(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インプラントと生物の骨との相対位置を評価するシステムであって、
ａ）従前にインプラントが取り付けられた骨の一つまたは複数の医用Ｘ線画像を取得するステップと、
ｂ）仮想的な３Ｄインプラントモデルを含むデータベース、および、インプラントを選択するための手段と、
ｃ）前記仮想的なインプラントを前記医用Ｘ線画像と適合させる計算手段と、
ｄ）骨のモデルを選択するための手段と、を備え、
ｅ）前記計算手段は、前記選択された骨のモデルを前記医用Ｘ線画像と適合させるように構成されている、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
ｂ１）前記用いられているインプラントを選択することにより、前記用いられているインプラントの仮想的な２Ｄ画像の組の、現実スケールの３Ｄインプラントモデルに対して仮想的に真のデータベースから選択がなされ、ここで、各仮想的な画像は前記仮想的な３Ｄインプラントモデルおよび異なる位置から得られた仮想的な３Ｄ骨モデルの複製であり、任意選択的に、前記用いられているインプラントの中間位置の仮想的な２Ｄ画像が、後続の適合させるステップのよりよい調整のために生成され、
ｃ１）前記医用画像における３Ｄインプラントモデルの位置と前記仮想的な画像における前記インプラントとの一致を示す少なくとも一つの仮想的な画像を識別するために、適合させるため、前記計算装置は前記医用画像を仮想的に生成された画像の組と比較するよう構成されており、および、前記計算装置は、前記識別された一致する仮想的画像とともに前記医用画像を配列し、可視化するよう構成されており、これにより、前記少なくとも一つの医用画像の位置と前記３Ｄインプラントモデルの３Ｄ位置とをリンクさせ、
ｅ１）患者の骨への挿入の前に、前記計算装置は、現実のインプラントの実際の位置に応じて前記仮想的なインプラントを固定するための仮想的なネジおよび／または他の取付部材を挿入し、および、前記仮想的なネジおよび／または他の取付部材の向きおよび／または位置を、現実のネジの所望の位置と比較する、
請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記比較は、少なくとも一つの医用画像における指標的構造的特徴と、前記複数の仮想的な画像におけるインプラントの対応する指標的構造的特徴との比較により行われる、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記比較は、少なくとも一つの医用画像と前記複数の仮想的な画像とのピクセル上の比較により行われる、請求項２記載のシステム。
【請求項５】
前記識別された一致する仮想的な画像は、比較において一致するピクセルの最大数を達成した前記複数の仮想的な画像からの画像である、請求項３または４記載のシステム。
【請求項６】
前記識別された一致する仮想的な画像は、一致するピクセルの所定のしきい値を超える、比較において一致するピクセルの数を達成した前記複数の仮想的な画像からの画像である、請求項３または４記載のシステム。
【請求項７】
前記骨のモデルは、対象の骨のＣＴスキャンから直接計算されるか、または、対象の骨が骨折していて骨の断片が存在するかまたは骨のモデルが統計的な骨モデルのデータベースから得られる場合には、反対側のＣＴスキャンから計算されまたはそのまま用いられる、請求項１乃至６のいずれか１項記載のシステム。
【請求項８】
前記適合させるプロセスでは、任意選択的に較正ステップにより決定されるＣアーム投影ジオメトリの知識が用いられる、請求項１乃至７のいずれか１項記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インプラントと生物の骨との相対位置を評価する方法およびシステムに関する。
【０００２】
本出願は、２００９年４月２５日に出願された米国仮特許出願第６１／１７２，７２１号の優先権を主張する。当該出願は、本明細書中に参照により含まれる。
【背景技術】
【０００３】
