(57)【要約】  立体Ｘ線撮影画像を使用して、構成要素間の定義された運動学的関係によって制約されたその構成要素の位置および配向を測定することによってインプラント構成を確立するための医療用撮像方法が記載される。本方法は、患者特有のインプラント構成の決定を可能にし、かなりの閉塞にもかかわらず、インプラントのポーズの正確な測定を可能にする。この方法を用いて得られた測定値は、他の構成要素、骨、または他の目印に対するインプラント構成要素の相対移動を決定するために使用され得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者におけるインプラント組立体を構成する構成要素の個々の位置および配向を定量的に測定するための方法であって、
ａ）標的領域の一連の立体Ｘ線撮影画像を取り込むことと、
ｂ）前記一連の画像の前記Ｘ線撮影画像に基づいて計算された、インプラント組立体の各構成要素の位置および配向を測定することと、
ｃ）前記インプラント組立体の各構成要素の相対３次元位置および配向の変化を測定することであって、時点間の測定値が、１つの構成要素と別の構成要素との間の相対運動、またはあるいは、１つの構成要素と選択された目印との間の相対運動を計算するために使用される、測定することと、を含む、方法。
【請求項２】
ｄ）インプラント組立体の各構成要素の３次元位置および配向を計算することをさらに含み、定義された運動学的関係が、主要構成要素に対する１つ以上の二次構成要素の相対運動を制限する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップ（ｂ）におけるインプラント組立体の各構成要素の絶対および相対３次元位置および配向の計算が、前記一連の画像の各フレームに対する前記Ｘ線撮影画像に基づく反復最適化による、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
整形外科用インプラントの評価またはモニタリングに関する対象とする測定基準を評価するための方法であって、
ａ）前記インプラントを含む前記患者の標的領域の一連の立体Ｘ線撮影画像を取り込むことと、
ｂ）前記インプラントの前記構成要素の運動学的関係を定義することであって、主要構成要素が定義され、すべての他の二次構成要素の運動が、前記主要構成要素に関して定義され、この相対運動の自由度が、前記インプラントの設計に関連する制約によって減少する、定義することと、
ｃ）前記インプラント組立体内の各構成要素または他の目印の相対３次元位置および配向の変化を測定することと、
ｄ）前記３次元モデルの前記測定された変化を使用して、寛骨臼カップライナー摩耗などの対象とする測定基準を計算することと、を含む、方法。
【請求項５】
ステップ（ｂ）における前記インプラント組立体の各構成要素の相対３次元位置および配向の計算が、前記一連の画像の各フレームに対する前記Ｘ線撮影画像に基づく反復最適化による、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
インプラント組立体の前記構成要素の位置および配向を計算するためのＸ線撮影撮像方法であって、
ａ）前記標的領域の一連のＸ線撮影画像を取り込むことであって、前記Ｘ線撮影画像が、視体積内の画像を取り込むように互いの角度で撮られた画像対を含む、取り込むことと、
ｂ）前記一連のＸ線撮影画像内に取り込まれた前記インプラント組立体の前記構成要素の焦点およびエッジデータを計算し、前記データを共通基準フレームに統合することと、
ｃ）インプラント組立体の前記構成要素の絶対および相対３次元位置および配向を決定することと、
ｄ）前記共通基準フレーム内の前記データに対してインプラント組立体の前記構成要素の一般３次元位置および配向を反復的に操作して、前記Ｘ線撮影画像内で各構成要素に対する最良適合３次元位置および配向を実現することと、
ｅ）一連の各画像対に対してステップｂ〜ｄを繰り返すことと、を含む、方法。
【請求項７】
前記インプラント組立体の前記構成要素間の運動学的関係が、主要構成要素に対する二次構成要素の相対運動を制限するために使用される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
