JP7384866B2 - 骨再建及び整形外科インプラント - Google Patents
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Description
本出願は、2013年10月15日に出願された「CRANIUM AND POSTCRANIAL BONE AND SOFT TISSUE RECONSTRUCTION(頭蓋及び後部頭蓋骨並びに軟組織の再建)」と題される米国仮特許出願第61/891,047号の利益を主張し、この米国仮特許出願の開示内容は、参照することにより本願に組み入れられる。
(発明の分野)
本開示は、骨及び組織の再建、患者に固有のマスカスタマイズされた整形外科インプラント、性別及び民族に固有の整形外科インプラント、切断ガイド、外傷プレート、骨移植片切断ガイド及び留置ガイド、患者固有機器、運動学及び病理学のための解剖学的トラッキングにおける慣性測定ユニットの利用、及び、整形外科処置中のナビゲーションのための慣性測定ユニットの利用を含む整形外科の様々な態様に向けられる。
(発明の序文)
図1~図8を参照すると、変形した生体構造又は不完全な生体構造の再建が、ヘルスケアプロバイダーに直面する複雑な問題のうちの1つである。生体構造の損失は、出生状態、腫瘍、疾患、身体傷害、又は、既往手術の不具合の結果である場合がある。様々な疾患のための治療を行う一環として、ヘルスケアプロバイダーは、骨折/骨粉砕、骨変性、整形外科インプラント修復、関節変性、及び、カスタム器具設計を含んでもよいがこれらに限定されない様々な状態のための治療を容易にするために生体構造を再建する或いは生体構造を構成することが有利であると考える場合がある。例えば、従来技術の股関節再建解決策は、健康な患者の生体構造のミラーリングを必要とするが、このミラーリングは、図12~図16に示されるように、必然的に生じる非対称性に起因して健康な生体構造の正確な反映でない場合がある。
図1及び図17を参照して、不完全な、変形した、及び/又は、粉砕された生体構造に苦しめられる患者のための患者固有の整形外科インプラントガイド及び関連する患者固有の整形外科インプラントを生成するための典型的なプロセス及びシステムについて説明する。典型的な議論のため、不完全な生体構造を伴う患者のための完全股関節形成術について説明する。しかしながら、言うまでもなく、典型的なプロセス及びシステムは、不完全な或いは変形した生体構造が存在する事例における患者固有のカスタマイゼーションに従う任意の整形外科インプラントに適用できる。例えば、典型的なプロセス及びシステムは、骨変性(不完全な生体構造)、骨変形、又は、粉砕骨が存在する場合の人工肩関節置換術及び膝置換術に適用できる。その結果、以下では股関節インプラントが論じられるが、当業者は、当初の整形外科術又は整形外科的修復術と共に使用するための、他の整形外科インプラント、ガイド、工具等に対するシステム及びプロセスの適用可能性を理解できる。
図22を参照して、大量にカスタマイズできる構成要素を使用してカスタマイズされた整形外科インプラントを生成するための典型的なプロセス及びシステムについて説明する。典型的な議論のため、著しい寛骨臼欠陥を伴う患者のための完全股関節形成術について説明する。しかしながら、言うまでもなく、典型的なプロセス及びシステムは、不完全な生体構造が存在する事例におけるマスカスタマイゼーションに従う任意の整形外科インプラントに適用できる。
図24を参照して、不完全な、変形した、及び/又は、粉砕された生体構造に苦しめられる患者のためのマスカスタマイズされた整形外科インプラントガイド及び関連するマスカスタマイズされた整形外科インプラントを生成するための典型的なプロセス及びシステムについて説明する。典型的な議論のため、初期の関節置換を必要とする患者のための完全股関節形成術について説明する。しかしながら、言うまでもなく、典型的なプロセス及びシステムは、不完全な生体構造が存在する事例におけるマスカスタマイゼーションに従う任意の整形外科インプラント及びガイドに適用できる。例えば、典型的なプロセス及びシステムは、骨変性(不完全な生体構造)、骨変形、又は、粉砕骨が存在する場合の人工肩関節置換術及び膝置換術に適用できる。その結果、以下では股関節インプラントが論じられるが、当業者は、初期の整形外科術又は整形外科的修復術と共に使用するための、他の整形外科インプラント、ガイド、工具等に対するシステム及びプロセスの適用可能性を理解できる。
図25~図76を参照して、性別及び/又は民族固有のインプラントを生成するための典型的なプロセス及びシステムについて説明する。典型的な議論のため、初期の関節置換を必要とする患者のための完全股関節形成術について説明する。しかしながら、言うまでもなく、典型的なプロセス及びシステムは、カスタマイゼーションに従う任意の整形外科インプラントに適用できる。例えば、典型的なプロセス及びシステムは、人工肩関節置換術及び膝置換術、並びに、他の初期の関節置換術に適用できる。その結果、以下では股関節インプラントが論じられるが、当業者は、当初の整形外科術又は整形外科的修復術と共に使用するための、他の整形外科インプラント、ガイド、工具等に対するシステム及びプロセスの適用可能性を理解できる。
