(57)【要約】本発明は、工具を用いて材料片、特に骨片に、形成された、材料片の凹部の輪郭を加工領域の直接の視認なしでも定める方法に関する。本発明によれば、空間内の材料片の位置をナビゲーションシステムによって決定し、このようにして得た位置データから、材料片に対する工具のそれぞれの位置を定める。工具による材料片の加工の間、材料片に対する工具の相対位置が記憶され、材料片の固定の基準位置に関するこれら相対位置の極値に基づいて、材料片に形成された輪郭が特定される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具を用いて材料、特に骨片に形成された、材料片の凹部の輪郭を定める方法において、
空間内の材料片の位置を、ナビゲーションシステムによって決定し、
空間内の工具の位置を、ナビゲーションシステムによって決定し、
このようにして獲得された位置データから、材料片に対する工具のそれぞれの位置を定め、
工具による材料片の加工の間、材料片に対する工具の相対位置を記憶し、
材料片の固定の基準位置に関するこれら相対位置の極値から、材料片に形成された輪郭を定める、
ことを特徴とする、材料片の凹部の輪郭を定める方法。
【請求項２】
加工された輪郭を、見えるように表示する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
形成された凹部の、このようにして定められた輪郭の、予め定められた輪郭に対する差を、輪郭の種々の箇所において定める、ことを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４】
このようにして定められた、形成された凹部の種々の箇所における差を見えるように表示する、ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
形成された凹部の種々の箇所における同一の差を同じように表示する、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
同一の差を、同じ色で表示する、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
凹部の輪郭または定められた差の模写に、材料片の模写を重畳させる、ことを特徴とする請求項２、５または６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
相対位置の所定の極値に基づいて、これら極値が所定の予め定められた最大値を上回った場合に、警告信号を発生させる、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
材料片に凹部を形成するための工具を有する、材料片の凹部の輪郭を定める装置において、
材料片（１）と工具（３）は、それぞれマーキング部材（１０ないし８）と堅固に結合されており、
固定位置のナビゲーションシステム（１３）が設けられており、前記ナビゲーションシステムは２つのマーキング部材（１０；８）の位置と、それに伴って空間内の材料片（１）と工具（３）の位置を検出し、
メモリを有する計算ユニット（１７）が設けられており、前記計算ユニットはこのようにして獲得された位置データから、材料片（１）に対する工具（３）のそれぞれの位置を定め、工具（３）による材料片（１）の加工の間、材料片（１）に対する工具（３）の相対的な位置を記憶し、かつ材料片（１）の固定の基準位置に関するこれら相対位置の極値から、材料片（１）に形成された輪郭を定める、ことを特徴とする材料片の凹部の輪郭を定める装置。
【請求項１０】
形成された輪郭を見えるように表示する、視認装置（１８）が設けられている、ことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
メモリを有する計算ユニット（１７）は、形成された凹部（２）の、このようにして定められた輪郭の、予め定められた輪郭（１９）に対する差を定める、ことを特徴とする請求項９または１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
メモリを有する計算ユニット（１７）は、形成された凹部（２）の種々の箇所における、このようにして定められた差を見えるように表示する、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
メモリを有する計算ユニット（１７）は、形成された凹部（２）の種々の箇所における同一の差を、同一の方法で表示する、ことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
メモリを有する計算ユニット（１７）は、同一の差を同一の色で表示する、ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
