(57)【要約】【課題】人工膝関節置換術における理想的な脛骨の骨切り面を手術者が容易に知ることができるように支援する方法を提供する。【解決手段】レントゲン装置１１で取得されたレントゲンフィルムとＣＴ装置１２で取得されたＣＴフィルムとの画像データをスキャナ１３で読み取ってパーソナルコンピュータ１４に取り込む。取り込んだ画像データをパーソナルコンピュータ１４で表示し、手術者とパーソナルコンピュータ１４との間のインタラクティブＧＵＩにより、理想的な脛骨の骨切り面（インプラント装着面）を決定すべく、インプラントを装着する３次元シミュレーションを行う。術中には、計測用部材を取り付けた状態でのレントゲン画像データをパーソナルコンピュータ１４に取り込み、その計測用部材の取り付け位置と理想的な骨切り面との隙間を埋めるための複数の金属板の組合せをパーソナルコンピュータ１４で計算する。【選択図】　　　　図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工膝関節置換術において脛骨の骨切り面にインプラントを装着することを支援する方法であって、骨切り対象の脛骨のレントゲン画像データ及びＣＴまたはＭＲＩ画像データを取得し、取得したレントゲン画像データ及びＣＴまたはＭＲＩ画像データと装着すべき前記インプラントの形状データとに基づいて、前記インプラントを装着する３次元シミュレーションを行うことを特徴とする人工膝関節置換術支援方法。
【請求項２】
脛骨に骨切りを行ってその骨切り面にインプラントを装着する人工膝関節置換術を支援する方法であって、骨切り対象の脛骨のＣＴまたはＭＲＩ画像データと、取り付け部材を用いて位置計測用の治具を取り付けた骨切り対象の脛骨のレントゲン画像データと、前記インプラントの装着位置の３次元データとに基づいて、前記取り付け部材と骨切り面との隙間を計算することを特徴とする人工膝関節置換術支援方法。
【請求項３】
前記隙間の計算結果に応じて、前記隙間を埋めるために使用する部材の種類と数とを決定することを特徴とする請求項２記載の人工膝関節置換術支援方法。
【請求項４】
人工膝関節置換術において脛骨の骨切り面にインプラントを装着することを支援する装置であって、骨切り対象の脛骨のレントゲン画像データ及びＣＴまたはＭＲＩ画像データを取得する手段と、取得したレントゲン画像データ及びＣＴまたはＭＲＩ画像データと装着すべき前記インプラントの形状データとに基づいて、前記インプラントを装着する３次元シミュレーションを行う手段とを備えることを特徴とする人工膝関節置換術支援装置。
【請求項５】
脛骨に骨切りを行ってその骨切り面にインプラントを装着する人工膝関節置換術を支援する装置であって、骨切り対象の脛骨のＣＴまたはＭＲＩ画像データを取得する手段と、取り付け部材を用いて位置計測用の治具を取り付けた骨切り対象の脛骨のレントゲン画像データを取得する手段と、取得したＣＴまたはＭＲＩ画像データ及びレントゲン画像データと前記インプラントの装着位置の３次元データとに基づいて、前記取り付け部材と骨切り面との隙間を計算する計算手段とを備えることを特徴とする人工膝関節置換術支援装置。
【請求項６】
前記計算手段での計算結果に応じて、前記隙間を埋めるために使用する部材の種類と数とを決定する手段を備えることを特徴とする請求項５記載の人工膝関節置換術支援装置。
【請求項７】
コンピュータに、人工膝関節置換術において脛骨の骨切り面にインプラントを装着することを支援させるコンピュータプログラムであって、骨切り対象の脛骨のレントゲン画像データ及びＣＴまたはＭＲＩ画像データと装着すべき前記インプラントの形状データとに基づいて、前記インプラントを装着する３次元シミュレーションを行わせるステップを有することを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項８】
コンピュータに、脛骨に骨切りを行ってその骨切り面にインプラントを装着する人工膝関節置換術を支援させるコンピュータプログラムであって、骨切り対象の脛骨のＣＴまたはＭＲＩ画像データと、取り付け部材を用いて位置計測用の治具を取り付けた骨切り対象の脛骨のレントゲン画像データと、前記インプラントの装着位置の３次元データとに基づいて、前記取り付け部材と骨切り面との隙間を計算させるステップを有することを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項９】
前記隙間の計算結果に応じて、前記隙間を埋めるために使用する部材の種類と数とを決定させるステップを有することを特徴とする請求項８記載のコンピュータプログラム。
【請求項１０】
コンピュータに、人工膝関節置換術において脛骨の骨切り面にインプラントを装着することを支援させるコンピュータプログラムが記録されているコンピュータでの読取りが可能な記録媒体において、骨切り対象の脛骨のレントゲン画像データ及びＣＴまたはＭＲＩ画像データと装着すべき前記インプラントの形状データとに基づいて、前記インプラントを装着する３次元シミュレーションを行わせるステップを有するコンピュータプログラムが記録されていることを特徴とする記録媒体。
【請求項１１】
コンピュータに、脛骨に骨切りを行ってその骨切り面にインプラントを装着する人工膝関節置換術を支援させるコンピュータプログラムが記録されているコンピュータでの読取りが可能な記録媒体において、骨切り対象の脛骨のＣＴまたはＭＲＩ画像データと、取り付け部材を用いて位置計測用の治具を取り付けた骨切り対象の脛骨のレントゲン画像データと、前記インプラントの装着位置の３次元データとに基づいて、前記取り付け部材と骨切り面との隙間を計算させるステップを有するコンピュータプログラムが記録されていることを特徴とする記録媒体。
【請求項１２】