インプラント組立体の前記構成要素の前記３Ｄコンピュータモデルが、デジタルＣＡＤモデルである、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
インプラント組立体の前記構成要素の前記３Ｄコンピュータモデルが、光スキャナから再現される、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用撮像の分野に関し、具体的には、埋め込まれた関節置換構成要素の３Ｄ医療用撮像に関する。
【背景技術】
【０００２】
変形性関節症（ＯＡ：ＯｓｔｅｏＡｒｔｈｒｉｔｉｓ）は、関節炎の最も一般的な原因であり、身体障害の主因のうちの１つである。ＯＡは、個人の働く能力にかなりの影響を及ぼし、彼らの生活の質を低下させる。ＯＡは、膝または股関節などの関節の軟骨が損なわれ、腫れ、凝り、および痛みをもたらす、変形性関節疾患である。整形外科用インプラントを使用する関節置換手術は、痛みおよび／または機能喪失が深刻になったときの通常の治療過程である。
【０００３】
米国において、関節置換手術の費用は、２００９年では総額５００億ドル近くに達することが報告されており、近年では毎年、股関節および膝の置換は１００万を上回る。関節形成処置の継続的拡大はまた、インプラントの緩みおよび組立体の不具合を含む、補綴問題により、再置換手術の負担を大きくすることになる。
【０００４】
立体Ｘ線撮影は、光線を交差させ、光線交差点に置かれた対象物の２つのＸ線画像を同時に撮る、２つのＸ線システムを使用する技法である。立体Ｘ線撮影は、従来、骨に対する経時的なインプラントの微動である移動を正確に測定するために使用されてきた。０．１ｍｍの正確さおよび精度が、立体Ｘ線撮影を使用して達成され得る。１０年も後の、また症状が起こるずっと前のインプラントの緩みによる再置換手術の必要性を予測することができるように、最初の１、２年内の過度の移動が証明された。このことは、立体Ｘ線撮影が、特定のインプラントに関する問題を早期に、また他の方法より少ない患者に関して検出するのを可能にする。
【０００５】
放射線立体測定分析（ＲＳＡ：Ｒａｄｉｏ  Ｓｔｅｒｅｏｍｅｔｒｉｃ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）などの立体Ｘ線撮影方法を使用してのインプラントの評価およびモニタリングは、高い測定の正確さおよび精度の能力がある撮像設定を必要とする。高い程度の正確さおよび精度まで撮像構成を知ることに加えて、分析には、測定されるインプラントの３Ｄコンピュータモデルも必要である。現在の分析方法は、インプラントが、１つの構成要素から作られている、または一定の既知の構成の構成要素であると仮定し、そうでなければ、各構成要素は、個々に測定される必要がある。しかしながら、インプラントが、複数の構成要素から成る組立体である場合、インプラント組立体を構成する構成要素の正確な構成が知られていない可能性があり、組立体内の累積公差により患者に特有でさえあり得る。
【０００６】
股関節置換インプラントの大腿骨ステム上の骨頭を塞ぐ放射線不透過性カップなど、組立体そのものまたは他のインプラント構成要素の放射線不透過性構成要素によって引き起こされる組立体の一部の限られた視界または閉塞により、評価はさらに複雑にされ得る。このような場合、従来の方法で、組立体の特定の構成要素の位置を正確に突き止めることは不可能であり得る。すなわち、構成要素の位置（ｘ座標、ｙ座標、ｚ座標）および配向（すなわち、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸を中心とした回転）から成る、ポーズ（ｐｏｓｅ）を描写する６自由度すべてを解像するのに使用可能な十分な画像情報がない可能性がある。この不明情報による正確さおよび精度の損失が、立体Ｘ線撮影を使用して、インプラントを評価し、モニタするのを禁止している場合がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の例示的な実施形態は、整形外科用インプラント組立体の３Ｄ構成、骨に対する、また別のインプラントまたはインプラント構成要素に対するその３Ｄ位置および配向を、立体Ｘ線撮影を使用して測定するための方法に関する。
