したガイド器具を使用する手術支援装置１００について説明する。図５において、手術支援装置１００は、パソコンなどのコンピュータ装置（以下単に「ＰＣ」という）１１０を中心に構成されている。それらのうち、特に本発明に関係するものとして、
ａ，演算装置としてのＣＰＵ１１２，
ｂ，該ＣＰＵ１１２で実行されるプログラムが格納されたプログラムメモリ１２０，
ｃ，外部から取得したデータや演算後のデータを格納するデータメモリ１３０，
を図示している。プログラムメモリ１２０やデータメモリ１３０としては、例えばハードディスクなどが利用される。また、コンピュータ装置１１０には、
ｄ，キーボードやマウスなどの入力装置１５０，
ｅ，画像やデータを表示するモニタ１５２，
ｆ，術時にアラームを出力するスピーカ１５４，
ｇ，上述したガイド器具１０やドリル等の手術器具２００から送信された信号を受信する受信部１５６，
ｈ，ＣＴ（ＭＲＩ）装置１６０，
が適宜のインターフェースを介して接続されている。必要があれば、プリンタ，ディスクドライブなどが接続される。
ガイド器具１０のガイドポール１９及びドリルなどの手術器具２００には、手術時に角度センサ１９Ｐ，２００Ｐがそれぞれ取り付けられ、検出信号が送信部１９Ｑ，２００Ｑを介して前記受信部１５６で受信されるようになっている。
次に、プログラムメモリ１２０に格納されているプログラム及びデータメモリ１３０に格納されているデータについて説明する。
ａ，ＣＴ画像データ１３１は、ＣＴ装置１６０によって撮像された患者のＣＴ画像データであり、ＣＴ装置１６０における座標系，いわばＣＴ座標系で表示されたデータである。ＭＲＩ画像でもよい。
ｂ，仮想３Ｄ骨モデル構築プログラム１２１は、前記ＣＴ画像データ１３１に基づいて、患者の臼蓋を中心とする骨盤部分の３Ｄ形状を演算して仮想的に構築するプログラムである。演算後の３Ｄ形状データは、仮想３Ｄ骨モデルデータ１３２としてデータメモリ１３０に保存される。
ｃ，設置シミュレーションプログラム１２２は、前記仮想３Ｄ骨モデルデータ１３２に基づいて、前記ガイド器具１０の設置位置，具体的には、固定支持部ＰＡのアンカービット２０の理想的な設置位置とガイドポール１９の方向を決定するプログラムである。決定されたアンカービット２０の理想位置及びガイドポール１９の方向のデータは、仮想３Ｄ骨モデルデータ１３２に付加され、仮想３Ｄ術部データ１３３として、データメモリ１３０に保存される。
ｄ，実測３Ｄ術部データ１３４は、実際の手術時に、ガイド器具１０の形状測定器具１１を利用して撮像素子１５により撮像した骨形状及び設置したガイドポール１９及びアンカービット２０の３Ｄ画像データである。
ｅ，器具設置誤差検出プログラム１２４は、コンピュータ上で得た仮想３Ｄ術部データ１３３と、前記手術時に得た実測３Ｄ術部データ１３４とを比較し、ガイド器具１０の設置誤差、すなわちガイドポール１９の傾きとアンカービット２０の位置ずれを検出するプログラムであり、角度及び距離の誤差データ１３５として、データメモリ１３０に格納される。
ｆ，実測角度データ１３６は、手術時にガイドポール１９に設置される角度センサ１９Ｐと、ドリルなどの手術器具２００に設置される角度センサ２００Ｐの検出結果を示すデータである。
ｇ，角度差モニタリングプログラム１２５は、前記実測角度データ１３６を参照し、比較結果をアラーム出力するプログラムである。
