JP6121406B2 - 基準を用いた外科手術アライメント - Google Patents

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Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２０１１年６月１６日に出願した米国仮出願第６１／４９７，６０４号、名称「Surgical Alignment Using References」および２０１１年６月１６日に出願した米国仮特許出願第６１／４９７，６０１号、名称「Surgical Alignment Using References」の優先権および完全な利益を主張するものである。両出願とも内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、整形外科手術に関する。
関節置換術として一般に知られている関節形成術は、損傷した関節の機能を回復することができる。負傷、疾病、または摩耗によって引き起こされる関節損傷は、関節の機能を制限し、激しい痛みを生じうる。損傷した関節は、自然関節と似た機能を備える人工装具で置き換えられるか、または強化されうる。例えば、股関節形成術では、インプラントを寛骨臼、大腿骨頭、または両方に留置することがある。
国際公開第２００８／１０６５９３号パンフレット 国際公開第２００９／１０８２１４号パンフレット 米国特許出願第１２／７５８，７４７号明細書 米国特許出願第１２／７６８，６８９号明細書
概略的な一態様では、関節に対する器具のアライメントを決定する方法は、ガイドを関節に結合するステップであって、ガイドは軸を画成し、関節の一部に実質的に形状適合するように形成された外形を有するステップと、第１の基準を関節に対して定位置に取り付けるステップと、位置決めシステムを使用して、第１の基準に対する軸の位置を決定するステップであって、軸の位置はガイドが関節に結合されている間にガイドの位置に基づき決定されるステップと、ガイドを関節から取り外すステップと、ガイドを関節から取り外した後に、第１の基準に対する第２の基準の位置に基づき軸に対して器具を位置決めするステップと、を含む。
実施は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。例えば、軸は、ガイドが関節に結合された場合の関節に対する既知の傾斜角度および既知の前傾角度（anteversion angle）を有する。位置決めシステムを使用して第１の基準に対する軸の位置を決定するステップは、軸に対して既知のオフセットを有する位置に基準を位置決めするステップを含む。ガイドの外形は、外形が関節の受け側部分に実質的に形状適合し、ガイドが単一の向きで関節の受け側部分と嵌合するようにガイドの使用に先だって形成される。位置決めシステムを使用して第１の基準に対する軸の位置を決定するステップは、軸に対する識別装置のアライメントを調整するステップを含み、識別装置は、電磁場発生装置、磁気センサ、および基準マークのうちの少なくとも１つを備える。位置決めシステムを使用して第１の基準に対する軸の位置を決定するステップは、器具をガイドに、ガイドが関節に結合されている間、また第２の基準が器具に結合されている間に係合させるステップを含む。第２の基準は、赤外線検出器を含み、第１の基準は、基準マークを含み、位置決めシステムを使用して第１の基準に対する軸の位置を決定するステップは、位置決めシステムを、位置決めシステムが赤外線検出器と基準マークとの間の相対的位置を決定するように使用するステップを含む。第２の基準は、電磁場発生装置を含み、第１の基準は、電磁場センサを含み、位置決めシステムを使用して第１の基準に対する軸の位置を決定するステップは、位置決めシステムを、位置決めシステムが電磁場発生装置と電磁場センサとの間の相対的位置を決定するように使用するステップを含む。ガイドの外形の寸法は、単一の所定の向きで特定の患者の寛骨臼と嵌合するように決められる。ガイドを関節に結合するステップは、ガイドを単一の所定の向きで寛骨臼と嵌合させるステップを含む。第１の基準を関節に対して定位置に取り付けるステップは、電磁場センサまたは基準マークを寛骨臼を含む骨盤に貼り付けるステップを含む。位置決めシステムを使用して第１の基準に対する軸の位置を決定するステップは、器具をガイドに、ガイドが単一の所定の向きで寛骨臼と嵌合されている間に係合するステップを含み、器具はガイドと係合した場合に寛骨臼に対して第１の向きに向き付けられる。軸に対して器具を位置決めするステップは、関節からガイドを取り外した後に寛骨臼に対して第１の向きに器具を戻すステップを含む。ガイドによって画定される軸の位置は、関節の画像データを使用して決定される。
別の概略的な態様では、システムは、関節の受け側部分に実質的に形状適合する外形を有するガイドであって、ガイドが関節に嵌合した場合に関節に対して既知の位置を有する軸を画成するガイドと、関節の骨に取り付ける第１の基準デバイスと、ガイドに対して既知のアライメントで結合する第２の基準と、第１の基準デバイスおよび第２の基準デバイスと通信する制御ユニットであって、制御ユニットは第２の基準デバイスがガイドと既知のアライメント調整をなされており、ガイドが関節に嵌合する場合に第１の基準デバイスに対する第２の基準デバイスの位置を示すデータに基づき第１の基準デバイスに対する軸の位置を決定するように構成される制御ユニットと、を含む。
実施は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。例えば、軸は、ガイドが関節に結合された場合の関節に対する既知の傾斜角度および既知の前傾角度を有する。第２の基準は、軸に対して既知のオフセットを有する位置でガイドに取り付けられるように構成される。ガイドの外形は、外形が関節の受け側部分に実質的に形状適合し、ガイドが単一の向きで関節の受け側部分と嵌合するようにガイドの使用に先だって形成される。関節は、特定の患者の股関節であり、軸は、股関節の撮像データに基づき決定された股関節の寛骨臼固着軸であり、ガイドは、特定の患者について画成された外形を有する患者特有のガイドであり、外形は、ガイドが単一の向きで寛骨臼と嵌合するように股関節の寛骨臼の１つまたは複数の部分に実質的に形状適合する。システムは、電磁場発生装置を備え、第１の基準デバイスは、第１の電磁場センサを備え、第２の基準デバイスは、電磁場発生装置または第２の電磁場センサを備える。システムは、赤外線検出器を備え、第１の基準デバイスは、第１の基準マークを備え、第２の基準デバイスは、第２の基準マークを備える。第１の基準デバイスに対する軸の位置を決定するために、制御ユニットは、基準フレーム内の軸の位置を決定するように構成され、第１の基準は基準フレームに対して定位置を有する。制御ユニットは、（ｉ）軸に対する器具の位置を、第２の基準デバイスまたは第３の基準デバイスが器具に結合されている間に決定し、（ｉｉ）ユーザインターフェース上に、軸に対する器具の位置を示すデータを出力するように構成される。制御ユニットは、ガイドが関節から取り外された後に器具の位置を決定するように構成される。軸に対する器具の位置を決定するために、制御ユニットは、軸の周りの器具の回転位置を決定し、軸に対する器具の位置を示すデータを出力するように構成され、制御ユニットは、軸の周りの器具の回転位置を示すデータを出力するように構成される。第１の基準デバイスに対する軸の位置を決定するために、制御ユニットは、（ｉ）ガイドに対する軸の位置を示す第１のデータにアクセスし、（ｉｉ）第２の基準デバイスがガイドと既知のアライメント状態にある場合に第２の基準とガイドとの間のオフセットを示す第２のデータにアクセスするように構成される。制御ユニットは、第１の基準に対する器具の位置を示す情報に基づき関節または関節の表面の回転の中心に対する器具の位置を決定し、器具の位置に対して軸に沿ったリーミング深さを計算し、リーミング深さを示す情報を提供するようにさらに構成される。リーミング深さを計算するために、制御ユニットは、インプラントの１つまたは複数の特性を示す情報にアクセスし、インプラントの１つまたは複数の特性に基づき好ましいリーミング深さを決定し、器具の現在位置と好ましいリーミング深さに対応する器具の好ましい位置との間の差を決定するように構成される。リーミング深さを示す情報を提供するために、制御ユニットは、器具の現在位置と器具の好ましい位置との間の差を示す情報を提供するように構成される。
別の概略的な態様では、関節に対するアライメントを決定する装置は、１つまたは複数の処理デバイスと、１つまたは複数の処理デバイスによって実行された場合に、１つまたは複数の処理デバイスにオペレーションを実行させるように動作可能である命令を格納する１つまたは複数のストレージデバイスとを備える。これらのオペレーションは、第２の基準に対する第１の基準の測定された位置を示す情報を受信するステップを含み、（ｉ）第１の基準が、関節の骨に対して固定ロケーションに取り付けられ、（ｉｉ）関節の一部分に実質的に形状適合する外形を有する患者特有のガイドが、骨に結合され、（ｉｉｉ）第２の基準が、患者特有のガイドに対して既知の位置に結合される場合に、測定された位置が生じる。これらのオペレーションは、測定された位置に基づき第１の基準に対する外科軸の位置を決定するステップと、第１の基準に対して器具の位置を示す情報を受信するステップと、ガイドが関節から取り外された後に、第１の基準に対する器具の位置を使用して外科軸に対する器具の位置を決定するステップと、を含む。
別の概略的な態様では、関節に対する器具のアライメントを決定する方法は、第２の基準に対する第１の基準の位置を示す情報を受信するステップであって、第１の基準は関節に対して固定ロケーションに取り付けられ、第２の基準は関節に結合されかつガイドの外形が関節の一部に実質的に形状適合するように使用前に形成されたガイドによって画成される軸に対して既知の位置でアライメント調整されるステップと、第２基準の既知の位置を使用して第１の基準に対する軸の位置を決定するステップと、第１の基準に対する器具の位置を示す情報を受信するステップと、第１の基準に対する器具の位置を使用して軸に対する器具の位置を決定するステップと、を含む。
実施は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。例えば、第１の基準に対する器具の位置を示す情報は、関節からガイドを取り外した後に生成される。第２の基準は、電磁場発生装置または赤外線検出器を含む。第２の基準は、電磁場センサ、赤外線反射体、または赤外線放射体を含む。第１の基準に対する器具の位置を示す情報を受信するステップは、第１の基準に対する第３の基準の位置を示す情報を受信するステップであって、第３の基準は既知の位置で器具に結合されるステップを含む。この方法は、第２の基準の位置と関節または関節の表面の回転の中心との間のオフセットを示す情報にアクセスするステップと、第１の基準に対する関節または関節の表面の回転中心のロケーションを決定するステップと、を含む。この方法は、第１の基準に対する器具の位置を示す情報に基づき関節または関節の表面の回転中心に対する器具の位置を決定するステップと、器具の位置に対して軸に沿ったリーミング深さを計算するステップと、リーミング深さを示す情報を提供するステップと、を含む。リーミング深さを計算するステップは、インプラントの１つまたは複数の特性を示す情報にアクセスするステップと、インプラントの１つまたは複数の特性を使用して好ましいリーミング深さを計算するステップと、好ましいリーミング深さに対応する位置に対する器具の位置を計算するステップと、を含む。リーミング深さを示す情報を提供するステップは、好ましいリーミング深さに対する器具の位置を示す情報を提供するステップを含む。好ましいリーミング深さに対する器具の位置を示す情報を提供するステップは、好ましいリーミング深さに到達するようにリーミングされる距離を示す情報を提供するステップを含む。第２の基準に対する第１の基準の位置を示す情報を受信するステップは、軸の周りの第２の基準の回転位置を示す情報を受信するステップを含み、第１の基準に対する器具の位置を示す情報を受信するステップは、器具の回転位置を示す情報を受信するステップを含み、軸に対する器具の位置を決定するステップは、軸の周りの器具の回転位置を決定するステップを含む。
別の概略的な態様では、関節に対する器具のアライメントを決定する制御ユニットは、入力モジュールであって、関節に結合され、ガイドの外形が関節の一部に実質的に形状適合するように使用前に形成されるガイドによって画成される軸に対する既知の位置でアライメント調整される第２の基準に対して、関節に対して固定ロケーションに取り付けられる第１の基準の位置を示す情報と第１の基準に対する器具の位置を示す情報とを受信するように構成された入力モジュールと、処理モジュールであって、第２の基準の既知の位置を使用して第１の基準に対する軸の位置を決定するとともに、第１の基準に対する器具の位置を使用して軸に対する器具の位置を決定するように構成された処理モジュールと、軸に対する器具の位置を示すように構成された出力モジュールと、を備える。
別の概略的な態様では、アライメントシステムは、関節の受け側部分に実質的に形状適合するガイドであって、関節に関する撮像データを使用して決定される軸を画成するガイドと、ガイドに結合され、軸に対して既知の位置でアライメント調整される第１の電磁場センサと、第２の電磁場センサと、電磁発生装置を備える識別装置であって、第１の電磁場センサおよび第２の電磁場センサに動作可能に結合される識別装置と、識別装置、第１の電磁場センサ、および第２の電磁場センサと通信する制御ユニットであって、第２の基準に対して軸の位置を決定するように構成された制御ユニットと、を備える。
別の概略的な態様では、関節に対する軸の位置を決定する方法は、第１の基準を関節に対する第１の定位置に取り付けるステップと、関節の移動で第１の基準に対する第２の基準の位置が変化するように第２の基準を関節に対して第２の定位置に取り付けるステップと、第１の基準に対する第２の基準の複数のロケーションを測定するステップであって、複数のロケーションのそれぞれが関節の異なる位置に対応するステップと、他方の関節に対する軸の複数のロケーションおよび位置に基づき第１の基準に対して軸の位置を決定するステップと、を含む。
実施は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。例えば、点（point）のロケーションは、第１の基準に対して決定され、軸の位置は、第１の基準に対して決定される。この方法は、第１の基準に対する器具の位置を測定するステップと、軸に対する器具の位置を決定するステップと、を含む。第２の基準に対する第１の基準の複数のロケーションを測定するステップは、関節の移動時に実行される。
別の概略的な態様では、関節に対する軸の位置を計算する方法は、関節の運動の範囲を示す情報を受信するステップと、運動の範囲を示す情報を使用して関節の回転の中心に実質的に対応する第１の点を計算するステップと、関節の運動の範囲と１つまたは複数の他の関節の運動の範囲との間の１つまたは複数の相関関係を使用して第２の点を計算するステップと、第１の点と第２の点との間の軸を決定するステップと、を含む。
別の概略的な態様では、関節に対する器具のアライメントを決定する方法は、第２の基準に対する第１の基準の複数のロケーションを識別する情報を受信するステップであって、第１の基準および第２の基準は関節の移動で第１の基準に対する第２の基準の位置が変化するように配置され、複数のロケーションのそれぞれは関節の異なる位置に対応するステップと、複数のロケーションを使用して関節の回転中心を計算するステップと、複数のロケーションおよび他の関節に対する情報を使用して関節の回転中心と交差する軸を計算するステップであって、軸の位置が第１の基準に対して既知であるステップと、第１の基準に対する器具の位置を識別する情報を受信するステップと、軸に対する器具の位置を決定するステップと、を含む。
実施は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。例えば、この方法は、第２の基準に対する器具の位置に基づき軸に対する器具の位置を指示するステップを含む。第１の基準は、第１の骨に貼り付けられ、第２の基準は、第２の骨に貼り付けられ、複数のロケーションのうちの１つまたは複数は、関節の運動の範囲の端点に対応する。第１の基準は、骨盤に貼り付けられ、第２の基準は、大腿骨に貼り付けられ、複数のロケーションは、骨盤に対して大腿骨の異なる位置で測定され、異なる位置は骨盤に対する大腿骨の運動の範囲の端点に対応する位置を含む。複数のロケーションのうちの１つまたは複数は、骨盤に対する大腿骨の移動中に測定される。複数のロケーションを使用して関節の回転の中心を計算するステップは、複数のロケーションにフィッティングするデータとして球体の表現を生成するステップと、球体の中心に対応する点のロケーションを決定するステップと、を含む。複数のロケーションおよび他の関節に関する情報を使用して関節の回転中心と交差する軸の位置を決定するステップは、複数のロケーションを使用して関節の運動の範囲の第１の表現を生成するステップと、複数の関節の運動の測定された範囲に基づき複合表現にアクセスするステップであって、複合表現は複合軸の位置を示し、複合軸の位置は複数の関節の運動の各測定された範囲に対応する軸の位置を使用して決定されるステップと、第１の表現と複合表現との間の１つまたは複数の相関関係に基づき関節の軸の位置を計算するステップと、を含む。関節に対する軸の位置を計算するステップは、第１の表現と複合表現との間の１つまたは複数の相関関係を識別するステップ、または複合表現に対して第１の表現のデータフィッティングを実行するステップを含む。第１の表現は、関節の運動の範囲の端点に実質的に対応するトレースの表現を含み、トレースは複数のロケーションのうちのいくつかのロケーションへのデータフィッティングである。運動の各測定された範囲に対応する軸は、複数の関節のうちの各関節に対する撮像データを使用して決定される。運動の各測定された範囲に対応する軸は、複数の関節のうちの各関節に対して既知の傾斜角度および前傾角度を有する。複数のロケーションおよび他の関節に関する情報を使用して関節の回転中心と交差する軸の位置を計算するステップは、複数の関節のそれぞれについて、（ｉ）特定の関節の運動の範囲の表現と（ｉｉ）特定の関節に対する既知の傾斜角度および前傾角度を有する軸との間の関係を示すデータにアクセスするステップと、複数のロケーションに基づく表現とアクセスされるデータとの間の相関関係を使用して軸の位置を計算するステップと、を含む。
別の概略的な態様では、関節データを分析する方法は、複数の関節のそれぞれについて、（ｉ）対応する関節の運動の範囲と、（ｉｉ）対応する関節の運動の範囲に対する、対応する関節について決定された軸の位置とを示すデータにアクセスするステップと、関節の運動の範囲と複数の関節の軸の位置との間の関係を識別するステップと、識別された関係を示す情報を格納するステップと、を含む。
実施は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。例えば、複数の関節のそれぞれについて、軸の位置は、対応する関節の断層撮影データを使用して決定される。複数の関節のそれぞれについて、軸の位置の傾斜角度および前傾角度は、対応する関節に対して既知である。それぞれの軸に対するそれぞれの位置は、対応する関節に対して実質的に同じである公称傾斜角度および前傾角度を有する。関節の運動の範囲と複数の関節の軸との間の関係を識別するステップは、運動のそれぞれの範囲の表現を共通座標系にマッピングするステップを含む。運動のそれぞれの範囲の表現を共通座標系にマッピングするステップは、運動のそれぞれの範囲の１つまたは複数のランドマークを識別するステップと、座標系内の基準位置に対して、対応するランドマークのアライメントを調整するステップと、を含む。関節の運動の範囲と複数の関節の軸との間の関係を識別するステップは、互いに対して複数の関節の運動の範囲を示すデータをデータフィッティングするステップを含む。また、複数の関節に対応する運動の範囲に基づき複合表現（composite representation）を生成するステップと、識別された関係を使用して複合表現に対して複合軸（composite axis）の位置を決定するステップと、運動の複合範囲（composite range）および運動の複合範囲に対する複合軸の位置を示す情報を格納するステップと、を含む。この方法は、識別された関係に基づき、複合軸に対する許容範囲を示す情報を決定するステップであって、許容範囲は特定の一組の記録（records）が運動の複合範囲に対して方向付けられた場合に許容範囲内で対応する軸を有することを示すステップを含む。複数の関節のそれぞれの運動の範囲を示すデータは、対応する関節の運動の範囲の端点（extremities）に実質的に対応するトレースを示す表現を含む。
別の概略的な態様では、関節に対する器具のアライメントを決定する制御ユニットは、関節の運動の範囲を示す情報、および基準に対する器具の位置を示す情報を受信するように構成された入力モジュールと、処理モジュールであって、運動の範囲を示す情報を使用して関節の回転中心に実質的に対応する第１の点のロケーションを計算し、複数の関節のそれぞれについて、運動の範囲と運動の範囲に対する既知の位置を有する軸との間の１つまたは複数の関係を示すデータにアクセスし、運動の範囲を示す情報およびアクセスされたデータを使用して第２の点のロケーションを計算するように構成された処理モジュールと、第１の点および第２の点を通じて画成された軸に対する器具の位置を示す情報を提供するように構成された出力モジュールと、を備える。
実施は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。例えば、データストレージモジュールは１つまたは複数の関係を示すデータを格納し、処理モジュールは、データストレージモジュールから１つまたは複数の関係を示すデータにアクセスするようにさらに構成される。関節の運動の範囲を示す情報は、関節の異なる位置を表す複数のロケーションである。
別の概略的な態様では、アライメントシステムは、第１の基準と、第２の基準と、第１の基準および第２の基準に動作可能に結合された識別装置と、識別装置と通信する制御ユニットと、を備え、制御ユニットは第２の基準に対する第１の基準の複数のロケーションを示す情報を使用して関節の回転中心を計算し、複数のロケーションおよび他の関節の運動の各範囲に対する軸の位置を示す情報を使用して関節の回転中心と交差する軸を計算し、軸に対する器具の位置を決定するように構成される。
別の概略的な態様では、大腿骨に対して器具のアライメントを調整する方法は、基準を大腿骨に対する定位置に取り付けるステップと、基準に対する大腿骨のネックの周りの複数のロケーションを測定するステップと、測定された複数のロケーションを使用して基準に対する軸の位置を決定するステップと、基準に対する器具の位置を決定するステップと、測定された位置に基づき軸に対する器具のアライメントを調整するステップと、を含む。方法は、ピンを軸に沿って大腿骨内に挿入するステップを含む。基準を大腿骨に対して定位置に取り付けるステップは、基準を大腿骨の大転子に取り付けるステップを含む。測定された複数のロケーションを使用して基準に対する軸の位置を決定するステップは、複数のロケーションから外挿される円筒形表現を生成するステップと、円筒形表現の実質的に中心の軸を決定するステップと、を含む。
別の概略的な態様では、大腿骨に対する器具の位置を示す方法は、基準に対する大腿骨のネックの周りの複数のロケーションを示す情報を受信するステップであって、基準は大腿骨に対して定位置に配置されるステップと、測定された複数のロケーションを使用して基準に対して軸の位置を決定するステップと、基準に対して器具の位置を示す情報を受信するステップと、軸に対する器具の位置を示す情報を提供するステップと、を含む。
実施は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。例えば、測定された複数のロケーションを使用して基準に対する軸の位置を決定するステップは、複数のロケーションから推定される（extrapolated）円筒形の表現を生成するステップと、円筒形の実質的に中心の軸の位置を決定するステップと、を含む。また円筒形の半径を決定するステップと、円筒形の半径を示す情報を提供するステップと、を含む。複数のロケーションのうちの１つまたは複数は、移動可能なプローブを大腿骨のネックに係合させることによって測定される。複数のロケーションのうちの１つまたは複数は、移動可能なプローブが大腿骨のネックと接触している間に移動可能なプローブのトリガ機構をアクティブ化することに応答して測定される。複数のロケーションのうちの１つまたは複数は、移動可能なプローブが大腿骨のネックに接触することに応答して測定される。基準に対する大腿骨のネックの周りの複数のロケーションを示す情報を受信するステップは、移動可能なプローブのトリガ機構がアクティブ化されることを判定するステップと、トリガ機構がアクティブ化されたと判定したことに応答して、基準に対して移動可能なプローブの位置を示す情報を記録するステップと、を含む。
別の概略的な態様では、大腿骨に対する器具の位置を示すための制御ユニットは、入力モジュールであって、（ｉ）大腿骨に対して定位置に配置される基準に対する大腿骨のネックの周りの複数のロケーションを示す情報、および（ｉｉ）基準に対して器具の位置を示す情報を受信するように構成された入力モジュールと、測定された複数のロケーションを使用して基準に対する軸の位置を決定するように構成された処理モジュールと、軸に対する器具の位置を示すように構成された出力モジュールと、を備える。
別の概略的な態様では、位置決めシステムは、第１の基準と、第２の基準を備える移動可能なプローブと、第１の基準および第２の基準に動作可能に結合された識別装置と、識別装置と通信する制御ユニットと、を備え、制御ユニットは（ｉ）大腿骨に対して定位置に配置される基準に対する大腿骨のネックの周りの複数のロケーションを示す情報と、（ｉｉ）基準に対して器具の位置を示す情報とを受信し、測定された複数のロケーションを使用して基準に対する軸の位置を決定し、軸に対する器具の位置を示すように構成される。
別の概略的な態様では、１つまたは複数の関節の特性の違いを判定する方法は、第１の基準を第１のロケーションに取り付けて固定するステップと、関節の移動で第１の基準に対して第２の基準の位置が変化するように第２の基準を第２のロケーションに取り付けて固定するステップと、第１の基準に対する第２の基準の第１の複数のロケーションを測定するステップと、第１の基準に対する第２の基準の第２の複数のロケーションを測定するステップと、第１の複数のロケーションおよび第２の複数のロケーションを使用して１つまたは複数の関節の特性の違いを判定するステップと、を含む。
別の概略的な態様では、１つまたは複数の関節の特性の違いを判定する方法は、第２の基準に対する第１の基準の第１の複数のロケーションを示す情報を受信するステップと、第２の基準に対する第１の基準の第２の複数のロケーションを示す情報を受信するステップと、第１の複数のロケーションおよび第２の複数のロケーションを使用して１つまたは複数の関節の特性の違いを判定するステップと、を含む。
