(57)【要約】関節の関節点を決定する非侵襲的方法を開示している。本方法は、関節の両側の付属物に取り付けられた赤外線を放射する、または反射するマーカの位置を追跡するステレオ・カメラを有する外科手術用のナビゲーション・システムを使用する。可動式のマーカは、付属物上の周知の目印を触診してそれらの位置を決定するために使用される。付属物は動かされ、目印の関節に対する相対的な軌跡が決定される。カメラからの位置情報は常駐ソフトウェアを有するデータ処理システムへ供給され、ソフトウェアは位置情報及び軌跡を使用し、運動学的法則に従って関節の関節点位置を数学的に決定する。
2006508719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの略剛性体の間にある中央関節の関節点の位置を決定する方法であって、
前記中央関節が、該中央関節に対して末梢側の前記第１及び第２の剛性体の端に位置する第１及び第２の外側関節の間に位置するものにおいて、
前記中央関節におおよそ位置する前記第１の剛性体上の第１の点の位置を識別するステップと、
前記第１の外側関節における前記第１の剛性体の第１の関節点の位置を決定するステップと、
前記第１の関節点と前記第１の点との間に第１の軸を規定するステップと、
前記中央関節と反対側の両側にある前記第１の剛性体上の第２及び第３の点の個々の位置を識別するステップと、
前記第１の軸に略垂直でありかつ前記第２及び第３の点に対してそれぞれ略同一の直角距離において平面を規定するステップであって、前記平面と前記第１の軸との交点が前記中央関節の前記関節点の最初の推定点であるステップと、
前記第２の外側関節における前記第２の剛性体の第２の関節点の位置を決定するステップと、
前記平面内に予め決められたサイズを有する領域を規定するステップであって、前記領域は前記中央関節の前記関節点の前記最初の推定点を含むステップと、
前記中央関節を中心にして前記第２の剛性体を回転させることにより、前記第２の関節点を前記第１の剛性体に対して相対移動させるステップと、
前記第２の剛性体の前記回転の間に前記第２の関節点の複数の異なる位置を識別するステップと、
前記領域内の複数の点の中から、前記第２の関節点の前記位置の各々に対するその位置が略不変である１点を決定するステップであって、前記１点が前記中央関節の前記関節点であるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記第１の関節点の位置を決定するステップが、
上記第１の外側関節を中心にして上記第１の剛性体を回転させることにより上記第１の点を動かすステップと、
上記第１の外側関節を中心とする上記第１の点の動作中に上記第１の点の複数の位置を識別するステップと、
上記第１の点の上記位置の全てに対して略同一の距離を有する上記第１の外側関節における共通の点を数学的に決定するステップであって、上記共通の点が上記第１の関節点であるステップと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記第２の関節点の位置を決定するステップが、
上記第２の外側関節の反対側の両側の第４及び第５の点の個々の位置を識別するステップと、
上記第４及び第５の点の間に第１の線を規定するステップと、
上記第１の線に略垂直でありかつ上記第４及び第５の点から略等距離にある平面内に位置する第６の点の位置を識別するステップと、
上記第６の点から上記第１の線と交点で交わるように第２の線を投影するステップであって、上記第２の線が上記第１の線に略垂直であり、上記交点が上記第２の関節点であるステップと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記略不変である点が、上記第２の関節点の上記位置の全てについて上記点と上記第２の関節点との距離の最小基準偏差を有する上記領域内の１点によって規定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記第２の関節点を動かすステップが、まず上記第２の剛性体を上記第１の剛性体に対して略垂直を成すように配向することと、上記第２の剛性体を上記第１の剛性体に対して上記中央関節を中心に約１０゜乃至約９０゜の角度で回転させることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
上記第２の剛性体が約１０゜乃至約４０゜の角度で回転されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
