(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセッサによって実行されるときに、前記プロセッサに以下のステップを実施させるプログラム要素であって、
前記ステップは、
解剖学的構造としての大腿骨に対する基準体の位置を検出するステップを含み、前記基準体は、前記大腿骨に適用されるべき髄内釘と該髄内釘の骨ネジとの位置を仮想的に表示し、
前記大腿骨に対する前記基準体の前記検出位置に基づき、前記大腿骨を、適用されるべき前記髄内釘及び前記骨ネジの仮想表示と重ね合わせるステップを含み、
前記大腿骨に対して前記髄内釘及びその骨ネジを適用する許容範囲のための規則を提供するステップを含み、
前記許容範囲のための規則に対する最良の適合を得るよう、前記大腿骨に対して適用されるべき前記髄内釘及びその骨ネジの前記仮想位置を最適化するために、前記基準体の前記位置を仮想的に変更するステップを含み、
該仮想的に変更するステップは、様々な髄内釘及び骨ネジの所定の群から前記髄内釘及びその骨ネジを選択するステップを含み、前記髄内釘は、前記髄内釘及びその骨ネジの選択が前記骨ネジの異なる傾斜角を可能にするよう、前記骨ネジを受け入れるために前記髄内釘の長手軸に対して特定の傾きを備えるオリフィスを有する、
プログラム要素。
【請求項２】
前記髄内釘及びその骨ネジの前記仮想位置は、前記髄内釘及びその骨ネジの寸法、場所、及び、向きを含む、請求項１に記載のプログラム要素。
【請求項３】
前記大腿骨に対する前記基準体の前記位置を検出する前記ステップは、
異なる角度から２つの二次元画像を撮るステップと、
該二次元画像に基づき三次元表示を生成するステップと、
該三次元画像に基づき前記大腿骨に対する前記基準体の空間位置を決定するステップとを含む、
請求項１又は２に記載のプログラム要素。
【請求項４】
前記基準体の前記位置を仮想的に変更する前記ステップは、前記基準体を仮想的に回転するステップ及び／又は移動するステップを含む、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載のプログラム要素。
【請求項５】
前記大腿骨と挿入されるべき前記髄内釘及びその骨ネジの前記仮想表示との重なり合いを撮像するステップを更に含む、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載のプログラム要素。
【請求項６】
適用されるべき前記髄内釘及びその骨ネジの前記位置は、前記基準体から離れる、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載のプログラム要素。
【請求項７】
前記基準体は、医療工具に取り付け可能である、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載のプログラム要素。
【請求項８】
請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載の前記プログラム要素を記憶させるコンピュータ読取り可能な媒体。
【請求項９】
大腿骨に対する基準体と、
前記大腿骨に対する前記基準体の位置を検出するよう構成される検出装置と、
データベースと、
計算装置とを含む、
コンピュータ支援手術システムであって、
前記基準体は、前記大腿骨に適用されるべき髄内釘及びその骨ネジの位置を仮想的に表示し、
前記データベースは、仮想の髄内釘及び骨ネジの複数のデータセットと、前記大腿骨に対して１つの髄内釘及びその骨ネジを適用する許容範囲のための規則とを含み、前記データセットは、様々な髄内釘及び骨ネジを表示し、前記髄内釘の各々は、前記骨ネジの１つを受け入れるために、前記髄内釘の長手軸に対して特定の傾きを備えるオリフィスを有し、
前記計算装置は、前記大腿骨を、前記検出装置の出力に基づき適用されるべき前記髄内釘及びその骨ネジの仮想表示と重ね合わせるよう構成され、且つ、前記大腿骨に対して前記髄内釘及びその骨ネジを適用する許容範囲のための所定の規則に対する最良の適合を得るよう、前記大腿骨に対して適用されるべき前記髄内釘及びその骨ネジの前記仮想位置を最適化するために、前記基準体の位置を変更するよう構成され、該変更は、前記髄内釘及びその骨ネジの選択が前記骨ネジの異なる傾斜角を可能にするよう、前記データベースから前記髄内釘及びその骨ネジを選択することを含む、
コンピュータ支援手術システム。
【請求項１０】
前記髄内骨を位置付けるよう構成される医療工具を更に含み、前記基準体は、所定の方法で前記医療工具に取り付け可能である、請求項９に記載のコンピュータ支援手術システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンピュータ支援手術システム及びコンピュータ支援手術システムを動作する方法に関し、具体的には、インプラント又は類似物のような医療装置のより容易な適用をもたらす医療装置の仮想表示を提供するコンピュータ支援手術システム及びコンピュータ支援手術システムを動作する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
