(57)【要約】  コンピュータ支援外科手術における、骨及び／又は外科的オブジェクトのリアルタイム追跡のための参照デバイス（１）であり、デバイス（１）は：Ａ）上側表面（５）から下側表面（６）に貫通する少なくとも１つの円形シリンダ状穴（３）を有する上側部材（２）と、Ｂ）穴（３）の下側オリフィス（８）を覆うように構成された下側部材（４）とを備え；Ｃ）上側部材（２）は、板状ボディとして構成され、穴（３）は、直径ｄ及び高さｈを有する円形シリンダ状参照要素（１５）を画定し、参照要素（１５）の直径ｄと高さｈとの比が、最小で１／３である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータ支援外科手術における、骨及び／又は外科的オブジェクトのリアルタイム追跡のための参照デバイス（１）であって、デバイス（１）は、
Ａ）上側部材（２）であって、上側表面（５）と、下側表面（６）と、上側部材（２）を上側表面（５）から下側表面（６）に貫通する少なくとも１つの円形シリンダ状穴（３）とを有し、ひいては、穴（３）が、上側表面（５）における上側オリフィス（７）と下側表面（６）における下側オリフィス（８）とを有する、上側部材（２）と、
Ｂ）穴（３）の下側オリフィス（８）を覆うように構成された下側部材（４）と
を備え、
Ｃ）上側部材（２）が、板状ボディとして構成されており、
穴（３）が、直径ｄ及び高さｈを有する円形シリンダ状参照要素（１５）を画定し、
参照要素（１５）の直径ｄと高さｈとの比が、最小で１／３である、
参照デバイス。
【請求項２】
上側部材（２）が、少なくとも各穴（３）の周囲に放射線不透過性材料を含み、及び／又は、下側部材（４）が、放射線透過性材料で作製される、請求項１に記載の参照デバイス。
【請求項３】
参照デバイス（１）が、医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具に、或いは、手術台に、参照デバイス（１）を緩め可能に固着するための取付け手段（１８）を備える、請求項１又は２に記載の参照デバイス。
【請求項４】
参照デバイス（１）が、医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具に統合される、請求項１又は２に記載の参照デバイス。
【請求項５】
取付け手段（１８）が、クランプ又はクリップ（２１）或いはねじ付き接続部として構成される、請求項に記載の参照デバイス。
【請求項６】
参照デバイス（１）が、医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具に対して定められた位置に、参照デバイス（１）を位置付ける、及び固着するためのロック機構（１９）を備える、請求項１、２、３又は５のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項７】
下側部材（４）が、上側部材（２）とは異なった色及び／又は反射率を有する上側表面を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項８】
下側部材（４）が、反射性又は発光性、好ましくは、蛍光性又は燐光性である、請求項１から７のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項９】
下側部材（４）が、上側部材（２）の下側表面（６）に取り付けられる、請求項１から８のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項１０】
下側部材（４）が、上側部材（２）の下側表面（６）に対してオフセットされる、請求項１から８のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項１１】
下側部材（４）が、上側部材（２）の下側表面（６）における下側オリフィス（８）の範囲内それぞれに窪み（２５）を有し、窪み（２５）が、凹形状、好ましくは、放物線形状を有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項１２】
上側部材（２）が、上側部材（２）の下側表面（６）と下側部材（４）との間に配置される中間部材（１１）を備え、中間部材（１１）が、透明な材料から作製される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項１３】
下側部材（４）が、円形シリンダ状であり、穴（３）の下側オリフィス（８）の近傍で穴（３）の内壁に取り付けられる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項１４】
参照要素（１５）の直径ｄ及び穴（３）の直径が、最小３ｍｍである、請求項１から１３のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項１５】
参照デバイス（１）が、複数の穴（３）を備え、各穴（３）が、直径ｄ及び高さｈを有する円形シリンダ状参照要素（１５）を画定する、請求項１から１４のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項１６】
１つ以上の穴（３）が、穴（３）の上側及び／又は下側オリフィス（７、８）にランアウトセクションを有する、請求項１から１５のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項１７】
ランアウトセクションが、面取り（２０）又はフィレットとして構成される、請求項１６に記載の参照デバイス。
【請求項１８】
下側部材（４）が、半透明の材料で作製される、請求項１から１７のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項１９】
少なくとも１つの穴（３）の中心軸（１６）が、他の穴（３）の中心軸（１６）に対して傾いている、請求項１から１８のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項２０】
上側部材（２）が、医療グレード材料、好ましくは、ステンレス鋼、チタン又はプラスチックで作製される、請求項１から１９のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項２１】
上側部材（２）及び下側部材（４）が、少なくとも１つの円形シリンダ状穴（３）がブラインドホールであるという条件付きで、１つのピースから形成される、請求項１から２０のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項２２】
ブラインドホールの底部が、凹形状、好ましくは、放物線形状又は円錐形状を有する、請求項２１に記載の参照デバイス。
【請求項２３】
コンピュータ支援外科手術における、骨及び／又は外科的オブジェクトのリアルタイム追跡のための追跡システムであって、追跡が、
ａ）請求項１から２２のいずれか一項に記載の１つ以上の参照デバイス（１）と、
ｂ）カメラデバイス又はＸ線デバイスと、
ｃ）画像処理アルゴリズムを提供された処理ユニットと
を備える、追跡システム。
【請求項２４】
外科的オブジェクトが、医療インプラント、手術器具又は手術道具、好ましくは、ガイドワイヤ、シャンツピン、ドリルスリーブ、キルシュナワイヤ、手術用動力ドリル、骨ねじ、ガイドブロック又は挿入ハンドルのうちの１つである、請求項２３に記載の追跡システム。
【請求項２５】
カメラデバイスが、写真カメラ、ビデオカメラ及び赤外線カメラのうちの１つである、請求項２３又は２４に記載の追跡システム。
【請求項２６】
コンピュータ支援外科手術における、骨及び／又は外科的オブジェクトのリアルタイム追跡のための方法であって、
