(57)【要約】脊椎手術の間に椎体の椎弓根に適したスクリューの設置を容易にするための、椎弓根周辺および椎弓根峡部の決定方法であって、椎体の三次元画像の横断面における、椎体内およびその近傍の椎弓根の外皮表面に接する一連の各第一線を得るステップと、一連の各第一線に対して直交する、椎弓根内およびその近傍の椎体を通して延びる一連の各第二線を得るステップと、互いに隣り合う各第二線が互いに最大の角度となる外皮表面の領域としての椎弓根周辺を同定するステップと、および互いに対向する各第二線がお互いに平行となる外皮表面の領域としての椎弓根峡部を同定するステップと、を含む決定方法。椎弓根峡部の中心は、上記椎弓根峡部の横断面から、上記外皮表面からの各微小ポイントからの互いに直交する各第二直交線の各中心から導かれる２本の各ラインの交差する点として同定される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脊椎手術の間に、椎体の椎弓根に対しスクリューまたは内固定器具の最適な設置を可能にするための椎体の椎弓根周辺および椎弓根峡部の決定方法であって、
上記椎体の三次元画像を作成するステップと、
上記三次元画像の横断面での部分を取得することによる上記椎体の外皮表面構造の画像を作成するステップと、
上記横断面において、上記椎体の内部の椎弓根、および上記椎体に近い椎弓根の外皮表面上にて接して接線方向に延びる一連の各第一線を得るステップと、
上記一連の各第一線に対して実質的に直交し、上記椎弓根における内部および近くの上記椎体を通って延びる一連の各第二線を得るステップと、
互いに隣り合う上記各第二線が最大の角度となる上記外皮表面の領域として上記椎弓根周辺を同定するステップと、および
互いに向かい合う上記各第二線が、互いに最も平行に近くなる上記外皮表面の領域として上記椎弓根峡部を同定するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記各第一線、および前記各第二線の設定のために、上記外皮表面上において各極小ポイントを設定する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記椎弓根周辺および前記椎弓根峡部の構造的三次元位置を、上記椎弓根周辺および上記椎弓根峡部を定義する多数の各横断面に照合することにより決定する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
上記椎弓根峡部の断面から得られ、前記外皮表面の各微小ポイントから延びる互いに直交する各第二直交線の各中心から派生する２本の各ラインの交差する点として、上記椎弓根峡部の中心を同定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
コンピューターで作成された画像から実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
上記椎体の各二次元断面から手作業で実行される、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本出願は、米国仮特許出願第６０／７６１，３６５号明細書（２００６年１月２４日出願）の優先権を主張するものである。
【０００２】
〔発明の属する技術分野〕
本発明は、一般的に脊髄手術の分野に関するものであり、脊髄手術において椎弓根用のスクリュー類または椎弓根用の内固定用の器具類の正確な配置のためのコンピューター化される方法、または自動化される方法に関する。より詳しくは、椎弓根周辺、椎弓根峡部、および椎弓根峡部の中心の決定方法に関する。
【０００３】
〔発明の背景〕
ヒト脊椎にスクリュー類を設置することは、多数の脊髄手術の実施を可能にするための通常の外科的措置である。通常、スクリュー類は、患者の腰椎および仙椎の椎弓根に挿入される。他の固定形態よりも生体力学的に有利であるので、外科医は、上記脊椎部分を拡げるために、上記脊椎部分に椎弓根用のスクリューを設置する。
【０００４】
しかし、多くの生命維持に必要な構造および臓器が存在する脊椎付近、特に頸部および胸椎部分は、最終的には顕著な罹患率および／または死亡率を導く外科的に生じた傷に対してほとんど耐性がない。このため、椎弓根用のスクリューの設置に焦点を当てた大部分の研究は、骨（骨内）環境内でスクリュー類を保持する正確性を改善することに集中している。
【０００５】
画像ガイドシステムについては、外科医がスクリューを正確に設置することを支援するために使用者の利便性をさらに向上させる改良がなされている。ヒト脊椎に椎弓根用のスクリューを設置する重要な数値は、上記スクリューの直径、長さ、挿入経路、および実際の設置場所である。今日まで、多くの画像ガイドシステムが、前記の数値の手動測定を可能とし、スクリューの設置における外科医の手動操作を向上させた。
【０００６】
しかし、今に至るまで、椎弓根用のスクリューの正確な設置のために椎弓根用のスクリューの、理想的な直径、長さ、および挿入経路を自動的に測定するシステムは存在していない。本発明は、飛行機を操縦するパイロットが用いるコンピューターで制御される飛行機能に類似の前記自動化された機能を提供し、切開技術または経皮的な技術のどちらかにも椎弓根用のスクリューの設置を可能にする。
