(57)【要約】【課題】  手術ロボットを用いて膝関節置換術を行う場合、手術ロボットの作業域を狭めないで、患者の膝関節を強固に固定する下肢把持治具を提供する。【解決手段】  手術台上に載せられた患者の下肢を膝関節の角度を所定に保持して把持する手術ロボット用下肢把持治具であり、この下肢把持治具が、間に膝関節を露出させて脛骨を包む脛骨側固定部及び大腿骨を包む大腿骨側固定部と、脛骨側固定部、大腿骨側固定部それぞれの手術台との角度と間隔を自由に調節可能な二つのヒンジ機構＋スライド機構と、脛骨側固定部と大腿骨側固定部を角度と間隔を自由に調節して連結するヒンジ・スライド機構とを有することを特徴とする手術ロボット用下肢把持治具。【選択図】  図１
2007202950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手術台上に載せられた患者の下肢を膝関節の角度を所定に保持して把持する手術ロボット用下肢把持治具であり、この下肢把持治具が、間に膝関節を露出させて脛骨を包む脛骨側固定部及び大腿骨を包む大腿骨側固定部と、脛骨側固定部、大腿骨側固定部それぞれの手術台との角度と間隔を自由に調節可能な二つのヒンジ機構＋スライド機構と、脛骨側固定部と大腿骨側固定部を角度と間隔を自由に調節して連結するヒンジ・スライド機構とを有することを特徴とする手術ロボット用下肢把持治具。
【請求項２】
手術台の側方に付設されるレールに脛骨側部材及び大腿骨側部材をスライド可能に取り付けるとともに、脛骨側部材及び大腿骨側部材に各ヒンジ・スライド機構のそれぞれベース部を連結した請求項１の手術ロボット用下肢把持治具。
【請求項３】
脛骨側固定部と脛骨の間及び大腿骨側固定部と大腿骨の間に流体の流入出によって膨張、収縮する袋を介在させた請求項１又は２の手術ロボット用下肢把持治具。
【請求項４】
請求項１〜３いずれかの手術ロボット用下肢把持治具がＸ線高透過材料で構成される手術ロボット用下肢把持治具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手術ロボットを用いての人工膝関節置換術の際、骨切除を安全、かつ正確に行うために患者の膝関節を固定する手術ロボット用下肢把持治具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、膝関節の損傷に対し、大腿骨遠位部、脛骨近位部の関節面を表面置換するように人工膝関節置換術が施される。これにおいて、大腿骨側は、大腿骨遠位面形状類似の金属製コンポーネント（大腿骨コンポーネント）を用い、脛骨側は、超高分子量ポリエチレン製プレート単体又は金属製のプレートと併用したもの（脛骨プレート）を用いて膝関節に置換される。
【０００３】
人工膝関節置換術において、人工膝関節を大腿骨と脛骨に置換する際には、大腿骨コンポーネントと脛骨プレートの設置面の形状に合わせて大腿骨と脛骨の骨端を切除し、その切除面とそれぞれの設置面を密着させて固定する。この固定には骨セメントを使用する方法と使用しない方法がある。
【０００４】
骨セメントを使用する場合には、セメント層の厚みを一定に保つことが応力分散効果をもたらし、長期安定した固定を可能とする。また、骨セメントを使用しない方法では、設置面を多孔面としてその多孔面に骨を自然成長させて絡み付かせる投錨効果で固定力を得る。この双方の固定においても、人工膝関節設置面と骨側の切除面の高い一致性が重要となる。
【０００５】
一般的な手術では、人工膝関節設置面のための骨を切除する際には、スリットを有するカッティングガイドと呼ばれる器械を使用し、そのスリットにボーンソーと呼ばれる刃物を挿入して、そのスリットを基準面として切除を実施する。この際に、スリットとボーンソー間の隙間やボーンソーの切除中のたわみ等により、正確な切除は困難であった。
【０００６】
一方で、人工膝関節の設置位置は、臨床学的に最適な位置に設置する必要がある。設置位置誤差が生じると、膝関節可動域制限又は軟部組織（特に、膝関節側副靭帯）のバランス不均衡を生じ、人工膝関節に過度の応力をもたらして早期に破壊を引き起こす。
【０００７】
この人工膝関節の設置位置においては、膝関節の限られた視野空間から様々な器械を使用して医師の術中の経験と勘により、人工膝関節設置位置が決定されている。このような曖昧さにより、人工膝関節設置位置に誤差を生じ、人工膝関節の早期破壊をきたす場合がある。
【０００８】