実施は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。例えば、第１の複数のロケーションは、外科手術前の関節の異なる位置を示し、第２の複数のロケーションは、外科手術後の関節の異なる位置を示す。第１の複数のロケーションおよび第２の複数のロケーションは、第１の基準が第１の骨に対して第１の位置に固定され、第２の基準が第２の骨に対して第２の位置に固定されている間に測定される。第１の複数のロケーションおよび第２の複数のロケーションを使用して脚の長さの違いを判定するステップは、第１の複数のロケーションを使用して第１の表面の第１の表現を生成するステップと、第２の複数のロケーションを使用して第２の表面の第２の表現を生成するステップと、第１の表現を第２の表現と比較するステップと、を含む。第１の表面は、第１の半径を有する球体の一部を含み、第２の表面は、第２の半径を有する球体の一部を含み、第１の表現を第２の表現と比較するステップは、第１の半径と第２の半径との違いを判定するステップを含む。この方法は、第１の複数のロケーションおよび第２の複数のロケーションに基づき関節の回転の中心の違いを判定するステップを含む。この方法は、第１の複数のロケーションおよび第２の複数のロケーションに基づき関節の運動の範囲の違いを判定するステップを含む。１つまたは複数の関節の特性の違いを判定するステップは、脚の長さの違いを判定するステップ、関節の回転の中心の違いを判定するステップ、関節の運動の範囲のオフセットを判定するステップ、関節の運動の範囲のサイズの違いを判定するステップ、関節の運動の範囲の形状の違いを判定するステップのうちの１つまたは複数を含む。第１の複数のロケーションおよび第２の複数のロケーションを使用して１つまたは複数の関節の特性の違いを判定するステップは、第１の複数のロケーションを使用して関節の運動の範囲の限界を示す表現を生成するステップと、第２の複数のロケーションを使用して関節の運動の範囲の限界を示す表現を生成するステップと、第１の表現を第２の表現と比較するステップと、を含む。
関節は股関節であり、第１のロケーションは、股関節の骨盤に対して固定ロケーションであり、第２のロケーションは、股関節の大腿骨に対して固定ロケーションである。関節は肩関節であり、第１のロケーションは、肩関節の肩甲骨に対して固定ロケーションであり、第２のロケーションは、肩関節の上腕骨に対して固定ロケーションである。
別の概略的な態様では、関節の特性の違いを判定する制御ユニットは、入力モジュールであって、第２の基準に対する第１の基準の第１の複数のロケーションを示す情報と、第２の基準に対する第１の基準の第２の複数のロケーションを示す情報とを受信するように構成された入力モジュールと、第１の複数のロケーションおよび第２の複数のロケーションを使用して１つまたは複数の関節の特性の違いを判定するように構成された処理モジュールと、１つまたは複数の関節の特性の違いを示すように構成された出力モジュールと、を備える。
別の概略的な態様では、関節の特性の違いを判定するシステムは、第１の骨に取り付けられるように構成された第１の基準と、第２の骨に取り付けられるように構成された第２の基準と、第１の基準および第２の基準に動作可能に結合された識別装置と、識別装置と通信する制御ユニットと、を備え、制御ユニットは（ｉ）第２の基準に対する第１の基準の第１の複数のロケーションを示す情報と、（ｉｉ）第２の基準に対する第１の基準の第２の複数のロケーションを示す情報とを受信し、第１の複数のロケーションおよび第２の複数のロケーションを使用して１つまたは複数の関節の特性の違いを判定するように構成される。
１つまたは複数の実施形態の詳細は、付属の図面および以下の説明で述べられる。本開示の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面から明白になるであろう。
アライメントシステムを例示する図である。 アライメントシステムを例示する図である。 関節を例示する斜視図である。 関節に対する寛骨臼ガイドの斜視図である。 関節で受ける図３Ｂの寛骨臼ガイドの斜視図である。 軸の位置を判定する技術を例示する斜視図である。 軸の位置を判定する技術を例示する斜視図である。 軸に対する器具の位置を計算する技術を例示する斜視図である。 軸に対する器具の位置を計算する技術を例示する斜視図である。 図１のシステムの制御ユニットとのユーザインターフェースの図である。 図１のシステムの制御ユニットとのユーザインターフェースの図である。 図１のシステムの制御ユニットとのユーザインターフェースの図である。 関節のデータを取得するプロセスを示す図である。 関節のデータを取得するプロセスを示す図である。 関節のデータを取得するプロセスを示す図である。 関節のデータを取得するプロセスを示す図である。 関節のデータを取得するプロセスを示す図である。 関節のデータを取得するプロセスを示す図である。 関節のデータを取得するプロセスを示す図である。 複数の関節のデータを処理するプロセスを示す図である。 複数の関節のデータを処理するプロセスを示す図である。 複数の関節のデータを処理するプロセスを示す図である。 複数の関節のデータを処理するプロセスを示す図である。 他の関節のデータを使用して関節のためのアライメントを決定するプロセスを示す図である。 他の関節のデータを使用して関節のためのアライメントを決定するプロセスを示す図である。 他の関節のデータを使用して関節のためのアライメントを決定するプロセスを示す図である。 他の関節のデータを使用して関節のためのアライメントを決定するプロセスを示す図である。 関節の骨に対してアライメントを選択し、ターゲットにするプロセスを示す図である。 関節の骨に対してアライメントを選択し、ターゲットにするプロセスを示す図である。 関節の骨に対してアライメントを選択し、ターゲットにするプロセスを示す図である。 関節の骨に対してアライメントを選択し、ターゲットにするプロセスを示す図である。 関節の骨に対して既知のアライメントに基づき関節のためのアライメントを決定するプロセスを示す斜視図である。 関節の骨に対して既知のアライメントに基づき関節のためのアライメントを決定するプロセスを示す斜視図である。 インプラントを選択するプロセスを示す図である。 インプラントを選択するプロセスを示す図である。 インプラントを選択するプロセスを示す図である。 関節の特性を測定するプロセスを例示する斜視図である。 関節の特性を測定するプロセスを例示する斜視図である。 人工関節再置換術用のアライメントを決定するプロセスを示す図である。 人工関節再置換術用のアライメントを決定するプロセスを示す図である。 人工関節再置換術用のアライメントを決定するプロセスを示す図である。 人工関節再置換術用のアライメントを決定するプロセスを示す図である。 図１または図１のシステムの制御ユニットからなる制御ユニットのブロック図である。 代替的アライメントシステムを例示する図である。 関節に対するアライメントを決定する例示的なプロセスを示す流れ図である。 関節に対するアライメントを決定する例示的なプロセスを示す流れ図である。 関節に対するアライメントを決定する例示的なプロセスを示す流れ図である。 関節に対するアライメントを決定する例示的なプロセスを示す流れ図である。 試用インプラントの適合性を判定する例示的なプロセスを示す流れ図である。 関節の特性の違いを判定する例示的なプロセスを示す流れ図である。 インプラントを入れた関節の特性を判定する例示的なプロセスを示す流れ図である。 関節に対するアライメントを決定する例示的なプロセスを示す流れ図である。 関節に対するアライメントを決定する例示的なプロセスを示す流れ図である。 関節に対するアライメントを決定する例示的なプロセスを示す流れ図である。 複数の関節を記述するデータを処理する例示的なプロセスを示す流れ図である。 関節に対するアライメントを決定する例示的なプロセスを示す流れ図である。 関節に対するアライメントを決定する例示的なプロセスを示す流れ図である。 試用インプラントの適合性を判定する例示的なプロセスを示す流れ図である。 関節の特性の違いを判定する例示的なプロセスを示す流れ図である。 インプラントを入れた関節の特性を判定する例示的なプロセスを示す流れ図である。
図１を参照すると、アライメントシステム１００は、外科手術中の器具、インプラント、および組織の適切なアライメント調整を円滑にするために使用されうる。例えば、アライメントシステム１００は、例えば股関節１０の関節形成中に組織および手術器具３０のアライメント調整を行うために使用されうる。股関節に対して多くの技術が以下で説明されているが、肩関節などの他の球関節を含む、他の関節の関節形成に同じ技術が適用可能である。これらの技術は、関節形成術以外の外科手術にも適用可能である。
股関節形成術の際に、外科医は、システム１００を使用して、股関節に対して固着軸（impaction axis）の位置を決定することができる。固着軸および他のアライメントは、例えば、寛骨臼の表面を準備し、寛骨臼インプラントを取り付け、インプラントを受け入れるように大腿骨を準備するために使用されうる。システム１００は、器具の現在のアライメントと好ましいアライメントとの間の違いを示すことができ、それにより、好ましいアライメントで器具の位置決めを行う外科医を補助することができる。
システム１００は、１つまたは複数の基準を備える。組織および器具の位置は、基準のうちの１つまたは複数に対して決定され、基準の位置は互いに対して決定される。基準の例としては、識別装置２０およびセンサ１２ａ〜１２ｃを備える。システム１００は、センサ１２ａ〜１２ｃのうちの１つまたは複数と通信する識別装置２０を備える。識別装置２０と通信する場合に、それぞれのセンサ１２ａ〜１２ｃは、識別装置２０からセンサ１２ａ〜１２ｃの相対的位置を示す信号を発生する。
さらに下で詳しく説明される、識別装置２０は、センサ１２ａ〜１２ｃによって検出されうる電磁場を発生する。識別装置２０は、一般的に板状の形状を有するが、他の形状も有することができる。識別装置２０は、例示されているように、床置き架台で支持されうる。識別装置２０は、代替的に、患者の下、または別のロケーション（location）に置くことができる。他の図に示されているように、また以下で説明されているように、識別装置２０はハンドヘルド型であるか、または移動可能な器具に結合することができる。
本明細書で使用されているように、位置は、ロケーションと向きの両方を含むものとしてよい。例えば、一方の基準の位置を別の基準に対して示すデータは、基準同士の間の並進運動オフセットだけでなく角度オフセットおよび回転オフセットも示しうる。
制御ユニット５０は、互いに対する基準の位置を示す情報を受信する。識別装置２０およびセンサ１２ａ〜１２ｃの位置ならびに他の既知の空間的関係に基づき、制御ユニット５０は、関節１０に対する好ましいアライメントおよび関節１０に対する現在のアライメントを決定する。
２つの基準の相対的位置（例えば、互いに対する一方の基準の位置）は、直接的にまたは間接的に決定することができる。例えば、第１の基準および第２の基準の相対的位置は、第３の基準に対するそれぞれの基準の位置を決定することによって決定されうる。これにより、互いに対する一方の基準の位置を決定するステップは、これらの基準のいずれかによって画成される基準フレームにおいて測定が実行されることを必要としない。
同様に、位置は、間接的に知られる場合であっても、基準に対して知ることができる。例えば、基準Ａと基準Ｂの相対的位置が知られており、基準Ｂと基準Ｃの相対的位置が既知の場合、基準Ａと基準Ｃの相対的位置も、その相対的位置が直接的に格納または計算されていない場合であっても知られる。
制御ユニット５０は、制御ユニット５０と通信するセンサおよび識別装置の動作を調節するため例えば電力および制御信号を供給するように構成された制御モジュールを備える。制御ユニット５０は、センサ、識別装置、および他のシステムから信号を受信する入力モジュールを備える。制御ユニット５０の処理モジュールは、受信した情報を使用して、器具３０および組織の好ましいアライメントを計算する。処理モジュールは、好ましいアライメントに対する器具および組織の現在位置も計算する。制御ユニット５０は、ユーザインターフェース５２上に、器具および組織の好ましいアライメントおよび実際のアライメント、さらには以下で説明されている他の情報を指示することができる出力モジュールも備える。例えば、ユーザインターフェース５２は、関節１０の表現（representation）１０´および器具３０の表現３０´を含む画像を表示することができ、関節１０に対する器具３０の位置を示すことができる。
図２を参照すると、さらに詳しく、識別装置２０は、既知の特性を有するＥＭ場を発生するように動作可能である電磁（ＥＭ）場発生装置２１を備える。ＥＭ場発生装置２１は、識別装置２０のハウジング２３内に配置される。ＥＭ場発生装置２１は、ＥＭ場を発生する１つまたは複数のコイルまたは他のコンポーネントを備える。生成されたＥＭ場は、それぞれ検出されたＥＭ場に基づき出力信号を発生する、ＥＭ場センサ４０などの１つまたは複数の磁気センサによって検出される。さまざまな異なる磁気センサをＥＭ場センサ４０として使用することができ、例えば、誘導コイル、ホール効果センサ、フラックスゲート磁場センサ、および磁気抵抗センサのうちの１つまたは複数を使用することができる。ＥＭ場センサ４０が十分なＥＭ場エネルギーを検出すると、ＥＭ場センサ４０は、ＥＭ場発生装置２１に対するＥＭ場センサ４０の位置を示す信号を発生する。
制御ユニット５０は、ＥＭ場発生装置２１を駆動し、ＥＭ場センサ４０から出力信号を受信し、ＥＭ場センサ４０および識別装置２０の相対的位置を表示する。例えば、識別装置２０、センサ４０、および制御ユニット５０は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、特許文献１および特許文献２において説明されているような、また参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、特許文献３および特許文献４において説明されているような特徴を備えることができる。
識別装置２０の有用な範囲は、識別装置２０の可動範囲と称される、識別装置２０の周りの三次元領域である。可動範囲のサイズおよび形状は、ＥＭ場発生装置２１が発生するＥＭ場の特性に基づいており、ターゲットの精度の必要に応じて大きく、または小さくなるように修正することができる。識別装置２０の可動範囲の形状およびサイズは、一部は、ＥＭ場発生装置２１の構成、駆動信号の特性などのＥＭ場発生装置２１のオペレーションの特定の特性、および他のファクタに依存する。
いくつかの実施では、可動範囲は、識別装置２０を囲む領域である。例えば、識別装置２０は、一般的に、可動範囲内の中央に配置されうる。関節形成術に対するアライメント調整時に使用されるようないくつかの実施に対する可動範囲は、約５０ｃｍ以上の幅および約４０ｃｍ以上の深さに延在し、識別装置２０から約５ｃｍの距離のところに配置されうる。したがって、識別装置２０に結合されたドリルガイドまたは他の器具は、例えば、識別装置２０から５ｃｍを超えて延在し、これにより、可動範囲内で適切な位置決めを行えるようになる。あるいは、いくつかの用途について、より小さな寸法の可動範囲を使用して精度および確度を高めることができる。
センサ４０は、例えば、センサ４０がＥＭ場発生装置２１の可動範囲内に置かれた場合にＥＭ場発生装置２１が発生するＥＭ場を受けることによって識別装置２０のＥＭ場発生装置２１と通信する。センサ４０は、検出されたＥＭ場の強さまたは強度を示す出力信号を生成する。センサ４０は、例えば、１つまたは複数の誘導電流を出力することによって識別装置２０が発生するＥＭ場に応答するように構成された誘導センサを備える。センサ４０は、互いに対して既知の定位置に配置された２つまたはそれ以上の誘導コイルを備えることができ、それぞれのコイルは誘導電流を出力することができる。
センサ４０は、出力信号、またはこれらの信号に関係するデータを送信するために、センサリード３４などの接続部を備える。センサリード３４は、センサ４０の出力送信のための結線を備える。センサリード３４は、ＥＭ場に応答してセンサ４０が発生する信号を伝送することができる。いくつかの実施では、接続部は、ワイヤレス送信機を備えていてもよい。それに加えて、センサリード３４は、複数の接続部を備えることができ、センサリード３４は、信号またはデータに加えて電力および制御信号を伝送することができ、双方向通信が可能である。例えば、センサ４０の較正に関する情報は、センサ４０に結合されているストレージデバイスに格納されうる。
センサ４０が発生した信号は、識別装置２０およびセンサ４０の相対的位置を決定することを可能にする。ＥＭ場発生装置２１の可動範囲内の異なる位置において、センサ４０は、異なるＥＭ場エネルギーを検出し、その結果、異なる出力信号が得られる。出力信号は、センサ４０に対する識別装置２０の位置を正確に決定するために使用することができる。識別装置２０の可動範囲の外に配置されているセンサ４０は、センサ４０および識別装置２０の相対的位置を正確に決定するために使用されうる出力信号を生成するためにＥＭ場発生装置２１から適切なＥＭエネルギーを受けることができない。
センサ４０の出力により、一般的にＸ、Ｙ、およびＺと称される３本の並進運動軸、および３本の並進運動軸のうちの１本の周りの回転として定義される一般的にピッチ、ヨー、およびロールと称される３つの角度方向などに沿って、最大自由度６でセンサ４０の位置を決定することができる。これにより、単一センサ４０が発生する信号は、識別子２０に対して軸を画成することができる。自由度３と少ない自由度を示すセンサは、基準システム内のロケーションを測定するために使用することができる。軸の位置を定めるために、少なくとも自由度５の決定を可能にするセンサを使用することができる。軸の位置および軸の周りの回転位置についての情報が必要であれば、自由度６に対するデータを示すセンサを使用するとよい。
センサ４０および識別装置２０などの基準は、組織または器具の位置が基準の位置に基づき決定されるように組織または器具に結合されうる。基準は、器具または組織に対する既知の位置に、または知られていない位置へ取り付けることができる。
いくつかの測定について、組織または器具の寸法および基準が最初に取り付けられる位置は既知である必要はない。例えば、第１の基準は、器具または組織に対して任意の位置に取り付けてよい。第１の基準が器具に対して定位置に留まっている間（例えば、第１の基準が器具とともに移動する場合）、器具を第２の基準に結合されている骨に対して位置決めすることができる。特定の位置において、制御ユニット５０が、基準の位置の間のオフセットを決定し、それらのオフセットを格納する。器具および骨の相対的位置が変化すると、制御ユニット５０は、すでに測定されている相対的位置からのずれを指示することができる。したがって、基準が互いに対して較正されていなくても、また基準が器具または組織の既知の位置に配置されていなくても、制御ユニット５０は、器具を骨に対して測定された位置に戻すシステム１００のオペレータを支援することができる。
他の測定について、センサ４０は、器具または組織に対して既知の位置に結合されうる。例えば、センサ４０は、器具３０のランドマークに配置され、器具３０に対して既知の向きに向き付けられる。システム１００のオペレータが、制御ユニット５０に、例えば、ランドマークを識別する情報を入力することによって器具３０に対するセンサのロケーションおよび向きを示す情報を入力する。制御ユニット５０は、器具３０の寸法および器具３０の特徴に対するランドマークの位置を示す情報にアクセスする。例えば、制御ユニット５０は、ランドマークと組織と係合するように構成されている器具３０の端部との間のオフセットを示す情報にアクセスすることができる。
センサ４０の位置は器具３０に対して既知であるので、制御ユニット５０は、センサ４０の位置に基づき器具３０の位置を決定することができる。例えば、器具３０の端部の位置を決定するために、制御ユニット５０は、センサ４０の位置を決定し、センサ４０と端部との間のオフセットにより位置を調整する。そのため、センサ４０の位置が基準に対して決定される場合に、器具３０の端部の位置も、同じ基準に対して決定されうる。
いくつかの実施では、外科医またはシステム１００の他のオペレータは、患者、器具、および／またはセンサ４０に対して識別装置２０を位置決めするためにハウジング２３によって識別装置２０を把持することができる。識別装置２０は、器具および他のアタッチメントが結合される結合部材２２を備えることができる。手術部位に対して識別装置２０を向き付けることによって、オペレータは、手術部位に対して結合されている器具も向き付ける。例えば、結合部材２２は、ドリルガイド２６に結合されたドリルガイドアタッチメント２４を受けることができる。識別装置２０は、医学的手技で必要なまたは医学的手技に適した位置にドリルガイド２６に挿入されたドリルビットまたはガイドピンが誘導されるようにドリルガイド２６を位置決めするために使用されうる。リーマ、ブローチ、インパクタ、および他の器具を識別装置２０に対して既知の位置に結合するためにアタッチメントも備えることができる。器具は、識別装置２０とセンサ４０との間のＥＭ通信への干渉を制限するために非フェライト系材料で構成することができる。
いくつかの実施では、ＥＭ場発生装置２１を備える識別装置２０は、スタンドアロンユニットであるか、またはシャシーに装着される。したがって、識別装置２０は、器具が手術部位に対して位置決めされている間に静止位置に留まるか、または器具の移動とは無関係に移動されうる。第２のセンサ４０は、手術器具に結合され、ＥＭ場発生装置２１と通信する。制御ユニット５０は、器具に結合されたセンサ４０と器具に結合されたセンサ４０の両方の出力信号を受信する。制御ユニット５０は、２つのセンサ４０の信号に基づき器具３０に対する識別装置２０の位置を決定することができる。いくつかの実施では、追加のセンサ４０を使用することができる。
制御ユニット５０は、識別装置２０のオペレーションを制御し、１つまたは複数のセンサ４０から入力を受け取る。制御ユニット５０は、送電し、ＥＭ場発生装置２１のオペレーションを制御する制御信号を送信するために有線またはワイヤレスリンク上で識別装置２０と通信することができる。例えば、識別装置２０は、制御ユニット５０との接続を行うケーブル２７を備えることができる。
制御ユニット５０は、識別装置２０のＥＭ場発生装置２１およびセンサ４０のそれぞれの相対的位置を決定するように構成された１つまたは複数の処理デバイスを備える。それぞれのセンサ４０の位置は同じ基準、ＥＭ場発生装置２１に対して決定されるので、１つまたは複数の処理デバイスは、それぞれ他のセンサ４０に対してそれぞれのセンサ４０の位置を決定することができる。制御ユニット５０は、センサ４０からの信号を使用して、１つまたは複数の基準に対して器具３０の位置を決定する。
制御ユニット５０は、グラフィカルユーザインターフェース５２を外科医に提示するディスプレイを備える。いくつかの実施では、制御ユニット５０は、器具３０の現在位置が好ましい位置に対して許容可能であるかどうかの表示をユーザインターフェース５２に出力する。例えば、ユーザインターフェース５２上の出力は、外科手術アライメントに対する器具３０の角度を表す要素などの、１つまたは複数の要素と、外科手術アライメントに対する器具３０の許容可能な位置を表す１つまたは複数の要素と、外科手術アライメントに対する器具３０の許容不可能な位置を表す１つまたは複数の要素と、解剖軸に対する器具３０の角度を示す数値と、器具３０の現在位置が許容可能であることを示す要素と、器具３０の現在位置が許容不可能であることを示す要素とを含みうる。
システム１００は、多数の測定および手順に対して使用することができ、これは、例えば、（１）患者特有のガイドを使用して外科手術アライメントを決定するステップと、（２）格納されているデータを使用して外科手術アライメントを決定するステップと、（３）関節の骨の周りのロケーションを測定することによって外科手術アライメントを決定するステップと、（４）関節の既知の位置に基づき外科手術アライメントを決定するステップと、（５）インプラントを選択するための試用コンポーネントと、（６）関節の特性を決定し、関節の特性の変化を識別するステップと、（７）再置換手技のためのアライメントを決定するステップとを含む。システム１００を使用する方法の例について以下で説明する。
１．患者特有のガイドを使用するアライメント調整
外科医は、システム１００を使用して、関節に対して外科手術アライメントの位置を決定することができる。例えば、外科医は、システム１００を使用して、患者の解剖学的構造に対する既知の位置を有する固着軸の位置を決定することができる。
股関節形成術において、カップなどの、寛骨臼インプラントは、固着軸に沿って取り付けられることが多い。手術時に使用される固着軸は、寛骨臼インプラント、例えば寛骨臼カップの取り付け時の向きを決定する。外科医は、寛骨臼をリーミングすることによって、多くの場合、固着軸に対してリーマを向き付けることによって、寛骨臼カップを受けるように寛骨臼を準備する。次いで、外科医は、固着軸に沿って準備された寛骨臼内に寛骨臼カップを押し込む。関節形成術の実行中に使用される固着軸は、再建された関節の性能に著しい影響を及ぼしうる。
寛骨臼カップが取り付けられるべき好ましい向きは、カップ前傾角度（cup anteversion angle）とカップ傾斜角度（cup inclination angle）とによって指示されうる。寛骨臼カップの面または縁は、平面を画成することができる。カップ傾斜角度は、カップの面と矢状面とがなす前頭面内の角度であるものとしてよい。カップ前傾角度は、カップの面と矢状面とがなす横断面内の角度であるものとしてよい。寛骨臼カップに対する好ましい取り付け時の向きは、例えば、カップ傾斜が４５度、カップ前傾が２０度であるものとしてよい。
固着軸は、寛骨臼カップの中心を通り、カップが好ましい向きにある場合に寛骨臼カップの面に対して直交する向きとなる。固着軸に沿って寛骨臼カップを取り付けることで、寛骨臼カップを好ましい向きに位置決めする。
説明を簡単にするため、固着軸に対する前傾および傾斜は、本明細書では、同等のカップ前傾およびカップ傾斜の値を持つ向きに対応していると称される。例えば、固着軸に対する前傾角度は、前頭面と横断面上への固着軸の射影とのなす角度として測定されうる。固着軸に対する傾斜角度は、横断面と前頭面上への固着軸の射影とのなす角度として測定されうる。このような定義の下で、２０度のカップ前傾角度は、２０度の固着軸前傾角度に対応するが、ただし、そのような角度が同じ基準面に対して測定されないとしても対応する。上で説明されている定義は、説明を簡単にするために例として与えられている。いくつかの実施において、傾斜および前傾に対する他の定義（例えば、標準的な解剖学における定義、手術における定義、または放射線学における定義）ならびに他の解剖学的な基準システムもインプラント留置を定義するために代替的に使用されうる。
患者の関節に対する固着軸の位置を決定するために、外科医は、関節に受け入れられるカスタム形状の患者特有のガイドを使用することができる。ガイドは、手術前に、関節に形状適合する形状を有するものとしてよい。関節内に配置された場合に、ガイドは、関節に対して、またはむしろ、関節が一部となっている身体の解剖学的平面に対して、既知の傾斜角度および既知の前傾角度を有する固着軸のアライメントを示しうる。
一例として、外科医は、ガイドおよびシステム１００を使用して、関節に対して固着軸の位置を決定することができる。外科医は、第１の基準を関節に対して定位置、例えば、股関節の骨盤に置く。外科医は、ガイドを関節内に入れて、ガイドによって示される固着軸に対する第２の基準のアライメントを調整する。このアライメントにおいて、第２の基準は、第１の基準に対する固着軸の位置をマークする。制御ユニット５０は、互いに対する基準の位置を決定し、第１の基準に対する固着軸の位置を記録する。次いで、外科医は、ガイドを関節から取り外す。ガイドが関節から取り外されているため、外科医は、寛骨臼を準備し、寛骨臼インプラントを植え込む場合に妨げられることなく処置できる。
