(57)【要約】少なくとも二つの物体間における最速ぶつかり検知の方法は、本質的に、ａ）少なくとも二つの物体（１，２）の三次元画像データを取得するステップ、及びコンピュータ（１１）によって物体（１，２）の表面点のデータセットを得るステップ、ｂ）物体（１，２）の各部に、各々少なくとも三つのマーカー（７）を具備する参照要素（５，６）を付着するステップ、及び位置測定装置（１４）により、マーカー（７）の三次元座標をオンサイト三次元座標系（４）に関して測定するステップ、また、物体（１，２）の移動の間、ｃ）二つの表面点（９，１０）が、個別の物体（１，２）の表面上の各々にあるかどうか、またどこにあるかを計算するステップ、さらに、二つの表面点（９，１０）が、コンピュータ（１１）によってオンサイト三次元座標系（４）内に同時に相互に接近してあるかどうか、またどこにあるかを計算するステップを具備している。
2004507288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも二つの物体間のぶつかり検知方法であって、
Ａ）少なくとも一つの三次元座標系に関して第１の二値データセットとして、該少なくとも二つの物体（１，２）の三次元画像データを画像取得手段により取得するステップ、
Ｂ）ステップＡ）の下で取得された第１の二値データセットを使用して、少なくとも一つの三次元座標系に関して物体（１，２）の各々の該三次元面上の複数点の第２の二値データセットをコンピュータ（１１）により得るステップ、
Ｃ）少なくとも三つのマーカー（７）を具備する参照要素（５，６）を物体（１，２）の各々に取り付けるステップ、
Ｄ）物体（１，２）の表面上の点とマーカー（７）との間の起こり得る関係を表現する、該少なくとも一つの三次元座標系とマーカー（７）位置との間の数学的関係を確立するステップ、
Ｅ）少なくとも一つの物体（１，２）をその他の物体と相対的に移動させるステップ、
Ｆ）位置測定装置（１４）により、マーカー（７）の三次元座標をオンサイト三次元座標系に関して測定するステップ、および
Ｇ）コンピュータ（１１）により、マーカー（７）の三次元座標を、オンサイト三次元座標系（４）に関して物体（１，２）の表面点の三次元座標に変換するステップ、
を具備し、さらに
Ｈ）コンピュータ（１１）により、各々が別々の物体（１，２）の表面上にあり、かつ互いにもっとも近接している二つの表面点（９，１０）が、オンサイト三次元座標系（４）内で一致しているか否か、およびどこで一致しているかを計算するステップ、
を具備することを特徴とするぶつかり検知方法。
【請求項２】
各々が別々の物体（１，２）の表面上にある二つの表面点（９，１０）が一致しているか否かおよびどこで一致しているかの計算は、高速ぶつかり検知アルゴリズムを通じて実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
高速ぶつかり検知アルゴリズムは、
ａ）物体（１，２）の表面像を得るステップ、
ｂ）空間係数を算出するための線形変換を定義するステップ、
ｃ）ぶつかりが発生する自由空間を制限するためのルックアップテーブルを構築するステップであり、それによって、ルックアップテーブルは、自由空間位置を表現する０と、占有位置のための１との二値の値の配列となり、ルックアップテーブルへの登録は空間指数となるステップ、
ｄ）ぶつかりの起こり得る位置を見つけるための限られた空間を探索するステップ、
を具備することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
画像取得手段が、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアを備えたコンピュータ（１１）を具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
画像取得手段が、超音波プローブを具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
画像取得手段が、放射エネルギー装置を具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