この手作業による大腿骨、脛骨を切除する際の誤差要因を排除するために、下記特許文献１に例示されるような手術ロボット（骨切除装置）が考案された。この手術ロボットにより、人工膝関節の正確な設置や正確な骨切除による骨との密着性が実現し、人工膝関節の長期にわたる機能を確保することができる。
【０００９】
ところで、従来の手術では骨切除の際に、補助者が患者の下肢を押えて固定し、術者が骨切除を行うのが一般的である。手術ロボットによる切除では、ロボットの可動域をある程度確保する必要性があることから、切除中に下肢を押える補助者が介在するのは困難である。
【００１０】
さらに、手術ロボットでは、工具と患部の切除位置の相対関係が切除面を定義するため、手術ロボットによる位置決めを遂行した後及び骨切除中には患部を不動で強固に固定することが要求されるが、人間による補助者ではその遂行は困難である。
【００１１】
したがって、下記特許文献２に例示されるように、手術ロボットによる骨切除中に下肢を強固に固定する器具が考案されている。この器具を用いる方法では、骨を器具により直接把持することとなるが、骨切除面近傍では、切除用工具又は手術ロボットとの干渉により、相応のスペースを有する機構を設けることは困難であり、把持部は切除面から離れた位置となる。
【００１２】
このような把持位置においては、骨を直接把持する把持部を確保するために皮切量が通常の手術よりも増大する。その結果、患部の治癒が遅延化し、ひいては周囲組織の過大な損傷により、術後合併症を引き起こす可能性が高いという問題点を有している。
【００１３】
また、手術ロボットでは、骨切除を遂行する工具と患部の相対位置を把握する必要があるが、この際にＸ線透視装置を用いて骨格透視画像を取得し、ロボットに内在する骨格ＣＡＤデータと照合する手法が採用される場合がある。
【００１４】
このため透視画像撮影時には、Ｘ線透視装置と手術ロボット及び患部の相対位置を固定する必要があり、さらに、鮮明な骨格画像を取得するには、患部と手術ロボットの相対位置を正確に計測することが寄与する。このため、患部を強固に固定し、その上でＸ線を透過させて良好な透視画像を取得することが必要である。
【特許文献１】特開２００２−３０６５００号公報
【特許文献２】特開２００３−０２４３３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、手術ロボットを用いて人工膝関節置換術の骨切除を行う際、膝角度を所望のものにして強固に固定することにより、安全に手術が遂行でき、かつ皮切量を極力低減させるための下肢把持治具を提供し、医師の計画通りの正確な骨切除・手術を達成することを目的としている。
【００１６】
一方で、手術ロボットを使用して骨切除を実施する場合、患部と手術ロボットの先端工具の相対位置を決定する際にＸ線透視装置を使用する手法を採用した場合に、患部を強固に固定し、かつＸ線高透過材料で構成される下肢固定具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
このために、本発明による下肢把持治具は、請求項１に記した、手術台上に載せられた患者の下肢を膝関節の角度を所定に保持して把持する手術ロボット用下肢把持治具であり、この下肢把持治具が、間に膝関節を露出させて脛骨を包む脛骨側固定部及び大腿骨を包む大腿骨側固定部と、脛骨側固定部、大腿骨側固定部それぞれの手術台との角度と間隔を自由に調節可能な二つのヒンジ機構＋スライド機構と、脛骨側固定部と大腿骨側固定部を角度と間隔を自由に調節して連結するヒンジ・スライド機構とを有することを特徴とするものである。
【００１８】
また、この下肢把持治具の具体例として、請求項２に記した、手術台の側方に付設されるレールに脛骨側部材及び大腿骨側部材をスライド可能に取り付けるとともに、脛骨側部材及び大腿骨側部材に各ヒンジ・スライド機構のそれぞれベース部を連結したもの、請求項３に記した、脛骨側固定部と脛骨の間及び大腿骨側固定部と大腿骨の間に流体の流入出によって膨張、収縮する袋を介在させたもの、請求項４に記した、この下肢把持治具がＸ線高透過材料で構成されるものが考えられる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る下肢把持治具によって下肢を把持すれば、手術個所である患部を強固に固定できることで、患部と手術ロボット工具との相対位置を正確に定義できるとともに、切除中の加工反力による変位を防止し、正確な骨切除を達成する。また、手術ロボットによる骨切除では、ロボットの稼動範囲中に補助者が介在することは困難であるが、本発明の下肢把持治具により、補助者を介在させることなく、安全に骨切除が遂行できる。
