(57)【要約】【課題】手術中にディジタル化される標認点に対して二次元画像データを位置合わせするためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】  手術ナビゲーション・システムを使用して、機械軸データ、及び、場合によっては他のデータと二次元画像が位置合わせされる。これによって、処置が施される際に、ユーザーに対して、付加的なグラフィカル情報がディスプレイ画面上に提供される。機械軸データは解剖学的な評価を使用して生成される。【選択図】  図１
2005137904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節形成処置を必要とする関節を有する患者への関節形成処置の間に取得される標認点であって、手術中にディジタル化される標認点に対して、二次元画像データを位置合わせするためのシステムであって、
中央処理ユニット、ディスプレイ、メモリ・ユニットおよび記憶装置ユニットを含み、且つ作業容積内の対象物の位置および方向を判定することが可能な、手術ナビゲーション・システムと、
前記関節についての二次元画像データを前記メモリ・ユニット内にインポートする第一の回路と、
選択された標認点をディジタル化すべく前記関節および結合している肢の手術中の解剖学的調査を行い、且つ、前記肢についての機械軸を決定する第二の回路と、
前記機械軸に対して前記二次元画像データを位置合わせし、且つ、前記位置合わせされた二次元画像データを前記ディスプレイ上に表示する第三の回路と、
前記位置合わせされた二次元画像データを前記標認点に関連して示している間に、前記標認点に基づいて前記関節内の適正位置に切断ジグをガイドするのを助け、前記切断ジグの位置および方向が前記手術ナビゲーション・システムによって追跡され得る、第四の回路と、
を備えるシステム。
【請求項２】
前記第四の回路は、前記位置合わせされた二次元画像データに関連して前記ディスプレイ上に前記切断ジグの位置を表示する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第四の回路は、さらに、関節内の骨の切除平面を示す位置合わせされた二次元画像データに基づいて修正された画像を表示する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記二次元画像データは、手術前に取得される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記二次元画像データは、手術中に取得される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記システムは、前記関節の初期運動学的評価を行う第五の回路を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記第三の回路は、さらに、前記二次元画像データの位置合わせを、ディジタル化された標認点に対して行ない、且つ、運動学的評価に対して行なう、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第四の回路は、さらに、前記位置合わせされた二次元画像データとともにディジタル化された標認点を表示する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記第四の回路は、さらに、切除提案平面を、前記位置合わせされた二次元画像データ上に表示する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第四の回路は、さらに、内反／外反データ、および伸展／屈曲データを表示する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
関節形成処置を必要とする関節を有する患者への関節形成処置の間に取得される標認点であって、手術中にディジタル化される標認点に対して、二次元画像データを位置合わせするための方法であって、
作業容積内の対象物の位置および方向を判定することが可能な手術ナビゲーション・システムであって、ディスプレイと、中央処理ユニットと、記憶装置と、を含む手術ナビゲーション・システムのメモリ内に、前記関節についての二次元画像データをインポートすることと、
前記関節および結合している肢の解剖学的調査を行うことと、
前記解剖学的調査に基づいて、選択された標認点をディジタル化することと、
前記ディジタル化された標認点に基づいて、前記肢についての機械軸を決定することと、
前記機械軸に対して前記二次元画像データを位置合わせし、且つ、前記位置合わせされた二次元画像データを前記ディスプレイ上に表示することと、
前記標認点に基づき、前記手術ナビゲーション・システムを使用して前記膝関節内の適正位置に切断ジグをガイドすることと、
