(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の内部の生体組織のある部分の構成を特徴付けする方法であって、
第１の複数の個別の像を含んでいる第１の２次元デジタルＸ線写真像を生成するステップであって、前記第１の複数の個別の像が、撮像デバイスと前記生体組織部分とに関連する第１の複数の識別可能な形状に対応するステップと、
第２の複数の個別の像を含んでいる第２の２次元デジタルＸ線写真像を生成するステップであって、前記第２の複数の個別の像が、撮像デバイスと前記生体組織部分とに関連する第２の複数の識別可能な形状に対応し、前記第２のデジタルＸ線写真像が、前記第１のデジタルＸ線写真像に対するある角度における前記撮像デバイスと前記生体組織部分とを示すステップと、
前記第１の複数の個別の像と前記第２の複数の個別の像との各々の像のエッジを検出するステップと、
前記撮像デバイスと関連する前記第１及び第２の複数の識別可能形状にそれぞれ対応する前記第１及び第２の複数の個別の像のエッジから輪郭を識別するステップと、
前記識別された輪郭の各々の輪郭と関連する幾何学的パラメータを決定するステップと、
前記撮像デバイスと関連する座標系を前記決定された幾何学的パラメータに基づいて特徴付けし、前記座標系の特徴付けが、前記第１及び第２の２次元デジタルＸ線写真像から前記撮像デバイスについての３次元座標系を決定することを含むステップと、
前記生体組織部分と関連する１つ以上の解剖学的軸を決定するステップと、
前記生体組織部分の物理的構成を前記１つ以上の解剖学的軸と前記座標系とに基づいて特徴付けするステップと、
を含む前記方法。
【請求項２】
前記生体組織部分が第１の骨片と第２の骨片を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記撮像デバイスが変形修正用固定器に取り付けられ、また、前記方法が前記第１の骨片と前記第２の骨片を整合させるために用いられる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記撮像デバイスが３つの球を備えており、前記第１の球は第１のロッドの第１の端に接続され、前記第２の球は第２のロッドの第１の端に接続され、前記第３の球は第３のロッドの第１の端に接続され、前記第１のロッドの第２の端は前記第２のロッドの第２の端と前記第３のロッドの第２の端とに接続される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のロッド、前記第２のロッド及び前記第３のロッドは直交して対向している、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のロッドの前記第２の端が前記第２のロッドの前記第２の端と前記第３のロッドの前記第２の端と接続される点が第４の球を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の表示物の輪郭を識別する前記ステップが、グラフィカルユーザインタフェースを用いて、前記Ｘ線写真のデジタルファイル中の円形像を識別するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
変形修正用固定器の位置を決定する方法であって、
ａ）近位の骨片取り付け装置と遠位の骨片取り付け装置との取り付け状態を特徴付けするステップであって、取り付け状態を特徴付けするステップは、
前記変形修正用固定器における撮像デバイスに関連する第１の複数の識別可能な形状に対応する第１の複数の個別の像を含んでいる第１の２次元デジタルＸ線写真像を生成するステップと、
前記変形修正用固定器における撮像デバイスに関連する第２の複数の識別可能な形状に対応する第２の複数の個別の像を含んでいる第２の２次元デジタルＸ線写真像を生成し、前記第２のデジタルＸ線写真像が、前記第１のデジタルＸ線写真像に対してある角度で撮像されたステップと、
前記第１及び第２の２次元デジタルＸ線写真像から前記撮像デバイスについての３次元座標系を決定するステップと、
前記撮像デバイスについて前記決定された３次元座標系に基づいて前記近位骨片取り付け装置と前記遠位骨片取り付け装置の取り付け状態を決定するステップと、
を含み、
ｂ）第１の集合の固定器特徴を決定するステップであって、前記第１の集合の特徴が前記固定器の物理的ディメンジョンと初期固定器設定とに対応するステップと、
ｃ）複数の連立方程式を解くことによって変形修正行列を決定するステップであって、前記方程式が運動方程式に対応するステップと、
ｄ）前記変形修正行列を変形修正変換に等しいとすることによって、第２の集合の固定器設定について解くステップと、
ｅ）前記変形修正固定器を前記第２の集合の固定器設定に基づいて再構成するステップと、
を含む前記方法。
【請求項９】
前記変形修正用固定器が、各々が２自由度で変形修正を実行する第１及び第２の複合可動継ぎ手とストラットアセンブリとを含む片側式固定器を備え、前記ストラットアセンブリが前記複合可動継ぎ手の各々に対して３自由度を提供する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の複合可動継ぎ手と前記第２の複合可動継ぎ手を、前記第２の集合の固定器設定の解にしたがって設定するステップと、
必要に応じて前記ステップａ）からｄ）を繰り返して、前記第１の複合可動継ぎ手と前記第２の複合可動継ぎ手を調整するステップと、
をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
近位の骨片取り付け装置と遠位の骨片取り付け装置との取り付け状態を特徴付けする前記ステップは、
ａ）近位の骨片取り付け装置の軸回転角度を決定するステップと、
ｂ）前記近位の骨片取り付け装置の前後勾配回転角度を決定するステップと、
ｃ）前記近位の骨片取り付け装置の横方向回転角度を決定するステップと、
ｄ）前記近位の骨片取り付け装置のピンオフセットを決定するステップと、
遠位の骨片取り付け装置に対して前記ステップａ）からｄ）を繰り返すステップと、
骨の長さを決定するステップと、
をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の集合の固定器設定は、
基準ピンクランプのＺ軸上でのオフセット（ｒｐｃ＿ｏｆｆ＿ｚ）と、
基準ロール継ぎ手のＸ軸上でのオフセット（ｒｒｊ＿ｏｆｆ＿ｘ）と、
基準ロール継ぎ手のＺ軸上でのオフセット（ｒｒｊ＿ｏｆｆ＿ｚ）と、
基準ヨー継ぎ手のＸ軸上でのオフセット（ｒｙｊ＿ｏｆｆ＿ｘ）と、
基準ヨー継ぎ手のＸ軸上でのオフセット（ｒｙｊ＿ｏｆｆ＿ｘ）と、
基準ヨー継ぎ手のＺ軸上でのオフセット（ｒｙｊ＿ｏｆｆ＿ｚ）と、
基準ストラットのＸ軸上でのオフセット（ｒｓｔｒ＿ｏｆｆ＿ｘ）と、
基準ストラットのＺ軸上でのオフセット（ｒｓｔｒ＿ｏｆｆ＿ｚ）と、
移動ストラットのＸ軸上でのオフセット（ｍｓｔｒ＿ｏｆｆ＿ｘ）と、
移動ストラットのY軸上でのオフセット（ｍｓｔｒ＿ｏｆｆ＿ｙ）と、
移動ストラットのＺ軸上でのオフセット（ｍｓｔｒ＿ｏｆｆ＿ｚ）と、
移動ロール継ぎ手のＸ軸上でのオフセット（ｍｒｊ＿ｏｆｆ＿ｘ）と、
移動ロール継ぎ手のＸ軸上でのオフセット（ｍｒｊ＿ｏｆｆ＿ｙ）と、
移動ロール継ぎ手のＺ軸上でのオフセット（ｍｒｊ＿ｏｆｆ＿ｚ）と、
移動ピッチ継ぎ手のＸ軸上でのオフセット（ｍｐｊ＿ｏｆｆ＿ｘ）と、
移動ピッチ継ぎ手のＸ軸上でのオフセット（ｍｐｊ＿ｏｆｆ＿ｙ）と、
移動ピッチ継ぎ手のＺ軸上でのオフセット（ｍｐｊ＿ｏｆｆ＿ｚ）と、
初期基準ロール継ぎ手回転角度（ｒｒｊ＿ｒｏｔｉｎｉｔｉａｌ）と、
初期基準ピッチ継ぎ手回転角度（ｒｐｊ＿ｒｏｔｉｎｉｔｉａｌ）と、
初期基準ヨー継ぎ手回転角度（ｒｙｊ＿ｒｏｔｉｎｉｔｉａｌ）と、
初期基準ストラットのＹ軸上でのオフセット（ｒｓｔｒ＿ｏｆｆ＿ｙｉｎｉｔｉａｌ）と、
初期移動ロール継ぎ手回転角度（ｍｒｊ＿ｒｏｔｉｎｉｔｉａｌ）と、
初期移動ピッチ継ぎ手回転角度（ｍｐｊ＿ｒｏｔｉｎｉｔｉａｌ）と、
を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
近位の骨片取り付け装置と遠位の骨片取り付け装置との取り付け状態を特徴付けする前記ステップは、