第１の二値データセットが、コンピュータ・断層撮影画像の区分化および再構成によって生成された二値のボクセル（ビットボリウム）の三次元配列であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
物体（１，２）の少なくとも一つが、外科用インプラントであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
物体（１，２）の少なくとも一つが、患者の解剖的構造の一部分であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１０】
物体（１，２）の少なくとも一つが、患者の骨あるいは骨片であることを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
医療画像ライブラリが、第１の二値データセットを受信するために用いられることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１２】
請求項１乃至１０のいずれか一つに記載された方法を使用する、少なくとも二つの物体間のぶつかり検知のための装置であり、かつ
Ａ）各々が少なくとも三つの非直線に配列されたマーカー（７）を有し、かつ、二つの物体（１，２）、特に骨、骨片、または、外科用インプラントに取り付け可能な少なくとも二つの参照要素（５，６）、
Ｂ）マーカー（７）のオンサイトの位置を決定するための位置測定装置（１４）、および
Ｃ）位置測定装置（１４）に接続され、かつ、三次元座標系（４）に関してマーカー（７）の位置を計算するソフトウェアを備えたコンピュータ（１１）、
を具備する装置であって、
Ｄ）本装置が、さらに二つの物体（１，２）間のぶつかりの発生を指摘する指摘手段を具備することを特徴とするぶつかり検知装置。
【請求項１３】
表示手段が、アラーム（８）を具備することを特徴とする請求項１２に記載のぶつかり検知装置。
【請求項１４】
アラームが、拡声器および音声を通じてぶつかりの発生を指摘するためにコンピュータ（１１）に接続されたボイスコーダーを具備することを特徴とする請求項１３に記載のぶつかり検知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の前置きにおいて明らかにした、少なくとも、二つの物体間のぶつかり検知の方法、および請求項１２の前置きにおいて明らかにした、少なくとも二つの物体間のぶつかり検知装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
外科介入を支援するためのコンピュータシミュレーションとして、患者の解剖学的構造部位および／またはインプラントの間のぶつかり検知は、しばしば主たる重要事項となっている。現存する文献において見られるぶつかり（衝突）検知の方法は、二つの理由のために不適当のようである。第一は、医療画像が全く不規則であり、かつ本質的に、非直線であるため、解剖モデルの多角的近似形が適当でないからである。第二は、最終結果が関心事であるのに、幾何学的および時間的一貫性が常に得られるとは限らないからである。
【０００３】
予め確立された手術計画データをコンピュータにローディングするステップ、該手術計画データに格納された身体部位の三次元コンピュータモデルを患者の身体部位に対応させるステップ、少なくとも一つの外科用器具を準備するステップ、患者の身体部位に関しその外科用器具を位置決めするステップ、および手術を実行するステップにより身体部位に手術を行う方法は、米国特許５，６８２，８８６で知られている。外科処置が実施される前に、身体部位の画像データが、放射エネルギー手段、例えば、磁気共鳴画像、Ｘ線装置、またはコンピュータ断層撮影画像装置を用いることにより集められなければならない。そして、そのようにして集められた画像データは、画像データを記憶するための記憶手段に格納され、格納された画像データは、その記憶手段とインターフェースで連結されたコンピュータに読み込まれる。これにより、コンピュータは、少なくとも一つの手順において生成される画像のための視覚表示手段を有する。
【０００４】
