(57)【要約】  関節再置換術における穿孔処理中などの、リアルタイム音響フィードバックを使用した骨セメント除去のためのシステムと方法とについて説明する。骨セメント除去のためのシステムは、マイクロホンからデジタル周波数データを受信する動作と、デジタル周波数データの少なくとも一部を複数の周波数的特徴と比較する動作と、比較に少なくとも部分的に基づいて、デジタル周波数データの一部が骨切削周波数を表すか骨セメント切削周波数を表すか判定する動作と、を含む動作を実行するプロセッサを含み得る。
2017526455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨セメント除去のためのシステムであって、
切削工具に接続された制御装置と、
マイクロホンと、
メモリ装置に接続されたプロセッサと、
を備え、
前記メモリ装置が、前記プロセッサにより実行されたとき、
前記マイクロホンからデジタル周波数データを受信する動作と、
前記デジタル周波数データの少なくとも一部を複数の周波数的特徴と比較する動作と、
前記比較に少なくとも部分的に基づいて、前記デジタル周波数データの前記一部が骨切削周波数を表すか骨セメント切削周波数を表すかを判定する動作と、
前記デジタル周波数データの前記一部が前記骨切削周波数を表すと判定したことに応答して、前記切削工具の制御パラメータを調節するように前記制御装置に指示を送信する動作と、
を含む動作を前記システムに実行させる命令を含む、
システム。
【請求項２】
デジタル信号処理装置をさらに備え、前記デジタル信号処理装置が、第2のメモリ装置に接続され、前記第2のメモリ装置が、前記デジタル信号処理装置により実行されたとき、
前記マイクロホンからアナログ信号を受信する動作と、
前記アナログ信号を前記デジタル周波数データに変換する動作と、
を含む動作を前記システムに実行させる命令を含む、
請求項1に記載のシステム。
【請求項３】
前記デジタル周波数データの前記一部が前記骨切削周波数を表すか前記骨セメント切削周波数を表すかを判定する動作が、信頼指数を使用する動作を含む、
請求項1に記載のシステム。
【請求項４】
前記制御パラメータを調節するように前記制御装置に前記指示を送信する動作が、前記切削工具を減速または停止するように前記制御装置に前記指示を送信する動作を含む、
請求項1に記載のシステム。
【請求項５】
前記動作は、前記デジタル周波数データの前記一部が前記骨セメント切削周波数を表すと判定したことに応答して、その切削速度で前記切削工具を駆動し続けるように前記制御装置に指示を送信する動作をさらに含む、
請求項1に記載のシステム。
【請求項６】
前記制御パラメータを調節するように前記制御装置に前記指示を送信する動作が、前記切削工具を退かせるように前記制御装置に前記指示を送信する動作を含む、
請求項1に記載のシステム。
【請求項７】
前記動作は、前記デジタル周波数データの前記一部が前記骨切削周波数を表すと判定したことに応答して、警報を送信する動作をさらに含む、
請求項1に記載のシステム。
【請求項８】
前記制御装置が、操作される制御装置を含み、第2のマイクロホンをさらに備える、
請求項1に記載のシステム。
【請求項９】
前記デジタル周波数データの少なくとも前記一部を前記複数の周波数的特徴と比較する動作が、音声フィンガープリンティングを使用して比較する動作を含む、
請求項1から8のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
電子装置により実行されたとき、
マイクロホンからデジタル周波数データを受信する動作と、
前記デジタル周波数データの少なくとも一部を複数の周波数的特徴と比較する動作と、
前記比較に少なくとも部分的に基づいて、前記デジタル周波数データの前記一部が骨切削周波数を表すか骨セメント切削周波数を表すか判定する動作と、
前記デジタル周波数データの前記一部が前記骨切削周波数を表すと判定したことに応答して、切削工具の制御パラメータを調節するように制御装置に指示を送信する動作と、
を含む動作を前記電子装置に実行させる命令を含む、
機械可読媒体。
【請求項１１】
前記マイクロホンからアナログ信号を受信する動作と、
前記アナログ信号を前記デジタル周波数データに変換する動作と、
をさらに含む、請求項10に記載の機械可読媒体。
【請求項１２】
前記制御パラメータを調節するように前記制御装置に前記指示を送信する動作が、前記切削工具を減速または停止するように前記制御装置に指示を送信する動作を含む、
請求項10に記載の機械可読媒体。
【請求項１３】
前記制御パラメータを調節するように前記制御装置に前記指示を送信する動作が、前記切削工具を退かせるように前記制御装置に前記指示を送信する動作を含む、
請求項10に記載の機械可読媒体。
【請求項１４】
前記デジタル周波数データの少なくとも前記一部を前記複数の周波数的特徴と比較する動作が、音声フィンガープリンティングを使用して比較する動作を含む、
請求項10に記載の機械可読媒体。
【請求項１５】
骨セメント除去のためのシステムであって、
複数のマイクロホンと、
メモリ装置に接続された画像処理装置(GPU)と、
を備え、
前記メモリ装置が、前記GPUにより実行されたとき、
デジタル信号処理装置(DSP)を介して前記複数のマイクロホンからデジタル周波数データを受信する動作と、
前記デジタル周波数データの少なくとも一部を複数の周波数的特徴と比較する動作と、
前記比較に少なくとも部分的に基づいて、前記デジタル周波数データの前記一部が骨切削周波数を表すか骨セメント切削周波数を表すかを判定する動作と、
前記デジタル周波数データの前記一部が前記骨切削周波数を表すと判定したことに応答して、切削工具の制御パラメータを調節するように制御装置に指示を送信する動作と、
を含む動作を前記システムに実行させる命令を含む、
システム。
【請求項１６】
前記複数の周波数的特徴が、患者に依存しない、
請求項15に記載のシステム。
【請求項１７】
前記デジタル周波数データの少なくとも前記一部を前記複数の周波数的特徴と比較する動作が、音声フィンガープリンティングを使用して比較する動作を含む、
請求項15に記載のシステム。
【請求項１８】
デジタル信号処理装置(DSP)を介して前記複数のマイクロホンからデジタル周波数データを受信する動作が、ミリ秒ごとに定期的に前記DSPを介してデジタル周波数データを受信する動作を含む、
請求項15に記載のシステム。
【請求項１９】
前記デジタル周波数データの少なくとも前記一部を前記複数の周波数的特徴と比較する動作が、ミリ秒ごとにリアルタイムで前記デジタル周波数データの少なくとも前記一部を前記複数の周波数的特徴と比較する動作を含む、
請求項15に記載のシステム。
【請求項２０】
前記制御パラメータを調節するように前記制御装置に前記指示を送信する動作が、前記切削工具を減速し、停止し、または退かせるように前記制御装置に前記指示を送信する動作を含む、