前記隙間の計算結果に応じて、前記隙間を埋めるために使用する部材の種類と数とを決定させるステップを有するコンピュータプログラムが記録されていることを特徴とする請求項１１記載のコンピュータでの読取りが可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変形性膝関節症の外科手術である人工膝関節置換術を支援する方法及び装置、該方法を実施するためのコンピュータプログラム、並びに、該コンピュータプログラムが記録されている記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
膝関節は、絶えず曲げたり伸ばしたりされ、歩行時には体重の数倍の荷重が加わるが、この際、大腿骨と脛骨とが接触する面に存する関節軟骨により、膝関節は自由な動きを行える。この関節軟骨は、若年時には新陳代謝が繰り返されて常にみずみずしい状態に保たれているが、加齢とともにこの新陳代謝の機能が低下していくと、表面の平滑性が無くなり、その厚さも徐々に薄くなっていく。このような状態を放置しておくと、関節軟骨も消失して、関節裂隙が狭くなり、大腿骨と脛骨とが直接触れ合うことになる。このような膝関節の疾患は変形性膝関節症（ＯＡ：Ｏｓｔｅｏ　Ａｒｔｈｒｉｔｉｓ）と呼ばれる。
【０００３】
変形性膝関節症は、老化現象に伴う退行性変形の疾患とも言え、加齢に伴って徐々に悪くなっていくという特徴を持っており、今後、高齢化社会が進むにつれて、その患者数は増加すると考えられる。なお、変形性膝関節症は膝の内側に体重の大部分がかかるＯ脚変形が多く、膝の内側（内顆）が変形性膝関節症に陥り易い。
【０００４】
変形性膝関節症の治療法には、軽度の場合に行う保存療法と、重度の場合に行う手術療法とがある。保存療法としては、杖，足底板などの器具を患者に使ってもらう療法に加えて、薬物療法（非ステロイド系消炎剤の内服，ステロイド剤の関節内注入など）、理学療法（湿布の貼付，熱／レーザ照射による温熱治療など）がある。
【０００５】
一方、手術療法の代表的なものとしては、脛骨骨切り術と人工膝関節置換術とがある。脛骨骨切り術は、膝関節の破壊が比較的軽度であって、関節軟骨の再生を期待できる壮年（６０歳以下）の患者に適用されることが多い。これに対して、人工膝関節置換術は、膝関節の破壊が重度であるか、人工膝関節の耐用年数（１５年程度）後には再置換の可能性が少ない老年の患者に適用されることが多い。この人工膝関節置換術では、患者の膝部分を切開し、脛骨を骨切りし、関節の代替となる合成樹脂（例えばポリエチレンポリマ）部材を有する人工関節（インプラント）を脛骨の骨切り面に装着することが行われる。この際、脛骨の骨切りは、脛骨の解剖軸に対して出来る限り垂直な面で行うことが要求される。
【０００６】
人工膝関節置換術には、関節を全部取り換える全人工膝関節置換術（ＴＫＲ：Ｔｏｔａｌ　Ｋｎｅｅ　Ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ）と、傷んでいる内側または外側にだけ人工関節を装着し、傷んでいない側の膝関節はそのまま残存させておく片側人工膝関節置換術（ＵＫＡ：Ｕｎｉｌａｔｅｒａｌ　Ｋｎｅｅ　Ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ）とがある。片側人工膝関節置換術は、全人工膝関節置換術と比べて、切開面積が狭くて済むので患者の術後の疼痛は少なくて回復も早い、また、正常な部分は残すので術後に膝の大きい屈曲角度が得られる（ＵＫＲでの０〜１５０度に対してＴＫＲでは０〜１００度）という利点がある。特に、正座を行う日本では、欧米に比べて膝の屈曲度に対する要望は高いので、この屈曲角度の違いは重要である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、片側人工膝関節置換術は、優れた利点を有しているにも拘わらず、従来、それを採用する病院，外科医は稀であり、全人工膝関節置換術が主流となっている。これは、片側人工膝関節置換術における手術の難しさに起因するところが大きい。前述したように、人工膝関節置換術では、その解剖軸に垂直な面で脛骨を骨切りする必要があり、脛骨に対して、髄外ロッドを当てて骨切りを行っているが、全人工膝関節置換術では、膝関節全体を大きく切開するので脛骨全てが手術者に露出されるため、脛骨の骨切りは容易であり、また、全体を置換するため、少しの誤差は許容範囲であって手術に大きな影響は及ぼさない。
【０００８】
これに対して、片側人工膝関節置換術の場合には、置換しない正常な組織を外側または内側に残すので、骨切り面の脛骨軸に対する垂直度の精密さが要求される。更に、切開面積が狭くて脛骨の露出も少ないので、その精密な垂直度を維持して脛骨の骨切りを行うことは困難である。骨切り面の決定に髄内ロッドを使用する方法も考えられるが、片側人工膝関節置換術では、残存組織への侵襲が大きく特に前十字靱帯の付着部を破壊してしまうため、実際には使用できない。
【０００９】
このような事情から、全人工膝関節置換術に比して片側人工膝関節置換術の手術は難しくて、片側人工膝関節置換術では執刀外科医間における成績差が大きく、長年の経験を積んだ一部の外科医しか行っていないのが実状である。また、経験豊富な外科医でも複数の手術間での術後成績にバラツキがある。片側人工膝関節置換術は、患者にとっては優れた利点を有してはいるものの、十分に普及していないという問題がある。この手術の困難さ、特に骨切り面決定の難しさを克服できれば、患者の利点が大きい片側人工膝関節置換術が進んで行われていくと考えられ、そのための手段（支援用治具，手術支援システムなど）の開発が望まれている。