髄内釘打ち法によって、例えば、大腿骨頸部の骨折を治療し得る。そのような治療では、髄内釘打ち法用の釘は、典型的には、骨ネジを受け入れるための少なくとも１つのボア孔を含む。釘は、大腿骨の長手方向に概ね導入され、骨ネジが少なくとも１つのボア孔内に受け入れられるとき、骨ネジは大腿骨の頸部に対して特定の角度で横方向に延びる。外科医の特定の問題は、そのような釘又はインプラント又はそれらの一部の将来的な位置又は移植される位置を予測することである。過去、操作者はインプラントの大体の最適な位置を得るよう試行錯誤を行っていた。しかしながら、これはより長い期間の手術を招き、それは患者により大きなストレスを引き起こし得る。更に、各試行に関して、インプラントの位置を評価するためにインプラントの現在位置を確認するために、少なくとも１つのＸ線画像（例えば、フルオロショット）が概して必要である。
【０００３】
近年、ダイナミックヒップネジのためのコンピュータ支援手術が、非特許文献１中でＡｍｉｒ  Ｈｅｒｍａｎ  ｅｔ  ａｌ．によって記載されており、この文献は、三次元距離を測定し、インプラントテンプレートを視覚化し、且つ、標準的なＸ線透視検査において案内される軌道を見るために画像分析技術を使用する、コンピュータ支援手術システムを記載している。案内システムは、標的、位置決め、及び、基準装置として透明なハードウェアに組み込まれる、一組のＸ線不伝導性マーカを結合する。この装置は案内ワイヤに取り付けられる。Ｘ線透視画像が外科医によって取得され、次に、画像処理エンジンによって処理され、画像処理エンジンは、Ｃアーム及び画像内のドリル軌道に対する三次元の向きを計算する。
【０００４】
更に、係止ネジを髄内装置のオリフィス内に挿入することが意図される情報取得のためのプロセスが特許文献１に記載されている。この文献は、髄内装置の遠位係止孔内に係止ネジを挿入するために意図される情報を取得するためのプロセスを記載している。記載されるプロセスは、透視装置を使用して髄内装置の遠位部分の異なる向きの２つの画像を撮ること、髄内装置に固定される基準フレーム及び透視装置に固定される選択的な他の基準フレームを位置決めすることによって、投射パラメータ、特に、Ｘ線源及び各画像の投射平面の位置を取得することを含む。そのプロセスは、画像の如何なる歪みをも矯正すること、各画像における髄内装置の遠位部分をセグメント化すること、髄内装置の位置及び孔の位置に関する属性を計算することを更に含み、属性は、少なくとも、髄内装置の輪郭、その重心、及び、その主軸を含む。更に、そのプロセスは、各画像のために髄内装置の遠位部分の投射コーンを構築すること、２つの投射コーンの交差を決定すること、交差に基づき髄内装置をモデリングすること、モデリング及び画像上に決定される孔の重心の助けを受けて係止孔の中心を決定すること、係止オリフィスの向きを反復的に決定すること、及び、ドリル工具を案内することを含む。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｓｕｒｇｅｒｙ，  Ｄｅｃ．２９，  ２００８；  Ｖｏｌｕｍｅ  ５，Ｐａｇｅｓ  ４５−５０
【特許文献１】ＥＰ１４９１１５１Ｂ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、例えば、インプラントのような、適用されるべき医療装置の簡単で迅速な位置決めを可能にするコンピュータ支援手術システム及びコンピュータ支援手術システムを動作する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの実施態様によれば、コンピュータ支援手術システムを動作する方法が提供され、当該方法は、解剖学的構造に対して基準体を位置決めすることを含み、基準体は解剖学的構造に適用されるべき医療装置の位置を仮想表示し、解剖学的構造に対する基準体の位置を検出することを含み、解剖学的構造に対する基準体の検出位置に基づき、解剖学的構造を適用されるべき医療装置の仮想表示と重ね合わせることを含み、解剖学的構造に対して医療装置を適用する許容範囲のための規則を提供することを含み、基準体の位置を変更することを含み、許容範囲のための規則に対する最良の適合を得るために、解剖学的構造に対して適用されるべき医療装置の仮想位置を最適化することを含む。
【０００８】
よって、適用されるべき医療装置の仮想表示を使用することによって、医療装置の最終の所望位置を決定する段階中に、この医療装置を挿入することを必要とせずに、現実の医療装置の将来の位置を予測し得る。よって、医療装置を挿入する前に、医療装置の位置を仮想に最適化し得る。これは切開及びＸ線の衝撃に対する患者のストレスの軽減をもたらし得る。最適化することは、医療装置、即ち、インプラントの最適な場所、向き、及び、幾何を探すことを含む。この最適化することは、コンピュータ装置によって支援されて行われ得る。基準体は、特別なアドオン素子、並びに、撮像中にその位置を特定する特異な幾何を有する医療工具であり得る。
【０００９】
本発明の他の実施態様によれば、医療装置の位置は、医療装置の寸法、場所、及び、向きを含む。
【００１０】
よって、患者の解剖学的構造に関する全ての関連情報を考慮して、医療装置を仮想的に表示し得る。位置は、具体的には、所定の様々な医療装置からの医療装置の幾何であってもよい。
【００１１】
本発明の更に他の実施態様によれば、解剖学的構造に対して位置付けられる基準体を検出することは、異なる角度から２つの二次元画像を撮ること、二次元画像に基づき三次元表示を生成すること、及び、三次元画像に基づき解剖学的構造に対する基準体の空間位置を決定することを含む。２つの二次元画像は、医療装置を受け入れる解剖学的構造を含み得る。解剖学的構造に対する医療装置の位置は、三次元表示に基づき得る。