上記領域が、上記中央関節の上記関節点の上記最初の推定点を中心とする円を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
大腿骨と脛骨との間にある膝関節の関節点の位置を決定する方法であって、
前記膝関節が、膝蓋骨と内側及び外側上顆とを含み、かつ前記膝関節に対して末梢側の前記大腿骨及び前記脛骨の各端に位置する股関節と足根関節との間に位置するものにおいて、
前記膝蓋骨の位置を識別するステップと、
前記股関節における前記大腿骨の関節点の位置を決定するステップと、
前記大腿骨の関節点と前記膝蓋骨との間に延びる大腿軸を規定するステップと、
前記内側及び外側上顆の位置を識別するステップと、
前記大腿軸に略垂直でありかつ前記内側及び外側上顆の前記位置に対して各々略同一の直角距離において平面を規定するステップであって、前記平面と前記大腿軸との交点が前記膝関節の前記関節点の最初の推定点であるステップと、
前記平面内に予め決められたサイズを有する領域を規定するステップであって、前記領域は前記膝関節の前記関節点の前記最初の推定点を含むステップと、
前記足根関節における前記脛骨の関節点の位置を決定するステップと、
前記膝関節を中心にして前記脛骨を回転させることにより、前記脛骨の関節点を前記大腿骨に対して相対移動させるステップと、
前記脛骨の前記回転の間に前記脛骨の関節点の複数の異なる位置を識別するステップと、
前記領域内の複数の点の中から、前記脛骨の関節点の前記位置の各々に対するその位置が略不変である１点を決定するステップであって、前記１点は前記膝関節の前記関節点であるステップと、
を含む方法。
【請求項９】
上記大腿骨の関節点の位置を決定するステップが、
上記股関節を中心にして上記大腿骨を回転させることにより上記膝蓋骨を動かすステップと、
上記股関節を中心とする上記膝蓋骨の動作中に上記膝蓋骨の複数の位置を識別するステップと、
上記膝蓋骨の上記位置の全てに対して略同一の距離を有する上記股関節における共通の点を数学的に決定するステップであって、上記共通の点が上記大腿骨の関節点であるステップと、
を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
上記足首における上記脛骨の関節点の位置を決定するステップが、
上記足根関節の両側の内果及び外果の各位置を識別するステップと、
上記脛骨の矢状面内に位置する上記足首の関節点の位置を識別するステップと、
上記内果及び外果の間に第１の線を規定するステップと、
上記関節点から上記第１の線と交点で交わるように第２の線を投影するステップであって、上記第２の線が上記第１の線に略垂直であり、上記交点は上記脛骨の関節点であること、
を特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
上記略不変である点が、上記脛骨の関節点の上記位置の全てについて上記点と上記脛骨の関節点との距離の最小基準偏差を有する上記領域内の１点によって規定されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
上記脛骨の関節点を動かすステップが、まず上記脛骨を上記大腿骨に対して略垂直に配向することと、上記脛骨を上記大腿骨に対して上記膝関節を中心に約１０゜乃至約９０゜の伸長角度で回転させることを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
上記脛骨が約１０゜乃至約４０゜の角度で回転されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
上記領域が、上記関節点の上記最初の推定点をその中心として有する予め決められた直径の円を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
脚の大腿骨と脛骨との間にある膝関節の関節点の位置を決定する方法であって、
上記膝関節が、膝蓋骨と内側及び外側上顆とを含み、かつ上記膝関節に対して末梢側の上記大腿骨及び上記脛骨の各端に位置する股関節と足根関節との間に位置するものにおいて、
上記大腿骨を含む上記脚の一部に第１のマーカを固定するステップと、
上記脛骨を含む上記脚の一部に第２のマーカを固定するステップと、
測定デバイスを使用して上記第１及び第２のマーカの空間位置を識別するステップと、
第３のマーカを使用して上記膝蓋骨を触診するステップと、
上記測定デバイスを使用して上記膝蓋骨の位置を識別し、上記膝蓋骨を触診するステップの間に上記第３のマーカの空間位置を測定するステップと、
