(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膝関節形成の手術中に股関節部の機能上の中心を探知する装置であって、
基準系に対する空間内の一点の位置変化を測定する測定手段と、
患者の大腿骨上の基準位置に前記測定手段を取付ける取付け手段と、
前記基準系内で大腿骨を回転させる間に大腿骨頭の変位に抵抗するように、患者の寛骨臼を固定して保持する保持手段と、
前記基準系内で大腿骨頭を中心に大腿骨を回転させ、少なくとも３回、前記大腿骨上の前記基準位置の変化を測定して、股関節の前記機能上の中心に対応する理論球体の位置を計算する計算手段と
を備えている装置。
【請求項２】
前記基準系に対する空間内の前記一点の位置変化を測定する前記測定手段は、カメラ列をさらに備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
大腿骨上の前記基準位置に前記測定手段を取付ける前記取付け手段は、大腿骨の遠位支承面から決まった距離の位置、かつ、大腿骨の解剖学的軸線を中心として既知の角度だけ回転した位置で大腿骨に前記測定手段を取付けるための位置合せクランプをさらに備えている請求項１に記載の装置。
【請求項４】
大腿骨上の前記基準位置に前記測定手段を取付ける前記取付け手段は、発光機能を有する探知マーカーをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
膝関節形成の手術中に股関節の機能上の中心を探知する装置であって、
発光機能を有し、大腿骨に剛性構造で取付けられ得る探知マーカーと、
基準系に対する前記探知マーカーの位置変化を測定するカメラ列と、
基準系内での大腿骨の変位に抵抗するように、患者の寛骨臼を固定して維持する保持固定具と、
前記基準系に対して大腿骨頭を中心として大腿骨を回転させる際、前記カメラ列により測定される、前記探知マーカーの３つ以上の異なる位置を表面上に有する理論球体の中心として、股関節の機能上の中心を計算するために、前記カメラ列に接続されているデジタル化および表示装置と
を備えている装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は外科の方法および装置、より詳しくは膝移植手術中に下肢の配置点を探知する改良された技術および装置に関する。
背景技術
膝の移植手術、より詳しくは膝関節形成術として知られている手術では、破損した骨や疾患がある骨を、金属製あるいはプラスチック製の部品と置換して、傷んでいる関節の機能を回復する。これらの移植は、使用素材が改良されるにつれて広く受け入れられるようになってきた。
膝関節形成術では、患者の身体構造に合わせて部品を正しく配置することが第一の目標である。移植が正しく機能し、また長期使用に耐えるためにも、正しい配置を行わなければならない。ヒトの体重は、股関節の中心から足首関節の中心までの、体重支持軸（weight bearing axis）ともＷＢＡとも呼ばれている理論線に沿って移動する。正しく機能している膝では、前平面／後平面あるいは正中平面／横平面のいずれにおいても、ＷＢＡは膝の中心を通過する。内反奇形をもつ膝では、ＷＢＡは膝中心の内側を通過し、外反奇形の膝では膝中心の外側を通過する。膝関節形成手術中では、股関節の中心（大腿骨頭の中心）、膝の中心、および足首の中心の位置によって、ＷＢＡの位置が決まる。
ＷＢＡを探知するばかりでなく、ＷＢＡ上の移植の位置と、この位置のＷＢＡの周囲を回る回転も確定しなくてはならない。ＷＢＡ上の移植の位置は、膝の関節表面を通過する、関節線と呼ばれる水平線を用いて決めることができる。水平面での移植物を回転して探知するためには、普通、大腿骨後くるぶしと前くるぶしの位置、あるいは大腿骨上くるぶしの位置など、数個の異なる身体上の指標が用いられている。
現在最も用いられているＷＢＡ探知法としては、髄外（extramedullary）略してＥＭ配置法と、髄内（intramadullary）略してＩＭ配置法の２種類のうちのどちらか一つが使用される。