を含む方法。
【請求項１２】
前記位置合わせされた二次元画像データに関連して前記ディスプレイ上に前記切断ジグの位置を表示することを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記関節内の骨の切除を示す二次元画像データに基づいて修正された画像を表示することを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記二次元画像データは、手術前に取得される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記二次元画像データは、手術中に取得される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記関節の初期運動学的評価を行うことを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記二次元画像データは、さらに、ディジタル化された標認点に対して位置合わせが行なわれ、且つ、運動学的評価に対して位置合わせが行なわれる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ディジタル化された標認点は、前記位置合わせされた二次元画像データとともに表示される、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手術中にディジタル化される標認点（ランドマーク）に対して二次元画像データを位置合わせするためのシステムおよび方法に関する。より詳細には、本発明は、手術ナビゲーション・システムを使用する関節交換手術および特に膝関節交換手術状況において、手術中にディジタル化される標認点に対して二次元画像データを位置合わせするためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
関節交換手術は、全関節形成としても知られており、関節炎または他の状態または損傷のために、交換または関節面の再形成を必要とする関節を有する個人に対して行われる。典型的な膝関節交換手術には、大腿骨の端部に配置されている特別な切断ジグを用いた遠位大腿骨の形成が伴う。切断ジグは、たとえ患者がもともと外反膝（Ｘ脚）または内反膝（Ｏ脚）であったとしても、交換膝関節が適切に位置合わせされるように、脚の機械軸に位置合わせされる。大腿骨の遠位末端は、交換膝関節の一部として機能するインプラント（移植物）面を受け入れるべく切断され、且つ、形成される。加えて、インプラントが新しい膝関節に適切に位置合わせされるように、脛骨を切除する際外科医を補助すべく、同様の方法で、他の特別な切断ジグを用いて、脛骨にも準備（処置）がなされる。膝蓋も、典型的には膝蓋の下面の部分を除去することによって準備される。同様に、股関節交換手術には、交換物（移植物）面を受け入れるための寛骨臼カップの準備が含まれ、大腿部頭は、寛骨臼内にインプラントされたカップに適合させるべく、ステムおよびボールと交換される。肩部については、関節窩は、通常は交換されないが、表面は上腕骨の端部に配置されるインプラントを受け入れるべく調整される。
【０００３】
骨表面および／または組織が準備された後に、インプラントは、準備された表面上の適切な位置に配置される。例えば、膝関節交換手術においては、準備された大腿骨と脛骨の表面上のインプラントに加えて、交換膝関節も、典型的には、膝関節の軟骨の効果を模倣するスペーサを含む。外科医は、まず準備された関節内部の適切な位置に一時的または試験的インプラントをインサートし、次に関節を操作して、インプラントが適切に機能し、関節が安定であり、且つ、充分な動作範囲を有することを確認することが多い。
【０００４】
整形外科医は、交換インプラントを受け入れるべく関節に準備を施すために、骨の切除に使用される切断ジグを適切に位置決めし、且つ配置するのを支援する手術ナビゲーション・システムを、以前から使用している。しかしながら、過去においては、手術ナビゲーション・システムを使用する際、外科医がマーカーを挿入することが必要であり、このマーカーは外科医が手術前のスキャンによって確認することができ、且つ、外科医にとって可視的であり、従って外科医は、手術中の患者の脚および膝関節に対して、手術前スキャンを位置合わせすることができる。このことは、半永久的なマーカーすなわち基準が、手術前スキャンがなされる前に患者の組織内に配置され、手術までの間患者体内に基準点が適正位置に維持されることを必要とするか、または、手術前スキャンがなされた後に一時的基準を取り除き、手術直前に元の場所に再配置するか、のいずれかを必要としている。これらのシステムの各々は不都合な点を有している。