測定デバイスからマーカの位置データに対応する信号を受信するように適合化されたデータ処理システムを使用して大腿骨の関節点の位置を決定するステップと、
上記データ処理システムを使用して上記大腿骨の関節点と上記膝蓋骨との間に延びる大腿軸を数学的に規定するステップと、
上記第３のマーカを使用して上記内側及び外側上顆を触診するステップと、
上記測定デバイスを使用して上記上顆の位置を識別し、上記上顆を触診するステップ中に上記第３のマーカの空間位置を測定するステップと、
上記データ処理システムを使用して、上記大腿軸に略垂直でありかつ上記内側及び外側上顆の位置に対して各々略同一の直角距離において数学的に平面を規定するステップであって、上記平面と上記大腿軸との交点は上記膝関節の上記関節点の最初の推定点であるステップと、
上記平面内に予め決められたサイズを有する領域を規定するステップであって、上記領域は上記膝関節の上記関節点の上記最初の推定点を含むステップと、
上記足根関節における上記脛骨の関節点の位置を決定するステップと、
上記膝関節を中心にして上記脛骨を回転させることにより、上記脛骨の関節点を上記大腿骨に対して相対移動させるステップと、
上記測定デバイスを使用して上記脛骨の関節点の複数の異なる位置を識別し、上記脛骨の関節点の動作の間に上記第１及び第２のマーカの位置を測定するステップと、
上記データ処理システムを使用して上記領域内の複数の点の中から上記脛骨の関節点の上記位置の各々に対するその位置が略不変である１点を数学的に決定するステップであって、、上記１点は上記膝関節の上記関節点であるステップと、
を含む方法。
【請求項１６】
上記大腿骨の関節点の位置を決定するステップが、
上記股関節を中心にして上記大腿骨を回転させることにより上記膝蓋骨を動かすステップと、
上記股関節を中心とする上記膝蓋骨の動作中に上記膝蓋骨の複数の位置を識別するステップと、
上記膝蓋骨の上記位置の全てに対して略同一の距離を有する上記股関節における共通の点を数学的に決定するステップであって、上記共通の点は上記大腿骨の関節点であるステップと、
を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
上記足根関節において上記脛骨の関節点の位置を決定が、
上記足根関節の内果及び外果を上記第３のマーカで触診するステップと、
上記測定デバイスを使用して上記果の個々の位置を識別し、上記果の上記触診の間に上記第３のマーカの空間位置を測定するステップと、
上記脛骨の矢状面において上記足首の関節点を上記第３のマーカで触診するステップと、
上記測定デバイスを使用して上記関節点の位置を識別し、上記関節点の上記触診の間に上記第３のマーカの空間位置を測定するステップと、
上記データ処理システムを使用して、上記内果及び外果間に第１の線を数学的に規定するステップと、
上記データ処理システムを使用して、上記関節点から上記第１の線と交点で交わるように第２の線を数学的に投影するステップであって、上記第２の線は上記第１の線に略垂直であり、上記交点は上記脛骨の関節点であるステップと、
を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
上記略不変である点が、上記脛骨の関節点の上記位置の全てについて上記点と上記脛骨の関節点との距離の最小基準偏差を有する上記領域内の１点によって規定されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節、特に膝関節の関節点の位置を手術前に決定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば内部人工器官による股関節及び膝関節の置換、外反膝（Ｘ脚）及び内反膝（Ｏ脚）等の膝の変形の骨切り術による矯正である整形外科手術を成功させるためには、手術を受ける関節の関節点の位置を正確に知ることが必要である。関節点は、関節で接続されている骨がそれを中心にして回転する想像上の関節の中心を表す。関節の関節点の認識精度が高いほど、結果的に置換関節は長持ちし、変形の矯正はより効果的になる。
【０００３】