次に、上述したガイド器具１０の形状測定器具１１には、姿勢検出センサ１１Ｅが設けられており、これによって検出される姿勢変化情報は、前記撮像素子１５の撮像信号とともに、送信部１１Ｆから送信され、受信部１５６を介してコンピュータ装置１１０で受信されるようになっている。また、ガイドポール１９と、ドリルなどの手術器具２００には、手術時に、それぞれ角度センサ１９Ｐ，２００Ｐが設けられ、それらの検知信号は送信部１９Ｑ，２００Ｑによって前記受信部１５６に送信され、コンピュータ装置１１０に取り込まれるようになっている。
＜術前動作＞ 次に、上記実施例の動作のうち、術前に行われる動作について、図６も参照しながら説明する。最初に、ＣＴ装置１６０によって患者の骨盤付近のＣＴ画像を取得し、コンピュータ装置１１０のデータメモリ１３０にＣＴ画像データ１３１として保存する（ステップＳ１０）。次に、コンピュータ装置１１０では、仮想３Ｄ骨モデル構築プログラム１２１がＣＰＵ１１２で実行され、前記ＣＴ画像データ１３１に基づいてコンピュータ上に仮想的に３Ｄの骨モデルを構築する（ステップＳ１２）。仮想３Ｄ骨モデルを表す座標系は、コンピュータ上に設定した３Ｄ位置座標系である。構築した仮想３Ｄ骨モデルデータ１３２は、データメモリ１３０に格納される。
次に、ＣＰＵ１１２では、設置シミュレーションプログラム１２２が実行され、前記仮想３Ｄ骨モデルを参照しながら、人工関節の設置シミュレーションを行い、ガイド器具１０の最適な設置位置が決定される。この決定の手順は、次の通りである。
ａ，まず、仮想３Ｄ骨モデルデータ１３２を利用して、人工関節の設置シミュレーションを行い、人工関節の理想的な３Ｄ設置位置を決定する（ステップＳ１４）。この操作は、仮想空間上で、施術者（医師）がモニタ１５２を参照しながら行う。
ｂ，次に、３Ｄ手術計画を術中で遂行し、前記決定された人工関節の理想的な３Ｄ設置位置を手術時に再現できるように、ガイド器具１０を設置するシミュレーションを行う（ステップＳ１６）。
ｃ，次に、前記コンピュータ上の仮想空間に構築した３Ｄ骨モデル上の前記ステップで得た位置，すなわち３Ｄ手術計画を反映した理想的な骨とガイド器具１０（アンカービット２０とガイドポール１９）の３Ｄモデルを構築する（ステップＳ１８）。
このようにして決定されたアンカービット２０の理想位置及びガイドポール１９の理想方向のデータは、仮想３Ｄ骨モデルデータ１３２に付加され、仮想３Ｄ術部データ１３３として、データメモリ１３０に保存される。以上の仮想３Ｄ骨モデル構築プログラム１２１，設置シミュレーションプログラム１２２としては、例えばレキシー社製のソフトウェア「HipKnee(ヒップ・ニー)」を用いることができる。
＜術中動作＞ 次に、実際の置換術における術中動作について説明する。図７には、その手順が示されている。手術を担当する医師は、患部を開き、上述した手術計画とシミュレーションに基づいた設置位置に、完全滅菌したガイド器具１０のアンカービット２０とガイドポール１９を設置する（ステップＳ３０）。
図４には、その様子が示されている。なお、同図は骨盤ＰＶの部分を広く示しているが、実際の手術ではわずかな切開部分から臼蓋周辺を見ることができるのみである。ガイド器具１０の固定支持部ＰＡのガイドポール１９の先端に設けられたアンカービット２０は、術前計画に基づいて、臼蓋ＡＣの外縁上方に固定される。このとき、理想的には術前計画で決めた位置に固定されればよいが、実際上の設置位置は誤差を含んでいる。