【００１２】
よって、適用されるべき医療装置の正しい位置決め及び寸法入れに対する概観をもたらすために、解剖学的構造並びに適用されるべき仮想のインプラント又は仮想の医療装置を三次元的な方法で表示し得る。
【００１３】
本発明の一層更なる他の実施態様によれば、変更することは、基準体を回転及び／又は移動することを含み得る。
【００１４】
よって、提供される規則内で将来的に位置付けられる医療装置の最適化された位置を探し出すために、医療装置の位置を表示する基準体を解剖学的構造に対して仮想に位置付けることができ、規則は、解剖学的構造に対して医療装置を適用するための許容範囲を提供する。
【００１５】
本発明の一層更なる他の実施態様によれば、変更することは、様々な医療装置の所定の群から医療装置を選択することを含み得る。
【００１６】
よって、許容範囲のための規則を満足するために、例えば、移植されるべき最適なインプラントの種類を探し出すよう、医療装置の寸法も所定の群から選択し得る。様々な種類は、様々な幾何、例えば、長さ、傾斜角、及び、様々な解剖学的特性に対応する他の幾何学的特性を有し得る。
【００１７】
本発明の一層更なる他の実施態様によれば、コンピュータ支援手術システムを動作する方法は、解剖学的構造及び挿入されるべき医療装置の仮想表示の重なり合いを撮像することを更に含む。
【００１８】
よって、外科医はコンピュータ支援手術システムの進行中のプロセスを現場で制御し且つ監視することが可能であり、それは最適化が十分であるか否かを最終的に決定し且つ外科医による直の最終的な確認を提供するときに関連し得る。
【００１９】
本発明の一層更なる他の実施態様によれば、適用されるべき医療装置の位置は基準体から離れる。好ましくは、医療装置は、インプラントである。好ましくは、基準体は、例えば、標的工具のような医療工具に取り付け可能である。
【００２０】
よって、基準体は、医療装置の直ぐ近傍に提供される必要はない。基準体の直ぐ近傍にないインプラントを仮想に表示し得る。これは切開の開口場所に関する最終の遠隔位置を有するインプラントに特に関連する。更に、基準体を標的工具に提供するとき、例えば、髄内釘の骨ネジのようなサブインプラントも仮想に表示し得る。
【００２１】
本発明の一層更なる他の実施態様によれば、プロセッサによって実行されるとき、コンピュータ支援手術システムを動作する方法を実施するよう構成されるプログラム要素が提供される。
【００２２】
本発明の一層更なる他の実施態様によれば、発明的なプログラム要素を記憶させるコンピュータ読取り可能な媒体が提供される。
【００２３】
よって、コンピュータ支援手術システムを動作する方法をコンピュータ及びコンピュータプログラム上でそれぞれ実施し得る。
【００２４】
本発明の一層更なる他の実施態様によれば、コンピュータ支援手術システムが提供され、当該コンピュータ支援手術システムは、解剖学的構造に対する基準体を含み、基準体は解剖学的構造に提供されるべき医療装置の位置を仮想表示し、解剖学的構造に対する基準体の位置を検出するために構成される検出装置を含み、仮想の医療装置情報を含むデータベースを含み、解剖学的構造を検出装置の出力に基づき適用されるべき医療装置の仮想表示と重ね合わせること、基準体の位置を変更すること、及び、解剖学的構造に対して医療装置を適用する許容範囲のための所定の規則に対する最良の適合を得るために、解剖学的構造に対して適用されるべき医療装置の仮想位置を最適化することのために構成される計算装置を含む。
【００２５】
そのようなコンピュータ支援手術システムは、解剖学的構造に対して医療装置を適用する許容範囲のための所定の規則を満足するために外科医の試行錯誤の手法を必要とせずに、例えば、インプラントのような、適用されるべき医療装置の将来的な位置を予測することを可能にし、その規則は、例えば、骨の表面までの所要距離、例えば、大腿骨の長手方向と大腿骨頸部の向きとの間の具体的な傾斜角等の形態で提供され得る。
【００２６】
本発明のある実施態様によれば、データベースは、医療装置のための複数のデータセットを含み、データセットは、様々な医療装置を表示する。
【００２７】
よって、許容範囲のための所定の規則を満足するために、医療装置の向き及び場所を決定し得るのみならず、医療装置自体の寸法も決定し得る。これは、例えば、髄内釘及びそれぞれの骨ネジの長さ、直径、及び、具体的な角度に関して異なる寸法を要求する広範囲な解剖学的構造を有するときに、特に関連し得る。本発明のある実施態様によれば、医療装置は、インプラントである。
【００２８】
本発明の一層更なる他の実施態様によれば、システムは、インプラントを位置付けるために構成される医療工具を更に含み、基準体は所定の方法で医療工具に取り付け可能である。
【００２９】
よって、髄内釘の正しい位置並びに髄内釘に挿入される前の将来的に移植される骨ネジの正しい位置を探すために未だ移植されていない髄内釘を表示するために基準体を使用し得る。しかしながら、髄内釘を基準体と考え得る。何故ならば、髄内釘は、挿入されるべき骨ネジの将来の位置も表示する特異な形態を有し得るからである。よって、医療工具に取り付けられる髄内釘を挿入させるとき、髄内釘の幾何から、骨ネジの将来的な位置、即ち、場所、寸法、及び、向きを決定し得る。例えば、骨ネジの将来的な位置を表示する基準体として髄内釘を使用し得ることが付記されなければならない。しかしながら、例えば、髄内釘を表示するために、別個の基準体を使用可能であり、その場合には、髄内釘の将来的な位置を表示し且つ予測するために、そのような基準体を所定位置において医療工具又は釘に固定し得る。髄内釘の幾何及び向きを知るときには、医療工具に取り付けられる基準体を評価することによって、骨ネジの将来的な位置も予測し得る。