【０００７】
米国特許出願公開第２００４／０２４０７１５号明細書（２００４年１２月２日公開）に記載の発明は、脊髄手術において椎弓根用のスクリューの設置場所を決定するための方法およびコンピューターシステムに関連する。開示された方法では、最適なスクリューの挿入経路を決定するために、最初に椎弓根の最小直径を確立し、次に椎弓根毎の上記最適な挿入経路を用いてスクリューの最大直径および最大長を確立する。上記方法では、二次元の横断面スライスのデータは、線形最小二乗解を用いて適切な三次元データに積み重ねられ、椎弓根の全体の中で横断面での幅を最小とする解が求められる。
【０００８】
前記の方法の欠点は、異常な挿入経路の決定、特に、歪められた椎弓根構造が、理想より小さな最大径および長さのスクリューが決められた結果、上記スクリューが、椎弓根にとって生体力学的に劣った構造となることである。
【０００９】
それに対して、本発明の新しい改良法は、以降にさらに詳細に記載されるように、最も小さな断面積（峡部）の中心点を使用し、かつ互いに対向する各方向にて外接された領域に対して法線をコンピューターにより延ばし、適した挿入経路を決定することにより、椎弓根への挿入経路が椎弓根の同心状にて通るように常に配置される。本発明の新しい改良法は、骨内設置のためのスクリューの最大直径および長さの各決定を可能にする。
【００１０】
米国特許出願公開第２００５／０１９２５７５号明細書（２００５年９月１日）には、、理想の椎弓根用のスクリューの直径、長さ、および挿入経路の決定のための方法論に関しており、椎弓根が椎体に結合されている境界面について記載されている。この境界面は、椎弓根周辺（Ｂ）を表す。椎弓根周辺（Ｂ）は、椎体の頭部外側面において観察される皮質密度のような円形としてＸ線検査で体軸方向のＸ線画像にて同定される。
【００１１】
前記の椎弓根周辺の最も重要な特徴は、椎弓根峡部（椎弓根内の最も狭い領域Ｘ）と異なることであるが、時折同じ場合もある。椎弓根峡部は、皮質壁の破損を引き起こすことなく椎弓根用のスクリューの直径を最大化するための律速段階である。任意の椎弓根内部で椎弓根用のスクリューの直径を最大にするためには、椎弓根峡部を決定しなければならない。続いて、椎弓根峡部の中心の決定は、理想的な挿入経路に沿った同心での椎弓根用のスクリューの設置を可能にする上記理想的な挿入経路の決定を可能とする。
【００１２】
本願は、椎弓根周辺、椎弓根峡部、および椎弓根峡部の中心を決定する新しい改良法を対象としている。
【００１３】
〔発明の要旨〕
本発明の方法によれば、好適な方法を用い、椎体について、その任意の面の連続的な積み重ねられた各画像が得られる。次に、これらの各画像を再構築し、椎体の正確な三次元画像を得る。椎弓根周辺および椎弓根峡部は、三次元画像および二次元画像として表される。
【００１４】
一度、椎体の正確な三次元画像が得られれば、次に、可視化するために横断面にて区分化され、外皮表面構造を得る。次に、一連の各第一線が外皮表面構造に沿って接線方向に引かれる。次に、一連の各第二線が、外皮表面上に配置された各接線である上記各第一線に対しそれぞれ直交し、上記椎体内に配置されるように描かれる。
【００１５】
椎弓根の領域および椎弓根から椎体への移行する境界の領域において、各第二線は椎弓根周辺の構造および椎弓根峡部を定義する。具体的に、椎弓根周辺は、互いに隣り合った各第二線が互いに直線的でなく、調和しない最大の角度となっている領域として定義される。椎弓根峡部は、互いに向かい合う各第二線が互いに最も平行となる領域として定義される。外皮表面上の各極小ポイントは、外皮表面上の接線である各第一線および前記の各第一線のそれぞれに対応する各第二直交線の設置のために利用される。
【００１６】
一度、椎弓根峡部が定義されれば、次に、同心での挿入経路の決定および椎弓根の円柱状構造の構築を可能とするため、椎弓根峡部の中心を定義する必要がある。多くの椎弓根は楕円または不規則な形状を有するが、大部分の椎弓根は、概念的には、円柱状と見なされる。このように、前記の椎弓根の中心の正確な決定は重要である。
【００１７】
本発明の方法は、椎弓根峡部により定義された横断面領域を利用し、次に、前記の横断面領域の中心を、皮膚表面から各極小ポイントから延びる、互いに直交する各第二直交線の各中心から派生した２本の各ラインの交差する点として同定する。本発明の方法は、椎弓根構造に関わりなく椎弓根峡部中心を決定することを可能とする。
【００１８】
〔本発明の好ましい各実施形態の説明〕
〔実施形態１．椎弓根周辺および椎弓根峡部の決定〕
本発明の方法に基づき、椎体１０について、任意の好適な方法により任意の平面の一連の積み重ねられる各画像を得た。次に、これらの各画像を椎体１０の正確な三次元画像を得るために再構築した。椎弓根周辺部Ｂおよび椎弓根峡部Ｘを、図１Ａおよび図１Ｂにおいて模式的に示したように三次元画像および二次元画像として表した。
【００１９】
