JP5305474B2 - セメントレス型人工股関節用ステムの形状決定法 - Google Patents
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Description
補綴すべき大腿骨から取得したCT画像データやMRIデータに基づいて作られた三次元画像に、窄孔壁を形成するにおいて必要とされる骨影濃度の閾値を適用して大腿骨各部における骨質組織部の限界厚みを見い出し、その限界厚みを確保した骨質組織部の内面で形成され骨髄腔に至る三次元仮想窄孔の形状を、その左右方向断面の輪郭を形成する内側縁線および外側縁線の座標、ならびに前後方向断面の輪郭を形成する前側縁線および後側縁線の座標を含めて演算しておき、
大腿骨の長手方向に準ずる方向に沿うよう予め与えておいた参考線を基準にして定める骨端領域側開口の位置と角度とから、上記三次元仮想窄孔における骨端領域側開口の形状とその図心の位置を演算するとともに、当該大腿骨に適用すべきステム長と骨幹領域側開口の角度とから、三次元仮想窄孔における骨幹領域側開口の形状とその図心の位置を演算し、
上記骨端領域側開口の図心と、骨幹領域側開口の図心と、該両図心の中間位置にあって前記内側縁線までの距離と外側縁線までの距離が略等しくなる内外方向基準点とを通過する内外側縁線包含面内基準円弧を演算し、
該内外側縁線包含面内基準円弧と同心をなし、該基準円弧の半径より短く、前記内側縁線の骨端領域側端点までの距離より長い半径を持つ内外側縁線包含面内小円弧と、前記基準円弧と同心をなし、該基準円弧の半径より長く、前記外側縁線の骨端領域側端点までの距離より短い半径を持つ内外側縁線包含面内大円弧と、前記小円弧が内側縁線と交差する小円弧終了点から内側縁線上にある骨幹領域側端点に至るまでの内側縁線と、前記大円弧が外側縁線と交差する大円弧終了点から外側縁線上にある骨幹領域側端点に至るまでの外側縁線とで囲まれる前記三次元仮想窄孔内に形成される内外側縁線包含面内暫定窄孔を規定し、
上記骨端領域側開口の図心と、骨幹領域側開口の図心と、該両図心の中間位置にあって前記前側縁線までの距離と後側縁線までの距離が略等しくなる前後方向基準点と、を通過する前後側縁線包含面内基準円弧を演算し、
該前後側縁線包含面内基準円弧と同心をなし、該基準円弧の半径より短く、前記前側縁線の骨端領域側端点までの距離より長い半径を持つ前後側縁線包含面内小円弧と、前記基準円弧と同心をなし、該基準円弧の半径より長く、前記後側縁線の骨端領域側端点までの距離より短い半径を持つ前後側縁線包含面内大円弧と、前記小円弧が前側縁線と交差する小円弧終了点から前側縁線上にある骨幹領域側端点に至るまでの前側縁線と、前記大円弧が後側縁線と交差する大円弧終了点から後側縁線上にある骨幹領域側端点に至るまでの後側縁線と、で囲まれる前記三次元仮想窄孔内に形成される前後側縁線包含面内暫定窄孔を規定し、
前記内外側縁線包含面内暫定窄孔を前側縁線と後側縁線となるべき位置に相互が対面するように配置し、前記前後側縁線包含面内暫定窄孔を内側縁線と外側縁線となるべき位置に相互が対面するように配置して四面体を形成するとともに、その四面体の各小円弧終了点および各大円弧終了点から骨幹領域側開口までは、前記三次元仮想窄孔の対応部位と同一形状をなす略円柱形をあてがうことにより、内外側縁線包含面内基準円弧および前後側縁線包含面内基準円弧を内在させた三次元基準暫定ステムを作成し、
前記三次元基準暫定ステムと同じ外形を持つ三次元基準暫定窄孔を作り、この基準暫定窄孔から三次元基準暫定ステムを繰り返し抜き出させるステップごとに三次元基準暫定ステムの位置と姿勢を演算するため、ステップごとに三次元基準暫定窄孔と三次元基準暫定ステムとの重なりのない三次元基準暫定窄孔の骨幹領域側部位を除去した三次元基準暫定窄孔残留部を作るとともにその重心と慣性主軸を演算し、かつ同じく重なりのない三次元基準暫定ステムの骨端領域側部位を除去した三次元基準暫定ステム残留部を作るとともにその重心と慣性主軸を演算し、三次元基準暫定ステム残留部の重心をそのステップにおける姿勢を維持した状態で三次元基準暫定窄孔残留部の抜き出し方向の慣性主軸線上に移し、次いで移された重心を中心にして三次元基準暫定ステム残留部の抜き出し方向の慣性主軸が三次元基準暫定窄孔残留部の抜き出し方向の慣性主軸と一致するように三次元基準暫定ステム残留部を回転させ、ステップごとの三次元基準暫定ステム残留部の内側縁線および前側縁線における骨幹領域側端点と外側縁線および後側縁線における骨幹領域側端点の占拠位置を演算し、