【００３０】
本発明の上述の実施態様は、コンピュータ支援手術システムを動作する方法、コンピュータ支援手術システム、プログラム要素、並びに、コンピュータ読取り可能な媒体にも当て嵌まることが付記されなければならない。
【００３１】
上記の特徴を組み合わせ得ることも付記されなければならない。上記の特徴の組み合わせは、仮に詳細に明記されていないとしても、相乗効果も引き起こし得る。
【００３２】
本発明のこれらの及び他の特徴は、以下に記載される実施態様を参照して明瞭に解明されるであろう。
【００３３】
本発明は、その非限定的な実施態様に関する後続の詳細な記載を判読した後に、及び、付属の図面を検討した後に、より十分に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】コンピュータ支援手術システムを示す概略図である。
【図２】その上に固定された基準体を有する医療工具と、髄内釘と骨ネジとを含むインプラントとを示す側面図である。
【図３】図２に示される医療工具から分離された状態のインプラントを示す側面図である。
【図３ａ】図３に示される基準体を示す正面図である。
【図３ｂ】図３に示される基準体を示す端面図である。
【図４ａ】インプラントの仮想表示を示す側面図である。
【図４ｂ】インプラントの現実の位置を示す側面図である。
【図５】骨ネジの仮想表示及び釘の現実の位置を示す側面図である。
【図６】骨ネジ及び釘の仮想表示を示す側面図である。
【図７ａ】提供される矢印によって示されるような仮想の釘及び仮想のネジの第一方向への偏りを示す側面図である。
【図７ｂ】提供される矢印によって示されるような仮想の釘及び仮想のネジの第二方向への偏りを示す側面図である。
【図７ｃ】仮想の釘及び仮想のネジの正しい位置を示す側面図である。
【図７ｄ】仮想の釘及び仮想のネジの最終の位置を示す側面図である。
【図８ａ】提供される矢印によって示されるような現実の釘及び仮想のネジの第一方向への偏りを示す側面図である。
【図８ｂ】提供される矢印によって示されるような現実の釘及び仮想のネジの第二方向への偏りを示す側面図である。
【図８ｃ】現実の釘及び仮想のネジの正しい位置を示す側面図である。
【図８ｄ】現実の釘及び仮想のネジの最終の位置を示す側面図である。
【図９ａ】様々な異なる幾何、即ち、釘に対するネジの傾斜角の仮想表示を示す側面図である。
【図９ｂ】様々な異なる幾何、即ち、釘に対するネジの傾斜角の仮想表示を示す側面図である。
【図１０】様々な異なる幾何、即ち、現実の釘に対するネジの長さの仮想表示を示す側面図である。
【図１１】コンピュータ支援手術システムを動作する方法を概略的に示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１は、コンピュータ支援手術システム１を例証している。例えば、インプラント（移植片）のような、適用されるべき医療装置の提供を支援し得るよう、コンピュータ支援手術システム内に或いはコンピュータ支援手術システム上に患者２を位置付け得る。図１のコンピュータ支援手術システムは、患者２の大腿骨内への髄内釘の移植のための構造を例証している。この目的のために、インプラントの適用が意図される解剖学的構造の場所からの画像を送るために、画像化装置３が提供される。コンピュータ支援手術システムは、医療装置及びインプラントの正しい位置をそれぞれ計算し且つディスプレイ装置上に表示し得るよう、ディスプレイ装置４と、計算装置５とを更に含む。よって、総切開時間を減少し且つインプラントの位置を向上し得るよう、外科医は髄内釘及びそれぞれの骨ネジを提供する助けを受ける。
【００３６】
図２は、標的工具の形態の医療適用工具１０を例証している。標的工具は、摘み１１と、適用されるべき医療装置２００を結合するための結合部１５とを含む。図２のこの医療装置は、髄内釘２００である。この髄内釘は、上方部２０１を有し、上方部２０１は、髄内釘を医療工具１０の結合部１５に結合するための結合部２０５も含む。図２に示される実施態様において、髄内釘２００は、髄内釘の上方シャフト部２０１に提供されるオリフィス２０２を含む。このオリフィス２０２は、骨ネジ２１０を受け入れる働きをする。髄内釘２００は、下方シャフト部２０３を更に含み、下方シャフト部は、遠位固定ネジ２２０を受け入れるための更なるオリフィス２０４を含む。骨ネジ２１０は、大腿骨の頸部内に延びるよう設計される。この目的のために、骨ネジ２１０は、骨材料内での固定のためのギアシャフト２１１を備える。更に、骨ネジ２１０は、骨ネジを髄内釘２００内に固定し得るよう、固定構成２１６を備える。この固定は、髄内釘２００に対する骨ネジ２１０の位置を固定するよう上方シャフト部２０１内の髄内釘の長手方向延長に沿う内部ネジによって行われ得る。更に、骨ネジ２１０は、骨ネジ２１０を回転して骨、例えば、大腿骨頸部内に入れるために、それぞれの工具、例えば、ネジ回しを受け入れるための受け部２１５を備え得る。