システム１００は、第１の基準に対する固着軸の記録された位置を使用して、固着軸の位置に対する器具の位置を示す。例えば、第２の基準を器具に結合することができる。第２の基準および器具が一緒に移動する場合に、制御ユニット５０は、第２の基準の現在位置と、固着軸に沿ったアライメントに対応する、第２の基準のすでに決定されている位置との間の違いを計算する。制御ユニット５０は、例えばガイドに対してアライメント調整される場合の位置に、または測定された位置からの特定のオフセットに第２の基準を戻すことによって、固着軸に沿って器具のアライメントを外科医が調整する作業を補助する情報を出力する。こうしてシステム１００によって補助されると、外科医は、リーミングおよび固着時にガイドに物理的に接触することなく、固着軸に対して外科手術を実行するように器具を向き付けることができる。
システム１００は、ガイドによって示されるアライメントを外科医側で調整するのを補助し、その一方で、外科医が手術中に行った変更された状態および発見に対処するため調整を行えるようにする。
１．１ ガイドの手術前整形
図３Ａを参照すると、股関節１０の外形を示す情報が取得される。この情報は、外科手術の前に取得される股関節１０に対する撮像データ５５を含むことができる。関節１０は、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）または核磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）などの断層撮影技術を使用して撮像されうる。撮像データの他の例として、Ｘ線画像および超音波走査データが挙げられる。
図３Ｂを参照すると、撮像データ５５を使用することで、ガイド６０は、寛骨臼１３の１つまたは複数の部分などの関節１０の受け側部分に実質的に形状適合するように加工される。それぞれの股関節の寛骨臼は固有である。ガイド６０の外形６２は、寛骨臼１３の外形と実質的に一致しガイド６０が寛骨臼１３と嵌合するように形成される。撮像データ５５から決定された寛骨臼１３の特徴は、ガイド６０の対応する嵌合面（例えば、外形６２）を整形するために使用される。したがって、ガイド６０は、撮像データ５５で記述される特定の関節１０にぴったり合う結果、患者特有のものである。
ガイド６０は、ガイド６０が単一の向きで寛骨臼１３と嵌合するように寛骨臼１３に形状適合しうる。ガイド６０は、硬質材料、例えば、プラスチック、金属、またはセラミックから形成することができる。ガイド６０は、外形６２がガイド６０が寛骨臼１３に受け入れられた場合に安定した係合を形成するのに十分な、寛骨臼１３の部分に形状適合するような形、寸法、および外形を持たせることができる。いくつかの実施では、ガイドは、寛骨臼１３の表面の大部分に形状適合する。
寛骨臼１３の表面を一致させることに加えて、またはその代わりに、ガイド６０は、寛骨臼１３の近くの骨盤の部分を含む、他の特徴にも形状適合するようにできる。ガイド６０は、例えば、寛骨臼縁、大坐骨切痕、腸骨の一部、および／または下前腸骨棘の全部または一部分にも形状適合しうる。
ガイド６０を形成するために手術前撮像データ５５が使用されるので、ガイド６０は、外科手術前に寛骨臼１３に形状適合するように整形されうる。ガイド６０は、一般的に調整可能でない外形６２を有する事前形成ユニットとして外科医に送達されうる。例えば、ガイド６０は、成形、切断、機械加工、三次元プリンタ加工、または他の何らかの製造方法で適切な形状に仕上げることができる。ガイド６０は、ブロックとして、または一体ユニットとして形成されうる。
撮像データ５５は、関節１０に対する固着軸１４の位置を決定するためにも使用される。固着軸１４は、撮像データ５５を使用して、患者の解剖学的構造に対して既知の傾斜角度および既知の前傾角度を有するように選択される。固着軸１４の位置は、適宜、ガイド６０上に指示され、これにより、寛骨臼の外形に対する固着軸１４の位置を指示することができる。ガイド６０が関節１０内に受け入れられた場合、ガイド６０によって示される位置は、固着軸１４の位置と一致する。例えば、ガイド６０は、固着軸１４に沿ってガイド６０を一部または完全に通るガイド穴６４を画成することができる。それに加えて、または代替的に、ガイド６０のマーキングまたは特徴は、ガイド６０に対する軸１４の向きを示すことができる。
ガイド６０は、患者を識別する印をオプションとして備える、例えば、患者氏名または患者番号を書いたラベルをガイド６０上に貼る。他の識別情報をガイド６０にラベルに書いて示すか、または埋め込んで、ガイド６０を、例えば、対応する関節１０、患者、外科医、または病院と関連付けることができる。
撮像データ５５は、関節１０（図３Ａ）の回転の中心点１５（例えば、関節１０の運動の中心点）を決定するためにも使用することができる。ガイド６０に対する基準点６５の位置を決定することができ、基準点６５は、関節１０の回転の中心点１５に対応する。例えば、基準点６５は、ガイド６０が寛骨臼１３内に置かれている場合に、基準点６５が関節１０の回転の中心点１５と一致するように決定されうる。あるいは、基準点６５は、器具３０またはセンサと係合するように構成されている部分６６などの、ガイド６０のランドマークまたは特徴に対して決定されうる。基準点６５の位置は、ガイド６０上にマークされるか、または個別に指示されうる。
いくつかの実施では、ガイド６０のランドマークとガイド６０の外形６２との間の距離を決定することができる。例えば、部分６６と外形６２との間の固着軸１４に沿った距離を決定することができる。あるいは、部分６６を外形から既知の距離のところに形成またはマークすることができる。ガイド６０の異なるランドマークにおけるガイド６０の厚さなどの他の距離も、測定され、記録されうるか、または所定の仕様に合わせて形成されうる。これらの距離を示すデータは、制御ユニット５０によってアクセスされうる。
１．２ 固着軸の向きの決定
図３Ｃを参照すると、外科医は関節１０に近づけるように切開部を形成し、関節１０を外す。外科医は、ガイド６０を寛骨臼１３と嵌合するように関節１０内に挿入する。ガイド６０は、寛骨臼１３の一部分に実質的に形状適合するので、寛骨臼１３は、ガイド６０と既知の向きで嵌合する。その結果、ガイド６０が寛骨臼１３内に受け入れられた場合、ガイド穴６４またはガイド６０の他のマーキングによって示される位置は、関節１０に対する固着軸１４の位置を示す。
手術前に形成されたガイド６０を使用すると、手術が著しく簡素化され、手術時間が短縮されうる。例えば、外科医は、手術中にガイド６０を再整形または調整する必要はない。外科医は、寛骨臼１３の特徴を手作業で識別することも必要としない。したがって、多くの場合に、外科医は、寛骨臼１３との接触に基づき寛骨臼１３との安定した係合になるようにガイド６０を素早く位置決めすることができる。したがって、事前形成されたガイド６０を使用して固着軸１４の位置を決定するのは、手術時に視覚的に識別された解剖学的基準を使用して軸の位置を決定するのに比べて速く、正確である。それに加えて、寛骨臼１３によって受け入れられた場合にガイド６０が安定していることが、ガイド６０が正しく位置決めされたという外科医への確認となりうる。
ガイド６０は、リーミングが行われ、固着が生じる場合に寛骨臼１３に留まる必要はないので、ガイド６０は、寛骨臼１３との正確な接続を行うのに役立つ分だけ寛骨臼１３と係合することができる。ガイド６０は、寛骨臼１３との係合により、いくつかの実施において、骨盤１６の他の表面と係合することなく、既知の嵌合位置を達成することができる。その結果、ガイド６０を位置決めするために、外科医は、骨盤１６の囲んでいる表面から軟組織を除去する必要はない。したがって、外科医は、寛骨臼１３の外側の軟組織の損傷を引き起こすことなくガイド６０の位置決めを素早く行うことができる。
さらに、外科医が寛骨臼１３に接近する作業は、関節１０の周りに組織があるため一般的には制限される。例えば、外科医は、比較的狭い空間を通して寛骨臼１３に接近することができ、寛骨臼１３は切開部からおおよそ６から９インチの範囲内の深さのところに配置されている。しかしながら、外科医は、ガイド６０を置くために視界を遮られないということを条件とすることなく簡単に寛骨臼１３にガイド６０を嵌合させることができることが多い。
外科医は、第１の基準を関節１０の骨などの関節１０に対して固定ロケーションに取り付ける。第１の基準は、ガイド６０を関節１０内に挿入する前、または挿入した後に取り付けることができる。例えば、外科医は、外科手術に干渉しないように寛骨臼１３の外側に配置されている、骨盤１６にＥＭ場センサ７０を取り付ける。センサ７０は、ネジ部を持つハウジングを備えることができ、これによりセンサ７０を骨盤１６の固定ロケーションにねじ込むことができる。センサ７０は、骨盤１６とともに移動するように取り付けられうる。センサ７０は、例えば、寛骨臼１３に接近するために使用される同じ切開部または溝を通して寛骨臼１３の近くに植え込むことができる。センサ７０を骨盤１６に対して定位置に取り付け、センサ７０を適所に維持することで、制御ユニット５０がセンサ７０を使用して骨盤１６に対する一貫した基準フレームを確立することが可能になる。
センサ７０の位置は、センサ７０が植え込まれる場合に関節１０に対して既知である必要はない。センサ７０に対する軸１４の位置は、システム１００によって後で決定されるため、外科医にとって、センサ７０に対するロケーションを選択する自由度が高い。いくつかの実施では、センサ７０は、ガイド上の指示を使用して固着軸１４に実質的に平行に向き付けられるように植え込むことができる。その結果、センサ７０の位置から、固着軸１４の向きの視覚的指示が得られる。こうして、センサ７０では、制御ユニット５０によって後で指示される固着軸１４の軌跡の視覚的確認を行うことができる。
図４Ａおよび図４Ｂは、ガイド６０を使用して関節１０に対する固着軸１４の位置を決定する代替的手順を示している。向きは、第２の基準を軸１４に対して既知のアライメントに位置決めし、既知のアライメントにある間に第１の基準（センサ７０）に対する第２の基準の位置を測定することによって決定される。したがって、固着軸１４の位置は、センサ７０の基準フレームに対して決定される。第２の基準は、例えば、識別装置２０（図４Ａ）または第２のＥＭ場センサ７２（図４Ｂ）を備えることができる。制御ユニット５０は、ユーザインターフェース５２上に、器具３０、センサ、および決定された場合には、固着軸１４、および回転の中心点１５のうちの１つまたは複数を指示することができる。これらの指示は、関節１０の三次元ビューとして表示されうる。
図４Ａを参照すると、外科医は、センサ７０に対する軸１４の位置を決定するために識別装置２０を基準として使用する。リーマなどの器具３０は、識別装置２０に結合される。外科医は、器具３０の端部３１をガイド６０のガイド穴６４内に挿入し、それにより、固着軸１４に沿った器具３０および識別装置２０のアライメントを調整する。センサ７０は、識別装置２０のＥＭ場発生装置２１によって生成されるＥＭ場を検出し、信号を制御ユニット５０に送信する。信号に基づき、制御ユニット５０は、センサ７０に対する識別装置２０の位置を決定する。外科医は、ユーザインターフェース５２上で識別装置２０がガイド６０に対してアライメントを調整されていることを示すコントロールを選択する。それに応答して、制御ユニット５０は、識別装置２０の位置を好ましい固着軸１４の位置に対応するものとして記録する。
器具に対する識別装置２０の向きは、既知である。例えば、結合部材２２（図２）は、器具３０が識別装置２０から既知の位置に延在するように識別装置２０を取り付けることができる。いくつかの実施では、器具３０の長さに沿った識別装置２０の位置および器具３０の周りの識別装置２０の回転位置などの、器具３０に対する識別装置２０の位置に対する追加情報も既知である。
外科医は、既知の位置またはオフセットのうちの１つまたは複数を制御ユニット５０上で入力することができる。例えば、外科医は、標準的なオフセットまたは位置が使用されていることを示すことができる。外科医は、器具３０の特定のモデルが使用されていることを示す情報を入力することができる。制御ユニット５０は、器具３０の寸法および器具３０に沿ったさまざまなランドマークの位置を示す情報にアクセスすることができる。外科医は、ガイド６０と係合する器具３０のランドマーク、または識別装置２０が結合されているランドマークを選択することもできる。外科医は、非標準的なオフセットを手動で入力することもできる。器具３０の寸法および器具３０の既知の位置における特定のランドマークにアクセスすることができる、制御ユニット５０は、ランドマーク間のオフセットを計算するか、またはアクセスすることができる。いくつかの実施では、既知の位置を示すデータは、制御ユニット５０のストレージデバイスから、またはネットワーク上でアクセスすることができる。
制御ユニット５０は、センサ７０に対する関節１０の回転の中心点１５のロケーションを決定することができる。端部３１に対する識別装置２０の位置も、既知のものとしてよい。例えば、識別装置２０は、器具３０のランドマークのところに結合され、その結果、位置は端部３１からの既知の第１のオフセットを持つ。関節１０の撮像データ５５に基づき、回転の中心点１５のロケーションとガイド６０の部分６６との間の第２のオフセットも制御ユニット５０によって知られ、アクセスされうる。器具３０は、既知の位置でガイド６０と係合し、例えば、器具３０の端部３１は、ガイド６０の部分６６と係合することができる。したがって、識別装置２０の位置から、端部３１が部分６６と係合した場合に測定され、第１のオフセットおよび第２のオフセットを追加すると、その結果、センサ７０に対して回転の中心点１５の位置が決まる。
同様にして、制御ユニット５０は、寛骨臼１３の表面のロケーションを決定することができる。ガイド６０は、部分６６（器具３０の端部３１と係合する）と外形６２（寛骨臼１３と係合する）との間で固着軸１４に沿って既知のオフセットまたは厚さを有することができる。このオフセットを示すデータは、制御ユニット５０によってアクセスされ、識別装置２０と端部３１との間のオフセットを示すデータと併せて、識別装置２０の位置から固着軸１４に沿って寛骨臼１３の表面の位置を決定するために使用されうる。
いくつかの実施では、器具３０および識別装置２０を固着軸１４に沿ってアライメント調整するのではなく、識別装置２０を固着軸１４に対して異なる既知の位置に向き付けることができる。例えば、識別装置２０は、固着軸１４に対して既知の並進運動オフセットおよび／または角度オフセットを持つ位置でガイド６０と係合することができる。制御ユニット５０は、外科医が入力するか、または別のソースからアクセスされた、既知のオフセットを使用して、固着軸１４の位置を決定することができる。
図４Ｂを参照すると、代替的に、軸１４の位置は、軸１４に対して第２のＥＭセンサ７２のアライメント調整をすることによってＥＭセンサ７０に対して決定されうる。外科医は、第２のセンサ７２を軸１４に対して既知の位置に位置決めする。例えば、外科医は、軸１４に沿ったガイド穴６４のところで、例えば部分６６のところで、第２のセンサ７２をガイド６０に結合する。センサ７０、７２を識別装置２０のＥＭ場発生装置２１の可動範囲内に持ってくる。いくつかの実施では、第２のセンサ７２は、ガイド６０を関節１０に結合する前にガイド６０に取り付けられる。例えば、ガイド６０は、第２のセンサ７２が軸１４に対して既知のロケーションおよび／または向きで取り付けられた状態で外科医に提供されうる。
注目している位置は、互いに対するセンサ７０、７２の位置であるため、識別装置２０の正確な位置は重要でない。器具３０は、器具３０が識別装置２０に対して自由に移動可能であるようにＥＭ場発生装置２１から物理的に取り外せる。例えば、識別装置２０のＥＭ場発生装置２１は、自立型であるか、または固定された架台を有していてもよい。いくつかの実施では、識別装置２０は、患者の下に、例えば、手術を受けていない股関節の下に置くことができる。
識別装置２０は、ＥＭ場を使用してセンサ７０、７２と通信するので、識別装置２０とセンサ７０、７２との間の視野方向が遮られないようにする必要はない。それに加えて、センサ７０、７２は小型であり、骨に直接取り付けることができるため、骨の通常の振動は、実用上、測定に影響を及ぼさない。
センサ７０、７２は、ＥＭ場発生装置２１が発生するＥＭ場を検出し、ＥＭ場発生装置２１に対するそれぞれのセンサ７０、７２の位置を示す信号を送信する。制御ユニット５０は、識別装置２０に対するセンサ７０、７２の位置をそれぞれ示す信号を受信する。制御ユニット５０は、同じ基準、識別装置２０に対して測定される、２つの位置を使用して、第１のセンサ７０に対する第２のセンサ７２の位置を計算する。
第２のセンサ７２が、軸１４に沿ってアライメントを調整される場合に、第２のセンサ７２の向きは、固着軸１４の位置を示す。したがって、制御ユニット５０は、第２のセンサ７２の位置を軸１４の位置として記録する。第２のセンサ７２が軸１４に対して異なる既知の位置に向き付けられる場合に、制御ユニット５０は、第２のセンサ７２の位置と軸１４との間の既知のオフセットを使用して軸１４の位置を計算する。制御ユニット５０は、第１のセンサ７０に対する軸１４の計算された位置を記録する。
制御ユニット５０は、第１のセンサ７０に対する回転の中心点１５の位置および寛骨臼１３の表面上のロケーションを計算し、格納することもできる。第２のセンサ７２はガイド６０に対して既知の位置に配置されているので、制御ユニット５０は、第２のセンサ７２の位置と回転の中心点１５のロケーションおよび寛骨臼１３の表面のロケーションとの間の既知のオフセットにアクセスして、センサ７０に対するこれらのロケーションを決定することができる。制御ユニット５０は、関節１０に対する軸１４の位置の指示１４´を表示することができる。
図４Ａおよび図４Ｂに示されている実施形態において、制御ユニット５０は、固着軸１４の周りの回転位置を決定し、格納することができる。例えば、器具３０の端部３１または第２のセンサ７２のいずれかと係合するガイド６０の部分６６は、固着軸１４の周りの、限られた数の回転位置、例えば、単一の位置でアライメントを可能にするキー溝または切痕を備えることができる。あるいは、ガイド６０は、特定の回転位置を示すマーキングを備えることができる。
外科医は、器具３０または第２のセンサ７２をガイド６０によって示される既知の回転アライメントに位置決めする。その結果、センサ７０に対する識別装置２０の位置（図４Ａ）またはセンサ７０に対する第２のセンサ７２の位置（図４Ｂ）は、既知の回転位置に対応する。
１．３ 器具の向き付け
外科医が制御ユニット５０を使用して第１のセンサ７０に対する固着軸１４の位置を決定した後、外科医はガイド６０を関節１０から取り外して、寛骨臼１３を露出させる。外科医が、関節１０に対して器具３０を位置決めする場合に、システム１００は、外科医が固着軸１４に対して器具３０を向き付けるのを補助する。例えば、システム１００は、リーマの現在の向きへの変更を示すことができ、変更の結果、リーマは固着軸１４に沿って位置決めされる。したがって、システム１００は、外科医が例えば軟骨および骨を取り除くことによって寛骨臼１３を準備している間に外科医が固着軸１４に沿ってリーマを位置決めするのを補助する。システム１００は、寛骨臼インプラントを準備された寛骨臼１３内に押し込むための固着工具（impaction tool）のアライメントを示すこともできる。
図５Ａおよび図５Ｂは、関節に対する器具３０の現在のアライメントを決定する代替的技術を例示している。図５Ａおよび図５Ｂに示されている代替的技術はいずれも、固着軸１４の位置を決定するために図４Ａおよび４Ｂに示されている技術のいずれかとともに使用することができる。器具３０の位置は、例えば、器具３０に結合されている場合には識別装置２０の位置を使用して（図５Ａ）、または器具３０に結合されたＥＭ場センサの位置を使用して（図５Ｂ）、決定することができる。
図５Ａを参照すると、外科医は、識別装置２０が器具３０に結合されている間に器具３０を位置決めする。識別装置２０は、識別装置２０および器具３０が一緒に移動するように器具３０に対して定位置に取り付けられる。図４Ａの技術を使用して固着軸１４の位置を決定する場合、識別装置２０は、固着軸１４の位置を測定するために使用された器具３０の同じ位置に取り付けられたままであってよい。いくつかの実施では、外科医は、識別装置２０を器具３０の周りの器具３０の既知の位置で結合することができる。
外科医は、寛骨臼１３の近くに器具３０を移動し、センサ７０は、器具３０に取り付けられている識別装置２０からのＥＭ場を検出する。センサ７０の出力は、センサ７０および識別装置２０の相対的位置を示し、制御ユニット５０は、これを使用してセンサ７０に対する器具３０の位置を計算する。外科医が、器具３０を移動して寛骨臼１３に対するアライメント調整を行う場合に、センサ７０からの信号は変化して、識別装置２０に対して変化する位置を反映する。制御ユニット５０はセンサ信号を使用して、器具３０が寛骨臼１３に対して移動する場合に器具３０の位置を計算する。
図５Ｂを参照すると、代替的技術として、外科医は、第２のセンサ７２を器具３０の器具３０の既知の定位置で結合する。例えば、第２のセンサ７２は、第２のセンサ７２を受け入れる器具３０の部分などの、器具３０のランドマークのところに取り付けることができる。いくつかの実施では、第２のセンサ７２は、既知の回転位置を有する。例えば、外科医は、器具３０に対して既知の回転位置で器具３０が第２のセンサ７２を受け入れるように、第２のセンサ７２を取り付けることができる。
外科医が、寛骨臼１３の近くに器具３０を持って来ると、センサ７０、７２は識別装置２０のＥＭ場発生装置２１の可動範囲内に入る。制御ユニット５０は、識別装置２０に対する各位置を示す信号をセンサ７０、７２から受信する。第２のセンサ７２に対する器具３０の既知の位置、および識別装置２０に対して既知のセンサ７０、７２の位置を使用することで、制御ユニット５０は、第１のセンサ７０に対する器具３０の位置を計算する。関節１０に対して第２の器具を位置決めするために、外科医は、センサ７２を第２の器具に対する既知の位置のところに置く。
いくつかの実施では、外科医は、第２のセンサ７２を器具に取り付けるのではなく、異なるセンサを器具３０に結合することができる。いくつかの実施では、第３のセンサおよび第２のセンサ７２は、外科手術前に較正されうる。制御ユニット５０がセンサの較正を示す情報を格納するか、またはそれぞれのセンサが、ストレージデバイス上に格納されている較正データを備えることができる。
図５Ａおよび図５Ｂの技術は、制御ユニット５０がセンサ７０に対する器具３０の現在位置を計算することを可能にする。固着軸１４の位置はセンサ７０に対して決定されるため、制御ユニット５０は、器具３０の現在位置を固着軸の位置と比較することができる。器具３０の位置が変化するとともに、制御ユニット５０は、更新された信号をセンサ７０、７２から受信し、軸１４に対する器具３０の位置を再計算する。
図６を参照すると、制御ユニット５０がユーザインターフェース５２上に器具３０の位置を示す。制御ユニット５０は、軸１４に対する器具３０のアライメントを示し、例えば、これは器具３０の現在位置と固着軸の位置との間の違いを示す。寛骨臼１３のリーミングおよび寛骨臼シェルの固着時に、リーマおよびインパクタは、固着軸１４と同一直線上にある場合に適切なアライメント調整がなされる。
一例として、識別装置２０が図４Ａのように器具３０の同じ位置に結合されたままである場合、ガイド６０との前の物理的アライメントに対応する識別装置２０の位置は、器具３０が固着軸１４に沿ってアライメントを調整される位置である。器具３０および識別装置２０を前の位置に戻すと、器具３０は固着軸１４に沿ってアライメントを調整される。
同様に、図４Ｂに示されているように第２のセンサ７２が固着軸１４の位置を決定するために使用され、第２のセンサ７２が図５Ｂの器具３０の同じ位置に結合されたままである場合、器具３０は、第２のセンサ７２がすでに記録されている第１のセンサ７０に対する同じ位置に戻ると、固着軸１４に沿ってアライメントを調整される。したがって、制御ユニット５０は、外科医が、（ｉ）第１のセンサ７０に対する第２のセンサ７２の現在位置を（ｉｉ）第１のセンサ７０に対する第２のセンサ７２のすでに記録されている位置と比較することによって固着軸１４に沿って器具３０のアライメントを調整するのを補助することができる。記録された位置からの現在位置の変化は、固着軸１４からの器具３０の変化を示す。
制御装置５０は、関節１０の三次元図５４（例えば、レンダリング）を表示することができる。例えば、制御ユニット５０は、撮像データ５５にアクセスし、例えば、撮像データ５５に基づく関節１０の断層撮影画像または他の図を表示することができる。第１のセンサ７０に対して決定された固着軸１４の位置は、撮像データ５５への注釈中に示されているように固着軸１４の位置と一致するように位置決めされうる。固着軸１４の周りの回転位置が第１のセンサ７０に対して既知の場合、既知の回転位置を使用して第１のセンサ７０の基準座標系内で撮像データ５５をさらに向き付けることができる。あるいは、１つまたは複数の解剖学的ランドマークのロケーションを、解剖学的ランドマークを器具３０またはプローブの端部３１と接触させることによって第１のセンサ７０に対して測定することができる。制御ユニット５０は、ランドマークの測定された位置を使用して、撮像データ５５内で示されている関節１０の対応する位置を表す。
撮像データ５５がアクセスできない場合、股関節の一般的な図が表示され、撮像データ５５について説明されている同じ方法で第１のセンサ７０の座標系に合わせてアライメントを調整されうる。
例示されている図５４は、外科医が手術部位を表示することが予想される近似的角度からの手術部位の視覚化であってよく、例示されている図５４は患者の寛骨臼１３の外科医から見た様子に対応する。例示されている図５４に対する視角は、固着軸１４を見下ろした向きであるものとしてよい。
例示されている図５４に対して、制御ユニット５０は、関節１０に対する固着軸１４の位置および器具３０の現在のアライメントを示す１つまたは複数のマーカ６８を示す。制御ユニット５０は、器具３０が軸１４の特定の許容範囲内でアライメントを調整された場合に許容可能な位置決めであるという指示を表示することもでき、また器具３０がこの許容範囲外に位置決めされた場合に許容可能でない位置決めであるという指示を表示することができる。
制御ユニット５０は、例えば器具３０のアライメントと固着軸１４の軌跡との間の違いの指示を表示することもできる。例えば、制御ユニット５０は、軸１４からの器具３０の並進運動オフセットおよび角偏向を示す情報を表示する。制御ユニット５０は、軸１４に沿ったアライメントを表す円などのマーカ８０、および器具３０の位置を示す第２のマーカ８１または円を表示することができる。２つのマーカ８０、８１が一致する位置は、軸１４に沿った器具３０のアライメントに対応しうる。
制御ユニット５０は、固着軸１４の傾斜角度５６および前傾角度５７も表示することができる。現在の位置での固着の結果生じるカップ傾斜角度およびカップ前傾角度は、もし異なれば、それに加えて、または代替的に表示されうる。制御ユニット５０は、例えば、固着軸の傾斜角度および前傾角度からのずれを示す数値５８ａ、５８ｂにより、器具３０の現在位置と固着軸１４との違いを計算し、示す。あるいは、制御ユニット５０は、好ましい傾斜角度および前傾角度からの違いとしてではなく、器具３０の絶対傾斜角度および前傾角度を表示することができる。
固着軸１４の傾斜角度５６および前傾角度５７は、関節１０に対する撮像データ５５を使用して決定され、その結果、固着軸１４の位置は解剖学的基準軸に対して相対的に知られる。ガイド６０によって画成される固着軸１４は、制御ユニット５０によって測定された同じ固着軸１４であり、したがって、撮像データ５５を使用して決定された同じ傾斜角度および前傾角度を有する。そのため、軸１４からの器具３０のずれは、軸１４の既知の傾斜角度および前傾角度からのずれを示し、これにより、制御ユニット５０は器具３０の絶対傾斜角度および前傾角度を決定することができる。制御ユニット５０は、器具３０および固着軸１４の傾斜角度および前傾角度を表示することができ、これは好ましいアライメントを示す。患者の要求に応えるため、外科医は、ガイド６０によって示されている軸１４と異なるように好ましい固着軸を調整することもできる。