次に、形状測定器具１１からレーザ光Ｃ１，Ｃ２を出力し、臼蓋ＡＣの部分を撮像し、３Ｄ画像を得る（ステップＳ３２）。詳述すると、まず、臼蓋ＡＣ部分の３Ｄ画像を良好に得るために、形状測定器具１１の先端側のリング状の当接部１２Ｃが臼蓋ＡＣの中心に位置するように、操作部ＰＢの位置調整を行う。次に、第１レーザ発振部１１Ａ及び第１反射部１１Ｂによる円盤状に広がるレーザ光Ｃ１と、第２レーザ発振部１１Ｃ及び第２反射部１１Ｄによる円錐形状（ないし十字形）に広がるレーザ光Ｃ２とを時分割で交互に射出する。具体的には、撮像素子１５における連続撮影可能速度に合わせて、例えば０．１［秒］間隔で射出し、取得した撮影画像データを、姿勢検出センサ１１Ｅで検出する姿勢信号と合わせて、送信部１１Ｆによりコンピュータ装置１１０に連続して送信する。これら前記形状測定器具１１による画像信号と前記姿勢検出センサ１１Ｅによる姿勢信号は、実測３Ｄ術部データ１３４として、データメモリ１３０に格納される。形状測定器具１１を用いて実測３Ｄ術部データ１３４を得るための具体的な手法としては、例えば特開2007-285891号公報に開示された「内面形状の測定方法とこの方法による測定装置」が好適である。
コンピュータ装置１１０では、設置誤差検出プログラム１２４がＣＰＵ１１２で実行され、前記仮想３Ｄ術部データ１３３と、実測３Ｄ術部データ１３４とのデータマッチングが行われる（ステップＳ３４）。そして、理想的なガイド器具１０の設置位置と、実際に設置したガイド器具１０の設置位置との差が認識され（ステップＳ３６）、パラメータ表示される（ステップＳ３８）。
図８には、その様子が示されている。同図(A)は、仮想３Ｄ骨モデル上における術前計画で設定されたガイド器具１０の固定指示部ＰＡ（アンカービット２０とガイドポール１９）の位置を示している。同図(B)は、術中における実際の固定支持部ＰＡの位置を示している。臼蓋ＡＣの形状は、仮想３Ｄ術部データ１３３と実測３Ｄ術部データ１３４とで一致するはずであるから、両者が一致するように画像を回転・移動してゆく。同図(C)は、臼蓋ＡＣを一致させた状態を示しており、固定指示部ＰＡの仮想上の設置位置と実際の設置位置との間に、アンカーボルト２０の距離にしてΔＬ，ガイドポール１９の角度にしてΔＲがそれぞれある。これらの距離差ΔＬ，角度差ΔＲは、誤差データ１３５として、データメモリ１３０に格納される。
次に術者が、パーソナルコンピュータから発信される聴覚情報による位置誘導音を参考にガイド器具１０の固定指示部ＰＡ（アンカービット２０とガイドポール１９）の位置を調整する。具体的には、ガイド器具１０のスライダ１４に対するガイドロッド保持スライダ18の位置、円弧上アーム13に対するスライダ１４の位置、第1ロッド保持部１６に対する第1のロッド17の位置、およびスライダ１４に対する第１のロット保持部１６の位置を調整し術前計画通りの位置になるように調整する。この状態において、ガイドポール１９に取り付けた角度センサ１９Ｐの信号出力が、ガイド器具１０の臼蓋ＡＣに対する位置基準を表すこととなる（ステップＳ４４）。
次に、上述した形状測定器具１１の代わりに、ドリル，リーマー，骨切除ガイド，人工関節打ち込み器などの手術器具２００（図５参照）を、角度センサ２００Ｐ及び送信部２００Ｑとともにガイド器具１０の治具ホルダ１２に取り付ける。なお、形状測定器具１１に取り付けた姿勢検出センサ１１Ｅや送信部１１Ｆを利用してもよい。一方、コンピュータ装置１１０では、受信部１５６で受信されたガイドポール１９の角度センサ１９Ｐの出力と、手術器具２００の角度センサ２００Ｐの出力とが、実測角度データ１３６としてデータメモリ１３０に格納される。ＣＰＵ１１２では、角度差モニタリングプログラム１２５が実行されており、角度センサ出力が比較されて、両者の角度差がモニタリングされる（ステップＳ４６）。手術器具２００が術前計画の目標角度となるように、スピーカ１５４から誘導音が出力され、この誘導音に沿って骨掘削，切除，人工関節設置などの処理を行うことで、術前計画に沿った人工関節置換術が行われる。二つの角度センサ出力を利用する位置認識の具体的な手法としては、例えば特開2008-295527「身体傾斜角計測器および身体ねじれ角計測器」の発明を適用することができる。