ａ）前記複数の各々の像の各々の像のエッジを検出するステップと、
ｂ）前記撮像デバイスと関連する前記複数の識別可能形状に対応する前記複数の個別の像のエッジから輪郭を識別するステップと、
ｃ）前記識別された輪郭の各々の輪郭と関連する幾何学的パラメータを決定するステップと、
ｄ）前記撮像デバイスと関連する３次元座標系を前記決定された幾何学的パラメータに基づいて特徴付けするステップと、
ｅ）前記生体組織部分と関連する１つ以上の解剖学的軸を決定するステップと、
ｆ）前記生体組織部分の物理的構成を前記１つ以上の解剖学的軸と前記座標系とに基づいて特徴付けするステップと、
を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記撮像デバイスが３つの球を備えており、前記第１の球は第１のロッドの第１の端に接続され、前記第２の球は第２のロッドの第１の端に接続され、前記第３の球は第３のロッドの第１の端に接続され、前記第１のロッドの第２の端は前記第２のロッドの第２の端と前記第３のロッドの第２の端とに接続される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１のロッド、前記第２のロッド及び前記第３のロッドは直交して対向している、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１のロッドの前記第２の端が前記第２のロッドの前記第２の端と前記第３のロッドの前記第２の端と接続される点が第４の球を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
固定器の位置を決定する方法を実施するコンピュータで実行可能な命令の集合をストアするコンピュータ読み取り可能記憶デバイスであって、
ａ）近位の骨片取り付け装置と遠位の骨片取り付け装置との取り付け状態を特徴付けするステップであって、取り付け状態を特徴付けするステップは、
前記変形修正用固定器における撮像デバイスに関連する第１の複数の識別可能な形状に対応する第１の複数の個別の像を含んでいる第１の２次元デジタルＸ線写真像を生成するステップと、
前記変形修正用固定器における撮像デバイスに関連する第２の複数の識別可能な形状に対応する第２の複数の個別の像を含んでいる第２の２次元デジタルＸ線写真像を生成し、前記第２のデジタルＸ線写真像が、前記第１のデジタルＸ線写真像に対してある角度で撮像されたステップと、
前記第１及び第２の２次元デジタルＸ線写真像から前記撮像デバイスについての３次元座標系を決定するステップと、
前記撮像デバイスについて前記決定された３次元座標系に基づいて前記近位骨片取り付け装置と前記遠位骨片取り付け装置の取り付け状態を決定するステップと、
を含み、
ｂ）第１の集合の固定器特徴を決定するステップであって、前記第１の集合の特徴が前記固定器の物理的ディメンジョンと初期固定器設定とに対応するステップと、
ｃ）複数の連立方程式を解くことによって変形修正行列を決定するステップであって、
前記方程式が運動方程式に対応するステップと、
ｄ）前記変形修正行列を変形修正変換に等しいとすることによって、第２の集合の固定器設定について解くステップと、
ｅ）前記変形修正固定器を前記第２の集合の固定器設定に基づいて再構成するステップと、
を含む、前記コンピュータ読み取り可能記憶デバイス。
【請求項１８】
前記方法を実施する前記コンピュータ読み取り可能命令について、近位の骨片取り付け装置と遠位の骨片取り付け装置との取り付け状態を特徴付けする前記ステップは、
ａ）近位の骨片取り付け装置の軸回転角度を決定するステップと、
ｂ）前記近位の骨片取り付け装置の前後勾配回転角度を決定するステップと、
ｃ）前記近位の骨片取り付け装置の横方向回転角度を決定するステップと、
ｄ）前記近位の骨片取り付け装置のピンオフセットを決定するステップと、
遠位の骨片取り付け装置に対して前記ステップａ）からｄ）を繰り返すステップと、
骨の長さを決定するステップと、
をさらに含む、請求項１７に記載のコンピュータ読み取り可能記憶デバイス。
【請求項１９】
前記方法を実施する前記コンピュータ読み取り可能命令について、近位の骨片取り付け装置と遠位の骨片取り付け装置との取り付け状態を特徴付けする前記ステップは、
ａ）前記複数の個別の像の各々の像のエッジを検出するステップと、
ｂ）前記撮像デバイスと関連する前記複数の識別可能形状に対応する前記複数の個別の像のエッジから輪郭を識別するステップと、
ｃ）前記識別された輪郭の各々の輪郭と関連する幾何学的パラメータを決定するステップと、
ｄ）前記撮像デバイスと関連する３次元座標系を前記決定された幾何学的パラメータに基づいて特徴付けするステップと、
ｅ）前記生体組織部分と関連する１つ以上の解剖学的軸を決定するステップと、
ｆ）前記生体組織部分の物理的構成を前記１つ以上の解剖学的軸と前記座標系とに基づいて特徴付けするステップと、
をさらに含む、請求項１７に記載のコンピュータ読み取り可能記憶デバイス。
【請求項２０】
１つ以上の解剖学的軸を決定するステップは、第１の骨片の第１の解剖学的軸を決定するステップと、第２の骨片の第２の解剖学的軸を決定するステップと、を含み、
前記生体組織部分の物理的構成を前記１つ以上の解剖学的軸と前記座標系とに基づいて特徴付けするステップは、
前記第１の２次元デジタル写真像における前記第１の軸に垂直な平面を決定するステップと、
前記第１の２次元デジタル写真像における前記第２の軸に垂直な平面を決定するステップと、
前記第２の２次元デジタル写真像における前記第１の軸に垂直な平面を決定するステップと、
前記第２の２次元デジタル写真像における前記第２の軸に垂直な平面を決定するステップと、
前記第１及び第２の骨片のそれぞれに対応する一組の平面の交線を特定して前記第１及び第２の骨片のそれぞれと同一直線上にある直線を決定し、前記第１及び第２の骨片と同一直線上にある直線は、３次元座標系における前記骨片の前記解剖学的軸を表すステップと、
を含む請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本非仮特許出願は、２００２年１１月１４日に提出された「片側式固定器の方法」という題名の米国仮特許出願第６０／４２６，４３９号に対する優先権を米国特許法第１１９条に基づいて主張するものである。この仮出願の全文を参照してここに組み込む。
【０００２】
技術分野
本発明は固定器デバイスを用いる方法に関し、より詳しくは、変形修正のために固定器を調整し、また、回避的でない方法によって組織を特徴付けするための処方を開発することに関する。
【０００３】
背景技術
整形外科医療においては、医師はしばしば、ある種の骨格の損傷や変形を外部の固定器デバイスによって修正する必要がある。このようなデバイスでは、分離した骨部分に取り付けられたピンもしくはワイヤ及び外部の構造体フレームを用いて、これら骨部分を、損傷や変形を治すのを助けるような仕方で整合させる、すなわち固定する。しばしば、医師は骨部分の方位を、時間をかけて徐々に調整しなければならないが、このような場合、この方位を６つの自由度にしたがって調整して、骨部分が正しい解剖学的な状態となることを保証する機能を持つことが最適である。
【０００４】
筋骨格の変形を治療するデバイスと方法は技術上公知である。このようなデバイスはその設計はかなり変動するが、一般的には、円形リング式デバイスと片側式デバイスという２つの大きいカテゴリに入る。この円形リング式デバイスというカテゴリの例としてイリガロフ型システムがあるが、これは線形のストラットで接続された２つのリングを有し、このストラットの各々の端に接続部が固定された又はヒンジ付けされたものである。立体骨組みと呼ばれるデバイスは、たとえばスチュアートフレームのように６脚構造になっている各端のところに球状の継ぎ手を有する６個の線形ストラットによって２つのリングが接続されており、オリジナルのイリザロフの方式より進んだものである。
【０００５】