半永久基準の使用は、患者の脚および関節へのスキャンの適正な位置合わせを保証するが、スキャン時から手術日までの間、適正位置へ基準を挿入し維持するので、多大な苦痛が生じ得る。一時的基準の使用は、この問題を排除するが、こうした一時基準は、適正な位置合わせのために正確に元と同一の位置に再配置しなければならないので、それほど確実ではない。これらの手術の各々において、そして他の関連する手術において、現在、手術前スキャンを行う必要なしに手術中に判定されたディジタル化された標認点を使用してこれらの手術を行うことが可能である。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００１／００３４５３０号明細書、２００１年１０月２５日発行
【特許文献２】米国特許第５，６１１，３５３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、骨部の適正な切除がなされて関節を治療するためのインプラントを受け入れるようにするために、ジグおよびその他の切断用器具を位置決めすべく外科医が使用するディスプレイ画面内に画像を組み入れることが望ましい。この場合、画像は、バックグラウンド・ガイドとして使用され、そして画像は、器具およびジグを正確に位置決めするための基準としては使用されない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、関節形成処置を必要とする関節を有する患者への関節形成処置の間に取得される標認点であって、手術中にディジタル化される標認点に対して、二次元画像データを位置合わせするためのシステムに関するものであって、中央処理ユニット、ディスプレイ、メモリ・ユニットおよび記憶装置ユニットを含み、作業容積内の対象物の位置および方向を判定することが可能な、手術ナビゲーション・システムを含む。前記システムは、前記関節についての二次元画像データを前記メモリ・ユニット内にインポートする第一の回路と、選択された標認点をディジタル化すべく前記関節および前記関節に結合している肢の手術中の解剖学的調査を行い、且つ、前記肢の機械軸を位置決めする第二の回路と、を有している。さらに、前記システムは、前記機械軸に対して前記二次元画像データを位置合わせし、且つ、前記位置合わせされた二次元画像データを前記ディスプレイ上に表示する第三の回路と、前記肢の前記機械軸に関連する前記二次元画像データを示している間に、前記標認点に基づいて前記関節内の適正位置に切断ジグをガイドするのを助け、前記切断ジグの位置および方向が前記手術ナビゲーション・システムによって追跡され得る第四の回路と、を含む。
【０００７】
本発明の更なる態様は、関節形成処置を必要とする関節を有する患者への関節形成処置の間に取得される標認点であって、手術中にディジタル化される標認点に対して、二次元画像データを位置合わせするための方法に関し、該方法は、作業容積内の対象物の位置および方向を判定することが可能な手術ナビゲーション・システムであって、ディスプレイと、中央処理ユニットと、記憶装置と、を含む手術ナビゲーション・システムのメモリ内に、膝関節についての二次元画像データをインポートする工程と、前記関節および結合している肢の解剖学的調査を行う工程と、前記解剖学的調査に基づいて、選択された標認点をディジタル化する工程と、前記ディジタル化された標認点に基づいて、前記肢についての機械軸を決定する工程と、前記ディジタル化される標認点に対して前記画像データを位置合わせし、且つ、前記位置合わせされた画像データを前記ディスプレイ上に表示する工程と、前記標認点に基づき、前記手術ナビゲーション・システムを使用して前記関節内の適正位置に切断ジグをガイドする工程と、を有する。
【０００８】
本発明の請求項１の態様は、関節形成処置を必要とする関節を有する患者への関節形成処置の間に取得される標認点であって、手術中にディジタル化される標認点に対して、二次元画像データを位置合わせするためのシステムであって、中央処理ユニット、ディスプレイ、メモリ・ユニットおよび記憶装置ユニットを含み、且つ作業容積内の対象物の位置および方向を判定することが可能な、手術ナビゲーション・システムと、前記関節についての二次元画像データを前記メモリ・ユニット内にインポートする第一の回路と、選択された標認点をディジタル化すべく前記関節および結合している肢の手術中の解剖学的調査を行い、且つ、前記肢についての機械軸を決定する第二の回路と、前記機械軸に対して前記二次元画像データを位置合わせし、且つ、前記位置合わせされた二次元画像データを前記ディスプレイ上に表示する第三の回路と、前記位置合わせされた二次元画像データを前記標認点に関連して示している間に、前記標認点に基づいて前記関節内の適正位置に切断ジグをガイドするのを助け、前記切断ジグの位置および方向が前記手術ナビゲーション・システムによって追跡され得る、第四の回路と、を備えるシステムである。