以上説明したように、本実施例によれば、次のような効果がある。
（１）患者に外部からレーザ光を当てるなどの大がかりな装置を必要とせず、ナビゲーション装置の小型化を図ることができる。
（２）手術器具の位置を取得するためのマーカを骨に設置するといった必要もなく、低侵襲で患者の負担軽減を図ることができる。
（３）器具の操作に当たって高度な熟練は不要で、術者の負担も軽減して、良好に人工関節置換を行うことができる。
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。例えば、以下のものも含まれる。
（１）前記実施例は、本発明を股関節における人工関節置換術に適用した場合を示したが、他の関節部位における人工関節置換術にも同様に適用することができる。
（２）前記実施例では、角度センサを利用することとしたが、ジャイロセンサや加速度センサなど、姿勢を検知する各種のセンサを利用することができる。例えば、股関節手術において、加速度センサを用いることができる。
（３）前記実施例では、ＣＴやＭＲＩ画像からコンピュータ上の仮想空間に３Ｄ骨モデルを構築したが、実物大の骨盤部分の骨モデルを、例えばアクリル系光硬化樹脂やＡＢＳ樹脂、石膏パウダー等により作製し、これを用いて術前計画を行うようにしてもよい。
（４）前記実施例では、各センサとコンピュータとの間の信号授受を無線で行うこととしたが、有線で行うことを妨げるものではない。
本発明によれば、ナビゲーション装置の小型化，簡略化，低価格化を図ることができ、患者及び術者の負担を軽減することができるので、各種の人工関節置換術に好適である。
１０：ガイド器具
１１：形状測定器具
１１Ａ：レーザ発振部
１１Ｂ：反射部
１１Ｃ：レーザ発振部
１１Ｄ：反射部
１１Ｅ：姿勢検出センサ
１１Ｆ：送信部
１２：治具ホルダ
１２Ａ：基部
１２Ｂ：移動部
１２Ｃ：リング状当接部
１２Ｄ，１２Ｅ：延長ガイド
１３：円弧アーム
１３Ａ：スリット
１４：スライダ
１４Ａ：レール
１５：撮像素子
１６：鉤保持部
１６Ａ：支持ロッド
１６Ｂ：ピン
１７：抑え鉤
１７Ａ：湾曲部
１８：レール保持部
１８Ａ，１９Ｈ：ガイドピンホール
１９：ガイドポール
１９Ａ：チャックホルダ
１９Ｂ：ボールチャック
１９Ｃ：ハンドル
１９Ｈ：ガイドピンホール
１９Ｐ：角度センサ
１９Ｑ：送信部
２０：アンカービット
２０Ａ：ボール
２０Ｂ：フランジ
２０Ｃ：ネジ
４２：ステップ
１００：手術支援装置
１１０：コンピュータ装置
１１２：ＣＰＵ
１２０：プログラムメモリ
１２１：仮想骨モデル構築プログラム
１２２：設置シミュレーションプログラム
１２４：器具設置誤差検出プログラム
１２５：角度差モニタリングプログラム
１３０：データメモリ
１３１：ＣＴ画像データ
１３２：仮想３Ｄ骨モデルデータ
１３３：仮想３Ｄ術部データ
１３４：実測３Ｄ術部データ
１３５：誤差データ
１３６：実測角度データ
１５０：入力装置
１５２：モニタ
１５４：スピーカ
１５６：受信部
１６０：ＣＴ装置
２００：手術器具
２００Ｐ：角度センサ
２００Ｑ：送信部
ＡＣ：臼蓋