最初に、プロセスは、1つ以上の骨が解析される幾つかの実施形態連を含む統計アトラスを含む。股関節インプラントの典型的な状況において、統計アトラスは、骨盤骨及び大腿骨のための骨モデルの幾つかの事例を含む。少なくとも寛骨臼構成要素(すなわち、臼蓋窩)及び大腿骨近位部構成要素(すなわち、大腿骨頭)に関して関節面幾何学的解析が行われる。特に、関節面幾何学的解析は、統計アトラスの所定の個体群からのそれぞれの骨に関するランドマーク、測定値、及び、形状特徴の計算を伴う。また、関節面幾何学的解析は、計算を表す統計値などの定量値を生成することを含む。これらの計算から、計算の分布がプロットされるとともに、計算の分布がその分布に基づいて解析される。例えばボール形状分布においては、個体群の約90パーセント(90%)がグループ化されることを観察でき、それにより、非患者固有インプラント(例えば、マスカスタマイズされたインプラント)を設計できるとともに、この非患者固有インプラントがこのグループ化に適切に適合することができ、したがって、患者固有インプラントと比べて患者のためのコストを低減できる。個体群の残りの10パーセント(10%)においては、患者固有インプラントがより良い手法かもしれない。
図77を参照すると、動物固有の(すなわち、動物のための患者固有の)インプラント及び関連する機器を設計して製造するための典型的なシステム及び方法は、本明細書中に組み入れられる図17に関して描かれて既に説明されたプロセスに類似する。前置きの事柄として、動物生体構造の画像が取得され、この画像は、仮想3D骨モデルをもたらすために自動的にセグメント化される。CTスキャン画像として図式的に描かれるが、例えばこれらに限定されないがMRI、超音波、及び、X線などのCT以外の他の撮像診断法が利用されてもよいことが理解されるべきである。先の典型的な開示にしたがって、罹患した生体構造の仮想3D骨モデルが統計アトラスに取り込まれる。その後、骨を再建して再建仮想3D骨モデルを形成するために、統計アトラスからの入力が利用される。正確なインプラントサイズの決定を可能にするために、再建仮想3D骨モデルの表面に関して骨ランドマークが計算される。その後、罹患した骨の幾何学的形態がマッピングされてパラメータ形態へ変換され、該パラメータは、その後、残存する解剖学的な幾何学的形態に良く似た動物固有のインプラントを形成するために使用される。動物固有のインプラントに加えて、動物の残存する骨の前処理及び動物固有のインプラントの留置のために、動物固有の器具が製造されて利用される。
図79~図94を参照して、患者固有の切断ガイドを設計するための多次元医用撮像、コンピュータ支援設計(CAD)、及び、コンピュータグラフィック特徴の統合のための典型的プロセス及びシステムについて説明する。単なる典型的な説明のため、患者固有の切断ガイドを完全股関節形成術処置との関連で記載する。それにもかかわらず、当業者は、典型的なプロセス及びシステムが切断ガイドを利用できる任意の外科的処置に適用可能であることを認識できる。
その結果、仮想テンプレーティングモジュールは、患者固有3D臼蓋窩モデルを使用して、患者の残存する骨に対する寛骨臼カップインプラントのサイズ及び位置を計算し、したがって、患者の残存する骨盤がどの程度保持されるようになっているのかに関する情報及び所望のインプラント方向に関する情報を冶具生成モジュールに与える。この骨保持データに従い、冶具生成モジュールは、骨保持データを利用して、1つ以上の骨切断/リーミングを割り当て、計画されたように寛骨臼インプラントを受け入れるために必要な残存骨まで患者の現在の骨盤を減少させる。意図される骨切断を使用して、冶具生成モジュールは、1つの方向のみによって患者の骨盤の2つの部分と結合するように構成される形状を有する切断ガイド/冶具の仮想3Dモデルを生成する。言い換えると、切断冶具の3Dモデルは、有形のリーミングガイドが患者の生体構造と正確に適合するように患者の骨盤の解剖学的表面の「ネガ」として形成される。この方法では、リーミング冶具の位置決めと関連付けられる任意の当て推量が排除される。冶具生成モジュールがリーミング冶具の仮想3Dモデルを生成した後、モジュールは、急速プロトタイピングマシン、CNCマシン、又は、有形のリーミング冶具を製造するための同様の装置のために必要なマシンコードを出力する。一例として、臼蓋窩をリーマー加工するための典型的な寛骨臼構成要素冶具は4ピース構造を備え、この場合、第1のピースは、天然の臼蓋窩内に受けられるとともに、第1のピースを留置ガイドとして使用して第2のピースが骨盤に固定されるまで第2のピースに一時的に取り付くように構成される。第2のピースが骨盤に締結された後、第1のピースが除去されてもよい。また、第3のピースは、リーマーが第3のピースに対して長手方向に横切っていくことができるようにするために第2のピースと一意的に接続する円筒状の或いは部分的に円筒状の構成要素を含むが、その方向は、第1のピースと第3のピースとの組み合わせを使用して固定される。リーミングの後、リーマーが除去されるとともに、第3のピースが第1のピースから取り外される。寛骨臼カップインプラントは、第4のピースを使用して、リーマー加工された臼蓋窩に装着される。特に、第4のピースは、単一の方向でのみ第1のピースと係合するように一意的に形成されるが、同時に、寛骨臼カップインプラントの内部の中に受けられるように形成される。インプラントカップが位置された後、第1及び第4のピースの両方が除去される。また、寛骨臼インプラントを着座させるための1つ以上の穴を骨盤にドリルで開けるために更なる冶具が形成されてもよいことも留意すべきであり、この場合、ドリル加工冶具のそれぞれは、ドリル用ビットの方向を検証するために第1のピースに対して連続して装着される。