【０００９】
本発明の請求項２の態様は、請求項１の態様において、前記第四の回路は、前記位置合わせされた二次元画像データに関連して前記ディスプレイ上に前記切断ジグの位置を表示する。
【００１０】
本発明の請求項３の態様は、請求項１の態様において、前記第四の回路は、さらに、関節内の骨の切除平面を示す位置合わせされた二次元画像データに基づいて修正された画像を表示する。
【００１１】
本発明の請求項４の態様は、請求項１の態様において、前記二次元画像データは、手術前に取得される。
【００１２】
本発明の請求項５の態様は、請求項１の態様において、前記二次元画像データは、手術中に取得される。
【００１３】
本発明の請求項６の態様は、請求項１の態様において、前記システムは、前記関節の初期運動学的評価を行う第五の回路を含む。
【００１４】
本発明の請求項７の態様は、請求項６の態様において、前記第三の回路は、さらに、前記二次元画像データの位置合わせを、ディジタル化された標認点に対して行ない、且つ、運動学的評価に対して行なう。
【００１５】
本発明の請求項８の態様は、請求項１の態様において、前記第四の回路は、さらに、前記位置合わせされた二次元画像データとともにディジタル化された標認点を表示する。
【００１６】
本発明の請求項９の態様は、請求項１の態様において、前記第四の回路は、さらに、切除提案平面を、前記位置合わせされた二次元画像データ上に表示する。
【００１７】
本発明の請求項１０の態様は、請求項１の態様において、前記第四の回路は、さらに、内反／外反データ、および伸展／屈曲データを表示する。
【００１８】
本発明の請求項１１の態様は、関節形成処置を必要とする関節を有する患者への関節形成処置の間に取得される標認点であって、手術中にディジタル化される標認点に対して、二次元画像データを位置合わせするための方法であって、作業容積内の対象物の位置および方向を判定することが可能な手術ナビゲーション・システムであって、ディスプレイと、中央処理ユニットと、記憶装置と、を含む手術ナビゲーション・システムのメモリ内に、前記関節についての二次元画像データをインポートすることと、前記関節および結合している肢の解剖学的調査を行うことと、前記解剖学的調査に基づいて、選択された標認点をディジタル化することと、前記ディジタル化された標認点に基づいて、前記肢についての機械軸を決定することと、前記機械軸に対して前記二次元画像データを位置合わせし、且つ、前記位置合わせされた二次元画像データを前記ディスプレイ上に表示することと、前記標認点に基づき、前記手術ナビゲーション・システムを使用して前記膝関節内の適正位置に切断ジグをガイドすることと、を含む方法である。
【００１９】
本発明の請求項１２の態様は、請求項１１の態様において、前記位置合わせされた二次元画像データに関連して前記ディスプレイ上に前記切断ジグの位置を表示することを更に含む。
【００２０】
本発明の請求項１３の態様は、請求項１１の態様において、前記関節内の骨の切除を示す二次元画像データに基づいて修正された画像を表示することを更に含む。
【００２１】
本発明の請求項１４の態様は、請求項１１の態様において、前記二次元画像データは、手術前に取得される。
【００２２】
本発明の請求項１５の態様は、請求項１１の態様において、前記二次元画像データは、手術中に取得される。
【００２３】
本発明の請求項１６の態様は、請求項１１の態様において、前記関節の初期運動学的評価を行うことを更に含む。
【００２４】
本発明の請求項１７の態様は、請求項１６の態様において、前記二次元画像データは、さらに、ディジタル化された標認点に対して位置合わせが行なわれ、且つ、運動学的評価に対して位置合わせが行なわれる。
【００２５】
本発明の請求項１８の態様は、請求項１１の態様において、前記ディジタル化された標認点は、前記位置合わせされた二次元画像データとともに表示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１を参照すると、手術ナビゲーション・システム１００は、一連の受光アレイ１０４を有するカメラ１０２を含んでいる。受光アレイ１０４の各々は、赤外光のような予め設定された波長の範囲内の光を検出することが可能である。手術ナビゲーション・システム１００は、内部中央処理ユニット（ＣＰＵ）１０８、内部メモリ・ユニット１１０および内部記憶装置ユニット１１２を有するコンピュータ１０６も含んでいる。コンピュータ１０６は、商業的に入手可能な多数の従来のコンピュータのうちのいずれであってもよく、この従来のコンピュータは、ウインドウズ（Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標））（Ｒ）、ユニックス（Ｕｎｉｘ(登録商標)）、マックＯＳ（Ｍａｃ  ＯＳ）（Ｒ）等のような種々の商業的に入手可能なオペレーティング・システムを実行するものである。コンピュータ１０６は、従来の商業的に入手可能なモニタのうちのいずれか等の、ディスプレイ装置１１４も含んでいる。コンピュータ１０６は、また、キーボード、ポインティング・装置等の、一連の入力装置１１６のうちのいずれかまたは全てを含んでいる。以下に論じるように、手術ナビゲーション・システム１００によって追跡され得る特定の高性能機器も、入力装置１１６として機能することができる。