Ｃ１，Ｃ２：レーザ光
ＰＡ：固定支持部
ＰＢ：操作部
ＰＣ：撮像部
ＰＤ：位置調整アーム部
ＰＶ：骨盤
本発明の関節置換術用ナビゲーション装置は、関節置換術を行う際に手術器具の位置案内を行うガイド器具を使用する関節置換術用ナビゲーション装置であって、術前に、患者の画像データに基づいて、術対象の関節部位の仮想の３次元骨形状を演算する骨形状演算手段，術前に、前記仮想の３次元骨形状に基づいて、前記ガイド器具の理想的な設置位置を演算するガイド設置位置演算手段，術中に、実際に設置した前記ガイド器具に設けた形状測定器具によって、術対象の関節部位の実際の３次元骨形状を取得する骨形状取得手段，術中に、実際に設置した前記ガイド器具に設けた形状測定器具によって、前記ガイド器具の実際の設置位置を取得するガイド設置位置取得手段，前記各手段における仮想の３次元骨形状，前記ガイド器具の理想的な設置位置，前記実際の３次元骨形状，前記ガイド器具の実際の設置位置を比較し、前記仮想の３次元骨形状と前記実際の３次元骨形状を変移させることで、前記ガイド器具の実際の設置位置と理想的な設置位置との誤差を検出する誤差検出手段，を備えたことを特徴とする。
主要な形態の一つは、前記骨形状演算手段において、仮想の３次元骨形状を、患者のＣＴ画像データもしくはＭＲＩ画像データに基づいて演算することを特徴とする。他の形態の一つは、前記骨形状取得手段は、前記形状測定器具によって術対象の関節部位にレーザ光を照射し、その反射光を利用して、術対象の関節部位の実際の３次元骨形状を取得することを特徴とする。更に他の形態の一つは、前記ガイド設置位置取得手段は、前記形状測定器具によって術対象の関節部位にレーザ光を照射し、その反射光を利用して、前記ガイド器具の実際の設置位置を取得することを特徴とする。更に他の形態としては、前記誤差検出手段は、演算で得た患者の骨形状と、実際に計測した患者の骨形状とが一致するとの前提を利用し、前記仮想の３次元骨形状と前記実際の３次元骨形状の画像の回転・移動を行うことで両者を一致させて、前記ガイド器具の実際の設置位置と理想的な設置位置との誤差を検出することを特徴とする。
本発明の関節置換術用ナビゲーション装置のプログラムは、前記いずれかの関節置換術用ナビゲーション装置をコンピュータで構成するとともに、前記誤差検出手段として機能することを特徴とする。
本発明の手術支援装置は、前記関節置換術用ナビゲーション装置を使用する手術支援装置であって、前記ガイド器具及び前記手術器具に各々設けられた姿勢検知手段，前記ガイド器具の実際の設置位置と理想的な設置位置との誤差を検出する手段による検出結果と、前記姿勢検知手段からの検知結果とに基づいて、術中における手術器具の設置位置が術前における手術器具の理想的な設置位置に近づくように誘導する誘導手段，を備えたことを特徴とする。主要な形態の一つは、前記術中における手術器具の設置位置と、術前における手術器具の理想的な設置位置との誤差に対応する誘導音又は誘導光の少なくとも一方を出力することを特徴とする。
本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
図３には、前記アンカービット２０を骨盤ＰＶに固定した状態が示されている。アンカービット２０は、フランジ２０Ｂの上側がボール２０Ａ、下側がネジ２０Ｃとなっており、ネジ２０Ｃを骨盤ＰＶにおける臼蓋外縁の上端付近にねじ込むことで、骨盤ＰＶに固定される。そして、その後ボール２０Ａにボールチャック１９Ｂを取り付ける。そのときのボールチャック１９Ｂの取付角度によって、ガイドポール１９の角度を調整することができる。