イリザロフデバイスは、修正を必要とする変形を想定した構造となっている、すなわち、特定の患者に対し、また、その患者の特定の変形に対して、ヒンジとストラットを追加して、特定の場合において各々の変形の程度に対処しようとするものである。イリザロフ型デバイスは、変形の程度が異なれば調整も異なるという点で、しばしば逐次操作と呼ばれる。この方式では、フレームを存在する変形に基づいて構成する必要があり、その結果、かなり直接的な方法となるが、同時に、潜在的にエンドレスの複数の構成を持つ潜在的に複雑なセットとなる。立体骨組みとは、リングとストラットのサイズは互いに異なったものとなりえるが構成は概念的に１つであるようなデバイスである。スチュアートフレーム型の立体骨組みは、６個あるストラットの内のどれをどのように調整しても、その結果、６つの自由度のすべてが変化するという点でしばしば並列マニピュレータと呼ばれる。この特徴によって、スチュアートフレーム型デバイスはあまり直感的には使用できないものとなっており、また、変形を修正するように調整する際にユーザに指示するコンピュータプログラムがしばしば必要とされる。
【０００６】
片側式デバイスのカテゴリにはいくつかのデバイスがあるが、このようなデバイスは、１連の直交するプレーナヒンジもしくは球状ジョイントと、場合によっては、特定の方位に固定することが可能なスライダとから成っている。一般的に、このようなデバイスは、特定の方位に骨部分を固定するために使用することは可能であるがその方位を徐々に調整するために使用することは不可能でありそれは、このようなデバイスの継ぎ手は各ヒンジやスライダと結合している直接調整デバイスを有していないからである。そうする代わりに、このようなデバイスの継ぎ手を緩めて、次にデバイス全体上で、肉眼で見て操作しなければならない。イリザロフが他の円形リング式固定器のように、このようなデバイスは、変形の特徴付けしだいで、特定の方位に構成する又は取り付ける必要がしばしばある。この要件のためその使用法が複雑となり、また、医師が一般的に遭遇する変形の範囲に対処するのは複数の構成を必要とする。
【０００７】
参照してここに組み込む「片側式固定器」という題名の米国非仮特許出願第１０／６６４，７６９号に記載されている新規な片側式固定器は、現在使用されている多くの工業用ロボットと類似の開放式連鎖という形態を持つ６自由度式マニピュレータを備えている。この連鎖の先頭部分は、グラウンドとして知られている基準骨部分となるものに対する接続部である。連鎖の端は、移動する骨部分となるものに対する骨部分である。連鎖中の各リンクは、剛性の構造部材から成っており、リンク同士間の接続部が継ぎ手となっている。
【０００８】
米国非仮特許出願第１０／６６４，７６９号に記載の６自由度式片側固定器などの固定器を位置付けて調整することによって、医師は変形を修正することが可能である。この固定器の位置付けと調整を決定するための起点には、所与の変形を描写するＸ線写真が含まれている。一般に、軸方向回転、前後勾配（ＡＰ）の回転角度、外旋角度、ピンオフセット及び骨の長さなどの測定値は、固定器を位置付けて調整するために用いられる。医師は、変形のＸ線写真で直接的にこのような測定を実行する。この技法は変形を特徴付けるには適切なものであるとはいえ、このような手動による測定をするには、医師が余分に作業する必要があり、誤りを招きやすい。改良型の方法では、手動測定を軽減又は解消するため、デジタル式撮像を利用している。
【０００９】
必要とされるのは、変形を特徴付ける方法であり、また、数学的変換が得られるような変形に対する変形修正用固定器の相対的な取り付け方位を記述することが必要とされる。この方法によって、医師による測定を最小化すれば最適である。また、本方法は、Ｘ線で捕らえられたどのようなタイプの組織構成の特徴付けにも適用可能である。
【００１０】
発明の概要
本発明は、容易に手に入る整形外科データをパラメータに変換して固定器を構成し、開放式の連鎖であれ閉塞式の連鎖であれ６自由度の運動を提供する固定器デバイス用の連鎖によって表される連立方程式の系を解くことによって骨部分の必要とされる又は望まれる方位を達成する方法を提供する。このシステムが、どの方向にある骨部分でも粗調整と微調整によって修正することが可能な６自由度を持つ固定器を操作する方法を提供すれば長所となる。本発明の１態様は、医師が手動で測定する作業を大幅に軽減又は解消する、Ｘ線からデータを抽出する方法を含む。
【００１１】
本発明の１つの態様は変形修正用固定器の位置を決定する方法を提供する。本方法のステップには、（１）近位の骨片取り付け装置と遠位の骨片付着装置の取り付け状態を特徴付けするステップと、（２）固定器の設定と、前記固定器の物理的方位及び特徴に対応する特徴との第１の集合を決定するステップと、（３）前記固定器の運動方程式に対応する複数の連立方程式を解くことによって変形修正マトリックスを決定するステップと、（４）前記変形修正マトリックスを変形修正変換に等しいとすることによって固定器設定の第２の集合について解くステップと、が含まれる。本態様では、前記取り付け状態は、手動の測定で特徴付けされる。
【００１２】
本発明の別の態様では、撮像デバイスを用いて、像を少なくとも２つのＸ線上に置いて、このＸ線で捕獲された組織を特徴付けするが、この方法は、（１）撮像デバイスからの像をＸ線上に投影するステップであり、前記Ｘ線は前記組織を含んでおり、また、前記撮像デバイスは少なくとも３つの球を含んでいる、前記ステップと、（２）前記Ｘ線のコンピュータ読み取り可能デジタルファイルを生成するステップと、（３）前記Ｘ線のデジタルファイル上で像のエッジを検出するステップと、（４）像からの考えられる円形の輪郭を発見するステップと、（５）前記考えられる円形輪郭と関連する半径と中心を決定するステップと、（６）前記組織と関連する１つ以上の解剖学的軸を決定するステップと、（７）前記撮像デバイスと関連する座標系を特徴付けするステップと、（８）前記組織の物理的構成を特徴付けするステップと、を含んでいる。１つの例示の実施形態では、前記組織は、固定器によって修正される予定の骨片を表している。この態様を用いて、固定器の取り付け状態を特徴付けするための手動の測定動作の代わりとすることが可能である。
【００１３】
本発明の上記の態様は、開示されている実施形態の以下の詳細な説明を読み図面及びクレームを参照すればより明瞭に理解・認識されるであろう。
【００１４】
実施の形態の詳細な説明
本発明の例示の実施形態は、固定器デバイスの操作を定義する方法と固定器から作用を受ける、骨片などの組織を特徴付けする方法を提供する。
【００１５】
図１に、本発明の方法を用いて操作される例示の片側式固定器の異性的イメージ図を示す。図１を参照すると、第１の複合可動継ぎ手１１０が拡張ストラット１３０に取り付けられており、第２の複合可動継ぎ手１２０がベースストラット１４０に取り付けられている。これら２つの複合可動継ぎ手１１０と１２０は同一である。第１の複合可動継ぎ手１１０と第２の複合可動継ぎ手１２０は各々が２つの回転継ぎ手１２２、１２４、１２６、１２８を含んでいるが、その軸は互いに直行して対向している。本書ではアンクルとも呼ばれる第２の複合可動継ぎ手１２０は、ベースストラット１４０に沿って滑動することが可能であるが、その周りを回転することは不可能である。本書ではリストとも呼ばれる第１の複合可動継ぎ手１１０は、拡張ストラット１３０の軸の周りを回転することは可能であるが、それに沿って滑動することは不可能である。アンクル１２０とリスト１１０は双方共、押さえネジ１５０などの自身に対応する押さえネジを示すことによってそれぞれのストラット１３０と１４０上の正しい位置にロックインすることが可能である。同様に、リストとアンクルの回転継ぎ手１２２、１２４、１２６、１２８は１つ以上のネジ１９０で正しい位置に固定される。
【００１６】
クランププレート１６０とクランプ本体１７０が第１と第２の複合可動継ぎ手１１０と１２０の各々に取り付けられている。これらのクランププレート１６０とクランプ本体１７０は、第１と第２の複合可動継ぎ手１１０と１２０を患者の身体に取り付けるため、具体的にいえば、骨（図示せず）の部分に取り付けるためのピンや他の適切なデバイスを受容する。クランププレート１６０は各々が、自身に対応するクランプ本体１７０に対してネジ１８０などの複数の押さえネジで固定される。押さえネジ１８０は各々がクランププレート１６０とクランプ本体１７０の穴が組み合わされるようにねじ切りされ、これで押さえネジ１８０が各ピンにまたがるようになっている。
【００１７】
当業者は、以下に説明する例示の方法はリング固定器などの６自由度を提供するどのような変形修正用固定器にも用いることが可能であり、図１に提示する例示の片側式固定器に限られるものではないことを認識されるであろう。