整形外科手術を向上させるために、参照により本発明の開示に含まれるＣｉｎｑｕｉｎらに付与された米国特許第６，３８５，４７５号に開示されているようなナビゲーション・システムが開発されている。このシステムは、骨を接続する関節の両側にある骨に付けられるマーカを使用する。該マーカは、コンピュータ等のデータ処理システムに接続されるステレオ・カメラ・システムによって観察可能であり、コンピュータは、マーカの空間における位置を記録しかつソフトウェアを使用してこれらの骨の運動学的動作及び他の数学的パラメータ及び関係性を計算することができる。骨に付けられるマーカは、各骨に対する座標参照系を確立する。カメラによる観察が可能な追加的マーカは自由に移動可能であり、骨上の特定の目印を触診（触れる）して骨の座標参照系におけるその目印の位置を確認するために使用されることが可能である。このような目印の位置は、データ処理システムによって、関心の対象である関節で接続されているこれらの骨の相対運動と共に、整形外科手術をガイドするために必要とされる幾何学的及び運動学的関係性を計算するために使用される。これらのパラメータには、関節点または関節の中心が含まれる。
【０００４】
膝の中心等の関節点位置を決定するための現在の方法は、膝の関節を切開して膝の解剖学上の中心（大腿骨上の目印点）へのアクセスを確保し、可動マーカでこの点を触診して大腿骨に付されたマーカにより規定される大腿骨座標参照系に対する正確な空間的位置を規定できるようにすることを要求する。他の目印（同じく触診によって決定される内側及び外側上顆等）の位置との関連における解剖学上の膝の中心位置、及び大腿骨との脛骨の相対運動を使用して、データ処理システムのソフトウェアは大腿骨及び脛骨座標系における膝の中心の比較的正確な位置を計算することができる。膝の中心のこの位置は、次に、内部人工器官の配置を教える、または骨切り術における骨の切断をガイドするさらなる情報を提供するために使用される。
【０００５】
膝の中心位置を決定するために膝関節を外科的に切開する方法は、完全な膝関節形成術（膝置換）中等、予定された手術もやはり膝関節へ触れることを必要とする場合には容認できる。しかしながら、手術前診断を目的とする単なる情報収集または膝の変形を矯正する骨切り術等のさほど侵襲的でない処置の場合、解剖学上の中心を触診して膝の中心位置を規定するためだけに膝を切開することは不都合である。明らかに、膝の中心位置及び他の関節の関節点を決定するための非侵襲的方法が必要とされている。
【特許文献１】米国特許第5,249,581号
【特許文献２】米国特許第5,564,437号
【特許文献３】米国特許第5,611,353号
【特許文献４】米国特許第5,682,886号
【特許文献５】米国特許第5,871,018号
【特許文献６】米国特許第5,880,976号
【特許文献７】米国特許第5,961,474号
【特許文献８】米国特許第5,995,738号
【特許文献９】米国特許第6,002,859号
【特許文献１０】米国特許第6,162,190号
【特許文献１１】米国特許第6,385,475号
【特許文献１２】国際公開第WO02/47559号
【特許文献１３】国際公開第WO00/48507号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、２つの略剛性体の間にある中央関節の関節点位置を決定するための方法に関する。前記中央関節は、この中央関節に対して末梢側にある第１及び第２の剛性体端に位置する第１及び第２の外側関節の間に位置している。上記方法は、ほぼ上記中央関節に位置する上記第１の剛性体上の第１の点の位置を識別するステップを含む。次に、上記第１の外側関節における上記第１の剛性体の第１の関節点の位置が決定される。前記第１の関節点と先に決定された上記第１の点との間に、第１の軸が規定される。続いて、上記中央関節の両側にある上記第１の剛性体上の第２及び第３の点の各位置が識別される。上記第１の軸に略垂直でありかつ上記第２及び第３の点に対してそれぞれ略同一の直角距離において、平面が規定される。前記平面と上記第１の軸との交点は、上記中央関節の関節点の最初の推定点として使用される。次に、上記第２の外側関節における上記第２の剛性体の第２の関節点の位置が決定される。上記平面内には、予め決められたサイズの領域が識別されており、この領域は、上記中央関節の関節点の上記最初の推定点及び他の点を含む。次に、上記中央関節を中心にして上記第２の剛性体を回転させることにより、上記第２の関節点が上記第１の剛性体に対して相対移動される。上記第２の関節点の複数の異なる位置は、上記第２の剛性体のこの回転の間に識別される。上記領域内の複数の点の中から、上記第２の関節点の位置の各々に対するその位置が略不変である１点が識別され、この１点が上記中央関節の関節点になる。
【０００７】