インプラントと生物の骨との相対位置を評価するため、特に骨断片を正しい位置に固定しなければならない手術状況では、通常Ｘ線画像が用いられる。いわゆるＣアームシステムが一般的に用いられ、このＣアームシステムはＸ線源とＸ線検出器とが「Ｃ」文字型の形状を構成し可動式カートにおいて組み合わされ、Ｘ線源をヒトの患者または動物の周囲に少なくとも約１８０°の範囲で回転させるものである。しかし、Ｃアーム装置は可動式装置であるため、画像情報は、外科医によってなされる最初の制御には貢献するものの、正確な情報に欠ける。
【０００４】
Ｘ線コンピュータ断層撮影（ＣＴ）装置ならびに勿論他の画像生成装置たとえば超音波または磁気共鳴撮影（ＭＲＩ）装置が使われるようになり、２ＤのＣアーム情報の潜在的な欠点は、手術結果の正確な評価のための術後ＣＴスキャンにより軽減可能である。不幸なことに、このことは、インプラントが不良に、誤って配置された場合に、骨断片および／または各インプラントの再配置のために患者が再手術を受けなければならないことを意味する。この問題は、３Ｄスキャン能力を有する手術室または可動Ｃアームにおいて既に使用可能な可動ＣＴスキャン装置の設計によって対処されるものである。これらの可動ＣＴスキャン装置は臨床ワークフローの制約を強く受ける。したがって、手術室における２ＤＸ線画像の３Ｄ情報を用意することが現実に要求されている。
【０００５】
この問題を解決するため、医用画像ビューワ間で情報をリンクするよう設計された別のソフトウェア製品が存在する（ＵＳ７，４８９，８１０）。この米国特許は、診断医用画像を閲覧するための２次元（２Ｄ）ソフトウェアアプリケーションおよび３次元（３Ｄ）ソフトウェアアプリケーションの間で位置情報をリンクするための方法およびシステムを開示している。位置情報は２Ｄおよび３Ｄ閲覧画像の間で統合される。この統合により、２Ｄおよび３Ｄ画像閲覧システム間の双方向性通信がもたらされる。３Ｄカーソルを用いて、異なる閲覧アプリケーションで同時に見ながら、このような３Ｄ磁気共鳴画像と２Ｄ画像などの異なる画像の組を通した即時の同期したナビゲーションを行うことができる。さらに乳ガンおよび肺ガンのコンピュータ支援診断（ＣＡＤ）におけるＸ線診断を改善するよう設計された別のソフトウェア製品が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、術中のインプラントの位置の、コンピュータ支援３Ｄ診断（位置推定）に関する要求が未だに存在する。
したがって、本発明の課題は、手術室内に置いておかなければならない別のかさばる設備を必要としない、既に手術室内にある、インプラントと生物の骨との相対対置を評価する方法およびシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、インプラントと生物の骨との相対位置を評価する方法であって、
ａ）従前にインプラントが取り付けられた骨の一つまたは複数の医用Ｘ線画像を取得するステップと、
ｂ）仮想的な３Ｄインプラントモデルのデータベースを用意し、用いられているインプラントを選択するステップと、
ｃ）仮想的なインプラントを医用Ｘ線画像と適合させるステップと、
ｄ）骨のモデルを選択するステップと、
ｅ）選択された骨のモデルを医用Ｘ線画像と適合させるステップと、
を含む、ことを特徴とする方法
により達成される。
【０００８】
上記システムに関し、この課題は、
インプラントと生物の骨との相対位置を評価するシステムであって、
ａ）従前にインプラントが取り付けられた骨の一つまたは複数の医用Ｘ線画像を取得するステップと、
ｂ）仮想的な３Ｄインプラントモデルを含むデータベース、および、インプラントを選択するための手段と、
ｃ）仮想的なインプラントを医用Ｘ線画像と適合させる計算手段と、
ｄ）骨のモデルを選択するための手段と、を備え、
ｅ）計算手段は、選択された骨のモデルを医用Ｘ線画像と適合させるように構成されている、
ことを特徴とするシステム、
により達成される。
【０００９】
