(57)【要約】【課題】術前計画に用いることを目的とし、一般的な医療画像から精緻な構造特性や力学的特性を備えた精巧な骨モデルを作製することを可能とする、術前計画骨モデルの作製方法を提供する。【解決手段】医療画像に基づき皮質骨領域と海綿骨領域の三次元形状を決定する形状決定ステップと、医療画像に基づき海綿骨領域の力学的特性を決定する特性決定ステップと、形状決定ステップで決定された皮質骨領域と海綿骨領域の三次元形状及び特性ステップで決定された海綿骨領域の力学的特性に基づき力学的特性を再現した骨モデルを造形する造形ステップとを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療画像に基づき皮質骨領域と海綿骨領域の三次元形状を決定する形状決定ステップと、前記医療画像に基づき海綿骨領域の力学的特性を決定する特性決定ステップと、前記形状決定ステップで決定された皮質骨領域と海綿骨領域の三次元形状及び前記特性ステップで決定された海綿骨領域の力学的特性に基づき力学的特性を再現した骨モデルを造形する造形ステップとを備えたことを特徴とする術前計画骨モデルの作製方法。
【請求項２】
前記医療画像は、Ｘ線ＣＴ画像であることを特徴とする請求項１記載の術前計画骨モデルの作製方法。
【請求項３】
前記力学的特性は、縦弾性係数であることを特徴とする請求項１又は２記載の術前計画骨モデルの作製方法。
【請求項４】
前記特性決定ステップにおいて、海綿骨領域について要素分割を実施して節点の座標を決定し、この節点における輝度値を前記医療画像から求め、この節点における輝度値から縦弾性係数を求め、隣接した２つの節点の縦弾性係数の平均値を算出し、この２つの節点の縦弾性係数の平均値に基づき２つの節点間の疑似骨梁の太さを決定することを特徴とする請求項３記載の術前計画骨モデルの作製方法。
【請求項５】
前記造形ステップにおいて、海綿骨領域を疑似骨梁で構成した骨モデルを造形することを特徴とする請求項４記載の術前計画骨モデルの作製方法。
【請求項６】
前記造形ステップにおいて、ラピッドプロトタイピング装置を用いて骨モデルを造形することを特徴とする請求項５記載の術前計画骨モデルの作製方法。
【請求項７】
前記造形ステップにおいて、複数の部分を分割して造形した後に一体に接合することを特徴とする請求項６記載の術前計画骨モデルの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、術前計画に用いることを目的とした骨モデルの作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
骨の手術においては、術前の画像診断に基づいた的確な術前計画が必須であり、術前計画の良し悪しが手術の結果を大きく左右する。
【０００３】
例えば、脊椎の椎羽にスクリューを刺入する脊椎インストゥルメンテーション手術において、頸椎を手術する場合は、スクリュー刺入に伴う椎骨動脈損傷をはじめとする重篤な神経血管合併症のリスクがある。一方、胸椎、腰椎は椎弓根径が大きいため、胸椎、腰椎を手術する場合は、比較的容易にスクリューの刺入が可能であるが、スクリューが長すぎて椎体前面を走行する大血管を損傷するリスクがある。したがって、脊椎インストゥルメンテーション手術においては、スクリュー刺入を正確に行うための的確な術前計画が必要とされる。
【０００４】
このような背景から、手術や治療の対象部位の形状を忠実に再現し、さらには、圧縮や曲げ、捻り等の力学的特性をも忠実に再現した三次元立体モデルを用いて、「手で触り、目で見ながら」適用すべき手術手技を確実に決めることを可能とするモデルサージェリーの普及が期待されている。なお、厚生労働省は、モデルサージェリーを不要な手術を避け、難しい手術でも確実で最高の結果を患者に提供し得る高度先進医療として認めている。
【０００５】
ところで、骨は、外側の皮質骨と呼ばれる硬い部分と、内側の海綿骨と呼ばれる網目状の部分から成り立っている。この網目状の部分は、骨梁という組織が縦横に張り巡らされスポンジ状になっている。医療画像から海綿骨領域の骨梁の網目状の三次元構造を得ることができれば、これをラピッドプロトタイピング（ＲＰ）装置で忠実に再現することで、モデルサージェリーに使用可能な精巧な三次元立体骨モデルを作製することができると考えられる。
【０００６】
しかしながら、特殊なマイクロＣＴ装置等で得られた高解像度の医療画像を除き、一般的に用いられている撮像装置で得られる医療画像は、海綿骨領域の骨梁の三次元構造を鮮明に表示できるほどの解像度を有していない。そして、一般的な医療画像において、海綿骨部分は皮質骨の白色よりは灰色又は黒色に近い色の濃淡で表される。このため、一般的な医療画像から精緻な構造特性や力学的特性を備えた精巧な骨モデルを得るのは困難であった。
【０００７】
