(57)【要約】【課題】  従来の人工股関節全置換術では、術後の脱臼や関節面の摩擦などの合併症の発症に影響を与える要素は、骨格やインプラントなどの硬組織のみではなく、実際には股関節を把持する筋肉や腱、関節軟骨などの股関節周辺の軟部組織による影響が大きいと考えられる。しかし、従来はこれらの影響を定量的に把握することができず、最適な人工股関節を選択するのに困難があった。【解決手段】  表面に複数の圧力センサを配設した圧力分布計測用の人工骨頭を作り、人工関節全置換術の術中にこれを人工関節に装着して人工骨頭が実際に受ける圧力の分布を計測し、その計測結果に基づき問題の所在を判定して、最適な人工関節の選択を行なえるようにする。図1は、本発明による圧力分布計測用人口骨頭の１例の外観図であり、１１は球状の人工骨頭、１２a〜１２dは圧力センサ、１３はネック部、１４はケーブルを示す。圧力センサは、人工骨頭１１の球状の表面の各部位における圧力を的確に検出できるように、複数個の圧力センサが人工骨頭１１の表面に分散させて設けられる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に複数の圧力センサを配設された球状頭部により構成されていることを特徴とする圧力分布計測用人工骨頭。
【請求項２】
請求項１において、前記球状頭部は、表面に複数の圧力センサを配設するための複数の孔と、内部に圧力センサの導線を通す空間あるいは通路を備えていることを特徴とする圧力分布計測用人工骨頭。
【請求項３】
請求項２において、前記球状頭部は球殻で形成されていることを特徴とする圧力分布計測用人工骨頭。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３において、前記球状頭部は、骨体中に埋め込まれるインプラント部をもつ人工関節のネック部上に取り付けるための係合手段を備えていることを特徴とする圧力分布計測用人工骨頭。
【請求項５】
表面に複数の圧力センサを配設された球状頭部をもつ圧力分布計測用人工骨頭と、該圧力分布計測用人工骨頭の複数の圧力センサからの圧力検出信号を受信する信号入力部と、受信された圧力検出信号に基づいて、人工骨頭の球状頭部の表面における圧力分布を計測する圧力分布計測処理部と、計測された球状頭部表面の圧力分布を表す画像を作成して表示する圧力分布画像出力処理部とを備えていることを特徴とする人工骨頭圧力分布計測装置。
【請求項６】
請求項５において、前記圧力分布画像出力処理部は、前記表面に複数の圧力センサを配設された球状頭部をもつ圧力分布計測用人工骨頭の外観を、指示操作に応じ三次元的に回転させて画像表示するとともに、三次元画像表示された人工骨頭の表面の各圧力センサに対応付けて、前記計測された圧力分布を画像表示する三次元画像圧力分布表示処理手段を備えていることを特徴とする人工骨頭圧力分布計測装置。
【請求項７】
人工関節設置術の施行に際し、はじめに、人工関節のインプラント部のネックに、球状頭部表面の圧力検出機能を有する圧力分布計測用人工骨頭を取り付けて人工骨頭表面の圧力分布を計測し、人工関節設置時の球状頭部表面の圧力分布データを取得することを特徴とする人工関節設置状況術中評価方法。
【請求項８】
請求項７において、前記圧力分布計測用人工骨頭を用いて人工関節設置状態での球状頭部表面の圧力分布データを取得した後、該圧力分布データに基づいて最適の人工関節の特性を判定することを特徴とする人工関節設置状況術中評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、整形外科治療における人工関節設置の際に、最適の人工関節の設計あるいは選択を可能にする圧力分布計測用人工骨頭および計測装置と術中での人工関節設置状況評価方法に関する。
【０００２】
特に本発明は、人工股関節全置換術において、術中に骨頭上の圧力分布を計測することにより股関節周辺の軟部組織により股関節にかかる力を推定し、最適な人工股関節部品の選択および人工股関節の設置状況の評価を行うことのできるシステムを提供するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来、変形性股関節症や大腿骨頭壊死症、関節リウマチなどの疾患による股関節障害の治療においては、患者の生体への負担の少ない有力な外科的手段として、人工股関節置換術が広く行なわれてきた。図７は、従来用いられている人工股関節の１例を示したものである。