手術計画データは、身体部位の三次元コンピュータモデルと身体に関連してサイズおよび位置が定義された少なくとも一つのプロテーゼ（ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ）に関連するデータを備える。手術を実行する前に、身体部位の三次元コンピュータモデルが、適切な磁気装置、音波装置、または外部カメラにより検出される、発光ダイオードを備えた棒のような光学装置等の手段により、実際の身体部位にオンサイトに登録される。
【０００５】
さらに、この公知の外科処置のサブシステムは、患者の骨へのプロテーゼの配置を正確に案内することにより、外科医が手術前の計画を実行できるようにしている。このために、位置測定装置は、可動プローブ、外科用器具またはプロテーゼ構成部分の三次元位置をコンピュータに報告する。ＭＲ画像装置（磁気共鳴）が使用された場合、データの各点は、自動的に、三次元コンピュータモデルに身体部位および器具を登録するために収集される。このようなＭＲ画像装置の使用は、外科医に身体部位および器具のリアルタイム画像を提供する。ＭＲ画像装置の代わりに、手術中用のＣＴ装置（コンピュータ断層撮影）を使用してもよい。
【０００６】
この公知の方法は、二つの物体、例えば、身体部位と手術用器具とのぶつかりを画像装置、例えば、手術中用のＭＲ画像装置により、単にリアルタイムで検知できるだけという不都合を示している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記の不都合を軽減するためのものである。本発明は、ＭＲ装置、ＣＴ装置またはＸ線装置のような手術中の画像描写を必要とすることなく、登録装置を用いることによって、リアルタイムで二つの物体間のぶつかりを検知する方法の創作を提案するものである。
【０００８】
衝突検知（それはまた、干渉検知、接触判定あるいはぶつかり検知として知られている）の目的は、幾何学的な接触がまさに起こりそうになったとき、または実際に起こっているとき、その幾何学的な接触を自動的に報告することである［文献５参照］。この問題は、コンピュータ支援設計および機器類（ＣＡＤ／ＣＡＭ）、ロボット工学および自動制御、生産、コンピュータ・グラフィックス、アニメーション、並びにコンピュータでシミュレーションされる環境等において出くわすものである。これら適用範囲の多くにおいて、ぶつかり検知がコンピュータの利用における主な障害となっている。
【０００９】
ぶつかり検知の方法には二種類ある。第一のものは、対象物の表面が交わっているかどうかを決める方法［文献６参照］であり、一方、第二のものは、もし、二つ対象物が、互いにはっきりとした距離を有するなら、それらは離間しているということになるので、対象物の距離の計算に基づくもの［文献４参照］である。これらの方法は、常時、対象物が多角体で表現または近似されると仮定している［文献８参照］。この多角体は、解剖に関して妥当的なものであるかにおいて、必ずしもそれに適したものであるとは限らない。ここで、対象物はいくつかの解剖的パーツであり、それは本質的に非直線である。これらぶつかり検知の方法は、最も近接した一組の特徴部を探索する必要がある。あるいは、全ての多角形や縁部のベクトル積を計算する必要がある。この計算は、モデルが非直線であるときはかなりの時間を消費する。加えて、これらぶつかり検知の方法は、対象物が連続する時間ステップまたはシミュレーション枠の間にはわずかしか動かないことを仮定しているため、時間的および幾何学的な一貫性［文献５参照］が、演算速度を向上させるための重大な役割を演じることになる。もし例えば、骨盤に関する大腿骨の運動範囲［文献２参照］を計算しなければならないとすれば、この仮定は、コンピュータ支援外科においては必ずしも真実ではない。
【００１０】