【００３７】
図２では、基準体１００が医療工具１０上に所定の方法で固定されている。基準体は、基準体のより容易な固定及び位置決めのために摘み１０１を含む。基準体は、複数の基準マーカ１０２を更に含む。これらのマーカは、単一のフロオロショット画像が基準体１００の特異な三次元位置を決定するのに十分であり得るよう、あらゆる二次元投射において特異な表示をもたらす所定の方法で基準体に亘って配置される。基準体１００は、所定の方法で医療工具１０に固定され、髄内釘２００に対しても固定されるので、基準体１００の既知の向き、場所、及び、一般的には、位置は、髄内釘２００の位置を同時に表示する。髄内釘２００の幾何が既知である場合には、骨ネジ２１０及び遠位係止ネジ２２０の位置も、少なくともそれらの長手方向延長の方向のために予め定められる。よって、医療工具１０の位置決めは、基準体１００と共に、例えば、フロオロショット画像における髄内釘の可視性と無関係に、髄内釘２００の位置、並びに、少なくとも骨ネジ２１０及び遠位係止ネジ２２０の長手延長方向を決定することを可能にする。基準体１０が医療工具１０に対して正しく位置決めされているか否かを決定するために、単一のフロオロショット画像を評価することによって医療工具１０に対する基準体の正しい位置を決定し得るよう、医療工具１０は複数の基準マーカ１２も備え得る。
【００３８】
図３は、単一素子のインプラント部と、図２に示される工具部とを例証している。図３は、医療工具１０に対して解放された状態の髄内釘２００を例証している。医療工具１０は、例えば、髄内釘２０６，２０５のそれぞれの対応物を受け入れるための鼻部の形態の特異な整合パターン１６を有する結合部１５を含む。よって、髄内釘２００を事前に明確に表示するために基準体１０を使用し得ることを保証し得るよう、医療工具１０に対する髄内釘２００の特異な整合位置を提供し得る。
【００３９】
図３ａは、基準体１００の正面図を例証している。単一のフロオロショットが基準体の空間位置の特異な決定を可能にするよう、基準マーカ２０２は、基準体１００上に不規則ではあるが所定の方法で配置されている。図３ｂは、医療工具１０から分離された基準体の側面図を例証している。
【００４０】
基準体に対する髄内釘２００の位置を知っているときには、髄内釘が医療工具１０に取り付けられていないとしても、ここでは医療工具１０に取り付けられる基準体の位置の変動を、髄内釘の将来の位置を決定するために使用し得る。これは図４ａから分かり、図４ａは、大腿骨頭３３０、大腿骨頸部３２０、及び、大腿骨骨幹部３１０を有する大腿骨の形態の解剖学的構造３００を例証している。その上に基準体１００が取り付けられた医療工具１０を位置付けるときには、髄内釘２００’の仮想表示を視覚化することによって、髄内釘の将来の位置を決定し得る。以下の記載のために、アポストロフィ表示を伴う参照番号は、提供されるべき医療装置、例えば、インプラントの仮想位置を表示し、アポストロフィを伴わない参照番号は現実の医療装置を表し、適用済みの医療装置も表すことが付記されなければならない。
【００４１】
医療工具１０を大腿骨の頂部上に位置付けるとき、医療工具の位置の修正は、基準体１００と共に、後に適用される医療装置の仮想表示を決定する。図４ａに示されるように、移植されるべき医療装置の正しい位置が発見されたときには、進入地点を固定するために、それぞれの案内ワイヤ４００を大腿骨に適用可能であり、進入地点は、適用されるべき医療装置の最適な位置に属する。次に、案内ワイヤ４００を大腿骨３００に維持しながら医療工具１０を取り外し得る。よって、大腿骨のそれぞれの進入地点を開口するために穿孔装置又は突き錐を提供するために、進入地点は固定される。穿孔後、髄内釘を大腿骨３００、具体的には、図４ｂから分かるように、大腿骨骨幹部３１０内に挿入するために、現実の髄内釘２００を医療工具１０に結合し得る。
【００４２】
基準体を突き錐又は穿孔工具に或いは突き錐を表示するための標的工具にも取り付け得る。突き錐が基準体を備えるときには、突き錐の軌道に基づき釘の将来の位置を予測し得る。よって、例えば、突き錐又は穿孔工具によってボア孔を生成するときには、釘の将来の位置を決定し得る。換言すれば、釘のための孔を穿孔するときには、将来の釘の位置を現場で決定することが可能である。
【００４３】
髄内釘の既知の幾何及び所定の結合構成２０５，２０６，１５，１６を介した医療工具１０への髄内釘２００の所定の結合によれば、骨ネジ２１０の方向も遠位係止ネジ２２０の方向と共に定められる。
【００４４】
図５は、現実の髄内釘２００を挿入させた図４ｂから始めて、骨ネジ２１０’及び係止ネジ２２０’の仮想表示を例証している。骨ネジ及び係止ネジの正確な位置は異なり得るが、それらの長手方向及び向きは、髄内釘２００のオリフィス２０２，２０４によって予め定められる。よって、髄内釘を挿入させるとき、髄内釘の長手軸に対する長手方向の平行移動及び回転に対する髄内釘の正しい位置を決定するために、骨ネジ２１０’の仮想表示を使用し得る。髄内釘２００は、髄内釘の位置、即ち、その場所、寸法、及び、向きの所定の決定を許容する特異な幾何を備え得ることも理解されなければならない。換言すれば、現実の髄内釘２００を基準体として使用するとき、医療工具の頂部上の追加的な基準体１００を省略し得る。何故ならば、その場合には、髄内釘は、適用されるべき骨ネジ２１０’及び適用されるべき遠位係止ネジ２２０’のための基準体として働き得るからである。