【００２７】
患者１１８は、手術室手術台１２０の上に載せられ、手術処置の用意がなされる。手術処置の用意の一部としては、カメラ１０２の受光アレイ１０４に対して可視である一連の追跡装置１２２の付設を含むこともできる。追跡装置１２２は、赤外光を送出する一連の発光ダイオード（ＬＥＤ）１２４を有している。ＬＥＤ１２４は、既知の方法にて手術ナビゲーション・システム１００からのコマンドに応答して個々にフラッシュする。このようにして、手術ナビゲーション・システム１００は、追跡装置１２２の各々の位置および向きを決定することができ、既知の方法によって、個々の追跡装置１２２が取り付けられている骨部の位置および向きが決定される。全膝関節形成術では、通常は、複数の追跡装置１２２が患者に取り付けられる。図５に示されるように、追跡装置１２２は、ポスト１２６によって患者１１８に取り付けられており、このポスト１２６はクイック・リリース結合１２８を有し、クイック・リリース結合１２８は、追跡装置１２２の対応する既知のクイック・リリース構造（簡易着脱構造）（図示されていない）に結合する。本発明に使用するのに適する追跡装置および手術ナビゲーション・システムの例は、特許文献１（アメリカ合衆国出願公開第２００１／００３４５３０号、２００１年１０月２５日発行）に示されており、その開示内容は本出願に引用して援用する。
【００２８】
図２は、本発明の方法およびシステムの一つの実施の形態の全体のフロー図を示している。プロセスが開始して制御はブロック２００に移り、メモリ・ユニット１１０内に画像をインポートする。画像は、手術処置の対象である関節および結合している肢の単純な二次元Ｘ線スキャンであってよい。ＡＰ（前後方向）スキャンのような、典型的なＸ線スキャンは、手術に先立って撮影される。このスキャンは、また、処置に対しさらに視覚化を加える目的で手術室において撮影され得る。この制御は、次にブロック２０２へ移行し、対象となる関節の解剖学的評価を外科医が行うのをガイドする。ブロック２０２で行われる解剖学的評価の結果の一つは、問題の肢の機械軸の位置決めである。ここで、プロセスのブロック２００および２０２の順序は重要ではなく、ブロック２０２のプロセスは、ブロック２００の処理工程の後または前のいずれでも行なわれ得ることに注意すべきである。ここで、制御はブロック２０４へ移行し、ブロック２００でインポートされた画像をブロック２０２で決定された機械軸と位置合わせする。ブロック２０４で行われる位置合わせでは、まず、一つの肢、または当該関節が二つの肢と結合しているならば二つの肢の適切な機械軸、およびそれぞれの座標系を識別する。手術ナビゲーション・システム１００では、次に、この機械軸を、二次元画像に示された構造上の機械軸と、最良適合させる。この最良適合の一環として、手術ナビゲーション・システム１００は、画像上の種々の標認点（ランドマーク）を識別し、且つ、これら標認点と解剖学的調査中に生成される座標系とを適合させる。必要ならば、手術ナビゲーション・システム１００では、この機械軸の寸法と適切な標認点間距離とを合致させるために、画像が拡大または縮小される。手術ナビゲーション・システムにより、次に、ブロック２０６において、外科医が所望の位置へ切除ガイドを配置すべく視覚的支援が提供される。手術ナビゲーション・システム１００は、ブロック２０４で生成された位置合わせされた画像を利用して、ディスプレイ１１４に表示されるＡＰ画像に対する視覚的背景を提供する。手術ナビゲーション・システム１００は、外科医に対し完全なナビゲーションおよび配置支援を提供することが可能であり、外科医は、解剖学的な評価のみによって決定されたデータに基づいて切除ガイドを位置決めする。機械軸に対して画像を位置合わせすることにより、手術ナビゲーション・システムは、標準的な低分解能の画像を利用して、情報および背景をさらに提供することができるようになる。
【００２９】