メモリを有する計算ユニット（１７）は、凹部（２）の輪郭または決定された差の模写に、材料片（１）の模写を重畳させる、ことを特徴とする請求項９から１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
メモリを有する計算ユニット（１７）は、相対位置の所定の極値に基づいて、これら極値が所定の予め定められた最大値を上回った場合に、警告信号を発生させる、ことを特徴とする請求項９から１５のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、工具を用いて材料に形成された、材料片の、特に骨片の凹部の輪郭を定める方法に関する。
【０００２】
材料片、たとえばインプラントを収容するように前処理された骨片に、所定の形状と大きさの凹部を形成することが、様々な方法で必要とされる。重要なのは、凹部の予め定められた輪郭を達成すること、およびこの予め定められた輪郭を上回らないことである。
【０００３】
この種の凹部は、通常特殊工具によって、たとえば回転式のプロフィールカッター、エンドミル、ドリル、および、類似の工具によって、そしてまた手動案内される工具、たとえばメス、乱切器、ヤスリなどによって形成される。実際においては、加工された凹部自体内で、工具によりそれぞれ形成された輪郭がそこでどのように延びているかを認識することは、極めて困難である。このことは、１つには、材料が取り去られることによって困難となり、他方では凹部に接近することがしばしば困難であり、あるいは全く接近できず、従って観察できない。このような場合においては、凹部の大きさと形状をできる限り所望の輪郭に適合させるために、感覚が頼りにされる。
【０００４】
本発明の課題は、凹部が直接観察できない場合でも、工具によって形成された凹部の実際の輪郭を定めることを可能にする方法を提供することである。
【０００５】
この課題は、冒頭に記載された種類の方法において、空間内の材料片の位置をナビゲーションシステムによって決定し、空間内の工具の位置をナビゲーションシステムによって決定し、このようにして獲得された位置データから、材料片に対する工具のそれぞれの位置を定め、工具による材料片の加工の間、材料片に対する工具の相対位置を記憶し、かつ材料片の固定の基準位置に関するこれら相対位置の極値に基づいて、材料片に形成された輪郭を定めることによって、解決される。
【０００６】
従ってこの方法においては、まず全加工プロセスの間、連続的に、一方では空間内の材料片の位置が、他方では工具の位置が定められる。このことは、いわゆるナビゲーションシステムが使用されることによって行われる。空間内の対象の位置を正確に定めることを可能にするのは、それ自体公知のシステムである。たとえば、材料片にも工具にも、マーキング部材、たとえば３つまたはそれ以上のマーキング部材を取り付けることができ、それらマーキング部材は電磁放射のための送信機または反射体として用いられ、かつ位置固定されたナビゲーションシステムから送出された電磁放射を反射し、かつナビゲーションシステムへ送り返し、ないしはこの種の放射を送出して、ナビゲーションシステムへ伝達する。多数の送信機および受信機を介して伝達された放射の到達時間差から、材料片ないし工具に設けられた種々のマーキング部材の正確な位置が定められ、それに基づいて材料片と工具の正確な位置を定めることができる。
【０００７】
これらの位置データは、工具と材料片の相対位置を定めることも可能にする。工具は、加工する領域、たとえば半球状のプロフィールカッターの所定の幾何学配置を有しており、かつこれらの幾何学配置は、工具に取り付けられたマーキング部材に対して常に同一である。従ってマーキング部材の位置決定に基づいて、加工すべき材料片に対する工具の加工する面の位置を、特に全加工プロセスの間連続的に、定めることが可能である。
【０００８】
工具と材料片の相対位置を表すこれらの位置データは、全加工プロセスにわたって記憶される。これらのデータから、材料片に対する、特に材料片の固定の位置に対する、工具の極限位置を定めることができる。換言すると、たとえば材料片の固定の点から始まって所定の方向に、工具の加工する面がいつこの点から最大の距離を有するか、を定めることができる。この距離は、実際には、材料片に形成された凹部の輪郭に相当する。というのは、工具は材料片の材料を常にこの極限位置まで加工するからである。固定の位置からの間隔がより小さい場合には、工具の加工する面は材料片の材料に接触しておらず、かつ何ら材料を除去していない。
【０００９】
この種の決定は、固定の基準位置から始まって様々な方向へ行うことができ、かつこのようにして形成された凹部の全表面にわたって、凹部と材料との間の境界面が実際にどこに延びているか、従って工具は材料片から材料をそれぞれどこまで除去したかに関する情報が得られる。