制御ユニット５０は、寛骨臼１３内の適所にあるインプラントの画像８２を使用して関節のビューを表示することができる。外科医が器具３０を移動させると、制御ユニット５０は、関節１０に対してインプラントの画像８２を移動し、リーミングおよび固着が器具３０の現在値で実行された場合に結果として生じるであろうインプラントの位置を示す。外科医は、インプラントの部品番号などの、貼り付けるべき寛骨臼インプラントを識別する情報を入力することができる。制御ユニット５０は、受信した情報を使用してインプラントのモデルにアクセスし、画像を生成することができる。
制御ユニット５０は、外科医が寛骨臼１３のリーミングの好ましい深さを形成するのを補助する情報も表示する。好ましいリーミング深さ５９ａ、現在のリーミング深さ５９ｂ、およびこれら２つの深さ５９ａ、５９ｂの間の違い５９ｃも、ユーザインターフェース５２上に指示することができる。制御ユニット５０は、関節１０の回転の中心点１５の既知の位置に基づき、また取り付けるべき寛骨臼インプラントの特性を示すアクセスされた情報に基づき好ましいリーミング深さ５９ａを決定することができる。アクセスされた情報は、例えば、インプラントの厚さなどの、特定の寛骨臼インプラントの寸法、およびインプラントの回転の中心の位置を示すことができる。制御ユニット５０は、適切な寛骨臼シェル固着により、取り付けられた寛骨臼インプラントが関節１０の元の回転の中心と一致する、または外科医によって決定された特定のオフセットを有する回転の中心を有するように好ましいリーミング深さ５９ａを計算する。
代替的形態として、制御ユニット５０は、寛骨臼１３の表面の既知の位置および寛骨臼インプラントの厚さに基づき好ましいリーミング深さ５９ａを決定することができる。それに加えて、好ましいリーミング深さ５９ａは、特定の範囲内の深さとして選択することができる。最小深さは、寛骨臼１３内に十分入り込み寛骨臼インプラントが確実に固定されるように設定することができ、最大深さは、骨盤の内壁を過剰に薄くさせないように設定することができる。
器具３０の端部３１、例えば、リーマの先端部は、器具３０に結合された基準に対して既知の位置を有することができ、既知の位置は、制御ユニット５０に入力することができる。したがって、制御ユニット５０は、リーミングおよび他の作業中に器具３０の端部３１の位置を追跡することができる。
リーミングが進行するのにあわせて、制御ユニット５０は、ユーザインターフェース５２をリフレッシュして、更新されたリーミング深さ情報を反映させることができる。いくつかの実施では、回転の中心点１５は、リーミングが現在の位置で終了した場合に得られるであろう回転の中心点を示すインジケータ５３とともに表示されうる。リーミングが続くと、インジケータ５３は、表示されている回転の中心点１５へと進み、最終的にその点に到達し、適切なリーミング深さが達成されたことを示す。そこで、システム１００は、外科医が好ましいリーミング深さを達成するのを補助し、リーミングが不完全であるか、または過剰である場合にそのことを示す。
図７Ａを参照すると、制御ユニット５０は、ユーザインターフェース５２上に、寛骨臼１３の側面図１３´、例えば、固着軸１４に垂直なビュー（例えば、切欠図）を表示することができる。ユーザインターフェース５２は、寛骨臼１３の現在の表面８５およびリーミングの後の所望の表面８６、さらには所望の位置に到達するまでにリーミングを続けなければならない距離８７を示す画像８４を表示することができる。制御ユニット５０は、超えると患者にとって有害である最大リーミング距離を示す停止平面の指示７８も表示することができる。
制御ユニット５０は、回転の中心点１５および現在のリーミング深さに選択された寛骨臼インプラントを取り付けた結果生じるであろう回転の中心点８８を計算し、表示することもできる。
ユーザインターフェース５２は、必要なリーミングの量を示すためユーザインターフェース５２上に１つまたは複数の色付きの指示８９を示すこともできる。例えば、ユーザインターフェースは、リーミングを続けるべきであることを示す緑色のシンボル、リーミングが所望の位置に近いか、またはその位置にあることを示す青色のシンボル、または例えば、所望の深さに到達したかまたは超えたため、またはリーマがずれたため、リーミングを停止すべきであることを示す赤色のシンボルを表示することができる。
外科医は、リーミングが完了した場合にユーザインターフェース５２上にそのことを指示することができる。制御ユニット５０は、到達した最終リーミング深さに基づき、提案された寛骨臼インプラントを識別し、達成するために使用されうる大腿骨インプラントに対する提案されたネックの長さは、関節の回転の中心点１５の元の位置と一致する。
図７Ｂを参照すると、いくつかの実施では、制御ユニット５０は、所望の回転位置に対して器具３０の回転位置を決定する。例えば、寛骨臼インプラントを取り付けるようにインパクタのアライメントを調整する場合に、制御ユニット５０は、取り付ける寛骨臼インプラントの画像９１とともに関節１０の画像９０を表示することができる。制御ユニット５０は、器具３０の好ましい回転位置９３および現在の回転位置９４を示すインジケータ９２を表示することができる。
上で説明されているように、識別装置２０または第２のセンサ７２の位置は、ガイド６０を使用して固着軸１４の位置を測定するために使用される場合に固着軸１４の周りで既知の回転の向きを有することができる。回転位置、例えば、解剖学的基準に対する標準位置は、ガイド６０が形成される場合に撮像データ５５を使用して患者の解剖学的構造に対して決定されうる。制御ユニット５０は、患者の解剖学的構造に対する標準的な回転位置を示す情報にアクセスする。制御ユニット５０は、取り付ける寛骨臼インプラントの特性、例えば、インプラントを骨盤に固定するためにネジを挿入することができるインプラント内の穴９５の位置を示す情報にもアクセスする。
制御ユニット５０は、骨盤の標準的な回転位置および既知の特性を示す情報を使用して、固着軸１４の周りの好ましい回転位置を計算し、ネジとの安定した接続を形成する十分な厚さを持つ骨盤骨と穴９５とのアライメントを調整する。あるいは、制御ユニット５０は、事前に計算された好ましい回転位置を示す情報にアクセスすることができる。制御ユニット５０は、器具３０の現在の回転位置を好ましい回転位置と比較し、好ましい回転位置に到達するのに必要な位置の変化を示すようにユーザインターフェース５２を更新する。
外科医は、図６、図７Ａ、および図７Ｂに例示されているユーザインターフェース５２上に表示される指示を使用して、外科手術を完了する。ガイド６０は関節１０から取り外されているため、外科医は寛骨臼１３全体にアクセスすることができる。制御ユニット５０は、ガイド６０がない場合に固着軸１４の位置を示すので、外科医はそのまま軸１４に対して器具３０のアライメントを調整することができる。例えば、外科医は、固着軸１４に対してリーマのアライメントを調整し、例えば、ユーザインターフェース５２上に示されているように、寛骨臼１３の軟骨を取り除き、好ましい深さまでリーミングすることによって、寛骨臼インプラントを受け入れるように寛骨臼１３を準備する。外科医は、システム１００を使用して、固着軸１４に沿って固着器具のアライメントを調整し、寛骨臼インプラントを固着軸１４に沿って適所に押し込む。
説明されている技術を使用することで、股関節以外の関節、例えば、肩関節に対するアライメントを決定することができる。一例として、関節窩に実質的に形状適合するガイドを使用して、肩甲骨に対して外科手術アライメントの位置を決定することができる。システム１００は、上で説明されているように肩甲骨に対してアライメントを示すために使用されうる。
２． 複数の関節のデータを使用するアライメント
外科医は、システム１００を使用して、手術を受ける関節に対する撮像データを使用することなく、患者の解剖学的軸に対して、関節のための外科手術アライメントを決定することができる。患者の解剖学的構造に対して既知のアライメントを有する外科軸の位置は、複数の個人の関節のデータに基づき識別されうる。例えば、データベースは、複数の関節の組の特性、および各関節に対する既知の位置における外科手術アライメントの位置を示す関節データを格納することができる。格納されている関節データとその組に含まれていない関節のデータとの間の相関関係を使用して、その組に含まれていない関節に対する特定の傾斜角度および前傾角度に対応する位置を決定することができる。
同じ種類の関節について、例えば、異なる患者の股関節について、関節の運動の範囲は、類似の特性を有するものとしてよい。例えば、股関節の運動の範囲の限界に一般的に対応する領域は、特徴的な形状を有するものとしてよい。したがって、異なる股関節の運動の範囲の表現は、類似の形状および対応する特徴を示すことができる。
関節の組に対するデータを取得することができ、これはその組に含まれるそれぞれの関節の運動の範囲を記述するデータを含む。既知の傾斜角度および前傾角度を有する軸などの、１つまたは複数のアライメントが、その組に含まれるそれぞれの関節について決定されうる。それぞれの関節の運動の範囲に対する軸の位置を決定し、格納することができる。
異なる関節に対する運動の範囲の間の関係は、運動の範囲の共通点に基づき決定されうる。例えば、第１の関節に対する運動の第１の範囲を記述する関節データを異なる第２の関節の運動の第２の範囲を記述する関節データと比較することができる。特定の傾斜角度および特定の前傾角度を有する軸の位置が運動の第１の範囲に対して既知の場合、同じ傾斜角度および同じ前傾角度を有する、対応する位置は、運動の第２の範囲に対して決定されうる。
格納されているデータを使用することで、格納されているデータに記述されていない異なる関節１０について外科手術アライメントを決定することができる。関節１０に対する運動の範囲が測定され、制御ユニット５０は、運動の測定された範囲をデータベース中に記述されている関節の運動の格納されている範囲と比較する。関節１０に対する運動の測定された範囲と他の関節に対する運動の格納されている範囲との間の共通点に基づき、制御ユニット５０は、運動の範囲に対して、他の関節のための固着軸の位置に対応する、関節１０のための固着軸を選択する。例えば、格納されているデータは、複数の関節の運動の各範囲に対して、４５度の傾斜角度および１５度の前傾角度を有する軸の位置を示すことができる。格納されている関節データは、関節１０について、関節１０の運動の範囲についての情報を使用して、同じ傾斜角度および前傾角度を有する軸を識別するために使用されうる。
格納されている関節データを使用して、関節に対する外科手術アライメントを計算することによって、外科手術アライメントは、素早く、また関節の撮像データを必要とすることなく、決定できる場合が多い。患者は、関節を撮像する費用を負担せず、またＣＴスキャンを伴う被曝を回避する。外科手術アライメントは、カスタマイズされたガイドを使用せず、また寛骨臼の解剖学的基準を外科医が手作業で識別することを必要とせずに、決定することもできる。
関節データを取得する例、データを分析する例、および外科手術時にこのデータを使用して器具のアライメント調整を行う例を以下で説明する。
２．１ 関節データの取得
システム１００は、外科医の後の手術を補助するために使用されうる関節データを取得するために使用されうる。一例として、システム１００は、股関節データのデータベースに収められうる、複数の股関節の固着軸についてのデータを取得するために使用されうる。いくつかの実施では、股関節データは、患者特有のガイドを使用した股関節の測定を通じて取得される。
図８を参照すると、データベース内に記述される関節２００が例示されている。システム１００は、関節２００の運動の範囲に対する情報を取得する。外科医は、互いに対して移動可能であり、関節２００に対して固定されている位置に配置される、２つの基準を確立する。例えば、外科医は、第１のＥＭ場センサ２１０および第２のＥＭ場センサ２１２を関節２００に対して異なる定位置に植え込む。第１のセンサ２１０は、寛骨臼２０４の外の、骨盤２０２に取り付けられ、骨盤２０２とともに移動する。第２のセンサ２１２は、大腿骨２０６、例えば、大腿骨２０６の大転子２０８の先端部に取り付けられ、大腿骨２０６とともに移動する。その結果、骨盤２０２に対する大腿骨２０６の移動により、センサ２１０、２１２は互いに対して移動する。
外科医は、センサ２１０、２１２の両方がＥＭ場発生装置２１の可動範囲内に入るように識別装置２０を位置決めする。制御ユニット５０は、ＥＭ場発生装置２１に対するセンサ２１０、２１２の位置を示す信号をセンサ２１０、２１２から受信する。制御ユニット５０は、ユーザインターフェース５２上に、関節２００の表現２００´などの、情報を表示することができる。
図９を参照すると、外科医は、運動の範囲にわたって関節２００を移動する。制御ユニット５０は、関節２００の複数の異なる位置で、センサ２１０、２１２の相対的ロケーションを記録する。センサ２１０、２１２の位置は同じ基準、識別装置２０に対して既知のため、制御ユニット５０は、互いに対してセンサ２１０、２１２のロケーションを決定することができる。制御ユニット５０は、例えば、第１のセンサ２１０を固定された基準点として指定し、第１のセンサ２１０に対する第２のセンサ２１２の異なる測定されたロケーションを記録することができる。記録されたロケーションは、三次元座標系内の第１のセンサ２１０に対する第２のセンサ２１２の位置を示す点２２０によって表されうる。関節２００および点２２０の位置は、ユーザインターフェース５２上に表示されるか、または他の何らかの形で示されうる。
制御ユニット５０は、互いに対してセンサ２１０、２１２の異なるロケーションを記録し、それぞれ関節２００の異なる位置に対応する。制御ユニット５０は、センサ２１０、２１２が運動している間、またはセンサ２１０、２１２が静止している間、位置を記録することができる。外科医は、制御ユニット５０にセンサ２１０、２１２の現在位置を記録させるコントロールを手作業で係合させることができる。あるいは、制御ユニット５０は、関節２００の異なる位置で、例えば、定義された時間間隔で、または位置の変化が検出された後に、センサ２１０、２１２の異なるロケーションを自動的に記録することができる。
外科医が関節２００を運動の範囲にわたって移動するステップは、関節２００の運動の範囲の限界点のところ、またはその近くの位置への移動を含みうる。制御ユニット５０は、運動の範囲の限界点のところ、またはその近くの関節２００の位置に対応するセンサ２１０、２１２の１つまたは複数のロケーションを記録する。したがって、記録された点２２０は、関節２００の運動の範囲の限界点のところの関節２００の位置に実質的に対応する外れ点２２１を含みうる。例えば、外れ点２２１は、運動の範囲の限界が外れ点２２１を使用して近似できるような位置に対応しうる。制御ユニット５０は、外れ点２２１を識別し、外れ点２２１の間の線分または曲線線分を補間して、三次元内の運動の範囲の限界に実質的に対応する経路を定義することができる。
いくつかの実施では、関節２００の１つまたは複数のキー位置に対応する点２２０が記録される。制御ユニット５０は、例えば、股関節屈曲、股関節伸展、股関節過伸展、股関節外転、股関節内転、股関節外旋、および股関節内旋のうちの１つまたは複数の限界点に実質的に対応するセンサ２１０、２１２の１つまたは複数の位置を記録することができる。
図１０Ａから図１０Ｃを参照すると、制御ユニット５０は、点２２０に基づく表現を生成する。例えば、この表現は、点２２０のロケーションを近似する三次元表面の特徴を含むことができる。本明細書で使用されているように、表現は、データ構造体とすることができる。表現は、限定はしないが、画像表示用にレンダリングすることができるものとしてよい。表面を計算するために、制御ユニット５０は、通常の最小２乗アルゴリズムまたは全体最小２乗アルゴリズムなどの、データフィッティング法（例えば、カーブフィッティング法または非線形回帰法）を使用して、点２２０の間で補間され、および／または点２２０から推定された表面を計算することができる。
例えば、点２２０に基づき生成される表面は、点２２０の広がり内にある領域を通して延在するように計算された、関節２００の周りの球体２３０とすることができる。制御ユニット５０は、カードフィッティング法を点２２０に適用して（ｉ）球体２３０の中心点２３２の位置および（ｉｉ）球体２３０の半径を含むパラメータを選択することによって球体２３０を生成することができる。したがって、球体２３０は、点２２０から推定されたデータフィッティングであり、点２２０への最適な、または正確な適合である必要はない。中心点２３２は、関節２００の回転の中心に対応する。
制御ユニット５０は、点２２０の広がり内にある領域を近似する運動の範囲の表面２３４を計算する。表面２３４は、点２２０のすべて、または実質的にすべての広がり内にある領域を近似することができる。言い換えると、実質的にすべての記録された点２２０について、中心点２３２および特定の点２２０を通る直線軸は、表面２３４と交差するということである。表面２３４は、外れ点２２１を実質的な境界とすることができる。表面２３４は、球体２３０の一部であってよく、外れ点２２１を近似する境界２３７を有することができる。したがって、境界２３７は、運動の範囲にわたって関節２００の移動中にセンサ２１２の記録されたロケーションの限界に実質的に対応し、境界２３７はセンサ２１２の移動の限界点を近似するトレースまたは経路を形成しうる。関節の運動の範囲の特性を示す表面２３４などの表面は、本明細書では、関節に対する運動の範囲の表面と称される。
点２２０のロケーションは、第１のセンサ２１０に対して測定されるため、表面２３４、球体２３０、および中心点２３２の位置は、第１のセンサ２１０に対して既知である。制御ユニット５０は、互いに対する計算された表面２３４、球体２３０、測定された点２２０、および中心点２３２をユーザインターフェース５２上に示すことができる。
図１１Ａを参照すると、外科医が、関節２００を外し、カスタムガイド２６０を寛骨臼２０４内に挿入する。ガイド２６０は、関節２００についての手術前の撮像データに基づき寛骨臼２０４に実質的に形状適合するように手術前に形成される。ガイド２６０は、関節２００に対する固着軸２７０の位置を示す。固着軸２７０は、関節２００の撮像データに基づき患者の解剖学的構造に対して決定された既知の傾斜角度および既知の前傾角度を有する。例えば、ガイド２６０は、ガイド２６０が関節と嵌合した場合に、固着軸２７０が１５度の傾斜角度および４５度の前傾角度、または別の既知の傾斜角度もしくは前傾角度を有するように固着軸２７０の位置を示すことができる。
ガイド２６０が関節２００内の適所にある間に、識別装置２０を使用してガイド２６０によって示される固着軸２７０の位置を決定する。例えば、固着軸２７０のアライメントは、図５Ｂに対して上で説明されている技術を使用して、固着軸２７０に沿ってアライメントを調整された第３のセンサ２１４を使用してすでに植え込まれている第１のセンサ２１０に対して決定される。あるいは、識別装置２０は、図５Ａに対して説明されているように、固着軸２７０に対してアライメントを調整される。
あるいは、関節２００の固着軸２７０は、ガイド２６０を必要としない他の技術を使用して、例えば、図２１Ａおよび図２１Ｂに示されている技術を使用して、決定されうる。
図１１Ｂを参照すると、制御ユニット５０は、固着軸２７０が表面２３４と交差する交点２３６のロケーションを決定する。上で説明されているように、制御ユニット５０は、表面２３４の位置および同じ基準、第１のセンサ２１０に対する固着軸２７０の位置を決定した。そこで、制御ユニット５０は、第１のセンサ２１０に関連して、表面２３４に対する固着軸２７０の位置を示す、交点２３６のロケーションを計算することができる。
制御ユニット５０は、表面２３４の特性を示すデータ、例えば、境界２３７の形状および表面２３４の曲率を記述するデータを記録する。制御ユニット５０は、球体２３０の半径および表面２３４に対する球体２３０の中心点２３２のロケーションを示すデータを記録することもできる。制御ユニット５０は、表面２３４に対する交点２３６のロケーションを示すデータも記録する。中心点２３２と交点２３６とが一緒になって固着軸２７０を画成し、これにより、表面２３４に対する固着軸２７０の位置を示す。制御ユニット５０は、固着軸２７０の傾斜角度および前傾角度も記録する。
関節２００について説明されている測定および計算は、異なる患者の股関節について繰り返すことができる。いくつかの実施では、異なる関節のデータが取得されると、大腿骨に配置されている基準を大体において一貫している位置に置いて、異なる股関節からのデータの比較を行いやすくすることができる。例えば、基準は、大腿骨の大転子の先端部に一貫して置くことができる。基準は、代替的に、別の解剖学的ロケーション、例えば、大転子の異なる部分、大腿ネックの特定の部分、または小転子のところもしくはその近くに置くことができる。
骨盤に配置されているセンサの位置に関係なく、運動の範囲の表面は、一般的に比較できる形状を有する。骨盤に対して固定ロケーションに配置されているセンサの位置は、記録されたデータを比較できるかどうかに影響を及ぼすことなく関節毎に変化しうる。
２．２ 取得されたデータの分析
図１２Ａを参照すると、制御ユニット５０を備えていても、備えていなくてもよい、コンピュータシステム３１０は、１つまたは複数のストレージデバイスから複数の関節を記述したデータにアクセスする。例えば、コンピュータシステム３１０は、異なる股関節を記述したデータを格納しているデータベース３００にアクセスすることができる。簡単のため、それぞれの関節のデータは、記録と称される。それでも、データは特定の形式で格納される必要はなく、適切なデータ構造体またはストレージシステムに格納されうる。複数の関節のデータは、単一のデータ構造体に格納することができ、また単一の関節のデータは、多くの異なるデータ構造体上に分散させることができる。
データベース３００は、それぞれ異なる関節の特性を記述する複数の記録３０２ａ〜３０２ｃを格納する。したがって、記録３０２ａ〜３０２ｃは、異なる個人の異なる股関節に対する情報を含みうる。それぞれの記録３０２ａ〜３０２ｃは、（１）股関節に対する運動の範囲および（２）運動の範囲に対する股関節に対する１つまたは複数の固着軸などの１つまたは複数のアライメントの位置を記述している。
それぞれの記録３０２ａ〜３０２ｃは、股関節に対する三次元の運動の範囲の表面３０４ａ〜３０４ｃおよび交点３０６ａ〜３０６ｃのロケーションを記述することができる。交点３０６ａ〜３０６ｃは、固着軸が対応する表面３０４ａ〜３０４ｃと交差するロケーションを示すことができる。いくつかの実施では、それぞれの記録３０２ａ〜３０２ｃは、対応する股関節の回転の中心に対応する中心点のロケーションを示すこともできる。あるいは、股関節に対する回転の中心点は、運動の範囲の表面３０４ａ〜３０４ｃから計算されうる。それぞれの記録３０２ａ〜３０２ｃは、交点３０６ａ〜３０６ｃおよび対応する中心点によって画成された固着軸に対する傾斜角度および前傾角度を示すこともできる。
いくつかの実施では、交点３０６ａ〜３０６ｃによって表される固着軸は、同じ傾斜角度および同じ前傾角度を有することができる。例えば、それぞれの交点３０６ａ〜３０６ｃは、例えば対応する股関節について４５度の傾斜角度および１５度の前傾角度を有する軸の交点に対応するロケーションを示すことができる。
図１２Ａおよび図１２Ｂを参照すると、コンピュータシステム３１０は、記録３０２ａ〜３０２ｃ内の関節データの間の関係を識別する。例えば、コンピュータシステム３１０は、異なる関節に対する運動の範囲の表面３０４ａ〜３０４ｃの間の相関関係を識別することによって関節の運動の範囲の間の相関関係を識別する。コンピュータシステム３１０によって識別された相関関係は、例えば、運動の範囲の表面３０４ａ〜３０４ｃの対応するランドマークなどの、運動の範囲の表面３０４ａ〜３０４ｃの間の共通点を含みうる。ランドマークは、運動の範囲の表面３０４ａ〜３０４ｃの境界３０５ａ〜３０５ｃの一部分（例えば、縁）を含みうる。
コンピュータシステム３１０は、これらの相関関係を使用して、共通基準座標系内の運動の範囲の表面３０４ａ〜３０４ｃのアライメントを調整する。運動の範囲の表面３０４ａ〜３０４ｃは、座標系に対して個別にアライメントを調整されるか、または互いに対して直接的にアライメントを調整されうる。いくつかの実施では、コンピュータシステム３１０は、運動の範囲の表面３０４ａ〜３０４ｃを共通曲率半径に合わせてスケーリングすることもできる。
図１３を参照すると、座標系内の表面３０４ａ〜３０４ｃのアライメントを調整する技術の一例は、それぞれの表面３０４ａ〜３０４ｃのランドマークに対して軸の位置を決定するステップを含む。ランドマークは、例えば、表面３０４ａ〜３０４ｃの境界３０５ａ〜３０５ｃ全体、境界３０５ａ〜３０５ｃのセグメント、または境界３０５ａ〜３０５ｃの特定の点を含むことができる。最大点および最小点は、境界上にある変曲点とともに、識別され、ランドマークとして使用することもできる。コンピュータシステム３１０は、異なる表面３０４ａ〜３０４ｃのランドマークを識別し、ランドマークを使用してそれぞれの表面３０４ａ〜３０４ｃを座標系に対してアライメント調整する。ランドマークは運動の範囲の表面毎に形状および位置が異なることがあるけれども、使用されるランドマークは、大半の運動の範囲の表面内に存在する可能性の高い運動の範囲の表面の特性とすることができ、したがって異なる表面の間の相関関係を示しうる。
図１３の例において、コンピュータシステム３１０は、運動の範囲の表面３０４ａの第１のランドマーク３０７ａおよび第２のランドマーク３０８ａを識別する。コンピュータシステム３１０は、ランドマーク３０７ａ、３０８ａを通じて軸Ｙ１を画成する。コンピュータシステム３１０は、第１のランドマーク３０７ａおよび第２のランドマーク３０８ａに対応するランドマークを識別することによって他の運動の範囲の表面３０４ｂ、３０４ｃとの相関関係を識別する。他の運動の範囲の表面３０４ｂ、３０４ｃのそれぞれについて、コンピュータシステム３１０は、対応する第１のランドマーク３０７ｂ、３０７ｃおよび対応する第２のランドマーク３０８ｂ、３０８ｃを識別する。コンピュータシステム３１０は、対応するランドマークに基づきそれぞれの表面３０４ｂ、３０４ｃについて、軸Ｙ２、Ｙ３をそれぞれ画成する。それぞれの表面３０４ａ〜３０４ｃについて、コンピュータシステム３１０は、第１のランドマーク３０７ａ〜３０７ｃと第２のランドマーク３０８ａ〜３０８ｃとの間の距離の中点３０９ａ〜３０９ｃも決定する。
コンピュータシステム３１０は、共通軸Ｙに沿って軸Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３のそれぞれのアライメントを調整する。コンピュータシステム３１０は、中点３０９ａ〜３０９ｃがそれぞれ軸Ｘと交差するように表面３０４ａ〜３０４ｃのアライメントも調整し、これにより、中点をＸ−Ｙ座標系の原点に配置する。対応するランドマークを使用して運動の範囲の表面３０４ａ〜３０４ｃのアライメントを調整することによって、表面３０４ａ〜３０４ｃの間の相関関係が座標系内で互いに対して表面３０４ａ〜３０４ｃの結果の位置に反映される。表面３０４ａ〜３０４ｃは、同じ基準による同じ基準システムに合わせてアライメントを調整されることで、互いに対してもアライメントを調整される。図には２本の軸しか示されていないけれども、運動の範囲の表面３０４ａ〜３０４ｃは、運動の範囲を三次元で記述することができ、上で説明されているようなアライメント調整は、表面３０４ａ〜３０４ｃを座標系の３つの次元に向き付けることができる。