Ｉ）  解剖学的構造に関して、請求項１から２２のいずれか一項に記載の参照デバイス（１）を装備する、少なくとも１つの医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具を一時的に位置付けるステップと、
ＩＩ）  少なくとも１つの医療画像において、写真／ビデオカメラデバイスによって少なくとも１つの参照デバイス（１）をキャプチャするステップと、
ＩＩＩ）  医療画像からのデータを使用して、カメラベースの座標系に関して少なくとも１つの参照デバイス（１）の空間配向及び位置を計算するステップであって、
ｉ）  画像処理アルゴリズムの使用によって、少なくとも１つの参照デバイス（１）に配置されたシリンダ状参照要素（１５）のレンズ形投影（４２）を自動的に検出し、重要な目印を決定するステップと、
ｉｉ）  シリンダ状参照要素（１５）の、及び、目印に対応する仮想投影点の、仮想幾何的表現をシミュレートするステップと、
ｉｉｉ）  シリンダ状参照要素（１５）の実際の空間位置及び配向を決定するために数値最適化ルーチンによって仮想幾何的表現の角度配向及び位置を反復式に最適化するステップと、
ｉｖ）  シリンダ状参照手段の系に対する一意の解を見つけることとによって、少なくとも１つの参照デバイス（１）の空間配向及び位置を計算するステップと、
を行うことによって、カメラベースの座標系に関して少なくとも１つの参照デバイス（１）の空間配向及び位置を計算するステップと、
ＩＶ）  導出された配向及び位置をローカル座標系に変換するステップと、
Ｖ）  導出された配向及び位置の情報を表示手段に伝達するステップと
を含む、方法。
【請求項２７】
ステップＩＩ）が、少なくとも１つの参照デバイス（１）及び解剖学的構造の少なくとも１つのＸ線画像を撮ることを追加的に伴う、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
ステップＩＩ）が、写真／ビデオカメラを使用して医療放射線撮像デバイスの画面をキャプチャすることによって医療画像を得ることを伴う、請求項２６又は２７に記載の方法。
【請求項２９】
ステップＩＶ）が、少なくとも１つのＸ線画像に基づいて解剖学ベースの座標系を確立することを追加的に伴う、請求項２７又は２８に記載の方法。
【請求項３０】
ステップＩＶ）が、参照デバイス（１）の配向及び位置を、第２の参照デバイス（１）の配向及び位置によって定められた座標系に変換することを伴う、請求項２６から２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
ステップＩＶ）が、少なくとも１つの参照デバイス（１）の配向及び位置の値を、解剖学ベースの座標系に変換することを伴う、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
ステップＩＶ）が、少なくとも１つの参照デバイス（１）の配向及び位置の値を、請求項２６に記載の方法の初期の反復ステップから導出された座標系に変換することを伴う、請求項２６から２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
ステップＩＩ）からＩＶ）が、冗長な情報を作成するために反復式に繰り返される、請求項２６から３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
ステップＶ）で、表示手段が、スマートフォン、タブレットコンピュータ、スマートグラス、パーソナルコンピュータ及びヘッドマウントディスプレイのうちの１つに統合された画面である、請求項２６から３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
インプラント位置が、インプラントの現在位置における幾何的表現を用いてＸ線画像を拡張することによって可視化される、請求項２６から３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
ステップＩＩＩ）が、医療画像の視野角を変更した後に、繰り返される、請求項２６から３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
解剖学的構造のローカル座標系が、解剖学的目印を手動で選択することによって確立される、請求項２６から３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
外科的骨折整復中又は矯正骨切り術中に、骨片間の角度を測定する追加のステップを含む、請求項２６から３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
カメラデバイスが、手術器具、手術用動力ドリル、Ｘ線デバイス、ＯＲライト、スマートフォン、タブレットコンピュータ、スマートグラス及びヘッドマウントディスプレイのうちの１つに取付けられる、又は統合される、請求項２６から３８のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部による、コンピュータ支援外科手術における、骨及び／又は外科的オブジェクトのリアルタイム追跡のための参照デバイスと、請求項２３の前提部による、コンピュータ支援外科手術における、骨及び／又は外科的オブジェクトのリアルタイム追跡のための追跡システムと、請求項２６の前提部による、コンピュータ支援外科手術における、骨及び／又は外科的オブジェクトのリアルタイム追跡のための方法とに関する。
【０００２】
コンピュータ支援外科手術では、特に、例えば骨片の、追跡、ナビゲーション及びマニピュレーションの用途のための整形外科システムの分野では、手術器具、道具及び／又はインプラントが、一般に使用される。これらのデバイスの多くは、放射線撮像デバイスの使用に基づいている。これらのシステムの欠点は、患者及び手術スタッフが晒される放射線量がかなりであること、しかも、これらのシステムがリアルタイムのフィードバック無しの静的な位置追跡しか可能にしないことである。
【背景技術】
【０００３】
ＣＡＳシステムと関連付けられる光学センサ装置で使用される参照デバイスは、ＪＵＴＲＡＳらの国際公開第２００７／０５１３０４号から知られている。この知られた追跡デバイスは、複数の円形開口を有する支持体を備え、再帰反射面が、円形の光学要素を形成するように開口に位置付けられる。支持体は、金属で鋳造されるか又はプラスチックでモールドされ得るが、再帰反射面は、ＣＡＳシステムに関連付けられる光学センサ装置によって検出可能であるように再帰反射材料を含む。この知られた参照デバイスの欠点は、参照デバイスの支持体の複雑な構造、特に、コネクタの構成及び配置であり、それらによって、支持体は手術器具に固着可能であるため、手術器具に配置される対応する接続手段が必要とされる。その複雑な構造に起因して、参照デバイスは、医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具に容易に統合されない場合がある。更に、この知られた参照デバイスは、手術中のＣアーム画像を使用するように設計されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００７／０５１３０４号
【特許文献２】国際公開第２０１３／０８６６４２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、単純な構造を有し、また、特定のジオメトリを有するコネクタを必要とせずに、医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具に取り付けることのできる参照デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、請求項１の特徴を備える骨及び／又は外科的オブジェクトのリアルタイム追跡のための参照デバイスを用いて、請求項２３の特徴を備える骨及び／又は外科的オブジェクトのリアルタイム追跡のための追跡システムを用いて、及び、請求項２６の特徴を備える、コンピュータ支援外科手術における、骨及び／又は外科的オブジェクトのリアルタイム追跡のための方法を用いて、提起された課題を解決する。