図95~図108を参照して、所定の個体群を横切る骨プレート(すなわち、外傷プレート)を形成するための典型的なプロセス及びシステムについて説明する。当業者は、骨がそれ自体を骨折後に修復するべく再生を受けることができることを承知している。骨折の激しさ及び位置に応じて、不規則な骨形状に適合して骨断片間で最大の接触を得るべく手術室で曲げ又は他の修正をしばしば必要とする従来技術の外傷プレートが利用された。しかしながら、過度の曲げは外傷プレートの耐用寿命を減らし、これが骨プレート破損及び/又は外傷プレート-ネジ固定緩みにつながる場合がある。このプロセス及びシステムは、より正確な外傷プレート形状を与えて、術中にプレートを輪郭付けなければならないことを減らし或いは排除し、それにより、プレート耐用寿命を増大させるとともに、任意の骨プレート-ネジ固定緩みが生じるまでの時間を増大させる。
図115を参照して、患者固有の外傷プレート留置ガイドを形成するための典型的なプロセス及びシステムについて説明する。当業者は、1つ以上の位置で骨が折れる可能性があり、それにより、互いから分離される骨断片がもたらされることを認識している。骨を修復するための再建術の一環として、これらの断片は、1つ以上の外傷プレートを使用して固定方向で保持される。再建外科医は、患者固有の解剖学的な事実ではなく本来持っている知識を使用して骨背面を互いにつなぎあわせようと試みた。その結果、患者の骨生体構造が正常から変化する程度まで、骨断片が大きく歪められる程度まで、或いは、骨断片の数が多くなる程度まで、外科医は、従来技術の外傷プレートを使用すること、及び、プレートの形状を骨断片に適合させるのではなく骨断片をプレートの形状に適合させることに訴える。このプロセス及びシステムは、当初の骨の形状及び方向を複製するために外傷プレートを骨に適合させる外傷プレート留置ガイド及びカスタマイズされた外傷プレートの形成によって従来技術の外傷プレート適用を改善する。
図116を参照すると、変形した、破壊された、或いは、不完全な生体構造の再建が、ヘルスケアプロバイダーに直面する複雑な問題のうちの1つである。異常な生体構造は、出生状態、腫瘍、疾患、又は、身体傷害の結果である場合がある。様々な疾患のための治療を行う一環として、ヘルスケアプロバイダーは、骨折/骨粉砕、骨変性、整形外科インプラント修復、整形外科初期埋め込み、及び、疾患を含んでもよいがこれらに限定されない様々な状態のための治療を容易にするために生体構造を再建する或いは生体構造を構成することが有利であると考える場合がある。
共通している或いは同様の領域が存在しなければ、他の想定し得るドナー骨を解析することによってプロセスを再び開始することができる。一方、共通している或いは同様の曲率を有する1つ以上の領域がドナー骨に存在する場合には、これらの領域が3Dドナー骨モデルで強調される。特に、強調された領域は、仮想3D骨移植片モデルの形状を模倣する。共通している領域が骨移植片を切除するのに適していると判断されれば、ソフトウェアは、骨移植片を仮想3Dモデルとして仮想的に切除して、その骨移植片(ドナー骨に関して固有/特有の輪郭を有する)を患者の異常な生体構造の仮想3Dモデルに適用し、それにより、再建の一環として切除される必要があるかもしれない患者の異常な生体構造の任意の領域及び想定し得る適合を検証する。患者の異常な生体構造の仮想3Dモデルに対する切除された骨の仮想3Dモデルの適用が満足できるとはいえない再建をもたらす状況では、プロセスが骨選択点で再び開始されてもよく或いは骨の異なる領域を切除するように再び開始されてもよい。しかし、患者の異常な生体構造の仮想3Dモデルに対する切除された骨の仮想3Dモデルの適用が適切な適合をもたらせば、システムは、骨移植片の切除と患者の残存する骨に対する骨移植片の装着とを容易にするために冶具設計を進める。
患者固有整形外科インプラントを構成する方法において、
患者の異常な骨の実際の生体構造から導き出される患者固有異常骨モデルと、同様に患者の骨の生体構造から導き出される再建患者固有骨モデルとを比較するステップであって、前記再建患者固有骨モデルが患者の骨の正規化された生体構造を反映し、前記患者固有異常骨モデルが、不完全な骨、変形した骨、及び、粉砕された骨のうちの少なくとも1つを含む患者の骨の実際の生体構造を反映し、前記患者固有異常骨モデルが患者固有異常点群及び患者固有異常骨表面モデルのうちの少なくとも一方を備え、前記再建患者固有骨モデルが再建患者固有点群及び再建患者固有骨表面モデルのうちの少なくとも一方を備える、ステップと、
前記患者固有異常骨モデルと前記再建患者固有骨モデルとの比較から出力されるデータを使用して患者固有整形外科インプラントが患者の異常骨に装着されるように1つ以上のパラメータを最適化するステップと、
前記1つ以上のパラメータを考慮に入れて前記患者固有整形外科インプラントのための電子設計ファイルを生成するステップと、
を備える方法。
[付記項2]
前記電子設計ファイルを使用して前記患者固有インプラントを製造するステップを更に備える付記項1に記載の方法。
[付記項3]