【００１０】
これらのデータは、加工者に、彼が凹部自体を観察することができない場合でも、凹部のそれぞれの位置と大きさに関する正確な情報を得ることを可能にする。
【００１１】
形成された凹部の、このようにして定められた輪郭の、予め定められた輪郭に対する差を、輪郭の種々の箇所において定めると、効果的である。
【００１２】
この方法において、凹部の所望の輪郭に基づいて、材料片に対するその位置データを同様に記憶することができ、所望の輪郭のこの位置データを実際に形成された凹部の輪郭の位置データと連続的に比較し、かつ所望の輪郭を得るためには、さらに材料を除去しなければならないか、所望の輪郭がすでに達成されているか、あるいは実際には所望の輪郭を上回っているか、を示すことができる。
【００１３】
特に好ましい実施形態においては、形成された凹部の種々の箇所における、このようにして定められた差を見えるように表示し、その場合に形成された凹部の種々の箇所における同一の差を同じように、特に同じ色で表示すると、効果的である。従って加工者は、この種の表示において、所望の輪郭を得るためには、凹部のどの領域でさらに加工が必要であるか、どの領域において所望の輪郭がすでに達成されているか、そしてどの領域において、場合によっては所望の輪郭を越えてしまったか、を直接読み取ることができる。
【００１４】
また、凹部の輪郭または定められた差の模写に、材料片の模写を重畳させると、効果的である。この模写は、加工者に、凹部の周囲に関する情報を与えることができるので、加工者は、材料片のどの領域内で加工しているか、そして場合によっては材料片の、凹部が達すべきではない構造内へ進入しているか、を正確に決定することができる。
【００１５】
特に、相対位置の所定の極値に基づいて、極値が所定の予め定められた最大値を上回った場合に、従って実際に加工された凹部が材料片の、進入が望ましくない領域へまさに進入しようとしている場合に、警告信号を発生させることができる。このことは、たとえば、骨にインプラントを収容するための凹部が形成される場合、およびたとえば凹部の箇所における骨の破損を防止するために、この凹部が所定の大きさを上回らないことを保証すべき場合に、重要であり得る。
【００１６】
また、本発明の課題は、加工者が加工された凹部の輪郭を監視することができるようにする、材料片に凹部を形成するための工具を有する、材料片の凹部の輪郭を定める装置を提案することである。
【００１７】
この課題は、冒頭で説明した種類の装置において、本発明によれば、材料片と工具がそれぞれマーキング部材と堅固に結合されており、２つのマーキング部材の位置とそれに伴って空間内の材料片と工具の位置を検出する、固定配置のナビゲーションシステムが設けられており、かつメモリを備えた計算ユニットが設けられており、その計算ユニットはこのようにして獲得された位置データから、材料片に対する工具のそれぞれの位置を定め、さらに工具による材料片の加工の間、材料片に対する工具の相対位置を記憶し、材料片の固定の基準位置に関するこれら相対位置の極値から、材料片に形成された輪郭を定めることによって、解決される。
【００１８】
装置の他の好ましい形態は、従属請求項の対象である。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態についての以下の説明は、図面との関連において説明に用いられる。
【００２０】
本発明を、以下で寛骨１の例で説明するが、寛骨に、股関節インプラントのほぼ半球状の槽を収容するために用いられる、ほぼ半球状の槽状の凹部２を形成しようとしており、このインプラントは図には示されていない。本発明は、外科目的のために骨材料に凹部を形成する場合に特に効果的に使用することができるが、本発明は他の材料片において、たとえば骨材料または他の材料自体からインプラントを成形する場合にも、容易に使用可能であって、従って特に好ましい使用分野がその分野にあっても、人骨または動物の骨の材料片の加工に限定されるものではない。
【００２１】
寛骨１に槽状の凹部２を形成することができるようにするために、工具３が使用され、その工具はほぼ半球状のプロフィールカッター４を使用し、そのプロフィールカッターは堅固な軸５を介して駆動モータと結合されており、その駆動モータは工具３のハンドグリップ形状のハウジング６内に収容されている。駆動によって軸５が回転されて、その際にプロフィールカッターを、プロフィールカッター４の半球状の切削面７が回転するように回転させる。
【００２２】
工具３は、ハウジング６と固定的に結合されている、互いに対して距離をおいて配置された３つの球状の反射体９を備えたマーキング部材８を支持しており、同様に互いに距離をおいて配置された３つの反射体１１を備えた同種のマーキング部材１０が、寛骨１内に螺合されたボルト１２によってこの寛骨と堅固に結合されている。
