JP4319043B2 - 外科手術の時に骨表面を再構成する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明はコンピュータ支援手術または画像誘導手術の分野に関する。より具体的には、外科手術の時に骨表面を再構成することに関する。

技術によりコンピュータ支援手術の分野が進歩し、このためのシステムはより専門的になり洗練されてきている。整形外科手術における進歩は特に目ざましい。これらのシステムにより、外科医は、スキャンやｘ線などの術前の画像を使用して再構成された患者の解剖学的構造の３Ｄモデルを見ることによって、手術の準備ができるようになった。バーチャルなインプラント（ｉｍｐｌａｎｔ）モデルを構成し、再構成されたモデルで結果をシミュレートすることにより、バーチャルなプランニングマーカー（ｐｌａｎｎｉｎｇ ｍａｒｋｅｒ）を３次元画像の任意の目的部位に挿入し、特定の患者について理想的なインプラントや補綴物を設計できる。

さらに、手術の間、多くの外科器具をトラッキングし再構成された３Ｄモデル上で表示することによって、外科医が現在患者の身体のどの部位を処置しているのかに関する基準を提供することができる。これは外科医が操作する余地が殆どない微妙な手順を含む手術には貴重な資産である。残念なことに、この機構は、患者の構造の３Ｄ再構成が作成されているときしか利用できない。３Ｄ再構成は種々の画像技術を使用して術前に行われるが、外科医にとっては非常に時間のかかる場合がある。

しかし、手術の準備のために外科医が費やさなければならない術前の時間は低減することが望ましい。また、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャンが使用できない場合、他の手段を使用できる応用を開発することが望ましい。

さらに、外科医が術中に行う仕事を視覚的に確認できると有利であるため、ＣＴを使わない術中骨再構成システムを開発する必要性がある。

したがって、本発明の目的は、外科手術における術前時間を低減することである。

本発明の別の目的は、外科手術における器具のカリブレーション（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）時間を低減することである。

本発明の別の目的は、簡単な外科手術の症例で使用するための簡単なＣＴを伴わないシステムであって、難しい外科手術の症例ではＣＴを使用したシステムと組み合わせて使用することのできるシステムを提供することである。

本発明の第１の広い態様は、解剖学的構造の概略モデルを術中に提示する方法を提供する。この方法は、位置感知システムが関連づけられた登録ツールを、解剖学的構造の複数の部位に適用することと、部位ごとにポイントを登録するように登録ツールを使用して入力データを取得することと、入力データを解剖学的な構造の概略モデルに処理することと、概略モデルを出力装置で表示することとを含む。

好ましくは、登録ツールは解剖学的な構造の表面と接触し、接触点で垂線（ｎｏｒｍａｌ）を登録するように構成された先端を備える。また好ましくは、ポイントの集合をモザイクとして出力装置で表示する。別法としてはポイントの集合をスムーズにして、スムーズにした面を出力装置で表示する。データを取得したポイントをスムーズな面上に表示することもできる。また代替としては、取得した入力データに基づいて３次元の再構成を行う。

さらに、解剖学的な面の知られたモデルのデータベースを使用して、ポイントの集合、または、スムーズな面、３次元再構成が表す解剖学的な面の一部にこれを接着することもできる。

本発明の第２の広い態様は、解剖学的な構造の面の概略モデルを表示するシステムを提供する。このシステムは、解剖学的な構造の面に適用するように構成された第１の端を有する登録ツールと、登録ツールに関連づけられ登録ツールの位置と向きを複数の各部位ごとに決定するように、解剖学的な構造の面上の複数の部位を表す入力データを取得する位置感知システムと、位置感知システムからの入力データを受信し記憶する記憶モジュールと、入力データを解剖学的構造の概略モデルに処理する処理モジュールと、解剖学的構造の概略モデルを表示する出力装置とを備える。

好ましくは、処理モジュールは、面のスムーズ化または３次元モデルの再構成のいずれかを行うことができる。また、解剖学的な面のモデル全体を表示するために、既存の知られたモデルのデータベースを、取得した入力データが表す解剖学的な面の任意の部分に接着させることもできる。

また好ましくは、登録ツールは、解剖学的構造の表面と接触し、接触点で垂線を登録するように構成された先端を有する。各接触点に対する垂線は入力データに含まれ、解剖学的表面を表すために使用する。

本発明の第３の広い態様は、解剖学的構造の概略モデルを表すデータを術中に取得するための登録ツールを提供する。このツールは、第１の端に適応先端を有してなり、当該先端が解剖学的な構造に適用されると、解剖学的な面とこの解剖学的な面に対する垂線が登録される。

好ましくは、このツールは第１の端には第１の平らな面を伴い、第２の端にも接触点において垂線を決定するように構成された第２の平らな面を伴う二重端ツールである。第１の平らな面と第２の平らな面は異なる大きさを有する。別法としては、第２の端は別の術中ツールを備えていてもよい。

