(57)【要約】  本発明は、患者のX線画像内で骨の形態学的関心領域を最適に可視化するための方法に関し、方法は、-骨の3D医療画像のセットを受信することと、-前記3D画像のセットから前記関心領域を含む骨の少なくとも一部の3D骨モデルを生成することと、-前記形態学的関心領域の範囲の可視化を示す基準を確定することと、-前記患者について前記基準を最適化するため、3D骨モデルから、相対的骨およびX線配向を自動的に確定することと、-前記最適な相対的骨および仮想X線配向に従って、前記3D画像のセットから骨の少なくとも1つの仮想X線画像を生成することとを含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者のX線画像内で骨の形態学的関心領域を最適に可視化するための方法であって、
-  前記患者の骨の3D医療画像のセットを受信するステップと、
-  前記3D画像のセットから前記形態学的関心領域を含む前記骨の少なくとも一部の3D骨モデルを生成するステップと、
-  前記形態学的関心領域の範囲の可視化を示す基準を確定するステップと、
-  前記患者について前記基準を最適化するため、前記3D骨モデルから、最適な相対的骨およびX線配向を自動的に確定するステップと、
-  前記最適な相対的骨および仮想X線配向に従って、前記3D画像のセットから前記骨の少なくとも1つの仮想X線画像を生成するステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記最適な相対的配向に従って前記3D画像のセットの3D骨ボクセル密度を投影することによって前記少なくとも1つの仮想X線画像を生成するステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記形態学的関心領域は、骨変形、インプラント、および/または骨折を含む、請求項1または2に記載の方法。
【請求項４】
前記骨は大腿骨であり、前記形態学的関心領域はカム型大腿骨寛骨臼インピンジメントの原因となる大腿骨頚部変形を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
骨変形の矯正をシミュレートするため、前記3D骨モデル上で前記骨の仮想切除を計算し表示するステップを含む、請求項3または4に記載の方法。
【請求項６】
前記骨は関節の一部を形成し、前記3D医療画像のセットは前記関節の3D画像を含み、前記方法は、
-  前記3D画像のセットから、前記形態学的関心領域を含む前記関節の各骨の少なくとも一部の3D骨モデルを生成するステップと、
-  前記骨関節に運動学的関節モデルを割当てるステップと、
-  前記基準を最適化するため、前記運動学的関節モデルに従って前記3D骨モデルから最適な相対的骨およびX線配向を自動的に確定するステップとを含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記運動学的関節モデルはボールおよびソケットモデルである、請求項6に記載の方法。
【請求項８】
前記基準は、頚部軸方向への大腿骨球部中心からの半分の線と、大腿骨球部中心および大腿骨骨頭・頚部接合点による半径との間の角度として規定されるα角であり、前記基準を最適化するステップは、最大α角を確定することを含む、請求項4と組合せられた請求項6または7に記載の方法。
【請求項９】
大腿骨骨頭中心と、前記α角が最大である前記大腿骨骨頭・頚部接合の円周の点を接続する半径を確定するステップを含み、最適な相対的骨およびX線配向は、前記最大α角半径および大腿骨頚部軸によって規定される平面が前記X線配向に垂直であるときに得られる、請求項8に記載の方法。
【請求項１０】
前記3D画像のセットは、CT画像、MR画像、および/または超音波画像を含む、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
コンピュータ可読命令を含むコンピュータプログラム製品であって、前記コンピュータ可読命令は、適したシステム上にロードされ実行されると、請求項1から10のいずれか一項に記載される方法のステップを実施する、コンピュータプログラム製品。
【請求項１２】
患者の骨の形態学的関心領域の術中X線撮像方法であって、
-  患者固有の最適な相対的骨およびX線配向は、請求項1から10のいずれか一項に記載される方法によって確定され、