コンピュータシステム３１０は、示されているものを超える追加の相関関係を使用して、運動の範囲の表面３０４ａ〜３０４ｃを向き付けることもできる。例えば、コンピュータシステム３１０は、追加のランドマークに基づき運動の範囲の表面３０４ａに対して第２の軸Ｎを決定することができ、軸Ｎと軸Ｙ１とがなす角度θを決定することができる。対応する角度は、他の運動の範囲の表面３０４ｂ、３０４ｃについて決定され、それぞれの表面３０４ａ〜３０４ｃのアライメントを座標系に対して調整するために使用されうる。コンピュータシステム３１０は、ランドマーク間の距離、ランドマーク間の角度、表面３０４ａ〜３０４ｃの面積、および表面３０４ａ〜３０４ｃを向き付ける他の特徴のうちの共通のものを使用することができる。それに加えて、座標系の軸は、表面３０４ａ−３０４ａのアライメントを調整する場合にランドマークと交差する必要はなく、軸とランドマークとの間のさまざまな異なる関係が確立されうる。
それぞれの表面３０４ａ〜３０４ｃのアライメントを座標系に対して個別に調整するのではなく、表面３０４ａ〜３０４ｃの対応するランドマークのアライメントを互いに対して直接調整することができる。いくつかの実施では、運動の範囲の表面３０４ａ〜３０４ｃは、データフィッティング法を使用して、互いに対してアライメントを調整される。データフィッティングを使用して、さまざまな表面３０４ａ〜３０４ｃの境界３０５ａ〜３０５ｃの間の共通点、境界３０５ａ〜３０５ｃの特定のランドマーク特徴、または表面３０４ａ〜３０４ｃの広がり内の面積に基づき互いに対して表面３０４ａ〜３０４ｃのアライメントを調整することができる。例えば、データフィッティングを使用して、対応するランドマークの位置の間の総合誤差を最小化する表面３０４ａ〜３０４ｃの位置を決定することができる。いくつかの実施では、特定のランドマークを識別する必要はなく、表面３０４ａ〜３０４ｃの境界３０５ａ〜３０５ｃ全体または領域がデータフィッティングを通じてアライメントを調整される。
次に図１２Ｃを参照すると、コンピュータシステム３１０は、関節データに基づき複合表現３２０を生成する。複合表現３２０は、一般化された運動の範囲および一般化された運動の範囲に対する一般化された固着軸の位置に対する情報を含む。コンピュータシステム３１０は、運動の範囲の表面３０４ａ〜３０４ｃの間の相関関係を使用して、一般化または複合表現３２０を決定する。例えば、コンピュータシステム３１０は、対応するランドマークに基づき共通基準システムに合わせてアライメントを調整されている表面３０４ａ〜３０４ｃの位置を使用して、複合表現３２０を決定する。
表面３０４ａ〜３０４ｃは、本明細書では、対応する特徴の間の相関関係に基づく表面３０４ａ〜３０４ｃのアライメントが既知の場合に相関していると称される。したがって、相関している表面３０４ａ〜３０４ｃについて、コンピュータシステム３１０は、例えば、基準システムに対するそれぞれの表面３０４ａ〜３０４ｃの位置を示すデータを格納する。
複合表現３２０は、運動の範囲の表面３０４ａ〜３０４ｃの境界３０５ａ〜３０５ｃに基づき計算された運動の複合範囲の表面３２２を含みうる。運動の複合範囲の表面３２２の境界３２５を決定するために、コンピュータシステム３１０は、例えばデータフィッティングを使用して、全体として相関する表面３０４ａ〜３０４ｃに対して最小誤差で境界３２５を決定する。コンピュータシステム３１０は、代替的に、複数の表面３０４ａ〜３０４ｃの境界３０５ａ〜３０５ｃの平均または加重平均を決定する。
コンピュータシステム３１０は、記録３０２ａ〜３０２ｃに記述されている関節に対する衝撃軸の交差も分析する。コンピュータシステム３１０は、相関する表面３０４ａ〜３０４ｃの衝撃軸が運動の複合範囲の表面３２２と交差する交点３２４ａ〜３２４ｃを計算する。異なる衝撃軸に対応する交点３２４ａ〜３２４ｃから、コンピュータシステム３１０は、複合表面３２２上で最良適合交点３２６を決定する。例えば、コンピュータシステム３１０は、交点３２４ａ〜３２４ｃに対する最小誤差点となるように交点３２６を計算する。
記録３０２ａ〜３０２ｃの交点３０６ａ〜３０６ｃは、それぞれ、特定の傾斜角度および前傾角度（例えば、４５度および１５度）を有する軸の位置を示すことができる。その結果、交点３２６は、同じ傾斜角度および前傾角度（例えば、４５度および１５度）を有する軸の複合表面３２２を通る交差を表す。記録３０２ａ〜３０２ｃが、例えば、４５度と１５度、５０度と２０度、５０度と１５度などの傾斜角度および前傾角度のさまざまな組み合わせで異なる軸の交差を示している場合、複合表現３２０は、異なる軸のそれぞれに対する複合表面３２２上の交点を含みうる。
コンピュータシステム３１０は、運動の複合範囲の表面３２２に対する固着軸の位置に対する統計的信頼水準を示す複合交点３２６の周りに延在する領域３３０、３３１、３３２を識別する。例えば、コンピュータシステム３１０は、それぞれが運動の複合範囲の表面３２２の異なる部分を囲み、相関する記録３０２ａ〜３０２ｃの固着軸からの特定の割合の交差部分を含む、複数の領域３３０、３３１、３３２を識別する。第１の領域３３０、第２の領域３３１、および第３の領域３３２は、それぞれ、運動の複合範囲の表面３２２を通る相関する記録３０２ａ〜３０２ｃの固着軸の交点３２４ａ〜３２４ｃの例えば、９０％、９５％、および９９％を含みうる。
データベース３００は、個別の関節を記述している複合表現３２０と記録３０２ａ〜３０２ｃの両方を含みうる。複合表現３２０は、例えば、運動の複合範囲の表面３２２および複合、固着軸に対する交点３２６を示す情報を含むことができる。表面３２２に対する回転の中心点３２８（図１３を参照）および表面３２２の曲率半径は、両方とも、表面３２２から導くことができ、格納することもできる。
交点３２６および回転の中心点３２８は、運動の複合範囲の表面３２２に対する複合軸３２９（図１３を参照）の位置を画定する。こうして、複合軸３２９は、記録３０２ａ〜３０２ｃにおいて記述されている関節に対する運動の範囲に対する、それぞれ同じ既知の傾斜角度および前傾角度にある、固着軸の位置の間の類似性に基づく。その結果、複合軸３２９は、複合表面３２２に対して傾斜角度および前傾角度の特定の組（例えば、４５度の傾斜角度および１５度の前傾角度）を有する軸を表す。いくつかの実施では、それぞれ傾斜角度と前傾角度の異なる組に対応する、複数の複合軸が画成されうる。
２．３ 格納されているデータを使用するアライメント調整
システム１００は、手術を受けている関節の撮像データを必要とすることなく、データベース３００内の股関節データを使用して固着軸の位置を決定することによって外科医を補助することができる。データベース３００内のデータは、データベース３００内の記録３０２ａ〜３０２ｃに記述されていない関節に対する固着軸の位置を決定するために使用される。
関節に対する固着軸は、固着軸に沿った２つの点、関節の計算された回転の中心および関節の運動の範囲の限界に対して決定された第２の点を決定することによって画成されうる。データベース３００内のデータは、関節に対する既知の傾斜角度および前傾角度の、これらの関節に対する運動の範囲に対する、１つまたは複数の固着軸の位置を示す。固着軸とデータベース３００内に記述されている関節の運動の関連付けられている範囲との間の関係を使用して、データベース３００に記述されていない関節に対する固着軸に沿った第２の点の向きを決定する。関節に対する撮像データは、関節に対する固着軸の軌跡を判定するために必要なものではない。
図１４Ａを参照すると、外科医は、関節４００に対して固定され、関節４００が移動する場合に互いに対して移動可能である位置に２つの基準を設定する。例えば、外科医は、第１のＥＭ場センサ４２０を骨盤４０２に植え込み、第２のＥＭ場センサ４２２を大腿骨４０６の大転子４０８の先端部に植え込む。外科医は、センサ４２０、４２２がＥＭ場発生装置２１の可動範囲内に入っている間に運動の範囲にわたって関節４００を移動する。制御ユニット５０は、関節４００の運動の範囲の限界点の位置を含む、関節４００の複数の位置におけるセンサ４２０に対するセンサ４２２のロケーション４２４を記録する。関節４００または点４２６の画像または他の表現４００´、４２４´、または他のデータをユーザインターフェース５２上に提示することができる。
図１４Ｂを参照すると、図１０Ａについて説明されているように、制御ユニット５０は、測定されたロケーション４２４に基づき、球体４３０などの表面を計算する。制御ユニット５０は、関節４００の運動の中心に対応する、球体４３０の中心点４３２を計算する。制御ユニット５０は、球体４３０の一部であってもよい、運動の範囲の表面４３４も計算する。運動の範囲の表面４３４は、関節４００が運動の範囲にわたって移動する場合にセンサ４２２の測定されたロケーション４２４の広がり内の領域を近似する。球体４３０、表面４３４、測定されたロケーション４２４、回転の中心４３２の位置は、ユーザインターフェース５２上に表示されるか、または他の何らかの形で示されうる。
図１５を参照すると、制御ユニット５０は、固着軸４４６が運動の範囲の表面４３４と交差する交点４４０を決定する。交点４４０および中心点４３２は、関節４００に対する固着軸４４６の位置を画定する。交点４４０を識別するために、制御ユニット５０は、データベース３００からのデータを使用する。制御ユニット５０は、内部記憶媒体上にデータベース３００を格納することができる。それに加えて、または代替的に、制御ユニット５０は、ネットワーク上の、または取り外し可能な媒体からのデータベース３００にアクセスする。
表面４３４上の交点４４０のロケーションは、複合表面３２２上の交点３２６のロケーションに基づき決定されうる。例えば、制御ユニット５０は、複合表面３２２に対して、交点３２６に対応する点４４０を表面４３４上に配置することができる。対応する点４４０は、例えば、点３２６が複合表面３２２の境界３２５に対して有しているような表面４３４の境界４３５に対する類似のロケーションを有する点であってよい。
固着軸４４６の位置は、表面３２２、４３４の幾何学的形状の相似性に基づき決定されうる。例えば、複合表面３２２の境界３２５に対する交点３２６の位置は、関節４００のための表面４３４の境界４３５に対して、固着軸４４６の対応する交点４４０を決定するために使用される。制御ユニット５０は、複合表面３２２のランドマーク３２７を識別し、交点３２６とランドマーク３２７との間の相対的距離を決定することができる。次いで、制御ユニット５０は、複合表面３２２のランドマーク３２７に対応する表面４３４のためのランドマーク４３７を識別することができ、表面４３４のためのランドマーク４３７に対して類似の相対的距離を有するロケーションに交点４４０を画定することができる。
例えば、制御ユニット５０は、図１３について説明されているのと似た方法で互いに対して２つの表面４３４、３２２のアライメントを調整することができる。制御ユニット５０は、例えば、対応するランドマーク４３７、３２７および対応する境界３２５、４３５を含む表面３２２、４３４の間の相関関係を使用して共通基準座標系内で表面３２２、４３４を向き付ける。制御ユニット５０は、例えば、表面３２２、４３４の境界３２５、４３５の間の最小誤差、表面３２２、４３４の領域の最大重なり度、表面３２２、４３４のランドマーク４３７、３２７のアライメント、またはこれらの基準および他の基準の組み合わせに基づき表面３２２、４３４のアライメントを調整することができる。２つの表面３２２、４３４が互いに対して向き付けられた後、複合表面３２２上の交点３２６は、運動の範囲の表面４３４上の対応するロケーションと一致する。こうして、交点４４０は、表面３２２、４３４が対応する特徴に基づきアライメントを調整される場合に交点３２６のロケーションとして選択されうる。
いくつかの実施では、交点４４０は、複数の関節の複合表現３２０ではなくむしろ個別の関節を記述する記録３０２ａ〜３０２ｃを使用して決定される。例えば、制御ユニット５０は、異なる関節に対する１つまたは複数の記録３０２ａ〜３０２ｃにアクセスし、記録３０２ａ〜３０２ｃに記述されている１つまたは複数の交点３２４ａ〜３２４ｃに基づき交点４４０のロケーションを決定することができる。制御ユニット５０は、記録３０２ａ〜３０２ｃのサブセット、例えば、運動の範囲の表面４３４への高い類似度に基づき制御ユニット５０が選択する記録のサブセットを使用して交点を決定することもできる。
いくつかの実施では、異なる患者に対して異なる複合表現が使用される。例えば、異なる複合表現は、大腿ネックの長さが小、中、または大である患者についてアクセスされうる。それぞれの複合表現は、運動の範囲の表面が特定の範囲内の曲率半径を有する関節を記述するデータを使用して生成されうる。特定の範囲内の曲率半径を有する患者について、適切なインプラントは、対応する範囲内の大腿ネック長を有することがあり得る。同様に、特定の範囲内の曲率半径は、特定の範囲の大腿骨ステムのサイズに対応しうる。
関節４００のための交点４４０を決定するために、制御ユニット５０は、関節４００の運動の範囲の表面４３４の曲率半径に最も適している複合表現を選択する。したがって、交点は、手術を受ける関節に類似する特性を有する関節の特性に基づき決定されうる。それに加えて、それぞれの異なる複合表現は、異なる大腿骨インプラントサイズまたは大腿骨インプラントサイズの範囲に対応しうる。制御ユニット５０は、交点４４０を計算するために使用される特定の複合表現に基づき、または運動の範囲の表面４３４の曲率半径に基づき、または関節４００の運動の範囲の他の態様に基づき、関節４００に適している特定の大腿骨インプラントまたはインプラント特性を外科医に提案することができる。
図１６を参照すると、制御ユニット５０は、関節４００の回転の中心に対応する点４３２を通る、また運動の範囲の表面４３４上に配置されている交点４４０を通る関節４００に対する固着軸４４６を画成する。運動の範囲の表面４３４、回転の中心点４３２、および第２の点の位置は、すべて第１のセンサ４２０に対して既知である。したがって、システム１００を使用して、第１のセンサ４２０の基準フレーム内の固着軸４４６に対して器具３０のアライメントを調整することができる。
固着軸４４６は、複合軸３２９に対応するように選択されているので、固着軸４４６の傾斜角度および前傾角度も既知である。複合軸３２９は、既知の傾斜角度および前傾角度を表す。固着軸４４６は、複合軸３２９が複合表面３２２に対して有するような運動の範囲の表面４３４に対する対応する位置を有するため、固着軸４４６は、複合軸３２９と同じ傾斜角度および前傾角度を有する。したがって、解剖学的基準に対して既知の、固着軸４４６の位置は、器具３０の位置が解剖学的基準に対して決定されうる基準軸として使用されうる。
制御ユニット５０は、図５Ａおよび図５Ｂについて上で説明されているような器具のアライメントを計算し、図６、図７Ａ、および図７Ｂに対して説明されているようにユーザインターフェース５２上に器具３０のアライメントの指示を出力する。制御ユニット５０は、器具のアライメントがデータベース３００に記述されている関節に対するアライメントにどれくらい近いかを示す固着軸４４６に対する許容範囲も表示する。例えば、制御ユニット５０は、データベース３００に記述されている特定の割合の固着軸の交差を含む領域３３０、３３１、３３２を示すことができる。例えば、それぞれ関節記録３０２ａ〜３０２ｃのサンプルの組で記述されている固着軸の少なくとも９０％、９５％、および９９％を含む領域３３０、３３１、３３２が示されうる。領域３３０、３３１、３３２の境界は、制御ユニット５０によってアクセスされるか、または制御ユニット５０によって決定されうる。
固着軸４４６に対する器具３０のアライメントを示すことに加えて、制御ユニット５０は、関節４００の寛骨臼のリーミングに対する好ましいリーミング深さと現在のリーミング深さとを示すことができる。上で説明されているように、制御ユニット５０は、寛骨臼シェルの固着の後に関節４００の回転の中心が関節４００の回転の元の中心点４３２、または回転の中心点４３２からの所望のオフセットのところに配置されるような好ましいリーミング深さを計算する。また、制御ユニット５０は、固着軸４４６に対する位置に基づき、器具３０の前傾角度および傾斜角度を表示することができる。
いくつかの実施では、制御ユニット５０は、関節４００に対する運動の範囲の表面４３４の形状およびサイズを複合表面３２２と比較する。運動の範囲の表面４３４が、運動の複合範囲の表面３２２の閾値類似レベルから外れている場合、制御ユニット５０は、その違いをユーザインターフェース５２に示す。例えば、制御ユニット５０は、表面３２２、４３４の間の違いに基づき、関節４００が１つまたは複数の態様において異常に曲がりやすいと判定することができ、これは再建された関節４００の安定性を確実にするために特別な配慮を保証しうる。そこで、制御ユニット５０は、再建された関節４００が脱臼しがちにならないようにするために手術への注意または調整が必要であることを外科医に警告することができる。制御ユニット５０は、異常を補償するために計算された特定の傾斜角度または前傾角度の使用を提案するなど、運動特性の異常な範囲を補償することを提案することができる。
（３）大腿骨表面再建のためのアライメント
外科医は、システム１００を使用して大腿骨が大腿骨インプラントを受け入れるよう準備することができる。大腿ネックの位置および寸法に対する入力を使用して、システム１００は、大腿骨ガイドピンの軸を計算する。大腿ネックは手術中に測定することができるため、関節の撮像データは不要である。システム１００は、軸に沿ってガイドピンの取り付けを案内するように計算された軸に対して器具のアライメントも示す。次いで、取り付けられたガイドピンを使用して、大腿骨頭をリーミングすることができる。
図１７を参照すると、外科医は、関節４００の大腿骨４０６に対して固定ロケーションに基準を確立する。例えば、関節４００の運動の範囲を決定するためにすでに使用されている、センサ４２２は、大腿骨４０６の大転子４０８のところに保持されうる。センサ４２２は、大腿骨頭４０９および大腿ネック４１０の表面再建または大腿骨インプラントの植え込みへの干渉を避けるように配置されうる。大腿骨４０６およびセンサ４２２は、ＥＭ場発生装置２１の可動範囲内に移動される。
外科医は、大腿ネック４１０を露出させて、測定する。例えば、外科医は、大腿ネック４１０をＥＭ場センサ４５２に結合されたプローブ４５０と接触させることによって大腿ネック４１０の表面上の異なるロケーション４５６を測定する。プローブ４５０は、大腿ネック４１０と接触する、狭い先端部などの、端部４５４を備える。プローブ４５０の端部４５４のロケーションは、プローブ４５０のセンサ４５２に対して知られており、固定されている。例えば、センサ４５２と端部４５４との間の距離は知られており、これにより、制御ユニット５０はセンサ４５２が発生する信号に基づき端部４５４の位置を決定することができる。
プローブ４５０の端部４５４が大腿ネック４１０と接触している状態で、外科医はボタン４５１を押すか、または別のトリガを作動させて、制御ユニット５０にセンサ４２２に対するセンサ４５２の現在位置を記録させる。制御ユニット５０は、端部４５４に対するプローブ４５０のセンサ４５２の位置を決定し、大腿ネック４１０に接触している端部４５４のロケーション４５６を格納する。外科医は、プローブ４５０を移動し、大腿ネック４１０の周りの追加のロケーション４５６を記録する。
いくつかの実施では、制御ユニット５０は、プローブ４５０が大腿ネック４１０と係合することに応答してロケーション４５６を自動的に記録する。プローブ４５０の端部４５４は、感圧素子または押下可能な要素などの、接触に反応する要素を備えることができる。端部４５４との接触が生じた場合に、プローブ４５０は信号を制御ユニット５０に送信し、これにより制御ユニット５０はプローブ４５０の現在位置を記録することになる。そのため、外科医が端部４５４を大腿ネック４１０に当接させると、制御ユニット５０は、接触したロケーション４５６を自動的に記録する。
ロケーション４５６が測定されると、制御ユニット５０は、プローブ４５０の位置を示し、例えば、ユーザインターフェース５２上に大腿骨４０６の三次元ビュー４０６´に指示４５６´を表示することによって、大腿骨４０６に対するロケーション４５６を示すことができる。
図１８を参照すると、制御ユニット５０は、測定されたロケーション４５６を使用してガイドピンの挿入のための軸４６４を計算する。例えば、制御ユニット５０は、測定されたロケーション４５６から推定して、大腿ネック４１０の周りの円筒形４６２を計算する。円筒形４６２は、ロケーション４５６に対して最小誤差サイズおよびアライメントを有するように計算されうる。あるいは、円筒形４６２は、ロケーション４５６の実質的にすべてを包含する半径を有するように計算されうる。制御ユニット５０は、ガイドピンの好ましい軌跡である、円筒形４６２の中心軸４６４を計算する。制御ユニット５０は、ユーザインターフェース５２上に、図１６に例示されているビューに似た三次元ビューを表示することができる。
図１９を参照すると、制御ユニット５０は、ユーザインターフェース５２上に円筒形４６２のビューを表示する。例えば、制御ユニット５０は、円筒形４６２の中心軸を通るアライメント調整された円筒形４６２のビューを表示する。円筒形４６２の半径も決定され、ユーザインターフェース５２上に示されうる。測定されたロケーション４５６および中心軸４６４を示す点４６６も、ユーザインターフェース５２上に示される。ユーザインターフェース５２を使用することで、外科医は、測定されたロケーション４５６に対して円筒形４６２のロケーションを調整し、こうして測定されたロケーション４５６に対して軸４６４の位置を変えることができる。例えば、外科医は、円筒形４６２およびその中心軸４６４の位置を円筒形４６２の法線方向にずらし、大腿ネック４１０に対して円筒形４６２のオフセットを調整することができる。いくつかの実施では、関節４００の回転の中心が決定された場合に、上で説明されているように、回転の中心点４３２がユーザインターフェース５２上に指示されうる。
図２０を参照すると、制御ユニット５０は、大腿骨４０６に対する器具のアライメントを示す。外科医は、ドリル４７０に対して既知の定位置で結合されたＥＭ場センサ４７２を備えるドリル４７０を使用する。センサ４７２が取り付けられた、ドリル４７０、およびセンサ４２２が植え込まれている大腿骨４０６が、ＥＭ場発生装置２１の可動範囲内に移動される。センサ４２２、４７２から受信した信号に基づき、制御ユニット５０は、軸４６４に対するドリル４７０の位置を計算する。
あるいは、ドリル４７０に結合されたセンサ４７２を使用する代わりに、ドリル４７０を既知の位置でＥＭ場発生装置２１に結合することができる。これにより、ＥＭ場発生装置２１に対する植え込まれたセンサ４２２の位置は、センサ４２２に対するドリル４７０の位置を示し、軸４６４に対してドリル４７０の向きを決定するために使用することができる。
制御ユニット５０は、ユーザインターフェース５２上に、ドリル４７０の位置の指示４７０´およびドリル４７０に対する軸４６４の位置の指示４６４´を表示する。例えば、制御ユニット５０は、軸４６４からの角偏向および並進運動オフセットを示す。制御ユニット５０は、測定されたロケーション４５６に基づく大腿骨４０６の三次元の態様、ならびに軸４６４のアライメントおよび大腿骨４０６に対するドリル４７０のアライメントを示す図を表示することができる。
外科医は、ガイドピン４７４をドリル４７０に嵌め、制御ユニット５０による指示に従って、軸４６４に沿ってガイドピン４７４を植え込む。ガイドピン４７４が挿入されると、制御ユニット５０は、ユーザインターフェース５２上に表示されている情報を更新して、センサ４２２、４７２から受信した信号に基づく軸４６４に対するドリル４７０の現在位置を反映する。ガイドピン４７４が植え込まれた後、外科医は、大腿骨４０６の解剖学的特徴に対する植え込まれたピン４７４の配置が正しいか目視で確認する。ガイドピン４７４が適所にあれば、外科医は、ガイドピン４７４を使用して切削工具のアライメントを調整し、大腿骨４０６が大腿骨インプラントを受け入れるよう準備する。
それに加えて、円筒形４６２の半径を使用して、大腿骨頭４０９を切断するために使用される工具のサイズおよび構成を選択することができる。例えば、外科医は、大腿骨４０６を準備している間に大腿ネック４１０内に切痕を形成するのを回避するため、大腿ネック４１０の切削がガイドピン４７４の特定の半径内で行われないように切削工具を構成することができる。切削が行われない、ガイドピン４７４の周りの半径は、円筒形４６２の半径であってよい。
関節４００の運動の範囲の測定結果に基づき、システム１００は、植え込まれているセンサ４２２に対する関節４００の回転の中心点４３２を計算する。回転の中心点４３２は、大腿骨頭４０９の内側に配置されている点である。関節４００を外す前に決定される、回転の中心点４３２は、例えば、大腿骨４０６をリーミングするのに適した深さまたは大腿ネック４１０の骨切りを実行する好ましいロケーションを決定するために制御ユニット５０によって使用されうる。
（４）外科軸の配置
外科医は、システム１００を使用して、関節の一方の骨に対する外科手術アライメントを関節の別の骨の位置に基づき決定することができる。例えば、股関節４００について、大腿骨ガイドピン軸４６４（図１８）の位置は、骨盤４０２に対して固着軸の位置を決定するために使用されうる。この技術は、以下でさらに詳しく説明されるが、ガイドを使用して、または他の関節についての関節データを使用して固着軸の位置を決定する方法の代替的方法である。
外科医は、第１の基準、第１のセンサ４２０を骨盤４０２に対して定位置に取り付け、また第２の基準、第２のセンサ４２２を大腿骨４０６に対して固位置に取り付けるが、これは図１４Ａに対して説明されているとおりである。第２の基準４２２は、大転子４０８の先端部に置く必要はないが、そこに配置されていてもよい。適宜、関節４００の運動の範囲および関節４００の回転の中心は、図１４Ａに対して説明されている技術を使用して第１のセンサ４２０に対して決定されうる。
図２１Ａを参照すると、外科医が関節４００を外す。外科医は、大腿骨４０６、例えば、大腿骨４０６のネック４１０を通る実質的に中心の軸に対してアライメントを決定する。この軸は、大腿骨４０６のネック４１０の周りの測定されたロケーション４５６に基づき決定される、図１７および図１８に対して説明されているように決定されるガイドピン軸４６４とすることができる。制御ユニット５０は、第２のセンサ４２２に対してガイドピン軸４６４の位置を決定する。あるいは、大腿骨４０６のネック４１０を通る実質的に中心の軸の位置を決定する代わりに、大腿骨４０６に対する既知の解剖学的アライメントを有する異なる軸の位置を決定することができる。
図２１Ｂを参照すると、ガイドピンをガイドピン軸４６４に沿って挿入する代わりに、外科医が関節４００を縮める。関節４００が縮められた状態で、外科医は、大腿骨４０６を骨盤４０２に対して既知の位置に置く。例えば、外科医は、患者の脚を中立位置に置く。中立位置は、腰の完全伸展に対応する「ゼロ度」位置、例えば、大腿骨４０６が患者が立っている場合に似た仕方で真っ直ぐ伸展する位置とすることができる。中立位置では、大腿ネック４１０を通る実質的に中心の軸を表す、ガイドピン軸４６４は、寛骨臼インプラントを取り付けられるように好ましい衝撃軸と一致する。
外科医は、第１のセンサ４２０および第２のセンサ４２２が識別装置２０と電磁気による通信を行うように識別装置２０を関節４００の近くに持ってくる。外科医は、制御ユニット５０のコントロールを選択し、大腿骨４０６が中立位置に位置決めされていることを示す。それに応答して、制御ユニット５０は、第１のセンサ４２０および第２のセンサ４２２からのセンサ信号を使用して、識別装置２０に対するそれぞれのセンサ４２０、４２２の位置を計算する。センサ４２０、４２２の位置が同じ基準に対して既知の位置である場合に、制御ユニット５０は、第１のセンサ４２０に対して第２のセンサ４２２の位置を計算する。
上で説明されているように、制御ユニット５０は、第２のセンサ４２２に対してガイドピン軸４６４の位置をすでに決定している。制御ユニット５０は、（ｉ）第１のセンサ４２０と第２のセンサ４２２との間のオフセット、および（ｉｉ）第２のセンサ４２２とガイドピン軸４６４との間のオフセットを使用して、第１のセンサ４２０に対するガイドピン軸４６４の位置を決定する。関節４００が中立位置にあるので、ガイドピン軸４６４の位置は、関節４００に対する固着軸４６５の位置である。制御ユニット５０は、第１のセンサ４２０に対して決定された、ガイドピン軸４６４の位置を、固着軸４６５の位置として記録する。