本システムおよび本方法によれば、手術室内で直接、視野においていずれも同じ向きを有する医用画像と仮想的な画像とを比較して、インプラントと骨／骨断片との相対的な位置を評価することができる。さらにいえば、適合させるステップから得られる画像は、いずれも同じ位置を示す、用いられているインプラントの一致する仮想的な２Ｄ画像、および、ＣアームＸ線装置から得られる現実の医用画像であるため、患者体内のインプラントに対する骨／骨断片の位置が必要とされる正しい位置であるか否かが明らかとされる。ネジを取り付ける際の位置ならびに例えば骨の深さは、術中に即時に訂正することができる。勿論、この重畳画像中で測定、たとえば、複数の骨断片の互いに対する角度またはインプラントに対する骨の角度も測定することもできる。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、上述の方法ステップおよびシステム構成要素の特定の実施形態を有する方法およびシステムが提供され、ここで、一つ又は複数の以下の特徴を用いることができる：
ｂ１）適合させるステップのために、用いられているインプラントを選択するステップにより、用いられているインプラントの仮想的な２Ｄ画像の組から選択がなされ、ここで、各仮想的な２Ｄ画像は仮想的な３Ｄインプラントモデルおよび異なる位置から得られた仮想的な３Ｄ骨モデルの複製である。さらに、当該用いられているインプラントの中間位置の仮想的な２Ｄ画像が、後続の適合させるステップのさらなる調整のために、あるいは、仮想的な２Ｄ画像の組が適合させるプロセスの間にオンラインで生成されてもよい；
ｃ１）仮想的なインプラントを適合させるステップは、２Ｄ医用Ｘ線画像における３Ｄインプラントモデルの位置と仮想的な画像におけるインプラントとの一致を示す少なくとも一つの仮想的な画像を識別するために、実際の医用Ｘ線画像を仮想的に生成された画像の組と比較するステップを有する。この一致する仮想的な画像は、医用Ｘ線画像において配列され、可視化され、医用Ｘ線画像の位置と３Ｄインプラントモデルの３Ｄ位置とをリンクさせる；
ｅ１）得られる画像において、患者の骨への挿入の前に、現実のインプラントの実際の位置に応じて仮想的なインプラントを固定するための仮想的なネジおよび／または他の取付部材を挿入することができ、および、仮想的なネジおよび／または他の取付部材の向きおよび／または位置を、現実のネジの所望の位置と比較することができる。
【００１１】
種々の方法を適合させるステップの実行に用いることができる。上述のように、データベースに保存された２Ｄ画像を現実のＸ線画像と比較することができる。あるいは、適合させるステップは、各インプラントの指標的特徴の投影データを用いて実行することができ、端部の湾曲、長さおよび幅のサイズ、互いに対する開口および／または穴の位置といったその指標的特徴に関する、現実のＸ線画像における現実のインプラントを分析することができる。最尤アルゴリズムおよび／またはハフマンまたは他のエントロピーコード化アルゴリズムが、この意味で一般的な尺度である。
【００１２】
本発明のさらに好ましい実施形態において、比較するステップは、少なくとも一つの医用画像における指標的構造的特徴と、複数の仮想的な画像におけるインプラントの対応する指標的構造的特徴との比較により行ってもよい。たとえば、指標的な端部の湾曲などを、仮想的な画像が医用画像と同じまたは実質的に同じ位置の視野を有するとわかるまで、仮想的な画像と比較することができる。
【００１３】
一方で、比較するステップは、少なくとも一つの医用画像と複数の仮想的な画像とのピクセル上の比較により行われてもよい。このオプションは単に医用画像のピクセルを仮想的な画像のピクセルと比較するものである。
【００１４】
本発明のさらに好ましい実施形態において、識別された一致する仮想的な画像は、比較において一致するピクセルの最大数を達成した複数の仮想的な画像からの画像であってよい。あるいは、識別された一致する仮想的な画像は、一致するピクセルの所定のしきい値を超える、比較中の一致するピクセルの数を達成した複数の仮想的な画像からの画像であってよい。
【００１５】
本発明のさらに好ましい実施形態において、あるいは、骨のモデルは、対象の骨のＣＴスキャンから直接計算されるか、または、対象の骨が骨折していて骨の断片が存在するかまたは骨のモデルが統計的な骨モデルのデータベースから得られる場合には、反対側のＣＴスキャンから計算されまたはそのまま用いられてもよい。
【００１６】