【００４５】
図６は、骨ネジ２１０’及び遠位係止ネジ２２０’の仮想表示と共に、髄内釘２００’の仮想表示を例証している。骨ネジ２１０’の位置は髄内釘２００’に対するその向きによって定められるので、髄内釘及び骨ネジの正しい位置を探すために、医療工具の位置を使用し得る。医療工具の位置変更によって、骨ネジ２１０’と共に髄内釘２００’の仮想表示は異なるので、髄内釘の正しい位置のみならず、骨ネジの正しい位置も決定し得る。これは、例えば、骨ネジと大腿骨頸部３２０の骨表面との間の特定の距離を維持するよう仮想骨ネジ２１０’の正しい位置を探すために、仮想髄内釘２００’の正しい軸方向変位を決定することを可能にする。これは後続の図面に関連してより詳細に記載される。
【００４６】
図７ａは、骨ネジ２１０の仮想表示と共に、髄内釘２００の仮想位置を例証している。しかしながら、インプラント、髄内釘、及び、骨ネジの仮想表示は、髄内釘及び骨ネジの最終的な挿入にとって十分ではない位置を例証している。何故ならば、大腿骨骨幹部３１０の表面に対する髄内釘の距離及び大腿骨頸部３２０の表面に対する骨ネジの距離は狭すぎるからである（矢印を参照）。よって、より良好な位置決めを探すために、医療工具１０の位置は変更されなければならない。
【００４７】
しかしながら、図７ｂはこの位置もインプラントの最終的な挿入に適さないことを例証している。何故ならば、髄内釘２００’の仮想表示及び骨ネジ２１０’の仮想表示は、やはり、大腿骨骨幹部３１０及び大腿骨頸部３２０のそれぞれの表面に対して狭すぎるからである。図７ｃに従った更なる位置決めの後、仮想髄内釘２００’及び骨ネジ２１０’の仮想表示の正しい位置が達成されるので、例えば、案内ワイヤ４００を適用することによって、正しい位置を固定し得る。正しい進入地点を固定させた後、全体的な現実のインプラント、即ち、前に決定された位置において髄内釘２００及び骨ネジ２１０を大腿骨３００に適用し得る。基準体１００の特異な表示、髄内釘及び骨ネジの方向を特異に表示することに従って、図７ａと図７ｃとの間で更なるフロオロショットは必要とされない。図７ｄに例証されるように、その成功裏な移植を確認するために、最終的なインプラント位置を制御することが望ましいならば、他のフロオロショットを撮り得る。
【００４８】
図７ｃに示されるように、正しい進入位置が決定される場合には、髄内釘２００を医療工具１０に結合し、次に、大腿骨骨幹部３１０内に挿入し得る。骨ネジ２１０’及び遠位係止ネジ２２０’を仮想に表示するために、髄内釘２００又は基準体１００の一方、或いは、基準体１００及び髄内釘２００の双方を基準体１００として使用し得る。髄内釘２００と共に医療工具１０を位置変更することによって、骨ネジ２１０’の正しい更なる位置を決定し得る。
【００４９】
図８ａ乃至８ｄは、現実の釘２００を位置付けさせたときの骨ネジ２１０’の仮想表示の配置を例証している。図８ａは、仮想の骨ネジ２１０’と大腿骨頸部３２０との間の低い距離に関する不十分な位置（矢印）を例証しているのに対し、図８ｂは、大腿骨頸部３２０の他方の側に関する反対に位置付けられた不十分な位置決め（矢印）を例証している。図８ｃは、骨ネジ２１０’の仮想表示に対する髄内釘２００のより良好な位置を例証しているので、現実の骨ネジ２１０を図８ｄに示されるように挿入し得る。穿孔処理中に１枚のフロオロショット画像も必要とせずに、穿孔プロセス中に穿孔機の正しい位置を監視し得るよう、例えば、大腿骨頸部３２０の根幹部内にボア孔を提供するために穿孔工具を提示するために基準体１００を使用し得ることも付記されなければならない。後に釘を受け入れるための孔を穿孔するときに釘の正しい位置決めを監視し得るよう、基準体はボア孔を穿孔するときの釘２００’も表示し得る。穿孔処理のこの監視は図８ａ乃至８ｃの例証と類似し、その場合には、髄内釘２００は穿孔機によって交換されるのに対し、骨ネジ２１０の正しい位置を保証するために骨ネジ２１０’の仮想表示を維持し得る。
【００５０】
コンピュータ支援手術システムは基準体１００，２００のより良好な位置又は向きを探すのも助けることが付記されなければならない。これは外科医に詳細な指示を与えることによって起こり得る。その場合には、正しい位置を探すために標的工具方向は移動されなければならない。例えば、どの方向に標的工具を移動すべきかを外科医が直接的に認識し得るよう、標的工具の取手に触覚的フィードバックを与えることも可能である。この目的のために、それぞれの作用主体をハンドル又はグリップに配置し得る。
【００５１】
図９ａは、異なる幾何のオリフィス２０２を有する髄内釘の仮想表示の視覚化を例証している。それぞれの仮想髄内釘２００’を選択することによって、骨ネジ２１０’の傾斜をより急勾配の位置２１０ａ’又はより少ない傾きの位置２１０ｂ’に変更し得る。よって、骨ネジ２１０’の異なる傾斜角を可能にする様々な可能な髄内釘を仮想表示することによって、後に移植される骨ネジ２１０の正しい位置決めを達成するために、正しい種類の髄内釘を選択し得る。データベース内の最適な幾何を調査し、それぞれの種類のインプラントを提案するとき、コンピュータ支援手術システムによってこの選択を実施し得る。
【００５２】