図３は、大腿骨の機械軸を判定するための大腿骨の解剖学的調査のブロック図を示している。処理はブロック２５０から開始し、股関節中央を位置決めする。股関節中央は既知の方法によって位置決めすることができ、例えば、追跡装置１２２が股関節遠位端部に取り付けられた股関節を操作して、追跡装置１２２の位置を記録し、この記録された位置を用いて、球部の中心を決定する方法などである。この球部の中心は、股関節の中央である。この方法は、特許文献２（アメリカ合衆国特許第５，６１１，３５３号）に開示されており、その開示内容は本出願に引用して援用する。この制御は、次に、ブロック２５２に移行し、大腿骨の内側および外側上顆を位置決めする。これらの点は、典型的には、図５に示されたように、膝関節が手術のために切開された後に位置決めされ、追跡装置１２２上のＬＥＤ１２４と同様のＬＥＤ１３４を有するポインター１３２を用いて、大腿部表面１３０がディジタル化される。ポインター１３２の先端１３６は、大腿部表面１３０上の特定の点に接して配置される。先端１３６が適正位置にあるときに、ポインター１３２を既知の方法によって作動させて、先端１３６の位置情報が、手術ナビゲーション・システム１００に送信される。内側および外側上顆は、直接ディジタル化によっても、または形態学的な解析によっても位置決めできる。直接ディジタル化法は、外科医が、内側上顆および外側上顆に対応する患者１１８の大腿骨の構造を識別することができるかどうかにかかっている。外科医は適切な構造にポインター１３２の先端１３６を触れさせ、位置を記録すべくポインターを作動させる。手術ナビゲーション・システムによりディスプレイ１１４上に位置が示され、外科医がその結果に満足すれば、外科医は外側上顆のディジタル化へと進むことができる。外側上顆の位置は、内側上顆と同様の方法でディジタル化される。形態学的な解析により外科医が大腿部表面１３０をディジタル化し、システムは、この大腿部表面１３０のディジタル化から、内側および外側上顆の位置を決定する。一旦内側および外側上顆の位置が識別されると、上顆横断軸（transepicondylar  axis）の位置が決定される。上顆横断軸は、内側上顆と外側上顆との間の線である。プロセスは、次に、膝関節の中央の位置を決定するブロック２５４へ進む。この決定は、膝関節中央の単一点ディジタル化か、または膝関節中央を計算する形態学的解析のいずれかによってなされる。直接ディジタル化法を用いる場合、外科医はポインター１３２を使用し、膝関節中央に対応する膝関節内構造に先端１３６を触れさせ、上述の上顆のディジタル化と同様の方法でポインターを作動させる。膝関節中央の形態学的解析は、先に論じた上顆の解析と同様の方法で行われる。外科医は、手術ナビゲーション・システム１００のセットアップの間に上顆および膝関節中央の位置をディジタル化するのにいずれかの方法を選定することができる。膝関節中央の位置が決定されると、プロセスは、次の大腿部機械軸の位置を決定するブロック２５６に進む。大腿部機械軸は、ブロック２５０で決定される股関節中央と、ブロック２５４で決定される膝関節中央の間の軸である。大腿部を通る前から後ろへの軸すなわち前方か��後方への軸である、大腿部ＡＰ軸も、システムにより決定される。この決定は、ポインター１３２を用いる直接ベクトル・ディジタル化によって、または形態学的解析によって決定され得る。直接ベクトル・ディジタル化は、ポインター１３２の軸を、ディジタル化されるべき軸またはベクトルと、視覚的に位置合わせすることによって達成される。次にポインター１３２が作動し、ポインター１３２上のＬＥＤがフラッシュし、従って手術ナビゲーション・システム１００はポインターの方向を検出し、且つ、ポインター１３２の方向を軸またはベクトルとして位置合わせする。図９は、左パネルに患者１１８のＡＰ画像を示しているスクリーン・ショットである。左股関節を取り囲む選択ウィンドウに注意されたい。中央パネルは、左パネル画像中の選択ウィンドウ内の画像の拡大像を示している。センタリング・アイコンが示されており、ブロック２５４での決定に基づく股関節中央の位置を示す。
【００３０】
当該プロセスでは、ここで、システムは大腿部の座標系を決定するブロック２５８へ進む。ブロック２５８は、大腿部座標系のｘ軸を大腿部ＡＰ軸とし、ｙ軸を上顆横断軸とし、ｚ軸をｘ軸およびｙ軸に垂直な軸とし、膝関節中央を原点として決定する。患者１１８に対して行われる処置が膝関節交換であるならば、システムは、以下に述べるような脛骨の解剖学的調査に進む。処置が股関節交換であれば、それ以上の解剖学的調査は必要ではない。加えて、他の関節にも、同様の解剖学的調査がこれらの関節および肢の組み合わせについて行なわれ得る。
【００３１】