一度、椎体１０の正確な３次元化画像を得れば、可視化するために横断面に断片化して、外皮構造が得られる。次に、一連の各第一線Ｔが、外皮質表面１２に沿って接線方向に上記外皮質表面１２の接点からそれぞれ描かれる。次に、一連の各第二線Ｐが、椎体１０内部に位置し、外皮表面１２に沿って描かれた各第一線Ｔに対し直交し、かつ、上記第一線Ｔと上記外皮質表面１２の接点から延びるようにそれぞれ描かれる。上記各第一線Ｔと上記各第二線Ｐとの線描としては、図２に示したように、第一接線Ｔおよび第一接線Ｔに血合して直交する第二線Ｐの各２本のみについて具体例として示されている。
【００２０】
椎弓根１４およびその椎体１０への境界領域において、一連の各第二線Ｐにより椎弓根周辺Ｂ、および椎弓根峡部Ｘを定義した。具体的には、椎弓根周辺Ｂは、対応する第一線Ｔに対して直交する各第二線Ｐにおいて、互いに隣り合う各第二線Ｐが互いに最大の角度Ａ（お互いに非直線的または一致しない）となる領域と定義される。
【００２１】
一方、椎弓根峡部Ｘは、互いに向かい合う各第二線Ｐが、互いに最も平行となる領域と定義した。外皮表面上の各極小ポイントを、接線である各第一線Ｔおよびそれぞれに対応して、直交する各第二線Ｐの設置のために利用した。上記椎弓根周辺Ｂおよび椎弓根峡部Ｘを定義する上記方法を説明する模式図を図３に示す。
【００２２】
次に、椎弓根周辺Ｂおよび椎弓根峡部Ｘを定義する多数の各横断面(ＴＳ１、ＴＳ２、ＴＳ３…)上の点を、図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃに示したように、椎弓根周辺Ｂおよび椎弓根峡部Ｘの構造上の三次元位置を決定するために照合した。図４Ｂおよび図４Ｃは、椎弓根１４の中心を通る横断面ＴＳ２を示す。また、図４Ｂおよび図４Ｃは、それぞれ横断面および冠状部面の横断面ＴＳ２に関連する点を示す。
【００２３】
〔実施形態２．椎弓根峡部の中心の決定〕
一度、椎弓根峡部Ｘが定義されれば、椎弓根峡部の中心Ｃは必ず定義される。上記中心Ｃの決定は、同心での挿入経路の決定および椎弓根の円柱構造の構築を可能にするために必要である。多くの椎弓根は、楕円または不規則な形状を有するが、大部分の椎弓根については円柱状として概念化される。前記のように、これらの各椎弓根の中心の決定は最も重要である。
【００２４】
本発明の新しい改良された方法は、椎弓根峡部Ｘによって定義された断面領域を利用し、続いて、図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃに示したように、前記各微小ポイントからの互いに直交する各第二直交線Ｐの各中心から派生する、つまり、互いに平行な各第二直交線Ｐの各中心を通る第１のラインと、上記互いに平行な各第二直交線Ｐに対してそれぞれ直交して、かつ互いに平行な別の各第二直交線Ｐの各中心を通る第２のラインとの２本の第１および第２の各ラインの交差する位置の点が、横断面領域の中心Ｃとして同定される。本発明の方法は、図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃに示されるように、種々の互いに異なる椎弓根構造に関わり無く、椎弓根峡部の中心を決定することができる。
【００２５】
本発明の各方法は、容易に理解されるように、椎弓根用のスクリューを理想的な挿入経路に沿って椎弓根峡部の中心と同心にて設置するために、椎弓根周辺、椎弓根峡部、および椎弓根峡部の中心の簡便で信頼性の高い決定方法を提供する。本発明の各方法は、コンピューターなどの使用または二次元の各断面から手動で画像化するような任意の好適な手法に効果的である。
【００２６】
一方、本発明は、現状考えられる最も実用的で好ましい実施形態にて記述される。本発明は、開示された各実施形態に限定されるものではないことが理解されるべきである。また、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神およびその範囲内において多様な修飾および同等の改変の範囲をカバーすることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】矢状面での椎体のイメージの模式図である。
【図１Ｂ】横断方向での椎体のイメージの模式図である。
【図２】図１Ｂに示した椎体の模式図である。
【図３】図２に示した椎体の部分である椎弓根を示し、図２に示された、表面の各極小接線およびそれぞれの互いに直交する各線を示す模式図である。
【図４Ａ】本発明の方法に従って決定された椎弓根周辺、および椎弓根峡部の位置を示す椎体の矢状面での模式図である。
【図４Ｂ】本発明の方法に従って決定された椎弓根周辺、および椎弓根峡部の位置を示す椎体の横断面での模式図である。
【図４Ｃ】本発明の方法に従って決定された椎弓根周辺、および椎弓根峡部の位置を示す椎体の冠状部側からの模式図である。
【図５Ａ】本発明の方法に従って決定された椎弓根峡部の中心を示した椎弓根峡部の断面の模式図である。
【図５Ｂ】本発明の方法に従って決定された不規則な形状を有する椎弓根峡部の中心を示した上記椎弓根峡部の断面の模式図である。
【図５Ｃ】本発明の方法に従って決定された、上記図５Ｂと異なる不規則な形状を有する椎弓根峡部の中心を示した上記椎弓根峡部の断面の模式図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【国際調査報告】
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