-  X線撮像は、前記最適な相対的骨およびX線配向に従って実施される、術中X線撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、患者のX線画像内で骨の形態学的関心領域を最適に可視化するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
骨の形態学的関心領域が、前記骨を含むX線画像において可視化されなければならないとき、画像内の骨の配向は、関心領域の全範囲を評価する観点から最適でない場合がある。
【０００３】
実際には、放射線医師または技師が、X線配向に関して最適位置に骨を位置決めしようと試みるにもかかわらず、相対的骨およびX線配向は、関心領域が骨の別の部分によって少なくとも部分的にマスクされ、したがって、骨形態学の正しい評価を妨げるようなものである場合がある。
【０００４】
この問題は、特に、限定はしないが、大腿骨寛骨臼インピンジメント(FAI:femoro-acetabular impingement)の評価において起こる。
【０００５】
大腿骨寛骨臼インピンジメントは、寛骨臼上の病理学的骨病変(「ピンサー(pincer)」病変)および/または大腿骨骨頭・頚部接合部上の病理学的骨病変(「カム(cam)」病変)によって特徴付けられる。
【０００６】
これらの骨病変は、或る動的活動中に股関節内で関節内(intra-articular collision)および関節外衝突(extra-articular collision)を引起し、股関節の軟骨および関節唇(labrum)に対する構造的損傷をもたらす可能性がある。
【０００７】
FAIに伴う骨病変は、通常、病理学的骨病変のオープン(open)または関節鏡視下(arthroscopic)切除によって処置される。
【０００８】
ケアの現行の標準は、標準的な2D X線ビュー(AP(前後)骨盤、Dunnラテラル(Dunn lateral)、クロスレッグラテラル等)および3D医療撮像モダリティ(特に、CT(Computed Tomography:コンピュータ断層撮影法)およびMRI(Magnetic Resonance Imaging:磁気共鳴撮像法))に依存して、FAIに伴う骨病変の範囲の術前評価を実施し、外科切除プランを作成する。
【０００９】
術前X線撮影評価を実施するとき、骨病変の3D性質を特徴付けようとして、異なる股関節位置および異なるX線配向で複数の2D X線ビューが必要とされる。
【００１０】
最大5つのX線が、診断および外科プラニングのために通常取得される。
【００１１】
これらのX線は、画像取得中の患者位置決め誤差によって、しばしば繰返され、それが、患者および医療スタッフについての放射線暴露を増加させることをもたらす。
【００１２】
更に、骨病変の位置は患者ごとに著しく変動する可能性がある。
【００１３】
結果として、X線投影撮像の2D性質によって、X線撮影ビューは、しばしば、骨病変の全範囲を取込むことができない。
【００１４】
この問題は、FAIに伴う骨病変のより包括的な可視化および測定のために術前3D医療撮像(CTおよび/またはMRI)の利用の増加によって部分的に対処されてきた。
【００１５】
測定は、これらの3D画像からの複数の平面において行われることが多く、これらの画像は、関節形態学の3Dレンダリングを生成するためセグメント化されることがある。
【００１６】
X線、MRI、および/またはCTから導出される情報を組合せて、外科医は、通常、骨病理学の3D性質を適切に認識し、術前切除プランを生成することができる。
【００１７】
しかし、3D撮像への移行が、術前切除プランを開発する能力を改善してきたが、骨病変の外科切除の術中評価は、依然として、CアームX線透視を使用した2D X線撮像に主に頼っている。
【００１８】
したがって、外科医は、骨病変の最適な可視化のためのX線撮影ビューを確定するため、かなりの量の手術時間を、或る移動範囲を通して股関節を移動することに費やすことが多い。
【００１９】
実際には、外科医が、術前の形態学的評価(2Dまたは3D)を、特定の股関節位置および/または骨病変の最適な可視化に必要とされるX線配向に変換することは難しい。
【００２０】
代替的に、一部の外科医は、徹底した術中X線撮影評価を実施せず、それにより、しばしば、全範囲の骨変形を見逃す場合がある。
【００２１】