前記患者固有異常骨モデルから欠けている骨又は変形した骨を特定するために前記患者固有異常骨モデルと前記再建患者固有骨モデルとを比較するステップと、
欠けている骨又は変形した骨を前記再建患者固有骨モデル上へと局在化するステップと、
を更に備える付記項1又は付記項2に記載の方法。
[付記項4]
患者の異常な骨を表すデータから前記患者固有異常骨モデルを生成するステップと、
患者の異常な骨を表すデータと統計アトラスからのデータとから前記再建患者固有骨モデルを生成するステップであって、前記統計アトラスデータが、患者の異常な骨に類似する正常な骨の点群及び表面モデルのうちの少なくとも一方を備える、ステップと、
を更に備える付記項3に記載の方法。
[付記項5]
患者の異常な骨を表す前記データは、磁気共鳴画像、コンピュータ断層撮影画像、X線画像、及び、超音波画像のうちの少なくとも1つを備える付記項4に記載の方法。
[付記項6]
前記統計アトラスデータは、正常な骨の磁気共鳴画像、コンピュータ断層撮影画像、X線画像、及び、超音波画像のうちの少なくとも1つから導き出される付記項4に記載の方法。
[付記項7]
前記特定された欠けている骨又は変形した骨が境界点のセットを備え、
欠けている骨又は変形した骨を前記再建患者固有骨モデル上へと局在化する前記ステップは、前記境界点のセットと前記再建患者固有骨モデルとを関連付けるステップを含む、
付記項3に記載の方法。
[付記項8]
前記患者固有異常骨モデルから欠けている骨又は変形した骨を特定するために前記患者固有異常骨モデルと前記再建患者固有骨モデルとを比較する前記ステップは、データの少なくとも2つのリストを出力するステップを含み、データの前記少なくとも2つのリストは、欠けている骨又は変形した骨を特定する第1のリストと、前記患者固有異常骨モデルと前記再建患者固有骨モデルとの間で共通している骨を特定する第2のリストとを含む、
付記項3に記載の方法。
[付記項9]
前記第1のリストは、前記患者固有異常骨モデルからの欠けている骨又は変形した骨に属する頂点を備え、前記第2のリストは、前記患者固有異常骨モデルと前記再建患者固有骨モデルとの間で共通している骨に属する頂点を備える付記項8に記載の方法。
[付記項10]
前記患者固有異常骨モデルからのデータと前記再建患者固有骨モデルからのデータとを使用して1つ以上の患者固有整形外科インプラント固定位置を決定するステップを更に備える付記項1から9のいずれか一項に記載の方法。
[付記項11]
1つ以上の患者固有整形外科インプラント固定位置を決定する前記ステップは、欠けている骨又は変形した骨が特定された任意の位置を排除するステップを含む付記項10に記載の方法。
[付記項12]
患者固有整形外科インプラントのための1つ以上のパラメータを最適化する前記ステップは、前記再建患者固有骨モデルを使用してその後に最適化される一般的パラメータを定めるためにインプラントパラメータ化テンプレートを使用するステップを含む付記項1から11のいずれか一項に記載の方法。
[付記項13]
前記パラメータは、角度パラメータ、深さパラメータ、曲率パラメータ、及び、固定装置位置パラメータのうちの少なくとも1つを含む付記項12に記載の方法。
[付記項14]
前記患者固有整形外科インプラントの表面モデルの初期反復を構成するステップを更に備える付記項1から13のいずれか一項に記載の方法。
[付記項15]
表面モデルの初期反復を構成する前記ステップは、前記患者固有異常骨モデルからの輪郭と前記再建患者固有骨モデルからの輪郭とを組み合わせるステップを含む付記項14に記載の方法。
[付記項16]
表面モデルの初期反復を構成する前記ステップは、前記患者固有整形外科インプラントのための意図される埋め込み位置を考慮するステップを含む付記項14に記載の方法。
[付記項17]
前記患者固有整形外科インプラントの表面モデルのその後の反復を構成するステップを更に備える付記項14に記載の方法。
[付記項18]
前記患者固有整形外科インプラントの表面モデルのその後の反復を構成する前記ステップは、前記表面モデルの更なる反復が必要とされるかどうかを見分けるための前記表面モデル及び前記再建患者固有骨モデルのその後の反復の手動見直しを含む付記項17に記載の方法。
[付記項19]
前記電子設計ファイルは、コンピュータ支援設計ファイル、コンピュータ数値制御ファイル、及び、急速製造命令ファイルのうちの少なくとも1つを含む付記項1から18のいずれか一項に記載の方法。
[付記項20]
前記患者固有整形外科インプラントのために最適化される1つ以上のパラメータを使用して患者固有インプラント留置ガイドのための電子設計ファイルを生成するステップを更に備える付記項1から19のいずれか一項に記載の方法。
[付記項21]
前記患者固有インプラント留置ガイドのための前記電子設計ファイルを使用して前記患者固有インプラント留置ガイドを製造するステップを更に備える付記項20に記載の方法
。
[付記項22]
前記患者固有整形外科インプラントのために最適化される前記1つ以上のパラメータは、サイズパラメータ、形状パラメータ、及び、輪郭パラメータのうちの少なくとも1つを含む付記項20に記載の方法。
[付記項23]
少なくとも1つの前記輪郭パラメータは、前記患者固有整形外科インプラントと前記患者固有インプラント留置ガイドとの間で共通している付記項22に記載の方法。
[付記項24]