【０００７】
本発明による参照デバイスの利点は、本質的に：
−  参照デバイスは、単純なクランプを使用して医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具（例えば、ガイドワイヤ、ドリルスリーブ、シャンツピン等々）に取り付けられ得、或いは、手術器具又は道具にクリップ留めされ得る。この手段によって、参照デバイスは、ガイドワイヤを介して骨に取り付けられることができて、放射線画像を使用して、取り付けられた参照デバイスと解剖学的構造（例えば、骨、骨片、関節）との間の相対位置、及び／又は、幾つかの参照デバイス間の相対位置を参照することを可能にし、斯くして、写真やビデオの録画による後続の追跡を可能にする、
ことである。
【０００８】
代替的に、参照デバイスは、インプラント、手術器具及び／又は道具に統合され得： 
−  参照要素の構成は、写真、ビデオ記録又は（医療）２次元（２Ｄ）Ｘ線画像を含む２Ｄ画像に基づいて参照デバイスの空間位置をその場で決定するのを可能にする；これは、特に、単一の２Ｄ画像が、本発明による参照デバイスの３次元の空間位置及び配向を決定するのに十分であるということを意味する。より具体的には、最新技術で知られた方法及びデバイスと比較して、立体光学画像獲得（即ち、少なくとも２つの、異なって位置付けられた、カメラのような画像獲得デバイスを使用して）は、３次元のポジショニングを決定するために必要とされない。本発明の別の実施形態では、同一の参照デバイスは、写真及びＸ線画像に基づいた空間位置の決定を可能にする。
【０００９】
本発明の更なる有利な実施形態は、以下のように述べられ得る：
【００１０】
特別な実施形態では、上側部材は、少なくとも各穴の周囲に放射線不透過性材料を含む。
【００１１】
更なる実施形態では、参照デバイスは、参照デバイスを医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具に、或いは、手術台に、緩め可能に（ｌｏｏｓｅｎａｂｌｙ）固着するための取付け手段を備える。この構成の利点は、本質的に参照デバイスが既存の／通常の外科的オブジェクト、器具等々に取り付けられることができるということである。これらのオブジェクトの追跡は、それ故に可能である。標準の器具が、使用される場合がある。参照デバイスは、様々なオブジェクト、器具に取付け可能であり、それ故に、複数の様々な用途に使用され得る。
【００１２】
また別の実施形態では、参照デバイスは、医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具に統合される。この構成は、外科手術手順の妨げにならず、緩みに対して安全な、より小さいサイズの参照デバイスという利点を可能にする。更に、追加の参照デバイスは、必要とされない。
【００１３】
更なる実施形態では、取付け手段は、クランプ又はクリップ或いはねじ付き接続部として構成される。この手段によって、参照デバイスは容易に取付け及び取り外しされ得る、及び、複数の様々なオブジェクトのために使用され得るという利点が達成され得る。
【００１４】
更なる実施形態では、参照デバイスは、参照デバイスを医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具に対して定められた位置に位置付ける、及び固着するためのロック機構を備える。ロック機構に起因して、参照デバイスは、定められた場所に位置付けることが容易であり、また、変位や回転に対して安全である。
【００１５】
更なる実施形態では、下側部材は、上側部材とは異なった色及び／又は反射率を有する上側表面を有する。この構成は、標準的画像処理方法を使用するビデオ又は画像データにおける下側部材の可視的な表面境界の色ベース検出のために、下側部材が、穴の底部を上側部材から識別するように、上側部材から視覚的に区別されるという利点を可能にする。
【００１６】
また更なる実施形態では、下側部材は、反射性又は発光性、好ましくは、蛍光性又は燐光性である。この手段によって、ビデオ又は画像データにおける下側部材の可視性は、穴の検出と画像処理を容易にするように強化される。
【００１７】
別の実施形態では、下側部材は、上側部材の下側表面に取り付けられる。上側部材及び下側部材間の空間の欠如に起因して、参照デバイスは、製造がより容易であり、清掃がより容易である。
【００１８】
更に別の実施形態では、下側部材は、上側部材の下側表面に対してオフセットされる。上側部材の下側表面と下側部材との間の空間は、光が貫通して下側部材を照らすことを可能にする。
【００１９】
更なる実施形態では、下側部材は、上側部材の下側表面における下側オリフィスの範囲内それぞれに窪みを有し、窪みは、凹形状、好ましくは、放物線形状を有する。窪みの湾曲した（例えば、放物線状の）表面に起因して、下側オリフィスの輪郭のより良い表現という利点が、達成され得る。
【００２０】
更なる実施形態では、上側部材は、上側部材の下側表面と下側部材との間に配置される中間部材を備え、中間部材は、透明な材料から作製される。この構成は、上側部材及び下側部材間の透明な材料が光を貫通して下側部材を照らすことを可能にするという利点を可能にする。
【００２１】
更なる実施形態では、下側部材は、円形シリンダ状であり、穴の下側オリフィスの近傍で穴の内壁に取り付けられる。この構成は、参照デバイスのより小さいサイズ、並びに、製造及び清掃がより容易な構成という利点を可能にする。
【００２２】
更なる実施形態では、参照要素の直径ｄ及び穴の直径は、最小３ｍｍである。より小さい直径をもつ穴は、ロバストに検出され得ない。これは、ビデオ、写真、Ｘ線デバイスの画像解像度に応じている。
【００２３】
更なる実施形態では、参照デバイスは、複数の穴を備え、各穴は、直径ｄ及び高さｈを有する円形シリンダ状参照要素を画定する。この構成は、６つの自由度での空間位置の計算のロバスト性が穴の数と共に増加するという利点を可能にする。更に、円形シリンダ状穴は、製造が容易である。
【００２４】
別の実施形態では、１つ以上の穴は、穴の上側及び／又は下側オリフィスにランアウト（ｒｕｎ−ｏｕｔ）セクションを有し、ランアウトセクションは、好ましくは面取り又はフィレット（ｆｉｌｌｅｔ）として構成される。Ｘ線ビームに対する穴軸のより大きな傾斜角度においては、Ｘ線の使用は、穴の輪郭をぼかして、計算された角度の過小評価をもたらす。面取り又はフィレットに起因して、材料が光線の経路に追加されて、ぼかし効果を低減し、より大きな傾斜角度の場合におけるより正確な推定をもたらす、という利点が達成され得る。
【００２５】
別の実施形態では、下側部材は、半透明の材料で作製される。この構成に起因して、光は、穴の下側オリフィスの輪郭の表現を強化するために貫通することができる。
【００２６】
別の実施形態では、少なくとも１つの穴の中心軸は、他の穴の中心軸に対して傾いている。この手段によって、参照デバイスの計算された配向のロバスト性は、解空間における誤ったローカルミニマを回避すること起因して、増加し得る。
【００２７】
また別の実施形態では、上側部材は、医療グレード材料、好ましくは、ステンレス鋼、チタン又はプラスチックで作製される。それと共に、Ｘ線イメージングの使用が、可能となる。
【００２８】
別の実施形態では、上側部材及び下側部材は、少なくとも１つの円形シリンダ状穴がブラインドホールであるという条件付きで、１つのピースから形成され得る。ブラインドホールの底部は、凹形状、好ましくは、放物線形状又は円錐形状を有する場合がある。前記ブラインドホールの底部は、下側表面に対応する表面を形成する。
【００２９】