【０００８】
１つの例示的な実施形態は、患者におけるインプラント位置を測定するための方法に関し、本方法は、（ａ）整形外科用インプラント組立体を構成する構成要素の３Ｄコンピュータモデルと、（ｂ）インプラント組立体の構成要素の定義された運動学的関係であって、主要構成要素が定義され、すべての他の二次構成要素の位置および配向が、運動学的連鎖において、主要構成要素または先行の構成要素に対して描写される、定義された運動学的関係と、（ｃ）立体Ｘ線撮影撮像データの取得と、（ｄ）インプラントの組立体の構成とともに、その構成要素の運動学的関係の制約を使用してのインプラントの位置および配向の正確な測定と、を含む。いくつかの例示的な実施形態によれば、本方法は、（ｅ）少なくとも２つの時点から得られた組立体構成および３Ｄポーズを使用して、組立体構成、および／または骨に対する、または別のインプラントもしくは別のインプラント構成要素に対するポーズの変化を測定すること、をさらに含む。
【０００９】
本明細書に開示される方法は、インプラント構成要素間の運動学的関係の知識、および部分的に閉塞された構成要素からの限られた情報と併せて、インプラント組立体の明確に見える構成要素の位置を使用して、組立体の構成、およびインプラント組立体が取り付けられている患者内の閉塞された構成要素の３Ｄ位置を正確に決定し得る。
【００１０】
本発明のこれらおよび他の特徴は、添付図面に参照がなされる、以下の「発明を実施するための形態」においてより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本開示の実施形態による、例示的な方法において使用され得る６０°光線間構成における立体Ｘ線撮影システムの概略図である。
【図２】図２は、図１に表された例示的な動的立体Ｘ線撮影システムの基準ボックスによって提供されるマーカセットに基づいた共通基準フレーム（座標系）の画像登録および作成の概略図である。
【図３】図３は、本開示の例示的な実施形態による、インプラント組立体の各構成要素に対して位置および配向を最適化するための、３次元モデルとＸ線撮影画像対との間のインプラントトラッキングを示す表示である。
【図４】図４は、インプラント組立体を構成する構成要素の位置およびポーズの最適化に導き、それを含む作業の流れを示すフローチャートである。
【図５】図５は、本明細書に開示される例示的な方法の実施形態による、大腿骨ステム（主要構成要素）と大腿骨骨頭（二次構成要素）との間の例示的なプリズム運動学（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ  ｋｉｎｅｍａｔｉｃ）の概略図である。
【図６】図６は、本明細書に開示される例示的な方法による、インプラント組立体の構成要素の構成およびポーズを使用した、寛骨臼カップライナーにおける摩耗測定の表現を表す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
立体Ｘ線撮影を用いた生体内整形外科用インプラントの撮像ベースの測定は、インプラントの緩みの評価およびモニタリングを可能にし、再置換手術および患者の転帰を予測するデータを提供する。
【００１３】
本開示の実施形態は、インプラント組立体の個々の構成要素の構成が３Ｄにおいて定量的に決定されるのを可能にする、立体Ｘ線撮影に基づく方法を説明する。詳細には、本開示の実施形態は、インプラント組立体の構成、位置、および配向をもたらす、構成要素間の運動学的関係ごとのインプラント組立体のポーズ最適化に、付加的な自由度を加えることを含む。
【００１４】
本開示のいくつかの例示的な実施形態は、インプラント組立体の構成要素の位置および配向が、互いへの組立体構成要素の定着、埋め込み、ライナーまたはスペーサ付きのインプラントにおけるクリープおよび摩耗、インプラントが取り付けられている骨内のそのインプラントの移動など、対象とする測定基準を測定するために使用される方法に関する。
【００１５】
説明目的上、人間の股関節インプラントの大腿骨構成要素の生体内測定に関連して、本発明のデバイスおよび方法が以下に述べられる。しかしながら、当業者に理解されるように、それらの方法は、他のタイプのインプラント組立体で、例えば膝インプラント、肩インプラント、他の関節、生体外または原位置で、また如何なる哺乳類の場合でも、採用され得る。