【００１８】
本発明は、臨床測定値を、各部分の回転継ぎ手１２２、１２４、１２６、１２８の方位とストラッチ構造体の長さとを適切に確立するデバイスパラメータに変換する方法を含む。固定器デバイスはピンとピンクランプ又は類似の接続用構造体によって、骨の変形を含む２つの骨片に取り付けられる。次に、前記デバイスを操作し、すなわち移動させ、これで、骨片が所望の位置と整合するようにする。この整合は、変形修正プロセスを完了させるように時間とともに変化する。一方の骨片が基準の断片となる。他方の骨片、すなわち移動する断片の方は、基準の断片と整合するように移動される。
【００１９】
当業者は、本発明の方法を、コンピュータ読み取り可能媒体にストアされ、コンピュータによって実行することが可能な命令から成る１つ以上の集合として書くことが可能であることを認識されるであろう。このコンピュータは、メモリストレージデバイスと、１つ以上のコンピュータ処理ユニットと、キーボードなどの入力デバイス及びマウスなどのポインティングデバイスと、モニターと、その他の周辺デバイスと、を含んでいる。
【００２０】
図２に、本発明の固定器デバイスの正しい方位を確立する例示の方法２００のプロセスフローチャートを提示する。図を参照すると、ステップ２１０で、固定器の取り付け状態が、２つの骨片と基準断片と移動断片とを基準として特徴付けされる。１つの実施形態の場合、このステップを、図３を参照して以下に詳細に説明する。デジタルＸ線の使用を採用している第２の実施形態では、このステップを図５を参照して説明する。
【００２１】
ステップ２２０で、本デバイスの物理的特徴と初期設定とが決定される。これらの特徴と設定は、固定入力値と可変入力値の双方を含む。固定値は固定器デバイスのハードディメンジョン、すなわち、所与の固定器に対して一定である値のことである。可変入力は、デバイスの調整の設定値のことである。固定値には次のもの（ここで、「基準」とか「移動」という用語は複合可動継ぎ手に取り付けられた骨片についてのことである）が含まれる。
【００２２】
・       基準ピンクランプのＺ軸上でのオフセット（ｒｐｃ＿ｏｆｆ＿ｚ）
・       基準ロール継ぎ手のＸ軸上でのオフセット（ｒｒｊ＿ｏｆｆ＿ｘ）
・       基準ロール継ぎ手のＺ軸上でのオフセット（ｒｒｊ＿ｏｆｆ＿ｚ）
・       基準ヨー継ぎ手のＸ軸上でのオフセット（ｒｙｊ＿ｏｆｆ＿ｘ）
・       基準ヨー継ぎ手のＸ軸上でのオフセット（ｒｙｊ＿ｏｆｆ＿ｘ）
・       基準ヨー継ぎ手のＺ軸上でのオフセット（ｒｙｊ＿ｏｆｆ＿ｚ）
・       基準ストラットのＸ軸上でのオフセット（ｒｓｔｒ＿ｏｆｆ＿ｘ）
・       基準ストラットのＺ軸上でのオフセット（ｒｓｔｒ＿ｏｆｆ＿ｚ）
・       移動ストラットのＸ軸上でのオフセット（ｍｓｔｒ＿ｏｆｆ＿ｘ）
・       移動ストラットのY軸上でのオフセット（ｍｓｔｒ＿ｏｆｆ＿ｙ）
・       移動ストラットのＺ軸上でのオフセット（ｍｓｔｒ＿ｏｆｆ＿ｚ）
・       移動ロール継ぎ手のＸ軸上でのオフセット（ｍｒｊ＿ｏｆｆ＿ｘ）
・       移動ロール継ぎ手のＸ軸上でのオフセット（ｍｒｊ＿ｏｆｆ＿ｙ）
・       移動ロール継ぎ手のＺ軸上でのオフセット（ｍｒｊ＿ｏｆｆ＿ｚ）
・       移動ピッチ継ぎ手のＸ軸上でのオフセット（ｍｐｊ＿ｏｆｆ＿ｘ）
・       移動ピッチ継ぎ手のＸ軸上でのオフセット（ｍｐｊ＿ｏｆｆ＿ｙ）
・       移動ピッチ継ぎ手のＺ軸上でのオフセット（ｍｐｊ＿ｏｆｆ＿ｚ）
操作計算プロセスでそれについて解かれる可変値には次のもの（ここで、「基準」とか「移動」という用語は複合可動継ぎ手に取り付けられた骨片についてのことである）が含まれる。
【００２３】
・       初期基準ロール継ぎ手回転角度（ｒｒｊ＿ｒｏｔｉｎｉｔｉａｌ）
・       初期基準ピッチ継ぎ手回転角度（ｒｐｊ＿ｒｏｔｉｎｉｔｉａｌ）
・       初期基準ヨー継ぎ手回転角度（ｒｙｊ＿ｒｏｔｉｎｉｔｉａｌ）
・       初期基準ストラットのＹ軸上でのオフセット（ｒｓｔｒ＿ｏｆｆ＿ｙｉｎｉｔｉａｌ）
・       初期移動ロール継ぎ手回転角度（ｍｒｊ＿ｒｏｔｉｎｉｔｉａｌ）
・       初期移動ピッチ継ぎ手回転角度（ｍｐｊ＿ｒｏｔｉｎｉｔｉａｌ）
ステップ２３０で、変形修正が決定される。この決定は、固定器デバイスの連鎖方程式を含む連立方程式を次々に解いていくことによってなされる。ある例示の実施形態に関連する５つの方程式を、方程式の変数と形成する行列の提示とともに以下に示す。これら変数の内の一部を、図３を参照して以下に説明する。
【数１】
0004505333.tif 000002
【００２４】
ここで、
【数２】
0004505333.tif 000003
0004505333.tif 000004
【００２５】
ステップ２４０で、変形変換が計算される。この変換は連鎖方程式の解を所望の変形行列に等しいとさせて、例示の固定器における回転継ぎ手１２２、１２４、１２６、１２８と関連する変数の解を考慮したものである。次の方程式が用いられる。
【数３】
0004505333.tif 000005
【００２６】
言い換えれば、上記の表示Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥによって表される５つの行列の積は、前記の所望の変形変換に等しくなるように設定される。上に提示した変形変換は、拡大された単位行列である。当業者は、前記所望の変形行列は拡大単位行列である必要はないことを認識されるであろう。実際、この所望の変形変換は、所定の残存変形を含むことがある。
【００２７】
ステップ２５０で、固定器デバイスの位置が、ステップ２４０での変数値の集合に対する解に基づいて設定される。ステップ２６０で、経時調整が必要であれば、プロセス２００はステップ２１０に戻って繰り返す。この場合、ステップ２２０における「初期デバイス設定」はデバイスの現行の設定、すなわちステップ２５０で決定された設定である。さらなる調整が不必要であれば、プロセス２００は終了する。
【００２８】
図３に、本発明の例示の実施形態による固定器の取り付け状態を特徴付けするプロセス２１０ａのフローチャートと図２のステップ２１０の例示の実施形態を示す。図３のプロセス２１０ａを、図４ａ〜４ｄを参照して説明する。図４ａは、本発明の例示の実施形態の軸方向回転のイメージ図４１０を示している。図４ｂは、本発明の例示の実施形態の前後勾配（ＡＰ）回転のイメージ図４２０を示している。図４ｃは、本発明の例示の実施形態の横方向回転のイメージ図４３０を示している。図４ｄは、本発明の例示の実施形態のピンのオフセットと骨の長さとのイメージ図４４０を示している。図３に戻って参照すると、ステップ３１０では、近位のピンの集合の軸方向回転について決定される。近位のピンが水平方向位置にある場合、垂直軸を基準とした軸方向回転の大きさが観察される。イメージ４１０にこの測定を示す。
【００２９】
ステップ３２０では、近位ピンのＡＰ回転が決定される。近位ピンが観測面に対して平行な平面上にある場合、近位断片の解剖学的軸と近位ピンに対して垂直なラインとを基準とした近位の取り付けのＡＰ回転の大きさが観察される。イメージ４２０にこの測定を示す。
【００３０】
ステップ３３０で、近位ピンの横方向（ｌａｔ）回転が決定される。近位クランプアセンブリのフェイス平面が観測面に対して垂直な状態で、近位の取り付けの横方向の大きさが観察される。イメージ図４３０にこの測定を示す。
【００３１】
ステップ３４０では、近位ピンのオフセットを決定する。近位クランプのフェイス平面が観測面に対して垂直な状態で、近位クランプアセンブリの中心から近位ピンの集合に取り付けられている断片の解剖学的軸に向かう方向のピンのオフセットを測定する。イメージ図４４０にこの測定を示す。
【００３２】
ステップ３５０で、プロセス２１0ａは、近位と遠位のピン集合双方の取り付け状態の特徴付けが実行されたかどうか判定する。実行されていなかった場合、
プロセス２１０ａはステップ３１０に戻ってステップ３４０まで繰り返される。近位と遠位のピン集合双方の取り付け状態が完了したとステップ３５０で判定された場合、プロセス２１０ａはステップ３６０に進む。