本発明のこれらの特徴および他の特徴、態様、利点は、次の説明および付随する図面を参照するとよりよく理解されよう。

説明のために、全膝関節置換手術を使用して本発明を示す。しかし、本発明は体内の任意の解剖学的構造面を再構成するために使用できることを理解されたい。

図１は、術中に出力装置上に解剖学的な構造の概略モデルを提示するために使用されるステップを示すフローチャートである。第１のステップでは、登録ツールを解剖学的面に適用する（２０）。このツールは当業界で知られた標準のデジタル化ポインタ、または、レーザポインタ、任意の他の登録ツールであってよい。位置感知システムは、ツールに関連づけられ、登録ツールが解剖学的構造の面上を移動するときに登録ツールの位置と向きをトラッキングしなければならない。好ましい実施形態では、少なくとも３つのリフレクタを有する赤外線光反射トラッキングシステムを使用する。別法としては、任意の機械的な位置感知システム、または、電磁気的な位置感知システム、光位置感知システムを使用することができる。次のステップでは、各接触点において入力データを取得する（２２）。

好ましい実施形態では、各接触点における垂線を決定し入力データに含める。小さなディスクなど小さな平らな面を有するツールを使用して、各接触点においてポイントだけを登録するのではなく小さな面を登録するようにデータを取得する。ついで入力データを解剖学的な面の概略モデルに処理し（２３）、出力装置上に表示する（２４）。

処理は、入力データを、デジタル化された解剖学的な構造の一部を表すモザイクを形成するポイントの集合に変換することだけを含んでいてもよい。図２に、大腿骨の一部の例を、ポイントの集合によって示す。別法としては、入力データをスムーズ化し、デジタル化された解剖学的構造の一部のより正確な表面トポロジを表すスムーズな面として表示することもできる。同じ大腿骨の一部のスムーズ化した例を図３に示す。この図から、ポイントを登録するときに各接触点における垂線を考慮したことが分かる。面トポロジは表示された面から明らかである。

また入力データを使用して、デジタル化された解剖学的構造の一部の３次元モデルを再構成することもできる。このためには、入力データについて簡単なスムーズ化よりも複雑な処理が必要となる。別法としては、登録したポイントを同じ解剖学的な構造の知られたモデルとあわせ、モデル上にデジタル化したポイントを示して出力装置上に表示してもよい。このようにして、手術の間骨全体を視覚化することができる。別法としては、入力データを使用して入力データを外挿し解剖学的な面のモデル全体を再構成してもよい。

解剖学的な構造全体を表示する別の方法は、知られたモデルの一部を、登録ツールを使用してデジタル化した部分に接着することである。たとえば、デジタル化された大腿骨の一部が前部皮質を含む場合、同様な大きさを有する知られたモデルの顆表面、顆間切痕、骨幹部分、大腿骨頭をデジタル化された部分に接着させ、大腿骨全体として表示させることができる。知られたモデルは、モザイクを形成するポイントの集合、または、スムーズな面、３次元再構成に接着することができる。

オプションとしては、より多くのポイントを取得して出力装置上に表示される解剖学的構造のモデルを調節し、解剖学的な構造の実際のトポロジをよりよく表わすことができる。取得するデータが増えるごとに、表示されるモデルを更新して新しい情報を反映させる。

解剖学的構造を表すモデルを出力装置に表示したら、外科手術に使用する器具をこのモデルに対してトラッキングすることができるので、外科医が器具をナビゲートさせ体内における基準を有することが可能になる。

表面モデルの再構成は、ユーザがポイントだけではなく小さな面をデジタル化できるようにするプロセスである。これらの面は図２に示すように小さな円であってよい。小さな円は登録ツールの先端で、小さな平らなディスクとして物理的に存在する。ディスクの大きさ（半径）は、精度と時間の間の妥協として選択する。骨の面をデジタル化する時に数百のポイントを得るように外科医に求めるのは非生産的である。しかし得るポイントが多ければ、骨をよりよく表示することができ、モデルはより正確になる。また、大きさは骨面の形態に応じて変わり、ツールの精度に影響を与える。たとえば、ディスクは１ｃｍ²の面積をカバーしてもよい。ディスクは面の上が平らであり、できるかぎり多くの面を登録しなければならない。またツールは平らなディスク面と骨の間の接触点において垂線も登録する。再構成はリアルタイムで行う。