本発明による方法は、大腿骨と脛骨との間の膝関節の関節点位置（膝の中心）の決定に特に適用可能である。この関節点位置を決定する上で重要な膝関節上の目印には、膝蓋骨（膝頭）並びに内側及び外側上顆（大腿骨が膝関節より上へ隆起した部分）が含まれる。本発明による膝関節点位置を決定する方法は、膝蓋骨の位置を識別することと、股関節における大腿骨の関節点位置を決定することとを含む。次に、この情報は大腿骨の前記関節点と膝蓋骨との間を伸長する大腿軸を規定するために使用される。続いて、内側及び外側上顆の位置が識別される。大腿軸に略垂直でありかつ内側及び外側上顆の位置に対してそれぞれ略同一の直角距離において、平面が規定される。前記平面と大腿軸との交点は、膝関節の関節点の最初の推定点である。
【０００８】
これらのステップに続いて、上記平面内に予め決められたサイズを有する領域が規定される。この領域は膝関節の関節点位置の上記最初の推定点を含み、好適にはこの点を中心とする円である。次に、足根関節における脛骨の関節点位置が規定され、この点は膝関節を中心にして脛骨を回転させることにより大腿骨に対して相対移動され、その一方で、この回転の間に脛骨の関節点の複数の位置が記録される。膝の関節点を含む上述の領域内における、脛骨関節点の位置の各々に対してその位置が略不変である１点が、膝の関節点として識別される。
【０００９】
上記略不変である点は、脛骨関節点の記録された全ての位置について、この点と脛骨関節点との距離の最小基準偏差を有する上記領域内の１点によって規定されるのが好ましい。
【００１０】
次のようにするのが好ましい。即ち、大腿骨関節点の位置を決定する上記ステップが、股関節を中心にして大腿骨を回転させることにより膝蓋骨を動かすステップと、股関節を中心とする膝蓋骨の動作中に膝蓋骨の複数の位置を識別するステップと、膝蓋骨の全ての位置に対して略同一の距離を有する股関節における共通の点を数学的に決定するステップとを含むことである。この共通の点が、大腿骨関節点である。
【００１１】
次のようにするのが好ましい。即ち、足首における脛骨関節点の位置を決定する上記ステップが、足根関節の両側の内果及び外果（隆起）の個々の位置及び脛骨の矢状面に位置する足首の関節点位置を識別するステップを含むことである。この位置情報を使用して、内果と外果との間に第１の線が規定され、上記関節点から上記第１の線と交点で垂直に交わるように第２の線が投影される。脛骨関節点は、これらの２線の交点として決定される。
【００１２】
本発明の目的は、関節の関節点または中心を決定するための方法を提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、関節の関節点を決定するための非侵襲的方法を提供することである。
【００１４】
本発明のさらに別の目的は、関節を外科的に切開する必要のない、関節の関節点を決定する方法を提供することである。
【００１５】
本発明のさらに別の目的は、関節の運動学及び触診技術によってその位置が識別され得る目印を基礎として関節の関節点を決定する方法を提供することである。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、関節の関節点を決定して関節に影響する骨切り術を実行するための情報をもたらす方法を提供することである。
【００１７】
これらの、及び他の目的及び優位点は、本発明の好適な実施形態の図面及び詳細な説明を考慮すれば明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、好適には本発明による膝の関節点位置を決定する方法ステップを実行するために使用される整形外科手術のナビゲーション・デバイス１０の一タイプを示す。但し、本方法は特定デバイスまたは特定の関節に一切限定されないことは理解される。
【００１９】
ナビゲーション・デバイス１０は、マーカ１８及び２０を異なる位置から捉えるために互いに離隔されている、よって両マーカの空間位置は異なるカメラにおけるマーカからの信号の到着時間の比較を基礎とする三角測量等の技術によって推論されることを可能にするカメラ１４及び１６等のセンサを有するステレオ・センサ・システム１２を備える。カメラ１４及び１６は、周囲の可視光内で使用可能であるように赤外線に感応する。
【００２０】
カメラ１４及び１６はマーカ１８及び２０の検出された位置を描写する信号を発生し、上記信号は、好適には常駐ソフトウェアを有するマイクロプロセッサを備えるデータ処理システム２２へ供給される。ソフトウェアは、カメラの信号を理解しかつ両マーカの位置を識別するように書かれ、上記位置は次に格納されかつさらなる情報を計算する、または演繹するために必要に応じて数学的に操作されることが可能である。ソフトウェアからの情報はコンピュータのモニタ２４によってシステムのユーザへ伝達され、ユーザはキーボード２６及びフットペダル２７によってソフトウェアと通信する。