【００１６】
本開示の例示的な実施形態は、哺乳類被対象に取り付けられたインプラント組立体の構成とともに、インプラント組立体の構成要素の位置および配向の３Ｄ決定に関する。詳細には、インプラント組立体の構成要素の３Ｄコンピュータモデルが得られ、それらの組立体およびポーズが患者のインプラントの立体Ｘ線撮影画像対に基づいて決定される。複数の時点における測定された位置および配向を比較することによって、移動、クリープおよび摩耗、ならびに構成要素定着などの対象とする測定基準が測定され得る。当業者であれば、患者によって行われる所定の随意運動の有無にかかわらず、一連のＸ線撮影画像が、動的に、または一連の漸進的静止Ｘ線撮影画像において得られ得ることも分かるであろう。当業者であれば、本明細書に説明された方法が、正確さおよび精度のあり得る出費で、単一平面ｘ線画像においても使用される場合があることも分かるであろう。
【００１７】
立体Ｘ線撮影撮像
当業者であれば、インプラント組立体のＸ線撮影画像を得るために使用され得る様々な立体Ｘ線撮影技法があることが分かるであろう。例えば、放射線立体測定分析（ＲＳＡ）の二方向蛍光透視法または二重平面蛍光透視法がある。本開示のいくつかの例示的な実施形態は、テーブル上に直立しているまたは横たわっている患者の立体ｘ線照射を取り込むことを含む、患者の人体の標的領域内のインプラントの位置および配向の３次元測定値を得るための立体Ｘ線撮影撮像に関する。さらなる実施形態によれば、当業者にはすぐに理解されるように、ウエイト、輪ゴム、および同様のものが、インプラントを含む関節に負荷をかけるために使用され得る。
【００１８】
当業者であれば、Ｘ線撮影画像からインプラント組立体の構成要素の３Ｄ位置および配向を得るのに、様々な方法が使用されてもよいことが分かるであろう。上述を制限することなく、撮像構成の計算を可能にするのに、基準対象物が視野に含まれてもよい。さらに、３Ｄ位置および配向を計算するために使用される画像情報は、Ｘ線撮影画像のエッジ検出、画像から得られた諧調度情報、特徴認識および特徴抽出、または画像マッチングと組み合わされたデジタル方式で再現されたＸ線撮影の使用に基づいてもよい。
【００１９】
インプラント組立体の構成要素の位置および配向の測定
インプラント組立体の構成要素の位置および配向の３次元測定は、インプラント組立体の構成要素の立体Ｘ線撮影画像におけるインプラントの表現と３Ｄコンピュータモデルにおけるインプラントの表現との間の幾何学的関係を確立することから成る。本開示のいくつかの例示的な実施形態によれば、３Ｄ測定のための方法は、３Ｄコンピュータモデルの投射を、Ｘ線撮影画像に見えるインプラント組立体の構成要素のエッジまたは諧調度データに合わせることに関わる。このようにして、インプラント組立体の構成要素の３Ｄコンピュータモデルの位置および配向は、Ｘ線撮影画像から導出され、それにより、インプラント組立体の構成を解像する（図３）。
【００２０】
撮像構成についての既知の情報を通して、またはＸ線撮影画像を使用して撮像構成を決定することによって、のいずれかで画像登録が行われる。例示的な実施形態によれば、このことは、立体Ｘ線撮影画像からｘ線焦点位置を決定し、すべての画像情報を共通基準フレームに統合することに関わる。本開示の例示的な実施形態によれば、基準ボックス（図２）によって例示された登録要素は、患者と検出装置パネルとの間に位置付けられている。登録要素は、それからｘ線焦点が計算され得、すべての画像情報が共通基準フレーム（図４）において統合され得る、基準マーカを提供する一連の基準ビーズおよび対照ビーズを有する。
【００２１】
本開示の実施形態による画像特徴抽出は、画像品質向上、画像内のエッジのロバストな検出、および構成要素特有のエッジマップの作成のための画像のフィルタ処理を含む。
【００２２】
インプラント組立体の構成要素の３Ｄコンピュータモデルは、当業者に知られている様々な方法を使用して得られ得る。本開示の実施形態によれば、３Ｄコンピュータモデルは、ＣＡＤソフトウェアから生成され得る。他の実施形態によれば、３Ｄコンピュータモデルは、光走査によって生成され得る。また他の実施形態によれば、３Ｄコンピュータモデルは、パラメータ化された幾何学的モデルによって表され得る。なお他の実施形態によれば、３Ｄコンピュータモデルは、ＣＴまたはＭＲＩ走査から生成され得る。