【００１０】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、脛骨の理想的な骨切り面を手術者に容易に提示でき、経験が浅い外科医であっても正確な位置で安定的に脛骨の骨切りを行え、経験豊富な外科医にも安定した術後成績を与え得る人工膝関節置換術支援方法及び人工膝関節置換術支援装置、該方法を実施するためのコンピュータプログラム、並びに、該コンピュータプログラムが記録されている記録媒体を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る人工膝関節置換術支援方法は、人工膝関節置換術において脛骨の骨切り面にインプラントを装着することを支援する方法であって、骨切り対象の脛骨のレントゲン画像データ及びＣＴまたはＭＲＩ画像データを取得し、取得したレントゲン画像データ及びＣＴまたはＭＲＩ画像データと装着すべき前記インプラントの形状データとに基づいて、前記インプラントを装着する３次元シミュレーションを行うことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る人工膝関節置換術支援方法は、脛骨に骨切りを行ってその骨切り面にインプラントを装着する人工膝関節置換術を支援する方法であって、骨切り対象の脛骨のＣＴまたはＭＲＩ画像データと、取り付け部材を用いて位置計測用の治具を取り付けた骨切り対象の脛骨のレントゲン画像データと、前記インプラントの装着位置の３次元データとに基づいて、前記取り付け部材と骨切り面との隙間を計算することを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る人工膝関節置換術支援方法は、請求項２において、前記隙間の計算結果に応じて、前記隙間を埋めるために使用する部材の種類と数とを決定することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る人工膝関節置換術支援装置は、人工膝関節置換術において脛骨の骨切り面にインプラントを装着することを支援する装置であって、骨切り対象の脛骨のレントゲン画像データ及びＣＴまたはＭＲＩ画像データを取得する手段と、取得したレントゲン画像データ及びＣＴまたはＭＲＩ画像データと装着すべき前記インプラントの形状データとに基づいて、前記インプラントを装着する３次元シミュレーションを行う手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に係る人工膝関節置換術支援装置は、脛骨に骨切りを行ってその骨切り面にインプラントを装着する人工膝関節置換術を支援する装置であって、骨切り対象の脛骨のＣＴまたはＭＲＩ画像データを取得する手段と、取り付け部材を用いて位置計測用の治具を取り付けた骨切り対象の脛骨のレントゲン画像データを取得する手段と、取得したＣＴまたはＭＲＩ画像データ及びレントゲン画像データと前記インプラントの装着位置の３次元データとに基づいて、前記取り付け部材と骨切り面との隙間を計算する計算手段とを備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項６に係る人工膝関節置換術支援装置は、請求項５において、前記計算手段での計算結果に応じて、前記隙間を埋めるために使用する部材の種類と数とを決定する手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項７に係るコンピュータプログラムは、コンピュータに、人工膝関節置換術において脛骨の骨切り面にインプラントを装着することを支援させるコンピュータプログラムであって、骨切り対象の脛骨のレントゲン画像データ及びＣＴまたはＭＲＩ画像データと装着すべき前記インプラントの形状データとに基づいて、前記インプラントを装着する３次元シミュレーションを行わせるステップを有することを特徴とする。
【００１８】
請求項８に係るコンピュータプログラムは、コンピュータに、脛骨に骨切りを行ってその骨切り面にインプラントを装着する人工膝関節置換術を支援させるコンピュータプログラムであって、骨切り対象の脛骨のＣＴまたはＭＲＩ画像データと、取り付け部材を用いて位置計測用の治具を取り付けた骨切り対象の脛骨のレントゲン画像データと、前記インプラントの装着位置の３次元データとに基づいて、前記取り付け部材と骨切り面との隙間を計算させるステップを有することを特徴とする。
【００１９】
請求項９に係るコンピュータプログラムは、請求項８において、前記隙間の計算結果に応じて、前記隙間を埋めるために使用する部材の種類と数とを決定させるステップを有することを特徴とする。
【００２０】
請求項１０に係るコンピュータでの読取りが可能な記録媒体は、コンピュータに、人工膝関節置換術において脛骨の骨切り面にインプラントを装着することを支援させるコンピュータプログラムが記録されているコンピュータでの読取りが可能な記録媒体において、骨切り対象の脛骨のレントゲン画像データ及びＣＴまたはＭＲＩ画像データと装着すべき前記インプラントの形状データとに基づいて、前記インプラントを装着する３次元シミュレーションを行わせるステップを有するコンピュータプログラムが記録されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項１１に係るコンピュータでの読取りが可能な記録媒体は、コンピュータに、脛骨に骨切りを行ってその骨切り面にインプラントを装着する人工膝関節置換術を支援させるコンピュータプログラムが記録されているコンピュータでの読取りが可能な記録媒体において、骨切り対象の脛骨のＣＴまたはＭＲＩ画像データと、取り付け部材を用いて位置計測用の治具を取り付けた骨切り対象の脛骨のレントゲン画像データと、前記インプラントの装着位置の３次元データとに基づいて、前記取り付け部材と骨切り面との隙間を計算させるステップを有するコンピュータプログラムが記録されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項１２に係るコンピュータでの読取りが可能な記録媒体は、請求項１１において、前記隙間の計算結果に応じて、前記隙間を埋めるために使用する部材の種類と数とを決定させるステップを有するコンピュータプログラムが記録されていることを特徴とする。
【００２３】