外科医は、関節４００を外し、例えば、識別装置２０または第３のセンサを器具３０に結合することによって、図５Ａおよび図５Ｂに対して説明されているように、固着軸４６５に対して器具のアライメントを調整する。制御ユニット５０は、図６、図７Ａ、および図７Ｂに対して説明されているように、関節４００に対する、また好ましいアライメントに対する器具３０の現在位置を示す情報を表示する。固着軸４６５の傾斜角度および前傾角度は、正確に知られていない場合があるけれども、制御ユニット５０は、誤差の範囲で、固着軸４６５に対応するありそうな傾斜角度および前傾角度を表示することができる。外科医は、ユーザインターフェース５２上の出力を使用して、関節４００の寛骨臼をリーミングし、固着軸４６５に沿って寛骨臼インプラントを取り付ける。
いくつかの実施では、固着軸の位置は、関節４００の中立位置と異なる骨盤４０２に対する既知の位置に大腿骨４０６を位置決めすることによって決定されうる。例えば、センサ４２０、４２２の位置は、９０度の屈曲で測定することができる。制御ユニット５０は、股関節のこの位置と中立位置との間の既知のオフセットまたは関係（特定の股関節４００について、または一般的に股関節について既知の）を使用して、ガイドピン軸４６４の位置から固着軸４６５の位置を決定することができる。同様の方法で、大腿ネック４１０を通る実質的に中心の軸以外の大腿骨４０６に対して計算された位置を計算された位置と大腿ネック４１０との間の既知の関係と併せて使用することができる。
代替として、ガイドピン軸４６４の位置を決定した後に、ガイドピン軸４６４に沿ってドリルで穴をあけてから、関節４００を縮め、固着軸４６５の位置を決定することができる。外科医は、第３のセンサをガイドピン軸４６４に沿ってガイドピン穴に挿入し、ガイドピン軸４６４に沿ってアライメント調整する。外科医は、第３のセンサが大腿骨頭４０９または大腿ネック４１０内に置かれている間に関節４００を縮める。次いで、外科医は、関節４００を中立位置に位置決めし、制御ユニット５０を使用して、関節４００は中立位置にある間に第１のセンサ４２０に対する第３のセンサの位置を記録する。関節４００の中立位置において、第３のセンサは、関節の好ましい固着軸４６５に沿ってアライメントを調整される。
外科医は、再び、関節４００を外して、ガイドピン穴から第３のセンサを取り外す。外科医は、第３のセンサを器具３０の既知の位置で結合することができる。外科医が器具３０を移動すると、制御ユニット５０は、第３のセンサのすでに測定されている位置に対して第３のセンサの位置を示すことができる。制御ユニット５０の出力は、外科医が第３のセンサを固着軸４６５に沿って前の位置に戻すか、または固着軸から特定のオフセットに戻し、それにより器具を固着軸４６５に対してアライメント調整する際の補助となりうる。
この同じ技術を使用して、肩関節などの球関節を含む股関節以外の関節に対するアライメントを決定することができる。例えば、外科医は、第１のセンサを肩甲骨に対して定位置に、また第２のセンサを上腕骨に対して定位置に置くことができる。外科医は、肩関節を外し、股関節に対する大腿ネック上で測定されたロケーションに類似する上腕骨上のロケーションを測定する。制御ユニット５０は、測定されたロケーションを使用して、上腕骨上にある、第２のセンサに対する第１の軸の位置を決定する。第１の軸は、上腕骨頭に対して既知の位置を有し、例えば、制御ユニット５０は、上腕骨の解剖学的ネックを通る実質的に中心の軸の位置、または上腕骨に対する別の既知の位置を決定する。
次いで、外科医は、肩関節を縮め、上腕骨を肩甲骨に対する既知の位置にアライメント調整する。既知の位置は、中立位置、例えば、傍らの患者の腕に対応する位置であってよく、上腕骨の縦軸は一般的に患者の身体の縦軸に平行である。肩関節が既知の位置にある間、外科医は、制御ユニットを使用して、第１のセンサに対する第１の軸の位置を決定する。外科医は、制御ユニット５０を使用して、肩関節に対する関節窩インプラントの準備および取り付けのための固着軸の位置を決定する。固着軸は、肩関節が中立位置にある場合に第１の軸と一致しないこともあるが、それでも、肩関節については一般的に、関節が中立位置にある場合に第１の軸によって表される解剖学的位置からの既知の角度オフセットおよび位置オフセットを有することができる。上で説明されているのと同様にして、制御ユニット５０は、第１のセンサに対する第２のセンサの位置、第２のセンサに対する第１の軸の位置、および第１の軸と固着軸の位置との間の標準的なオフセットに基づき固着軸の位置を決定する。
（５）技術の試験
ＥＭ場センサなどの基準を試用コンポーネント（例えば、試用インプラント）または永久的インプラントに取り付けて特定の関節について試用コンポーネントまたはインプラントが適切であるかどうかを判定することができる。例えば、外科医は、システム１００を使用して股関節４００に対する適切な大腿コンポーネントを選択することができる。類似の技術を使用することで、寛骨臼インプラントを選択するか、または肩関節などの、別の種類の関節のインプラントを選択することができる。
図２２Ａを参照すると、関節４００の回転の中心点４３２のロケーションは例えば図１４Ａおよび図１４Ｂに対して説明されているように決定されている。ガイドピン軸４６４などの、大腿骨４０６に対する好ましい大腿ネック軸の位置も、例えば、図１７および図１８に対して説明されているように決定されている。これらの位置は、大腿骨４０６に対して固定ロケーションに取り付けられている、第２のセンサ４２２からの相対的位置として制御ユニット５０によって格納される。回転の中心点４３２および軸４６４の位置は、例えば、インプラントと合致しているべきである好ましいアライメントを示す関節４００の特性である。
外科医は、大腿骨４０６がインプラントを受け入れる準備を、例えば、大腿ネック４１０および大腿骨頭４０９の骨切りを実行することによって行う。また外科医は、大腿骨の縦軸に沿って大腿骨４０６内にリーミングして、大腿管内に開口部４１１を画成する。こうして、大腿骨４０６が大腿骨インプラントを受け入れる準備が整う。
図２２Ｂを参照すると、制御ユニット５０は、１つまたは複数の試用コンポーネントの特性を示すデータにアクセスする。例えば、制御ユニット５０は、複数の大腿骨試用コンポーネントのそれぞれに対するデータを含む試用コンポーネントライブラリにアクセスすることができる。それぞれの試用コンポーネントについて、データは、ネック長さ、ネック高さ、ネック角度、ネック長さ、幹軸４５３からのオフセット、コンポーネント幅または他の寸法、および他の特性のうちの１つまたは複数を示すことができる。データは、球頭部を受け入れるトラニオンまたは他の締め具の位置を示すこともできる。
データによって示される特性は、試用コンポーネントを受け入れる関節がどのように動作するかを定める機能特性を含むことができる。機能特性は、ネック軸４５５の位置、例えば、試用コンポーネントのネックを通る実質的に中心の軸の位置を含むことができる。機能特性は、インプラントを取り付けたことにより関節に対して結果として生じる回転の中心を表すことができる、関節の回転の中心点４５７も含みうる。データは、例えば、異なる寸法の球頭部を使用して、標準的で位置決めから行うことができる試用コンポーネントおよびオフセットへの調整を記述することができる。いくつかの実施では、異なる球頭部を使用して、同じ試用コンポーネントまたはインプラントに対して異なる回転の中心点を得ることができる。
データは、複数のインプラントタイプに対応する試用コンポーネントおよび対応するインプラントについてのデータを含むことができる。データは、モジュール型コンポーネントの異なる組み合わせの寸法および特性を制御ユニット５０が判定することを可能にする、モジュール型インプラントシステムも記述することができる。いくつかの実施では、試用コンポーネントのデータは、試用コンポーネントの外部表面寸法を示すモデル４５９を表す。制御ユニット５０は、モデル４５９を使用して、一致する試用コンポーネントの外側に沿って位置を決定するだけでなく、試用コンポーネントの二次元または三次元視覚化を表示することもできる。
データは、試用コンポーネントに対する１つまたは複数のランドマーク４６１ａ、４６１ｂの位置も記述する。結果として、それぞれの試用コンポーネントの特性は、ランドマークに対する既知の関係を有するものとしてよい。例えば、ネック軸４５５、関節の回転の中心点４５７、およびモデル４５９によって表される試用コンポーネントの表面の位置は、それぞれのランドマーク４６１ａ、４６１ｂに対して既知のものとしてよい。
外科医は、ユーザインターフェース５２を使用して、手術中に使用すべき好ましい種類のインプラントまたはインプラントシステムなどの、自分の選好を入力する。試用コンポーネントライブラリ内のデータを使用することで、制御ユニット５０は、試用コンポーネントの特性を大腿骨４０６および関節４００の既知の特性と比較する。例えば、第２の基準４２２は、大転子４０８の先端部などの、大腿骨４０６の解剖学的基準ロケーションに配置され、ロケーションは、制御ユニット５０に入力することができる。制御ユニット５０は、回転の中心点４３２と第２の基準４２２との間の距離を使用して、関節４００の特性と一致する可能性の高い試用コンポーネントに対するネック長さを決定する。同様に、制御ユニット５０は、第２の基準４２２のロケーションに対する回転の中心点４３２のロケーションを使用して、試用コンポーネントに対するネック角度を決定する。制御ユニット５０は、軸４６４に対する回転の中心点のロケーションを使用して、関節の回転の中心点４３２を得るために必要なオフセットをもしあれば決定する。制御ユニット５０は、正しい関節特性が結果として得られる可能性の高い１つまたは複数の試用コンポーネントを選択し、選択された試用コンポーネントを示す情報をユーザインターフェース５２上に提示する。
図２３を参照すると、外科医は、制御ユニット５０によって提案されているかまたは提案されていない場合のある、試用コンポーネント４６３を選択し、どの試用コンポーネント４６３が選択されたかをユーザインターフェース５２上に示す。例えば、外科医は、試用コンポーネント４６３または対応するインプラントに対する製品コードを入力するか、またはユーザインターフェース５２上に表示されているオプションを選択する。モジュール型コンポーネントまたは調整可能なコンポーネントが使用される場合、外科医は、使用されるコンポーネントの特定の組み合わせまたは構成を指示する。
外科医は、大腿骨４０６内に試用コンポーネント４６３を挿入する。また外科医は、第３のＥＭセンサ４６７をランドマーク４６１ｂに取り付ける。センサ４６７は、試用コンポーネント４６３が大腿骨４０６内に挿入される前または挿入された後に試用コンポーネント４６３に取り付けることができる。ランドマーク４６１ｂは、例えば、ネジまたは他の締め具を入れるように構成されたボア内のロケーションであってよい。既知の位置をランドマーク４６１に決めるために、センサ４６７のハウジングはボアの底部と係合することができる。あるいは、センサ４６７のハウジングの一部が、試用コンポーネントの外面と同じ高さになるように試用コンポーネント４６３と係合してもよい。制御ユニット５０は、試用コンポーネント４６３上のランドマーク４６１ｂのロケーションを示す情報にアクセスする。例えば、外科医は、ランドマーク４６１ｂを識別する情報を入力することができる。あるいは、外科医は、制御ユニット５０によって提案されたランドマーク４６１ｂを選択することができる。
制御ユニット５０は、試用コンポーネントライブラリから試用コンポーネント４６３の特性を示すデータにアクセスする。データは、例えば、ランドマーク４６１ｂと試用コンポーネント４６３のネック軸４６８との間のオフセット、およびランドマーク４６１ｂと回転の中心に対応する試用コンポーネント４６３の点４６９との間のオフセットを示す。第３のセンサ４６７は、ランドマーク４６１ｂのところに配置されているので、これらのオフセットを使用して、第３のセンサ４６７が発生する信号によって示される位置に対してネック軸４６８および点４６９の位置を決定することができる。
試用コンポーネント４６３が関節４００に結合された場合に、試用コンポーネント４６３は関節４００に対する新しい特性を定義する。例えば、１つの特性は、試用コンポーネント４６３のネック軸４６８と一致する新しい大腿骨軸である。試用コンポーネント４６３が大腿骨４０６に結合された場合に、ネック軸４６８が大腿骨４０６の自然のネック軸（例えば、ガイドピン軸４６４）を置き換える。試用コンポーネント４６３によって定義される関節４００の別の特性は、関節４００に対する新しい回転の中心点である。試用コンポーネント４６３が取り付けられた状態で、関節４００は、点４６９に配置される試用コンポーネント４６３の特性によって画成される、新しい回転の中心点を有する。
関節４００の新しい特性が許容可能であるかどうかを判定するために、外科医は、第２のセンサ４２２および第３のセンサ４６７がＥＭ場発生装置２１の可動範囲内に入るように大腿骨４０６を識別装置２０に近づける。制御ユニット５０は、センサ４２２、４６７が発生する信号に基づき第２のセンサ４２２に対する第３のセンサ４６７の位置を決定する。試用コンポーネントライブラリ内のデータからアクセスされたオフセットを使用して、制御ユニット５０は、第１のセンサ４２０に対してネック軸４６８および回転の中心点４６９の位置を決定する。試用コンポーネント４６３が大腿骨４０６に現在位置で結合されている場合に、これらの位置は関節４００への現在の特性を表す。
制御ユニット５０は、ネック軸４６８の現在位置を好ましいネック軸４６４の位置と比較し、例えば、１つまたは複数の角度オフセットおよび並進運動オフセットを決定する。例えば、制御ユニット５０は、ネック軸４６８と好ましいネック軸４６４との間の傾斜の角度の違いを表す角度βを決定することができる。また制御ユニット５０は、試用コンポーネント４６３の回転の中心点４６９のロケーションを関節４００に対する好ましい回転の中心点４３２のロケーションと比較し、ロケーション間のオフセットＤを決定する。こうして、制御ユニット５０は、関節４００の初期特性と現在位置で結合されている試用コンポーネント４６３で得られる関節４００の特性との間の違いを判定する。
いくつかの実施では、制御ユニット５０は、ユーザインターフェース５２上に、大腿骨４０６および試用コンポーネント４６３の図を表示し、軸４６４、４６８および点４３２、４６９の位置を表示する。また制御ユニット５０は、好ましい位置と試用コンポーネント４６３によって得られる位置との間の違いも示す。
制御ユニット５０は、現在の試用コンポーネント４６３の特性が好ましい特性の受け入れ可能な許容範囲内にあるかどうかを判定する。例えば、制御ユニット５０は、第１の特性と第２の特性との間の違いを閾値と比較することができる。計算された違いが閾値の条件を満たしている場合、制御ユニット５０は、ユーザインターフェース５２上に、現在の試用コンポーネント４６３が許容可能な関節特性をもたらすことを示す。
試用コンポーネント４６３の特性が許容可能でない場合、制御ユニット５０は、特定の特性を持つ球頭部などの特定のモジュール型コンポーネントを調整または追加することで試用コンポーネント４６３の現在の特性を同じ試用コンポーネント４６３で達成可能な他のある範囲の関節特性と比較する。制御ユニット５０は、特定の球頭部または試用コンポーネント４６３への調整が好ましい関節特性をもたらしうるかどうかを判定する。もしそうであれば、制御ユニット５０は、好ましい特性をもたらすコンポーネントまたは調整を識別し、そのコンポーネントまたは調整をユーザインターフェース５２上に示す。モジュール型インプラントシステムが使用される場合、制御ユニット５０は、所望の関節特性をもたらすコンポーネントの１つまたは複数の組み合わせを示すことができる。
試用コンポーネントライブラリに記述されているコンポーネントまたは調整がどれも、試用コンポーネント４６３で好ましい関節特性をもたらしえない場合、制御ユニット５０は、試用コンポーネント４６３が許容不可能であることを示す。制御ユニット５０は、ネックが４ｍｍほど短すぎるため、試用コンポーネントが許容不可能であるという理由を示すこともできる。
試用コンポーネントライブラリ内のデータを使用して、制御ユニット５０は、好ましい関節特性をもたらしうる第２の試用コンポーネントを識別する。例えば、制御ユニット５０は、試用コンポーネントライブラリ内の試用コンポーネントモデル４７１ａ〜４７１ｃにアクセスして、好ましい関節特性を最も正確にもたらし、外科医の選好にかなう試用コンポーネントを選択する。制御ユニット５０は、第２の試用コンポーネント、例えば、モデル４７１ｃに対応するコンポーネントを選択して、好ましい関節の回転の中心４３２および試用コンポーネント４６３を使用した結果生じる好ましいネック軸４６４からのオフセットβ、Ｄを補正することができる。
試用コンポーネント４６３が許容不可能な場合、外科医は、それを、大腿骨４０６から取り外し、センサ４６７を試用コンポーネント４６３から取り外す。外科医は、新しい試用コンポーネント、例えば、制御ユニット５０が所望の関節特性をもたらす可能性が最も高いと決定したモデル４７１ｃに対応する試用コンポーネントを大腿骨４０６内に挿入する。外科医は、第３のセンサ４６７を第２の試用コンポーネントのランドマークのところに挿入し、制御ユニット５０を使用して、第１の試用コンポーネント４６３について上で説明されているのと同じ方法で好ましい関節特性に対して第２の試用コンポーネントの特性を比較する。
外科医は、許容可能な特性をもつ試用コンポーネントが見つかるまで試用プロセスを繰り返すことができる。次いで、外科医は、適切な試用コンポーネントと球頭部で関節４００を縮めて関節の運動の範囲を測定することができるが、これは図２６Ａおよび図２６Ｂに対して以下で説明されている技術を使用することを含む。外科医が、関節４００が特定の試用コンポーネントで適切な特性を示すということに満足した場合、外科医は、選択された試用コンポーネントと同じ特徴を有する永久的インプラントを選択し、その永久的インプラントを試用コンポーネントの代わりに取り付ける。
いくつかの実施では、センサを試用コンポーネントのランドマークのところに取り付ける代わりに、センサを試用コンポーネントを取り付けるために使用されるブローチまたは他の器具に取り付けてもよい。試用コンポーネントが大腿骨４０６内に正しく留置された場合に、外科医は、制御ユニット５０を使用して、大腿骨４０６上のセンサ４２２に対するブローチ上のセンサの位置を決定する。制御ユニット５０では、ブローチに対するセンサの既知の位置ならびにブローチおよび試用コンポーネントの既知の位置を使用して、ブローチに取り付けられているセンサの位置から試用コンポーネントの位置を決定することができる。
上で説明されている試用技術は、例えば、上腕骨インプラントの試用のため肩関節に使用することもできる。上で説明されているのと同様にして、制御ユニット５０は、上腕骨試用コンポーネントについてのデータを使用して、いくつもの特性のうちのとりわけ、肩関節の自然な回転の中心と特定の上腕骨試用コンポーネントまたはインプラントを備える肩関節の新しい回転の中心との間の距離についての情報を手術中に提供することができる。
（６）関節特性の測定
外科医は、システム１００を使用して、関節の特性を測定することができる。測定された特性を、関節について既に測定されている特性と比較して、コンポーネントの適切さを判定するか、または完了した手術の質を評価することができる。
図２４Ａを参照すると、外科医は、制御ユニット５０を使用して、関節４００の運動の範囲を示す情報を記録する。運動の範囲を、例えば、外科手術の開始時に記録して、手術中の調整の前の関節４００の運動状態を示す。上で説明されているように、センサ４２０、４２２は、関節４００に対して固定され、それでも関節４００が移動する場合に互いに対して移動可能である位置に配置されうる。例示されているように、第１のセンサ４２０は、骨盤４０２のところに植え込まれ、第２のセンサ４２２は、大腿骨４０６のところに植え込まれうる。センサ４２０、４２２が、ＥＭ場発生装置２１の可動範囲内に配置されている間に、外科医は、運動の範囲にわたって関節４００を移動する。制御ユニット５０は、関節４００の運動の範囲の限界点に対応する位置を含む、関節４００の異なる位置における第１のセンサ４２０に対する第２のセンサ４２２のロケーション４２４の第１の組を記録する。
制御ユニット５０は、第１のセンサ４２０に対する第２のセンサ４２２の記録されたロケーションの第１の組について近似値を計算する。例えば、上で説明されているように、制御ユニット５０は、関節４００の周りの最良適合の球体４３０を推定する。球体４３０の中心点４３２は、関節４００の回転の中心に対応する。制御ユニット５０は、ロケーション４２４の第１の組の広がり内にある領域を近似する球体４３０の一部である、運動の範囲の表面４３４も計算する。
いくつかの実施では、外科医は、制御ユニット５０にパラメータを入力して、表面４３４によって示される運動の範囲と異なっていてもよい、関節４００に対する好ましい運動の範囲を指示することもできる。例えば、外科医は、患者の要求に応じて、好ましい運動の範囲を設定するために表面４３４の拡大、制限、シフト、または再整形を行うことができる。
図２４Ｂを参照すると、外科医は、例えば関節４００への調整の後に、第２の運動の範囲にわたって関節４００を移動する。例えば、第２の運動の範囲は、人工装具を挿入した後、または関節４００を再建した後に実行されうる。第２の運動の範囲は、試用コンポーネントを挿入した後に試用コンポーネントの適切さを検査するために実行することができる。
制御ユニット５０は、それぞれ第２の運動の範囲にわたる関節４００の異なる位置に対応する、第１のセンサ４２０に対する第２のセンサ４２２のロケーション４７７の第２の組を記録する。第２の運動の範囲は、第１の運動の範囲にわたって移動している場合のように大腿骨４０６に対して同じ位置で第２のセンサ４２２により実施されうる。したがって、第２の運動の範囲において第２のセンサ４２２が辿る軌跡は、第１の運動の範囲で第２のセンサ４２２の軌跡と直接的に互換性を有するものとしてよい。あるいは、第２のセンサ４２２が移動された場合、または異なるセンサが大腿骨４０６に取り付けられた場合、制御ユニット５０は、ロケーションの相関関係を求めて、第２のセンサ４２２が大腿骨４０６に対する元の位置に留まる場合の同様にデータが既知のように記録されたロケーションをシフトする。
制御ユニット５０は、ロケーション４７７の第２の組についての近似値を計算する。例えば、制御ユニット５０は、ロケーション４７７の第２の組を使用して第２の球体４８０を推定し、第２の球体４８０の中心点４８２は、関節４００の現在の回転の中心に対応する。ロケーション４７７の第２の組を使用することで、制御ユニット５０は、関節４００の新しい運動の範囲を近似する第２の球体４８０上の表面４８４を識別する。
制御ユニット５０は、元のまたは好適な測定された関節特性と、後で測定された関節特性との間の違いを識別する。例えば、制御ユニット５０は、第２の球体４８０の中心点４８２が第１の球体４３０の中心点４３２からオフセットされているかどうかを判定する。また制御ユニット５０は、第２の球体４８０の半径を第１の球体４３０の半径と比較して、患者の脚の長さが手術によって変化したかどうかを判定する。第２の球体４８０は、患者の脚が手術の際に短くなった場合に第１の球体４３０より小さいものとして示される。制御ユニット５０は、脚の長さの違いを判定し、長さの違いが０であれば、脚はロケーション４２４の第１の組みの測定結果とロケーション４７７の第２の組みとの間で変化していない。それに加えて、制御ユニット５０は、例えば、第２の運動の範囲の表面４８４を元の運動の範囲の表面４３４と比較することによって、元の運動の範囲の限界を第２の運動の範囲の限界と比較する。
制御ユニット５０は、元の運動の範囲と現在の運動の範囲との間の違いを示す。例えば、制御ユニット５０は、関節４００の三次元ビューの周りの計算された球体４３０、４８０または運動の範囲の表面４３４、４８４の図を表示する。制御ユニット５０は、回転の中心点４３２、４８２および測定されたロケーション４２４、４７７も表示することができる。
制御ユニット５０が、関節４００についての現在の特性が関節４００についての元の特性と異なると判定した場合、制御ユニット５０は、これらの違いを補正するように提案された変化を計算する。例えば、制御ユニット５０は、関節４００の回転の中心のずれを補正する提案されたオフセット、および脚の長さの変化を補正する提案された調整を決定する。制御ユニット５０は、表面４８４によって示されている運動の範囲のアライメントを表面４３４で再調整する調整も示す。制御ユニット５０は、ユーザインターフェース５２上に関節４００への提案された変更を示し、これにより、外科医は関節４００を調整して最初に測定された特性を得ることができる。
関節４００に対して調整を行った後、例えば、ユーザインターフェース５２上に示されている提案された変更に基づき関節４００を調整した後、追加の運動の範囲の測定を実行することができる。制御ユニット５０は、センサ４２０に対するセンサ４２２のロケーションの第３の組を測定し、ロケーションの第３の組に基づき最良適合の球体および運動の範囲の表面を計算し、それらの調整で好ましい関節特性の復元に成功したかどうかを判定することができる。運動の範囲の測定および元の関節特性との比較は、関節４００の運動が外科手術の前に測定された運動でありうる関節の好ましい運動と一致していることを外科医が確信するまで繰り返すことができる。
（７）再置換手技のためのアライメントの決定
外科医は、システム１００を使用して、調整を決定し、人工関節再置換術用のインプラントを選択することができる。例えば、外科医は、システム１００を使用して、関節の回転の中心の位置などの関節特性を素早く決定することができる。
図２５Ａを参照すると、主関節形成が完了した後の関節４００が図示されている。大腿骨インプラント４９０は、大腿骨４０６のところに取り付けられ、寛骨臼インプラント４９１は、関節４００の寛骨臼内に取り付けられる。
人工関節再置換外科手術のため、外科医は、関節４００内に取り付けられたインプラント４９０、４９１の種類を識別する。例えば、外科医は、インプラント４９０、４９１の情報を識別する製品コードまたは他のものを識別することができる。外科医は、インプラント４９０、４９１を識別する情報を制御ユニット５０内に入力する。制御ユニット５０は、試用コンポーネントライブラリのように、複数のインプラントの特性を記述するインプラントライブラリにアクセスすることができる。制御ユニット５０は、インプラント４９０、４９１の特性を示すデータにアクセスする。外科医は、制御ユニット５０に、関節４００の球コンポーネントを識別する情報などの、再建された関節４００についての追加情報も入力することができる。
外科医は、３つのＥＭセンサ４８１、４８３、４８５を関節４００に取り付ける。第１のセンサ４８１は、骨盤４０２に対して固定ロケーション（fixed location）に、例えば、骨盤４０２上に取り付けられる。第２のセンサ４８３は、大腿骨に対する固定ロケーションに、例えば、大腿骨４０６上に配置される。第３のセンサ４８５は、大腿骨インプラント４９０のランドマークのところに取り付けられる。外科医は、センサ４８１、４８３、４８５がＥＭ場発生装置２１の可動範囲内に配置されるように識別装置２０を向き付ける。
制御ユニット５０は、センサ４８１、４８３、４８５から信号を受信し、互いに対するセンサ４８１、４８３、４８５の位置を決定する。制御ユニット５０は、インプラントライブラリからのデータに基づき決定された、大腿骨インプラント４９０の標準的な特性を使用して、回転の中心点４９３および大腿骨ネック軸４９４の位置をセンサ４８１、４８３、４８５に関して決定する。