【００２１】
マーカ１８及び２０は、患者の脚２８の、その関節点を決定すべき膝関節３０の両側に取り付ける。一のマーカ１８は大腿骨３４を含む上脚部３２に取り付けられ、もう一方のマーカ２０は脛骨３８を含む下脚部３６に取り付けられる。両マーカは、好適には個々のハーネス４０によって、一旦取り付けられると脚の上で各マーカの位置が変わらないように取り付けられる。ハーネス４０は、侵襲的な手術によらないマーカの取付けを可能にし、よって本発明の目的の１つが達成される。外科手術によって骨が露出される場合には、マーカは大腿骨及び脛骨へ直接取り付けられることも可能である。マーカは、脚に対するマーカの位置の移動ではなく常に脚部分の真の位置を表示するように、脚部分にしっかりと取り付けられることが重要である。これは、マーカの位置を基礎とする計算が何れも実際の脚の位置に関して意味のあるものとなることを保証する。
【００２２】
可動式のマーカ４２は脚の任意の部分には取り付けられず、脚に沿った任意の点に可変式に位置決めすることができる。マーカ４２は、先端４６を有するポインタ４４へ取り付けられる。マーカ４２に対する先端４６の相対位置はソフトウェアに認識されており、よって脚２８上の目印における先端４６の位置決め（「目印」の触診として知られている）は、ソフトウェアが定置のマーカ１８及び２０の位置に対する目印の相対位置を正確に識別することを可能にする。このような相対位置情報は、後述するように、膝関節点の位置の決定に必要とされるパラメータの計算に役立つ。
【００２３】
マーカ１８、２０及び４２はカメラ１４及び１６が捉えることのできる赤外線を発し、カメラ１４及び１６はマーカ１８及び２０が取り付けられている、またはマーカ４２が触診している身体の相対位置及び動作を捉えて追跡することが可能である。マーカは、それらの固有の赤外線を発生させるアクティブなエミッタを有する場合もあれば、ナビゲーション・デバイス１０に関連づけられる赤外線ソースからの赤外線を反射する受動式のエミッタである場合もある。
【００２４】
本発明による方法では、マーカ１８及び２０の位置はセンサ・システム１２によりデータ処理システム２２のソフトウェアによって識別される。図３に示すように、マーカの位置は、各々大腿骨３４及び脛骨３８上に基準座標系４８及び５０を確立する。脚２８上の目印の位置及び目印の相対移動及び大腿骨と脛骨との相対動作は、基準座標系内で識別されることが可能である。
【００２５】
方法の説明
以下、膝関節の関節点（「膝の中心」とも呼ぶ）位置を決定する方法について述べる。本方法は膝関節に限定されず、２つの剛性体を接続している任意の関節に関して使用されることが可能である。
【００２６】
図１を参照すると、本発明による方法はまず、マーカ１８が大腿骨３４を含む上脚部３２に取り付けられることを必要とする。マーカ２０は、脛骨３８を含む下脚部３６に取り付けられる。ハーネス４０によってしっかりと取り付けられると、マーカ１８及び２０はカメラ１４及び１６によって捉えられ、データ処理システム２２のソフトウェアによって各々大腿骨及び脛骨に取り付けられていることが明確にされる。図示されているアクティブな放射を行うマーカの場合、ソフトウェアは各マーカに関連づけられる通信ケーブル１８ａ、２０ａ及び４２ａを介して各マーカからの赤外線放射を制御する。従ってソフトウェアは、これらを一度に１つずつオンにすることにより、マーカを区別することができる。例えばマーカ１８である１つのマーカを常に上脚部３２上へ専用に配置し、もう一方のマーカ２０を常に下脚部３６上へ専用に配置しかつ第３のマーカ４２を可動マーカにすることが好適である。マーカのこの割付けはソフトウェアにプログラムされ、よってカメラ１４及び１６によってマーカが捉えられると、ソフトウェアはどのマーカが脚のどの部分にあるかを認識する。フットペダル２７は、ソフトウェアに応答して双方向的に通信するために使用され、マーカが所定の位置にあることを表示することが可能である。マーカ１８及び２０が図１に示すように所定位置にあると、モニタ２４に表示されるソフトウェアからのプロンプト・コマンドに応答してフットペダル２７が押され、マーカが所定位置にあって準備が整っていることが表示される。するとソフトウェアはマーカ１８及び２０を起動し、これらはカメラ１４及び１６によって読み取られる赤外線を発する。カメラはマーカの空間位置を識別してソフトウェアへ情報を送り、ソフトウェアはそれらの位置を記録して大腿骨及び脛骨に関する図３に示す基準座標系４８及び５０を数学的に確立する。