実際には、術中Ｘ線撮像を伴う定位固定が使用され、その場合には、図９ｂに例証されるように、釘用のボア孔を穿孔するために、基準体１００を備える突き錐９を使用し得る。システムは突き錐９の基準体１００を検出することができ、よって、インプラント２００’の軸、例えば、三次元空間内のガンマ釘／髄内釘の軸を知る。特定距離に亘って骨を進入させるとき、突き錐９の軌道は実質的に決定される。しかしながら、突き錐の深さに依存して、僅かな矯正を行い得る。２つの二次元画像、例えば、ＡＰ方向にある１つの二次元画像及びＭＬ方向にある１つの二次元画像を生成することによって、既に進入させられた突き錐と共に解剖学的構造を視覚化し得る。ＭＬ視像では、システムは大腿骨頭をセグメント化し、よって、大腿骨頭の中心を知り、よって、ＭＬ視像におけるインプラントの正しい回転を計算することができる。ＡＰ視像では、システムはＭＬにおいて計算されたような正しい軸回転を用いてインプラントをオーバーレイし、大腿骨頭の自動セグメント化を行い、よって、大腿骨頭の中心（又は尖部）を計算する。釘の仮想表示は、釘の最適化された位置を探すために基準体を回転及び／又は平行移動することを可能にする。次に、システムは、初期値としての釘２００と骨ネジ２１０との間の１２５°の傾斜角に亘って骨ネジの軌道まで釘軸に対応する軌道に沿ってインプラント、例えば、釘を仮想に移動可能であり、大腿骨頭の中心（又は尖部）を通過し、初期設定の種類に加えて、全ての他の利用可能な種類のインプラントを表示する。これをソフトウェアツールによって実施し得る。データベースの利用可能なデータセットに基づき計算装置によって最適な釘の位置及び最適な釘の種類を自動的に決定し得るので、外科医は、釘の位置及び釘の種類、並びに、対応する骨ネジ及び／又は遠位係止ネジに関する提案を受け取り得る。選択的に、釘の進入深さを採用するよう、使用者はシステムと相互作用し得る。選択的に、システムは全シーンの三次元再構成を提示し得る。既に導入された突き錐は骨内に安定的な位置をもたらすので、髄内釘の将来の位置を提供し得る。更に、突き錐の剛的な位置は、手術プロセス中にその位置を維持するのを可能にする。換言すれば、コンピュータ支援手術システムを使用するとき、手術の仕事の流れの全体は妨げられない。図２乃至１０の例証はＡＰ方向における例証であること、並びに、計算装置５で供給されるべきＭＬ方向においても対応する例証を得ることができることが付記されなければならない。
【００５３】
図１０は、大腿骨頭３３０の表面に対する骨ネジの所要距離を維持し得るよう、様々な骨ネジから正しい骨ネジ２１０を選択する類似の方法を例証している。図１０は、骨ネジ２１０’及び２１０ｃ’の２つの可能な長さを例証しており、許容範囲に関する規則に基づくシステムは、位置２１０’を選択しなければならない。何故ならば、より長い骨ネジ２１０ｃは大腿骨頭３３０の表面までの所要距離を維持しないからである。
【００５４】
図１１は、コンピュータ支援手術システムを動作する方法を例証している。本方法は、解剖学的構造３００に対する基準体１００，２００の位置決めすることＳ１０を含み、基準体は解剖学的構造３００に適用されるべき医療装置２００，２１０，２２０の位置を仮想に表示している。本方法は、更に、解剖学構造３００に対する基準体の位置を検出することＳ２０、解剖学的構造に対する基準体の検出位置に基づき、解剖学的構造を、適用されるべき医療装置の仮想表示２００，２１０，２２０と重ね合わせることＳ３０、解剖学的構造に対して医療装置を適用するための許容範囲に関する規則を提供することＳ４０、基準体の位置を変更することＳ５０、及び、許容範囲に関する規則に関する最良の適合を得るために、解剖学的構造に対して適用されるべき医療装置の仮想位置を最適化することＳ６０を含む。解剖学的構造に対して位置決められた基準体１００；２００を検出することＳ２０は、異なる角度から２つの二次元画像を撮ることＳ２１、２つの二次元画像に基づき三次元表示を生成することＳ２２、及び、三次元表示に基づき解剖学的構造に対する基準体の空間位置を決定することＳ２３を更に含み得る。変更することＳ５０は、基準体１００；２００を回転することＳ５１及び／又は移動することＳ５２、並びに、様々な医療装置の所定の群から医療装置２００；２１０；２２０を選択することＳ５３を含み得る。
【００５５】
本発明の他の実施態様では、適切なシステム上で前述の実施態様のうちの１つに従った方法の方法ステップを実行するよう構成されることを特徴とするコンピュータプログラム又はコンピュータプログラム要素が提供される。
【００５６】
従って、コンピュータプログラム要素を本発明の実施態様の一部でもあり得る計算装置上に記憶し得る。この計算装置は上述された方法のステップを遂行し或いは遂行を引き起こすよう構成され得る。その上、この計算装置は上述された装置の構成部品を動作するよう構成され得る。計算装置は使用者の指令を自動的に作動し且つ／或いは実行するよう構成され得る。コンピュータプログラムはデータプロセッサの作動メモリ内にロードされ得る。よって、データプロセッサは本発明の方法を実施するよう装備され得る。
【００５７】
本発明のこの実施態様は、開始から直ちに本発明を使用するコンピュータプログラム、及び、アップデートを用いて既存のプログラムを本発明を使用するプログラムに転換するコンピュータプログラムの両方をカバーする。
【００５８】
更に、コンピュータプログラム要素は、上述されるような方法の実施態様の手順を充足する全ての必要なステップを提供し得る。
【００５９】