なお、特許文献１には、骨部分と軟部組織を生体に近い物理特性で再現した人体模型とその製造方法が開示されている。しかし、特許文献１に開示された発明は、手術操作の訓練に用いるためのものであって、骨の力学的特性を再現することについてはまったく考慮されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３４７６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、術前計画に用いることを目的とし、一般的な医療画像から骨の形状だけでなく力学的特性をも備えた精巧な骨モデルを作製することを可能とする、術前計画骨モデルの作製方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の術前計画骨モデルの作製方法は、医療画像に基づき皮質骨領域と海綿骨領域の三次元形状を決定する形状決定ステップと、前記医療画像に基づき海綿骨領域の力学的特性を決定する特性決定ステップと、前記形状決定ステップで決定された皮質骨領域と海綿骨領域の三次元形状及び前記特性ステップで決定された海綿骨領域の力学的特性に基づき力学的特性を再現した骨モデルを造形する造形ステップとを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、前記医療画像は、Ｘ線ＣＴ画像であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記力学的特性は、縦弾性係数であることを特徴とする。
【００１３】
また、前記特性決定ステップにおいて、海綿骨領域について要素分割を実施して節点の座標を決定し、この節点における輝度値を前記医療画像から求め、この節点における輝度値から縦弾性係数を求め、隣接した２つの節点の縦弾性係数の平均値を算出し、この２つの節点の縦弾性係数の平均値に基づき２つの節点間の疑似骨梁の太さを決定することを特徴とする。
【００１４】
また、前記造形ステップにおいて、海綿骨領域を疑似骨梁で構成した骨モデルを造形することを特徴とする。
【００１５】
また、前記造形ステップにおいて、ラピッドプロトタイピング装置を用いて骨モデルを造形することを特徴とする。
【００１６】
さらに、前記造形ステップにおいて、複数の部分を分割して造形した後に一体に接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の術前計画骨モデルの作製方法によれば、一般的な医療画像から骨の形状だけでなく力学的特性をも備えた精巧な骨モデルを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の術前計画骨モデルの作製方法の一実施例を示すフロー図である。
【図２】骨のＸ線ＣＴ画像（左側）、皮質骨領域の二値化画像（右側上）、及び骨形状の二値化画像（右側下）である。
【図３】三次元モデルの画像である。
【図４】基準ファントムを同時に撮影したＸ線ＣＴ画像である。
【図５】要素分割で決定した節点とＸ線ＣＴ画像の位置関係を示す説明図である。
【図６】要素分割で決定した節点の輝度値より算出した骨密度の分布を示す画像である。
【図７】ＣＡＤモデルの画像（左側）と、ＣＡＤモデルをラピッドプロトタイピング装置により造形した骨モデルを示す写真（右側）である。
【図８】分割して造形した骨モデルを示す写真である。
【図９】擬似骨梁のテストピースを示す写真である。
【図１０】テストピース三点曲げ試験の様子を示す写真である。
【図１１】疑似骨梁の空孔率と縦弾性係数の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の術前計画骨モデルの作製方法の実施例について、添付した図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２０】
本実施例の術前計画骨モデルの作製方法は、医療画像としてＸ線ＣＴ画像を用いて、骨の皮質骨と海綿骨の領域を求めるとともに、海綿骨領域の力学的特性を求め、これらの情報をもとに力学的特性を再現した術前計画骨モデルを作製するものである。以下、図１のフロー図を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
１）三次元モデルの構築（形状決定ステップ）
はじめに、手術の対象となる患者のＸ線ＣＴ画像を準備する（Ｓ１）。ここで、図２の左側に骨のＸ線ＣＴ画像の例を示す。皮質骨は白色の部分であり、海綿骨は皮質骨に囲まれた灰色又は黒色の部分である。
【００２２】
つぎに、このＸ線ＣＴ画像の輝度値ヒストグラムを考慮して、皮質骨閾値を決定する（Ｓ２）。そして、決定した皮質骨閾値に基づき、図２右側上に示すような皮質骨領域の二値化画像を取得する（Ｓ３）。また、図２右側下に示すような骨形状の二値化画像を作成する（Ｓ４）。なお、骨形状の二値化画像は、皮質骨領域と海綿骨領域を併せた輪郭抽出画像となっている。