【０００４】
図７において、（ａ）は人工股関節の各部品をばらばらにした状態を示し、１は人工股関節、２は人工骨頭、３はネック部、４はインプラント部、５はアセタブラーシェル、６はライナーである。人工骨頭2は球状をなしており、人工股関節1のネック部3に取り付けられる。また人工股関節1の下端のインプラント部4は大腿骨の上部から髄腔内に挿入して固定される。アセタブラーシェル５はその内側に緩衝材としてポリエチレン製のライナー６が嵌め込まれて骨盤側に装着される。アセタブラーシェル５およびライナー６は、球状の人工骨頭2と係合する椀状のソケット（関節窩）を形成する。図７の（ｂ）は、これらの部品が一体に組み立てられて人工股関節が完成された状態を示している。
【０００５】
このような人工股関節は、軟骨や筋肉，腱などに囲まれて安定に保持されるとともに、周囲から多様な圧力を受けることになる。また患者自身の活動性により術後の経過とともに、人工股関節に摩擦による損傷やゆるみ、あるいは脱臼などが生じる可能性がある。一方、人工股関節の方式には種々のものがあり、球関節のサイズやネック部の長さと角度、あるいはインプラント部の長さと太さ、固定方法なども様々である。このため、近年、人工股関節全置換術において、術前の患者のCT画像をもとに構築した三次元的な骨格形状モデルを用いて、各患者に最適なインプラント部の形状や大きさをシュミレーションするシステムが臨床で用いられるようになってきている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の人工股関節全置換術では、術後の脱臼や関節面の摩擦などの合併症の発症に影響を与える要素は、骨格やインプラントなどの硬組織のみではなく、実際には股関節を把持する筋肉や腱、関節軟骨などの股関節周辺の軟部組織による影響が大きいと考えられる。しかし、従来はこれらの影響を定量的に把握することができず、最適な人工股関節を選択するのに困難があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、人工股関節などの人工関節の全置換術の施行に際して、術前の情報に加え、これらの軟部組織による把持力の大きさや大腿骨頭に発生する圧力を術中に的確に把握して、最適な人工股関節の形状等の決定を可能にするものである。そのため、人工骨頭として表面に複数の圧力センサを配設した圧力分布計測用の人工骨頭を作り、人工関節全置換術の術中にこれを人工関節に装着して人工骨頭が実際に受ける圧力の分布を計測し、その計測結果に基づき問題の所在を判定して、最適な人工関節の選択を行なえるようにする。
【０００８】
図1は、本発明による圧力分布計測用人口骨頭の１例の外観図である。図中、１１は球状の人工骨頭、１２a〜１２dは圧力センサ、１３はネック部、１４はケーブルを示す。圧力センサは、人工骨頭１１の球状の表面の各部位における圧力を的確に検出できるように、複数個の圧力センサが人工骨頭１１の表面に分散させて設けられる。圧力センサの数は多い程検出精度が上がるが、装置構成上、実際には８個程度で十分である。図１には、視点側から見える４個の圧力センサ１２a〜１２dのみを示す。ネック部１３は、図７で説明した人工股関節の従来例におけるネック部３に対応するものであり、その先端に人工骨頭１１が固着される。ケーブル１４は、個々の圧力センサの出力導線を束ねたものであり、各圧力センサの検出信号が、このケーブルを介して図示されていない人工骨頭圧力分布計測装置へ送られる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、人工股関節などの人工関節全置換術の施行に際して、予め圧力分布計測用人工骨頭をテスト用の人工関節に装着して人工骨頭表面にかかる圧力の分布データが収集され、得られた人工骨頭表面の圧力分布データに基づき最適の人工関節を選択して人工関節全置換が行われる。その結果、術後の人工関節の使用において、摩擦やゆるみが低減されるので、脱臼や関節の損傷の発生が防止される。