コンピュータ支援外科におけるぶつかり検知の問題は、中間位置の状況が臨床的に無関係であると考えられるかもしれないので、解剖学的な対象物に相対的変形を加えて衝突が発生するかどうかチェックすることにより、よりよく説明することができる。加えて、より一般的な用語「衝突（ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ）」は、医学的な適用［文献２参照］において、ぶつかり（ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ）として引用されている。そしてこれまでこの研究のための努力は全く制限されていた。幾何学モデルが、多角形対象物、スプライン、あるいは代数学的面の形で明示的に与えられている他の適用とは異なり、解剖学的医療画像は、むしろ不規則であるが、絶対的な幾何学モデルが好まれている。物理的に、骨のような対象物は、相互に貫通し合うことはできない。それ故、貫通の正確な大きさを計算することは必要ではない。むしろ、対象物間でぶつかりが生じるかどうか、また、どこでぶつかりが生じるかを報告することで十分である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１のステップを備えた方法、および請求項１２の特徴を備えた装置を使用することによって本問題を解決する。
【００１２】
本発明による、少なくとも二つの物体間の高速ぶつかり検知方法は、
Ａ）少なくとも一つの三次元座標系に関して第１の二値データセットとして、該少なくとも二つの物体の三次元画像データを画像取得手段により取得するステップ、
Ｂ）上記Ａ）の下で取得された第１の二値データセットを利用して少なくとも一つの三次元座標系に関する各物体の三次元面上の点のデータである第２の二値データセットをコンピュータにより得るステップ、
Ｃ）少なくとも三つのマーカーを備える参照要素を物体の各々に付するステップ、
Ｄ）物体の面上の点とマーカーとの関係をできる限り表現する、少なくとも一つの三次元座標系とマーカー位置との間の数学的関係を確立するステップ、
Ｅ）少なくとも一つの物体を他の物体に対し相対的に移動するステップ、
Ｆ）位置測定装置によってオンサイト三次元座標系に関し、マーカーの三次元座標を測定するステップ、および
Ｇ）コンピュータにより、オンサイト三次元座標系に関するマーカーの三次元座標を物体の表面点の三次元座標に変換するステップ
を具備し、さらに、
Ｈ）各々が別々の物体の表面上にあり、かつ互いに最も近接する二つの表面点が、オンサイト三次元座標系内で同時に同一空間を占めているかどうか、どこで同一空間を占めているかをコンピュータで計算するステップ
を具備することを特徴する。
【００１３】
放射エネルギー手段等を介して受像される医療画像の分割および再構成を通じて二値のボクセル（ｖｏｘｅｌｓ）（ビットボリウム：ｂｉｔｖｏｌｕｍｅｓ）の三次元配列としての医療画像データセットを生成する方法の詳細な記載は、［文献１２参照］に見出すことができる。医療の画像技術における公知の方法には、Ｘ線、磁気共振画像（ＭＲ）、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）、陽電子放出断層撮影法（ＰＥＴ）、単一光子放出演算断層撮影法（ＳＰＥＣＴ）、そして超音波検査画法がある。
【００１４】
第１の二値データセットとして二つの物体の三次元画像データを集める別の方法は、コンピュータにおけるコンピュータ支援設計ソフトウェアの使用を具備する。
【００１５】
各々が別々の物体の表面上にあり、かつ互いに最も近接する二つの表面点が、オンサイト三次元座標系内で同時に同一空間を占めているかどうか、どこで同一空間を占めているかを演算するために、好ましくはリアルタイムで本発明による方法の実行を可能にする敏速なぶつかり検知アルゴリズムを通じて実行される。
【００１６】
本発明による方法の好ましいアルゴリズムは、複雑な解剖的構造を表現する、解剖用ＣＴデータの再構成から絶対的な対象物モデルを得ることである。検知手順のスピードを上げるために、ルックアップテーブル、および線形変換が導入される。このように、任意の二つの対象物間のぶつかりを探索することは、空間指数を計算し、ルックアップテーブルをチェックする問題に適している。そのために、対象物の全てが剛性体、すなわち、それらはどんな変形をも受け入れないものであると仮定されている。
【００１７】
多数の対象物間のぶつかりを探索することは、二つの対象物のグループ間のぶつかり検知で表現されるので、二つの対象物間のぶつかり検知だけを検討しよう。
【００１８】