患者固有インプラント留置ガイドを該患者固有インプラント留置ガイドが存在するようになっている患者の骨の表面形状のネガである表面形状を含むように設計するステップを更に備える付記項1から23のいずれか一項に記載の方法。
[付記項25]
前記患者固有異常骨モデルは、患者の異常な股関節の実際の生体構造から導き出される患者固有異常大腿骨モデル及び患者固有異常骨盤骨モデルのうちの少なくとも一方を備え、
前記再建患者固有骨モデルは、患者の股関節の生体構造から導き出される再建患者固有大腿骨モデル及び再建患者固有骨盤骨モデルのうちの少なくとも一方を備え、
前記再建患者固有モデルは、患者の股関節からの正規化された生体構造を反映し、
前記患者固有異常骨モデルは、患者の股関節からの実際の生体構造を反映する、
付記項1から24のいずれか一項に記載の方法。
[付記項26]
前記患者固有異常骨モデルが患者固有異常大腿骨モデルを備え、
前記再建患者固有骨モデルが再建患者固有大腿骨モデルを備え、
前記再建患者固有モデルは、患者の大腿骨近位部からの正規化された生体構造を反映し、
前記患者固有異常骨モデルは、患者の大腿骨近位部からの実際の生体構造を反映し、
前記患者固有整形外科インプラントが大腿骨ステムインプラントを備える、
付記項25に記載の方法。
[付記項27]
前記患者固有異常骨モデルが患者固有異常骨盤骨モデルを備え、
前記再建患者固有骨モデルが再建患者固有骨盤骨モデルを備え、
前記再建患者固有モデルは、患者の骨盤からの正規化された生体構造を反映し、
前記患者固有異常骨モデルは、患者の骨盤からの実際の生体構造を反映し、
前記患者固有整形外科インプラントが寛骨臼カップインプラントを備える、
付記項25に記載の方法。
[付記項28]
前記患者固有整形外科インプラントのための前記電子設計ファイルは、コンピュータ支援設計ファイル、コンピュータ数値制御ファイル、及び、急速製造命令ファイルのうちの少なくとも1つを含む付記項1から27のいずれか一項に記載の方法。
[付記項29]
異常な骨の電子的な再建骨モデルを生成する方法において、
異常な骨に類似する統計アトラスからの骨を特定すること、統計アトラスからの骨を異常な骨に対して位置合わせすること、及び、異常な骨の再建モデル上の表面点を異常な骨の点群及び表面モデルのうちの少なくとも一方へとモーフィングすることのうちの少なくとも1つのために、異常な骨の点群及び表面モデルのうちの少なくとも一方を利用するステップであって、前記異常な骨は、不完全な骨、変形した骨、及び、粉砕された骨のうちの少なくとも1つを含む、ステップと、
異常な骨の前記再建モデルを生成するステップと、
を備える方法。
[付記項30]
異常な骨の点群及び表面モデルのうちの少なくとも一方を利用する前記ステップは、異常な骨に最も類似する統計アトラス骨を特定するステップを含む付記項29に記載の方法。
[付記項31]
異常な骨の点群及び表面モデルのうちの少なくとも一方を利用する前記ステップは、前記統計アトラスを異常な骨に対して位置合わせするステップを含む付記項29又は付記項30に記載の方法。
[付記項32]
異常な骨の点群及び表面モデルのうちの少なくとも一方を利用する前記ステップは、異常な骨の再建モデル上の表面点を異常な骨の点群及び表面モデルのうちの少なくとも一方へとモーフィングするステップを含む付記項29から31のいずれか一項に記載の方法。
[付記項33]
異常な骨に最も類似する統計アトラス骨を特定する前記ステップは、前記統計アトラス骨を特定するために1つ以上の類似性指標を使用するステップを含む付記項29又は付記項30に記載の方法。
[付記項34]
前記統計アトラスが複数の数学的表示を含み、前記複数の数学的表示のそれぞれが骨を表す付記項29、30又は33のいずれか一項に記載の方法。
[付記項35]
前記統計アトラスが複数の仮想モデルを含み、前記複数の仮想モデルのそれぞれが骨を表す付記項29、30又は33のいずれか一項に記載の方法。
[付記項36]
異常な骨の点群及び表面モデルのうちの少なくとも一方を異常な骨に類似する前記統計アトラスからの特定された骨に対して位置合わせするステップを更に備える付記項29から35のいずれか一項に記載の方法。
[付記項37]
(a)異常な骨の点群及び表面モデルのうちの少なくとも一方と(b)異常な骨に類似する前記統計アトラスからの特定された骨との間の形状パラメータの増強を更に備える付記項29から36のいずれか一項に記載の方法。
[付記項38]
前記形状パラメータの増強は、異常な骨の点群及び表面モデルのうちの少なくとも一方において欠けている骨又は変形した骨を特定するために、(a)異常な骨の点群及び表面モデルのうちの少なくとも一方と(b)異常な骨に類似する前記統計アトラスからの特定された骨との間を補間することを含む付記項37に記載の方法。
[付記項39]
前記形状パラメータの増強は、欠けている骨又は変形した骨に対応する表面点の生成をもたらす付記項38に記載の方法。
[付記項40]
異常な骨の前記再建モデルを生成するために異常な骨の点群及び表面モデルのうちの少なくとも一方を用いて、異常な骨に類似する前記統計アトラスからの骨から補間された表面点をモーフィングするステップを更に備える付記項29から38のいずれか一項に記載の方法。
[付記項41]
前記異常な骨は、変形した骨盤部分、粉砕された骨盤部分、及び、骨を欠く不完全な骨盤部分のうちの少なくとも1つを備え、