【００３３】
ステップ３６０で、骨の長さが決定される。この骨の長さとは、近位マウントと遠位マウント間の解剖学的軸に沿った距離である。イメージ図４４０にこの測定を示す。
【００３４】
当業者は、前記プロセスは、遠位のピン集合から始まって次に近位のピン集合に対して繰り返されることが認識されるであろう。代替例では、近位特徴付けと遠位特徴付けは同時に発生することがある。たとえば、ステップ３１０で遠位と近位のピン集合双方の軸方向回転角度を、ステップ３２０に移動する前に決定することが可能である、などである。また、当業者は、遠位と近位のピン集合双方の５つの特徴付けをどの順序でも実行可能であることを認識されるであろう。
【００３５】
図５に、本発明の例示実施形態による例示の固定器の取り付け状態を特徴付けするプロセスのフローチャートとプロセス２００のステップ２１０の例示の実施形態である。この例示の実施形態では、変形を描写するＸ線とこの変形を基準とした固定器とのデジタル像を用いて、この固定器の取り付け状態を決定する。データを収集するこの新規な技法によって、医師が、必要とされる測定値を決定するために用いることが可能なＸ線上に直交する球などの像を投影することによってＸ線から物理的な測定値を取る必要性が大幅に軽減又は解消される。
【００３６】
図１と５を参照すると、ステップ５０５で、デジタルＸ線写真像が生成される。これらのＸ線写真像を生成するために、骨折などの変形と、この変形を含んでいる身体の分割部分に隣接した固定器とのＡＰと横方向のＸ線写真を撮る。このＸ線写真はデジタルＸ線とするか又はフィルムベースのＸ線のデジタル像を取るものとする。本書では撮像デバイスとも呼ばれるある装置を各ピンクランプ本体１７０間に取り付ける。例示の撮像デバイスは３つのポストの集合を備えられており、これらのポストの各々の一方の端に球体すなわち球が取り付けられており、また、これらのポストは自身の他方の端とピンクランププレート１６０のところで互いに接続されている。これらのポストは互いに直交している。この例示の実施形態では、ロッドは、Ｘ線写真像中の散乱を軽減するために放射線透過性となっている。各装置の上記の３つの球は、たとえば０．７５インチ、１．００インチ及び１．２５インチとサイズはさまざまである。以下に説明する図１６に、例示の装置の概念図を示す。球のＸ線写真を撮ってその像をＸ写真上に遠として投影する。
【００３７】
当業者は、ＡＰや横方向Ｘ線写真ではなく斜めのＸ線写真を撮ることが可能であることを認識されるであろう。この異なった幾何学的形状は、以下に説明するような方法を実施する際に考慮に入れる必要がある。また、球体以外の形状を撮像デバイス中で用いるが、そうしないと、ポストの端がデジタルＸ線写真上で点として作用してこの形状が消滅しかねない。次に、デジタルＸ線処理を変更して、この採用された形状がデジタルＸ線写真像上に投影されるようにする。
【００３８】
前記の先行技術には、立体赤外線カメラを用いて、各々の端に球を持つ互いに直交している３つのポストとこの3つのポストが全部接合されている点にある第４の球を外科医が持っている機器の上に備えることによってその機器の位置を決定する立体赤外線カメラを用いる技法が含まれる。本発明は、この先行技術とは区別することが可能である。上記の先行技術による技法では、外科医が作用している組織をコンピュータで生成した像を用いる。この像は、患者の一般的なパラメータに基づいている。この先行技術による技法とは異なって、本発明では骨片の実際の像を用いるが、それは「一般的な」骨折や変形は存在しないからである。また、先行技術による外科技法は、赤外線に対する球の反射率に基づいて、機器が移動するに連れてそれを撮像システムが「見える」ようにさせるものである。本発明では、これらの球を用いて、デジタル式もしくはデジタル化されたＸ線写真又は類似の像上に骨折もしくは変形又は他の組織塊の像を形成し、これで撮像デバイス上の球の既知の構成に基づいてこの組織塊を特徴付けする。
【００３９】
ステップ５１０で、初期入力設定が確立される。このステップでは、Ｘ線のデジタル像をコンピュータで読み取って、投影された像の特徴が設定され、また、デジタル像処理設定が確立される。これらのプロセスによって、Ｘ線写真像を後で評価する再に用いられる入力パラメータが提供される。このステップは、図６を参照して以下にさらに詳しく説明する。
【００４０】
ステップ５２０で、デジタルＸ線写真上の像のエッジが決定される。すなわち、Ｘ線写真像全体を構成する個々の形状のエッジが決定される。これらの形状は、撮像デバイス、固定器デバイス又は骨片などの組織に対応する。各々のＸ線写真のビットアップ像内にある画素はその各々が、隣接する画素に含まれる強度値を基準として評価される。隣接する画素の強度の比が指定された勾配値より小さければ、画素値は最大強度（２５５）に設定される。逆に、隣接する画素の強度の比が指定された勾配値より大きければ、画素値は最小強度（０）に設定される。このプロセスによって、Ｘ線写真内のエッジが強調される、すなわち、デジタルＸ線写真上にある全ての像のエッジの強度が最大化され、像の他の部分の強度が最小化される。図７に、像中の画素の相対的な位置を示す。「ｉ，ｊ」とラベル付けされている画素７１０は、評価中の画素である。画素７１０の強度を、評価プロセス中で隣接する画素７２０、７３０、７４０及び７５０と比較する。このプロセスはビットマップ像中の全ての画素に対して繰り返される。
【００４１】
ステップ５３０で、デジタルＸ線写真像内の考えられる円形の輪郭を識別する。言い換えれば、Ｘ線写真像全体を構成する個別の像の各々を評価して、その像が円を表しているかどうか判定する。この例示の実施形態では、互いに異なったサイズを持つ３つの球を互いに直交する３つの部分の端に取り付けて、Ｘ線写真上に像を投影するために用いられるデバイス、すなわち撮像デバイスを形成する。これらのデバイスの内の１つを、ピンクランプのところの例示の片側式固定器の遠位端と近位端の双方に取り付ける。Ｘ線源からのＸ線がこの撮像デバイスを通過すると、円形の影、すなわち像が全体的なＸ線写真像上に生成される。このＸ線はまた、骨片などのソフトな組織とハードな組織を、さらに多分固定器をも通過し、これで、これら構造体の全てによる像が全体的なＸ線写真像上に形成される。これで、円形の像を用いて、骨片又は他の組織塊を固定器デバイスを基準として特徴付けすることが可能である。
【００４２】
上記の像を走査して、各クランプアセンブリに帰属する座標系の軸を表す球の円形の影を表すことが可能な輪郭を求めるために、アルゴリズムを用いて所与のインクレメントで像行列を段階的に処理する。各々のデジタルＸ線写真像を行と列から成るグリッド系に分解する。開始点として、最大値（２５５）を有する次の画素を識別するために水平方向と垂直方向で探索を実行する始点となる中心画素を選択する。すなわち、この探索では、画素を上下及び左右方向に像のエッジとして識別することを試行する。中心画素自身が最大値（２５５）であれば、言い換えればエッジ上にあれば、その画素はスキップされる。くわえて、任意の方向に走査中に、走査されている画素の数が探索中の円の最大直径設定値を上回れば、その中心画素はスキップされる。この最大直径値は、このプロセスに対する入力パラメータであり、撮像デバイスに対応する円形の影がデジタルＸ線写真像上で有し得る最大の直径を表している。
【００４３】
デジタルＸ線写真像の画素をそれぞれ順に走査する。この順番はデジタルＸ線写真像に沿って水平又は垂直に移動したりランダムであったりする。一旦像全体を走査すると、中心軸の位置を、各中心画素の上下左右のエッジに対応する４つの画素と一緒にコンピュータ記憶デバイス中の、各デジタルＸ線写真像の値のテーブルにストアする。図８に、３つの中心画素８２０、８５０、８８０に対するこのプロセスを示す。中心画素８２０の場合、上側エッジ８２１、下側エッジ８２２、左側エッジ８２３及び右側エッジ８２４がストアされる。同様に、中心画素８５０の場合、上側エッジ８５１、下側エッジ８５２、左側エッジ８５３及び右側エッジ８５４がストアされ、中心画素８８０の場合、上側エッジ８２１、下側エッジ８２２、左側エッジ８８３及び右側エッジ８８４がストアされる。中心画素８２０の上側エッジと下側エッジの画素は、中心画素８８０の上側エッジと下側エッジの画素と同じであることに注意すること。このプロセスは手に入るＸ線写真像の各々に対して繰り返される。