追跡システムの特別な実施形態では、外科的オブジェクトは、医療インプラント、手術器具又は手術道具、好ましくは、ガイドワイヤ、シャンツピン、ドリルスリーブ、キルシュナワイヤ、手術用動力ドリル、骨ねじ若しくはガイドブロック又は挿入ハンドルのうちの１つである。
【００３０】
追跡システムの更なる実施形態では、カメラデバイスは、写真カメラ、ビデオカメラ及び赤外線カメラのうちの１つである。
【００３１】
本発明の更なる態様によれば、コンピュータ支援外科手術における、骨及び／又は外科的オブジェクトのリアルタイム追跡のための方法が提供され、
方法は：Ｉ）  解剖学的構造に関して、本発明による参照デバイスを装備する、少なくとも１つの医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具を一時的に位置付けるステップと；ＩＩ）  少なくとも１つの医療画像において、写真／ビデオカメラデバイスによって少なくとも１つの参照デバイスをキャプチャするステップと；ＩＩＩ）  医療画像からのデータを使用して、カメラベースの座標系に関して少なくとも１つの参照デバイスの空間配向及び位置を計算するステップと；ＩＶ）  導出された配向及び位置をローカル座標系に変換するステップと；Ｖ）  導出された配向及び位置の情報を表示手段に伝達するステップとを含み、
ステップＩＩＩ）が：
ｉ）  画像処理アルゴリズムの使用によって、少なくとも１つの参照デバイスに配置されたシリンダ状参照要素のレンズ形投影を自動的に検出し、重要な目印（ｌａｎｄｍａｒｋ）を決定するサブステップ；
ｉｉ）  シリンダ状参照要素の、及び、目印に対応する仮想投影点の、仮想幾何的表現をシミュレートするサブステップ；
ｉｉｉ）  シリンダ状参照要素の実際の空間位置及び配向を決定するために数値最適化ルーチンによって仮想幾何的表現の角度配向及び位置を反復式に最適化するサブステップ；
ｉｖ）  シリンダ状参照手段の系に対する一意の解を見つけることによって、少なくとも１つの参照デバイスの空間配向及び位置を計算するサブステップ
を含む。
【００３２】
方法の特別な実施形態では、ステップＩＩ）は、少なくとも１つの参照デバイス及び解剖学的構造の少なくとも１つのＸ線画像を撮ることを追加的に伴う。
【００３３】
方法の別の実施形態では、ステップＩＩ）は、写真／ビデオカメラを使用して医療放射線撮像デバイスの画面をキャプチャすることによって医療画像を得ることを伴う。
【００３４】
方法の別の実施形態では、ステップＩＶ）は、少なくとも１つのＸ線画像に基づいて解剖学ベースの座標系を確立することを追加的に伴う。
【００３５】
方法のまた別の実施形態では、ステップＩＶ）は、参照デバイスの配向及び位置を、第２の参照デバイスの配向及び位置によって定められた座標系に変換することを伴う。
【００３６】
方法の更なる実施形態では、ステップＩＶ）は、少なくとも１つの参照デバイスの配向及び位置の値を、解剖学ベースの座標系に変換することを伴う。
【００３７】
方法の更なる実施形態では、ステップＩＶ）は、少なくとも１つの参照デバイスの配向及び位置の値を、本発明による方法の初期の反復ステップから導出された座標系に変換することを伴う。
【００３８】
方法の更に別の実施形態では、ステップＩＩ）からＩＶ）は、冗長な情報を作成するために反復式に繰り返される。
【００３９】
方法の別の実施形態では、ステップＶ）で、表示手段は、スマートフォン、タブレットコンピュータ、スマートグラス、パーソナルコンピュータ及びヘッドマウントディスプレイのうちの１つに統合された画面である。
【００４０】
方法の別の実施形態では、インプラント位置は、インプラントの現在位置における幾何的表現を用いてＸ線画像を拡張することによって可視化される。
【００４１】
方法の別の実施形態では、ステップＩＩＩ）は、医療画像の視野角を変更した後に、繰り返される。
【００４２】
方法の更なる実施形態では、解剖学的構造のローカル座標系は、解剖学的目印を手動で選択することによって確立される。
【００４３】
更なる実施形態では、方法は、外科的骨折整復中又は矯正骨切り術中に骨片間の角度を測定する追加のステップを含む。
【００４４】
また更なる実施形態の方法では、カメラデバイスは、手術器具、手術用動力ドリル、Ｘ線デバイス、ＯＲライト、スマートフォン、タブレットコンピュータ、スマートグラス及びヘッドマウントディスプレイのうちの１つに取付けられる、又は統合される。
【００４５】
本発明の幾つかの実施形態は、一例として添付の図面を参照して以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明による参照デバイスの実施形態の斜視図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ線に沿った図１の実施形態の断面図である。
【図３】本発明による参照デバイスの別の実施形態の縦断面図である。
【図４】本発明による参照デバイスの更なる実施形態の縦断面図である。
【図５】本発明による参照デバイスの別の実施形態の縦断面図である。
【図６】本発明による参照デバイスの更なる実施形態の縦断面図である。
【図７】本発明による参照デバイスの更なる実施形態の縦断面図である。
【図８】本発明による参照デバイスのまた更なる実施形態の縦断面図である。
【図９】本発明による参照デバイスの尚も更なる実施形態の縦断面図である。
【図１０】本発明による参照デバイスの別の実施形態の斜視図である。
【図１１】本発明による参照デバイスのまた別の実施形態の斜視図である。
【図１２】国際公開第２０１３／０８６６４２号（Ａ１）に開示されたような、本発明による参照デバイスの各実施形態で使用される参照要素の中心投影図の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
本出願で使用されるとき、用語「目印（ｌａｎｄｍａｒｋ）」は、例えば、穴、頂点、縁、又は球の態様、例えば大腿骨頭のような、検出可能な解剖学的目印などの、オブジェクトの特定の場所をマーキングする区別可能な特徴という意味を有する。
【００４８】
更に、本明細書で使用されるとき、単数形「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈が別途明らかに規定しない限り、複数の言及を排除しない。例えば、用語「シリンダ状参照要素」、或いは、「少なくとも１つのシリンダ状参照要素」、又は、「医療画像」は、複数のシリンダ状参照要素や複数の医療画像を排除しない。
【００４９】
図１及び図２は、例示的に、しかし、限定的ではなく、本発明による参照デバイス１の実施形態を例証しており、実施形態は、平面板形状の上側部材２を含み、上側部材２は、上側表面５と、下側表面６と、上側部材２を上側表面５から下側表面６まで貫通する３つの穴３とを有し、ひいては、各穴３は、上側表面５における上側オリフィス７と、下側表面６における下側オリフィス８とを有し、下側部材４は、上側部材２の下側表面６に取り付けられる。下側部材４は、放射線透過性材料で作製され、穴３の下側オリフィス８を覆うように構成される。上側部材２は、直方体、又は、プリズム状若しくはシリンダ状の形状を有する場合がある。代替的に、下側部材４は、図３に例証されたように、ギャップ１３によって上側部材２の下側表面６から分離される場合がある。上側部材２は、放射線不透過性材料、例えば、医療グレードのステンレス鋼で作製される。上側部材２の表面は、任意の色を有する場合があり、また、艶消し又は透明である場合がある。
【００５０】