【００２３】
そして、骨形状の二値化画像を積層して、三次元モデルを構築する（Ｓ５）。ここで、図３に実際に作成した三次元モデルの例を示す。
【００２４】
２）力学的特性を考慮した三次元モデルの構築
ａ）力学的特性の算出方法
皮質骨は、ほぼ一様な骨密度を有するため、皮質骨領域については、一様な力学的特性を有していると見なすことができる。一方、海綿骨領域の骨梁は、網目状の三次元構造を有し、一様な骨密度を有していないため、海綿骨領域については、骨密度を考慮した力学的特性を算出する必要がある。
【００２５】
海綿骨領域の骨密度は、図４に示すような基準ファントムを同時に撮影したＸ線ＣＴ画像の輝度値から求めることができる。そして、求めた骨密度に下記のＫｅｌｌｅｒの式を適用することにより、海綿骨領域の縦弾数係数を求めることができる。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
ここで、Ｅは縦弾数係数、ρは骨密度である。
【００２８】
ｂ）疑似骨梁構造のモデリング（特性決定ステップ）
はじめに、骨形状の二値化画像と皮質骨領域の二値化画像より、海綿骨領域を決定する（Ｓ６）。
【００２９】
つぎに、海綿骨領域について、Ｘ線ＣＴ画像から構築した三次元モデルに対して有限要素法の要素分割を実施し（Ｓ７）、節点の座標を決定する。なお、要素分割は、海綿骨領域の網目状の三次元構造を構成する実際の骨梁を任意の疑似骨梁に置き換え、この疑似骨梁に沿って実施する。
【００３０】
そして、要素分割で決定した節点における輝度値をＸ線ＣＴ画像から求める（Ｓ８）。具体的には、図５に示すように、疑似骨梁の節点に最も近接し、節点を挟む２枚のＸ線ＣＴ画像を用いる。そして、それぞれのＸ線ＣＴ画像において、節点から最短距離の位置にある画素について、輝度値と、節点からの距離を求める。ここで２枚のＸ線ＣＴ画像間に輝度値の相違がない場合は、この輝度値を接点における輝度値とする。一方、２枚のＸ線ＣＴ画像間に輝度値の相違がある場合は、２枚のＸ線ＣＴ画像間で一様に輝度値が変化していると仮定し、それぞれの画素の節点からの距離を勘案して、節点における輝度値を求める。以上の手順により、このほかの節点についてもそれぞれの輝度値を求める。
【００３１】
さらに、各節点の輝度値より、それぞれの節点における縦弾数係数を求める（Ｓ９）。ここで、上述のように、基準ファントムの輝度値を基準にして輝度値から骨密度を求め、この骨密度にＫｅｌｌｅｒの式を適用して縦弾数係数を求めることができる。
【００３２】
つぎに、隣接した２つの節点、すなわち、疑似骨梁の両端に位置する２つの節点の縦弾数係数の平均値を算出する（Ｓ１０）。そして、この縦弾数係数の平均値から疑似骨梁の太さを決定する（Ｓ１１）。ここで、別途求めておいた縦弾数係数と疑似骨梁の太さの関係に基づき、疑似骨梁の太さを決定することができる。なお、縦弾数係数と疑似骨梁の太さの関係については、後述する。
【００３３】
図６に実際に要素分割で決定した節点の輝度値より算出した骨密度の分布を示す。
【００３４】
ｃ）骨モデルの作製（造形ステップ）
以上の手順で構築された、力学的特性を考慮した三次元モデルをもとに、ＣＡＤやラピッドプロトタイピング（ＲＰ）装置を用いた三次元造形により、海綿骨領域を疑似骨梁で構成した骨モデルを作製することができる。ここで、皮質骨と力学的特性が等しい材料を用いて三次元造形を行うことで、皮質骨の力学的特性を再現した骨モデルを作製することができる。
【００３５】
なお、この海綿骨領域を疑似骨梁で構成した骨モデルにおいて、要素分割で決定した節点は疑似骨梁の交点となっており、疑似骨梁の太さは疑似骨梁の両端に位置する節点の縦弾性係数の平均値に対応したものとなっている。
【００３６】
図７左側に実際に作製したＣＡＤモデルを示し、図７右側にこのＣＡＤモデルをラピッドプロトタイピング装置により造形した骨モデルの例を示す。
【００３７】
また、図８に分割して造形した骨モデルの例を示す。なお、この例は、要素が立方体になるように要素分割を行ったものである。造形後、余分なサポート材やパウダーなどの造形材料の除去が必要とされるラピッドプロトタイピング装置を用いる場合であっても、この例のように、複数の部分を分割して造形した後に一体に接合することで、余分な造形材料が内部に残存することなく骨モデルを作製することができる。
【００３８】
ｄ）縦弾数係数と疑似骨梁の太さの関係
海綿骨領域の部分が決められた縦弾性係数となるように、骨モデルを構成する材料に応じて、疑似骨梁の太さを設定する必要がある。また、ラピッドプロトタイピング装置によっては、その材料特性が均一とはならず、想定した力学的特性が得られないケースも存在する。