【発明が実施するための最良の形態】
【００１０】
人工股関節の骨頭上の圧力分布を計測するため、８個の圧力センサを設置した圧力分布計測用の人工骨頭を作製したので、その実施例を以下に説明する。図２は、本発明の１実施例による人工股関節の主要な部品構成を示す説明図である。図２の（ａ），（ｂ），（ｃ）は、人工股関節の主要な部品を示す。図中の１１は製作した人工骨頭、１２ａ〜１２ｄは圧力センサ、１３はネック部、１５はインプラント部であり、１５を除き、図１中の同じ参照番号のものに対応している。人工骨頭１１の細部構造は図３および図４に示される。
【００１１】
図３は本発明の１実施例による人工骨頭の圧力センサ挿入孔の配置を示す細部構造図である。図示のように、人工骨頭１１は球殻状をなしており、その表面を均等に覆うように８個の圧力センサ挿入孔１６ａ〜１６ｈが設けられている。また人工骨頭１１の底部には、人工骨頭１１をネック部１３（図２）に装着するためのネック部挿入孔１７が設けられている。圧力センサ挿入孔１６ａ〜１６ｈのそれぞれには、図１に示されるように圧力センサ１２ａ〜１２ｄなどが挿入されて接着固定される。圧力センサには、株式会社共和電業製の小型圧力センサ（PS-10KB）を使用した。各圧力センサの圧力感知部分には、摩擦が少ない球面状の形状となるようにABS樹脂で作製したカバーを貼付した。また配線は術中の圧力計測の際に妨げとならないように一箇所に集中させ、防水加工を施した。センサ各部の接着には各部の接着には体内でも無害な外科用瞬間接着剤を使用し、防水加工にはシリコンを使用した。
【００１２】
図４は、各圧力センサからの出力導線を人工骨頭１１の底部に集めるための導線ガイドの配置を示す細部構造図である。各圧力センサ挿入孔１６ａ〜１６ｈの側壁から、それぞれ人工骨頭１１の底部に向かって空洞状の導線ガイド１８ａ〜１８ｈが設けられる。圧力センサからの出力導線は、導線ガイド１８ａ〜１８ｈの中に配線され、底部で一箇所にまとめられて、図１のケーブル１４により取り出される。また人工骨頭１１の中心部には、ネック部１３を保持するためのネック部ホルダ１９が取り付けられる。このような人工骨頭全体の構造は、3DCADを用いて設計し、ABS樹脂を用いた積層造形技術により造形した。しかし、樹脂製の球体を穴あけ加工する方法で作製することも可能である。
【００１３】
また術中に圧力センサをコントロールするためのソフトウエアに関しても開発を行った。本ソフトウエアではサンプリング周波数1000Hzで各圧力センサから圧力を計測し、コンピュータグラフィックスを用いて圧力の方向と大きさをリアルタイムにかつ三次元的に表示した。また圧力分布の様子を骨頭球面上の色の違いで表示し、同時に各圧力センサで計測された値をグラフで確認することも可能とした。図５および図６によりその実施例を説明する。
【００１４】
図５は、人工骨頭の圧力分布計測画面を示す。図中の画面領域２１はコントロール領域であり、設定された動作環境データと操作ボタンが表示されている。たとえば、計測周期やグラフの目盛り単位、各圧力センサの規格や各圧力センサに割り付けられているチャネル（Ch．）番号と色分け表示のカラー名、配設位置の方位角などが表示されており、また測定開始ボタンや三次元画像の操作ボタンなどが設けられている。画面領域２２は圧力分布計測用人工骨頭の三次元画像表示領域であり、人工骨頭表面の各圧力センサ位置には、計測された圧力値が、圧力センサ（チャネル）ごとに色分けされて棒クラフで表示されている。人工骨頭の三次元画像の視点は、画面領域２１の〔プレーヤー〕ボタンを操作することにより自由に移動させることができる。画面領域２３は、縦軸に圧力、横軸が時間をとった圧力分布の時間経過を示すグラフであり、画面領域２２に表示されている各圧力センサ（チャネル）の圧力値の時間変化が色分け表示される。これにより、ユーザーは人工骨頭上の圧力分布を自由な視点から、インタラクティブに操作しながら観察することができる。
【００１５】