穴３は、知られた直径、深さ及び配置をもつシリンダ状である。穴３の各々は、上側部材２の上側表面５に垂直に延びる中心軸１６を有する。代替的な実施形態では、少なくとも１つの穴３の中心軸１６は、他の穴３の中心軸１６に対して、例えば、５度、傾いている場合がある。穴３の内側表面は、光の反射を避けるために、艶消しニス塗りされる場合があり、及び／又は、上側部材２の外側表面とは異なった色である場合がある。穴３は、最小３ｍｍの直径を有する。各穴３は、穴３の直径と一致する直径ｄと、上側オリフィス７及び下側オリフィス８間で測定された高さｈとを有する円形シリンダ状参照要素１５を画定し、参照要素１５の直径ｄと高さｈとの比は、最小で１／３である。例示的に、しかし、限定的ではなく、参照デバイス１は、複数の穴３を備える場合があり、各穴３は、図９に例証されるように異なった直径ｄを有する。代替的に、穴３の直径ｄは、等しい場合がある。
【００５１】
板状の上側部材２は、縦軸１７を有し、縦軸１７について見たときに、３つの穴３のうちの外側２つは、それらの中心軸１６が１０ｍｍの最小距離を伴う上側部材２の縦軸１７を切断するように配置され、他方、第３の穴３は、外側の２つの穴３の間で、上側部材２の縦軸１７に対してオフセットｘを伴って配置される。２つの外側穴３は、各穴３の周囲と上側部材２の周囲との間において最小１．５ｍｍの壁厚ｂが残るように配置される。
【００５２】
下側部材４は、任意の放射線透過性材料（例えば、プラスチック）で作製され、また、任意の色を有する場合があり、艶消し、反射性及び／又は部分的に透明である場合があり、ひいては、視覚的に上側部材２から区別可能である。更なる実施形態では、下側部材４は、発光性（蛍光性、燐光性）である場合があり、或いは、鏡、光反射材料によって、又は、人工光によって（例えば、ＬＥＤを使用することによって）、照らされる場合がある。下側部材４の形状は、平坦であるが、代わりに湾曲しているか、又は、両方である場合がある。代替的な実施形態では、参照デバイス１は、各穴３のための下側部材４を備え、各下側部材４は、穴３の下側オリフィス８の近傍で穴３のシリンダ状内壁に取り付けられた円形シリンダ状プラグとして構成される。この場合では、参照要素１５の高さｈは、穴３の上側オリフィス７、及び、プラグ形状の下側部材４の上側表面によって制限される。
【００５３】
図３は、本発明による代替的な実施形態又は参照デバイス１を例証しており、図１及び図２の実施形態と異なるのは、下側部材４が穴３の範囲のギャップ１３によって上側部材２の下側表面６から分離されるという点だけである。参照要素１５は、それぞれの穴３の直径と一致する直径ｄを各々が有し、各参照要素１５の高さは、穴３のそれぞれの上側及び下側オリフィス７、８によって制限される。
【００５４】
本発明による参照デバイス１の更なる実施形態は、図４に例証されており、図１及び図２の実施形態と異なるのは、上側部材２が、穴３を取り囲んで上側部材２の上側表面５から下側表面６まで延びる放射線不透過性スリーブ９を備えるという点だけである。上側部材２の残りの部分は、放射線透過性材料で作製される。下側部材４は、図１及び図２に例証されたように上側部材２の下側表面６に取り付けられる場合があり、或いは、代替的に図３に例証されたようにギャップ１３によって上側部材２の下側表面６から分離される場合がある。
【００５５】
図５は、本発明による参照デバイス１の実施形態を例証しており、図１及び図２の実施形態と異なるのは、上側部材２が、上側及び下側の材料部分によって覆われた中空空間１２を備えるという点だけである。穴３は、上側及び下側の材料部分を貫通し、また、参照要素１５を画定しており、参照要素１５は、それぞれの穴３の直径と一致する直径ｄを有し、参照要素１５は、上側部材２の上側表面５におけるそれぞれの穴３の上側オリフィス７によって、また、上側部材２の下側表面６におけるそれぞれの穴３の下側オリフィス８によって制限される高さｈを有する。代替的に、図６に例証されるように、中間層１１が、上側部材２の上側及び下側の材料部分間に、或いは、代替的に、上側部材２の下側表面６と下側部材４との間に、位置付けされる場合がある。中間層１１は、放射線透過性の透明な材料で作製される。
【００５６】
図７は、本発明による参照デバイス１の更なる実施形態を例証しており、図１及び図２の実施形態と異なるのは、下側部材４が、上側部材２の下側表面６における下側オリフィス８の範囲内それぞれに窪み２５を有し、窪み２５が、下側オリフィスの輪郭のより良い表現を可能にするように、凹形状、好ましくは、放物線形状を有するという点だけである。
【００５７】
本発明による参照デバイス１の更なる例示的な実施形態は、図８に例証されている。図８の実施形態は、図４及び図５の実施形態の組合せであり、図４と異なるのは、図４による放射線不透過性スリーブ９の各々が、２つの別個の放射線不透過性スリーブセクション９’、９”に分割され、第１のスリーブセクション９’が、上側表面５から中空空間１２まで延び、第２のスリーブセクション９”が、下側表面６から中空空間１２まで延びるという点だけである。中空空間１２の外側の１つの穴３を取り囲む第１及び第２のスリーブセクション９’、９”によって、参照要素１５は、画定されて、第１及び第２のスリーブセクション９’、９”の内径と一致する直径ｄと、上側部材２の高さと一致する高さｈとを有する。
【００５８】
図９は、本発明による参照デバイス１の別の実施形態を例証しており、図１及び図２の実施形態と異なるのは、穴３が両方のオリフィス７、８においてランアウトセクションを備え、ランアウトセクションが上側表面５の範囲内及び下側表面６の範囲内それぞれに面取り２０又はフィレットとして構成される場合があるという点だけである。面取り２０に起因して、各穴３は、シリンダ状参照要素１５を画定し、参照要素１５は、穴の直径と一致する直径ｄと、それぞれの面取り２０から穴３への上側及び下側の移行によって制限される高さｈとを有する。図９に例証されたような面取り２０を含む穴３は、例示的に、しかし、限定的ではなく、図１及び図２の実施形態に追加されるが、図１から図８に例証された実施形態のいずれにおいても使用される場合がある。Ｘ線ビーム２７に対する穴３の中心軸１６のより大きな傾斜角度では、Ｘ線の使用は、穴の輪郭をぼかして、計算された角度の過小評価をもたらす。面取り２０又はフィレットは、Ｘ線ビーム２７の経路に沿って材料を提供して、ぼかし効果を低減し、より大きな傾斜角度の場合におけるより正確な推定をもたらす。
【００５９】
本発明による参照デバイス１の更なる実施形態は、図１０に例証されており、図１及び２の実施形態と異なるのは、参照デバイス１が、骨、医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具に、或いは手術台にも固着されたシリンダ状オブジェクト（例えば、ガイドワイヤ）に参照デバイス１を一時的に固定するための取付け手段１８を備えるという点だけである。取付け手段１８は、例示的に、しかし、限定的ではなく、上側部材２の一端から上側部材２の縦軸１８に沿って突出するクランプとして構成される。代替的に、参照デバイス１は、手術器具、道具及び／又はインプラントに直接統合される場合がある。医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具は、例示的に、ガイドワイヤ、シャンツピン、ドリルスリーブ、キルシュナワイヤ、手術用動力ドリル、骨ねじ又はガイドブロックのうちの１つである場合がある。更に、図１０の実施形態は、例示的に、様々な直径ｄ’、ｄ’’、ｄ’’’、ｄ’’’’をもつ４つの穴３’、３’’、３’’’、３’’’’を備える。各穴３’、３’’、３’’’、３’’’’は、それぞれの穴３’、３’’、３’’’、３’’’’の直径と一致する直径ｄと、上側オリフィス７及び下側オリフィス８間で測定された高さｈ（図１）とを有する円形シリンダ状参照要素１５を画定する。
【００６０】