制御ユニット５０は、第１のセンサ４８１と第２のセンサ４８３の両方に対して、回転の中心点を決定する。これにより、関節４００が縮められた場合に、異なるセンサ４８１、４８３を使用して、回転の中心点４９３の位置を骨盤４０２および大腿骨４０６に関して知ることができる。
外科医は、大腿ネック軸４９４の位置が、好ましい固着軸に対して既知の位置を有するように、大腿骨４０６を骨盤に対して既知のアライメント位置に移動することができる。例えば、図２１Ｂに関して説明されているように、外科医は、大腿骨４０６を骨盤４０２に対して中立のアライメント位置に移動し、そこで、大腿ネック軸４９４は好ましい固着軸と一致する。関節４００の中立位置において、外科医は、制御ユニット５０を使用して、互いに対するセンサ４８１、４８３、４８５の位置を記録し、制御ユニット５０は、関節４００が中立位置にある間の大腿ネック軸４９４の位置を固着軸の位置であるとものとして指定する。
いくつかの実施では、関節４００のアライメントを中立位置で調整して固着軸の位置を決定する代わり、第４のＥＭセンサを寛骨臼インプラント４９１に対して既知の位置を有するランドマークのところに取り付けることができる。制御ユニット５０は、寛骨臼インプラント４９１の特性を示すインプラントライブラリ内のデータにアクセスし、そのデータを使用してランドマークに対する固着軸の位置を決定する。第４のセンサは寛骨臼インプラント４９１に対して既知の定位置に配置されているので、外科医は、大腿ネック軸４９４の位置を使用せずに、第１のセンサ４８１および第４のセンサを使用して寛骨臼インプラント４９１が取り付けられた固着軸の位置を決定することができる。
それに加えて、第４のセンサを使用して固着軸の位置を決定する場合に、制御ユニット５０を使用して、固着軸（寛骨臼コンポーネント４９１の取り付けられた位置に基づき決定された）が大腿ネック軸４９４（大腿骨インプラント４９０の取り付けられた位置に基づき決定された）と一致するかどうかを判定することができる。外科医は、関節４００を中立位置に位置決めすることができ、制御ユニット５０を使用して、大腿ネック軸４９４の位置を固着軸の位置と比較することができる。制御ユニット５０は、軸同士の間のオフセットを計算することができ、これらのオフセットを使用して、再置換された関節４００の好ましい軸を調整することができる。
適宜、関節４００が縮められている間、外科医は、図２４Ａに関して説明されているように関節４００の運動の範囲を測定することができる。主関節形成の結果生じる運動の範囲を人工関節再置換術の実施中およびその後に測定された運動の範囲と比較して、適切な運動の範囲がなされたかどうかを判定することができる。
図２５Ｂを参照すると、外科医は、関節４００を外し、手術で必要ならば、大腿骨インプラント４９０を取り外す。第２のセンサ４８３は大腿骨４０６に残り、第２のセンサ４８３に対する既知の位置により、元の回転の中心点４９３および元の大腿ネック軸４９４の位置を大腿骨４０６に対して知ることができる。
同様に、外科医は、寛骨臼インプラント４９１を取り外すことができる。固着軸の位置は、骨盤４０２に取り付けられたままである、第１のセンサ４８１に対して既知であるため、外科医は、システム１００を使用して、固着軸に対して器具およびインプラントを位置決めすることができる。
図２６Ａを参照すると、外科医は、関節４００の所望の特性を変えるため制御ユニット５０上でオフセットを入力することができる。例えば、主関節形成の結果生じる回転の中心が望ましくない場合、外科医は、前の回転の中心点４９３からのオフセットを指示することによって新しい回転の中心点４９５を設定することができる。制御ユニット５０は、上で説明されている技術を使用して、所望の関節特性を持つ試用コンポーネントおよびインプラントを選択する。例えば、制御ユニット５０は、関節４９５に対して新しい回転の中心点を構成する新しいインプラントを識別するとともに、提案することができる。
図２６Ｂを参照すると、外科医が手術の試用段階を完了した後、外科医は、大腿骨インプラント４９８および寛骨臼インプラント４９９を取り付ける。外科医は、関節４００を縮め、センサ４８５を大腿骨コンポーネント４８５のランドマークのところに取り付ける。外科医は、制御ユニット５０を使用して、センサ４８５の位置および大腿骨インプラント４９８の既知の特性に基づき関節４００の１つまたは複数の特性を決定する。例えば、制御ユニット５０は、現在の回転の中心点４９７のロケーションを計算し、これを、関節４００の回転の中心点４９３のロケーションと比較してから人工関節再置換術を実施する。これにより、外科医は、再置換の後の関節４００の特性を主関節形成からの関節の特性と比較して、再置換の目標が達成されたかどうか、および追加の調整をすべきかどうかを判定することができる。
上記の技術の組み合わせを使用することができる。関節形成手術を開始すると、制御ユニット５０は、外科医が手術をカスタマイズできるようにオプションのリストを表示することができる。例えば、制御ユニット５０は、外科医が使用することを好む方法を選択して、関節に対する固着軸の位置を決定することを可能にすることができる。別の例として、外科医は、寛骨臼インプラントを取り付けるためにシステム１００を使用することを選択することができるが、大腿骨が大腿骨インプラントを受け入れる準備をする場合に補助のためシステム１００を使用しないことを選択することもできる。したがって、制御ユニット５０を使用することで、外科医が手術の開始時に「アラカルト」オプションを選択することによってカスタマイズされた外科手術計画を作成することが可能になる。手術時に、制御ユニット５０は、外科医が望まないステップおよび機能を省くことによって手術を簡素化する。
図２７を参照すると、制御ユニット５０は入力モジュール１１０、処理モジュール１２０、および出力モジュール１３０を備える。制御ユニット５０は、制御モジュール１４０、通信モジュール１５０、および電源（図示せず）も備える。制御ユニット５０の機能は、モジュールとして説明されているけれども、これらの機能は、別々のコンポーネントによって実行される必要はない。例えば、単一のプロセッサで、複数のモジュールの機能を使用可能にするオペレーションを実行することができる。別の例として、単一のコンポーネントまたはインターフェースが、入力機能と出力機能の両方を備えることもできる。
入力モジュール１１０は、ＥＭ場センサから信号を受信するセンサインターフェース１１２を備える。センサインターフェース１１２は、有線通信リンク、ワイヤレス通信リンク、またはその両方を備えることができる。センサインターフェース１１２は、赤外線センサ、超音波センサ、および近接センサ（渦電流センサなど）などの、他の種類のセンサから入力を受け取るように構成することもできる。センサインターフェース１１２は、センサに格納されている較正データを要求し、受け取るために使用することができる。
入力モジュール１１０は、ユーザ入力コントロール１１６、例えば、ボタン、キーパッド、およびタッチセンサ表面も備える。入力モジュール１１０は、１つまたは複数の周辺デバイスから入力を受け取ることを可能にする有線またはワイヤレスインターフェースを備えることができる。
入力モジュール１１０は、識別装置２０から入力を受け取るための識別装置入力インターフェース１１４をオプションとして備える。いくつかの実施では、制御ユニット５０は、識別装置２０からの入力を必要としない。制御ユニット５０によって送信される制御信号を使用して、識別装置２０の動作特性を決定することができる。しかし、他の実施では、識別装置２０は、識別装置入力インターフェース１１４を通じて情報を提供することができる。以下で図２８に関して説明されているように、いくつかの識別装置は、基準の相対的位置を示すデータを入力することができ、そのような情報は、識別装置入力インターフェース１１４を介して受信することができる。
処理モジュール１２０は、１つまたは複数の処理デバイス１２２および１つまたは複数のストレージデバイス１２４を備える。１つまたは複数の処理デバイス１２２は、１つまたは複数のストレージデバイス１２４と通信し、データ、例えば、入力モジュールを通じて受信されたデータおよび１つまたは複数の処理デバイス１２２によって計算の結果として生成されるデータを記録するとともに、アクセスする。１つまたは複数のストレージデバイス１２４は、上で説明されているように１つまたは複数の処理デバイス１２２にオペレーションを実行させる、１つまたは複数の処理デバイス１２２によって実行されうる命令を格納する。オペレーションは、例えば、基準間の相対的位置を決定するステップと、相対的位置に基づきアライメントを計算するステップと、を含む。１つまたは複数のストレージデバイス１２４は、ネットワークを通じてアクセスされるリモートストレージデバイスを含むことができる。１つまたは複数のストレージデバイス１２４は、例えば、試用コンポーネントライブラリ、インプラントライブラリ、複数の関節の特性を記述したデータ、および他のデータを格納することができる。
１つまたは複数の処理デバイス１２２は、識別装置２０のオペレーションを制御する制御信号を生成する。制御ユニット５０は、識別装置２０と通信するインターフェースを備える、制御モジュール１４０を使用して識別装置２０に制御信号を送信する。
出力モジュール１３０は、ユーザインターフェース５２が表示されるディスプレイ１３２を備える。いくつかの実施では、ディスプレイ１３２は、制御ユニット５０のハウジングから取り外し可能な、または物理的に分離されたモジュールである。出力モジュール１３０は、オーディオ出力をユーザに送るためのスピーカまたは他のデバイスを備えることもできる。
通信モジュール１５０は、制御ユニット５０がネットワーク上で他のシステムと通信することを可能にする。これにより、制御ユニット５０は、ネットワーク上でデータにアクセスし、ネットワーク上でデータを送信することができる。
図２８を参照すると、上で説明されている技術のそれぞれを実行するために代替的アライメントシステム５００が使用されうる。システム５００は、制御ユニット５５０、識別装置５２０、および赤外線反射体５４０ａ〜５４０ｃなどの１つまたは複数の基準を備える。識別装置５２０および赤外線反射体５４０ａ〜５４０ｃは、手術時に組織および器具の相対的位置を決定するために使用されうる基準である。システム５００内の基準は、電磁場ではなく赤外線を使用して通信することができ、これにより、制御ユニット５５０は相対的位置を決定することができる。いくつかの実施では、赤外線放射体を、赤外線反射体５４０ａ〜５４０ｃに加えて、またはその代わりに使用することができる。
識別装置５２０は、赤外線カメラまたは撮像デバイスなどの１つまたは複数の赤外線検出器を備える。例えば、識別装置５２０は、２つの赤外線カメラ５２１を備える。識別装置５２０は、赤外線を赤外線反射体５４０ａ〜５４０ｃに向けるために赤外線放射体５２３を備えることもできる。識別装置５２０は、有線またはワイヤレスであってよい、通信リンク５２５を介して制御ユニット５５０と通信することができる。
赤外線反射体５４０ａ〜５４０ｃは、それぞれ、赤外線反射体または赤外線放射体を備えることができる。例えば、例示されているように、それぞれの赤外線反射体５４０ａ〜５４０ｃは、平面内に位置決めされた、球体などの、赤外線反射要素５４２の配列を備えることができる。赤外線反射要素５４２から反射された赤外線は、球体５４２が配置構成されている平面の向きを示す。識別装置５２０は、赤外線を反射体５４０ａ〜５４０ｃのうちの１つの反射体に向け、反射体の赤外線反射体のそれぞれから反射される赤外線を検出する。検出された赤外線に基づき、制御ユニット５５０は、赤外線反射要素５４２が位置決めされている平面の位置を計算する。例えば、制御ユニット５５０は三角測量を使用して、赤外線反射体５４０ａ〜５４０ｃに対する識別装置５２０の位置および互いに対する赤外線反射体５４０ａ〜５４０ｃの位置を計算する。
制御ユニット５５０は、識別装置５２０の赤外線カメラ５２１に給電し、赤外線カメラ５２１から出力信号を受け取る。制御ユニット５５０は、赤外線カメラ５２１からの出力信号を使用して、識別装置５２０に対する赤外線反射体５４０ａ〜５４０ｃの位置を決定する。制御ユニット５５０は、互いに対する、また器具３０および組織に対する、反射体５４０ａ〜５４０ｃの位置をさらに決定する。
一例として、関節１０のための固着軸１４の好ましい軌跡は、図３Ａから図６に対して上で説明されている技術と同様の方法でシステム５００を使用して決定されうる。第１の赤外線反射体５４０ａは、骨盤１６の腸骨稜１８に半永久的平面基準として固定されうるが、これは、例えば、赤外線反射体５４０ａが手術全体を通して適所に留まることを意味する。第２の反射体５４０ｂは、寛骨臼ガイド６０に結合される。識別装置５２０は、赤外線を反射体５４０ａ、５４０ｂに向け、赤外線カメラ５２１で反射された赤外線を検出する。制御ユニット５５０は、受信した赤外線を示す情報を受信し、この情報を使用して平面の位置を決定する。第２の反射体５４０ｂおよび第２の反射体５４０ｂによって示される平面の位置に基づき、制御ユニット５５０は、第１の反射体５４０ａによって示される平面に対する固着軸１４の位置を計算する。第３の反射体５４０ｃは、器具３０、例えば、インパクタのハンドルまたはリーマのハンドルに結合され、器具３０に対する第３の反射体５４０ｃの位置は、第１の反射体５４０ａに対して決定される。次いで、固着軸１４に対する器具３０の位置が、制御ユニット５５０のユーザインターフェース５５２上に示される。同様にして、上で説明されている他の技術は、識別装置２０およびシステム１００のさまざまなＥＭセンサを使用する代わりに、識別装置５２０およびシステム５００の赤外線反射体５４０ａ〜５４０ｃを使用して実行されうる。
上で説明されている基準に加えて、他の種類の基準も使用することができる。例えば、赤外線センサ、超音波センサ、および近接センサ（渦電流センサなど）を基準として使用することができる。基準は、一般的に、手術が完了した後、取り外される。いくつかの実施では、センサは、殺菌されうる。他の実施では、使い捨て型センサが使用され、手術が完了する毎に廃棄される。
図２９を参照すると、関節に対するアライメントを決定するプロセス６００が、外科医によって実行されうる。以下で説明されているプロセス６００は、上で説明されている追加の特徴、例えば、図３Ａから図７Ｂを参照して説明されている特徴も含みうる。
ガイドが関節に結合される（６０２）。ガイドは、軸または他のアライメントを画成し、ガイドは、関節の一部に実質的に形状適合するように形成された外形を有する。ガイドによって画成された軸は、関節に対して既知の傾斜角度および前傾角度に対応しうる。軸の位置は、関節の撮像データに基づくものとしてよい。ガイドは、既知の向きで関節の受け側部分と嵌合しうる。いくつかの実施では、ガイドは、単一の向きで関節の受け側部分と嵌合する。
第１の基準が、関節に対して定位置に取り付けられる（６０４）。軸の位置は、第１の基準に対して決定される（６０６）。例えば、外科医は、第２の基準を器具に結合して、軸に対する器具のアライメントを調整することができる。外科医は、制御ユニットを使用して第２の基準および第１の基準の相対的位置を示す信号を受信することによって軸の位置を決定することができる。外科医は、制御ユニットが第１の基準に対する第２の基準の位置を決定するとともに格納するように、制御ユニットのオペレーションを開始することができる。
ガイドが関節から取り外される（６０８）。ガイドが関節から取り外された後、器具が関節の近くに位置決めされる（６１０）。軸に対する器具の位置は、第１の基準に対する第２の基準の位置に基づき決定される（６１２）。外科医は、制御ユニットを使用して、第２の基準および第１の基準の相対的位置を決定し、第１の基準に対する器具の位置を決定することができる。
図３０を参照すると、関節に対するアライメントを決定するプロセス７００が、外科医によって実行されうる。以下で説明されているプロセス７００は、上で説明されている追加の特徴、例えば、図１４Ａから図１６を参照して説明されている特徴も含みうる。
第１の基準が、関節に対して定位置に取り付けられる（７０２）。第２の基準は、関節に対して第２の定位置に取り付けられる（７０４）。これらの基準は、関節の異なる骨に取り付けることができる。関節は、運動の範囲にわたって移動される（７０６）。第１の基準に対する第２の基準の複数のロケーションが測定される（７０８）。第１の基準に対する軸の位置は、他の関節に対する軸の測定ロケーションおよび測定位置に基づき、決定される。
外科医は、制御ユニットを使用して、測定ロケーションに基づき関節の回転の中心に実質的に対応する点のロケーションを決定することによって、軸の位置を決定することができる。外科医は、制御ユニットを使用して他の関節に対する軸の位置に基づきデータにアクセスして、アクセスされたデータを使用して軸に沿った第２の点を決定することもできる。例えば、外科医は、（ｉ）測定されたロケーションに基づき関節の運動の範囲の表現を生成し、（ｉｉ）他の関節に対する軸の位置に基づき複合表現にアクセスし、（ｉｉｉ）第１の表現と複合表現との間の相関関係を使用して軸の位置を決定するように構成された制御ユニットを使用してロケーションを測定することができる。
図３１を参照すると、関節に対するアライメントを決定するプロセス８００が、外科医によって実行されうる。以下で説明されているプロセス８００は、上で説明されている追加の特徴、例えば、図１７から図２０を参照して説明されている特徴も含みうる。
基準が、関節の骨に対して定位置に取り付けられる（８０２）。骨の一部の周りのロケーションが測定される（８０４）。ロケーションは、ロケーションが基準に対して既知となるように、測定される。ロケーションは、大腿骨のネックまたは上腕骨のネックの周りで測定されうる。軸の位置は、測定されたロケーションに基づき基準に対して決定される。軸は、大腿骨のネックまたは上腕骨のネックを通る実質的に中心の軸であってよい。外科医は、測定されたロケーションに基づき円筒形表現を生成し、円筒形表現の実質的に中心の軸を決定するように構成された制御ユニットを使用して軸の位置を決定することができる。
器具の位置は、基準に対して決定される（８０８）。外科医は、基準に対して第２の基準の位置を決定するように構成された制御ユニットを使用して器具の位置を決定することができ、第２の基準は、器具に取り付けられている。器具は、基準に対する器具の位置を使用して、軸に対してアライメントを調整される（８１０）。
図３２を参照すると、関節に対するアライメントを決定するプロセス９００が、外科医によって実行されうる。以下で説明されているプロセス９００は、上で説明されている追加の特徴、例えば、図２１Ａから図２１Ｂを参照して説明されている特徴も含みうる。
第１の基準が、関節の第１の骨に対して定位置に取り付けられる（９０２）。軸の位置は、第１の基準に対して決定される（９０４）。第２の基準が、関節の第２の骨に対して定位置に取り付けられる（９０６）。第１の骨は、第２の骨に対して既知のアライメントで位置決めされる（９０８）。第２の骨に対する第１の骨の既知のアライメントに対応する、第２の基準に対する第１の基準の位置が決定される（９１０）。例えば、第１の基準および第２の基準の相対的位置は、第１の骨が既知のアライメントで第２の骨に対してアライメントを調整されている間に測定されうる。軸の位置は、第２の基準に対して決定される（９１２）。軸の位置は、（ｉ）第２の基準に対する第１の基準の位置、および（ｉｉ）第１の基準に対する軸の位置に基づき決定されうる。
図３３を参照すると、インプラントを選択するプロセス１０００は外科医によって実行されうる。以下で説明されているプロセス１０００は、上で説明されている追加の特徴、例えば、図２２Ａ、図２２Ｂ、および図２３を参照して説明されている特徴も含みうる。
関節に対する第１の特性が識別される（１００２）。第１の特性は、例えば、回転の中心点または関節の軸とすることができる。第１の特性は、第１の基準に対して知られており、第１の基準は、骨に対して定位置に配置される。インプラントが骨に結合される（１００４）。インプラントの特性は、インプラントのランドマークに対する既知の関係、例えば、ランドマークに対する既知の位置を有する。インプラントの特性は、例えば、ネック角度、関節の回転の中心に対応するインプラントのロケーション、ネック長さ、インプラントの寸法、またはインプラントによって画成される軸の位置であってよく、ランドマークに対する既知の関係は、ランドマークに対する既知の位置である。プロセス１０００は、インプラントの特性を決定するステップを含みうる。外科医は、制御ユニットを使用して特性およびそれとランドマークとの関係を示すデータにアクセスすることができる。
第２の基準が、ランドマークに対する既知の位置で、例えば、ランドマークのところでインプラントに取り付けられる（１００６）。第２の基準および第１の基準の相対的位置が決定される（１００８）。相対的位置およびインプラントの特性に基づき、関節についての第２の特性が決定される（１０１０）。第２の特性は、インプラントによって定義されうる。例えば、第２の特性は、インプラントが骨に位置する結果、関節の回転の中心とすることができる。第１の特性と第２の特性との違いが、判定される（１０１２）。
第１の特性および第２の特性は、それぞれ、ネック角度、ネック長さ、関節の回転の中心のロケーション、またはネックの軸の位置とすることができる。例えば、第１の特性は、関節の自然な回転の中心のロケーションとすることができ、第２の特性は、骨に結合された場合にインプラントによって画成される関節の回転の中心のロケーションとすることができる。別の例として、骨は、大腿骨であり、第１の特性は、大腿骨のネックによって画成される軸の位置であり、インプラントの特性は、インプラントのネックによって画成される軸の位置であり、第２の特性は、インプラントが大腿骨に結合された場合にインプラントのネックによって画成される軸の位置であるものとしてよい。
図３４を参照すると、関節特性を決定するプロセス１１００は外科医によって実行されうる。以下で説明されているプロセス１１００は、上で説明されている追加の特徴、例えば、図２４Ａから図２４Ｂを参照して説明されている特徴も含みうる。
第１の基準が、第１のロケーションに、例えば、関節の骨に固定されて取り付けられる（１１０２）。第２の基準は、関節の移動で第２の基準および第１の基準の相対的位置が変化するように第２のロケーションに固定されて取り付けられる（１１０４）。第１の基準に対する第２の基準のロケーション（１１０６）。ロケーションの第１の組は、関節の運動の範囲の端点における関節の位置を含む、関節の異なる位置に対応する基準の相対的なロケーションを含むものとしてよい。第１の基準に対する第２の基準のロケーションの第２の組が測定される（１１０８）。ロケーションの第２の組は、関節の運動の範囲の端点における関節の位置を含む、関節の異なる位置に対応する基準の相対的なロケーションを含むものとしてよい。１つまたは複数の関節の特性の違いが、第１の複数のロケーションおよび第２の複数のロケーションを使用して判定される（１１１０）。ロケーションの第１の組は、外科手術前に測定され、ロケーションの第２の組は、外科手術後に測定されうる。したがって、１つまたは複数の関節の特性の違いは、外科手術によって引き起こされた違いであるものとしてよい。
図３５を参照すると、再置換外科手術に対するアライメントを決定するプロセス１２００が、外科医によって実行されうる。以下で説明されているプロセス１２００は、上で説明されている追加の特徴、例えば、図２５Ａから図２６Ｂを参照して説明されている特徴も含みうる。
第１の基準が、関節の骨に対して定位置に取り付けられる（１２０２）。骨に取り付けられたインプラントが識別される（１２０４）。識別されたインプラントの１つまたは複数の特性を示す情報がアクセスされる（１２０６）。例えば、外科医は、識別されたインプラントを識別する情報を制御ユニットに入力することによって、または特性にアクセスすることを要求するコントロールを選択することによってこの情報へのアクセスを行わせることができる。第２の基準は、インプラントに対して既知の位置に取り付けられる（１２０８）。例えば、第２の基準は、インプラントのランドマークに取り付けることができる。第２の基準および第１の基準の相対的位置が決定される（１２１０）。例えば、外科医は、制御ユニットを使用して基準の相対的位置を決定することができる。関節の特性は、相対的位置、第２の基準の既知の位置、およびインプラントの１つまたは複数の特性に基づき決定される（１２１２）。特性は、例えば、関節の回転の中心またはインプラントによって画成された軸の位置とすることができる。
図３６を参照すると、プロセス１３００は、関節に対する器具のアライメントを決定するため、例えば、制御ユニット５０、５５０のうちの１つによって実行されうる。プロセス１３００は、上で説明されている追加の特徴、例えば、図３Ａから図７Ｂを参照して説明されている特徴も含みうる。
軸に対してアライメントを調整された第２の基準に対する第１の基準の位置を示す情報が受信される（１３０２）。第１の基準は、関節に対して固定ロケーションに取り付けられる。第２の基準は、関節に結合されたガイドによって画成された、軸に対して既知の位置でアライメントを調整される。ガイドは、ガイドの外形が関節の一部に実質的に形状適合するように使用される前に形成される。例えば、ガイドは、特定の股関節の寛骨臼の外形に実質的に形状適合するように形成された寛骨臼ガイド６０とすることができる。軸は、ガイドが形状適合する特定の股関節の断層撮影データなどの撮像データに基づき、関節に対して決定された固着軸１４とすることができる。
軸の位置は、第１の基準に対して決定される（１３０４）。軸の位置は、軸に対する第２の基準の既知の位置および第２の基準に対する第１の基準の位置を示す情報を使用して決定される。例えば、第１の基準に対する軸の位置を計算するために、第２の基準の位置間のオフセットが決定されうるとともに使用されうる。
第１の基準に対する器具の位置を示す情報が受信される（１３０６）。例えば、第３の基準が器具に結合され、第１の基準に対する第３の基準の位置を示す情報が決定されうる。この情報は、ガイドが関節から結合を外された後に生成され、器具が関節から結合を外れた場合に器具の位置を示すことができる。
器具の位置は、軸に対して決定される（１３０８）。例えば、器具の位置は、（１３０４）で決定された軸の位置と比較され、位置は両方とも同じ第１の基準に対して既知である。器具の位置は、ガイドが関節から結合を外された後に決定されうる。
プロセス１３００は、第１の基準に対する関節の回転の中心点のロケーションを決定するステップを含みうる。回転の中心点は、ガイドが関節に結合された場合にガイドに対して知られるものとしてよい。ガイドに対する回転の中心点の既知のロケーション、およびガイドに対する第２の基準の既知の位置、および第２の基準に対する第１の基準の位置を示す情報に基づき、第１の基準に対する中心点のロケーションが決定される。回転の中心点の位置を使用して、関節に対する好ましいリーミング深さを、例えば、関節に対するインプラントの既知の特性に基づき決定することができる。
図３７を参照すると、プロセス１４００は、関節に対する軸の位置を計算するため、例えば、制御ユニット５０、５５０のうちの１つによって実行されうる。プロセス１３００は、上で説明されている追加の特徴、例えば、図８から図１６を参照して説明されている特徴も含みうる。
関節の運動の範囲を示す情報が受信される（１４０２）。この情報は、複数のロケーション４２４を含むことができ、複数のロケーション４２４のそれぞれは、関節の異なる位置に対応する。情報は、それに加えて、または代替的に、三次元座標系内で定義されている表面４３４などの、運動の範囲の表現を含むことができる。情報は、関節の運動の範囲の１つまたは複数の端点を示しうる。