まとめると、骨変形の最適化された術中X線撮影ビューの欠如は、手術時間の増加、患者および医療スタッフについての放射線暴露の増加、および/または骨病変の不完全な切除をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
したがって、本発明の目的は、上述した問題を克服し、X線画像内で骨の形態学的関心領域についての患者固有の最適可視化を提供するための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、患者のX線画像内で骨の形態学的関心領域を最適に可視化するための方法を提供し、方法は、
-  患者の骨の3D医療画像のセットを受信することと、
-  前記3D画像のセットから前記関心領域を含む骨の少なくとも一部の3D骨モデルを生成することと、
-  前記形態学的関心領域の範囲の可視化を示す基準を確定することと、
-  前記患者について前記基準を最適化するため、3D骨モデルから、最適な相対的骨およびX線配向を自動的に確定することと、
-  前記最適な相対的骨および仮想X線配向に従って、前記3D画像のセットから骨の少なくとも1つの仮想X線画像を生成することとを含む。
【００２４】
好ましい実施形態によれば、前記方法は、前記最適な相対的配向に従って3D画像のセットの3D骨ボクセル密度を投影することによって少なくとも1つの仮想X線画像を生成することを含む。
【００２５】
形態学的関心領域は、骨変形、インプラント、および/または骨折を含むことができる。
【００２６】
一実施形態によれば、骨は大腿骨であり、形態学的関心領域はカム型大腿骨寛骨臼インピンジメントの原因となる大腿骨頚部変形を含む。
【００２７】
方法は、骨変形の矯正をシミュレートするため、3D骨モデル上で骨の仮想切除を計算し表示することを更に含むことができる。
【００２８】
一実施形態によれば、骨は関節の一部を形成し、3D医療画像のセットは関節の3D画像を含み、方法は、
-  前記3D画像のセットから、形態学的関心領域を含む関節の各骨の少なくとも一部の3D骨モデルを生成することと、
-  骨関節に、運動学的関節モデルのデータベースから選択することができる運動学的関節モデルを割当てることと、
-  前記基準を最適化するため、運動学的関節モデルに従って3D骨モデルから最適な相対的骨およびX線配向を自動的に確定することとを含む。
【００２９】
運動学的関節モデルは、例えばボールおよびソケットモデルである。
【００３０】
カム型大腿骨寛骨臼インピンジメントの場合、基準は、頚部軸方向への大腿骨球部中心からの半分の線と、大腿骨球部中心および大腿骨骨頭・頚部接合点による半径との間の角度として規定されるα角であり、基準を最適化することは、最大α角を確定することを含む。
【００３１】
方法は、更に、大腿骨骨頭中心と、前記α角が最大である大腿骨骨頭・頚部接合の円周の点とを接続する半径を確定することを含み、最適な相対的骨およびX線配向は、最大α角半径および大腿骨頚部軸によって規定される平面がX線配向に垂直であるときに得られる。
【００３２】
3D画像のセットは、CT画像、MR画像、および/または超音波画像を含む可能性がある。
【００３３】
本発明の別の態様は、コンピュータ可読命令を含むコンピュータプログラム製品であり、コンピュータ可読命令は、適したシステム上にロードされ実行されると、上述した方法のステップを実施する。
【００３４】
本発明の別の目的は、患者の骨の形態学的関心領域の術中X線撮像法であり、術中X線撮像法において、
-  患者固有の最適な相対的骨およびX線配向は、上述した方法によって確定され、
-  X線撮像は、前記最適な相対的骨およびX線配向に従って実施される。
【００３５】
本発明の他の特徴および利点は、添付図面に基づいて、以下に続く詳細な説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】2Dラジアルスライスにおける大腿骨骨頭・頚部接合部上のα角の計算を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による、股関節部(hip)の3Dモデル(左)および最大α角の可視化について最適化された仮想2D X線画像(右)のディスプレイである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下に続く詳細な説明は、カム型大腿骨寛骨臼インピンジメントを引起す場合がある特定の患者の大腿骨骨頭・頚部接合部の変形を最適に可視化する観点で、股関節、より具体的には大腿骨に的を絞る。