前記異常な骨の前記再建モデルは、前記変形した骨盤部分における骨変形、前記粉砕された骨盤部分の一部を備える粉砕骨、及び、前記不完全な骨盤部分からの骨欠如のうちの少なくとも1つが修復された完全骨盤モデル部分を少なくとも備える、
付記項29から40のいずれか一項に記載の方法。
[付記項42]
前記完全骨盤モデル部分が寛骨臼カップ生体構造を含む付記項41に記載の方法。
[付記項43]
前記異常な骨は、変形した大腿骨部分、粉砕された大腿骨部分、及び、骨を欠く不完全な大腿骨部分のうちの少なくとも1つを備え、
前記異常な骨の前記再建モデルは、前記変形した大腿骨部分における骨変形、前記粉砕された大腿骨部分の一部を備える粉砕骨、及び、前記不完全な大腿骨部分からの骨欠如のうちの少なくとも1つが修復された完全大腿骨モデル部分を少なくとも備える、
付記項29から40のいずれか一項に記載の方法。
[付記項44]
前記完全大腿骨モデル部分が頸部及びボール生体構造を有する大腿骨近位部を備える付記項43に記載の方法。
[付記項45]
前記異常な骨は、変形した上腕骨部分、粉砕された上腕骨部分、及び、骨を欠く不完全な上腕骨部分、変形した尺骨、粉砕された尺骨、骨を欠く不完全な尺骨、変形した橈骨部分、粉砕された橈骨部分、骨を欠く不完全な橈骨部分、変形した頭蓋部分、粉砕された頭蓋部分、骨を欠く不完全な頭蓋部分、変形した椎骨部分、粉砕された椎骨部分、及び、骨を欠く不完全な椎骨部分のうちの少なくとも1つを備え、
前記異常な骨の前記再建モデルは、前記変形した尺骨部分における骨変形、前記粉砕された尺骨部分の一部を備える粉砕骨、前記不完全な尺骨部分からの骨欠如、前記変形した橈骨部分における骨変形、前記粉砕された橈骨部分の一部を備える粉砕骨、前記不完全な橈骨部分からの骨欠如、前記変形した頭蓋部分における骨変形、前記粉砕された頭蓋部分の一部を備える粉砕骨、前記不完全な頭蓋部分からの骨欠如、前記変形した椎骨部分における骨変形、前記粉砕された椎骨部分の一部を備える粉砕骨、前記不完全な椎骨部分からの骨欠如のうちの少なくとも1つが修復された完全上腕骨モデル部分、完全尺骨モデル部分、完全橈骨モデル部分、完全頭蓋モデル部分、及び、完全椎骨モデル部分のうちの少なくとも1つを備える、
付記項29から40のいずれか一項に記載の方法。
[付記項46]
マスカスタマイズされた整形外科インプラントを構成する方法において、
骨の統計アトラス個体群の全体にわたって特徴を特定するステップであって、前記特徴がランドマーク及び形状特徴のうちの少なくとも一方を備える、ステップと、
骨の前記統計アトラス個体群の全体にわたって特定された特徴を使用してインプラント設計に関連する記述子を生成するステップと、
前記記述子の少なくとも一部を同様の記述子を有するグループへと分類するステップと、
前記グループからパラメータを抽出するために前記グループをパラメータ化するステップと、
マスカスタマイズされた整形外科インプラントのための電子設計ファイルを生成するステップと、
を備える方法。
[付記項47]
前記電子設計ファイルを使用してマスカスタマイズされた整形外科インプラントを製造するステップを更に備える付記項46に記載の方法。
[付記項48]
特徴を特定する前記ステップは、計算論理に組み込まれる位置パラメータを使用して骨の統計アトラス個体群の全体にわたってランドマークを計算するように構成されるソフトウェアプログラムによって自動的に行われる付記項46又は付記項47に記載の方法。
[付記項49]
特徴を特定する前記ステップは、計算論理に組み込まれる位置パラメータを使用して骨
の統計アトラス個体群の全体にわたって形状特徴を計算するように構成されるソフトウェアプログラムによって自動的に行われる付記項46から48のいずれか一項に記載の方法。
[付記項50]
前記記述子は、骨の前記統計アトラス個体群の全体にわたって計算される数学的記述子を備える付記項46から49のいずれか一項に記載の方法。
[付記項51]
前記記述子の少なくとも一部を同様の記述子を有するグループへと分類する前記ステップは、グループを定めるために統計的解析を使用するステップを含む付記項46から50のいずれか一項に記載の方法。
[付記項52]
前記グループから抽出される記述子は、マスカスタマイズされた整形外科インプラントの形状のための設計パラメータを備える付記項46から51のいずれか一項に記載の方法。
[付記項53]
前記記述子が数学的記述子を備え、
前記グループから記述子を抽出するために前記グループをパラメータ化する前記ステップは、前記数学的記述子を表面記述子へと変換するステップを含む、
付記項46から52のいずれか一項に記載の方法。
[付記項54]
マスカスタマイズされた整形外科インプラントのための前記電子設計ファイルは、マスカスタマイズされた整形外科インプラントの仮想三次元モデルを含む付記項46から53のいずれか一項に記載の方法。
[付記項55]
前記グループから記述子を抽出するために前記グループをパラメータ化する前記ステップは、マスカスタマイズされた整形外科インプラントの仮想三次元モデルを生成するステップを含む付記項46から54のいずれか一項に記載の方法。
[付記項56]
骨の前記統計アトラス個体群の全体にわたって三次元海綿質骨特徴を抽出するステップとともに、骨の前記統計アトラス個体群内のそれぞれの骨ごとにその骨に固有の抽出された海綿質骨特徴を組み込む三次元骨モデルを生成するステップを更に備える付記項46から55のいずれか一項に記載の方法。