関節の回転の中心に実質的に対応する第１の点が決定される（１４０４）。第１の点のロケーションは、運動の範囲を示す情報を使用して計算されうる。例えば、第１の点は、関節の運動の範囲を表す表面４３４の焦点または中心点とすることができる。関節の運動の範囲を示す情報は、基準に対して知られており、第１の点のロケーションは、同じ基準に対して決定されうる。
第２の点は、運動の範囲と１つまたは複数の他の関節の第２の運動の範囲との間の１つまたは複数の相関関係を使用して決定されうる（１４０６）。第２の点は、複数の関節の運動の範囲および軸の間の共通点を表す複合情報を使用して決定することができる。
これらの相関関係は、共通点および識別された対応するランドマークなどの、運動の範囲と第２の運動の範囲との間で識別された関係を含みうる。相関関係は、最小誤差の向きで境界のアライメントを調整するオフセットなどの、運動の範囲の境界と第２の運動の範囲の境界との間の計算された位置オフセットも含みうる。例えば、これらの相関関係を使用して、三次元座標系内の第２の運動の範囲で関節の運動の範囲のアライメントを調整することができる。アライメントは、運動の範囲の境界に沿った点および／または運動の範囲を示す他の点および領域に対する三次元の通常最小２乗または幾何最小２乗に基づくものとしてよい。
相関関係を使用して第２の点を決定するステップは、第２の運動の範囲に対して既知の軸の位置を使用して運動の範囲に対する１つまたは複数の対応位置を決定するステップを含むことができる。運動の範囲および第２の運動の範囲が共通座標基準フレーム内の相関関係に基づきアライメントを調整される場合、第２の運動の範囲のための軸の位置は、運動の範囲に対して対応位置でアライメントを調整される。
第１の点と第２の点との間の軸が決定される（１４０８）。例えば、第１の点および第２の点と交差する軸は、関節に対して定位置に配置されている第１の基準に対して画成される。軸は、例えば、上で説明されているように決定された固着軸４４６とすることができる。
図３８を参照すると、プロセス１４００において、第２の点を決定するステップ（１４０６）は、プロセス１５００の特徴を含みうる。
関節の運動の範囲の第１の表現が生成される（１５００）。例えば、関節の運動の範囲を示す情報は複数のロケーションまたは点を含み、表現を生成するステップは、表面をロケーションまたは点にデータフィッティングするステップを含みうる。複数の関節の運動の範囲に基づく複合表現がアクセスされる（１５０４）。第１の表現と複合表現との間の相関関係に基づく位置関係が決定される（１５０６）。例えば、第１の表現と複合表現との間の位置関係は、対応する特徴間の共通点に基づき決定されうる。これらの共通点は、複合表現に対して第１の表現のアライメントを調整するために使用されうる。複合表現に対して既知の点のロケーションに基づき、対応する点のロケーションが、第１の表現に対して識別される（１５０８）。例えば、複合表現を持つ軸の交点に対応する第１の表現上の点が識別されうる。固着軸を画成するために使用される第２の点は、第１の表現に対して識別された点であってよい。
図３９を参照すると、プロセス１６００は、関節データを分析するために、例えば、制御ユニット５０、５５０の１つまたは別のコンピュータシステムによって実行されうる。プロセス１６００は、上で説明されている追加の特徴、例えば、図１２Ａ、図１２Ｂ、および図１３を参照して説明されている特徴も含みうる。
運動の範囲および軸の位置を示す複数の記録がアクセスされる（１６０２）。これらの記録は、データストレージデバイスからアクセスされうるか、または受信された情報に基づき作成されうる。それぞれの記録に示されている軸の位置は、対応する関節に対する断層撮影データを使用して決定された位置であってよい。
軸と記録の運動の範囲との間の関係が識別される（１６０４）。これらの関係は、対応する特徴の間の相関関係に基づき決定された位置関係を含むことができる。識別された関係を示すデータが格納される（１６０６）。関係の例として、異なる記録に示されている運動の範囲の間の相関関係、一方の記録に示されている軸の位置と別の記録に示されている軸の位置との間の関係、および複数の記録のうちの１つの記録の軸の位置と複数の記録のうちの異なる１つの記録の運動の範囲との間の関係が挙げられる（図１２Ａから図１２Ｃおよび図１３および対応する説明を参照）。関係は、記録のそれぞれについて、軸の位置と、運動の範囲の境界などの関節の運動の範囲の特徴との間の関係も含みうる。
プロセス１６００は、格納されている関係へのアクセスを提供するステップを含みうる。プロセス１６００は、識別された関係を使用して運動の範囲の複合表現３２０および複合軸３２９を生成し格納するステップを含みうる。プロセス８００は、識別された関係に基づき、複合軸３２９に対する許容範囲、例えば、図１２Ｃの領域３３０、３３１、３３２の１つまたは複数の半径を決定するステップを含みうる。許容範囲は、対応する特徴に基づき運動の複合範囲と相関する場合に、記録の特定の数、記録の割合、または割合の範囲（例えば、「９０％またはそれ以上」という範囲）は、許容範囲内に対応する軸を有することを示しうる。
図４０を参照すると、プロセス１７００は、関節の骨に対する器具の位置を示すため、例えば、制御ユニット５０、５５０のうちの１つによって実行されうる。プロセス１７００は、上で説明されている追加の特徴、例えば、図１７から図２０を参照して説明されている特徴も含みうる。
大腿骨のネックの周りの複数のロケーションを示す情報が受信される（１７０２）。受信された情報は、大腿骨に対して既知の位置に配置された基準に対するロケーションを示しうる。基準は大腿骨に結合されうる。
軸の位置は、複数のロケーションに基づき決定される（１７０４）。例えば、円筒形は、複数のロケーションから推定され、軸は、この円筒形の中心軸であるものとしてよい。円筒形は、基準に対して決定され、したがって、軸の位置は、基準に対して決定されうる。
器具の位置を示す情報が受信される（１７０６）。この情報は、複数のロケーションが示されているのと同じ基準に対する器具の位置を示すことができる。
軸に対する器具の位置を示す情報が、例えば、ユーザインターフェース上に提示される（１７０８）。例えば、大腿骨の三次元ビューを、軸の位置および器具の位置の指示とともに表示することができる。
図４１を参照すると、プロセス１８００は、関節に対するアライメントを決定するため、例えば、制御ユニット５０、５５０のうちの１つによって実行されうる。プロセス１８００は、上で説明されている追加の特徴、例えば、図２１Ａおよび図２１Ｂを参照して説明されている特徴も含みうる。
軸の位置は、第１の基準に対して決定され、第１の基準は、関節の第１の骨に対して定位置に配置される（１８０２）。第１の基準および第２の基準の相対的位置を示す情報が受信される（１８０４）。第２の基準は、関節の第２の骨に対して定位置に配置される。第２の基準に対する第１の基準の位置は、第２の骨に対する第１の骨の既知の位置に対応する。例えば、第１の骨は、大腿骨であり、第２の骨は、骨盤であり、既知の位置は、骨盤に対する大腿骨の中立のアライメントであるものとしてよい。別の例として、第１の骨は、上腕骨であり、第２の骨は、肩甲骨であり、既知の位置は、肩甲骨に対する上腕骨の中立の位置であるものとしてよい。
軸の位置は、第２の基準に対して決定される（１８０６）。軸の位置は、（ｉ）第１の基準および第２の基準の相対的位置、ならびに（ｉｉ）第１の基準に対する軸の位置に基づき第２の基準に対して決定される。例えば、オフセットは、第１の骨が第２の骨に対して既知の位置にある場合に第２の基準の位置と軸の位置との間で決定されうる。軸の位置を示す情報が提供される（１８０８）。例えば、関節を外した後に、第２の骨に対する軸の位置を示す情報が提供されうる。
図４２を参照すると、プロセス１９００は、インプラントの適切さを決定するため、例えば、制御ユニット５０、５５０のうちの１つによって実行されうる。プロセス１９００は、上で説明されている追加の特徴、例えば、図２２Ａ、図２２Ｂ、および図２３を参照して説明されている特徴も含みうる。
関節の第１の特性が識別される（１９０２）。第１の特性は、骨に対して定位置に配置された第１の基準に対して既知である。（ｉ）インプラントの特性および（ｉｉ）その特性とインプラントのランドマークとの間の関係を示す情報がアクセスされる（１９０４）。インプラントの特性は、例えば、ネック角度、関節の回転の中心に対応するロケーション、ネック長さ、インプラントの寸法、またはインプラントによって画成される軸の位置のうちの１つであってよく、ランドマークに対する既知の関係は、ランドマークに対する既知の位置である。第１の基準および第２の基準の相対的位置を示す情報が受信される（１９０６）。第２の基準は、ランドマークに対する既知の位置に、例えば、ランドマークのところに配置される。関節に対する第２の特性が、相対的位置およびインプラントの特性に基づき決定される（１９０８）。第２の特性は、インプラントによって定義されうる。第２の特性と第１の特性との違いが判定される（１９１０）。
プロセス１９００は、第２の特性と第１の特性との違いを示す情報を提供するステップも含みうる。プロセス１９００は、関節の第３の特性を、第３の特性と第１の特性との違いが第２の特性と第１の特性との違いより小さくなるように定義するため計算された第２のインプラントを識別するステップと、第２のインプラントを識別する情報を提供するステップと、を含むこともできる。第２のインプラントを識別するステップは、第１の特性と第２の特性との違いに基づく所望の特性と、その特性を識別するステップを含みうる。例えば、第１の特性および第２の特性がネック長さであり、それらの間の違いが第１のインプラントのネック長さが短すぎることを示している場合、所望の特性は第１のインプラントのネック長さにその差を加えることによって決定されうる。第２のインプラントを識別するステップは、複数のインプラントの特性を示すデータにアクセスするステップと、所望の特性をアクセスされたデータによって示される１つまたは複数の特性と比較するステップと、所望の特性に実質的に等しい特性を有する１つまたは複数のインプラントまたはインプラントの組み合わせを選択するステップと、をさらに含みうる。
第２のインプラントを識別するステップは、第２のインプラントのモデル番号または部品番号を識別するステップを含むことができる。第１の特性および第２の特性は、それぞれ、ネックの角度、ネックの長さ、関節の回転の中心のロケーション、またはネックの軸の位置とすることができる。例えば、第１の特性は、関節の自然な回転の中心のロケーションとすることができ、第２の特性は、骨に結合された場合にインプラントによって画成される関節の回転の中心のロケーションとすることができる。
別の例として、第１の特性は、大腿骨のネックを通る軸と大腿骨の縦軸とのなす角度などの自然な大腿骨のネック角度とすることができる。第２の特性は、インプラントが骨に結合された場合のインプラントのネックを通る軸と大腿骨の縦軸とのなす角度などのインプラントによって画定されるネック角度とすることができる。
いくつかの実施では、骨は、大腿骨であり、第１の特性は、大腿骨のネックによって画成される軸の位置であり、インプラントの特性は、インプラントのネックによって画成される軸の位置であり、第２の特性は、インプラントが大腿骨に結合された場合にインプラントのネックによって画成される軸の位置である。
図４３を参照すると、プロセス２０００は、関節特性の違いを判定するため、例えば、制御ユニット５０、５５０のうちの１つによって実行されうる。プロセス２０００は、上で説明されている追加の特徴、例えば、図２４Ａおよび図２４Ｂを参照して説明されている特徴を含みうる。
第２の基準に対する第１の基準の第１の複数のロケーションを示す情報が受信される（２００２）。情報は、第２の基準に対する第１の基準の第２の複数のロケーションを示す（２００４）。第１の複数のロケーションおよび第２の複数のロケーションは、外科手術の前後の関節の異なる位置で測定されうる。第１の複数のロケーションおよび第２の複数のロケーションは、関節が移動するように、関節の骨に対して既知の位置に配置された第１の基準、関節の異なる骨に対して異なる既知の位置に配置された第２の基準により測定されうる。
１つまたは複数の関節の特性の違いが、第１の複数のロケーションおよび第２の複数のロケーションを使用して判定される（２００６）。第１の三次元表面は、第１の複数のロケーションから推定され、第１の時点における運動の範囲を表すことができる。第２の三次元表面は、第２の複数のロケーションから推定され、第２の時点における運動の範囲を表すことができる。第１の表面および第２の表面を比較することができる。第１の表面および第２の表面は球であり、球の半径を比較して脚の長さの違いを判定することができる。球の中心に対応する点を比較して、関節の回転の中心の変化を判定することができる。関節の回転の中心の変化、脚の長さの違い、および他の特性が決定されうる。
第１の複数のロケーションおよび第２の複数のロケーションに基づき、例えば、第１の表面と第２の表面との間の識別された違いを使用して、第１の複数のロケーションによって示される運動の範囲が第２の複数のロケーションによって示される運動の範囲と特定の関係を有するように関節への調整を計算する。例えば、特定の関係は、運動の範囲がサイズ、形状、およびロケーションの点で等しいか、または互いからの特定のオフセットを有する関係とすることができる。
図４４を参照すると、プロセス２１００は、再置換外科手術のためのアライメントを決定するため、例えば、制御ユニット５０、５５０のうちの１つによって実行されうる。プロセス２２００は、上で説明されている追加の特徴、例えば、図２５Ａ、図２５Ｂ、図２６Ａ、および図２６Ｂを参照して説明されている特徴を含みうる。
インプラントを識別する情報が受信され、インプラントは関節の骨に取り付けられる（２１０２）。識別されたインプラントの１つまたは複数の特性を示す情報がアクセスされる（２１０４）。第１の基準および第２の基準の相対的位置を示す情報が受信される（２１０６）。第１の基準は、骨に対して定位置に配置される。第２の基準は、ランドマークなどのインプラントに対して既知の位置に配置される。関節の特性は、第２の基準および第１の基準の相対的位置に基づき決定される（２１０８）。特性の決定は、インプラントに対する第２の基準の既知の位置およびインプラントの１つまたは複数の特性に基づいて行うこともできる。関節の特性は、例えば、関節の回転の中心とすることができる。関節の特性は、インプラントによって画成される軸またはインプラントが取り付けられる軸とすることができる。
上で説明されているシステム１００、５００において、制御ユニット５０、５５０は、それぞれ、実行されるか、または解釈実行されうる（executed or interpreted）命令を格納する１つまたは複数のストレージデバイス、例えば、非一時的なコンピュータ可読媒体を備えることができる。制御ユニットの１つまたは複数の処理デバイスによって実行されると、これらの命令は、上で説明されているオペレーションを制御ユニットに実行させる。
さまざまな実施が、対応するシステム、装置、および本明細書で説明されているプロセスのアクションを実行するように構成され、コンピュータのストレージデバイス上に符号化されているコンピュータプログラムを含むことができる。１つまたは複数の処理デバイスまたは１つまたは複数のコンピュータのシステムは、動作時にこれらのアクションをシステムに実行させるシステム上にインストールされたソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはこれらのものの組み合わせによりそのように構成されうる。１つまたは複数のコンピュータプログラムが、データ処理装置によって実行された場合に、これらのアクションを装置に実行させる命令を有することでそのように構成されうる。
発明対象および本明細書で説明されている機能するオペレーションの実施は、本明細書で開示されている構造およびその構造的等価物を含む、デジタル電子回路で、有形に具現化されたコンピュータソフトウェアもしくはファームウェアで、コンピュータハードウェアで、またはこれらのうちの１つまたは複数のものの組み合わせで実施することができる。本明細書で説明されている発明対象の実施は、１つまたは複数のコンピュータプログラム、つまり、データ処理装置による実行のため、またはデータ処理装置のオペレーションを制御するために有形な非一時的なコンピュータ記憶媒体上に符号化されたコンピュータプログラム命令からなる１つまたは複数のモジュールとして実施することができる。コンピュータ可読媒体は、機械可読ストレージデバイス、機械可読ストレージ基板、メモリデバイス、機械可読伝播信号を発生する組成物、またはこれらのうちの１つまたは複数のものの組み合わせとすることができる。「データ処理装置」という用語は、例えば、プログラム可能なプロセッサ、コンピュータ、または複数のプロセッサもしくはコンピュータを含む、データを処理するすべての装置、デバイス、および機械を包含する。装置は、ハードウェアに加えて、注目しているコンピュータプログラム用の実行環境を作成するコード、例えば、プロセッサファームウェア、プロトコルスタック、オペレーティングシステム、またはこれらのうちの１つまたは複数のものの組み合わせを構成するコードを含むものとしてよい。
これで多数の実施および代替的形態が説明された。しかしながら、本開示の精神および範囲から逸脱することなくさまざまな修正を加えることができることは理解されるであろう。例えば、上記の実施の一部は股関節に対する外科手術に関して説明されているけれども、上述の実施は、例えば、肩関節などの、身体の他の関節および手術部位を対象とするためにも使用されうる。それに加えて、上で説明されている実施は、関節形成以外の手術にも採用されうる。したがって、他の実施は、請求項の範囲内に収まる。
１０ 股関節
１０´ 表現
１２ａ〜１２ｃ センサ
１３ 寛骨臼
１３´ 側面図
１４ 固着軸
１４´ 指示
１５ 回転の中心点
１６ 骨盤
１８ 腸骨稜
２０ 識別装置
２１ 電磁（ＥＭ）場発生装置
２２ 結合部材
２３ ハウジング
２４ ドリルガイドアタッチメント
２６ ドリルガイド
２７ ケーブル
３０ 手術器具
３０´ 表現
３１ 端部
３４ センサリード
４０ ＥＭ場センサ
５０ 制御ユニット
５２ ユーザインターフェース
５３ インジケータ
５４ 三次元図
５５ 撮像データ
５６ 傾斜角度
５７ 前傾角度
５９ａ 好ましいリーミング深さ
５９ｂ 現在のリーミング深さ
５９ｃ 違い
６０ ガイド
６２ 外形
６４ ガイド穴
６５ 基準点
６６ 部分
７０ ＥＭ場センサ
７２ 第２のＥＭ場センサ
７８ 指示
８０ マーカ
８１ 第２のマーカ
８２ インプラントの画像
８４ 画像
８５ 表面
８９ 指示
９０ 画像
９１ 画像
９２ インジケータ
９３ 回転位置
９４ 回転位置
９５ 穴
１００ アライメントシステム
１１０ 入力モジュール
１１２ センサインターフェース
１１４ 識別装置入力インターフェース
１１６ ユーザ入力コントロール
１２０ 処理モジュール
１２２ 処理デバイス
１２４ ストレージデバイス
１３０ 出力モジュール
１３２ ディスプレイ
１４０ 制御モジュール
１５０ 通信モジュール
２００ 関節
２００´ 表現
２０２ 骨盤
２０４ 寛骨臼
２０６ 大腿骨
２０８ 大転子
２１０ 第１のＥＭ場センサ
２１２ 第２のＥＭ場センサ
２２０ 点
２２１ 外れ点
２３０ 球体
２３２ 中心点
２３４ 運動の範囲の表面
２３６ 交点
２３７ 境界
２６０ ガイド
２７０ 固着軸
３００ データベース
３０２ａ〜３０２ｃ 記録
３０４ａ〜３０４ｃ 三次元の運動の範囲の表面
３０５ａ〜３０５ｃ 境界全体
３０６ａ〜３０６ｃ 交点
３０７ａ、３０７ｂ、３０７ｃ 第１のランドマーク
３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃ 第２のランドマーク
３０９ａ〜３０９ｃ 中点
３１０ コンピュータシステム
３２０ 複合表現
３２２ 運動の複合範囲の表面
３２５ 境界
３２６ 最良適合交点
３２８ 回転の中心点
３２９ 複合軸
３３０、３３１、３３２ 領域
４００ 関節
４０２ 骨盤
４０６ 大腿骨
４０６´ 三次元ビュー
４０８ 大転子
４０９ 大腿骨頭
４１０ 大腿ネック
４１１ 開口部
４２０ 第１のＥＭ場センサ
４２２ 第２のＥＭ場センサ
４２４ ロケーション
４００´、４２４´ 表現
４２６ 点
４３０ 球体
４３２ 中心点
４３４ 運動の範囲の表面
４３５ 境界
４３７ ランドマーク
４４０ 交点
４４６ 固着軸
４５０ プローブ
４５２ ＥＭ場センサ
４５３ 幹軸
４５４ 端部
４５６ ロケーション
４５６´ 指示
４５７ 関節の回転の中心点
４５９ モデル
４６１ａ、４６１ｂ ランドマーク
４６２ 円筒形
４６３ 試用コンポーネント
４６４ 中心軸
４６４´ 指示
４６５ 固着軸
４６６ 点
４６７ 第３のＥＭセンサ
４６８ ネック軸
４６９ 点
４７０ ドリル
４７０´ 指示
４７１ａ〜４７１ｃ 試用コンポーネントモデル
４７２ ＥＭ場センサ
４７４ ガイドピン
４７７ ロケーション
４８０ 第２の球体
４８１、４８３、４８５ ＥＭセンサ
４８２ 中心点
４８４ 第２の運動の範囲の表面
４９０ 大腿骨インプラント
４９１ 寛骨臼インプラント
４９３ 回転の中心点
４９４ 大腿骨ネック軸
４９５ 回転の中心点
４９７ 回転の中心点
４９８ 大腿骨インプラント
４９９ 寛骨臼インプラント
５００ 代替的アライメントシステム
５２０ 識別装置
５２１ 赤外線カメラ
５２３ 赤外線放射体
５２５ 通信リンク
５４０ａ〜５４０ｃ 赤外線反射体
５４２ 赤外線反射要素
５５０ 制御ユニット
５５２ ユーザインターフェース

Claims (14)

  1. 関節の受け側部分に実質的に形状適合する外形を有する、あらかじめ形成されたガイドであって、前記ガイドが前記関節に嵌合した場合に前記関節に対して既知の位置を有する軸を画成する、あらかじめ形成されたガイドと、
    前記関節の骨に取り付けるための第１の基準デバイスと、
    前記ガイドに対する既知のアライメントで結合する第２の基準デバイスと、
    前記第１の基準デバイスおよび前記第２の基準デバイスと通信する制御ユニットであって、前記第２の基準デバイスが前記ガイドと既知のアライメント調整をなされ、かつ前記ガイドが前記関節に嵌合する場合に、前記第１の基準デバイスに対する前記第２の基準デバイスの位置を示すデータに基づき前記第１の基準デバイスに対する前記軸の前記位置を決定するように構成された制御ユニットと、
    を備え、前記ガイドの外形は、前記外形が前記関節の受け側部分に実質的に形状適合し、かつ前記ガイドが特定の方向で前記関節の前記受け側部分と嵌合するように前記ガイドの使用に先だって形成されたシステム。
  2. 前記軸は、前記ガイドが前記関節に結合された場合の前記関節に対する既知の傾斜角度および既知の前傾角度を有する請求項１に記載のシステム。
  3. 第２の基準デバイスは、前記軸に対する既知のオフセットを有する位置で前記ガイドに取り付けられるように構成される請求項１に記載のシステム。
  4. 前記関節は、特定の患者の股関節であり、
    前記軸は、前記股関節の撮像データに基づき決定された、前記股関節の寛骨臼固着軸であり、
    前記ガイドは、前記特定の患者について画成された前記外形を有する患者特有のガイドであり、前記外形は、前記ガイドが特定の方向で寛骨臼と嵌合するように前記股関節の寛骨臼の１つまたは複数の部分に実質的に形状適合する請求項１に記載のシステム。
  5. 電磁場発生装置をさらに備え、
    前記第１の基準デバイスは、第１の電磁場センサを備え、かつ前記第２の基準デバイスは、前記電磁場発生装置または第２の電磁場センサを備える請求項１に記載のシステム。
  6. 赤外線検出器をさらに備え、
    前記第１の基準デバイスは、第１の基準マークを備え、かつ前記第２の基準デバイスは、第２の基準マークを備える請求項１に記載のシステム。
  7. 前記第１の基準デバイスに対する前記軸の位置を決定するために、前記制御ユニットは、基準フレーム内の前記軸の位置を決定するように構成され、第１の基準デバイスは前記基準フレームに対する定位置を有する請求項１に記載のシステム。
  8. 前記制御ユニットは、
    前記軸に対する器具の位置を、前記第２の基準デバイスまたは第３の基準デバイスが前記器具に結合されている間に決定し、
    ユーザインターフェース上に、前記軸に対する前記器具の位置を示すデータを出力するように構成される請求項１に記載のシステム。
  9. 前記制御ユニットは、前記ガイドが前記関節から取り外された後に前記器具の位置を決定するように構成される請求項８に記載のシステム。
  10. 前記軸に対する前記器具の前記位置を決定するために、前記制御ユニットは、前記軸の周りの前記器具の回転位置を決定するように構成され、
    前記軸に対する前記器具の位置を示すデータを出力するために、前記制御ユニットは、前記軸の周りの前記器具の回転位置を示すデータを出力するように構成される請求項８に記載のシステム。
  11. 前記第１の基準デバイスに対する前記軸の位置を決定するために、制御ユニットは、
    前記ガイドに対する前記軸の位置を示す第１のデータにアクセスし、
    前記第２の基準デバイスが前記ガイドと前記既知のアライメント状態にある場合に第２の基準デバイスと前記ガイドとの間のオフセットを示す第２のデータにアクセスするように構成される請求項１に記載のシステム。
  12. 前記制御ユニットは、
    前記関節または前記関節の表面の回転の中心に対する器具の位置を、第１の基準デバイスに対する前記器具の位置を示す情報に基づき決定し、
    前記器具の位置に対して前記軸に沿ったリーミング深さを計算し、かつ
    前記リーミング深さを示す情報を提供するように、さらに構成される請求項１に記載のシステム。
  13. 前記リーミング深さを計算するために、前記制御ユニットは、
    インプラントの１つまたは複数の特性を示す情報にアクセスし、
    前記インプラントの１つまたは複数の特性に基づき好ましいリーミング深さを決定し、
    前記器具の現在位置と前記好ましいリーミング深さに対応する前記器具の好ましい位置との差を判定するように構成され、
    前記リーミング深さを示す情報を提供するために、前記制御ユニットは、前記器具の現在位置と前記器具の好ましい位置との差を示す情報を提供するように構成される請求項１２に記載のシステム。
  14. 関節に対するアライメントを決定する装置であって、
    １つまたは複数の処理デバイスと、前記１つまたは複数の処理デバイスによって実行された場合に、オペレーションを前記１つまたは複数の処理デバイスに実行させるように動作可能である命令を格納する１つまたは複数のストレージデバイスと、を備え、
    前記オペレーションは、
    第２の基準デバイスに対する第１の基準デバイスの測定位置を示す情報を受信するステップであって、（ｉ）前記第１の基準デバイスが、前記関節の骨に対する固定ロケーションに取り付けられ、（ｉｉ）前記関節の一部分に実質的に形状適合する外形を有する患者特有のガイドが前記骨に結合され、（ｉｉｉ）前記第２の基準デバイスが、前記患者特有のガイドに対して既知の位置に結合される間中、前記測定位置が発生し、前記患者特有のガイドが、請求項１から１３のいずれか一項に記載のシステムのあらかじめ形成されたガイドである、ステップと、
    前記測定位置に基づき前記第１の基準デバイスに対する外科軸の位置を決定するステップと、
    前記第１の基準デバイスに対する器具の位置を示す情報を受信するステップと、
    前記ガイドが前記関節から取り外された後に、前記第１の基準デバイスに対する前記器具の位置を使用して前記外科軸に対する前記器具の位置を決定するステップと、
    を含む装置。
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