【００３８】
しかし、本発明は、この特定の適用に限定されるのではなく、より一般的に、可視化される形態学的関心領域を有する任意の骨に適用される。
【００３９】
例えば、こうした形態学的関心領域は、整復される骨折、インプラント、および/または骨変形である可能性がある。
【００４０】
更に、股関節でない他の関節、例えば、膝、足首、または肩が、本発明に関連し得る。
【００４１】
換言すれば、本発明は、最適な患者固有のX線撮影ビューから利益を得る可能性がある任意の外科的介入の文脈で使用される可能性がある。
【００４２】
方法は、コンピュータ、および、関心領域を最適に示す患者の仮想X線撮影画像を表示するためのスクリーンを有するシステムにおいて実施される。
【００４３】
ソフトウェアは、方法を実施するコンピュータ上に実装される可能性がある。
【００４４】
システムはまた、ユーザとソフトウェアとの相互作用を提供するグラフィカルユーザインタフェース(GUI:graphical user interface)を備える。
【００４５】
グラフィカルユーザインタフェースを、先に述べたスクリーン上に表示することができる。
【００４６】
方法は、可視化される関心領域を有する患者の骨の3D医療画像に基づく。
【００４７】
前記3D医療画像は、CT、MRI、および/または超音波によって予め取得され、ユーザが要求すると、ロードすることができるように、適した媒体上に格納されていてもよい。
【００４８】
大腿骨寛骨臼インピンジメントの場合、3D医療画像は股関節部の画像を含む。
【００４９】
第1に、寛骨臼および骨頭・頚部接合部を備える近位大腿骨の3Dモデルは3D画像から実施される。
【００５０】
前記3D骨モデルは、3D画像の自動セグメンテーションから得られる可能性がある。
【００５１】
次に、股関節の解剖学的ランドマークが自動的におよび/または手動方法で計算される可能性がある。
【００５２】
股関節の識別される解剖学的ランドマークが使用されて、軸および原点を規定し、解剖学的座標系を形成する。
【００５３】
有利な実施形態によれば、大腿骨骨頭の解剖学的ランドマークを確定するため、ベストフィット球が計算される。
【００５４】
ベストフィット球の中心を、その際、大腿骨骨頭の中心であると考えることができる。
【００５５】
大腿骨骨頭に対してベストフィット球を計算するための幾つかの方法が存在する。ベストフィット球を確定するための方法の一例は、大腿骨骨頭の皮質表面を示す3D点のセットに対して球のロバストな最小2乗フィッティングを適用することである。
【００５６】
任意選択で、大腿骨骨頭に対するベストフィット球は、少なくとも2つの直交する2D再フォーマット化医療画像において大腿骨骨頭に対する円の手動フィッティングによって確定される可能性がある。
【００５７】
大腿骨解剖学的座標系を作成するため、更なる大腿骨ランドマークもまた識別される可能性がある。大腿骨のメディアル・ラテラル軸を確定するための幾つかの方法が存在する。一例において、大腿骨のメディアル・ラテラル軸は、遠位大腿骨顆状突起(condyle)の最も後方の点を接合する線として規定される。
【００５８】
任意選択で、大腿骨のメディアル・ラテラル軸は、遠位大腿骨の大腿骨後顆軸(transepicondyle axis)を使用して規定される可能性がある。
【００５９】
遠位大腿骨の中心は、しばしば大腿骨骨頭の中心と共に使用されて、大腿骨の上下軸を作成する。
【００６０】
次に、骨盤のメディアル・ラテラル軸が確定される。
【００６１】
骨盤のメディアル・ラテラル軸を確定するための幾つかの方法が存在する。一例において、骨盤のメディアル・ラテラル軸は、大腿骨骨頭中心を接合する線として規定される。
【００６２】
任意選択で、骨盤のメディアル・ラテラル軸は、寛骨臼中心を接合する線によって規定される可能性があり、寛骨臼中心は、寛骨臼の関節表面に球をフィッティングすることによって、または、寛骨臼リムを示す3D点のセットの重心を計算することによって規定される。
【００６３】
骨盤のメディアル・ラテラル軸を確定するための更なるオプションは、寛骨臼リムを示す3D点のセットにフィットした平面に垂直なベクトルを使用することである。
【００６４】