本発明による参照デバイス１に添えられる取付け手段１８の代替的な構成は、図１１に例証されている。図１１の取付け手段１８は、ねじ２２によって参照デバイス１に取り付けられた２つのクリップ２１を備え、ねじ２２は、参照デバイス１の上側部材２の縦軸１７の方向に走る面のうちの１つに配置されたねじ穴（図示せず）に捩じ込まれ、ひいては、クリップ２１は、参照デバイス１を、例えば、シリンダ状オブジェクト（例えば、ガイドワイヤ）に固着するのを可能にし、参照デバイス１の上側部材２の縦軸１７は、シリンダ状オブジェクトの縦軸に本質的に平行に延びる。更に、図１１の参照デバイス１は、参照デバイス１の一端に配置されたロック機構１９を備える。ロック機構１９は、上側部材２の縦軸１７に本質的に平行に延びる２つのピン２３を備え、ひいては、ロック機構１９は、参照デバイス１を医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具に対して定められた位置に位置付ける、及び固着することを可能にする。
【００６１】
本発明による追跡システムの実施形態は、上述の１つ以上の参照デバイス１と、従来の写真／ビデオカメラと、処理ユニット、例えば、コンピュータの中央処理ユニット（ＣＰＵ）又はプロセッサ、タブレット又は他のデジタルデータ処理デバイスと、ディスプレイとを備え、処理ユニットには、例示的に、しかし、限定的ではなく、後述の数値手順を含む画像処理アルゴリズムが提供される。本発明による参照デバイス１は、骨、骨片、手術器具及び道具に取り付けられる場合があり、全部で６つの自由度におけるそれらの空間的場所及び配向の計算のためのマーカとして働く。参照要素１５の指定されたジオメトリ及び寸法（穴３のサイズ）及び／又は穴３の特定の配置（距離、オフセット）に起因して、参照デバイス１の空間位置は、２Ｄ画像における穴３のレンズ形投影を検出することによって、決定され得る。参照デバイス１は、これらの投影が放射線写真において、及び、通常の光学カメラデバイス（例えば、ビデオカメラ、スマートフォン、スマートグラス等々）によってキャプチャされる画像において、検出可能であるように設計される。これは、標準のビデオ／写真カメラ又は赤外線カメラを介した、放射線の無い連続したリアルタイムの運動追跡の機会を提供する。更に、解剖学的構造／目印は、放射線画像において選択され、参照デバイス１に関連して登録される場合がある。参照デバイス１に取り付けられた任意のオブジェクトのマニピュレーション及び動きは、次いで、ビデオストリーム内の参照デバイス１を検出することによって追跡される場合がある。
【００６２】
２Ｄ画像における穴３のレンズ形投影を検出することによって参照デバイス１の空間的場所を決定するための特定の方法及び数値手順は、ＡＯ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＡＧの国際公開第２０１３／０８６６４２号に開示されている。国際公開第２０１３／０８６６４２号の開示の以下の部分は、したがって本明細書に組み込まれる（用語「参照手段１６」及び「医療デバイス１」は、「参照要素１５」及び「参照デバイス１」に変更されている）。
【００６３】
図１２は、図１から図１１による参照デバイス１の円形シリンダ状参照要素１５の位置を決定するために行われるステップを例証する。前記円形シリンダ状参照要素１５は、ボアホールとして構成される場合があり、ひいては、シリンダ状参照要素１５は、参照デバイス１を取り囲む材料よりも低い密度を有する。シリンダ状参照要素１５は、穴の中心軸１６と一致する縦軸、直径ｄ、高さｈ及び中心４７を有する。
【００６４】
特に、前記ステップは：
Ａ）中心光線２６を伴う理想的には点のエネルギー放射源２９と、画像センサを伴う受信デバイスとを含む放射線撮像デバイスによって、シリンダ状参照要素１５のレンズ形投影４２を伴う１つの単一の医療画像５０（図１１の描画面に概略的に例証される）を獲得するステップ。中心光線２６とシリンダ状参照要素１５の縦軸との間の角度範囲は、シリンダ状参照要素１５の投影４２が医療画像５０上で見えなければならないように制限される；
Ｂ）前記コンピュータ（又は他の処理ユニット）で実行される数値手順を使用して、前記単一の医療画像５０からシリンダ状参照要素１５の位置及び配向を決定するステップを含み、ここで前記数値手順は、本質的に以下のステップ：
ａ）前記医療画像５０における前記シリンダ状参照要素１５の前記レンズ形投影４２の自動検出と、前記シリンダ状参照要素１５の前記レンズ形投影４２の、２つの交点３５、３６と第１及び第２の先端３７、３８の投影点の決定のステップ；
ｂ）前記直径ｄ、前記縦軸、前記中心４７及び前記高さｈを有する前記シリンダ状参照要素１５の仮想幾何的表現を生成するステップ；
ｃ）シリンダ状参照要素１５の仮想幾何的表現の配向及び位置に応じて、前記シリンダ状参照要素１５の前記仮想幾何的表現を使用して、前記２つの交点３５、３６と前記第１及び第２の先端３７、３８を表す仮想投影点を決定するステップ；
ｄ）前記シリンダ状参照要素１５の前記仮想幾何的表現の前記仮想投影点を、前記２つの交点３５、３６及び前記第１及び第２の先端３７、３８とマッチングすることによる前記シリンダ状参照要素１５の位置及び角度配向の反復決定のステップを含み、ここで、前記シリンダ状参照要素１５は、３つの自由度：
−  前記エネルギー放射源２９の中心とシリンダ状参照要素１５の前記中心４７との間で測定されたローカル座標系２４のｚ軸上の位置Ｚ。前記シリンダ状参照要素１５の前記仮想幾何的表現は、投影の中心４４と前記エネルギー放射源２９の中心とによって決定される中心線４３に沿って摺動する場合がある。前記投影の中心４４は、ｈ／Ｈ→０についての中心線投影５１の近似である。シリンダ状参照要素１５の座標ｘ及びｙは、各Ｚ位置について一意に導出される場合がある。したがって、１つのシリンダ状参照要素１５は、５つの自由度を決定するが、アルゴリズムは、３つの自由度だけを必要とする；
−  放射線撮像デバイスに対して固定される前記ローカル座標系２４のｙ−ｚ面で測定された、前記縦軸と前記中心線４３の間の角度α；及び、
−  前記ローカル座標系２４のｘ−ｚ面で測定された、前記縦軸と前記中心線４３の間の角度β
を有する。
【００６５】
上述された数値手順は、シリンダ状参照要素１５の位置を計算するための数値アプローチを含み、また、以下の数学的関係に基づく：
【００６６】
円形シリンダ状参照手段の空間位置及び配向を決定するための数値アプローチ：
手順は、放射線撮像デバイスの投影が理想的な中心投影図に基づくという数学的条件に関係する。エネルギー放射源２９として使用される点状のＸ線源は、知られた距離Ｈの原点から投影面４９に光線を送り出す。
【００６７】
手順は、以下の基本的なステップを組み込む：
【００６８】
１．画像処理アルゴリズムの使用による、前記医療画像５０における前記シリンダ状参照要素１５のレンズ形投影４２の自動検出、及び、重要な目印、即ち、前記シリンダ状参照要素１５のレンズ形投影４２の、２つの交点３５、３６と第１及び第２の先端３７、３８の決定のステップ。仮定：ｈ／Ｈ→０の場合、中心線投影５１は、投影の中心４４に接近する。
【００６９】
２．前記シリンダ状参照要素１５の仮想幾何的表現のシミュレーション、及び、上述された目印に対応する仮想投影点のシミュレーションのステップ。
【００７０】
３．シリンダ状参照要素１５の実際の空間位置及び配向を決定するための数値最適化ルーチンによる、前記仮想幾何的表現の角度配向及び位置の反復最適化のステップ。
【００７１】
説明された手順が単一の円形シリンダ状参照要素１５について行われる場合、シリンダ状参照要素１５は回転対称であるので、５つの自由度が得られることができるということを理解されたい。２つ以上のシリンダ状参照要素１５を使用することが、６つの自由度でオブジェクトを拘束することを可能とする。
【００７２】
シリンダ状参照手段又は１セットのシリンダ状参照手段の配向の反復決定
前記シリンダ状参照要素１５の仮想幾何的表現は、知られた属性ｄ（直径）及びｈ（高さ）を伴って生成される。前記シリンダ状参照要素１５の仮想幾何的表現は、１つの並進自由度を有する。前記シリンダ状参照要素１５の仮想幾何的表現は、投影の中心４４と前記エネルギー放射源２９の中心とによって決定される中心線４３に沿って摺動することができる。摺動位置は、Ｚによって制御される（図１１）。更なる２つの回転自由度（α、β）を用いると、前記シリンダ状参照要素１５の前記仮想幾何的表現の位置は、完全に拘束される。