[付記項57]
海綿質骨のサイズ及び孔径を決定するために骨の前記統計アトラス個体群内のそれぞれの骨に関して多孔性評価を行うステップを更に備える付記項46から56のいずれか一項に記載の方法。
[付記項58]
マスカスタマイズされた整形外科インプラントのための前記電子設計ファイルを生成するために海綿質骨サイズデータ、孔径データ、及び、表面記述子パラメータを組み合わせる応力試験プロセスを行うステップを更に備える付記項46から57のいずれか一項に記載の方法。
[付記項59]
前記電子設計ファイルは、コンピュータ支援設計ファイル、コンピュータ数値制御ファイル、及び、急速製造命令ファイルのうちの少なくとも1つを含む付記項46から58のいずれか一項に記載の方法。
[付記項60]
抽出されたパラメータのうちの少なくとも1つを使用してマスカスタマイズされたインプラント留置ガイドのための電子設計ファイルを生成するステップを更に備える付記項46から59のいずれか一項に記載の方法。
[付記項61]
前記マスカスタマイズされたインプラント留置ガイドのための前記電子設計ファイルを使用して前記マスカスタマイズされたインプラント留置ガイドを製造するステップを更に備える付記項60に記載の方法。
[付記項62]
骨の前記統計アトラス個体群が民族固有である付記項46から61のいずれか一項に記載の方法。
[付記項63]
骨の前記統計アトラス個体群が性別固有である付記項46から62のいずれか一項に記載の方法。
[付記項64]
骨の前記統計アトラス個体群が少なくとも大腿骨のセグメントを備える付記項46から63のいずれか一項に記載の方法。
[付記項65]
骨の前記統計アトラス個体群が少なくとも骨盤骨のセグメントを備える付記項46から64のいずれか一項に記載の方法。
[付記項66]
整形外科インプラントのために骨を前処理するための患者固有の切断ガイドを構成する方法において、
患者の骨に装着されるべき整形外科インプラントのサイズと、患者の骨に対して装着されるときの前記インプラントの位置とを決定するために患者固有の骨輪郭を処理するステップと、
前記整形外科インプラントの前記サイズと患者の骨に装着されるときの前記インプラントの前記位置とを使用して患者固有の切断ガイドを設計するステップと、
前記切断ガイドが装着されるように設定される患者の骨の形状のネガである形状を含む患者に固有の切断ガイドを製造するステップと、
を備える方法。
[付記項67]
患者の骨を描く少なくとも1つのX線から患者固有の輪郭を抽出するステップを更に備える付記項66に記載の方法。
[付記項68]
患者の骨を描く少なくとも1つのコンピュータ断層撮影画像又は磁気共鳴画像から患者固有の輪郭を抽出するステップを更に備える付記項66に記載の方法。
[付記項69]
マスカスタマイズされた外傷プレートを構成する方法において、
仮想三次元骨モデルテンプレートに対するマスカスタマイズされた外傷プレートのための仮想境界を定めるステップと、
前記仮想三次元骨モデルテンプレート上の表面位置に対応する前記仮想境界内の複数の表面点を選択するステップと、
複数の仮想三次元骨モデルを含む統計アトラスの全体にわたって複数の表面点を伝搬するステップと、
前記複数の仮想三次元骨モデルのそれぞれへ伝搬される前記複数の表面点を使用して、その特定の骨モデルに適合される仮想三次元骨プレートを構成するステップと、
形成された前記仮想三次元骨プレートのそれぞれを表す複数の曲率を抽出するステップと、
前記マスカスタマイズされた外傷プレートのための形状パラメータを推定するために、抽出される前記複数の曲率を統計的に解析するステップと、
前記形状パラメータを使用して前記マスカスタマイズされた外傷プレートのための電子設計ファイルを生成するステップと、
を備える方法。
[付記項70]
前記電子設計ファイルを使用して前記マスカスタマイズされた外傷プレートを製造するステップを更に備える付記項69に記載の方法。
Claims (14)
- 患者固有正常化仮想解剖学的モデルを形成する方法であって、
コンピュータシステムが、異常生体構造を示す患者固有仮想解剖学的モデルを取得するステップであって、前記異常生体構造が、不完全な生体構造、変形した生体構造、粉砕された生体構造のうちの少なくとも1つを呈している、ステップと、
前記コンピュータシステムが、前記異常生体構造に対応する患者固有正常化生体構造を示す仮想解剖学的モデルを生成するステップと、
を備え、
前記患者固有正常化生体構造を示す前記仮想解剖学的モデルが、
前記異常生体構造を示す前記患者固有仮想解剖学的モデルの少なくとも一部に基づいて、前記異常生体構造によく似ている統計アトラス中の仮想解剖学的テンプレートモデルを特定するステップと、
前記異常生体構造を示す前記患者固有仮想解剖学的モデルを前記仮想解剖学的テンプレートモデルと位置合わせするステップと、
前記異常生体構造を示す前記患者固有仮想解剖学的モデルに適合するように前記仮想解剖学的テンプレートモデルの形状パラメータを最適化して、最適化仮想解剖学的モデルを作り出すステップと、
前記最適化仮想解剖学的モデルをモーフィングして前記異常生体構造を示す前記患者固有仮想解剖学的モデルに適合させるステップと、