骨盤座標系はまた、上前腸骨刺(anterior superior iliac spine)および恥骨結合(pubic symphysis)を使用して作成されて、前骨盤平面を作成する可能性がある。
【００６５】
座標系が作成されると、股関節部の関節を特徴付けるための股関節の運動学的モデルが、有利には規定される。
【００６６】
一実施形態によれば、モデルはボールジョイントモデル(ball joint model)である。
【００６７】
代替的に、関節回転だけでなく並進を含む、関節のより複雑な運動学的モデルが使用される可能性がある。
【００６８】
しかし、方法はまた、関節の運動学を考慮することなく、関心の骨の3Dモデルだけに基づいて実行される可能性がある。
【００６９】
カムFAIの場合、変形を特徴付けるための広く使用されるパラメータは、α角[Notzli等]である。
【００７０】
慣習的に、α角は、頚部軸方向への大腿骨球部中心Cからの半分の線CNと、大腿骨球部中心Cおよび大腿骨骨頭・頚部接合点Mによる半径CMとの間の角度αとして規定される(図1参照)。
【００７１】
α角は、大腿骨の基準となる時計の文字盤の周りの各位置において、3D画像のセットからの2Dラジアルスライスに関して計算される。
【００７２】
大腿骨骨頭中心を、最大α角が測定される大腿骨骨頭・頚部接合の円周に沿う点に接続する「最大α角半径(maximum alpha angle radius)」と呼ばれる半径が確定される。
【００７３】
大腿骨およびX線の最適な相対的配向は、前記最大α角半径および大腿骨頚部軸によって規定される平面が仮想AP骨盤X線軌道に垂直であるときに得られる。
【００７４】
こうした場合、骨変形はその全範囲において可視化されることになる。
【００７５】
最大α角半径は患者ごとに変動する場合があるため、この最適な相対的配向は患者にとって固有である。
【００７６】
もちろん、α角は、骨頭・頚部接合部変形の範囲を示す基準の例に過ぎないが、他の基準を、形態学的関心領域の種類に応じて適用することができる。
【００７７】
最適な関節位置を規定するため、股関節部屈曲および内部/外部回転角度のみを使用することができ、内転/外転は最小化されるかまたはゼロにセットされる。
【００７８】
これは、手術室内で3自由度を修正することが難しいため、手術室環境に対して容易な並進を提供する。
【００７９】
実際には、図2に示すように、20°の屈曲および16°の外側回転の関節位置が、最大α角の可視化について推奨され、それは、大腿骨骨頭・頚部接合部上の1:00位置で起こる。
【００８０】
しかし、関節位置の他のパラメータは、本発明の範囲から逸脱することなく診療医によって選択される可能性がある。
【００８１】
先に述べたように、最適化された基準が患者の3Dサーフェスモデルから計算されるため、確定される最適な相対的配向は患者固有である。
【００８２】
最適な骨(または関節)位置が規定されると、ソフトウェアは、骨形態学の仮想X線撮影画像を作成し表示する。
【００８３】
前記仮想X線画像は、先に確定した患者固有の最適な相対的配向に従って3D画像の3D骨ボクセル密度を投影することによって3D骨モデルから作成される可能性がある。
【００８４】
この技法は、画像処理の分野においてよく知られている「デジタル再構築X線撮影像」(DRR: Digitally Reconstructed Radiograph)と呼ばれる。
【００８５】
患者に固有の最適な配向を積極的に予測することによって、本発明は、標準的なX線ビューの制限を克服する。標準的なX線ビューのうちの1つのビューが、患者の骨病理を実際に最適に取込んでいるかどうかはわからない。この点に関して、[Harris]において報告された研究が、標準的なX線撮影ビューを用いて患者の母集団を遡及的に分析し、次に、その母集団について、平均して最大変形を取込むために、これらの標準的ビューのうちの最良のビューを確定するが、しかし、この方法が、標準的ビューのいずれのビューが、所与の患者について真に最適であるかどうかを知ることを可能にしないことが留意される。
【００８６】
最適なX線撮影画像の計算は異なる方法で実施される可能性がある。
【００８７】
一実施形態によれば、X線配向は、関節位置を一定に維持しながら変更される。
【００８８】
別の実施形態によれば、関節位置は、X線配向を一定に維持しながら変更される。
【００８９】