本発明では、まず、手術前に患部の下肢（脛骨）のレントゲン画像データと、ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ　Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）またはＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｉｍａｇｉｎｇ）画像データとを取得する。取得した患者のこれらの画像データと装着すべきインプラントの形状データとに基づき、インプラントを装着する３次元シミュレーションを行う。具体的には、取得した患者のレントゲン画像データ及びＣＴまたはＭＲＩ画像データをスキャナ若しくはＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）にてコンピュータに取り込むと共に、既知のインプラントの形状データをコンピュータに入力し、本発明のコンピュータプログラムに従って、これらのデータからインプラントの３次元装着位置（脛骨の骨切り面）を手術者とコンピュータとの対話形式にて決定し、インプラントの擬似装着状態を提示する。よって、正確なインプラント３次元装着位置（脛骨の骨切り面）が決定されて、全ての手術者はその理想的な位置を容易に知ることができ、また、骨切り量をどの程度にした場合に患者の膝の変形をどの程度矯正できるかも判断できる。即ち、術後のシミュレーションによりその位置にインプラントを装着した場合の術後膝関節機能の予測を行うことが可能である。
【００２４】
手術中にあっては、まず、患部の下肢（脛骨）に位置計測用の治具を取り付け部材にて取り付けて、前後方向と左右方向との２方向から脛骨のレントゲン写真を撮影する。取得したレントゲン画像データをコンピュータに取り込み、本発明のコンピュータプログラムに従って、取り込んだレントゲン画像データと術前に取得してコンピュータに格納しておいたＣＴまたはＭＲＩ画像データとのパターンマッチングを行って、取り付け部材の３次元位置をソフトウェアにて求める。
【００２５】
本発明のコンピュータプログラムに従って、求めた取り付け部材の３次元位置のデータと術前に取得してコンピュータに格納しておいた理想的な３次元骨切り面のデータとに基づき、取り付け部材と理想的な骨切り面との隙間をソフトウェアにて計算する。そして、計算した隙間のデータ（前後方向の補正角度，左右方向の補正角度，補正距離）に基づき、本発明のコンピュータプログラムに従って、隙間を埋めるために使用する部材の種類と数とを決定する。具体的には、使用する金属板を、夫々が短辺方向に異なる角度でテーパ状をなす複数の矩形状の第１種金属板と、夫々が長辺方向に異なる角度でテーパ状をなす複数の矩形状の第２種金属板と、夫々に厚さが異なる複数の矩形状の第３種金属板との中からソフトウェアにて選択する。選択した複数の金属板を積層して固定し、手術者は、その積層体の最上面を基準にして脛骨の骨切りを行う。よって、術中に理想的な脛骨の骨切り面が手術者に提示されるため、手術者は正しい位置で容易に脛骨の骨切りを行える。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。
まず、本発明において使用する人工膝関節置換術支援用の種々の治具について説明する。これらの支援用の種々の治具には、図１に示すような短辺方向に所定角度でテーパ状をなす矩形状の第１種金属板１と、図２に示すような長辺方向に所定角度でテーパ状をなす矩形状の第２種金属板２と、図３に示すようなテーパ状をなさない矩形状の第３種金属板３と、図４に示すような取り付け部材としてのピン４と、図５に示すような基台５と、図６に示すような位置計測用の治具としての計測用部材６とが含まれている。
【００２７】
図１に示す第１種金属板１は、短辺２．５ｃｍ，長辺５ｃｍ，厚さ数ｍｍの矩形状をなし、その短辺方向（積層した際には脛骨の前後方向）に数度のテーパを有している。第１種金属板１には、その表裏面を貫通する２つの円錐台状の孔１ａ，１ａが長辺方向に適長離隔して形成されている。この第１種金属板１は、テーパ角度を異ならせた複数枚のものが存在する。例えば、短辺方向テーパ角度が１度ずつ異なる８種類（最小１度，最大８度）の第１種金属板１が予め準備されている。この第１種金属板１は、患者の脛骨の前後方向の傾き（Ｐｏｓｔｅｒｉｏｒ　Ｓｌｏｐｅ）を補償するために使用される。
【００２８】
図２に示す第２種金属板２は、短辺２．５ｃｍ，長辺５ｃｍ，厚さ数ｍｍの矩形状をなし、その長辺方向（積層した際には脛骨の左右方向）に数度のテーパを有している。第２種金属板２には、その表裏面を貫通する２つの円錐台状の孔２ａ，２ａが長辺方向に適長離隔して形成されている。この第２種金属板２は、テーパ角度を異ならせた複数枚のものが存在する。例えば、長辺方向テーパ角度が１度ずつ異なる８種類（最小１度，最大８度）の第２種金属板２が予め準備されている。この第２種金属板２は、患者の脛骨の左右方向の傾き（Ｖａｒｕｓ−Ｖａｌｇｕｓ　Ａｎｇｌｅ）を補償するために使用される。
【００２９】
図３に示す第３種金属板３は、短辺２．５ｃｍ，長辺５ｃｍ，厚さ数ｍｍの矩形状をなし、第１種金属板１，第２種金属板２とは異なり、テーパ状をなしていない。第３種金属板３には、その表裏面を貫通する２つの孔３ａ，３ａが長辺方向に適長離隔して形成されている。この第３種金属板３は、厚さを異ならせた複数枚のものが存在する。例えば、厚さが１ｍｍずつ異なる８種類（最小１ｍｍ，最大８ｍｍ）の第３種金属板３が予め準備されている。この第３種金属板３は、脛骨の長軸方向の高さを補償するために使用される。
【００３０】
図４に示すピン４は、先端がドリル形状をなす長尺円柱状の金属製であって、患者の下腿部（脛骨）に打ち込まれる。また、図５に示す基台５は、短辺２．５ｃｍ，長辺５ｃｍ，厚さ１ｃｍの矩形状の金属製である。基台５には、その表裏面を貫通する２つの孔５ａ，５ａが長辺方向に適長離隔して形成されている。また、基台５の対向側面には、短辺方向に貫通する２つの孔５ｂ，５ｂが孔５ａ，５ａの形成位置の間に設けられている。これらの孔５ｂ，５ｂの径はピン４の径より僅かに大きく、孔５ｂ，５ｂにピン４が挿通されるようになっている。