本発明の更なる実施態様によれば、ＣＤ−ＲＯＭのようなコンピュータ読取り可能な媒体が提示され、コンピュータ読取り可能な媒体は、その上に記憶されるコンピュータプログラム要素を有し、そのコンピュータプログラム要素は先行部分に記載される。
【００６０】
しかしながら、ワールドワイドウェブのようなネットワーク上にもコンピュータプログラムを提示し得るし、そのようなネットワークからデータプロセッサの作動メモリ内にダウンロードし得る。本発明の更なる実施態様によれば、コンピュータプログラム要素をダウンロード可能にする媒体も提供され、そのコンピュータプログラム要素は、本発明の前述された実施態様のうちの１つに従った方法を遂行するよう配置される。
【００６１】
本発明の実施態様は異なる主題を参照して記載されることが付記されなければならない。具体的には、一部の実施態様は方法の種類の請求項を参照して記載されるのに対し、他の実施態様は装置の種類の請求項を参照して記載される。しかしながら、当業者は、特段の断りのない限り、１つの種類の主題に属する特徴のあらゆる組み合わせに加えて、異なる主題に関する特徴間のあらゆる組み合わせも本出願に開示されていると考えられることを上記及び後続の記載から推測するであろう。しかしながら、全ての特徴は組み合わされて、それらの特徴の単純な合計よりも多くの相乗効果をもたらし得る。
【００６２】
本発明の実施態様は異なる主題を参照して記載されることが付記されなければならない。具体的には、一部の実施態様は装置の種類の請求項を参照して記載されるのに対し、一部の実施態様は方法の種類の請求項を参照して記載される。しかしながら、当業者は、特段の断りのない限り、１つの種類の主題に属する特徴のあらゆる組み合わせに加えて、異なる主題に関する特徴間の、具体的には、装置の種類の請求項の特徴と方法の種類の請求項の特徴との間のあらゆる組み合わせも本出願中に開示されると考えられることを上記及び後続の記載から推測するであろう。
【００６３】
請求項において、「含む」という用語は、他の素子又はステップを排除せず、不定冠詞の使用は、複数を排除しない。単一のプロセッサ又は他の装置は、請求項中に列挙される幾つかの品目の機能を満足し得る。特定の手段が相互に異なる従属項において列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを有利に使用し得ないことを示さない。
【００６４】
他のハードウェアと共に或いはその一部として供給される光記憶媒体又はソリッドステート媒体のような適切な媒体上にコンピュータプログラムを記憶し且つ／或いは配置し得るが、インターネット又は他の有線若しくは無線の通信システムを介してなどのような他の形態でも配置し得る。
【符号の説明】
【００６５】
１        コンピュータ支援手術システム(computer assisted
surgery system)
２        患者(patient)
３        画像化装置 (imaging device)
４        ディスプレイ装置 (display unit)
５        計算装置 (computation unit)
９        突き錐 (awl)
１０      医療工具 (medical tool)
１１      摘み (finger grip)
１５      結合部 (coupling portion)
１６      整合パターン (matching pattern)
１００    基準体 (reference body)
１０１    摘み (finger grip)
１０２    基準マーカ (fiducial marker)
２００    髄内釘 (intramedullary nail)
２００’  仮想の髄内釘 (virtual intramedullary nail)
２０１    上方シャフト部 (upper shaft portion)
２０２    オリフィス (orifice)
２０３    下方シャフト部 (lower shaft portion)
２０４    オリフィス (orifice)
２０５    髄内釘 (intramedullary nail)
２０６    髄内釘 (intramedullary nail)
２１０    骨ネジ (bone screw)
２１０’  仮想の骨ネジ (virtual bone screw)
２１１    ギアシャフト (gear shaft)
２１５    受け部 (receptacle)
２１６    固定構成 (fixation arrangement)
２２０    遠位係止ネジ (distal locking screw)
２２０’  仮想の遠位係止ネジ (virtual distal locking
screw)
３００    大腿骨 (femur)
３１０    大腿骨骨幹部 (femur shaft)
３２０    大腿骨頸部 (femur neck)
３３０    大腿骨頭 (femur head)
４００    案内ワイヤ (guide wire)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
0005564003.tif 000014
【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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