図４は、デジタル化プロセスで使用する登録ツールの好ましい実施形態である。このツールは、トラッキング分野で知られた装置などの位置感知装置３０を備え、３つの位置識別装置を有する。この実施形態では、ツールの両端はデジタル化先端としての機能を持ち、各端は異なる半径を有する。小さい端３２はツールの平らな面にうまく対応できない解剖学的な面上で使用することができる。より大きな端３４はより平らな解剖学的な面に使用できる。ユーザはコンピュータ上でどちらの端を使用するかを選択する。別法としては、ディスク面を骨表面上に置いたときに、ディスク面の半径をコンピュータで認識するなど、使用する端を自動検出してもよい。実際の小さな面の登録については、いくつかの方法で行うことができる。たとえば、デジタル化を制御するボタンをツール上に備えてもよい。別法としては、キーボード上のキーを押して、デジタル化するポイントを選択して登録してもよい。また別法としては、直角ターンだけツールを回転させることによってデジタル化を始めてもよい。登録ツールの代替の実施形態が可能であることを理解されたい。たとえば、他にも多目的の組み合わせが可能である。１端は、千枚通し、または、ねじ回し、プローブであってもよく、他の端はデジタイザであってもよい。同様に、ツールは単一の端のデジタイザであってもよい。

図５は、本発明による解剖学的構造の面の概略モデルを表示するシステムを示す。登録ツール４０は、解剖学的構造に対する登録ツール４０の位置と向きに対応するデータを、位置感知システム４２に送信する。ツール４０は３次元環境で位置感知システム４２がトラッキングする。ツール４０の向きと位置は位置感知システムがとらえ、記憶モジュール４４に転送する。ついでデータを、モニタなどの出力装置４６に送信し、ユーザに表示する。

図６は好ましい実施形態の記憶モジュール４４の構成図である。記憶モジュール４４がツール４０の位置と向きを示すデータを受信すると、種々の方法で処理することができる。処理モジュール４８を使用して、ツール４０が記録したデータが形成するモザイク面をスムーズ化する。骨の最初の登録手順は、骨の表面に関する情報を収集することで行う。収集される情報は各接触点における骨表面の位置と向きである。デジタル化した面の垂線は、登録ツール４０の向きの平均値を使用して計算する。向きは感知システム４２が収集する。処理モジュール４８は向きと位置の情報を受信し、マーチングキューブアルゴリズム（ｍａｒｃｈｉｎｇ ｃｕｂｅｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）などの表面モデリングアルゴリズムを使用して、スムーズ化された骨表面のトポロジを提供する。当業界で知られた任意の表面モデリングアルゴリズムを使用してスムーズ化手順ができることを理解されたい。オプションとしては、最初のデータを集めたポイントをスムーズ化した表面の上に表示することができる。

別法としては、処理モジュール４８は登録ツール４０が集めた位置と向きのデータを使用して、骨の３次元の再構成を行ってもよい。この再構成は、ＣＴスキャンや他のスキャン装置など、他のタイプのデータ収集装置を使用して術前に行う骨の３次元再構成と同様である。１実施形態では、３次元再構成は、骨に関する任意の標準または知られた形状と大きさとは独立して行う。別の実施形態では、処理モジュール４８は知られたモデルのデータベース５０を使用できる。この場合、再構成は知られたモデルに基づく。登録したポイントは、最良適合アルゴリズムを使用して、検査中の解剖学的な構造を同様な大きさと形状の知られたモデルに一致させる。その後、再構成された形状は出力装置４６に表示する。一致したポイントを３次元形状の上に表示することができる。別の実施形態では、知られたモデルを３次元再構成の基準として使用するだけでもよい。再構成アルゴリズムは知られたモデルを、完全な３次元モデルの再構成におけるガイドとして使用するだけである。

知られたモデルのデータベース５０は、異なる大きさと形状の複数の解剖学的構造を含む。処理モジュール４８はデータベース５０にアクセスし、手術を受ける解剖学的構造と同様な大きさと形状のモデルを選択する。またデータベース５０は、完全な解剖学的構造の一部または部分を含んでいてもよい。たとえば大腿骨の場合、データベースは異なる大きさと形状の大腿骨頭、または、異なる大きさと形状の大腿骨骨幹軸を含んでいてもよい。これらの解剖学的構造の部分を使用して、３次元再構成、または、スムーズ化された面、解剖学的な構造の一部を形成するポイントの集合のうち任意の１つに接着する。接着された部分は、外科手術の間、外科医に、より完全な視覚的なツールを提供する。解剖学的構造上の目的の領域を忠実に表示するために必要なデジタル化の量を限定するため、手術時間が節約できる。よりよい視覚的ツールは、コンピュータ支援外科手術ナビゲーションシステムによる外科手術ナビゲーションの間のガイダンスとして提供される。

上記のシステムは独立して使用することもできるし、また、完全なコンピュータ支援外科手術ナビゲーションシステムと共に使用することもできる。術中登録が完了し、解剖学的構造の表示を出力装置上に行うと、術中表示に対して複数の外科器具をトラッキングし表示することができる。切断ガイドとポジショニングブロック（ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｂｌｏｃｋ）をトラッキングし、表示された画像と共に使用することができる。