仮想的なインプラントを現実の医用Ｘ線画像と適合させるステップを加速するため、適合させるプロセスは、任意選択的に較正ステップにより決定されるＣアーム投影ジオメトリの知識により加速されてもよい。画像インテンシファイアをＸ線検出器としてＣアームシステムとともに用いる場合には、仮想的なインプラントを画像インテンシファイアのサイズを変換するためまたはその逆の変換のため、画像インテンシファイアの歪みによる画像校正が必要である。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照して、以下詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】橈骨遠位端掌側プレートの例を用いる、骨の手術におけるインプラントの位置を評価するプロセスを例示する。
【図２】橈骨遠位端掌側プレートの例を用いる、骨の手術におけるインプラントの位置を評価するプロセスを例示する。
【図３】橈骨遠位端掌側プレートの例を用いる、骨の手術におけるインプラントの位置を評価するプロセスを例示する。
【図４】橈骨遠位端掌側プレートの例を用いる、骨の手術におけるインプラントの位置を評価するプロセスを例示する。
【図５Ａ】橈骨遠位端掌側プレートの例を用いる、骨の手術におけるインプラントの位置を評価するプロセスを例示する。
【図５Ｂ】橈骨遠位端掌側プレートの例を用いる、骨の手術におけるインプラントの位置を評価するプロセスを例示する。
【図５Ｃ】橈骨遠位端掌側プレートの例を用いる、骨の手術におけるインプラントの位置を評価するプロセスを例示する。
【図５Ｄ】橈骨遠位端掌側プレートの例を用いる、骨の手術におけるインプラントの位置を評価するプロセスを例示する。
【図６Ａ】橈骨遠位端掌側プレートの例を用いる、骨の手術におけるインプラントの位置を評価するプロセスを例示する。
【図６Ｂ】橈骨遠位端掌側プレートの例を用いる、骨の手術におけるインプラントの位置を評価するプロセスを例示する。
【図７】橈骨遠位端掌側プレートの例を用いる、骨の手術におけるインプラントの位置を評価するプロセスを例示する。
【図８】橈骨遠位端掌側プレートの例を用いる、骨の手術におけるインプラントの位置を評価するプロセスを例示する。
【図９】橈骨遠位端掌側プレートの例を用いる、骨の手術におけるインプラントの位置を評価するプロセスを例示する。
【図１０】橈骨遠位端掌側プレートの例を用いる、骨の手術におけるインプラントの位置を評価するプロセスを例示する。
【図１１】典型的な手術室の環境を示す。
【図１２】Ｃアームシステムとともに配列された表示装置における可視化写真に関する典型的なワークフローを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、使用されるインプラントの種類の選択例である。本例では、橈骨遠位端掌側プレートが橈骨の手術に用いられている。他の可能なインプラントとしては、フィーモラルネイル（femoral nail）が挙げられる。
【００２０】
図２は、橈骨遠位端掌側プレートの種類の選択を例示しており、これは可能な掌側プレート１０ａ〜１０ｆのデータベースから術中で用いられる。
【００２１】
図３は、患者の骨に従前に取り付けられていた橈骨遠位端掌側プレート１０ｂからＣアーム画像１２を、術中に取得するステップを示す。
【００２２】
図４は、データベースからの選択された種類の橈骨遠位端掌側プレート１０ｂ’を仮想的に患者のＣアーム画像に加えるステップを示す。ここで、画像中、挿入された仮想的な掌側プレート１０ｂ’の位置は、現実の掌側プレートインプラント１０ｂの位置と合っていない。
【００２３】
図５ａ〜５ｄは、仮想的な掌側プレートの位置を現実の掌側プレートインプラントとリンクさせるステップを示す。この過程で、それぞれ異なるカメラの位置で得られた、仮想的なインプラントの異なる画像が現実の掌側プレートインプラント１０ｂの位置と比較される。あるいは、仮想的な掌側プレートの仮想的な画像を術中にオンラインで生成してもよい。さらに、隣接した位置にある２つの仮想的な画像の、中間位置の仮想的な画像を計算（補間）してもよい。図５ｄは、仮想的な掌側プレート画像の組の中から最も合った画像の位置と、現実の掌側プレートインプラントとが正確に一致したことを示す。