請求項15に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
この特許出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる2014年9月4日に出願された、発明の名称を「Bone Cement Removal Using Real-Time Acoustic Feedback」とする米国仮特許出願第62/045,912号の優先権の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、関節形成術、より具体的には、関節置換術の再置換の分野におけるシステムと方法とに関する。
【背景技術】
【０００３】
人工関節の置換は、最善の状況であっても必要となることが多い。感染が発生し、または人工装具が故障することがあり、別の場合には、人工装具が単に摩耗する。理由によらず、新しい人工装具を固くはめることを可能にするには、より多くの骨を除去する必要があるが、追加で除去する骨をできる限り少なくするのが最善であるという点で、置換(または、「再置換」とも呼ばれる)は、執刀医に困難な問題を突きつける。
【０００４】
股関節形成術において、例えば、人工装具ステム部が、大腿骨の髄内管内に配置されて、セメントマントルを使用して固定される。関節再置換手術が実施されるとき、以前の人工装具のステムが取り外される必要があり、その結果、埋め込みに使用されたセメントマントルが除去される必要がある。セメントマントルを除去するため、手術用穿孔器または切削具が使用される。しかし、穿孔器と切削具とを使用してセメントマントルを除去するすべての従来技術は、さらに骨を不必要に除去する危険性が高い。
【０００５】
この問題を解決するため、いくつかの従来技術は、一切傷つけないように位置合わせするように穿孔器を案内することに注目していた。Mikhailらの米国特許第5,047,035号明細書は、試用大腿骨部品の取り外し時に段階的に大きくなる拡孔器のための案内手段として機能する案内ワイヤを受容する経路を穿孔するための案内手段を元の人工装具の取り外し後に残る空洞内への挿入時に提供する通路をもつ試用大腿骨部品を含む、人工股関節再置換手術を実施するためのシステムを開示する。代替的に、意図しない損傷が発生しないように、手術用穿孔器が被削物を突破した場合に手術用穿孔器を停止することが、Brettらの米国特許第8,463,421号明細書に開示される。Brettでは、軟組織が傷つかないように、処置中の穿孔ビットにおける力とトルクとを連続的に測定することと、力とトルクとの変化率を計算することとにより穿孔ビットの速度が制御される突破制御方法について説明する。しかし、これらの技術はいずれも、再置換手術中、骨を留めながらセメントを除去するための問題には有効ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第5,047,035号
【特許文献２】米国特許第8,463,421号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
手術用穿孔器または切削具を使用するとき、望ましくない骨の部分を除去する危険性、または骨をさらに傷つける危険性を最小化して、骨内からのセメントマントルの除去を可能にするシステムが必要とされる。端的に言えば、骨が不必要に除去されないように、穿孔器または切削具がセメントマントルを突破したとき、および骨に接触したとき、穿孔器または切削具を停止するか、または退かせるシステムが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のシステムは、リアルタイム音響フィードバックを使用することにより、穿孔器または切削具の速度を制御するか、または、代替的に、適切な時点で切削具を後退させる。一例において、関節再置換術における穿孔処理中、執刀医は、患者の骨内を穿孔して古いセメントマントルを除去し、システムが、音響周波数をデータベースにおける周波数のライブラリと比較する。穿孔処理中、観測された音響フィードバックが、セメントマントル/切削具の接触により生成される周波数と異なる(すなわち穿孔器または切削具が骨に接触した)場合、穿孔器または切削具は、自動的に停止されるか、またはシステムにより骨表面から離れるように後退され得る。一例において、骨の損傷を防ぐため、切削具は、保護スリーブ内に後退される。
【０００９】
一例において、データベースは、多くの代替的なセメントマントル/切削具の接触の組み合わせにより生成された事前に記録された周波数を含み得る。代替的に、この判定を実行するため、穿孔される特定のセメントマントルの共振周波数が使用され得る。異なる他の一例において、音響フィードバックにより、骨/切削具の接触の周波数または骨の共振周波数が検出されたとき、穿孔器または切削具は、停止または後退され得る。
【００１０】
様々な例が例えば添付図面の図において例示として示される。このような例は、説明のためのものであり、本主題の網羅的または排他的な例であることは意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】例示的な音響フィードバックシステムを示す。
【図２】音響フィードバックを使用した、例示的な骨セメント除去システムの図である。
【図３】例示的な音響信号受信器と骨セメント除去制御システムとを示すブロック図である。
【図４】高密度骨の場合の、骨セメント除去期間の例示的なスペクトログラム出力の図である。
【図５】低密度骨の場合の、骨セメント除去期間の例示的なスペクトログラム出力の図である。
【図６】骨セメント除去の例示的な方法を示すフローチャートである。
【図７】例示的な機械700を示すブロック図であり、機械700に人工装具の位置合わせを実行させる命令が機械700の中で実行され得る。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
関節再置換術中の大腿骨におけるセメントマントルの除去は、作業空間が狭く、作業空間の視認性が悪いので、注意を要する作業である。同様に、他の再置換手術が、同じ問題に悩まされる。骨に接触したときに穿孔器または切削具を停止、減速、または後退させる機能を執刀医に提供することで、健康な骨を不必要に除去する危険性を低減する。後述のシステムは、リアルタイム音響フィードバックを使用して、骨セメントなどのセメント材料に触れた切削具または穿孔器の音を検出し、その音を、骨または他の材料に触れた穿孔器または切削具の音から区別する。この違いが検出されたとき、穿孔器または切削具を停止、減速、または後退させることが自動的に実行され得る。
【００１３】