【００２０】
さらに、従来の下肢固定方法では、手術中の作業領域を確保するための皮切に加えて、下肢をクランプ状の器具で把持するための領域を確保する必要があり、そのために余分な皮切を要したが、本発明の下肢把持治具では、必要最低限の部材のみを患部周辺に配置するにとどまり、そのような余分な皮切を要せず、低侵襲手術により患者の早期回復が可能となる。
【００２１】
また、手術ロボットと患部の相対位置を決定する際に、Ｘ線透視装置を用いた記憶装置内のＣＡＤモデルとのマッチングを行う手法によるときは、患部を強固に固定して良好な透視画像が得られるため、正確な相対位置の確定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、手術ロボットを使用した人工膝関節置換術における骨切除の際の模式図であって、手術台１１０と、手術台の上に載せられる患者４０と、患者４０の下肢を把持して膝角度を固定する下肢把持治具５０と、手術ロボット６０及び記憶装置７０が設置されている。
【００２３】
まず、手術の開始に際して患者の患部（膝関節）の皮切を実施し、人工膝関節設置を施す大腿骨遠位端、脛骨近位端を手術に必要な必要最小限の量だけ露出させる。
【００２４】
次に、本発明の下肢把持治具５０にて膝関節部を固定する。この操作における固定を図２の側面図とともに詳しく説明する。
【００２５】
図２に示すように、本発明による下肢把持治具５０は、脛骨を包む脛骨側固定部１と、大腿骨を包む大腿骨側固定部２とが間に露出させた膝関節を挟んで設けられる。これにおける両固定部１、２は、剛体からなるシェル状をした半筒体であり、それぞれ脛骨と大腿骨の下半分にあてがわれる。そして、両固定部１、２の下部には、手術台１１０との角度と間隔を自由に調節できる二つのヒンジ機構３、４＋スライド機構７、８が設けられる。本例のヒンジ機構３、４＋スライド機構７、８は、クランク状をした部材であり、下部にヒンジ機構３、４が、上部にスライド機構７、８が設けられたものである。さらに、両固定部１、２の上部には、この両固定部１、２を角度と間隔を自由に調節して連結するヒンジ・スライド機構６、５、１４が設けられる。
【００２６】
まず、固定の際に患者の脚の長さに合わせて治具の長さが調整される。この長さの調整は、スライド機構７、８によって実現され、固定用クランプ９によって固定される。この際に両固定部１、２は、脛骨及び大腿骨の固定に寄与する部分であり、骨切除の際には大脛骨近位部、大腿骨遠位部に加工反力が作用することになるので、極力脛骨近位部、大腿骨遠位部付近に両固定部１、２を配置できるように調整する。この調整により、より強固な患部の固定が達成される。
【００２７】
次に、膝関節の角度の調整を実施する。人工膝関節置換術時の人工膝関節設置のための骨切除は、既存の人工膝関節では大腿骨側は前面、前斜面、遠位面、後斜面、後面の５面、脛骨側は近位面１面を切除する必要がある。特に、図３の模式図に示すように通常の皮切では膝蓋骨の周囲を切除するアプローチが行われるため、大腿骨の遠位面から後面を十分に露出しないと骨切除が達成できない。
【００２８】
そこで、図２において、手術台１１０と両ヒンジ機構３、４のベース部１０、１１が相対移動できる機構と、足裏及び股関節付近に両ヒンジ機構３、４を設けて任意の角度が調整できる機構とした。本実施例では、手術台１１０の側方に付設されたレール１１１にスライド可能に取り付けられる脛骨側部材１２及び大腿骨側部材１３をそれぞれのベース部１０、１１と適宜な連結材で連結し、手術台１１０に対して両ヒンジ機構３、４が相対運動する構造となっている。
【００２９】
このような構成をとるのは、手術台１１０に直接ベース部１０、１１を取り付けると、その存在スペースによって手術ロボット６０やＸ線透視装置の作動に支障を来すことから、これを避けたものである。この点で、ベース部１０、１１は、各ヒンジ機構３、４のベースとなり得る最小限のスペースのもので足りる。
【００３０】
さらに、膝屈曲の際の屈曲中心は個体差があり、一意的に回転中心を決定できないため、大腿骨遠位・脛骨近位部の距離を自由に設定可能なヒンジ・スライド機構５、６を設けた。大腿骨側のヒンジ・スライド機構５からは棒状部材１５が延びており、これが脛骨側のヒンジ・スライド機構６、１４に通される構成にしている（大腿骨側と脛骨側とが反対の構成であってもよい）。これにより、両固定部１、２の角度と間隔は自由に調節されるものとなり、図４の動き模式図に示すように任意の位置姿勢に設定可能となっている。最後に、上記の調整が完了した段階で、クランプ９にて位置を固定、不動とする。