【００３１】
図６に示す計測用部材６は、全体が矩形状をなし、その表面の四隅部は欠損している。計測用部材６の四隅の欠損部夫々には、先端に球部６ａを有する軸部６ｂが外側に傾斜させた態様で設けられている。計測用部材６には、その表裏面を貫通する２つの孔６ｃ，６ｃが長辺方向に適長離隔して形成されている。この孔６ｃに、脛骨に打ち込まれたピン４を挿通することにより、計測用部材６は患者の下腿部（脛骨）に取り付けられる。これらの４個の軸部６ｂの傾斜角度は一定でなく、脛骨に取り付けて任意の何れの方向から撮影した場合でも、少なくとも３個の球部６ａが互いに重ならないで撮影できるように、各軸部６ｂの傾斜角度が設定されている。
【００３２】
図７は、本発明を実施するためのシステム構成を示す模式図である。本発明によるシステムは、患者のレントゲン写真を撮影するレントゲン装置１１と、患者のＣＴ写真を撮影するＣＴ装置１２と、レントゲン装置１１で取得されたレントゲンフィルムとＣＴ装置１２で取得されたＣＴフィルムとの画像を読み取るスキャナ１３と、コンピュータプログラムに従って各種のソフトウェア機能を果たすパーソナルコンピュータ１４とを備えている。本発明では、術前及び術中に、患者の患部の脛骨のレントゲン写真及び／またはＣＴ写真がレントゲン装置１１及び／またはＣＴ装置１２にて取られ、その画像データがスキャナ１３にてパーソナルコンピュータ１４に取り込まれる。
【００３３】
図８は、パーソナルコンピュータ１４の機能ブロック図である。パーソナルコンピュータ１４は、ＣＰＵ２１と、ＲＯＭ２２と、ＲＡＭ２３と、操作部２４と、画像データ入力部２５と、表示部２６と、画像メモリ２７と、記憶部２８と、補助記憶部２９とを有する。
【００３４】
ＣＰＵ２１は、バス３０を介して上述したハードウェア各部に接続されていてそれらの動作を制御すると共に、ＲＯＭ２２に格納されている制御プログラムに従って種々のソフトウェアの機能を実行する。ＲＡＭ２３は、ＳＲＡＭまたはフラッシュメモリ等で構成され、ソフトウェアの実行時に発生するデータを記憶する。
【００３５】
操作部２４は、キーボード，マウス等の入力装置からなり、ユーザ（手術者）による入力指示，選択動作等を行う。画像データ入力部２５は、スキャナ１３で読み取られたレントゲン画像データ及びＣＴ画像データを取り込む。表示部２６は、ＣＲＴまたは液晶表示装置等の表示装置からなり、画像データ入力部２５を介して取り込まれたレントゲン画像及びＣＴ画像、ソフトウェアの実行で得られる計算結果等を表示する。画像メモリ２７は、スキャナ１３から取り込まれるレントゲン画像データ及びＣＴ画像データを格納する。
【００３６】
ハードディスクのような記憶装置からなる記憶部２８には、後述するような支援方法を実施するためのコンピュータプログラムがインストールされており、そのコンピュータプログラムが起動された場合、所定のコンピュータプログラム部分がＲＡＭ２３上に展開され、処理が実行されることにより、支援装置として動作する。補助記憶部２９は、このコンピュータプログラムを記録したＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体４０からコンピュータプログラムを読み取るＣＤ−ＲＯＭドライブからなり、読み取られたコンピュータプログラムは、記憶部２８に記憶される。
【００３７】
次に、本発明による人工膝関節置換術の支援の実施について説明する。以下の例では、患者の内側部分のみを人工関節で置換することとする。
【００３８】
まず、術前での動作について説明する。図９は、術前処理の動作手順を示す図である。また、図１０は、この術前処理におけるデータの流れを示す図である。
【００３９】
まず、レントゲン装置１１及びＣＴ装置１２を用いて患者の患部の脛骨のレントゲン写真及びＣＴ写真を撮影し、得られたレントゲンフィルム及びＣＴフィルムをスキャナ１３にて読み取り、読み取ったレントゲン画像データ及びＣＴ画像データをパーソナルコンピュータ１４に取り込む（ステップＳ１１）。取り込またレントゲン画像データ及びＣＴ画像データは、パーソナルコンピュータ１４の像メモリ２７に格納される。ここで、後述するマッチング処理に必要な部分を細かく走査すると共に、脛骨の解剖軸を確認できるように十分な長さの範囲を走査して、ＣＴ画像データを取得する必要がある。
【００４０】
次いで、術前計画として、インプラントの理想的な装着位置（脛骨の骨切り面）を決定すべく、インプラント装着の３次元シミュレーションを行う（ステップＳ１２）。この３次元シミュレーション処理は、手術者とコンピュータ１４との間でのインタラクティブＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）による術前用ナビゲーションソフトウェアを用いて実行される。図１１は、この３次元シミュレーション処理の手順、即ち、図９におけるＳ１２のサブルーチンを示すフローチャートである。術前用ナビゲーションソフトウェアは、レントゲン画像、ＣＴ画像及びインプラントの形状データを表示部２６に表示させる。
【００４１】
まず、脛骨の解剖軸方向（骨盤側）から見たＣＴ画像を表示部２６に表示させ、使用するインプラントの種類及びインプラント装着面（骨切り面）の水平位置を決定する（ステップＳ１２１）。図１２は、図１１におけるＳ１２１のサブルーチンを示すフローチャートである。ＣＴ画像が表示部２６に表示され、脛骨の大きさ，疾患の程度などを考慮して最適なインプラントが選択される（ステップＳ１２１１）。設定した位置で良いか否かが判断され（ステップＳ１２１２）、良くない場合には（Ｓ１２１２：ＮＯ）、前後左右の何れかのボタン操作によって表示部２６上のインプラントの位置が移動される（ステップＳ１２１３）。そして、設定した位置で良い場合には（Ｓ１２１２：ＹＥＳ）、その設定位置が、インプラント装着面（骨切り面）の水平位置データとして出力される（ステップＳ１２１４）。