図1は、例えば、股関節再置換術中に使用され得る例示的な音響フィードバックシステム100を示す。音響フィードバックシステム100は、マイクロホン106と、手術台102上で患者の足104にマイクロホン106を固定するストラップ108とを含み得る。音響フィードバックシステム100は、骨セメントを除去するために骨セメントにアクセスするため、患者の足104における切開部112を通して切削工具を制御する手持ち部110を含み得る。手持ち部110は、制御装置114に接続し得、制御装置114は、表示装置を含むコンピュータ116に接続し得る。
【００１４】
一例において、マイクロホン106は、指向性マイクロホンを含み得る。マイクロホン106を、例えば、接着またはストラップにより装着することにより、マイクロホン106が患者の皮膚(例えば、患者の足104)上に直接配置され得る。マイクロホン106は、切削軸に沿って(例えば、髄管を向いて)作業空間に向けられて、回転する穿孔器または切削具が髄内管または患者の骨内の残留セメントなどの表面に接触したときの、回転する穿孔器または切削具の音を取得し得る。他の一例において、構成を簡略化するために単一のマイクロホンが使用され得る。さらなる他の一例において、一貫性を高めて、より良好なデータマッチングを可能にするために複数のマイクロホンが使用され得る。さらなる他の一例において、マイクロホン106は、手持ち部110など、穿孔器(図示せず)に配置され得る。
【００１５】
一例において、マイクロホン106は、電子聴診器と同様に動作し得る。音響フィードバックシステム100は、マイクロホンと共に動作して音の周波数を記録する何らかのソフトウェアパッケージを使用し得る。ソフトウェアは、聴診器様の経路を含み得る様々な経路を測定することも可能であり得る。マイクロホン装置は、簡単に設定可能であり得、患者から簡単に取り外し可能であり得、さらに、手術室および患者における占有面積が小さいものであり得る。音響フィードバックシステム100は、実質的にすべての製造元からの穿孔器または切削具と共に交換可能に使用され得る。しかし、いくつかの例において、異なる穿孔器または切削具は、データベースまたはマッチングアルゴリズムを使用して説明される必要がある異なる音響的特徴を生成し得る。例えば、システムの設定は、切削工具と切削具との型番を入力することを含み得、このことが、システムにデータベースの特定の部分から処理させること、または、それに伴って、マッチングアルゴリズムを調節することをもたらす。
【００１６】
マイクロホン106は、従来知られている何らかの方法により、電子インターフェースとも呼ばれ得る制御装置114に接続され得る。制御装置は、マイクロホン106により拾われた信号を調整およびフィルタ処理し得、および、その信号を、高性能リアルタイムデジタル信号処理装置を介して周波数領域に変換し得る。高速通信が、制御装置を、従来知られている種類のコンピュータ116に接続し得る。コンピュータ116は、制御装置114から取得された現在のデータに対応し得る周波数的特徴のデータベースにアクセスする。周波数的特徴を、取得されたデータと比較することによる出力は、セメント穿孔の認識において、何らかの程度の信頼をもたらし得る。
【００１７】
図2は、音響フィードバックを使用した、例示的な骨セメント除去システム200の図である。骨セメント除去システム200は、患者の皮膚204に接続された1つまたは複数のマイクロホン202と、手持ち部206と保護部212と切削具210とを含む切削工具とを含み得る。切削工具は、大腿骨214の股関節空洞208内の骨セメント216を除去するために使用され得る。
【００１８】
切削具210が、切削具と骨214との間のすべての骨セメント216を除去したとき、切削具210が骨214に接触し、その結果、骨214が剥ぎ取られる。除去される骨214を最小化するため、マイクロホン202は、骨セメント216上の切削具210の周波数から、骨214における切削具210の周波数まで周波数変化を検出する。これらの変化が検出されると、切削工具は、切削具210を減速、停止、または後退させる指示を制御装置から受信する。例えば、切削具210が骨214に接触したとき、マイクロホン202が、検出された音声信号をデジタル信号処理装置に送信し、次に、デジタル信号処理装置が、検出された音声信号を周波数領域に変換して、結果として得られる周波数をコンピュータに送信する。コンピュータは、結果として得られる周波数を、データベースに記憶された周波数的特徴と比較し、結果として得られる周波数が、骨セメント216に接触した切削具210からのものか、または骨214に接触した切削具210からのものかを判定する。結果として得られる周波数が骨214に接触した切削具210からのものであるとき、コンピュータは、周波数的特徴においてマッチした、知られた骨上の切削具の周波数を検出し、切削具210を減速、停止、または後退させるように制御装置に命令する。次に、切削具210が、減速、停止、または骨214から離れるように後退される。この時点において、その特定の場所において骨セメントが除去されて骨だけがそこに残っていることを認識すると、執刀医は、切削具210を移動して、別の場所で骨セメント216を剥ぎ取り続けるように手持ち部206を調節し得る
【００１９】
図3は、例示的な音響信号受信器と骨セメント除去制御システム300とを示すブロック図である。システム300は、1つまたは複数のマイクロホン302と、デジタル信号処理装置(DSP: digital signal processor)などの信号調整変換ブロック304とを含み得る。DSPは、リアルタイムアナログ-デジタル変換器(ADC: analog-to-digital converter)と周波数領域変換のためのハードウェアまたはソフトウェアを含み得る。ブロック304は、高速通信網(例えば、Bluetooth（登録商標）またはWi-Fi上の無線、または、例えば、USB 2.0または3.0、LANなどを使用した有線)を介してコンピュータ306に接続され得る。コンピュータ306は、画像処理装置(GPU: Graphic Processor Unit)の高並列アーキテクチャを有益に利用したGPUを含み得る。この例では、コンピュータ306は、ブロック304から受信されたリアルタイムデータを周波数的特徴のデータベース308と比較するために使用される。データベース308は、骨周波数、骨セメント周波数、軟組織周波数、空気周波数、周波数の組み合わせなどを含み得る周波数的特徴を含む。周波数的特徴は、様々な切削具、骨(例えば、骨密度、骨長など)、セメントタイプ、セメント年齢、セメント体積、または、これらの因子の様々な組み合わせに関する周波数を含み得る。コンピュータ306は、リアルタイムデータを周波数的特徴と比較したとき、信頼指数を判定し得る。信頼指数は、比較の結果に対する、信頼区間、マッチングが正確である可能性の程度、最良適合区間、有意水準、p値、または他の統計的基準を含み得る。コンピュータ306は、比較された音響的特徴に応じて、切削している骨、骨セメント、または他の組織/材料のいずれに切削具が接触しているかを判定する。
【００２０】