前記三次元仮想窄孔と同じ外形を持つ三次元仮想ステムを作り、この仮想ステムに前記占拠位置の変遷値を適用して三次元仮想窄孔内を移動させ、三次元仮想ステムが三次元仮想窄孔から抜け出るまでに三次元仮想ステムにおける三次元仮想窄孔壁との干渉部位を演算して記憶させておき、
その記憶値に基づいて干渉部位の全てを除去した三次元仮想ステムの干渉なし外形面を演算し、これを滑らかにすべく外形面に内接する面を最終外形とする基準ステムを求め、 次に、前記骨端領域側開口の図心と骨幹領域側開口の図心とを結ぶ直結線分と前記内外方向基準点との間に内外方向代替基準点を定めるとともに、前記直結線分と前記前後方向基準点との間に前後方向代替基準点34を定め、上記内外方向代替基準点を前記内外方向基準点とみなすとともに前記前後方向代替基準点34を前記前後方向基準点とみなして、前記内外側縁線包含面内基準円弧の曲率や前後側縁線包含面内基準円弧の曲率とは異なる曲率を持った内外側縁線包含面内代替基準円弧35および前後側縁線包含面内代替基準円弧36を内在させた三次元代替基準暫定ステムの作成、ステップごとの前記占拠位置の演算、この占拠位置を用いての三次元仮想ステムにおける三次元仮想窄孔壁との干渉部位の演算と記憶の過程を経ることにより、前記基準ステムに代わる代替ステムの最終外形を求め、
前記最終外形を有した基準ステムおよび代替ステムを前記三次元仮想窄孔へ前記ステップの逆をたどっての各ステムの位置と姿勢の情報を演算するようにしたことである。
前記前後側縁線包含面内小円弧の半径は、前記三次元仮想窄孔の前側縁線上にある骨端領域側端点および骨幹領域側端点と、この両点を結ぶ直線に平行する線が前側縁線と接する前側縁線最内方突出点との三点を通る前側縁線擬似円弧の半径に等しくされる。
前記前後方向基準点は、前記前側縁線擬似円弧の中心点と前側縁線最内方突出点とを結んだ線が後側縁線と交差する点と前側縁線最内方突出点を結ぶ線の中点で与えられる。
α=0 であり、β=0 であるケース
α=0.5であり、β=0 であるケース
α=1 であり、β=0 であるケース
α=0 であり、β=0.5であるケース
α=0.5であり、β=0.5であるケース
α=1 であり、β=0.5であるケース
α=0 であり、β=1 であるケース
α=0.5であり、β=1 であるケース
α=1 であり、β=1 であるケース
の9ケースの全部もしくは一部につき、前記最終外形を有した基準ステムおよび代替ステムと同じ形状同じ寸法とした仮想ラスプを三次元仮想窄孔へ順次押し込んだときの位置と姿勢の変遷を演算するようにする。
当該αにより得られる内外方向再代替基準点を前記内外方向基準点とみなすとともに当該βにより得られる前後方向再代替基準点を前記前後方向基準点とみなして、前記基準ステムに相当する再代替ステムの最終外形を求め、
その最終外形を有した再代替ステムを前記三次元仮想窄孔へ前記ステップの逆をたどって順次押し込むたびの各ステムの位置と姿勢の情報を演算し、その最終外形を有した再代替ステムと同じ形状同じ寸法とした再仮想ラスプを三次元仮想窄孔へ順次押し込んだときの位置と姿勢の変遷を演算する。
ステムの典型的な幾つかの曲率の各ケースにつき、それぞれのステムと窄孔の形状と寸法ならびにステムのステップごとの挿入位置と姿勢を例示して執刀医に提供することになるから、押し込み時の挙動の傾向を把握したうえで執刀医は自己の要望の方向性を定めやすくなり、それを踏まえた要望を反映させた変形例を得やすくする。
D…中心点、C…内側縁線最内方突出点、E…交差する点、Dr…中心点、Cr…前側縁線最内方突出点、Er…交差する点、A…骨端領域側端点、B…骨幹領域側端点、Gr…骨端領域側端点、Err…交差する点、L…小円弧終了点、M…大円弧終了点、B,Br,I,Ir…骨幹領域側端点(占拠位置)、Fa,Fb…内外方向代替基準点、
図16の(d)には、完成ステム45を模写したラスプ46が表されている。ボディ部は少し小さく、ノーズ部46aは細くされている。ラスプを海綿質骨に進入させやすくしていることもあるが、ラスプを取り去った窄孔に若干の海綿質骨を残し、最後の一押しによりステムの密着性を高め、座りの向上が図られる。