【００４２】
次に、Ｓ１２１で決定したインプラント装着面（骨切り面）の水平位置を、前後方向から見たレントゲン画像データ、ＣＴ画像データに応じて修正する（ステップＳ１２２）。図１３は、図１１におけるＳ１２２のサブルーチンを示すフローチャートである。Ｓ１２１で選択されたインプラントの形状データと決定されたインプラント装着面（骨切り面）の水平位置のデータとが入力される（ステップＳ１２２１）。決定した位置で良いか否かが、前後方向から見たレントゲン画像データ、ＣＴ画像データに基づいて判断され（ステップＳ１２２２）、良くない場合には（Ｓ１２２２：ＮＯ）、ボタン操作によって、表示部２６上でのインプラントの前後左右方向の平行移動、ｘ，ｙ，ｚ各方向の回転移動がなされる（ステップＳ１２２３）。そして、修正した位置で良い場合には（Ｓ１２２２：ＹＥＳ）、その修正位置が、インプラント装着面（骨切り面）の３次元位置方向データとして出力される（ステップＳ１２２４）。
【００４３】
次に、Ｓ１２２で修正したインプラント装着面（骨切り面）の３次元位置を、左右方向から見たレントゲン画像データ、ＣＴ画像データに応じて修正する（ステップＳ１２３）。図１４は、図１１におけるＳ１２３のサブルーチンを示すフローチャートである。Ｓ１２１で選択されたインプラントの形状データとＳ１２２で修正されたインプラント装着面（骨切り面）の３次元位置方向データとが入力される（ステップＳ１２３１）。修正した位置で良いか否かが、左右方向から見たレントゲン画像データ、ＣＴ画像データに基づいて判断され（ステップＳ１２３２）、良くない場合には（Ｓ１２３２：ＮＯ）、ボタン操作によって、表示部２６上でのインプラントの前後左右方向の平行移動、ｘ，ｙ，ｚ各方向の回転移動がなされる（ステップＳ１２３３）。そして、修正した位置で良い場合には（Ｓ１２３２：ＹＥＳ）、その修正位置が、インプラント装着面（骨切り面）の３次元位置方向データとして出力される（ステップＳ１２３４）。
【００４４】
そして、Ｓ１２３で出力されるインプラント装着面（骨切り面）の３次元位置方向データが、最終的に良いか否かが判断され（ステップＳ１２４）、良い場合には、求められたインプラント装着面（骨切り面）の３次元位置方向データがＲＡＭ２３に格納されて（ステップＳ１２５）、術前処理が終了する。なお、良くない場合には（Ｓ１２４：ＮＯ）、上述したＳ１２１〜Ｓ１２３の処理を繰り返す。
【００４５】
このように、本発明では、十分に時間が取れる術前に、ナビゲーション用のコピュータプログラムに従って、理想的なインプラント装着面（骨切り面）の３次元位置，方向を決定するために、インプラント装着の３次元シミュレーションを行う。この３次元シミュレーション処理は、手術者とコンピュータ１４との間で対話形式によって実行され、インタラクティブＧＵＩを使用して手術者はその３次元位置，方向を任意かつ容易に設定することができ、また、この設定内容が瞬時に表示部２６での表示に反映されるので、手術者に分かり易くて迅速な処理が可能である。更に、インタラクティブＧＵＩを使用した対話形式によって設定処理が実行されるため、途中の設定し直しを何度でも容易に行え、設定処理の柔軟性は高く、理想的なインプラント装着面（骨切り面）の３次元位置，方向を確実に決定でき、インプラントの擬似装着状態を提示できる。この３次元シミュレーション処理を、術中ではなくて十分に時間が取れる術前に行っており、この点でもそのシミュレーション結果の信頼性は向上し、手術時間短縮の効果も奏する。
【００４６】
以下、次に、術中での動作について説明する。図１５は、術中処理の動作手順を示す図である。また、図１６は、この術中処理におけるデータの流れを示す図である。
【００４７】
まず、手術者は、患者に麻酔を施し、患側の下肢全体の消毒を行う（ステップＳ２１）。次に、患者の下腿部の皮膚に小切開を加えて１本のピン４を脛骨に打ち込む（ステップＳ２２）。なお、ピン４の打ち込み角度及び打ち込みの高さ位置は特に制約されない。打ち込んだピン４を計測用部材６の一方の孔６ｃに嵌めて計測用部材６をピン４に取り付け、他方の孔６ｃを介してもう１本のピン４を先のピン４と左右方向に並設するように脛骨に打ち込んで、計測用部材６をピン４，４に取り付ける（ステップＳ２３）。
【００４８】
計測用部材６をピン４，４に取り付けた状態で、レントゲン装置１１を用いて、患者の前後方向及び左右方向から撮影して２枚のレントゲンフィルムを取得し、取得したレントゲンフィルムをスキャナ１３にて読み取り、読み取ったレントゲン画像データをパーソナルコンピュータ１４に取り込む（ステップＳ２４）。
【００４９】
次に、コンピュータプログラムによる術中用ナビゲーションソフトウェアに従って、このレントゲン画像データと術前に取得したＣＴ画像データとのマッチングを行い、そのマッチング結果に基づいてピン４，４の３次元位置を求め、求めた３次元位置と術前に決定しておいた脛骨の理想的な骨切り面の３次元位置方向データとから、ピン４，４と理想的な骨切り面との隙間を計算し、その計算結果に応じて、隙間を埋めるために使用する金属板を選択する（ステップＳ２５）。なお、図１７はこのようなソフトウェア機能による動作の手順、即ち、図１５におけるＳ２５のサブルーチンを示すフローチャートである。
【００５０】
まず、前後方向のレントゲン画像データとＣＴ画像データとをマッチングさせる（ステップＳ２５１）。図１８は、図１７におけるＳ２５１のサブルーチンを示すフローチャートである。前後方向のレントゲン画像データとＣＴ画像データとインプラントの位置データとを入力する（ステップＳ２５１１）。この前後方向のレントゲン画像データとＣＴ画像データとで脛骨のマッチングを行う（ステップＳ２５１２）。図１９は、このマッチング処理の手順、即ち、図１８におけるＳ２５１２のサブルーチンを示すフローチャートである。
【００５１】