【００２４】
図６ａおよび６ｂは、術中プロセスで引き続いて掌側プレート１０ｂの現在の位置で患者の骨に取り付ける場合の、仮想的なネジ１４ａ’、１４ｂ’および１４ｆ’の位置を仮想的に挿入するステップを示す。図６ｂは、特に、仮想的なネジ１４ａ’、１４ｂ’および１４ｆ’が理想的な位置から離れていることを示している。したがって、理想的な位置は、用いられたインプラントおよび（平均）サイズの仮想的な骨のシミュレーションから得られる。勿論、骨のモーフィングモデルおよび／または術前ＣＴ画像を、このステップで同様に用いてもよい。
【００２５】
図７は、術中プロセスの次のステップを例示しており、ＶＡ（可変式）ロッキングプレートは最適な位置にネジを配置するのに役立つ。
【００２６】
図８中、現実のネジ１４ａ、１４ｂおよび１４ｆ（１４ｃ、１４ｄおよび１４ｅも同様）が、図６および７に由来する向きに従って患者の骨に挿入された後の、Ｃアーム画像について、状態が示されている。
【００２７】
図９は、最適位置の仮想的な掌側プレートおよび仮想的なネジの画像と比較した、現実の掌側プレートインプラントおよび現実の患者の骨の現実のＣアーム画像の重畳を示す。この画像によって、外科医は、最適な位置／向きにある仮想的なネジの位置と比較した、現実のネジの位置を最終的に評価する。
【００２８】
図１０の左側は、外科医による位置訂正作業が必要ない仮想的な位置にある仮想的なネジ１４ａ’、１４ｂ’および１４ｆ’を含む画像を示す。右側の画像は、外科医が、ネジの位置を最適化するためにＶＡロッキングプレートを用いて埋め込んだ後の、現実のネジ１４ａ、１４ｂおよび１４ｆの位置および向きに関する、現実の状態を示す。
【００２９】
図１１は、典型的な手術室の環境を概略的に示す。Ｃアームシステム４８は、現実の骨４９およびインプラント５０のＣアーム画像を画像化する。ワークフローにおいて、画像４１２が再生シミュレート照射モードで画像４５として再生される。仮想画像４１は、再生画像４５中に現実の骨と同じ位置を有する仮想的な骨を示す。
【００３０】
図１２は、画像４１と画像４５とのマッチングを用いる場合のワークフローを示す。Ｃアームシステムのデータベースに保存された仮想的な骨と仮想的なインプラントのデータの組によって、仮想的な骨と仮想的なインプラントの位置の画像４１０が、現実のインプラント５０と現実の骨４９を示すＣアーム画像の位置で配列される。
【００３１】
最終的な画像４１１によって、外科医は、所望の位置を選択することにより、仮想的なインプラントと仮想的な骨の相対的な位置を評価することができる。さらに、ネジやプレートなどの取付部材はこの画像に示され、現実のＣアーム画像４１２におけるインプラント５０の位置と比較された、インプラントおよび取付部材の両方の理想的な位置に関する示唆を外科医に与える。
【００３２】
注目すべきことに、本発明のシステムおよび方法は、患者の骨にネジを挿入するステップの前に、術中で、外科医を既に支援するものである。骨折からの回復の時間および患者の快適さは、上述の方法および用いられた方法の適用により、大きく向上される。
【符号の説明】
【００３３】
１０  インプラント、  １２  Ｃアーム画像
【図１】
0005611324.tif 000002
【図２】
0005611324.tif 000003
【図３】
0005611324.tif 000004
【図４】
0005611324.tif 000005
【図５Ａ】
0005611324.tif 000006
【図５Ｂ】
0005611324.tif 000007
【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
0005611324.tif 000009
【図６Ａ】
0005611324.tif 000010
【図６Ｂ】
0005611324.tif 000011
【図７】
0005611324.tif 000012
【図８】
0005611324.tif 000013
【図９】
0005611324.tif 000014
【図１０】
0005611324.tif 000015
【図１１】
0005611324.tif 000016
【図１２】
0005611324.tif 000017