α=0 であり、β=0 であるケース
α=0.5であり、β=0 であるケース
α=1 であり、β=0 であるケース
α=0 であり、β=0.5であるケース
α=0.5であり、β=0.5であるケース
α=1 であり、β=0.5であるケース
α=0 であり、β=1 であるケース
α=0.5であり、β=1 であるケース
α=1 であり、β=1 であるケース
の9ケースにつき、基準ステム44および代替ステムと同じ形状同じ寸法とした仮想ラスプを三次元仮想窄孔へ順次押し込んだときの位置と姿勢の違いを図22によって見ることができる。左下の(f)ではα=0、β=0であり、直線的なステムである。右上の(g)はα=1、β=1.0であり、最も曲がったステムとなる。それ以外は曲率が中間となる。執刀医はこの9ケースのステムの抜き出し時の位置と姿勢の連続図(例えば図1の(a)を参照)を見るなどすれば、自己の方針や流儀に近いものを見いだすことができる。気に入りのものがあればそれを選択すればよい。希望に近い例はあるが、黒い丸点を施したα=0.75,β=0.75といったケースも見たいということであれば、再計算させることができる。執刀医は操作方針に近いステムを選択するか、異なる曲率を提案して操作方針に合致する再代替ステムを得ることもできるようになる。これによってバラエティの豊富な中から採用したいステムの絞り込みが迅速かつ容易になされるようになる。なお、執刀医の特別希望のステムであっても上記したαやβで指定することができま限りは上記の説明に準じてステムを演算することができる。その場合は、途中からの演算のし直しということもあり、また再代替品が一つということでもあると、20分ないし30分もあれば提示することができるほどのものである。
Claims (8)
- 大腿骨の骨端領域から骨幹領域に向けて形成した窄孔に挿入され、ボーングロースによって大腿骨との結合力を発生させるようにしたセメントレス型人工股関節用ステムの外形形状を決定する方法において、
補綴すべき大腿骨から取得したCT画像データやMRIデータに基づいて作られた三次元画像に、窄孔壁を形成するにおいて必要とされる骨影濃度の閾値を適用して大腿骨各部における骨質組織部の限界厚みを見い出し、その限界厚みを確保した骨質組織部の内面で形成され骨髄腔に至る三次元仮想窄孔の形状を、その左右方向断面の輪郭を形成する内側縁線および外側縁線の座標、ならびに前後方向断面の輪郭を形成する前側縁線および後側縁線の座標を含めて演算しておき、
大腿骨の長手方向に準ずる方向に沿うよう予め与えておいた参考線を基準にして定める骨端領域側開口の位置と角度とから、上記三次元仮想窄孔における骨端領域側開口の形状とその図心の位置を演算するとともに、当該大腿骨に適用すべきステム長と骨幹領域側開口の角度とから、三次元仮想窄孔における骨幹領域側開口の形状とその図心の位置を演算し、
上記骨端領域側開口の図心と、骨幹領域側開口の図心と、該両図心の中間位置にあって前記内側縁線までの距離と外側縁線までの距離が略等しくなる内外方向基準点とを通過する内外側縁線包含面内基準円弧を演算し、
該内外側縁線包含面内基準円弧と同心をなし、該基準円弧の半径より短く、前記内側縁線の骨端領域側端点までの距離より長い半径を持つ内外側縁線包含面内小円弧と、前記基準円弧と同心をなし、該基準円弧の半径より長く、前記外側縁線の骨端領域側端点までの距離より短い半径を持つ内外側縁線包含面内大円弧と、前記小円弧が内側縁線と交差する小円弧終了点から内側縁線上にある骨幹領域側端点に至るまでの内側縁線と、前記大円弧が外側縁線と交差する大円弧終了点から外側縁線上にある骨幹領域側端点に至るまでの外側縁線とで囲まれる前記三次元仮想窄孔内に形成される内外側縁線包含面内暫定窄孔を規定し、
上記骨端領域側開口の図心と、骨幹領域側開口の図心と、該両図心の中間位置にあって前記前側縁線までの距離と後側縁線までの距離が略等しくなる前後方向基準点と、を通過する前後側縁線包含面内基準円弧を演算し、