【００４４】
ステップ５４０で、考えられる円形の像を半径と中止に値という点で特徴付けする。言い換えれば、撮像デバイス上の球の投影に対応する円形像である可能性があると識別されたデジタルＸ線写真全体上の個別の像の各々を評価して、その像が実際に円であるかどうか判定する。このステップを、図９を参照して以下により詳細に説明する。当業者は、撮像デバイス上で他の形状、すなわち休憩以外の形状を用いた場合、撮像デバイス上で用いられる特定の形状を表す幾何学的パラメータをステップ５４０で決定する。
【００４５】
ステップ５５０で、ステップ５４０で識別された円形画像をデジタルＸ線写真像上に重畳する。すなわち、ステップ５４０で計算された像を、コンピュータによってデジタルＸ線写真像の上に置く。このプロセスには、ステップ５４０で決定された特徴を持つ円をデジタルＸ線写真像上に生成し、しかもこれらの重畳された円形の像が全体的なデジタルＸ線写真像上のなんらかのオリジナルの像と区別されるようにするステップが含まれる。このステップを用いて、ステップ５４０で識別された円形の像が、各ピンクランプアセンブリに取り付けられた撮像デバイスを記述する球のＸ線写真上の円形の影を表していることを確認する。
【００４６】
ステップ５６０で、骨片の解剖学的軸を決定する。ステップ５７０で、近位と遠位の座標系を特徴付けする。「近位」と「遠位」という用語は、レンジの固定器上でのクランプアセンブリの相対的な位置に関連する用語である。ステップ５８０で、骨片の位置を特徴付けする。これらのステップを、図１４、図１５、図１６をそれぞれ参照して以下により詳細に説明する。
【００４７】
図６に、本発明の例示の実施形態による初期入力パラメータを確立するプロセス５１０のフローチャートを示す。図５と図６を参照すると、ステップ６１０で、Ｘ線写真データ入力が決定される。このステップでは、撮られたＸ線写真のビットマップ又は他のタイプのデジタル像ファイルをコンピュータで読み取り、これで、それが本発明の例示の実施形態の作用を受けるようにする。このデータのソースはデジタル撮像Ｘ線写真機で生成されたファイルであったり、Ｘ線フィルムなどのアナログ像をデジタル化することによって生成されたファイルであったりする。Ｘ線写真像を評価するために用いられる追加の情報には、ドットパーインチ（ＤＰＩ）などの解像度が含まれる。
【００４８】
ステップ６２０で、撮像デバイスのデータ入力が決定される。この実施形態では、撮像デバイスは球とロッドを含んでいる。上述したように、例示のデバイスは３つの球を含んでおり、各々のロッドがその一方の端に球が取り付けられており、この３つのロッドの他方の端は原点と呼ばれる点で一緒に接合されている。１つのデバイスが例示の固定器１００（図１）の各々の端に取り付けられている。ステップ６２０で決定されたデバイスデータには、球の中心と原点との間の距離が含まれる。
【００４９】
当業者は、他のデバイス構成も用いられ得ることを認識されるであろう。このような構成の１つとして、原点、すなわち３つの球が全て接合される点に第４の球を備えているような構成がある。この構成では、以下に説明するように、原点をＸ線写真像に投影してＸ線写真像の評価を簡略化することが可能である。しかしながら、この構成はまた、さらなる円形像をＸ線写真上に追加することになるが、これが多分全体的なデジタルＸ線写真像を混乱させ、個々の円形像の識別をさらに困難なものとするであろう。
【００５０】
同様に、当業者は、この例で用いられる２つのデバイスは各々が互いに異なったサイズの球、合計で６つの互いに異なったサイズの球を有し、これで、Ｘ線写真上の円形像を区別しやすいようにしていることを認識するであろう。また、固定器のある点に１つのデバイスを取り付けて用いることも可能である。この場合、デバイスの入力もまた、Ｘ線に整合させた固定器のオリジナルの設定が含まれる。
【００５１】
ステップ６３０では、像処理のセットアップが発生する。ステップ５２０では、エッジを検出し易くするために、像のコントラストを増す。たとえば、１５５などの閾値を超える強度値を持つ画素は最大値である２５５という値にまで増す。閾値を超えない強度を持つ画素は、その強度が１桁減少する。たとえば、１００という強度値を持つ画素は１０まで値が減少する。
【００５２】
ステップ６４０で、デジタルX線写真ファイルないにある円形の像の位置を決定するためのセットアップパラメータを確立する。このようなパラメータには、たとえば０．７５という値の像エッジや、撮像デバイス上の球の投影物に基づいて生成された像を表すには大きすぎたり小さすぎたりする円形像をフィルタリングするために用いられる最小と最大の円の直径値を検出するためにステップ５２０で用いられる勾配値が含まれる。このステップの後、プロセス５１０は、プロセス２０１ｂのステップ５２０に移動する。
【００５３】
図９に、本発明の例示の実施形態にしたがって循環決定を実行するプロセス５４０のフローチャートを示す。図５と図９を参照すると、ステップ９１０で、プロセス２１０ｂのステップ５３０で識別された、考えられる円形の輪郭毎にその半径が決定される。上述したように、プロセス２１０ｂのステップ５３０と関連しており、また、図８に示すように、５つの点から成る集合をするが、これら５つの点は中心画素、上側画素、下側画素、左側画素及び右側画素であり、ここで、これら上下左右の点は像のエッジ上にあり、中心の点はその像の内部に位置している。ステップ５３０で収集された５点から成る集合の各々に対して、連続する辺「ａ」、「ｂ」、「ｃ」及び「ｄ」並びにメインの対角線「ｐ」と「ｑ」から四角形が形成される。図１０は、円形の輪郭の場合と同様にこのような四角形の内の１つをグラフで表示したものであるが、辺「ａ」、「ｂ」、「ｃ」及び「ｄ」並びにメインの対角線「ｐ」及び「ｑ」を示している。５点から成る各々の集合を、対面する辺の長さの積の和が対角線の長さの和に等しい場合にのみ連続する辺「ａ」、「ｂ」、「ｃ」及び「ｄ」並びに対角線「ｐ」及び「ｑ」を持つ凸形状の四角形は循環的であると述べるプトレマイオスの定理にしたがってその真円度に基づいて評価する。言い換えれば、この関係を次の方程式で説明するが、この式で変数「ａ」、「ｂ」、「ｃ」、「ｄ」、「ｐ」及び「ｑ」は図１０で表したとおりである。
【数４】
0004505333.tif 000006
【００５４】
この四角形の対辺の長さの積の和の対角線の長さの積に対する比が１に近づくほど、円形状が対象となる４点を通る確率が高くなる。したがって、循環性の閾値に達しないステップ５３０で決定された像をさらなる処理から選別して外すことが可能である。代替例では、像をすべてさらに処理して、これらが円形の像であるかないかを確認することが可能である。
【００５５】
５点から成る各集合によって生成された四角形を用いて、４つの三角形を作成する。各々の三角形を用いて、この三角形に外接する円の半径を計算する。図１１ａに、本発明の例示の実施形態にしたがってデジタル像の半径を特徴付けするために用いられる第１の三角形を描く。図１１ａの変数「Ｇ」は、図１０で識別されたような辺「ａ」、「ｄ」及び「ｐ」によって与えられる三角形の外接円の半径を表している。図１１ｂに、本発明の例示の実施形態にしたがってデジタル像の半径を特徴付けするために用いられる第２の三角形を描く。図１１ｂの変数「Ｇ」は、図１０で識別されたような辺「ａ」、「ｄ」及び「ｑ」によって与えられる三角形の外接円の半径を表している。図１１ｃに、本発明の例示の実施形態にしたがってデジタル像の半径を特徴付けするために用いられる第３の三角形を描く。図１１ｃの変数「Ｇ」は、図１０で識別されたような辺「ｂ」、「ｃ」及び「ｐ」によって与えられる三角形の外接円の半径を表している。図１１ｄに、本発明の例示の実施形態にしたがってデジタル像の半径を特徴付けするために用いられる第４の三角形を描く。図１１ｄの変数「Ｇ」は、図１０で識別されたような辺「ｃ」、「ｄ」及び「ｑ」によって与えられる三角形の外接円の半径を表している。この半径は、三角形の各辺の長さの積の三角形の面積の４倍に対する比に等しい。たとえば、図１１ａの半径の値の方程式は次のようになる。
【数５】
0004505333.tif 000007
【００５６】