一実施形態によれば、計算は、関心領域の最適なX線撮影ビューのために関節位置とX線配向の両方を確定する。
【００９０】
異なるアルゴリズムを、最適なX線撮影ビューを計算するために使用することができる。
【００９１】
例えば、変数がパラメータ的に変更される可能性があるか、または、種々の最適化アルゴリズムが実装される可能性がある。
【００９２】
1つのこうした最適化法は、関節を生理的運動に制限しかつ/またはX線配向を臨床的に適切な配向に制限しながら、総合関節可動域(3つの関節角の和)を最小にするコスト関数に基づき得る。
【００９３】
診療医は、次に、骨およびX線の最適な相対的配向を出力し、かつ/または参照用の仮想X線撮影画像を印刷する可能性がある。
【００９４】
更なるX線撮像を実施することを考慮して、診療医は、予め確定した患者固有の最適な相対的配向を使用し、この最適な相対的配向に適合するように、患者および/またはX線撮像デバイスを位置決めする可能性がある。
【００９５】
図2は、本発明の一実施形態による、グラフィカルユーザインタフェース上の、股関節部の3Dモデルのディスプレイ(左)および最大α角の可視化のために最適化された仮想2D X線画像のディスプレイ(右)を示す。
【００９６】
3D股関節部モデルの参照3、6、および12は、大腿骨の基準となる時計の文字盤上で12時、3時、および6時の位置をそれぞれ示す。
【００９７】
グラフィカルユーザインタフェースは、仮想X線画像の生成のため関節を位置決めするために使用される伸長/屈曲、外転/内転、および外部/内部回転角をセットまたは表示する3つのカーソルを備える。
【００９８】
ここで示す実施形態において、外転/内転は、ゼロにセットされ、一方、屈曲角は20°であり、外部回転角は16°である。
【００９９】
仮想X線画像上で、骨頭・頚部接合部の変形は参照ROIで指定される。
【０１００】
形態学的関心領域が、矯正されなければならない骨変形であるとき、ソフトウェアは、骨の仮想切除を計算し、それを3Dモデル上に表示することができる。
【０１０１】
結論として、本発明は、3D撮像モダリティから作成される患者の3D形態学的モデルから、骨の形態学的関心領域の患者固有の最適なX線撮影ビューを作成することができる。
【０１０２】
最適な相対的骨およびX線配向の確定は、FAIに伴う骨変形等の骨の患者固有の関心領域を適切に可視化するために必要とされる術前X線および術中X線透視ビューの数を減少させることを可能にする。
【０１０３】
仮想X線画像を計算することは、多くの場合、更なるX線画像についての必要性をなくし、それにより、患者が暴露される放射線量を低減し、またおそらくは、X線取得中の患者位置決め誤差を回避する。
【０１０４】
更に、最適な相対的骨およびX線配向を計算することによって取得される情報は、手術室に容易に移されて、患者の関節および/またはX線透視軌道の位置決め時に外科医を誘導することができる。
【０１０５】
したがって、本発明は、おそらくは、放射線量を低減し、手術時間を低減し、また同様に、関心領域の可視化のためのよりよい画像を生成し、よりよい患者結果をもたらす。
(参考文献)
[Notzliら]HP Notzli、外5名、「前側インピンジメントのリスクの前兆としての大腿骨頭頚部移行部の輪郭（The contour of the femoral head-neck junction as a predictor for the risk of anterior impingement）」、ザ・ジャーナル・オブ・ボーン・アンド・ジョイント・サージェリー・ブリティッシュ・ボリューム、2002年、84(4)、p556-60
[Harris]マイケル・デニソン ハリス(Michael Dennison Harris) 著、「正常の人間のヒップおよび病理形態学的な人間のヒップのジオメトリーおよびバイオメカニクス（The geometry and biomechanics of normal and pathomorphologic human hips）」、ユタ大学に提出された学術論文、2013年8月、第４章
【符号の説明】
【０１０６】
C  大腿骨球部中心
M  大腿骨骨頭・頚部接合点
【図１】
2016532475.tif 000002
【図２】
2016532475.tif 000003
【国際調査報告】
2016532475.tif 000004
2016532475.tif 000005