【００７３】
前記２つの交点３５、３６並びに前記第１及び第２の先端３７、３８を表す４つの仮想投影点は、前記シリンダ状参照要素１５の前記仮想幾何的表現の配向から導出される。
【００７４】
数値最適化ルーチンは、前記シリンダ状参照要素１５の前記仮想幾何的表現の最適化された配向を実行する目的で、３つの自由度（ＤＯＦ）（α、β、Ｚ）を使用して、実際の投影点及び対応する仮想投影点の、前記重要な目印間の偏差に関するグローバルな最小値を見つけるために使用される。レンズ形投影４２の非対称性（セグメントｂ及びｃは、中心投影の性質に起因して、非対称に見える）に起因して、単一の画像からシリンダ状参照要素１５の配向に関する一意の解を計算することが可能である。
【００７５】
手順は、互いに対する知られた距離及びアライメントを伴う複数の円形シリンダ状参照要素１５の使用によって拡張され得る。全てのシリンダ状参照要素１５の仮想と実際の投影目印間の全ての偏差全体は、前記３つの自由度に亘って数値的に最小化される。このアプローチは、以下の利点を有する：
【００７６】
ａ）  １セットの円形シリンダ状参照要素１５（少なくとも２つ）を備えるオブジェクトの位置は、６つの自由度で追跡され得、それによって、完全に拘束される。
【００７７】
ｂ）  シリンダ状参照要素１５の中心点４７間の距離を考慮に入れることは、Ｚ寸法を決定する精度を向上させる。
【００７８】
ｃ）  方程式に冗長な目印を追加する場合、手順の精度は増大し、アルゴリズムが誤った解（ローカルミニマ）に収束する危険性は減少する。
【００７９】
１セットのシリンダ状参照手段に関する２つの斜投影から、拘束されない標的構造の空間位置を決定するための数値手順
骨の頂点又は縁、或いは、大腿骨頭／上腕骨頭の中心など、Ｘ線投影内の重要な目印の空間における位置を再構築することを目的とするとき、前に説明された手順は、以下のように使用され得る：
【００８０】
１．標的構造の、及び、１セットのシリンダ状参照要素１５の、２つの斜め医療画像５０を、標的構造及びシリンダ状参照要素１５がイメージング中に静的位置に留まるという前提条件下で、獲得する。
【００８１】
２．標的構造の重要な目印と、１セットのシリンダ状参照要素１５の投影とを、両医療画像５０において検出する。
【００８２】
３．１セットのシリンダ状参照要素１５の空間位置及び配向を、前に説明された手順を使用することによって、放射線撮像デバイスに厳密に結合されたローカル座標系２４（ＣＯＳ）の座標で両医療画像５０において決定する。
【００８３】
４．１セットのシリンダ状参照要素１５に厳密に結合されたグローバルなセットの座標における、両ローカルＣＯＳ間の関係を決定する。
【００８４】
５．放射線撮像デバイスのエネルギー放射源２９の中心へ投影された標的構造の目印によって決定される線を、両医療画像５０についてのグローバル座標系に変換する。
【００８５】
６．両線の交点は、１セットのシリンダ状参照要素１５に対する標的構造の目印の空間位置を画定する。
【００８６】
手順が斜投影の数を増やすことによって拡張できることを理解されたい。より多くの画像は、より複雑な幾何的構造のより正確な２Ｄ−３Ｄ変換を可能にする。しかしながら、これは、同時に、手順の複雑さや、オペレータ、手術室要員及び患者への放射線被曝を増大させる。
【００８７】
上記の方法及び数値手順は、放射線撮像デバイスによって得られた１つ以上の医療画像５０の使用によって説明されてきた。方法及び数値手順は、写真／ビデオカメラによって得られた医療画像５０に同様に適用される場合がある。
【００８８】
本発明の用途
上述の追跡システムは、様々な医療分野、例えば、一般的な外傷、脊椎、顎顔面、骨盤で使用される場合がある。以下において、整形外科及び外傷手術での例示的な用途が、簡潔に説明される：
【００８９】
例１：髄内釘の遠位インターロック
１つの参照デバイス１が照準アーム（人体の外側）に取り付けられ、釘挿入後に遠位領域からの内外（ｍｅｄｉｏ−ｌａｔｅｒａｌ）放射線写真で見えるであろう。これは、参照デバイス１に関連して釘穴の位置の特定を可能にする。骨にインターロック穴をドリル穿孔するために、ドリルは、参照デバイス１に関連して設置されて位置合わせされ、ひいては、所望のドリル軌道は、釘の穴に当る。軌道を決定するためのカメラデバイスは、ドリルに直接マウントされる場合があり、或いは、追加の参照デバイス１は、ドリルに取り付けられる場合があり、カメラデバイスは、両参照デバイス１をキャプチャする。
【００９０】
例２：一般的なドリル穿孔とねじ設置
用途１と同様、アプローチは、様々なドリル穿孔及びねじ設置の手順、例えば、大腿骨頭内のラグスクリューポジショニング、ＳＩねじ設置で使用される場合がある。
【００９１】
例３：ヒップカップポジショニング
解剖学的目印が、放射線写真から選択され、それらの位置は、参照デバイス１に関連して決定される。カップ位置、傾き及び前傾角度は、計算され、カメラデバイスを介して継続的に観察され得る。
【００９２】
例４：画像の融合又は登録
更なる可能性は、拡張現実及び複合現実の用途、例えば針の追跡及び可視化のための画像の融合又は登録である。
【００９３】
例５：矯正骨切り術（光学カメラによる骨片の追跡）
各参照デバイス１が、計画された骨切り術の近位及び遠位部分に取り付けられる。参照デバイス１は、光学カメラデバイスによって継続的にキャプチャされ、達成された矯正量は、両参照デバイス１間の相対偏差によって決定される。カメラデバイスは、ＯＲランプに含められたＣアームにマウントされる場合があり、或いは、スマートフォン、タブレット、スマートグラスのような他のデバイスの一部である場合がある。
【００９４】
例６：骨折整復
この用途は、前の例とよく似てうまく機能する。
【００９５】
本発明による、コンピュータ支援外科手術における、骨及び／又は外科的オブジェクトのリアルタイム追跡のための方法の例示的な実施形態は、以下のステップ：Ｉ）解剖学的構造に関して、上で説明されたような参照デバイス１を装備する少なくとも１つの医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具を一時的に位置付けるステップと；ＩＩ）少なくとも１つの医療画像において、写真／ビデオカメラデバイスによって少なくとも１つの参照デバイス１をキャプチャするステップと；ＩＩＩ）医療画像からのデータを使用して、カメラベースの座標系に関して少なくとも１つの参照デバイス１の空間配向及び位置を計算するステップと；ＩＶ）導出された配向及び位置をローカル座標系に変換するステップと；Ｖ）導出された配向及び位置の情報を表示手段に伝達するステップと
を含む。
【００９６】
ステップＩＩＩ）において、医療画像からのデータを使用して、カメラベースの座標系に関して少なくとも１つの参照デバイス１の空間配向及び位置を計算することは、以下のステップ：
ｉ）画像処理アルゴリズムの使用によって、少なくとも１つの参照デバイス１に配置されたシリンダ状参照要素１５のレンズ形投影４２を自動的に検出し、重要な目印を決定するステップと；
ｉｉ）シリンダ状参照要素１５の、及び、目印に対応する仮想投影点の、仮想幾何的表現をシミュレートするステップと；
ｉｉｉ）シリンダ状参照要素１５の実際の空間位置及び配向を決定するために数値最適化ルーチンによって仮想幾何的表現の角度配向及び位置を反復式に最適化するステップと；
ｉｖ）シリンダ状参照手段の系に対する一意の解を見つけることによって、少なくとも１つの参照デバイス１の空間配向及び位置を計算するステップと
を含む。
【００９７】