コンピュータ306は、高速通信方法(例えば、ブロック304とコンピュータ306との間の接続に関して前述したもの)を介して制御装置310と接続し得る。制御装置310は、切削工具の切削速度を管理するための、または、切削工具の深さ、または特定の切削装置に関係した他の同様の制御パラメータを制御するための、専用ハードウェアまたはハードウェアとソフトウェアとの組み合わせを含み得る。制御装置310は、アクチュエータ制御装置を含み得る。制御装置310は、切削工具の手持ち部または切削ロッド312に接続し、切削工具の端部における切削具の速度を制御し得る。一例において、ブロック304からのリアルタイムデータを、データベース308からの周波数的特徴と比較することは、画像処理装置(GPU)を使用することによるなど、並列計算により最適化される。したがって、さらには、例示的なコンピュータ306のような汎用CPUが、システム300に組み込まれて、信号調整変換304とデータベース308と制御装置310とに組み合わせて特殊な演算および制御システムを形成する。
【００２１】
一例において、制御装置310は、適切なデータ接続を介してコンピュータ306により指令される。コンピュータ306の出力は、制御装置310を介して、指定されたパラメータに基づいて穿孔器に指令する。例えば、切削具とセメントとの接触による穿孔音響周波数が検出されたときに、穿孔器が有効化され得るが、骨上の切削具に関係した音響周波数など、別の音響周波数が検出されたときに、停止、減速、または後退される。他の一例において、骨セメントの共振周波数が検出され得、穿孔が維持され(例えば、その切削速度において切削工具を駆動し続け)なければならないことを信号で知らせ得る。さらなる他の一例において、骨の共振周波数または切削具上の骨の音響周波数の検出は、切削素子の停止、減速、後退または警報をもたらす信号を生成し得る。これらの例において、切削素子がどの材料にもかみ合っていないことを示す音響的特徴が処理され、執刀医(例えば、ユーザー)からの入力は修正せずに維持される。
【００２２】
一例において、切削具と骨セメントとの接触、および、切削具と骨との接触に関係した周波数(例えば、周波数的特徴)のライブラリが生成されて、データベース308に記憶され得る。ライブラリは、「骨上の切削具」および「セメント上の切削具」の接触のいくつかの音響記録からの周波数的特徴の集まりを含み得る。「骨上の切削具」の接触の場合、所与の穿孔速度において所与の切削具に触れた様々な骨密度からの音響が、収集および分類され得る。「セメント上の切削具」の接触の場合、所与の速度において所与の切削具に触れた所与の種類の骨セメントからの音響が収集されて、ライブラリに含められ得る。他の一例において、特定の配合の骨セメントの基本周波数もしくは高調波周波数、または様々な骨密度の基本周波数もしくは高調波周波数が、周波数的特徴としてデータベース308に含まれ得る。
【００２３】
一例において、システムは、音声認識と同様に動作し得、および、音声テキスト型アルゴリズムを使用し得る。周波数的特徴の大きな集まりは、例えば、ファジー理論、または、ビタビアルゴリズムなどの動的計画法アルゴリズムを使用して、最も可能性の高い候補が選択されるまでフィルタ処理で除去され得る。他の一例において、選択されたアルゴリズムの出力は、骨の切削またはセメントの切削という2つのカテゴリ(または、いくつかの例において、切削なし、骨の切削、セメントの切削という3つのカテゴリ)を含み得る。周波数的特徴は、患者に依存しないものであり得る。データベース308は、サポートされる切削具およびセメントと組み合わせて様々な骨密度を表すために十分大きなものであり得る。患者に依存する特徴の場合、セメント除去処置の開始時に、例示的な音響的特徴の訓練が必要であり得る。
【００２４】
一例において、ブロック304とデータベース308とにより送信されたデータからの相互相関または比較は、リアルタイムでコンピュータ306により実行され得る。一例において、ブロック304からのデータをデータベース308と(例えば、マイクロホンにより出力された周波数を周波数的特徴と)比較することは、音声または音響フィンガープリンティングアルゴリズムを含み得る。音響フィンガープリンティングアルゴリズムは、受信されたデータの特徴と周波数的特徴と比較する、音声データのデジタル概要を含み得る。音響フィンガープリンティングアルゴリズムは、コンピュータ306のGPUにより実行され得る。
【００２５】
図4は、高密度骨の場合の骨セメント除去期間の、例示的なスペクトログラム出力の図であり、図5は、低密度骨の場合の骨セメント除去期間の、例示的なスペクトログラム出力の図である。材料と切削具との間の接触により発生する音は、目立った周波数がパターンとして観測および認識され得るスペクトログラムを使用することにより説明され得る。これらのパターンは、切削される面の性質に応じて識別され得る。
【００２６】
図4と図5とは、切削具と骨セメントとの間に接触が生じた場合(例えば、404A〜Cまたは504A〜E)、および、切削具と骨との間に接触が生じた場合(例えば、402A〜Dまたは502A〜D)、ならびに、骨と骨セメントとのいずれも切削されなかった場合(例えば、406または506)の周波数出力を示す。図4と図5とにおけるスペクトログラム出力は、x軸に沿った15秒の期間と、y軸に沿った周波数の測定値(左のデシベルと右のキロヘルツ)を含む。図4は、切削具と骨との間に接触が生じた期間(例えば、402A〜D)を含み、この期間は、図4において切削された骨の密度が、図5において切削された骨の密度より高いという点で、図5における同様の期間(例えば、502A〜D)とは異なる。骨密度の違いは、図4と図5とにおけるそれらの期間にわたって、異なる周波数が取得および表示されることをもたらす。次に、異なる周波数は、(コンピュータにより比較されたとき)異なる周波数的特徴にマッチする。図4と図5とのそれらの期間における周波数の違いにもかかわらず、これらの周波数をデータベースにおける周波数的特徴と比較するシステムは、骨が切削されたことを検出可能であり、減速する、停止する、または退くように切削具に命令する。
【００２７】
骨の切削は、骨セメントの場合とは異なる周波数的特徴(例えば、異なる基本周波数と高調波周波数とを含む)を放出する。骨と骨セメントとは異なる材料で構成されるので、骨における基本周波数と高調波周波数とは、骨セメントの基本周波数と高調波周波数と、とは異なる。上述のように、マイクロホンにより取得された音は、周波数領域においてリアルタイムで処理された後、データベースにおける複数の周波数的特徴と比較される。リアルタイム処理は、骨/切削具の切削時接触部から放出される周波数的特徴と、骨セメント/切削具の切削時接触部から放出される周波数的特徴との間の識別を可能にし、穿孔器または切削具の速度または延びを自動的に制御/停止するか否かをフィードバック検出器に信号で知らせる。
【００２８】