このマッチング処理には、ＣＴ画像データの平行移動，回転移動を手動操作にて行うステップ（ステップＳ３００）と遺伝的アルゴリズム（ＧＡ：Ｇｅｎｅｔｉｃ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を用いてレントゲン画像データとＣＴ画像データとの最適マッチングを行うステップ（ステップＳ４００）とが存在する。
【００５２】
図２０は、図１９におけるＳ３００のサブルーチンを示すフローチャートである。レントゲン画像とＣＴ画像とを表示部２６に表示する（ステップＳ３０１）。正しくマッチングされているか否かを判断し（ステップＳ３０２）、正しくマッチングされている場合には（Ｓ３０２：ＹＥＳ）、動作を終了する。一方、正しくマッチングされていない場合には（Ｓ３０２：ＮＯ）、ボタン操作により、何れか一方または両方の画像に、ｘ，ｙ，ｚ方向の平行移動及び／またはｘ，ｙ，ｚ軸の回転移動を行い（ステップＳ３０３）、動作がＳ３０２に戻る。
【００５３】
図２１は、図１９におけるＳ４００のサブルーチンを示すフローチャートである。遺伝的アルゴリズムは、生物の世代交代のメカニズムを工学的に取り入れて、ソフトウェアで生物の進化を実現させたものであり、具体的には、計算機内に遺伝子を持つ仮想的な生物を設定し、それらの生物の世代交代シミュレーションによって生物を進化させ、最適な解を求めようとするものである。遺伝的アルゴリズムは生物の進化を模倣した最適化アルゴリズムであり、最適化対象を複数の遺伝子を有する個体で表現する。そして、複数の個体で構成される集団において、突然変異，選択淘汰，交配などの遺伝的操作を繰り返して行うことにより、最適化が実現される。この遺伝的アルゴリズムには、簡単なアルゴリズムであっても最適化の効果が大きい、また、世代交代によって悪い解を省きながら探査を行うので全ての解を探査する全探査に比べて短時間で処理が済むという利点がある。
【００５４】
位置を表す３次元パラメータ有するゼロ世代目の複数の個体を発生させる（ステップＳ４０１）。世代数が所定値未満であるか否かを判断し（ステップＳ４０２）、所定値未満である場合に（Ｓ４０２：ＹＥＳ）、例えば乱数を用いて決定した幾つかの個体に突然変異処理を施す（ステップＳ４０３）。最適化度を調べるための評価関数にて全個体を分類し（ステップＳ４０４）、その分類結果に応じて幾つかの個体を選択的に淘汰させ（ステップＳ４０５）、残った個体に関して例えば乱数を用いて決定した個体同士を交配させ、遺伝子を交叉させた新個体を生成して（ステップＳ４０６）、動作がＳ４０２に戻る。このような世代交代を繰り返して、世代数が所定値に達した場合には（Ｓ４０２：ＮＯ）、その世代において最適のパラメータを有する個体の値を正解として出力する（ステップＳ４０７）。
【００５５】
そして、前後方向のレントゲン画像に映っている計測用部材６の３または４個の球状部６ａとそのモデルの球状部とをマッチングさせる（ステップＳ２５１３）。このマッチング結果に応じて、前後方向から見たモデルとインプラントとの相対位置を計算して出力する（ステップＳ２５１４）。
【００５６】
次に、左右方向のレントゲン画像データとＣＴ画像データとをマッチングさせる（ステップＳ２５２）。図２２は、図１７におけるＳ２５２のサブルーチンを示すフローチャートである。左右方向のレントゲン画像データとＣＴ画像データとインプラントの位置データとを入力する（ステップＳ２５２１）。この左右方向のレントゲン画像データとＣＴ画像データとで脛骨のマッチングを行う（ステップＳ２５２２）。この脛骨のマッチング処理の手順は、前述した前後方向の画像データの場合（図１９〜図２１のフローチャート）と同様であり、その説明は省略する。
【００５７】
そして、左右方向のレントゲン画像に映っている計測用部材６の３または４個の球状部６ａとそのモデルの球状部とをマッチングさせる（ステップＳ２５２３）。このマッチング結果に応じて、左右方向から見たモデルとインプラントとの相対位置を計算して出力する（ステップＳ２５２４）。
【００５８】
次に、ステップＳ２５１にて計算したモデルとインプラントとの相対位置と、ステップＳ２５２にて計算したモデルとインプラントとの相対位置との誤差を補正して、モデルとインプラントとの正確な相対位置を算出する（ステップＳ２５３）。
【００５９】
以上のようなＳ２５１〜Ｓ２５３の処理によって求められる相対位置からピン４とインプラント装着面（骨切り面）との隙間（前後方向の補正角度，左右方向の補正角度，補正距離）を計算できる。
【００６０】
そこで、このようにして得られる計算結果（ピン４と理想的な骨切り面との前後方向の補正角度，左右方向の補正角度，補正距離）に基づいて、使用する金属板が選択される（ステップＳ２５４）。図２３は、この金属板の選択処理、即ち、図１７におけるＳ２５４のサブルーチンを示すフローチャートである。
【００６１】
まず、前後方向の補正角度が計算され、その計算結果に基づいて、予め準備されている８種類のものから使用する１または複数の第１種金属板１が選択される（ステップＳ２５４１）。次いで、左右方向の補正角度が計算され、その計算結果に基づいて、予め準備されている８種類のものから使用する１または複数の第２種金属板２が選択される（ステップＳ２５４２）。
【００６２】
次いで、補正距離が計算され、その計算結果に基づいて、予め準備されている８種類のものから使用する１または複数の第３種金属板３が選択される（ステップＳ２５４３）。この際、具体的には、Ｓ２５４１及びＳ２５４２で選択された金属板を基台５に積層した場合の積層体の上面と理想的な骨切り面との補正距離が計算され、その計算結果に基づいて、１または複数の第３種金属板３が選択される。
【００６３】
そして、選択された金属板の種類及び枚数を示すデータが、表示部２６に出力表示されて、手術者に提示される（ステップＳ２５４４）。
【００６４】