好ましい方法の基本的な考えは、もし二つの対象物が互いにぶつかるなら、それらは空間の少なくとも一つの共通な点を共有するに違いないということである。二つの対象物は空間を自由に移動するが、実際は、他のものに関し一つの対象物の相対的な移動として問題がモデル化されている。二つの対象物が、接触が生じる方向で、それらの相対位置を変化する場合、最初の接触点は、両対象物の表面上に位置する。この節で後ほど検討される特別の場合を除いて、二つの対象物は、それらがぶつかり合うとき、少なくとも、一つの共通の表面点を有しているはずである。一つの対象物の表面点の数は、対象物を形作るボクセルの数よりも少ないので、表面点の中だけでぶつかりを探すことはより効率的である。提案するアルゴリズムは、次のようなステップ、すなわち（ａ）対象物の面表現を獲得するステップ、（ｂ）空間指数を計算するための線形変換を定義するステップ、（ｃ）ぶつかりが生じるかもしれない自由空間を制限するためのルックアップテーブルを構築するステップ、および（ｄ）生じうるぶつかりの位置を捜し当てるために制限された空間を探索するステップで開始される。これらのステップは、次に詳細に検討される。
【００１９】
（ａ）二つの対象物ＡおよびＢが、二値のボクセル、いわゆるビットボリウムの三次元配列として与えられていると仮定する。一般法則を失わないなら、Ａは静止し、ＢはＡに関して移動すると仮定することができる。この仮定は、相対的な移動だけを考慮する必要があるということで、有効である。二つの対象物の面の表現は、関連するＣＴデータの区分化および再構成によって得ることができる。これは表面ではなく、ビットボリウムだけを作成することである。区分化の処置はここでは適用されない。
【００２０】
Ａの表面点の数がＬＡそして、Ｂの表面点の数がＬＢと仮定すると、ＡおよびＢのｉ番目の面境界点の座標は下記にように与えられる。
2004507288.tif 000003
ＸＡ（ｉ）， ＹＡ（ｉ）， ＺＡ（ｉ）の最大値および最小値をそれぞれＭａｘＡＸとＭｉｎＡＸ，ＭａｘＡＹとＭｉｎＡＹ，そして、ＭａｘＡＺ とＭｉｎＡＺにより表示しよう。数学上、これらの関係は下記によって与えられる。
2004507288.tif 000004
等式（１）からＡの三次元の範囲を計算することができる。
2004507288.tif 000005
【００２１】
（ｂ）線形変換は、与えられた点（ｘ， ｙ， ｚ）に対し空間指数ｉｄ（ｘ， ｙ， ｚ）を定義することにより実行することができる。
2004507288.tif 000006
ここで（ｘ，ｙ，ｚ）は等式（１）を満たす。この指数は、下記に定義されたＬＵＴ内の要素に急速に近接するために使用される。与えられた指数ｉｄ（ｘ，ｙ，ｚ）から、空間点（ｘ，ｙ，ｚ）は、また独特に計算される。
2004507288.tif 000007
ここでｉｎｔ［ｆ］は、ｆｉ≧ｆおよび（ｆｉ−ｆ）＜１で、実際の変数ｆのための整数値ｆｉを与える関数である。等式（３）〜（６）から、空間点とその空間指数との間の１対１の関係が、等価図として作成される。等価図は、二つの対象物がいずれかの空間点を共有するか否かをチェックするための、ルックアップテーブル（ＬＵＴ、下記に定義される）の探索を可能にする。
【００２２】
（ｃ）１つの一次元のルックアップテーブル（ＬＵＴ）が作成される。それは、静止の対象物Ａの場所の情報に基づいている。ルックアップテーブルの大きさは下記式によって与えられる。
ＳＩＺＥ＝（ＤｉｍＡＺ＋１）・（ＤｉｍＡＹ＋１）・（ＤｉｍＡＸ＋１）
最初に、ＬＵＴ （ｉｄ（ｘ， ｙ， ｚ））は、全ての点で０に初期化される。最初はぶつかりが発生しないからである。その後、Ａ（ＸＡ（ｉ），ＹＡ（ｉ），ＺＡ（ｉ））の全ての面限界点のために、空間指数
ｉｄ（ＸＡ（ｉ）， ＹＡ（ｉ）， ＺＡ（ｉ））　 （ｉ＝１，２，…，ＬＡ）
が計算され、そして、ＬＵＴ （ｉｄ（ＸＡ（ｉ）， ＹＡ（ｉ）， ＺＡ（ｉ））） は、この空間の位置が、対象物Ａに占有されたことを表示するために０でない値にセットされる。
【００２３】
（ｄ）Ａに関しＢの何らかの相対的移動後、Ｂの第ｉ番目の表面点の座標は
（ＴＸＢ（ｉ）， ＴＹＢ（ｉ）， ＴＺＢ（ｉ））　 （ｉ＝１，２，…，Ｌ Ｂ）
として計算または演算される。もし、Ａに関してのＢの相対的変換が、回転マトリックスＲと翻訳ベクトルＴとして表現されるなら、そのとき（ＴＸＢ（ｉ）， ＴＹＢ（ｉ）， ＴＺＢ（ｉ）） は、次の式（７）（８）（９）により（ＸＢ（ｉ）， ＹＢ（ｉ）， ＺＢ（ｉ）） から計算される