【００３１】
最終的な患部の固定の際には、患者の足を上記の固定された位置にて下肢把持治具５０に設置した際に、両固定部１、２に同じく半筒体のシェル状をしたそれぞれの上蓋１６、１７を合わせて下肢を包み込み、両固定部１、２と両上蓋１６、１７の間に流体（圧縮空気・水・砂）が流入出可能な内部が空洞の袋を配置する。なお、両固定部１、２と両上蓋１６、１７との合わせ構造は、フックとロック機構を有するものでもよい。
【００３２】
上記の設定が完了した段階で、図５の説明図に例示するように剛体の両固定部１、２及び両上蓋１６、１７と脚間で内部が空洞の袋８０内の空間８１に管１８より圧縮空気を流入させて膨張させ、脚の筋肉や皮膚等の軟部組織３１及び大腿骨３０を含めて圧迫力を作用させ固定する。また、内部が空洞の袋８０内の空間８１に砂状メディアを配置して固定する場合には、メディアの量を調整し、袋８０を脚の形状に膨張させて管１８から袋内空気を抜き袋の形状を固定させて脚を固定する。図５の例示は大腿骨の場合であるが、脛骨２０固定の際も同様の操作にて可能である。
【００３３】
上記の固定原理は、脚の広範囲な領域を固定に寄与させるため、骨の切削時の加工反力に対して十分な固定力を確保することが可能となる。
【００３４】
補助的な固定として、膝関節下は足首部付近を帯又はそれと同等の部材を用いて下肢把持治具と固定する。膝関節上は、脚は股関節部で患者の体幹部と固着しているため、患者が過度に動かないように配慮すればよい。さらに、大腿骨又は脛骨において、加工反力により骨の長軸周りに回転変位が危惧される場合には、補助的に下肢把持治具と一体化されたピンを脛骨近位部又は大腿骨遠位部に挿入して補助固定を施してもよい。
【００３５】
上記の患部固定が完了した段階で、図１における手術ロボット６０を設置する。手術ロボットの工具と患部相対位置決定の際にＸ線透視装置を使用する際には、上記下肢把持治具をアルミニウム、チタン又は樹脂といったＸ線高透過性の材料で構成することにより、手術ロボットの基準位置と患部骨格画像が良好に取得され、手術ロボット内の記憶装置７０内の患部骨格データと照合することで正確な相対位置の決定が達成される。
【００３６】
さらに、手術中にＸ線透視でその他インプラント部品の挿入状況を確認する際にも、下肢を固定したまま撮影画像が取得でき、下肢把持治具を外すことなく即座に手術が続行できる点でも有利である。
【００３７】
これら一連の作業を経て、手術ロボットによる人工膝関節置換のための骨切除が行われる。この骨切除の際にも、上記方法により患部は強固に固定されるため、ロボットによる高精度な骨切除、正確な人工関節の設置が達成される。なお、この下肢把持治具は、マニュアル手術の際にも有用であるのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による手術ロボット用下肢把持治具を用いた手術の模式図である。
【図２】本発明による手術ロボット用下肢把持治具の詳細図である。
【図３】人工膝関節置換術における膝角度と骨切除の可否の関係を示した説明図図である。
【図４】本発明の手術ロボット用下肢把持治具の機構原理を示した説明図である。
【図５】本発明の手術ロボット用下肢把持治具の患部固定原理を示した説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    脛骨側固定部
２    大腿骨側固定部
３    脛骨側ヒンジ機構
４    大腿骨側ヒンジ機構
５    大腿骨側ヒンジ・スライド機構
６    脛骨側ヒンジ・スライド機構
７    脛骨側スライド機構
８    大腿骨側スライド機構
９    クランプ
１０  脛骨側ベース部
１１  大腿骨側ベース部
１２  脛骨側部材
１３  大腿骨側部材
１４  脛骨側ヒンジ・スライド機構
１５  棒状部材
１６  脛骨側上蓋
１７  大腿骨側上蓋
１８  管
２０  脛骨
３０  大腿骨
３１  軟部組織
４０  患者
５０  下肢把持治具
６０  手術ロボット
７０  手術ロボットの記憶装置
８０  袋
８１  袋の空間
１１０  手術台
１１１  レール
【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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