ＥＭ配置法は、外科医が肉眼によって膝関節から大腿骨頭までと、膝関節から足首の中心まで細いロッドを平行に配置するものである。大腿骨頭の位置には、触診によって、あるいは手術中で撮影するＸ線映像によって、ロッドを接近配置することができる。また、足首の周囲にＶ字形刻み目付き装具を装着して足首のロッドを接近配置するか、または、足首のくるぶしを触診しながら、これからの位置で肉眼で足首のロッドを接近配置する。正しい位置であれば、股と足首のロッドはＷＢＡと平行に置かれる筈である。
ＩＭ配置法は、肉眼でロッドの位置を決めるのではなく、ロッドを大腿骨と脛骨の髄管中に挿入するものである。正しく挿入されれば、ロッドは骨軸上に配置される筈である。大腿骨は股関節部で分枝するため、骨軸はＷＢＡと同一ではなく、したがって、手術中に矯正をしてＩＭ軸を調整し、ＷＢＡを推定する。この矯正のためには、手術前から大腿骨軸とＷＢＡとの角度差を示すＸ線映像を得ておく必要がある。
ＥＭ配置法では、肉眼でＷＢＡの位置を推定するにすぎない。したがって、誤りが多く起こり易く、外科医にはかなりの技倆が要求される。手術中に大腿骨頭を探知しようとすることは、特に誤りを誘い易い。大腿骨頭の触診は、患者の肥満体や、患者を覆っている滅菌布に惑わされて、放射線による探知と比較すると、通常２〜３インチ不正解であることが立証されている。放射線による探知に用いるテンプレートの工夫はなされてはいるが、手術室で放射線を使用することは、時間が掛かるし、取扱いが難しく、さらに職員を放射線に暴露することになる。その上、どんな形の放射線探知でもひずみがあり、そのため必ずしも運動あるいは伝達力の運動中心ではない身体指標を選択して、その位置を肉眼で推定する必要が出て来る。
ＩＭ配置法では、ロッドの配置に若干の技倆を必要とする。大腿骨と脛骨中にロッドを挿入したことにより、脂肪塞栓症やガス塞栓症が発症して患者の死亡に至った症例も存在する。ＩＭ軸を矯正してＷＢＡとするのに必要な調整角度は、普通、手術前のＸ線映像によって測定するため、結果的にひずみ、読み取りエラー、さらには前述のような肉眼による推定に伴う諸問題が起き易い。
したがって、患者のＷＢＡの真の位置を、関節の運動位置から測定して、正確にして且つ簡単に探知する方法が待望されている。この方法は、手術中でも使用できるものでなくてはならない。さらにまた、移植手術に必要な骨の改変は行うが、それ以外には骨を改変する必要がなく、術前の立案と術後の評価が可能であり、手術プロトコルを変更すると手術の結果にどんな影響があるかを予想できる方法であることが好ましい。
発明の要旨
本発明は、ＷＢＡの位置の決定、ＷＢＡの好ましい位置の決定、膝移植の好ましい位置の決定、および移植の位置を決めるために必要な骨の形づくりに使用する装置の案内のための方法と装置を提供する。
本発明はさらに、股関節の回転運動中心を、大腿骨上の少なくとも４つの異なる位置から３次元測定探知する方法と装置を提供する。
本発明はさらに、大腿骨から足首の中心の位置を測定して、足首から膝の回転の瞬間中心を推定する方法と装置を提供する。この方法と装置は、手術中でも使用することができ、移植手術に必要な骨の改変をする以外に、患者の骨や組織を改変する必要がなく、術前の立案と術後の評価が可能であり、手術プロトコルを変更すると手術の結果にどんな影響があるかを予想できる。
【図面の簡単な説明】
図１ａおよび図１ｂは、ヒトの身体における体重支持軸と、大腿骨および脛骨との関係を示している。
図２ａおよび図２ｂは、股関節の周囲を回転する大腿骨の運動を示している。
図３ａおよび図３ｂは、大腿骨に対する脛骨の運動を示す略図である。
図４は、手術中に下肢の体重支持軸を決定する装置を示している。
図５ａ〜図５ｃは、図４の装置を用いて体重支持軸を決定する方法を示している。
実施の態様の説明
図１ａおよび図１ｂは、ヒトが正常な姿勢をとっている場合の、体重支持軸（ＷＢＡ）１８と、左大腿骨１０および脛骨１２との関係を示す概略図である。図１ａは患者の前頭面（正中平面−横平面）の概略図であり、図１ｂは矢状面（前平面−後平面）の概略図である。
体重支持軸１８は、股関節１４の中心と、足首関節１６の中心の２点を通過するものと定義されている。通常、体重支持軸１８は、膝関節の解剖学的中心のやや内側を通過するが、このことは患者によってかなり異なる場合がある。