【００２７】
次に、図３に示すように、ポインタ４４の先端４６で膝蓋骨を触診する（触れる）ことにより、膝蓋骨５２（膝頭）の位置が識別される。触診の間、ポインタ４４に取り付けられた可動マーカ４２はカメラ１４及び１６によって捉えられ、膝蓋骨５２の位置がソフトウェアによって識別されかつこうして大腿骨及び脛骨の基準座標系４８及び５０の双方との相対位置が認識される。マーカ４２は、その先端４６が膝蓋骨５２上にあって、カメラ１４及び１６から捉えられ得る状態でポインタ４４を静止状態に保持し、次いで膝蓋骨の位置を入力するように要求するプロンプト・コマンドに応答してフットペダル２７を押すことにより、ソフトウェアによって双方向的に識別されてもよい。通信ケーブル１８ａ、２０ａ及び４２ａの使用により、ソフトウェアはマーカ１８、２０及び４２を順次起動し、これらの赤外線放射がカメラ１４及び１６によって捉えられ、ソフトウェアは３つのマーカを区別しかつカメラから情報を受信するとこれらの相対位置を識別し、記録することが可能である。
【００２８】
大腿骨の基準座標系４８における膝蓋骨５２の位置が認識されると、大腿骨の関節点５４は、モニタ２４上のプロンプト・コマンドに応答して図４の点線が示すように大腿骨３４を股関節５６を中心にして動かすことにより決定されてもよい。カメラ１４及び１６はマーカ１８の動きを観察し、マーカの幾つかの離散位置をソフトウェアへ信号で送る。ソフトウェアは、大腿骨の動作間にカメラによって観察されたマーカ１８の位置から膝蓋骨５２の位置を計算する。特に膝蓋骨５２は、その反対端が球関節（股関節５６）によってその動きを抑制されている剛性体（大腿骨３４）の端にあることから、ソフトウェアは、膝蓋骨がとる可能性のある位置は全て股関節の関節点を中心とする球上にあることを認識している。従って、大腿骨の動作間に観察されかつソフトウェアによって識別されるマーカの位置及び大腿骨マーカ１８に対する触診される膝蓋骨５２の周知の空間的関係性から、ソフトウェアは大腿骨の基準座標系４８における大腿骨の関節点５４を計算することが可能であり、関節点５４は、膝蓋骨５２の全ての位置に対しほぼ同じ距離を有する股関節における共通の点である。
【００２９】
大腿骨の関節点５４の位置が認識されると、大腿軸５８を確定することができる。図２に略示しているように、大腿軸５８は大腿骨の関節点５４（即ち股関節の中心）と膝蓋骨５２の位置との間に延びる想像線であり、ソフトウェアによって数学的に規定される。大腿軸５８は必ずしも大腿骨３４とは一致せず、後述のように膝の関節点の最初の推定点を決定するために内側及び外側上顆６０及び６２の個々の位置と併せて使用される。上顆は、大腿骨３４の両側から膝関節３０上へ突き出す隆起である。
【００３０】
図５に示すように、内側及び外側上顆６０及び６２の位置は各々、ポインタ４４の先端４６で各々を触診しかつ可動式のマーカ４２をカメラ１４及び１６で観察させることによって識別される。各上顆が触診されるにつれて、その個々の位置は、同じくモニタ２４上の双方向的なプロンプトに応答することにより簡便にソフトウェアによって識別され、ユーザはコマンドに応答してポインタ４４を適正に配置し、フットペダル２７を押す。次に、図２に示すように、ソフトウェアは平面６４を大腿軸５８に垂直に数学的に規定する。平面６４は、大腿軸に沿って、この平面が内側及び外側上顆６０及び６２の位置に対して各々ほぼ等しい直角距離６６及び６８を隔てて位置決めされる。平面６４と大腿軸５８との交点７０は、膝の関節点の最初の推定点である。最初の推定点７０が確立されると、平面６４内にこの推定点を含む領域７２が規定される。好適には、領域７２は、最初の推定点７０を中心とする直径１ｃｍの円である。領域７２は膝の関節点としての候補である複数の点を含み、好適には後述するような統計学的方法を使用してそのうちの１つが数学的に選択される。
【００３１】
次に、図２及び６に示すように、好適には内果及び外果７８及び８０の位置を使用して、足根関節７６における脛骨の関節点７４の定置マーカ２０に対する位置が決定される。果は、足根関節の両側の隆起である。内果及び外果７８及び８０の位置は各々、ソフトウェアによってプロンプトされると可動式のマーカ４２に取り付けられたポインタ４４の先端４６でこれらを触診することによって識別される。個々の触診の間、マーカ４２はカメラ１４及び１６によって観察され、カメラ１４及び１６は両果の個々の位置情報をソフトウェアへ信号で送る。フットペダル２７の作動は、先の触診の場合と同様にデータの捕捉を実行するために使用可能である。次に、足根関節７６の前点８２の位置は、脛骨３８の矢状面における前領域を触診することによって識別される。内果及び外果７８及び８０の位置が認識されると、ソフトウェアは内果及び外果７８及び８０間に想像線８４（図２参照）を数学的に規定する。前点８２の位置が認識されると、ソフトウェアは、前点８２から線８４と略垂直に交わる別の線８６を数学的に投影する。線８４と線８６とが交わる点７４は、脛骨の関節点として規定される。