手術者は、患者の内側膝部を切開し（Ｓ２６）、計測用部材６をピン４から外して、代わりに基台５をピン４に取り付けた後、提示された複数の金属板を基台５上に積層して固定する（Ｓ２７）。具体的には、図２４に示すように、選択した１枚の第１種金属板１，１枚の第２種金属板２及び２枚の第３種金属板３を基台５上に積層させ、各金属板の孔１ａ，２ａ，３ａ及び基台５の孔５ａにビス７を挿通させて、ナット８にて固定する。このような金属板の積層体が外側に偏りすぎて脛骨の内顆の骨切り面の提示が難しい場合には、図２５に示すように、内顆まで到達するような金属板９をその積層体の最上部に設けるるようにしても良い。なお、図２５に示す金属板９の形状，サイズは一例であり、金属板８は、患者の脛骨に合った形状，サイズのもを適宜選択して使用すれば良い。
【００６５】
手術者は、積層させた最上層の金属板の表面位置を基準として最終的な骨切り位置を決定し、その位置で脛骨の内顆部分を骨切りする（Ｓ２８）。この際、理想的な骨切り面が金属板の積層体によって提示されており、正確な位置で脛骨の骨切りを行える。最後に、脛骨の骨切り面上にインプラント（人工関節）を装着する（Ｓ２９）。
【００６６】
なお、上述した例では、患者の脛骨の３次元形状データをＣＴ装置によるＣＴ画像データにて取得するようにしたが、ＭＲＩ画像データにて取得するようにしても良い。
【００６７】
なお、上述した例では、レントゲン画像データ及びＣＴまたはＭＲＩ画像データをスキャナにてコンピュータに取り込むようにしたが、ＬＡＮを利用してレントゲン装置及びＣＴまたはＭＲＩ装置からそれらの画像データをコンピュータに取り込むようにしても良い。
【００６８】
なお、上述した例では、テーパ角度，厚さが異なる８種類ずつの第１種金属板１，第２種金属板２，第３種金属板３を準備しておく場合について説明したが、これは一例であり、どのようなテーパ角度またはどのような厚さを有する金属板を準備しておくかは任意に設定して良い。
【００６９】
また、片側人工膝関節置換術を行う例について説明したが、全人工膝関節置換術においても本発明を同様に適用できることは言うまでもない。
【００７０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明では、術前にインプラント装着の３次元シミュレーションを行って脛骨の理想的な骨切り面を決定でき、また、理想的な骨切り面を術中に容易に提示できるので、片側人工膝関節置換術の手術の困難さを解消でき、経験が浅い外科医でもその手術を行えるようになり、経験豊富な外科医でも骨切り面のバラツキが減って安定した高い術後成績を得ることができる。このようにして、本発明は、入院期間が短くて済む、術後に大きい屈曲角度が得られるなど、患者にとって利点が多い片側人工膝関節置換術の普及に大きな貢献を果たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第１種金属板の斜視図である。
【図２】本発明における第２種金属板の斜視図である。
【図３】本発明における第３種金属板の斜視図である。
【図４】本発明におけるピンの斜視図である。
【図５】本発明における基台の斜視図である。
【図６】本発明における計測用部材の斜視図である。
【図７】本発明を実施するためのシステム構成を示す模式図である。
【図８】パーソナルコンピュータの機能ブロック図である。
【図９】片側人工膝関節置換術の術前処理の動作手順を示す図である。
【図１０】術前処理におけるデータの流れを示す図である。
【図１１】図９におけるＳ２１のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図１２】図１１におけるＳ１２１のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図１３】図１１におけるＳ１２２のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図１４】図１１におけるＳ１２３のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図１５】片側人工膝関節置換術の術中処理の動作手順を示す図である。
【図１６】術中処理におけるデータの流れを示す図である。
【図１７】図１５におけるＳ２５のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図１８】図１７におけるＳ２５１のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図１９】図１８におけるＳ２５１２及び図２２におけるＳ２５２２のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図２０】図１９におけるＳ３００のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図２１】図１９におけるＳ４００のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図２２】図１７におけるＳ２５２のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図２３】図１７におけるＳ２５４のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図２４】本発明における金属板の積層／固定の一例を示す図である。
【図２５】本発明における金属板の積層／固定の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１　第１種金属板
２　第２種金属板
３　第３種金属板
４　ピン
５　基台
６　計測用部材
１１　レントゲン装置
１２　ＣＴ装置
１３　スキャナ
１４　パーソナルコンピュータ
２１　ＣＰＵ
２２　ＲＯＭ
２３　ＲＡＭ
２６　表示部
２８　記憶部
２９　補助記憶部
４０　記録媒体
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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