股関節中心１４は、股関節の回転中心であると定義されているが、一般には大腿骨頭の解剖学的中心であると認められている。足首関節中心１６は、足首関節の回転中心であると定義されているが、一般には下肢のくるぶしを通過する軸に沿う中間点に存在していると認められている。内くるぶし２０は脛骨の遠位端に存在している。外くるぶしは、同様の構造で、腓骨（図示省略）の遠位端に存在している。
関節線２２は、大腿骨１０と脛骨１２との間の支持面に近接している点で、体重支持軸１８と垂直に交わっている平面にある。
図２ａおよび図２ｂは、前頭面と矢状面の各々における、股関節の中心１４の周囲を回転する大腿骨１０の運動を示す概略図である。
大腿骨１０の運動は、球状およびソケット状の股関節により支配されている。また、大腿骨位置合わせ点２４は大腿骨１０に固定されているので、大腿骨１０が動いている間中、股関節中心１４を中心とし、且つ大腿骨位置合わせ点２４と股関節中心１４の間の距離に等しい半径をもつ理論領域の表面上を移動するしかない。
股関節中心１４が静止し大腿骨１０が移動している基準系において、大腿骨位置合わせ点２４の連続３個の位置をとり、その３個の位置間の方向の変位を測定することにより、その基準系内の股関節中心１４の位置を計算することができる。さらに、大腿骨位置合わせ点２４から股関節中心１４の位置も計算することができる。大腿骨位置合わせ点２４の位置の測定回数を増すことによって、股関節中心１４の位置計算の精度を上昇させることができる。
図３ａおよび図３ｂは、前頭面と矢状面の各々における、大腿骨１０に対する脛骨１２の運動を簡略化して示した概略図である。
大腿骨１０に対する脛骨１２の運動は、靱帯張力と膝関節の支持面３個によって支配されている複雑な自由度６の関係である。しかしながら、移植の位置決めのために、膝関節は前頭面で運動が制限され、矢状面ですべりヒンジであるとすれば、脛骨１２の挙動の合理的な接近がなされる。これらの簡略化された仮定に基づき、脛骨１２に固定された脛骨位置合わせ点２６は、膝関節中心２８の軌跡内に瞬間中心を置き、脛骨位置合わせ点２６と膝関節中心２８の間の距離に等しい半径をもつ理論領域の表面を移動するのみとならざるを得ない。
手術中に足首の骨を触診することにより、足首関節中心１６の位置を推定することができる。したがって、膝関節形成手術では、よく知られているようにＶ字形刻み目付きガイドを使用したり、あるいは下肢に靴を固定したりして、足首関節中心１６から方向を予め定めてあるように変位させておいて、この位置で脛骨位置合わせ点２６を脛骨１２に固定させることができる。脛骨位置合わせ点２６を予め大腿骨１０に固定し、股関節中心１４からの位置を計算しておいて、大腿骨位置合わせ点２４から脛骨位置合わせ点２６までの方向変位を測定することにより、股関節中心１４と測定すべき体重支持軸から足首関節中心１６までの方向位置を計算することができる。股関節中心１４の位置計算の場合と同じように、測定回数を増やせば体重支持軸の測定精度を上げることができる。
さらに、大腿骨位置合わせ点２４を静止させておいて、脛骨１２のみを移動させる基準系において、脛骨位置合わせ点２６の連続する３個の位置間の方向の変位を測定することにより、この基準系における膝関節中心２８の位置の軌跡を計算することができる。
図４は、膝関節形成術に役立つ形で、ヒト下肢の関節中心や体重支持軸を術中に探知するのに有用な装置を示している。これは、施術のために、矢状面で大腿骨１０と脛骨１２を折り曲げて、膝関節の表面が露出している状態を示している。この図では説明の便を考えて、脚の骨格のみを示す概略図となっているが、この装置の使用によって、脚周辺の軟組織や、従来からの手術プロトコルに否定的な影響を与えることはない。
位置合わせクランプ３０を大腿骨１０に接続して、大腿骨１０と定位置を維持できるようにする。最良の実施態様においては、遠位大腿骨皮質の内側表面から外側表面にかけて固定ピン４４を挿入することにより、位置合わせクランプ３０と大腿骨１０とを堅く接続させて、下肢の重量が位置合わせクランプ３０によって充分に支えられるようにしている。