【００２３】
インプラント組立体の構成要素の３Ｄコンピュータモデルが別々に定義されることに留意されたい。組立体全体に位置および配向が割り当てられる元である主要構成要素は、その組立体から選ばれ、それから二次構成要素の運動学的連鎖が定義される。さらに、二次構成要素のそれぞれと主要構成要素との間の運動学的関係が定義され、それにより、組立体の考えられる構成を制約し、組立体の構成を解明するのに必要とされる自由度を減少させる。ある構成要素がすべての他の構成要素から独立している特殊なケースでは、二次構成要素が何も結び付けられないことに留意されたい。本開示の別の実施形態によれば、１つより多い運動学的連鎖が定義され、同時に測定され得る。
【００２４】
主要オプティマイザは、組立体の一般３次元位置および配向、ならびに構成要素の構成を、最良適合を確立するように合わせることに関わる（図４）。これらの反復は、インプラント組立体の運動学的関係によって可能にされるような二次構成要素の相対位置とともに、インプラント組立体の主要構成要素の絶対位置および絶対配向を最適化することに関わる。最適化位置および最適化配向を得るために、主要オプティマイザにおけるステップが、各画像対に対して繰り返され、インプラント組立体の主要構成要素では絶対的にであり、各二次構成要素では相対的にである。各二次構成要素に対して、結果として生じた出力は、絶対位置および絶対配向に変換され得る（図４）。
【００２５】
本開示の別の例示的な実施形態は、投射された３Ｄコンピュータモデルとの適合度に基づいた、各反復におけるエッジマップからのエッジデータの更新に関する。
【００２６】
構成、ポーズ、および相対ポーズの変化を測定する
本開示の例示的な実施形態によれば、インプラント組立体の構成要素の最適化３Ｄコンピュータモデルは、整形外科用インプラントの評価またはモニタリングにおいて、対象とする測定基準の正確な定量的測定のための基礎を提供する。具体的には、従来の立体Ｘ線撮影において見られるような骨に対するインプラント組立体の移動が決定され得る。負荷状態が変動する場合、組立体構成の変化は、組立体内の１つ以上の構成要素の緩みを示唆する。特定の実施形態によれば、２つの時点間の寛骨臼カップに対する大腿骨骨頭の相対３次元位置および配向の変化が、寛臼骨カップのライナーの摩耗を計算するために使用され得る。
【実施例】
【００２７】
例１
撮像装置
立体整形外科用Ｘ線撮影システム５０（Ｈａｌｉｆａｘ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｕｉｔｅ；Ｈａｌｉｆａｘ  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｉｎｃ．、Ｍａｂｏｕ、ＮＳ、Ｃａｎａｄａ）が使用された。立体整形外科用Ｘ線撮影システム５０は、同時に露光して、立体Ｘ線撮影画像を得る２つのＸ線撮影システム６５を備えていた（図１）。各Ｘ線撮影システム６５は、ｘ線源（ＲＡＤ−９２  Ｓａｐｐｈｉｒｅ  Ｘ−Ｒａｙ  Ｔｕｂｅ；Ｖａｒｉａｎ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｐａｌｏ  Ａｌｔｏ、ＣＡ、ＵＳＡ）と、発生器（Ｈｙｄｒａｖｉｓｉｏｎ  ＳＨＦ６３５ＲＦ  ＤＲ  Ｘ−Ｒａｙ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、ＳＥＤＥＣＡＬ  ＵＳＡ  Ｉｎｃ．、Ｂｕｆｆａｌｏ  Ｇｒｏｖｅ、ＩＬ、ＵＳＡ）と、ｘ線検出装置パネル８５と、デジタル撮像システム（ＣＤＸＩ  ５０ＲＦ、Ｃａｎｏｎ  ＵＳＡ  Ｉｎｃ．、Ｍｅｌｖｉｌｌｅ、ＮＹ、ＵＳＡ）と、これらの構成要素同士をつなげ、撮像データを取り出し、その撮像データを再現するためのコンピュータシステムと、を備えていた。２つのｘ線撮像システム６５は、それらのｘ線光線７０が部分的に重なり合い、３Ｄ視体積７５を生み出すような角度で、互いに位置付けられている。
【００２８】