該前後側縁線包含面内基準円弧と同心をなし、該基準円弧の半径より短く、前記前側縁線の骨端領域側端点までの距離より長い半径を持つ前後側縁線包含面内小円弧と、前記基準円弧と同心をなし、該基準円弧の半径より長く、前記後側縁線の骨端領域側端点までの距離より短い半径を持つ前後側縁線包含面内大円弧と、前記小円弧が前側縁線と交差する小円弧終了点から前側縁線上にある骨幹領域側端点に至るまでの前側縁線と、前記大円弧が後側縁線と交差する大円弧終了点から後側縁線上にある骨幹領域側端点に至るまでの後側縁線と、で囲まれる前記三次元仮想窄孔内に形成される前後側縁線包含面内暫定窄孔を規定し、
前記内外側縁線包含面内暫定窄孔を前側縁線と後側縁線となるべき位置に相互が対面するように配置し、前記前後側縁線包含面内暫定窄孔を内側縁線と外側縁線となるべき位置に相互が対面するように配置して四面体を形成するとともに、該四面体の各小円弧終了点および各大円弧終了点から骨幹領域側開口までは、前記三次元仮想窄孔の対応部位と同一形状をなす略円柱形をあてがうことにより、内外側縁線包含面内基準円弧および前後側縁線包含面内基準円弧を内在させた三次元基準暫定ステムを作成し、
前記三次元基準暫定ステムと同じ外形を持つ三次元基準暫定窄孔を作り、この基準暫定窄孔から三次元基準暫定ステムを繰り返し抜き出させるステップごとに三次元基準暫定ステムの位置と姿勢を演算するため、ステップごとに三次元基準暫定窄孔と三次元基準暫定ステムとの重なりのない三次元基準暫定窄孔の骨幹領域側部位を除去した三次元基準暫定窄孔残留部を作るとともにその重心と慣性主軸を演算し、かつ同じく重なりのない三次元基準暫定ステムの骨端領域側部位を除去した三次元基準暫定ステム残留部を作るとともにその重心と慣性主軸を演算し、三次元基準暫定ステム残留部の重心をそのステップにおける姿勢を維持した状態で三次元基準暫定窄孔残留部の抜き出し方向の慣性主軸線上に移し、次いで移された重心を中心にして三次元基準暫定ステム残留部の抜き出し方向の慣性主軸が三次元基準暫定窄孔残留部の抜き出し方向の慣性主軸と一致するように三次元基準暫定ステム残留部を回転させ、ステップごとの三次元基準暫定ステム残留部の内側縁線および前側縁線における骨幹領域側端点と外側縁線および後側縁線における骨幹領域側端点の占拠位置を演算し、
前記三次元仮想窄孔と同じ外形を持つ三次元仮想ステムを作り、この仮想ステムに前記占拠位置の変遷値を適用して三次元仮想窄孔内を移動させ、三次元仮想ステムが三次元仮想窄孔から抜け出るまでに三次元仮想ステムにおける三次元仮想窄孔壁との干渉部位を演算して記憶させておき、
その記憶値に基づいて干渉部位の全てを除去した三次元仮想ステムの干渉なし外形面を演算し、これを滑らかにすべく外形面に内接する面を最終外形とする基準ステムを求め、 次に、前記骨端領域側開口の図心と骨幹領域側開口の図心とを結ぶ直結線分と前記内外方向基準点との間に内外方向代替基準点を定めるとともに、前記直結線分と前記前後方向基準点との間に前後方向代替基準点34を定め、上記内外方向代替基準点を前記内外方向基準点とみなすとともに前記前後方向代替基準点34を前記前後方向基準点とみなして、前記内外側縁線包含面内基準円弧の曲率や前後側縁線包含面内基準円弧の曲率とは異なる曲率を持った内外側縁線包含面内代替基準円弧35および前後側縁線包含面内代替基準円弧36を内在させた三次元代替基準暫定ステムの作成、ステップごとの前記占拠位置の演算、この占拠位置を用いての三次元仮想ステムにおける三次元仮想窄孔壁との干渉部位の演算と記憶の過程を経ることにより、前記基準ステムに代わる代替ステムの最終外形を求め、
前記最終外形を有した基準ステムおよび代替ステムを前記三次元仮想窄孔へ前記ステップの逆をたどっての各ステムの位置と姿勢の情報を演算することを特徴とするセメントレス型人工股関節用ステムの形状決定法。 - 三次元基準暫定窄孔から三次元基準暫定ステムを抜き出すステップ繰り返しの後半では、前記三次元基準暫定ステム残留部の重心と前記三次元仮想窄孔の骨端領域側開口の図心とを結ぶ線に沿って三次元基準暫定ステム残留部の重心をステップごとに姿勢は維持したままで移動させ、その時点の三次元基準暫定ステム残留部の内側縁線および前側縁線における骨幹領域側端点と外側縁線および後側縁線における骨幹領域側端点の占拠位置を演算するようにしたことを特徴とする請求項1に記載されたセメントレス型人工股関節用ステムの形状決定法。