2004507288.tif 000008
全ての点（ＴＸＢ（ｉ）， ＴＹＢ（ｉ）， ＴＺＢ（ｉ））を満足させるために
2004507288.tif 000009
【００２４】
空間指数ｉｄ（ＴＸＢ（ｉ）， ＴＹＢ（ｉ）， ＴＺＢ（ｉ））は、式（２）によって計算することができる。もし、ＬＵＴ（ｉｄ （ＴＸＢ（ｉ）， ＴＹＢ（ｉ）， ＴＺＢ（ｉ）））が０であるとするならば、ｉ＝１，２，…，ＬＢについて、Ｂの表面点のどれもが、Ａの表面点の一つによって占有される部分に位置しない。それは、ぶつかりが存在しないことを意味している。しかしながら、もし、一つのｉについて、ＬＵＴ（ ｉｄ（ＴＸＢ（ｉ）， ＴＹＢ（ｉ）， ＴＺＢ（ｉ））） が０でないなら、ＡおよびＢは、（ＴＸＢ（ｉ）， ＴＹＢ（ｉ）， ＴＺＢ（ｉ）） で共通の表面点を共有する。それは、ぶつかりが発生していることを意味している。ＬＵＴ（ ｉｄ（ＴＸＢ（ｉ）， ＴＹＢ（ｉ）， ＴＺＢ（ｉ））） が０でない全ての点（ＴＸＢ（ｉ）， ＴＹＢ（ｉ）， ＴＺＢ（ｉ）を、ぶつかりの接触点であると考える。
【００２５】
理論上、言及されるべきぶつかりの、特別なケースが一つある。すなわち、対象物Ｂが、全体的に、対象物Ａに囲まれている場合である。ぶつかりは発生しているけれども、表面点は共有されない。そしてこのことから、提案されたアルゴリズムは失敗するであろう。この例外を除去するために、記述したアルゴリズムは、わずかに修正されることになる。その表面によって静止対象物Ａを表現する代わりに、Ａは全体のボリュームによって表現される。そして、ＬＵＴは、Ａのすべてのボクセルについて、０でない値にセットされる。ぶつかりが発生した場合、対象物Ｂの表面点は、記述された不都合なケース（ｐａｔｈｏｌｏｇｉｃ ｃａｓｅ）を解決する修正したＬＵＴに対してチェックされる。しかしながら、この例外は物理的には決して発生し得ないので、基礎的なアルゴリズムは、テストおよび立証のために使用される。
【００２６】
三次元オンサイト座標系に関して参照物体に付されたマーカーの座標測定は、位置測定装置によって行われる。この位置測定装置は、該位置測定装置より受信したデータから座標を評価するソフトウェアを使用するコンピュータに接続される。位置測定装置の検知器と同様にマーカーは、エネルギーを放出するか、受け取るかまたは反射する手段のような音響または電磁気の有効手段であってもよい。例えば、エネルギー放射手段としては、
−光源、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）
−赤外線発光ダイオード（ＩＲＥＤ）
−音響発信機、または
−コイル
また、エネルギー受信手段として
−フォトダイオード、
−マイクロフォン、または
−ホール効果コンポーネント
を使用してもよい。
【００２７】
注文製の光電子位置測定装置としては、例えば、ＯＰＴＯＴＲＡＫ ３０２０ Ｓｙｓｔｅｍ， Ｎｏｒｔｈｅｍ Ｄｉｇｉｔａｌ， Ｗａｔｅｒｌｏｏ Ｏｎ．， Ｃａｎａｄａ． を使用してもよい。それは、好ましくは下記を具備する。
−三枚のレンズセルと組み合わされ、かつ安定化バー上に載置された三つの一次元の電荷結合素子（ＣＣＤ）から成る、ＯＰＴＯＴＲＡＫ ３０２０ 位置センサー
【００２８】
三枚のレンズセルの各々内では、赤外線マーカーからの光が、ＣＣＤに向かい、その光が測定される。三つの測定は全て、共に、マーカーの三次元位置をリアルタイムで決定する。
−システム制御装置
−コンピュータ・インターフェース・カードおよびケーブル
−データ収集および表示用ソフトウェア、そして
−ストロボおよびマーカーのキット
【００２９】
手術領域内に移動可能な外科用器具または装置の位置を測定するためにコンピュータおよび位置測定装置を備えるコンピュータ支援外科システム（ＣＡＳシステム）は、例えば、米国特許 ５，３８３，４５４ ＢＵＣＨＨＯＬＺ およびヨーロッパ特許 ０ ３５９ ７７３ ＳＣＨＬＯＮＤＯＲＦＦ．に開示されている。これらのＣＡＳ−システムは、放射エネルギー手段を使用する、Ｘ線画像、コンピュータ断層画像またはＭＲ画像（磁気共鳴画像）等のような医療画像を記憶するためのメモリ手段をしばしば備えている。そのために、医療画像は手術前または手術中に集められることになる。