【００２３】
空間内の固定位置にナビゲーションシステム１３が配置されており、そのナビゲーションシステムは図示の実施例においては３つの放射送受信機１４、１５、１６を有しており、それらはたとえば赤外線を放射し、反射体９ないし１１で反射した後にその赤外線を受信する。放射送受信機１４、１５、１６とマーキング部材８と１０の反射体９ないし１１との間の放射の到達時間が、ナビゲーションシステム１３の計算およびメモリユニット１７内で定められて、それに基づいて空間内のマーキング部材８と１０の正確な位置を定めることができ、かつこれらの位置は空間内の寛骨１および工具３の位置と一義的に結びついている。このようにしてナビゲーションシステム１３は、全処理プロセスの間、空間内の寛骨１の正確な位置も工具３の正確な位置も連続的に決定することができる。
【００２４】
寛骨１と工具３のこれらそれぞれの位置に対応する位置データが、計算およびメモリユニット１７に記憶されるので、加工プロセスの終了後に、加工プロセスの間の寛骨１と工具３の全運動を再構築することができる。
【００２５】
さらに、計算およびメモリユニット１７において、寛骨１と工具３の位置データが互いに比較され、それに基づいて、加工の間、工具３の切削面７が寛骨１に対してそれぞれどこにあるかが計算される。工具３は堅固なボディであって、切削面７は堅固な軸５が回転する際に回転するので、切削面７によって形成される包絡線は、残りの工具３に対して常に同一であり、従って該当するマーキング部材８に対しても常に同一である。従って、全加工プロセスの間、この包絡する切削面７の正確な位置を定めて、それを、マーキング部材１０の位置を介して得られる寛骨１の位置データに関係づけることが容易に可能である。
【００２６】
計算およびメモリユニットには、さらに、寛骨１の幾何学的データが提供され、そのデータはたとえば寛骨１のコンピュータ断層撮影によって得られ、かつ寛骨１の形状を記述する。このようにして計算およびメモリユニット１７は、包絡する切削面７が寛骨１の輪郭へ進入したか、これがどこを正確に通過し、かつどのような強さであるか、を算出することもできる。従って換言すると、切削面７のどの部分が寛骨１の外側輪郭を通過したかが定められる。このことは、どの領域において、かつ、どの程度に、切削面７によって寛骨１から材料が除去されたかの尺度となり、この領域においてプロフィールカッター４が凹部を形成している。
【００２７】
計算およびメモリユニット１７は、全加工プロセスの間寛骨１の輪郭への切削面７のこの進入を計算して、データを記憶する。同時に、この進入の極値、従って寛骨１の輪郭への切削面７の最も深い進入に相当する位置データが定められる。このことは、たとえば、寛骨１内の固定的に仮定される点、特に所望の半球状の凹部２の中心点から始まって種々の方向へ向かって、プロフィールカッター４の切削面７が最大到達した距離が、定められられることによって行われる。所望の凹部の広がりの全体にわたって様々な方向においてこの極値を検出した場合に、寛骨１に形成された凹部２の実際の境界壁、従って凹部２の実際の輪郭を表す位置データが得られる。
【００２８】
このようにして計算およびメモリユニット１７内で獲得された、凹部２の実際の輪郭の位置データは、ナビゲーションシステム１３のスクリーン１８上で見えるようにすることができるので、加工者はスクリーン１８において直接、どの程度プロフィールカッター４が寛骨１内へ進入したか、そして凹部２が正確にどのような形状を有しているか、を読み取ることができる。
【００２９】
ここでは種々の表示可能性が与えられており、たとえば凹部２のそれぞれ達成された深さを断面で直接スクリーン上に表示することができ、その場合に切断平面を変化させることができる。また、凹部の表示を、先行するコンピュータ断層撮影に基づいて獲得され、計算およびメモリユニットに格納されている寛骨の模写と重ね合わせることも可能である。このようにしてオペレータは、凹部２がプロフィールカッター４によってどこにどのように形成されたかを、寛骨１の画像において直接認識することができる。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態においては、凹部２の所望の輪郭の位置データが前もって定められて、計算およびメモリユニットに格納される。たとえばこの所望の輪郭は、図２の断面図で概略的に図示されているように、半球状の輪郭１９とすることができる。この所望の輪郭になるまで、凹部２がプロフィールカッター４によって加工される。
【００３１】
そのために寛骨１の材料は、同心の層に分割され、図２ではそれについて内側に位置する層２０と外側に位置する層２１のみが示唆されており、それらは所望の輪郭１９の両側に配置されている。