＜ナビゲーション装置＞ 次に、図５のブロック図を参照しながら、上述したガイド器具を使用する手術支援装置１００について説明する。図５において、手術支援装置１００は、パソコンなどのコンピュータ装置１１０を中心に構成されている。それらのうち、特に本発明に関係するものとして、
ａ，演算装置としてのＣＰＵ１１２，
ｂ，該ＣＰＵ１１２で実行されるプログラムが格納されたプログラムメモリ１２０，
ｃ，外部から取得したデータや演算後のデータを格納するデータメモリ１３０，
を図示している。プログラムメモリ１２０やデータメモリ１３０としては、例えばハードディスクなどが利用される。また、コンピュータ装置１１０には、
ｄ，キーボードやマウスなどの入力装置１５０，
ｅ，画像やデータを表示するモニタ１５２，
ｆ，術時にアラームを出力するスピーカ１５４，
ｇ，上述したガイド器具１０やドリル等の手術器具２００から送信された信号を受信する受信部１５６，
ｈ，ＣＴ（ＭＲＩ）装置１６０，
が適宜のインターフェースを介して接続されている。必要があれば、プリンタ，ディスクドライブなどが接続される。
次に、コンピュータ装置１１０で実行される角度差モニタリングプログラム１２５が、前記実測角度データ１３６を参照し、比較結果がアラーム出力される。術者は、コンピュータ装置１１０から発信される聴覚情報による位置誘導音を参考にガイド器具１０の固定指示部ＰＡ（アンカービット２０とガイドポール１９）の位置を調整する。具体的には、ガイド器具１０のスライダ１４に対するレール保持部１８の位置、円弧アーム１３に対するスライダ１４の位置、鉤保持部１６に対する抑え鉤１７の位置、およびスライダ１４に対する鉤保持部１６の位置を調整し、術前計画通りの位置になるようにする。この状態において、ガイドポール１９に取り付けた角度センサ１９Ｐの信号出力が、ガイド器具１０の臼蓋ＡＣに対する位置基準を表すこととなる（ステップＳ４４）。

Claims (3)

  1. 関節置換術を行う際に用いる人工関節設置ガイド器具を用いた、当該ガイド器具に保持された手術器具の位置案内を行う関節置換術用ナビゲーション装置であって、
    術前計画において求めた前記ガイド器具の設置位置を含む仮想３Ｄ骨モデルと、前記手術器具に連結させて設けた形状測定器具によって得た、術中における前記ガイド器具の設置位置を含む実測３Ｄ骨モデルを比較して、両者の設置誤差を検出する設置誤差検出手段，
    該設置誤差検出手段による検出結果と、前記ガイド器具及び前記手術器具に設けた姿勢検知手段からの検知結果とに基づいて、術中における手術器具が術前計画における手術器具の設置位置に近づくように誘導する手術器具誘導手段，
    を備えたことを特徴とする関節置換術用ナビゲーション装置。
  2. 前記関節置換術用ナビゲーション装置をコンピュータで構成するとともに、
    前記設置誤差検出手段及び前記手術器具誘導手段として機能することを特徴とする関節置換術用ナビゲーション装置のプログラム。
  3. 請求項１記載の関節置換術用ナビゲーション装置を使用する手術支援装置であって、
    前記形状測定器具による測定結果と、前記ガイド器具及び前記手術器具に設けた姿勢検知手段からの検知結果を、それぞれ受信する受信手段，
    前記手術器具誘導手段の誘導に対応して誘導音を出力する発音手段，
    を含むことを特徴とする手術支援装置。
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