【００３２】
図７に示すように、脛骨３８は次に、膝関節３０を中心にして指定された動作領域を介して回転される。好適には、脛骨３８はまず大腿骨３４に対して実質上直角に置かれ、次いで鎖線で示すように約１０゜乃至約９０゜の角度で、但し好適には約１０゜乃至約４０゜の角度でわん曲して（大腿骨から遠位へと）回転される。脛骨が動くと、脛骨の関節点７４は膝関節３０に対して軌跡８８を描いて移動し、その動きは約１０゜乃至約４０゜の角度動作をする蝶番に近似される可能性のある膝関節の性質、及び上記関節点は蝶番関節（膝３０）を中心にして動作可能な剛性体（脛骨３８）の端にあるという事実によって拘束される。カメラ１４及び１６は大腿骨３４上のマーカ１８に対する脛骨３８上のマーカ２０の動きを観察し、マーカ２０の複数の点の位置をソフトウェアへ信号で送る。ソフトウェアは、脛骨の全ての動きについて、脛骨の基準座標系５０における（即ちマーカ２０に対する）脛骨関節点７４の位置を認識する。ソフトウェアはこの情報を使用し、蝶番関節（膝関節３０）を中心にしてもう一方の剛性体（大腿骨３４）と相対的に回転する剛性体（脛骨３８）の制約によって規定される軌跡８８を介する（図２に示すように大腿骨の基準座標系４８に固定された）領域７２内の点に対する関節点７４の対応動作を計算することができる。ソフトウェアは次に、軌跡８８を介するその動きの間の脛骨関節点７４の位置情報を使用して、領域７２（図２参照）内の複数の点の中から特定の基準セットを基礎として膝関節点９０の位置の最良の推定点を表す点を選定する。
【００３３】
好適には、膝関節３０を中心とする軌跡８８に沿った脛骨関節点の複数の位置に対してほぼ不変である位置を有する領域７２内の点が、膝の中心または膝関節点９０として選択される。例えば、領域７２における、軌跡８８に沿った脛骨関節点７４の複数の位置に関して脛骨関節点７４との距離の最小標準偏差を有する点は、膝関節点または膝の中心９０として選択されてもよい。膝関節点９０の位置が決定される精度は、軌跡８８に沿って測定される脛骨関節点７４の位置の数、及び領域７２内のこれらの点の各々が比較される点の数の双方に比例する。概して、使用される点が多いほど、回答の精度は高くなる。位置の僅かな差を正確に測定するカメラの能力に関する固有の物理的限界、及びソフトウェアによって使用される数学的アルゴリズム内で蓄積される数値的誤差は、当然ながら回答の精度を制限する。
【００３４】
本発明による関節の関節点を決定する方法は、外科手術を必要とせず、よって外科医が患者に必要のない外傷を与えることを回避できるようにする、関節の中心位置に関する正確な手術前の情報を獲得するための迅速な処置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による関節の関節点を決定する方法を実行するために使用される装置の斜視図である。
【図２】本発明による方法によって膝の関節点を決定するために重要な様々な目印、骨及び数学的構成を示す略図である。
【図３】脚の骨格構造であって、本発明による方法の様々なステップを示す脚の正面図である。
【図４】脚の骨格構造であって、本発明による方法の様々なステップを示す脚の正面図である。
【図５】脚の骨格構造であって、本発明による方法の様々なステップを示す脚の正面図である。
【図６】脚の骨格構造であって、本発明による方法の様々なステップを示す脚の正面図である。
【図７】脚の骨格構造であって、本発明による方法の様々なステップを示す脚の正面図である。
【図１】
2006508719.tif 000003
【図２】
2006508719.tif 000004
【図３】
2006508719.tif 000005
【図４】
2006508719.tif 000006
【図５】
2006508719.tif 000007
【図６】
2006508719.tif 000008
【図７】
2006508719.tif 000009
【国際調査報告】
2006508719.tif 000010
2006508719.tif 000011