図４は、脛骨の解剖学的調査を行うプロセスのブロック図である。プロセスはブロック２７０で始まり、脛骨中央と脛骨のＡＰ軸を位置決めする。脛骨中央は、ポインター１３０を用いる直接ディジタル化によって位置決めされ、脛骨のＡＰ軸は、ポインター１３０を用いるベクトル・ディジタル化によって決定される。脛骨中央および脛骨のＡＰ軸が決定された後、プロセスは、次に足首関節中点を位置決めするブロック２７２へ移る。足首関節中点を位置決めする一つの方法は、ポインター１３０を用いて内側くるぶし（内果）、および外側くるぶし（外果）の単一点ディジタル化を行うことである。外科医は、先端１３４を最初に内側くるぶしに触れさせ、且つシステムを作動させて既知の方法でこの点をディジタル化し、その後に外側くるぶしに対して同様のことを行う。足首関節中点は、その後足首関節中点のベクトル・ディジタル化によって決定される。次に、当該システムは、脛骨中央、内側くるぶし及び外側くるぶしを通る平面を計算する。この平面と足首関節中点ベクトルとの間の交点が計算され、仮の脛骨機械軸が決定される。足首関節中央は、仮の脛骨機械軸と、内側くるぶし及び外側くるぶしを結ぶ直線との交点である。次にシステムの制御はブロック２７４へ移り、決定された足首関節中央と脛骨中央の間の軸として脛骨機械軸を位置決めする。次に、制御は、脛骨座標系を決定するブロック２７６へ移る。このシステムは、原点に脛骨中央を有し、ｙ軸は脛骨ＡＰ軸、ｚ軸は脛骨機械軸、ｘ軸はｙ軸およびｚ軸の両方に垂直である。
【００３２】
図３および図４に記載されたシステムには、決定された値が理にかなう値であり、且つ妥当または可能な値の範囲であることを確認するチェック機能も含まれる。決定された値が若干許容範囲外にある場合、ユーザーに対して、値が警告範囲内であると警告がなされ、その値を再決定する選択肢が与えられる。この値が、可能な値からの許容し得る分散を超えた場合には、エラーが表示され、この値は削除され、ユーザーはその値を再決定しなければならない。図１０は、図９と同様であり、左足首関節を示すスクリーン・ショットである。なお、左パネルにおけるＡＰ画像においては、股関節中央および膝関節中央位置が大腿部機械軸と共に示されている。また、脛骨中央および足首関節中央位置も、脛骨機械軸を加えて示されている。中央パネルも、足首関節および足首関節中央の拡大像を示している。画像下方のパネルは、内反および外反の程度を示しており、この場合、外反が１７．３°である。
【００３３】
図６は、遠位端３０２を有する大腿骨３００を内側上顆３０４および外側上顆３０６と共に示している。明確に示すために、皮膚組織および膝関節構造の釣り合いについては、図示されていない。ピン３０８は、従来の外科技術を用いて大腿骨３００内に螺合される。ピン３０８の正確な配置は重要であるので、典型的には、手術ナビゲーション・システム１００によって適正位置にガイドされ得る外科用ドリル（図示されていない）を用いて、ピン３０８は適正位置に螺合される。ピン３０８は、大腿部機械軸の平面上の大腿骨３００内に配置される。位置合わせガイド３１０はピン３０８の上に配置され、この位置合わせガイド３１０は、クランプ３１２および３１４を用いて適正位置に締め付けられる。クランプ３１２は、位置合わせガイド３１０を内反／外反角度に合うように調整する。クランプ３１４により、ピン３０８に対する屈曲／伸展角度に対して位置合わせガイド３１０の調整がなされ得る。位置合わせガイド３１０は、切除ガイド３１８を適正位置に保持する第三のクランプ３１６も含む。第三のクランプ３１６を緩めることで、切除ガイド３１８はピン３０８に対して移動が可能となる。切除ガイド３１８は、追跡装置１２２内においてクイック・リリース・ソケットと結合するクイック・リリース・ポスト３２０も含む。切除ガイド３１８は、外科医が大腿骨３００を正確に切除するのを支援するためのガイド面３２２も有している。追跡装置１２２を切除ガイド３１８に付設することによって、手術ナビゲーション・システム１００において、外科医が切除ガイド３１８を大腿骨３００に対して適正に配置することの支援が可能となる。図１１は、遠位大腿部を切断または切除するための切除ガイド３１８のナビゲーションのスクリーン・ショットを示している。左パネルは膝関節の正面像を示しており、画像の一部は、大腿部機械軸、上顆横断軸、および大腿骨の切除提案面の位置を示す線の後方に示されている。正面像においては、脛骨の画像が示されているが、見にくくなっている。右フレームは、大腿骨の側面像を示している。インポートされている画像は、正面ＡＰ画像化部（イメージャ）であるので、側面像は大腿部の線像と、大腿部ＡＰ軸と、切除提案面の側面像を示している。画面には、内側および外側深さ、内反／外反および伸展値を含む関節に関連する他の情報も表示されている。図１２は、図１１と同様の確認画面であり、最終的な切除平面を示している。画面にはチェック・ボックスが表示されており、この切除平面が、この患者のログ・ファイル内に記録される予定であることを示す。図１３および図１４は、図１１および図１２と同様であり、脛骨および脛骨切除を示す画面像である。
【００３４】
図７は、関節形成支援の代替的なプロセスのフロー図である。このプロセスは、図２におけるブロック２００と同様の機能を果たすブロック４００から始まる。ブロック４０２は、ブロック２０２と同様の方法で解剖学的な調査を行う。当該プロセスには、運動学的な評価を行うブロック４０４も含まれている。