配置ガイド３２があるため、大腿骨１０の遠位の支持面から決定的な距離を置き、且つ大腿骨１０の体内軸の周囲を予め定めてある回転ができるように、位置合わせクランプ３０を大腿骨１０に接続することができる。配置ガイド３０には平坦面４６があって、これを大腿骨１０の遠位面に対向して配置すると、位置合わせクランプ３０の変位が確定する。配置ガイド３０にはさらに、回転配置部４８がある。最良の実施態様においては、この回転配置部４８は薄い棚状で、大腿骨１０と脛骨１２との間に好適に配置され、膝は大腿骨１０支持面の後内側と後外側に対向する位置になるように、折り曲げられた形になる。この代わりに、回転配置部４８の形を、同じ様な他の遠位大腿骨指標を用いて、回転させるように形造ってもよい。配置ガイド５０にもクランプ探知部５０があって、大腿骨１０に固定する前に位置合わせクランプ３０の位置を決めるのに使用する。このクランプ探知部５０は、切断または配置ガイドを骨に位置付ける膝関節形成装置に一般的に用いられているすべりロッド、あるいはつまみからなっている。これらのすべりロッドやつまみは、位置合わせクランプ３０にはめ込まれる。
支持アーム３４は位置合わせクランプ３０に接続して、大腿骨１０の位置を固定させるのに用いられる。最良の実施態様においては、支持アーム３４は、「Endex Endoscopy Positioning System（Andronic Devices Ltd．，B.C.，Canada）」で使用されているような、空気圧で据え付けることができ、折り曲げることができるアームである。これには、手術台上で患者の下肢の重量を充分に支えることができる強度があり、また脚に位置合わせクランプ３０を装着したまま、患者が脚を完全に曲げることから完全に伸ばすことまでできる、充分な範囲の運動能をもっていなくてはならない。支持アーム３４は、手術台の側縁に接続されて、股関節中心１４に対して静止している。
探知マーカー３６には２個以上の発光部５２があって、カメラ列３８によって認識されるようになっている。カメラ列３８とデジタル表示装置５４とは、このカメラ列３８が搭載されている基準系から、探知マーカー３６の位置と方位を測定するために用いられる。最良の実施態様においては、カメラ列３８、デジタル表示装置５４と探知マーカー３６とは、「FlashPoint 3D Digitizer（Pixsys，Boulder，Co」のようなシステムを形成している。このシステムでは、膝関節形成手術における場合と同様な作業量で、探知マーカー３６変位の解析精度は０．１ｍｍ以内である。探知マーカー３６は、位置合わせクランプ３０に接続して、大腿骨１０に対して固定させておくこともできる。
足首ガイド４０は患者の下肢組織の周囲にはめ込むように形造られている。脛骨１２は移動できるが、足首ガイド４０は脛骨１２に固定されている。足首ガイド４０にはPetersen（米国特許第４，５２４，７６６号）が開示しているようなＶ字形刻み目があって、手術中に足首関節中心１６から予め決められている変位をたどって行くと、足首ガイド４０を探知できるようにすることが好ましい。足首ガイド４０にはさらに、前述の探知マーカー３６に形も機能もそっくりな第二の探知マーカー４２がある。最良の実施態様においては、探知マーカー３６と第二の探知マーカー４２の両方を使用しているが、一個のマーカーを位置を変えて使えば充分である。
図５ａ〜図５ｃは、手術中に本発明の装置を使って患者の体重支持軸を探知する工程を段階別に示したものである。
図５ａでは、配置ガイド５０が大腿骨１０の遠位端上に据え付けられている。この配置ガイド５０は、位置合わせクランプ３０の脛骨１２からの位置を決め、位置合わせクランプ３０が脛骨１２の周囲を回転できるようにする。固定ピン４４が位置合わせクランプ３０を貫いて、大腿骨１０に固定されている。支持アーム３４は、股関節中心１４に対して静止させておくものであるが、大腿骨１０に固定する前後に、位置合わせクランプ３０に接続する。脛骨１２は、靱帯によって大腿骨１０から懸垂したままに残される。
図５ｂでは、探知マーカー３６は、位置合わせクランプ３０に接続されている。支持アーム３４を外して、大腿骨１０を移動させ、カメラ列３８とデジタル表示装置５４で探知マーカー３６を測定して、デジタル化する。測定を少なくとも３回繰り返した後、すべての測定点は股関節中心１４を中心とする領域の表面に存在していること、股関節中心１４は位置合わせクランプ３０の接続点に接近して存在していることの２点を利用して、デジタル表示装置５４が股関節中心１４の位置を計算する。大腿骨１０の移動と探知マーカー３６のその場での測定を繰り返し行って、股関節中心１４の位置計算の精度を所望の範囲にまで上げる。