【００３２】
計算およびメモリユニット１７によって、凹部２の全面にわたって、実際にプロフィールカッター４によって形成された輪郭が、内側に位置する層２０の内部にあるか、所望の輪郭１９上にあるか、あるいは外側に位置する層２１上にあるかが、それぞれ定められて、二次元または三次元で構成することのできる、球状の凹部２の画像２２の中で様々な領域が異なるように、たとえば異なる色で、特徴づけて表示される。すなわち、プロフィールカッター４が内側に位置する層２０にまだ達していない領域は、たとえば画像２２の中で無色のゾーン２３として特徴づけられ、切削面７が内側に位置する層２０内へ踏み込んでいる領域は、グリーンのゾーン２７によって、そして切削面７が外側に位置する層２１へ達し、あるいはその中へ進入している領域は、赤いゾーン２５によって特徴づけられる。従ってオペレータは、画像２２において、図示されている凹部２の領域内で加工の際にどこが少し変化したかを、即座に認識することができ、これは、正確にこの領域内で凹部２の加工および深くすることが行われたことの印であって、オペレータはさらに、今加工された領域内で切削面７がまだ内側に位置する層２０の外部にあるか、すでに内側に位置する層２０の内部にあるか、あるいはすでに外側に位置する層２１内にあるかも読み取ることができ、それに応じて工具３を様々に案内することができるので、凹部２を、加工プロセスの終了後に実際の凹部２が所望の輪郭１９に最適に適合されているように、加工することができる。
【００３３】
図４の表示において、画像２２の他にさらに、層２０と２１のそれぞれの厚みが画像２２の隣りに配置された目盛り２６内に示されており、実際にはもちろん、該当する層の数もずっと多くすることができるので、材料の極めて細かい加工が可能となる。
【００３４】
計算およびメモリユニット１７に記憶されている位置データによって、同時に加工プロセスのプロトコルを形成することができるので、寛骨１の加工の終了後に、加工プロセスの間工具３がどのように案内されたか、そして凹部２が全体として所望の輪郭１９に相当するか、を正確に定めることができる。
【００３５】
それぞれ決定された、プロフィールカッター４の位置データは、寛骨１内へプロフィールカッター４が不用意に深く入りすぎることを防止するためにも使用することができ、ここでは進入のための制限値を定めることができ、凹部２のいずれかの領域内でこの制限値が達成された場合に、警告信号または遮断信号を生成することができる。
【００３６】
上述した方法によって、加工の際のプロフィールカッター４の不随意の、実際には不可避の逸脱運動をコントロールし、プロトコル化し、場合によっては補償することも可能である。というのは、ユーザーはスクリーン１８上で加工プロセスの進行を正確に追って、工具３を加工プロセスの進行に従って案内することができるからである。このことは、加工箇所への直接的な視認アクセスがない場合でも可能であって、また、この種の視認をＸ線放射観察を介して形成する必要もない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ナビゲーションシステムを使用した、フライス工具による寛骨の形状の材料片の加工を示している。
【図２】
寛骨の槽状の凹部を示す断面図である。
【図３】
一点鎖線で示すフライス工具を有する図２と同様の側面図である。
【図４】
様々な深さで取り去られた壁領域の表示を有する、槽状の寛骨のモニター表示である。
【国際公開パンフレット】
2004521684.tif 000003
2004521684.tif 000004
2004521684.tif 000005
2004521684.tif 000006
2004521684.tif 000007
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2004521684.tif 000009
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2004521684.tif 000011
2004521684.tif 000012
2004521684.tif 000013
2004521684.tif 000014
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2004521684.tif 000025
2004521684.tif 000026
【国際調査報告】
2004521684.tif 000027
2004521684.tif 000028
2004521684.tif 000029
2004521684.tif 000030
2004521684.tif 000031
2004521684.tif 000032