【００３０】
コンピュータ支援外科（ＣＡＳ）における重要な点は、外科用インプラントのオンサイト位置毎での患者の手術中における位置と、医療画像ライブラリにセットされたデータ等として記憶された外科用インプラント毎での患者の身体の三次元コンピュータモデルとの間の数学的関係を確立することにある。オンサイト座標系の内の座標から画像座標に変換する計算過程は、“レジストレーション（ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）”または“マッチング（ｍａｔｃｈｉｎｇ）”と称する。最近の開発では、外科医が、少なくとも三つのマーカーを有するポインターによって、骨あるいはインプラントの表面上の多数の点を得、かつ位置計測装置でそのポインターの位置を計測することを可能とする。このことにより、「候補点（ｃｏｕｌｄ ｐｏｉｎｔ）」は、最適化したアルゴリズム［文献９，１０参照］を通じて、骨表面またはインプラント表面の医療画像上に数学的に適合させることができる。この過程は、「表面マッチング」と称される。ポインターを使用する代わりに、超音波装置を、骨またはインプラントの表面上の多数のポイントを集めるために使用してもよい。
【００３１】
本発明による少なくとも二つの物体間のぶつかり検知のための装置は、
Ａ）二つの物体、特に、骨、骨片または外科用インプラントに取り付け可能な、少なくとも３つの非直線に配列されたマーカーを各々が有している少なくとも二つの参照物体、
Ｂ）該マーカーのオンサイトの位置を決定するための位置測定装置、
Ｃ）該位置測定装置に接続され、かつオンサイト三次元座標系に関して該マーカーの位置を計算するソフトウェアを備えたコンピュータ、および
Ｄ）該二つの物体間のぶつかりの発生を指摘する指摘手段、
を具備する。
【００３２】
本発明による装置の好ましい実施態様において、該指摘手段はアラームから成る。
【００３３】
本発明による装置の他の実施態様において、該アラームは、好ましくは、拡声器および言語を通じてぶつかりの発生を指摘するコンピュータに接続されたボイスコーダーを具備する。
本発明の、さらに有利な点は、従属請求項の中で陳述されている。
【００３４】
本発明による方法の本質的に有利な点は、下記によるものである。
‐最小限度の攻撃的外科技術は、例えば、プロテーゼの埋め込み中に適用してもよい。
‐このアルゴリズムは、対象物（物体、骨片）がどのような形状であってもよいという意味において、汎用目的のぶつかり検知方法を提供する。
‐手術現場において、対象物を任意の数に広げることができる。
【００３５】
【実施例】
本発明による装置の好ましい実施例が、部分的に概略的な手法により示された図に関連して下記に説明される。
図１は、第１および第２の物体として、全臀部プロテーゼの大腿骨構成部分および寛骨臼構成部分とともに示した本発明による装置の好ましい実施態様を示す。
図１において、本発明による装置の適用は、全臀部置き換え手術の場合における臨床的な使用が示されている。この装置は、
ａ）二つの物体１，２に取り付けられるマーカー７として四つの発光ダイオードを備えた二つの参照要素５，６、ここで、物体１は全臀部プロテーゼの寛骨臼構成部分、物体２は全臀部プロテーゼの大腿骨構成部分である、
ｂ）オンサイト三次元座標系４内のマーカー７の位置を測定するためにシステム制御装置１８およびケーブル２０を具備する光電位置測定装置１４、
ｃ）表示データ記憶手段１３とコンピュータ１１を位置測定装置１４に接続するためのコンピュータ・インターフェースカード１９とを有するコンピュータ１１、
ｄ）多数の表面点を得ることによって登録ステップを実行するためのマーカー７のためのポインター１５、および
ｅ）各々が別々の物体１，２の表面にあり、かつ互いに最も近接している二つの表面点９，１０の間のぶつかりの発生を指摘するための指摘手段８としてのアラーム、
を具備する。ぶつかり検知の計算はコンピュータ１１によって実行される。
【００３６】
【参考文献】