【００３９】
そこで、予め、テストピースを作製するなどして、疑似骨梁の太さと縦弾性係数の関係を求めておく必要がある。
【００４０】
実際に、図９に示すように、縦横に連続して積層した複数の立方体の辺に擬似骨梁を配置した擬似骨梁のテストピースを作製し、図１０に示すようにテストピースを三点曲げ試験することで、疑似骨梁の太さと見かけの縦弾性係数の関係を検討した。
【００４１】
その結果を図１１に示す。横軸の空孔率は、縦横の擬似骨梁を含む断面における空孔の割合を示し、縦軸は縦弾性係数を示す。また、ｕは要素分割した要素の大きさの代表値、すなわち、立方体の一辺を構成する擬似骨梁の長さ（ｍｍ）である。この結果は、同じ空孔率であっても、要素分割した要素の大きさの代表値ｕに応じて、見かけの縦弾性係数が異なることを示している。また、横軸に擬似骨梁の太さと空孔の幅の比を取ると、要素分割した要素の大きさの代表値ｕの数値によらず、同じ見かけの弾性係数となった。
【００４２】
この結果に基づき、擬似骨梁の太さを決定することで、実際の海綿骨領域の力学的特性に相似した造形が可能となる。
【００４３】
以上のように、本実施例の術前計画骨モデルの作製方法は、医療画像としてのＸ線ＣＴ画像に基づき皮質骨領域と海綿骨領域の三次元形状を決定する形状決定ステップと、前記医療画像に基づき海綿骨領域の力学的特性としての縦弾性係数を決定する特性決定ステップと、前記形状決定ステップで決定された皮質骨領域と海綿骨領域の三次元形状及び前記特性ステップで決定された海綿骨領域の縦弾性係数に基づき縦弾性係数を再現した骨モデルを造形する造形ステップとを備えたものである。
【００４４】
前記特性決定ステップにおいては、海綿骨領域について要素分割を実施して節点の座標を決定し、この節点における輝度値を前記医療画像から求め、この節点における輝度値から縦弾性係数を求め、隣接した２つの節点の縦弾性係数の平均値を算出し、この２つの節点の縦弾性係数の平均値に基づき２つの節点間の疑似骨梁の太さを決定し、前記造形ステップにおいては、海綿骨領域を疑似骨梁で構成した骨モデルを造形する。
【００４５】
したがって、本実施例の術前計画骨モデルの作製方法によれば、一般的な医療画像から骨の形状だけでなく力学的特性をも備えた精巧な骨モデルを作製することができる。
【００４６】
そして、本実施例の術前計画骨モデルの作製方法により作製された骨モデルを用いることにより、医師が実際に手に触れながら力学的なシミュレーションを何度も繰り返しながら術前計画を立てることが可能となる。例えば、大腿骨頭すべり症では、骨切りの方向や固定の方法、医用デバイスのサイズと形状、固定性の検討等を詳細に行う上では、画像よりも骨モデルを用いたモデルサージェリーの方が極めて効果的である。本実施例の術前計画骨モデルの作製方法により作製された術前計画骨モデルをモデルサージェリーに用いることにより、医師の手術手技の構築、医用デバイスの最適化等を通じて、個々の患者の症例に応じたより最適な治療を行うことが可能となると期待される。
【００４７】
さらに、本実施例の術前計画骨モデルの作製方法により作製された骨モデルは、術前計画を立てる際のモデルとして使用可能であるほか、患者からインフォームドコンセントを得る際の説明資料や、医師養成機関における実習等で用いる教材として使用可能である。
【００４８】
このほか、本実施例の術前計画骨モデルの作製方法によれば、ＣＡＤを用いることにより、実寸モデルのほか、相似形のモデルも容易に作製することができる。したがって、例えば、微細な部分については拡大モデルを作成することにより、より詳細な術前計画を行うことが可能となる。また、ラピッドプロトタイピング装置を用いて骨モデルを造形することにより、例えば、同じ箇所の複数の骨モデルが必要な場合であっても、容易かつ迅速に造形することができる。
【００４９】
なお、本発明は本実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。
【図５】
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【図１１】
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【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８】
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【図９】
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【図１０】
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