図6は、骨セメント除去の例示的な方法600を示すフローチャートである。方法600は、デジタル周波数データを受信する動作602を含む。デジタル周波数データは、デジタル信号処理装置(DSP)を介してマイクロホンから受信され得る。例えば、マイクロホンは、受信されたアナログ信号(例えば、音声)をDSPに送信し得、DSPが、アナログ信号をデジタル周波数データに変換し得る。
【００２９】
方法600は、デジタル周波数データの少なくとも一部を複数の周波数的特徴と比較する動作604を含む。デジタル周波数データの少なくとも一部を複数の周波数的特徴と比較する動作は、例えば、音声フィンガープリンティングアルゴリズム、音響フィンガープリントアルゴリズムなどの音声フィンガープリンティングを使用してそれらを比較する動作を含み得る。
【００３０】
方法600は、デジタル周波数データの一部が、骨切削周波数を表すか、骨セメント切削周波数を表すかを、少なくとも比較に基づいて判定する動作606を含む、動作606は、信頼指数を使用する動作を含み得る。
【００３１】
方法600は、デジタル周波数データの一部が骨切削周波数を表すと判定したことに応答して、切削工具の制御パラメータを調節するように制御装置に指示を送信する動作608を含む。一例において、制御パラメータを調節するように制御装置に指示を送信する動作は、切削工具を減速し、停止し、または退かせるように制御装置に指示を送信する動作を含み得る。他の一例において、方法600は、デジタル周波数データの一部が骨切削周波数を表すと判定したことに応答して、警報を送信する動作を含み得る。
【００３２】
方法600は、デジタル周波数データの一部が骨セメント切削周波数を表すと判定したことに応答して、ある切削速度で切削工具を駆動し続けるように制御装置に指示を送信する動作610を含む。
【００３３】
方法600は、デジタル周波数データの一部が組織切削周波数または未知または他の周波数(例えば、骨の切削と、骨セメントの切削と、組織とのいずれでもない)を表すと判定したことに応答して、警報を送信する動作612を含む。他の一例において、動作612は、デジタル周波数データが組織切削周波数または未知周波数を表すと判定したことに応答して、切削工具の制御パラメータを調節する動作を含む。
【００３４】
本明細書で使用する場合、「切削具」および「穿孔器」という用語は、交換可能に使用される。本発明のシステムは、切削具、穿孔器、または他の何らかの切削素子のいずれかを使用して動作するので、1つの使用が、他を排除するように解釈されてはならない。
【００３５】
図7は、例示的な機械700を示すブロック図であり、機械700に人工装具の位置合わせを実行させる命令が、機械700内において実行され得る。代替的な実施形態において、機械700は、独立型装置として動作し得るか、または、他の機械に接続され(例えば、ネットワーク接続され)得る。ネットワーク接続された構成において、機械700は、サーバー装置、クライアント装置、またはサーバー-クライアントネットワーク環境の両方の能力により動作し得る。一例において、機械700は、ピアツーピア(P2P: peer-to-peer)(または、他の分散型)ネットワーク環境におけるピア装置として機能し得る。機械700は、パーソナルコンピュータ(PC: personal computer)、タブレットPC、セットトップボックス(STB: set-top box)、携帯情報端末(PDA: personal digital assistant)、携帯電話、インターネット端末、ネットワークルーター、スイッチまたはブリッジ、または、その機械により実行される動作を指定する命令を(逐次的または別様に)実行可能な何らかの機械であり得る。さらに、単一の機械だけが描かれるが、「機械」という用語は、クラウドコンピューティング、サービス型ソフトウェア(SaaS: software as a service)、他のコンピュータクラスター構成など、一組(または、複数組)の命令を個々にまたは一体的に実行して、本明細書で説明するいずれか1つまたは複数の方法を実行する機械のあらゆる集まりをさらに含むように解釈される。
【００３６】
本明細書に記載される例は、論理回路または複数の構成要素、モジュール、もしくは機構を含み得るか、または、論理回路または複数の構成要素、モジュール、もしくは機構において動作し得る。モジュールは、動作時に、指定された動作を実行可能な有形の実体(例えば、ハードウェア)である。モジュールは、ハードウェアを含む。一例において、ハードウェアは、(例えば、配線で接続された)特定の動作を実行するように特に構成され得る。一例において、ハードウェアは、設定可能な実行装置(例えば、トランジスタ、回路など)と、命令を含むコンピュータ可読媒体とを含み得、命令は、動作時に特定の動作を実行するように実行装置を設定する。設定は、実行装置または読み込み機構の指示に基づいて行われ得る。したがって、実行装置は、装置が動作しているとき、コンピュータ可読媒体と通信可能に接続される。この例では、実行装置は、1つを上回るモジュールの構成要素であり得る。例えば、動作時、実行装置は、一時点において第1のモジュールを実装するように第1の組の命令により設定され得、および、第2のモジュールを実装するように第2の組の命令により再設定され得る。
【００３７】
機械(例えば、コンピュータシステム)700は、ハードウェアプロセッサ702(例えば、中央処理装置(CPU: central processing unit)、画像処理装置(GPU)、ハードウェアプロセッサコア、またはそれらのあらゆる組み合わせ)と、主メモリ704と、静的メモリ706を含み得、これらの一部またはすべてが、相互接続部(例えば、バス)708を介して相互に通信し得る。機械700は、表示装置710と、英数字入力装置712(例えば、キーボード)と、ユーザーインターフェース(UI: user interface)ナビゲーション装置714(例えば、マウス)とをさらに含み得る。一例において、表示装置710と、英数字入力装置712と、UIナビゲーション装置714とは、タッチスクリーン表示装置であり得る。機械700は、記憶装置(例えば、ドライブ装置)716、信号生成装置718(例えば、スピーカー)、ネットワークインターフェース装置720、および、全地球測位システム(GPS: global positioning system)検出器、方位計、加速度計、または他の検出器などの1つまたは複数の検出器721をさらに含み得る。機械700は、1つまたは複数の周辺装置(例えば、プリンター、カードリーダーなど)と通信または、これらを制御するシリアル(例えば、ユニバーサルシリアルバス(USB: universal serial bus)、パラレル、または他の有線もしくは無線(例えば、赤外線(IR: infrared)、近距離無線通信(NFC: near field communication)など)接続などの出力制御装置728を含み得る。