１．ゴング Ｊ，バチェラ Ｒ，サチ Ｍ，ノルテ ＬＰ （１９９７）　制限された表面マッチング：コンピュータ支援外科における登録の新しいアプローチ。トロカーズ Ｊ，グリムソン Ｅ，モエスゲス Ｒ（編集者）：第一回共同会議コンピュータビジョン、医学および医学用ロボット工学そしてコンピュータ支援外科における仮想現実およびロボット工学。グルノーブル，フランス．スプリンガー　５９７−６０５
２．ジャラマズ Ｂ，ニコウ Ｃ，シモン ＤＡ，ディジョイア ＡＭ （１９９７）　全腰部関節形成術後の運動の範囲：分析的な模擬実験装置の実験に基づく立証。トロカーズ Ｊ，グリムソン Ｅ，モエスゲス Ｒ（編集者）：第一回共同会議コンピュータビジョン、医学および医学用ロボット工学そしてコンピュータ支援外科における仮想現実およびロボット工学。グルノーブル，フランス．スプリンガ　５７３−５８
３．リン ＭＣ，キャニィ ＪＦ　（１９９１）　増加する距離計算のための最速アルゴリズム、ロボット工学および自動制御に関するＩＥＥＥ国際会議の進行、カリフォルニア，アメリカ，２：１００８−１０１４
４．リン ＭＣ （１９９３）　アニメーションおよびロボット工学のための効率的なぶつかり合い検知、博士論文、カリフォルニア大学、電気工学およびコンピュータ科学部門、バークレー、アメリカ
５．リン ＭＣ，マノカ Ｄ （１９９３）　幾何学モデル間の最速妨害検知。視覚的コンピュータ１１（１０）：５４２−５６１
６．モーア Ｍ，ウイリヘルムス Ｏ （１９８８）　コンピュータ・アニメーションのためのぶつかり合い検知および反応、コンピュータ・グラフィックス２２（４）：２８９−２９８
７．ノルト ＬＰ，ザモラノ Ｌ，ヴイサリウス Ｈ，ベルレマン Ｕ，ラングロツ Ｆ，アーム Ｅ，シャワルゼンバッハ Ｏ （１９９５）　脊柱外科における正確さを向上させるためのシステムの臨床評価。臨床生体力学　１０（６）：２９３−３０３
８．ゼイラー Ｍ （１９９４）　コンピュータ・アニメーションにおける複雑な対象物のためのぶつかり合い検知。博士論文、ビエンナ技術大学、オーストリア
９．ゴング， Ｊ，バチェラー， Ｒ．， サチ， Ｍ．， ノルテ， Ｌ．Ｐ．
制限された表面マッチング：コンピュータ支援外科における登録のためへの新しいアプローチ
第三回国際シンポジウム、医学用ロボット、コンピュータ支援外科（ＭＲＣＡＳ）
１０．バチェラー， Ｒ．， ブンケ， Ｈ．， ノルテ，Ｌ．Ｐ．
制限された表面マッチング−数的最適化および技術評価、コンピュータ援助外科．１９９９
１２．ポマート， Ａ．， リェメール， Ｍ．， シェイマン， Ｔ．， シューベルト， Ｒ．， ティエデ， Ｕ．， ホーネ， Ｋ．Ｈ．
医療における第三次元画像：方法および適用性、およびその他：医療における３Ｄ画像。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１および第２の物体として、全臀部プロテーゼの大腿骨構成部分および寛骨臼構成部分とともに示した本発明による装置の好ましい実施態様を示す図である。
【符号の説明】１，２：物体、４：三次元座標系、５，６：参照要素、７：マーカー、８：アラーム、９，１０：表面点、１１：コンピュータ、１４：位置測定装置。
【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年9月16日(2002.9.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１２】
請求項１乃至１０のいずれか一つに記載された方法を使用する、少なくとも二つの物体間のぶつかり検知のための装置であり、かつ
Ａ）二つの物体（１，２）、特に骨、骨片、または、外科用インプラントに取り付け可能な少なくとも二つの参照要素（５，６）、
Ｂ）マーカー（７）のオンサイトの位置を決定するための位置測定装置（１４）、
Ｃ）位置測定装置（１４）に接続され、かつ、三次元座標系（４）に関してマーカー（７）の位置を計算するソフトウェアを備えたコンピュータ（１１）、
および
Ｄ）二つの物体（１，２）間のぶつかりの発生を指摘する指摘手段、
を具備する装置であって、
Ｅ）少なくとも二つの参照要素（５，６）の各々が、四つの非直線に配列されたマーカー（７）
を有することを特徴とするぶつかり検知装置。
【国際調査報告】
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