一旦ステップ９１０で４つの三角形の外接円が決定されると、その円の中心がステップ９２０で決定される。この決定を達成するには、３つの角度であるα、β及びθを、図１１ａ〜１１ｄに図示する４つの三角形の幾何学に基づいて計算する。角度αとβの和である角度θは、既知の原点、大きさ及び開始方向を有するベクトルの回転角度を表している。このベクトルの原点は、描写されている三角形の便宜上の頂点である。ベクトルの大きさは、外接円の半径である。ベクトルの回転の開始方向は、原点から離れる便宜上の水平方向又は垂直方向の基準の方向である。図１１ｅ〜１１ｈにそれぞれ図１１ａ〜１１ｄの三角形の角の位置を示す。三角関数を用いて、各々の場合において角度αとβを解き、また、これら２つの角度の値の和は角度θの値に等しい。
【００５７】
一旦角度θを計算したら、以下の式を用いて、円の中心を決定する。式Ｉは、像の平面に対して垂直な軸の周りに反時計回り方向にポジで撮られたＡＰのＸ線写真像の回転行列を表している。横方向Ｘ線写真について同様の式を展開する。以下に提示する式では、Ｘ線写真の平面に対して垂直な軸は「Ｚ」軸である。式Ｊは、ＡＰのＸ線写真像の外接円の半径に等しい大きさを有するベクトルの開始方向である。これまた、横方向Ｘ線写真について同様の式を展開する。式Ｋは、外接円の中心に達するように角度θだけ回転されるベクトルＪの原点である。式Ｉ、Ｊ及びＫは、それぞれ図１１ｅ〜１１ｈに示す４つの三角形に関連するように添え字０、１、２及び３を用いる。また、式Ｋは図１０の四角形からの点、すなわち点Ｅ０、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５を用いている。これらの６つの変数はそれぞれ、中心点のｘ座標、中心点のｙ座標、頂部点のｙ座標、右側の点のｘ座標、底部点のｙ座標及び左側の点のｘ座標であり、これらを用いて四角形を形成し、これを用いて、円形像の半径と中心を決定する。Ｌ０、Ｌ１及びＬ２は４つの円の中心を表す。
【数６】
0004505333.tif 000008
0004505333.tif 000009
【００５８】
ステップ９３０で、像をフィルタリングする。最初に、各円形像の半径の平均と分散が、各三角形の４つの計算値に基づいて決定される。次に、この平均値を分析用に設定された最大値及び最小値と比較する。最小値より小さい又は最大値より大きい半径を持つ像は全てこれ以上考慮されない。これらの最大値と最小値は、固定器に取り付けられた撮像デバイスによって形成される円形像のサイズの期待値に基づいている。
【００５９】
ステップ９４０で、ＡＰのＸ線写真上の像を次に、上で計算された像の円中心のｘ座標とｙ座標（又は横方向Ｘ線写真の場合はｙ座標とｚ座標）によってソーティングされる。各々の円中心位置の座標は他の円中心位置と比較される。このような位置の値は、ある許容範囲のレベル内にあれば、同じ円を表すものと判定される。このような場合、このような同じ円のデータは一緒に平均化されて、その円形の像の平均中心位置を得る。
【００６０】
ステップ９４０で、さらなる精緻化を実行する。考えられる円形の像を、極座標系を用いて評価される。このような像は、円形像の半径の計算値に等しい距離だけ中心位置から隔たったところで評価される。たとえば２２．５度というインクレメントで円の周りでの評価が進捗するので、像は中心から半径に等しい距離だけ隔たった各々の点で２５５という強度値を有するべきである。この精緻化によって、初期のフィルタを通過した像は円であって、たとえば方形ではないことが確認される。図１２に、本発明の例示の実施形態にしたがって極座標を用いてデジタル像から円形像を精緻化する動作を示す。
【００６１】
代替の実施形態では、撮像デバイス上球に対応する、考えられる円形の像を、ユーザが、たとえば、ポインティングデバイスとグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）を用いたりして識別する。ユーザはポインティングデバイスを用いて、円の内部にある点をクリックする。このステップを用いて、手動で像をフィルタリングすることによって計算をスピードアップすることが可能である。Ｘ線写真の品質が悪くて撮像デバイスと関連する像を正しく識別できない場合にも、このステップを用いることが可能である。
【００６２】
図１３に、本発明の例示の実施形態にしたがって骨片の解剖学的軸を決定するプロセス５６０のフローチャートを示す。図５と図１３を参照すると、ステップ１３１０で、スナップ点を骨片の像の上に置く。この例示の実施形態では、スナップ点は、骨片をコンピュータで生成した像の上にデジタルＸ線写真像に基づいて、多分ＧＵＩを用いて置かれる。各々の断片の上に１つのスナップ点を置き、これで、一旦低減状態になったら、すなわち一旦変形が修正されたら、このような点は同一の広がりを持つ。第２のスナップ点が各断片の解剖学的軸に沿って追加される。これらの点から解剖学的軸は展開される。
【００６３】
ステップ１３２０で、解剖学的軸の勾配と縦方向切片が決定される。この決定は、基線方程式ｙ＝ｍｘ+ｂを用いて成されるが、ここで「ｍ」は基線の勾配であり「ｂ」は縦方向、すなわち「ｙ」切片である。ステップ１３３０で、解剖学的軸を表す各々の線の像がＸ線写真像上に重畳されて、分析結果を確認する。次に、プロセス５６０はプロセス２１０ｂのステップ５７０に進む。図１４に、本発明の例示の実施形態にしたがって前記断片の位置を特徴付けするために用いられる骨片の解剖学的軸の描写図を示す。像１２００はＡＰのＸ線写真上に重畳された軸を示し、像１２５０は横方向ＡＰのＸ線写真上に重畳された同じ像を示している。特徴物１４１０、１４２０、１４３０及び１４４０は、断片を基準とした撮像デバイスの方位を示している。
【００６４】
図１５に、本発明の例示の実施形態にしたがって近位の座標系と遠位の座標系を特徴付けするプロセス５７０のフローチャートを示す。図５と図１５を参照すると、ステップ１５１０で、円の位置と半径のデータを含む最終行列を中心位置によってソーティングする。このソーティングによって、固定器の遠位端に取り付けられた撮像デバイスを表す円を固定器の近位端に取り付けられた撮像デバイスを表す円から分離する。
【００６５】
ステップ１５２０で、これら２つのＸ線写真像の倍率を計算する。Ｘ線の機械とフィルムなどの媒体との物理的方位のため、投影された像のサイズが、像を形成していた構造体の実際のサイズとは異なったものとなる。この倍率は、上記のプロセスで測定された６つの球の直径の和のこれらの球の直径の実際の和に対する比である。
【００６６】
ステップ５４０で、撮像デバイスを用いた結果としてのＸ線写真上での円形像の中心と半径を決定する。ＡＰのＸ線写真の場合、球の中心のｘ座標とｙ座標は決定されている。横方向のＸ線写真から、ｙ座標とｚ座標が決定されている。各々の円のｙ座標に対する値が２つ決定されているため、ＡＰのＸ線写真と比較した場合の横方向のＸ線写真のオフセットを決定することが可能である。この決定はステップ１５３０でなされ、このオフセット値は６つの円の中心に対するオフセットの平均値に設定される。
【００６７】
ステップ１５４０で、撮像デバイス上の各球に対する単位ベクトルが決定される。単位ベクトルの一方の端点は円の中心である。このベクトルの長さは、この球を撮像デバイス上の共通の点に接続するロッドの長さである。ステップ１５５０で、これらのベクトルを表す式の同時解は、デジタル像上に置かれる各々の撮像デバイスの原点、すなわち共通の点を考慮に入れている。代替実施形態では、第４の球を原点のところに置くことが可能であるが、このステップはスキップすることが可能である。
【００６８】
ステップ１５６０で、本システムの直交性をチェックすることが可能である。X線写真像の歪がひょっとしてあると、そのため、撮像デバイスから得られた像が直交しない。このステップでは、直交性をチェックして歪みを発見する。歪みのレベルが閾値を超えている場合、この像は修正されるが、この際、撮像デバイスの円形の像の方位を利用して、像を調整するためのモデルとして機能するようにする。プロセス５７０は次にプロセス２１０ｂのステップ５８０に進む。
【００６９】