- 前記内外側縁線包含面内小円弧の半径は、前記三次元仮想窄孔の内側縁線上にある骨端領域側端点および骨幹領域側端点と、この両点を結ぶ直線に平行する線が内側縁線と接する内側縁線最内方突出点42との三点を通る内側縁線擬似円弧の半径に等しく、
前記前後側縁線包含面内小円弧の半径は、前記三次元仮想窄孔の前側縁線上にある骨端領域側端点および骨幹領域側端点と、この両点を結ぶ直線に平行する線が前側縁線と接する前側縁線最内方突出点との三点を通る前側縁線擬似円弧45の半径に等しくされていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載されたセメントレス型人工股関節用ステムの形状決定法。 - 前記内外側縁線包含面内大円弧の半径は、内外方向基準点を通過する内外側縁線包含面内基準円弧の半径と前記内外側縁線包含面内小円弧の半径との差を、内外側縁線包含面内基準円弧の半径に加えた長さとされ、前記前後側縁線包含面内大円弧の半径は、前後方向基準点を通過する前後側縁線包含面内基準円弧の半径と前記前後側縁線包含面内小円弧の半径との差を、前後側縁線包含面内基準円弧の半径に加えた長さとされていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載されたセメントレス型人工股関節用ステムの形状決定法。
- 前記内外方向基準点は、前記内側縁線擬似円弧の中心点と内側縁線最内方突出点とを結んだ線が外側縁線と交差する点と内側縁線最内方突出点を結ぶ線の中点で与えられ、
前記前後方向基準点は、前記前側縁線擬似円弧の中心点と前側縁線最内方突出点とを結んだ線が後側縁線と交差する点と前側縁線最内方突出点を結ぶ線の中点で与えられていることを特徴とする請求項4に記載されたセメントレス型人工股関節用ステムの形状決定法。 - 前記直結線分と前記内外方向基準点との間に定められた内外方向代替基準点の直結線分からの距離に対する直結線分から前記内外方向基準点までの距離の比を内外方向面内曲げ比αとし、前記直結線分と前記前後方向基準点との間に定められた前後方向代替基準点の直結線分からの距離に対する直結線分から前記前後方向基準点までの距離の比を前後方向面内曲げ比βとしておき、
α=0 であり、β=0 であるケース
α=0.5であり、β=0 であるケース
α=1 であり、β=0 であるケース
α=0 であり、β=0.5であるケース
α=0.5であり、β=0.5であるケース
α=1 であり、β=0.5であるケース
α=0 であり、β=1 であるケース
α=0.5であり、β=1 であるケース
α=1 であり、β=1 であるケース
の9ケースの全部もしくは一部につき、前記最終外形を有した基準ステムおよび代替ステムと同じ形状同じ寸法とした仮想ラスプを三次元仮想窄孔へ順次押し込んだときの位置と姿勢の変遷を演算することを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載されたセメントレス型人工股関節用ステムの形状決定法。 - 仮想ラスプを三次元仮想窄孔に押し込む前記ケースを確認したあと、前記内外方向面内曲げ比αと前後方向面内曲げ比βとを執刀医の所望する値に変更し、
当該αにより得られる内外方向再代替基準点を前記内外方向基準点とみなすとともに当該βにより得られる前後方向再代替基準点を前記前後方向基準点とみなして、前記基準ステムに相当する再代替ステムの最終外形を求め、
該最終外形を有した再代替ステムを前記三次元仮想窄孔へ前記ステップの逆をたどって順次押し込むたびの各ステムの位置と姿勢の情報を演算し、該最終外形を有した再代替ステムと同じ形状同じ寸法とした再仮想ラスプを三次元仮想窄孔へ順次押し込んだときの位置と姿勢の変遷を演算することを特徴とする請求項6に記載されたセメントレス型人工股関節用ステムの形状決定法。 - 前記三次元仮想窄孔に前記基準ステム、代替ステムもしくは再代替ステムを押し込んだ後に、前記参考線に沿って並ぶステムの各断面におけるフィットアンドフィルを演算しておくことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載されたセメントレス型人工股関節用ステムの形状決定法。
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