【００３８】
記憶装置716は、本明細書で説明されるいずれか1つまたは複数の技術または機能を具現化する、または本明細書で説明されるいずれか1つまたは複数の技術または機能により使用される1つまたは複数の組のデータ構造体または命令724(例えば、ソフトウェア)が記憶された非一時的な機械可読媒体722を含み得る。命令724は、機械700によるその命令724の実行中、完全に、または少なくとも部分的に、主メモリ704内、静的メモリ706内、またはハードウェアプロセッサ702内にも存在し得る。一例において、ハードウェアプロセッサ702、主メモリ704、静的メモリ706、または記憶装置716の1つまたはいずれかの組み合わせは、機械可読媒体を構成し得る。
【００３９】
機械可読媒体722は、単一の媒体として示されるが、「機械可読媒体」という用語は、1つまたは複数の命令724を記憶するように構成された単一の媒体または複数の媒体(例えば、集中または分散データベース、および/または、関係するキャッシュおよびサーバー)を含み得る。
【００４０】
「機械可読媒体」という用語は、機械700による実行のための命令を記憶、符号化、または伝達することが可能であって、本開示の技術のいずれか1つまたは複数を機械700に実行させる、または、このような命令により使用される、またはこのような命令に関係したデータ構造体を記憶、符号化または伝達することが可能な、あらゆる媒体を含み得る。非限定的な機械可読媒体の例は、固体メモリ、ならびに、光学および磁気媒体を含み得る。機械可読媒体の具体例は、半導体メモリ装置(例えば、電気的にプログラム可能な読み取り専用メモリ(EPROM: Electrically Programmable Read-Only Memory)、電気的に消去可能でプログラム可能な読み取り専用メモリ(EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory))、およびフラッシュメモリデバイスなどの不揮発メモリと、内蔵ハードディスクおよび取り外し可能なディスクなどの磁気ディスクと、光磁気ディスクならびにCD-ROMおよびDVD-ROMディスクと、を含み得る。
【００４１】
命令724は、多くの転送プロトコル(例えば、フレームリレー、インターネットプロトコル(IP: internet protocol)、伝送制御プロトコル(TCP: transmission control protocol)、ユーザーデータグラムプロトコル(UDP: user datagram protocol)、ハイパーテキスト転送プロトコル(HTTP: hypertext transfer protocol)など)のいずれか1つを使用したネットワークインターフェース装置720を介した伝送媒体を使用した通信ネットワーク726を介して、さらに伝達または受信され得る。例示的な通信ネットワークは、特に、ローカルエリアネットワーク(LAN: local area network)、広域ネットワーク(WAN: wide area network)、パケットデータネットワーク(例えば、インターネット)、携帯電話ネットワーク(例えば、セルラーネットワーク)、従来型電話(POTS: Plain Old Telephone)ネットワーク、および無線データネットワーク(例えば、Wi-Fi(登録商標)と呼ばれる電気電子技術者協会(IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.11ファミリーの規格、WiMax(登録商標)と呼ばれるIEEE 802.16ファミリーの規格)、IEEE 802.15.4ファミリーの規格、ピアツーピア(P2P)ネットワークを含み得る。一例において、ネットワークインターフェース装置720は、1つまたは複数の物理的なジャック(例えば、イーサネット（登録商標）、同軸、または電話用ジャック)、または、通信ネットワーク726に接続する1つまたは複数のアンテナを含み得る。一例において、ネットワークインターフェース装置720は、単入力多出力(SIMO: single-input multiple-output)、多入力多出力(MIMO: multiple-input multiple-output)、または多入力単出力(MISO: multiple-input single-output)技術の少なくとも1つを使用して無線で通信する複数のアンテナを含み得る。「伝送媒体」という用語は、機械700による実行のための命令を記憶、符号化または伝達することが可能なあらゆる無形の媒体を含むように、および、デジタルまたはアナログ通信信号、または、このようなソフトウェアの通信を利用しやすくする他の無形の媒体を含むように解釈される。
【００４２】
様々な言及と例
前述の説明は、本発明の代表的な例を開示および説明するに過ぎない。当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変形または修正がされ得ることを、添付の図面と請求項とから容易に認識する。
【００４３】
これらの非限定的な例の各々は、それ自体で独立し得るか、または、様々な順列または組み合わせにより1つまたは複数の他の例と一体化され得る。
【００４４】
例1は、骨セメント除去のためのシステムにより具現化される主題を含み、システムは、切削工具に接続された制御装置と、マイクロホンと、メモリ装置に接続されたプロセッサとを備え、メモリ装置は、プロセッサにより実行されたとき、マイクロホンからデジタル周波数データを受信する動作と、デジタル周波数データの少なくとも一部を複数の周波数的特徴と比較する動作と、比較に少なくとも部分的に基づいて、デジタル周波数データの一部が、骨切削周波数を表すか、骨セメント切削周波数を表すかを判定する動作と、デジタル周波数データの一部が骨切削周波数を表すと判定したことに応答して、切削工具の制御パラメータを調節するように制御装置に指示を送信する動作と、を含む動作をシステムに実行させる命令を含む。
【００４５】
例2において、例1の主題は、デジタル信号処理装置を任意選択的に含み得、デジタル信号処理装置が、第2のメモリ装置に接続され、第2のメモリ装置は、デジタル信号処理装置により実行されたとき、マイクロホンからアナログ信号を受信する動作と、アナログ信号をデジタル周波数データに変換する動作とを含む動作をシステムに実行させる命令を含む。
【００４６】
例3において、例1から例2の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、デジタル周波数データの一部が骨切削周波数を表すか骨セメント切削周波数を表すかを判定する動作が、信頼指数を使用する動作を含むことを任意選択的に含み得る。
【００４７】
例4において、例1から例3の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、制御パラメータを調節するように制御装置に指示を送信する動作が、切削工具を減速または停止するように制御装置に指示を送信する動作を含むことを任意選択的に含み得る。