図１６に、本発明の例示の実施形態にしたがってデジタル像上に像を投影するために用いられるデバイスの軸系の描写図を示す。この像１６００は、互いに直交して対向しており、共通の原点から放射状に存在している可変サイズの球を示している。当業者は、直交系を用いる必要はないことを認識するであろう。実際、いかなる座標系でも、それが既知のものである限り、言い換えれば撮像デバイスの物理的構成を分析者が知っている限り、用いてもよい。たとえば、計算の速度と精度とは、球同士間の距離を最大化し、これで像中の混乱を回避することによって高められる。この間隔を最大にする動作は、非直交性の座標系を用いると容易となる。
【００７０】
図１７に、本発明の例示の実施形態にしたがって骨片を特徴付けするプロセス５８０のフローチャートを示す。図５、１５及び１７を参照すると、ステップ１７１０で、ステップ１５２０で決定された倍率を用いて、ステップ５６０で決定された解剖学的軸で表された骨折の記述を、ビットマップ単位から実際の単位に変換する。ステップ１７２０で、ステップ１５３０で計算された軸方向のオフセットをこの骨折を記述している行列に応用する。
【００７１】
ステップ１７３０で、各断片の各解剖学的軸の方程式を、操作された行列に基づいて再度計算する。骨片の各々、すなわち近位と遠位のそれに対する解剖学的軸の方程式を決定するために、最初に、近位の断片の解剖学的軸がその内部に存在するＡＰのＸ線写真像に対して垂直な平面の方程式を決定する。また、遠位の断片の解剖学的軸がその内部に存在するＡＰのＸ線写真像に対して垂直な平面の方程式が決定される。同じプロセスを横方向Ｘ線写真に対して繰り返す。次に、各々の断片に対応するこの一対の平面の交点を取って、対象となる断片の解剖学的軸と同一線上にある線の方程式を計算する。
【００７２】
ステップ１７４０で、これら断片の軸回転角度を計算する。Ｘ線写真特徴付けアルゴリズムでは断片の軸回転角度を確認することは不可能であるため、ＡＰのＸ線写真と横方向のＸ線写真の双方に対して垂直な平面上に投影される線を双方の前方のマーカーが持つようであれば、これらのマーカーのその投影された線はちょうど前方の方向を指しているものと仮定する。解剖学的マーカーは、骨片構造体又は他の組織構造体と関連する身体の基準となる構造体である。解剖学的マーカーは、たとえば、遠位の断片としては足であり近位の断片としては膝のお皿である。このような情況は常に当てはまるとは限らないので、一方の断片の他方の断片に対する回転角度の臨床的な評価は一般的に、他方の断片の解剖学的軸が基準断片の解剖学的軸に対して垂直である平面上に投影されている状態でこれら断片の内の一方の断片の軸に沿って観察することによってなされる。次に、この観察された角度精密測定値を用いて、最初は軸方向回転角度がゼロであった他方の断片を記述している座標系を変換する。
【００７３】
当業者は、上記の図５に示すように、プロセス２１０ｂの技法は他の医学の分野にも応用可能であることを認識するであろう。たとえば、撮像デバイスを、内臓系を含んでいるＸ線写真上に投影することが可能である。次に、投影された円を評価することによって、医師はこの撮像された器官系を特徴付けすることが可能である。この撮像プロセスによって、患者に対するより回避知的な処置を避けることが可能である。このデジタル像を図５のそれに類似した方法で評価する。投影された球を配置する。Ｘ線写真像上のこれら球の方位によって、特定の組織がどのような方位であるかを、骨片の特徴付けに類似した仕方で特徴付けすることが可能である。
【００７４】
当業者は、本発明は、固定器又は他の医療デバイスの適切な構成を決定して、そのデバイスの連鎖を表す連立方程式を解くことによって所与の変形を修正する方法をサポートすることを認識するであろう。当業者は、また、Ｘ線写真、臨床評価又はこれら双方の組み合わせを用いて、撮像デバイスから得られた像とデジタルＸ線写真との利用法を含む遠位と近位の取り付けの特徴付けを決定し、これで、医師が測定値を取る必要性が軽減又は解消されることを認識するであろう。この技法は他の医療評価にまで拡張することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】例示の片側式固定器のイメージ図である。
【図２】本発明の固定器デバイスの正しい方位を確立する例示の方法のプロセスフローチャートである。
【図３】本発明の例示の実施形態による例示の固定器の取り付け状態を特徴付けするプロセスのフローチャートである。
【図４】図４ａは本発明の例示の実施形態の軸方向回転のイメージ図であり、図４ｂは本発明の例示の実施形態の軸方向回転のイメージ図であり、図４ｃは本発明の例示の実施形態の軸方向回転のイメージ図であり、図４ｄは本発明の例示の実施形態の軸方向回転のイメージ図である。
【図５】本発明の代替の例示実施形態による例示の固定器の取り付け状態を特徴付けするプロセスのフローチャートである。
【図６】本発明の例示の実施形態による初期入力パラメータを確立するプロセスのフローチャートである。
【図７】本発明の例示の実施形態によるデジタル像中の隣同士の画素の描写図である。
【図８】本発明の例示の実施形態によるデジタル像中のエッジ像の描写図である。
【図９】本発明の例示の実施形態によるデジタルＸ線上の円形像を特徴付けするプロセスのフローチャートである。
【図１０】本発明の例示の実施形態によるデジタル像中のエッジ像の真円度を決定する動作の描写図である。
【図１１】図１１ａは本発明の例示の実施形態によるデジタル像の半径を特徴付けするために用いられる第１の三角形の描写図であり、図１１ｂは本発明の例示の実施形態によるデジタル像の半径を特徴付けするために用いられる第２の三角形の描写図であり、図１１ｃは本発明の例示の実施形態によるデジタル像の半径を特徴付けするために用いられる第３の三角形の描写図であり、図１１ｄは本発明の例示の実施形態によるデジタル像の半径を特徴付けするために用いられる第４の三角形の描写図であり、図１１ｅは本発明の例示の実施形態によるデジタル像の中心を特徴付けするために用いられる第１の三角形の描写図であり、図１１ｆは本発明の例示の実施形態によるデジタル像の中心を特徴付けするために用いられる第２の三角形の描写図であり、図１１ｇは本発明の例示の実施形態によるデジタル像の中心を特徴付けするために用いられる第３の三角形の描写図であり、図１１ｈは本発明の例示の実施形態によるデジタル像の中心を特徴付けするために用いられる第４の三角形の描写図である。
【図１２】本発明の例示の実施形態にしたがって極座標を用いてデジタル像から円形像を精緻化する動作の描写図である。
【図１３】本発明の例示の実施形態にしたがって骨片の解剖学的軸を決定するプロセスのフローチャートである。
【図１４】本発明の例示の実施形態にしたがって前記断片の位置を特徴付けするために用いられる骨片の解剖学的軸の描写図である。
【図１５】本発明の例示の実施形態にしたがって近位の座標系と遠位の座標系を特徴付けするプロセスのフローチャートである。
【図１６】本発明の例示の実施形態にしたがってデジタル像上に像を投影するために用いられるデバイスの軸系の描写図である。
【図１７】本発明の例示の実施形態にしたがって骨片を特徴付けするプロセスのフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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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１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１１ｄ】
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【図１１ｅ】
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【図１１ｆ】
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【図１１ｇ】
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【図１１ｈ】
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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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