６０度基準ボックス８０（ＳＲ  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｂｏｘ；Ｈａｌｉｆａｘ  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｉｎｃ．、Ｍａｂｏｕ、ＮＳ、Ｃａｎａｄａ）が、両方のシステム６５の画像フィールド内部に置かれた（図１、２）。基準ボックス８０は、剛性を確保し、かつ作動中の温度変動から生じる変形に抵抗するために、またそのＸ線透過性のために、炭素繊維から構築された。基準ボックス８０は、一連の等間隔に配置された放射線不透過タンタルビーズを含む基準平面の直ぐ背後に、一平面上構成でその底部（患者およびＸ線源から離れた）に、２つのデジタル検出装置パネル８５を収容していた。基準ボックス８０の上部は、対照平面を形成し、対照平面も、放射線不透過性タンタルビーズを含んでいた。基準ビーズが、取り込まれた画像が共通基準フレームに変換されるのを可能にする一方、対照ビーズは、焦点（すなわち、Ｘ線源）位置の計算により分析を可能にするようにした。画像が、２つのデジタル検出装置プレート８５（ＣＤＸＩ  ５０ＲＦ、Ｃａｎｏｎ  ＵＳＡ  Ｉｎｃ．、Ｍｅｌｖｉｌｌｅ、ＮＹ、ＵＳＡ）上に、標準医療ＤＩＣＯＭフォーマットにおいて、相対強度値を有するグレースケール画像として取り込まれた。２つのＸ線撮影システムの視野の重なりは、３次元視体積７５を構成した（図２）。登録要素は、それからｘ線焦点が計算され得、すべての画像情報が、共通基準フレーム９０において統合され得る、基準マーカを提供する一連の基準ビーズおよび対照ビーズを有する。基準ボックス８０は、垂直支柱５２と枢動可能に係合されている梁５４にしっかりと載置され、垂直支柱５２により、梁５４は、上方下方に制御可能に動かされ得、それに加えて、垂直支柱５２上で制御可能に回転され得る（図１）。
【００２９】
画像データ取得
患者が仰臥位および直立位にある状態で、画像が取得された。各画像に対し、患者が位置付けられ、どのようにその位置を保つかについて、科学技術者によって指示された。画像品質を確保しするために、画像対のそれぞれが、科学記述者によって再調査され、目標の領域が取り込まれた。次に、遠隔放射線診断技術を用いて、画像が、分析のために画像分析センタに転送された。
【００３０】
インプラント組立体および運動学的関係の定義
患者内部に取り付けられた、総股関節置換用に設計された整形外科用インプラントは、上に説明されたように、術後に撮像された。股関節インプラントを構成する構成要素は、彼らの大腿骨３２内部に取り付けられた大腿骨ステム１０および大腿骨骨頭２０、ならびに彼らの骨盤のソケット３４内部に取り付けられた寛骨臼カップおよびポリエチレンライナー（図示せず）である（図３）。これらの構成要素の３Ｄコンピュータモデル（Ｃ）が、図４に概説されたステップに従って、２つのＸ線撮像システム６５によって同時に取り込まれた２つのＸ線撮像画像（Ａ）、（Ｂ）から計算された（図３）。この例では、大腿骨骨頭は、相対的に放射線透過性であるセラミック材料を含む一方、寛骨臼カップは、放射線不透過性であるタンタルから作られており、それにより、１つまたは両方のＸ線撮影画像（Ａ）、（Ｂ）においてかなり閉塞された大腿骨骨頭をレンダリングした（図３）。閉塞の程度および位置は、患者位置付けによって決まり、予測され得なかった。撮像の目的は、近位方向におけるカップへの骨頭の貫通として、この目的のために定義されているカップライナー摩耗を、複数の時点で測定することであった。ほとんどの画像シーケンスにおける閉塞程度は、当技術分野において知られている標準技法を使用するこの計算を禁止した。しかしながら、大腿骨ステムは、すべての画像シーケンスにおいてその全体が見えていた。したがって、大腿骨ステムは、大腿骨骨頭が二次構成要素としてである場合のインプラント組立体の主要構成要素として選ばれた。ステムのネックの対称軸と骨頭の対称軸とのプリズム結合が、同一線上にあるように設定されるように、大腿骨ステムと大腿骨骨頭との間の運動学的関係が定義された（図５）。これら２つの構成要素に対して道理にかなった開始位置が設定された。これにより、股関節インプラントの大腿骨構成要素の組立体は、大腿骨ステムのポーズが６自由度（３つの並進および３つの回転）によって描写され、ステム上の大腿骨骨頭の位置が第７自由度として描写された、７自由度システムとして描写された。第７自動度は、大腿骨ステムに対してであり、初期位置からの、同一線上の対称軸に沿う大腿骨骨頭の並進を描写した。寛骨臼カップは、すべての画像で明瞭に見え、インプラントの独立した構成要素として定義され、全６自動度で描写された（図５）。股関節インプラントのポリエチレンライナーは、ｘ線では見えず（図３の（Ａ）、（Ｂ））、測定され得なかった。