【００４８】
例5において、例1から例4の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、動作が、デジタル周波数データの一部が骨セメント周波数を表すと判定したことに応答して、その切削速度で切削工具を駆動し続けるように制御装置に指示を送信する動作をさらに含むことを任意選択的に含み得る。
【００４９】
例6において、例1から例5の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、制御パラメータを調節するように制御装置に指示を送信する動作が、切削工具を退かせるように制御装置に指示を送信する動作を含むことを任意選択的に含み得る。
【００５０】
例7において、例1から例6の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、動作が、デジタル周波数データの一部が骨周波数を表すと判定したことに応答して、警報を送信する動作をさらに含むことを任意選択的に含み得る。
【００５１】
例8において、例1から例7の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、制御装置が、操作される制御装置を含むことと、第2のマイクロホンをさらに備えることとを任意選択的に含み得る。
【００５２】
例9において、例1から例8の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、デジタル周波数データの少なくとも一部を複数の周波数的特徴と比較する動作が、音声フィンガープリンティングを使用して比較する動作を含むことを任意選択的に含み得る。
【００５３】
例10は、電子装置により実行されたとき、マイクロホンからデジタル周波数データを受信する動作と、デジタル周波数データの少なくとも一部を複数の周波数的特徴と比較する動作と、比較に少なくとも部分的に基づいて、デジタル周波数データの一部が骨切削周波数を表すか骨セメント切削周波数を表すか判定する動作と、デジタル周波数データの一部が骨切削周波数を表すと判定したことに応答して、切削工具の制御パラメータを調節するように制御装置に指示を送信する動作と、を含む動作を電子装置に実行させる命令を含む機械可読媒体により具現化される主題を含む。
【００５４】
例11において、例10の主題は、マイクロホンからアナログ信号を受信する動作と、アナログ信号をデジタル周波数データに変換する動作とを任意選択的に含み得る。
【００５５】
例12において、例10から例11の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、制御パラメータを調節するように制御装置に指示を送信する動作が、切削工具を減速または停止するように制御装置に指示を送信する動作を含むことを任意選択的に含み得る。
【００５６】
例13において、例10から例12の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、制御パラメータを調節するように制御装置に指示を送信動作が、切削工具を退かせるように制御装置に指示を送信する動作を含むことを任意選択的に含み得る。
【００５７】
例14において、例10から例13の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、デジタル周波数データの少なくとも一部を複数の周波数的特徴と比較する動作が、音声フィンガープリンティングを使用して比較する動作を含むことを任意選択的に含み得る。
【００５８】
例15は、骨セメント除去のためのシステムにより具現化される主題を含み、システムは、複数のマイクロホンと、メモリ装置に接続された画像処理装置(GPU)とを備え、メモリ装置は、GPUにより実行されたとき、デジタル信号処理装置(DSP)を介して複数のマイクロホンからデジタル周波数データを受信する動作と、デジタル周波数データの少なくとも一部を複数の周波数的特徴と比較する動作と、比較に少なくとも部分的に基づいて、デジタル周波数データの一部が骨切削周波数を表すか骨セメント切削周波数を表すか判定する動作と、デジタル周波数データの一部が骨切削周波数を表すと判定したことに応答して、切削工具の制御パラメータを調節するように制御装置に指示を送信する動作と、を含む動作をシステムに実行させる命令を含む。
【００５９】
例16において、例15の主題は、複数の周波数的特徴が、患者に依存しないことを任意選択的に含み得る。
【００６０】
例17において、例15から例16の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、デジタル周波数データの少なくとも一部を複数の周波数的特徴と比較する動作が、音声フィンガープリンティングを使用して比較する動作を含むことを任意選択的に含み得る。
【００６１】
例18において、例15から例17の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、デジタル信号処理装置(DSP)を介して複数のマイクロホンからデジタル周波数データを受信する動作が、ミリ秒ごとに定期的にDSPを介してデジタル周波数データを受信する動作を含むことを任意選択的に含み得る。
【００６２】
例19において、例15から例18の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、デジタル周波数データの少なくとも一部を複数の周波数的特徴と比較する動作が、ミリ秒ごとにリアルタイムでデジタル周波数データの少なくとも一部を複数の周波数的特徴と比較する動作を含むことを任意選択的に含み得る。
【００６３】
例20において、例15から例19の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、制御パラメータを調節するように制御装置に指示を送信する動作が、切削工具を減速し、停止し、または退かせるように制御装置に指示を送信する動作を含むことを任意選択的に含み得る。
【００６４】
例21は、骨セメント除去のための方法により具現化される主題を含み、方法が、マイクロホンからデジタル周波数データを受信する動作と、プロセッサにおいて、デジタル周波数データの少なくとも一部を複数の周波数的特徴と比較する動作と、比較に少なくとも部分的に基づいて、デジタル周波数データの一部が骨切削周波数を表すか骨セメント切削周波数を表すか判定する動作と、デジタル周波数データの一部が骨切削周波数を表すと判定したことに応答して、切削工具の制御パラメータを調節するように制御装置に指示を送信する動作と、を含む。
【００６５】
例22において、例21の主題は、デジタル信号処理装置(DSP)において、マイクロホンからアナログ信号を受信する動作と、アナログ信号をデジタル周波数データに変換する動作とを任意選択的に含み得る。