図６は、図５の圧力分布計測画面を表示できる人工骨頭圧力分布計測装置の１実施例の構成図である。図中、３１は人工骨頭、３２は信号入力部、３３はマルチプレクサ、３４はA／D変換器、３５は人工骨頭圧力分布計測装置、３６はキーボード、３７はマウス、３８はディスプレイ装置、３９はプリンタ、４０は圧力分布計測処理部、４１は圧力分布画像出力処理部、４２は動作環境データ、４３は圧力分布データ、４４は時系列圧力データ表示処理手段、４５は三次元画像圧力分布表示処理手段である。
【００１６】
人工骨頭３１の８個の圧力センサからアナログ信号形式で並列に出力される８チャネルCh.1〜Ch.8の圧力検出信号は、信号入力部３２のマルチプレクサ３３で周期的にサンプリングおよび直列化され、A／D変換器３４でデジタル圧力信号に変換されて、人工骨頭圧力分布計測装置３５に入力される。人工骨頭圧力分布計測装置３５は、一般的なパソコンをベースにソフトウエアで構築された装置であり、入出力手段として、キーボード３６、マウス３７、ディスプレイ装置３８、プリンタ３９を備えている。動作環境データ４２は、初期設定されたデータであり、圧力センサの位置および方位、チャネル番号、カラー名などの図５の画面領域２１に表示されるデータを含む。圧力分布計測処理部４０は、動作環境データ４２に基づき、入力された各チャネルのデジタル圧力信号をセンサの特性に応じて補正して圧力値に変換する計測処理を行なうとともに、時系列の圧力データとして圧力分布データ４３を作成する。圧力分布データ４３の作成、クリアなどの操作は、図５の画面領域２１から行なうことができる。
【００１７】
圧力分布画像出力処理部４１では、時系列圧力データ表示処理手段４４が圧力分布データ４３に基づいて図５の画面領域２３のグラフを作成して表示し、三次元画像圧力分布表示処理手段４５が図５の画面領域２２の三次元画像を作成して表示する処理を行なう。
【００１８】
本システムは術場で実際に使用され、脱臼の危険性のある肢位を含めた17の肢位で骨頭での圧力分布計測が行なわれた。計測の手順としては、まず大腿骨側コンポーネントのインプラント部を設置した後、テスト用ネックとともに人工骨頭を装着して圧力センサを用いた計測を行い、計測後に適用するネックおよびヘッドを選択して置き換えた。術場での計測の結果、本システムは術中でも使用することが可能であり、各肢位における計測データを術中に保存し、術後に詳細な解析を行うといったことが可能であることを確認した。
【００１９】
このように本システムを用いることで、人工股関節全置換術の術中にリアルタイムに骨頭にかかる力を計測することが可能となるため、術前に選定したいくつかの人工股関節部品の中から手術時の各患者にとって最適な部品の決定を行なうことができた。また術後に股関節周辺の軟部組織が股関節を把持する力を定量的に解析するといった応用が可能である。さらに、今後手術ナビゲーションシステムと統合し、圧力計測データと同時にリアルタイムに股関節角度を計測できるようにすることにより、股関節周辺の複数の筋肉が股関節を把持するために発生する力やそれらのバランスが崩れることによって生じてしまう脱臼のメカニズムの解明が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による圧力分布計測用人口骨頭の外観図である。
【図２】本発明の１実施例による人工股関節の主要な部品を示す構成図である。
【図３】本発明の１実施例による人工骨頭の圧力センサ挿入孔の配置を示す細部構造図である。
【図４】本発明の１実施例による人工骨頭の導線ガイドの配置を示す細部構造図である。
【図５】本発明の１実施例による人工骨頭の圧力分布計測画面の説明図である。
【図６】人工骨頭圧力分布計測装置の１実施例の構成図である。
【図７】人工股関節の従来例の構成図である。
【符号の説明】
【００２１】
１１：人工骨頭
１２a〜１２d：圧力センサ
１３：ネック部
１４：ケーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図５】
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