例示的に、しかし、限定的ではなく、ステップＩＩ）は、写真／ビデオカメラを使用して医療放射線撮像デバイスの画面をキャプチャすることによって医療画像を得ることによって行われる場合がある。更に、ステップＩＩ）は、少なくとも１つの参照デバイス１及び解剖学的構造の少なくとも１つのＸ線画像を撮るサブステップを追加的に伴う場合がある。
【００９８】
追加的に、ステップＩＶ）は、少なくとも１つのＸ線画像に基づいて解剖学ベースの座標系を確立するサブステップを含む場合がある。少なくとも１つの参照デバイス１の配向及び位置の値は、次いで、追加的又は代替的に、解剖学ベースの座標系に変換される場合がある。好ましくは、解剖学ベースの座標系は、解剖学的目印を手動で選択することによって確立される場合がある。代替的又は追加的に、参照デバイス１の配向及び位置は、第２の参照デバイス１の配向及び位置によって定められた座標に変換される場合がある。代替的又は追加的に、少なくとも１つの参照デバイス１の配向及び位置の値は、本発明による方法の初期の反復から導出された座標系に変換される場合がある。
【００９９】
好ましくは、ステップＩＩ）からＩＶ）は、冗長な情報を作成するために反復式に繰り返される。更に、ステップＩＩＩ）は、医療画像の視野角を変更した後に、繰り返される場合がある。
【０１００】
ステップＶ）で使用される表示手段は、スマートフォン、タブレットコンピュータ、スマートグラス、パーソナルコンピュータ及びヘッドマウントディスプレイのうちの１つに統合された画面である場合がある。更に、インプラント位置は、インプラントの現在位置における幾何的表現を用いてＸ線画像を拡張することによって例示的に可視化される場合がある。
【０１０１】
例示的に、しかし、限定的ではなく、カメラデバイスは、手術器具、手術用動力ドリル、Ｘ線デバイス、ＯＲライト、スマートフォン、タブレットコンピュータ、スマートグラス及びヘッドマウントディスプレイのうちの１つに取付けられる、又は統合される場合がある。
【０１０２】
更に、本発明による方法は、外科的骨折整復中又は矯正骨切り術中に、骨片間の角度を測定する追加のステップを含む場合がある。
【０１０３】
本発明は、それの特定の実施形態に関連して説明されたが、多くの代替例、修正例及び変形例が当業者に明らかになることは明白である。したがって、添付の特許請求の範囲の範囲内に入る全てのそういった代替例、修正例及び変形例を容認することが意図されている。
【０１０４】
本発明のいくつかの特徴が、明確さのために別個の実施形態の文脈で説明されているが、単一の実施形態に組合せで提供され得るということが理解される。逆に、本発明の様々な特徴は、簡潔さのために単一の実施形態の文脈で説明されているが、別個に、又は、任意の適切なサブコンビネーションで、或いは、本発明の任意の他の説明された実施形態で適切なように、提供されることもある。様々な実施形態の文脈で説明されたいくつかの特徴は、実施形態がそれらの要素なしでは機能しない場合を除いて、それらの実施形態の本質的な特徴とみなされない。
【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５】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年10月7日(2020.10.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータ支援外科手術における、骨及び／又は外科的オブジェクトのリアルタイム追跡のための参照デバイス（１）であって、デバイス（１）は、
Ａ）上側部材（２）であって、上側表面（５）と、下側表面（６）と、上側部材（２）を上側表面（５）から下側表面（６）に貫通する少なくとも１つの円形シリンダ状穴（３）とを有し、ひいては、穴（３）が、上側表面（５）における上側オリフィス（７）と下側表面（６）における下側オリフィス（８）とを有する、上側部材（２）と、
Ｂ）穴（３）の下側オリフィス（８）を覆うように構成された下側部材（４）と
を備え、
Ｃ）上側部材（２）が、板状ボディとして構成されており、
穴（３）が、直径ｄ及び高さｈを有する円形シリンダ状参照要素（１５）を画定し、
参照要素（１５）の直径ｄと高さｈとの比が、最小で１／３である、
参照デバイス。
【請求項２】
上側部材（２）が、少なくとも各穴（３）の周囲に放射線不透過性材料を含み、及び／又は、下側部材（４）が、放射線透過性材料で作製される、請求項１に記載の参照デバイス。
【請求項３】
参照デバイス（１）が、医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具に、或いは、手術台に、参照デバイス（１）を緩め可能に固着するための取付け手段（１８）を備える、請求項１又は２に記載の参照デバイス。
【請求項４】
参照デバイス（１）が、医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具に統合される、請求項１又は２に記載の参照デバイス。
【請求項５】
取付け手段（１８）が、クランプ又はクリップ（２１）或いはねじ付き接続部として構成される、請求項に記載の参照デバイス。
【請求項６】
参照デバイス（１）が、医療インプラント、手術器具及び／又は手術道具に対して定められた位置に、参照デバイス（１）を位置付ける、及び固着するためのロック機構（１９）を備える、請求項１、２、３又は５のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項７】
下側部材（４）が、上側部材（２）とは異なった色及び／又は反射率を有する上側表面を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項８】
下側部材（４）が、反射性又は発光性、好ましくは、蛍光性又は燐光性である、請求項１から７のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項９】
下側部材（４）が、上側部材（２）の下側表面（６）に取り付けられる、請求項１から８のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項１０】
下側部材（４）が、上側部材（２）の下側表面（６）に対してオフセットされる、請求項１から８のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項１１】
下側部材（４）が、上側部材（２）の下側表面（６）における下側オリフィス（８）の範囲内それぞれに窪み（２５）を有し、窪み（２５）が、凹形状、好ましくは、放物線形状を有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項１２】
上側部材（２）が、上側部材（２）の下側表面（６）と下側部材（４）との間に配置される中間部材（１１）を備え、中間部材（１１）が、透明な材料から作製される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項１３】
下側部材（４）が、円形シリンダ状であり、穴（３）の下側オリフィス（８）の近傍で穴（３）の内壁に取り付けられる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項１４】
少なくとも１つの穴（３）の中心軸（１６）が、他の穴（３）の中心軸（１６）に対して傾いている、請求項１から１３のいずれか一項に記載の参照デバイス。
【請求項１５】
コンピュータ支援外科手術における、骨及び／又は外科的オブジェクトのリアルタイム追跡のための追跡システムであって、追跡が、
ａ）請求項１から１４のいずれか一項に記載の１つ以上の参照デバイス（１）と、
ｂ）カメラデバイス又はＸ線デバイスと、
ｃ）画像処理アルゴリズムを提供された処理ユニットと
を備える、追跡システム。
【国際調査報告】
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