図５ｃは、本発明の装置を使って、位置合わせクランプ３０から足首関節中心１６の位置を探知して、体重支持軸を決定する方法を示している。支持アーム３４により大腿骨１０に股関節中心１４とカメラ列３８が固定されている。一方、足首関節中心１６から予め定めてある位置で、足首ガイド４０とこれに接続している第二の探知マーカー４２とを、脛骨１２に装着する。この時点で、第二の探知マーカー４２の位置をカメラ列３８とデジタル表示装置５４で測定し、デジタル化する。こうすることによって、股関節中心１４から足首関節中心１６を探知することができるし、さらにまた、位置合わせクランプ３０、および位置合わせクランプ３０の位置を決めるのに用いた大腿骨１０上の遠位の指標から、体重支持軸の位置を探知することができる。このようにして得たこの情報は、デジタル表示装置５４に表示されて、外科医が施術のためにする大腿骨１０と脛骨１２の切断の位置案内に使用することができる。
好都合なことに、支持アーム３４によって大腿骨１０と位置合わせクランプ３０の、股関節中心１４からの位置が、充分に安定して保持されている。このため、股関節中心１４から、足首関節中心１６を非常に簡単に計算することができる。しかもこの場合、同時に位置合わせクランプ３０の測定探知をする必要がない。
さらにまた、カメラ列３８とデジタル表示装置５４によって第二の探知マーカー４２の位置の測定とデジタル化を行っている間中、脛骨１２を繰り返して移動することができるので、足首関節中心１６、股関節中心１４および位置合わせクランプ３０から、瞬間膝中心２８の軌跡も探知することができる。この情報を使って膝関節を、位置合わせクランプ３０からよりよい運動位置に配置することができる。これは、配置ガイド３２によって与えられる骨指標の位置の初期情報とは比較できないほど優れた情報である。。
本発明の装置には、デジタル表示装置５４が捕捉、計算、表示した位置のデジタル情報を受け取って、さらに処理する情報処理装置５６が含まれている。これは、Matsenら（米国特許第４，９７９，９４９号）が開示しているロボットによる直接骨切断装置で至適な骨切断を行う際に使用するのに適する形に、関節中心や体重支持軸の情報を処理するものである。
本明細書で説明した実施態様について、多くの翻案や変更を行うことができる。したがって、本明細書に添付した請求の範囲によってのみ本発明を限定する。例えば、大腿骨や脛骨に接続した基準点の位置の測定に光学装置が使用されているが、これに代わり超音波や磁気のエミッターと受像器によって測定することもできる。さらに、線形可変変位転換器（ＬＶＤＴｓ）などの精密抵抗器を用い、一端を骨に接続し、他端を予め定めている基準系に置いて、骨の位置を直接測定することもできる。
さらに、GyroEngine（Gyration Inc．，Saratoga，CA）などの角度変化を正確に測定するジャイロスコープ装置を骨に使用して、骨の角度位置の変化を表すデジタル信号を提供することもできる。ジャイロスコープでは角度の測定値しか得られないので、関節中心の探知情報も必要になるが、これは角度変化を記録する一方で、骨を予め定められた距離を移動させて情報を得ることとなるが、こうなると尺度の情報となる。好都合なことに、本明細書で説明した支持アームを使用して、骨の移動距離を予め定めてある長さに限定して、手術室で容易に実行できる形で骨の移動を行い尺度の情報を得ることができる。
【図１Ａ】
0003690802.tif 000002
【図１Ｂ】
0003690802.tif 000003
【図２Ａ】
0003690802.tif 000004
【図２Ｂ】
0003690802.tif 000005
【図３Ａ】
0003690802.tif 000006
【図３Ｂ】
0003690802.tif 000007
【図４】
0003690802.tif 000008
【図５Ａ】
0003690802.tif 000009
【図５Ｂ】
0003690802.tif 000010
【図５Ｃ】
0003690802.tif 000011