【００３５】
ブロック４０４の運動学的な評価は、種々の方法で行われ得る。例として、運動学的な評価において、膝関節について大腿部座標系および脛骨座標系の間の平行移動および回転移動値を表示することができる。この運動学的な評価には、問題となる関節の種々の標認点および軸のグラフ表示、または、表を用いた表示を含むこともできる。図８に示されるように、外科医は、関節、この場合膝関節を操作し、手術ナビゲーション・システム１００によって種々の値が取り込まれる。これは、屈曲および伸展値を含む動作の範囲、内側／外側変位および相対的な脛骨-大腿部の内反／外反角度に基づく関節の安定性、ならびに圧縮／伸延値に基づく伸延性を含む。手術ナビゲーション・システム１００では、関節が操作されるにつれて、種々の点および軸の間の距離をグラフ（図式）表示することも可能である。このデータから曲線を生成することができ、この曲線は、動作の範囲にわたる関節または関節の他の操作、すなわち、圧縮、回転等における相対的な安定性およびギャップの値を示す。加えて、手術ナビゲーション・システム１００に記録されていた曲線群から選択された曲線を表示するとともに関節をグラフ（図式）表示することによって、運動学的なデータの解析を手術ナビゲーション・システム１００が支援することも可能である。次に、プロセスはブロック４０６へ進み、画像データを機械軸に位置合わせする。ブロック４０６では、この機能を上述のブロック２０４と同様の方法で実行する。画像が位置合わせされた後、この制御はブロック４０８に移り、外科医がガイドを適正位置にナビゲートすべく支援する。ブロック４０８は、上述のブロック２０６と同様の方法で動作する。切除処置が完了して、試験インプラントまたは最終インプラントのいずれかが関節内に配置された後、ブロック４１０の結果評価が行われる。
【００３６】
前述したように、本発明のシステムおよび方法は、ディジタルデータへ画像拡張してディスプレイ画面上に表示することが望ましいような、広範囲にわたる種々の手術処置に使用され得る。これには、股関節部、肩部、足首部、肘部および同様の関節の手術が含まれる。
【００３７】
上記に鑑み、本発明に対する様々な変更が当業者にとって明白である。したがって、本記載は、実例としてのみ解釈されるべきであり、当業者が本発明を行い、且つ、使用し、本発明を実施する最良の形態を教示することを目的とする。添付された特許請求の範囲内の全ての変更に対して独占権が確保される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の方法において有用な手術ナビゲーションシステムの概略図である。
【図２】本発明の方法およびシステムの一つの実施の形態を達成するためのシステムのフロー図である。
【図３】本発明のシステムおよび方法において有用な大腿骨の解剖学的調査のフロー図である。
【図４】本発明のシステムおよび方法において有用な脛骨の解剖学的調査のフロー図である。
【図５】手術のために部分的に切開された膝関節の図であり、膝関節内の点の直接ディジタル化が示される。
【図６】大腿骨の図であり、追跡装置が付設された切除ガイドが示される。
【図７】本発明の方法およびシステムの態様を示すディスプレイ画面のフロー図である。
【図８】運動学的解析を行うべく操作されている状態の、手術のために切開された膝関節の図である。
【図９】本発明の方法およびシステムのさらなる態様を示すディスプレイ画面の概略図である。
【図１０】本発明の方法およびシステムの追加の態様を示すディスプレイ画面の概略図である。
【図１１】本発明の方法およびシステムのさらなる態様を示すディスプレイ画面の概略図である。
【図１２】本発明の方法およびシステムの他の態様を示すディスプレイ画面の概略図である。
【図１３】本発明の方法およびシステムのさらに他の態様を示すディスプレイ画面の概略図である。
【図１４】本発明の一つの代替的な実施の形態の概略図である。
【符号の説明】
【００３９】
１００  手術ナビゲーション・システム
１０２  カメラ
１０４  一連の受光アレイ
１０６  コンピュータ
１０８  内部中央処理ユニット（ＣＰＵ）
１１０  内部メモリ・ユニット
１１２  内部記憶装置ユニット
１１４  ディスプレイ装置
１１６  入力装置
１１８  患者
１２０  手術室手術台
１２２  追跡装置
１２４，１３４  一連の発光ダイオード（ＬＥＤ）
１２６  ポスト
１２８  クイック・リリース結合
１３０  大腿部表面
１３２  ポインター
１３６  先端
【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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