によって、生成されることを特徴とする方法。 - 前記異常生体構造によく似ている前記統計アトラス中の前記仮想解剖学的テンプレートモデルを特定するステップが、1つ以上の類似性指標を使用して、前記異常生体構造を示す前記患者固有仮想解剖学的モデルを前記統計アトラスにある複数の前記仮想解剖学的テンプレートモデルと比較するステップを備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記異常生体構造によく似ている前記統計アトラス中の前記仮想解剖学的テンプレートモデルを特定するステップが、前記異常生体構造に最もよく似ている前記統計アトラス中の前記仮想解剖学的テンプレートモデルを特定するステップを備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記統計アトラスが、平均表示及び前記平均表示に関する変化として表される1以上の解剖学的特徴を示す数学的表示を備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記異常生体構造を示す前記患者固有仮想解剖学的モデルに適合するように前記仮想解剖学的テンプレートモデルの前記形状パラメータを最適化するステップが、収束を達成するまで、異なるスケール空間で、前記異常生体構造を示す前記患者固有仮想解剖学的モデルに適合するように前記仮想解剖学的テンプレートモデルの前記形状パラメータを繰り返し最適化するステップを備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記異常生体構造に関連する欠陥を分類するステップをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記異常生体構造に関連する前記欠陥を分類するステップが、前記異常生体構造に対応する前記患者固有正常化生体構造を示す前記仮想解剖学的モデルを前記異常生体構造を示す前記患者固有仮想解剖学的モデルと比較することによって、前記異常生体構造を示す前記患者固有仮想解剖学的モデルの異常領域を局在化するステップを備えることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記異常生体構造に関連する前記欠陥を分類するステップが、前記異常生体構造を示す前記患者固有仮想解剖学的モデルの前記異常領域から特徴を抽出するステップを備えることを特徴とする請求項7に記載の方法。
- 前記統計アトラス中の前記仮想解剖学的テンプレートモデルを特定するステップが、前記欠陥に関連する仮想解剖学的テンプレートモデルを特定するステップを備えることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記異常生体構造を示す前記患者固有仮想解剖学的モデル及び前記異常生体構造に対応する前記患者固有正常化生体構造を示す前記仮想解剖学的モデルに少なくとも部分的に基づいて、患者固有器具及び患者固有インプラントのうちの少なくとも一方のための患者固有設計パラメータを規定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記患者固有器具及び前記患者固有インプラントのうちの少なくとも一方を形成するステップをさらに備えることを特徴とする請求項10に記載の方法。
- 前記患者固有器具及び前記患者固有インプラントのうちの少なくとも一方が、モールド、移植装置、インプラント及び外科用ガイドのうちの少なくとも1つを備えることを特徴とする請求項10に記載の方法。
- 患者固有正常化仮想解剖学的モデルを形成するための装置であって、
プロセッサと、
複数の仮想解剖学的テンプレートモデルを備える統計アトラスと、
前記プロセッサによって実行されるように構成されたソフトウエアと、
を備え、
前記ソフトウエアが、以下の動作、
異常生体構造を示す患者固有仮想解剖学的モデルを取得することであって、前記異常生体構造が、不完全な生体構造、変形した生体構造、粉砕された生体構造のうちの少なくとも1つを呈している、取得することと、
前記異常生体構造に対応する患者固有正常化生体構造を示す仮想解剖学的モデルを生成することと、
を実行する命令を備えており、
前記異常生体構造を示す前記患者固有仮想解剖学的モデルの少なくとも一部に基づいて、前記異常生体構造によく似ている統計アトラス中の仮想解剖学的テンプレートモデルのうちの1つを特定し、
前記異常生体構造を示す前記患者固有仮想解剖学的モデルを前記仮想解剖学的テンプレートモデルと位置合わせし、
前記異常生体構造を示す前記患者固有仮想解剖学的モデルに適合するように前記仮想解剖学的テンプレートモデルの形状パラメータを最適化して、最適化仮想解剖学的モデルを作り出し、
前記最適化仮想解剖学的モデルをモーフィングして前記異常生体構造を示す前記患者固有仮想解剖学的モデルに適合させる、
ことによって、前記仮想解剖学的モデルを生成することを特徴とする装置。 - 前記異常生体構造によく似ている前記統計アトラス中の前記仮想解剖学的テンプレートモデルを特定することが、1つ以上の類似性指標を使用して、前記異常生体構造を示す前記患者固有仮想解剖学的モデルを前記統計アトラスにある複数の前記仮想解剖学的テンプレートモデルと比較することを備えることを特徴とする請求項13に記載の装置。
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