【００６６】
例23において、例21から例22の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、デジタル周波数データの一部が骨切削周波数を表すか骨セメント切削周波数を表すかを判定する動作が、信頼指数を使用する動作を含むことを任意選択的に含み得る。
【００６７】
例24において、例21から例23の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、制御パラメータを調節するように制御装置に指示を送信する動作が、切削工具を減速または停止するように制御装置に指示を送信する動作を含むことを任意選択的に含み得る。
【００６８】
例25において、例21から例24の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、デジタル周波数データの一部が骨セメント周波数を表すと判定したことに応答して、その切削速度で切削工具を駆動し続けるように制御装置に指示を送信する動作を任意選択的に含み得る。
【００６９】
例26において、例21から例25の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、制御パラメータを調節するように制御装置に指示を送信する動作が、切削工具を退かせるように制御装置に指示を送信する動作を含むことを任意選択的に含み得る。
【００７０】
例27において、例21から例26の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、デジタル周波数データの一部が骨周波数を表すと判定したことに応答して、警報を送信する動作を任意選択的に含み得る。
【００７１】
例28において、例21から例27の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、制御装置が、操作される制御装置を含むことと、第2のマイクロホンをさらに備えることと、を任意選択的に含み得る。
【００７２】
例29において、例21から例28の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、デジタル周波数データの少なくとも一部を複数の周波数的特徴と比較する動作が、音声フィンガープリンティングを使用して比較する動作を含むことを任意選択的に含み得る。
【００７３】
例30が、機械により実行されたとき、例21から例29のいずれか1つの方法を機械に実行させる情報を受信するための命令を含む少なくとも1つの機械可読媒体を含む。
【００７４】
例31が、例21から例29のいずれか1つの方法を実行する手段を備える装置を含む。
【００７５】
例32は、1つまたは複数のマイクロホンと、電子インターフェースと、コンピュータと、データベースと、制御装置と、切削素子とを備え、1つまたは複数のマイクロホンが、セメント除去処理中に生じた音を記録し、さらに、それを電子インターフェースに伝達し、電子インターフェースが、音を周波数領域表現に変換し、さらに、その表現をコンピュータに伝達し、コンピュータが、周波数表現をデータベースに記憶された事前に記録された特徴と比較した後、適切なときに切削素子を制御するため制御装置に送信される信号を生成する、外科的再置換中のセメント除去処理中に切削素子を制御するシステムにより具現化される主題を含む。
【００７６】
例33において、例31の主題は、信号が、適切な周波数が検出されたときに、切削素子を停止または減速するように制御装置に指示することを任意選択的に含み得る。
【００７７】
例34において、例32から例33の1つまたはいずれかの組み合わせの主題は、信号が、適切な周波数が検出されたとき、切削素子を後退させるように制御装置に指示することを任意選択的に含み得る。
【００７８】
本明細書で説明する方法例は、少なくとも部分的に機械またはコンピュータにより実装され得る。いくつかの例は、上記の例において説明されるように方法を実行するように電子装置を設定するように動作可能な命令を含む、符号化されたコンピュータ可読媒体または機械可読媒体を含み得る。このような方法の一実装形態は、例えば、マイクロコード、アセンブリ言語コード、高水準言語コードなどのコードを含み得る。このようなコードは、様々な方法を実行するためのコンピュータ可読命令を含み得る。コードは、コンピュータプログラム製品の一部分を形成し得る。さらに、一例において、コードは、実行中または他の期間などに、1つまたは複数の揮発性の非一時的な、または、不揮発性の有形なコンピュータ可読媒体に有形に記憶され得る。例示的なこれらの有形なコンピュータ可読媒体は、ハードディスク、取り外し可能な磁気ディスク、取り外し可能な光ディスク(例えば、コンパクトディスクおよびデジタルビデオディスク)、磁気カセット、メモリカードまたはスティック、ランダムアクセスメモリ(RAM: random access memory)、読み取り専用メモリ(ROM: read only memory)などを含み得るが、これらに限定されない。
【符号の説明】
【００７９】
100  音響フィードバックシステム
102  手術台
104  足
106  マイクロホン
108  ストラップ
110  手持ち部
112  切開部
114  制御装置
116  コンピュータ
200  骨セメント除去システム
202  マイクロホン
204  皮膚
206  手持ち部
208  股関節空洞
210  切削具
212  保護部
214  大腿骨
216  骨セメント
300  骨セメント除去制御システム
300  システム
302  マイクロホン
304  信号調整変換ブロック
306  コンピュータ
308  データベース
310  制御装置
312  切削ロッド
700  機械
702  ハードウェアプロセッサ
704  主メモリ
706  静的メモリ
708  相互接続部
710  表示装置
712  英数字入力装置
714  ユーザーインターフェース(UI)ナビゲーション装置
716  記憶装置
718  信号生成装置
720  ネットワークインターフェース装置
721  検出器
722  機械可読媒体
724  命令
726  通信ネットワーク
728  出力制御装置
【図１】
2017526455.tif 000003
【図２】
2017526455.tif 000004
【図３】
2017526455.tif 000005
【図４】
2017526455.tif 000006
【図５】
2017526455.tif 000007
【図６】
2017526455.tif 000008
【図７】
2017526455.tif 000009
【国際調査報告】
2017526455.tif 000010
2017526455.tif 000011
2017526455.tif 000012