上記の方法およびシステムを死体やマネキンで使用して、コンピュータ支援外科手術システムを試験することができる。新しいトラッキングシステム、ポジショニングブロック、切断ガイドなどの新しい装置の試験も、本発明の方法とシステムで行うことができる。また、上記の方法およびシステムを死体またはマネキンで使用して、医学生のための教材ツールとすることもできる。患者にリスクを与えずに種々の外科手術を練習するために、本発明のシステムを使用して実際の状況をシミュレートすることもできる。

当業者であれば本発明に対する多くの修正が明らかであろう。したがって、上記の説明と付随する図面は本発明を説明するためのもので、本発明を限定するものではないことを理解されたい。さらに、全般に本発明の原理に従った発明の任意の変形例、使用法、適応をカバーすることが目的であり、本発明の属する分野で慣例的として知られている本開示から離れた例を含めることも、本明細書に説明した本質的な特徴と、付随する請求項の範囲内で適用できることを理解されたい。

本発明による方法のフローチャートである。 骨のモザイク再構成を示す図である。 スムーズ化の後の再構成された骨を示す図である。 適応先端を伴う登録ツールの図である。 本発明によるシステムの構成図である。 図５のシステムの一部の構成図である。

符号の説明

３０ 位置感知装置
３２ 小さい端
３４ 大きい端
４０ 登録ツール
４２ 位置感知システム
４４ 記憶モジュール
４６ 出力装置
４８ 処理モジュール
５０ データベース

Claims (11)

1. 解剖学的構造の面の概略モデルを表示するシステムであって、前記システムは、
   解剖学的構造の面に適用するように、かつ、前記解剖学的構造の面の上の複数の各部位と関連づけられた垂線を決定するように、そうして、ポイントと前記ポイントに対応する垂線とを表す入力データが得られるように構成された第１の端を有する登録ツールと、
   前記登録ツールに関連づけられ、前記登録ツールの位置と向きを、解剖学的構造の面の上の複数の部位ごとに決定するように前記複数の部位を表す前記入力データを取得する位置感知システムと、
   前記入力データを、前記位置感知システムから受信し記憶する記憶モジュールと、
   前記入力データを、前記解剖学的構造の表面トポロジの決定のためとリアルタイムな術中表示での前記解剖学的な面の再構成のために前記対応する垂線を斟酌しながら、前記解剖学的構造の概略モデルに処理する処理モジュールと、
   前記解剖学的構造の概略モデルを表示する出力装置とを備えるシステム。
2. 前記処理モジュールは、前記入力データを、モザイクを形成し前記解剖学的構造の一部を表すポイントの集合に処理する請求項１に記載のシステム。
3. 前記処理モジュールは、前記入力データが表す面を、前記解剖学的構造の一部のスムーズ化した面にスムーズ化する請求項１に記載のシステム。
4. 前記処理モジュールは、前記スムーズ化した面の上に、前記データを取得した前記解剖学的面の部位を表示する請求項３に記載のシステム。
5. 前記処理モジュールは、前記入力データを使用して、３次元モデルを、前記解剖学的構造の一部の３次元モデルに再構成する請求項１に記載のシステム。
6. 異なる大きさの知られたモデルのデータベースを備え、
   前記処理モジュールは、モデル全体を表示するために、前記知られたモデルの一部を前記解剖学的構造の一部に接着する請求項２から５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記登録ツールの先端は、平らなディスクである請求項１に記載のシステム。
8. 前記登録ツールは、前記先端の反対の端に第２の平らなディスクを備え、前記第２の平らなディスクは、前記先端における前記平らなディスクより小さな半径を有する請求項７に記載のシステム。
9. 前記登録ツールは、前記先端の反対の端に術中ツールを備える請求項７に記載のシステム。
10. 前記平らなディスクは、１ｃｍ2の表面積を有する請求項７に記載のシステム。
11. 解剖学的構造の面に概略モデルを表示するためのコンピュータプログラムであって、
    解剖学的構造の面に適用するように、かつ、前記解剖学的構造の面の上の複数の各部位と関連付けられた垂線を決定するように、そうして、ポイントと前記ポイントに対応する垂線とを表す入力データが得られるように構成された第1の端を有する登録ツールの位置と向きを、解剖学的構造の面の上の複数の部位ごとに決定するように前記複数の部位を表す前記入力データを位置感知システムによって取得し、
    前記入力データを前記位置感知システムから受信して記憶し、
    前記入力データを、前記解剖学的構造の表面トポロジの決定のためとリアルタイムな術中表示での前記解剖学的な面の再構成のために前記対応する垂線を斟酌しながら、前記解剖学的構造の概略モデルに処理すること
    をコンピュータに行わせることを特徴とするプログラム。

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