【００３１】
撮像構成の決定
Ｘ線撮影画像が、撮像システムの詳細な構成を描写する、パラメータの計算用のコンピュータシステムに読み込まれた。基準ボックス内の基準ビーズは、画像内に位置しており、それらの位置は、表にまとめられた。これらのビーズの既知の位置に基づいて、ビーズ位置を画像からの表にまとめられた位置に一致させる射影変換が、図４に概説されたプロセスステップに従って計算された。基準ボックスの対照ビーズは、画像内に位置し、それらの位置は、表にまとめられた。基準ビーズおよび対照ビーズの既知の位置に基づいて、２つの焦点の位置が計算された。
【００３２】
画像特徴の抽出
Ｃａｎｎｙエッジ検出フィルタを使用して、Ｘ線撮影画像がフィルタ処理された。グラフィカルユーザインターフェースを使用して、熟練したユーザは、大腿骨ステム、大腿骨骨頭、および寛骨臼カップに属するすべてのエッジを、別々に選択した。大腿骨ステム（結合された骨頭を有する）および大腿骨カップに関する初期位置および配向は、またグラフィカルユーザインターフェースを使用して設定された。
【００３３】
インプラント組立体構成および構成要素ポーズの決定
インプラントを構成する構成要素の任意の所与の位置および配向に対して、基準平面への投射輪郭を計算するのに、射影変換を描写する焦点およびパラメータの位置が使用された。投射輪郭とユーザ選択の構成要素特有のエッジマップとの間のスコア適合度、ステムの所与のポーズ、対称軸に沿う骨頭の相対並進、およびカップのポーズを計算するオプティマイザに使用可能に、目的関数が作られた。スコア適合度は、二乗距離測定基準の合計に基づいており、大腿骨ステムと大腿骨カップとで別々に計算された。
【００３４】
オプティマイザは、目的関数を使用して、事前定義の調査空間内で、Ｘ線撮影画像への最良適合をもたらすインプラント組立体の構成を見つけた。この例では、オプティマイザは、最初に、汎用最適化方法としての粒子群最適化を使用した。最適化の第２のラウンドは、局所の諧調度ベースのオプティマイザとの適合度をさらに上げることを試みた。粒子の初期位置は、事前定義の調査空間に沿って均一に分散されており、ユーザ初期化推定に集中していた。オプティマイザは、ステム１１０、およびステム１１０のネック１１５の最終ポーズ、対称軸９０に沿ったステム１１０に対する大腿骨１２０ａ、１２０ｂの並進、ならびにカップのポーズを返信した（図５）。
【００３５】
カップライナー摩耗の計算
カップライナー摩耗が、カップへの骨頭の近位貫通として定義された。インプラント構成が大腿骨ネック１１５のポーズ、および大腿骨ステム１１５に対する大腿骨骨頭１２０の相対位置によって決定される場合、各時点に対する骨頭の絶対ポーズ、すなわち、１年目の「１２０ｃ」、２年目の「１２０ｄ」が計算された（図６）。カップに対する骨頭の変位を計算するために、２年目のカップのポーズ１２０ｄが、１年目のカップのポーズ１２０ｃと一致するように変換され、それにより１年目ポーズを基準として使用した。同じ変換が、２年目の骨頭のポーズに適用された。このようにして、２つの時点間のカップに対する骨頭の運動を描写する変位ベクトルが決定され得た。この変位の成分は、近位解剖学的方向とほぼ位置が揃っており、カップライナー摩耗が報告された。
【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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【図６】
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【国際調査報告】
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