内主容

要旨目

次論 文

An Analysis of the Characteristics and Improved Use of Newly Developed CT- based Navigation
System in Total Hip Arthroplasty（人工股関節全置換術における新規開発ＣＴベースナビゲーションシステムの特徴と精度向上への検討）
藤井洋佑、藤原一夫、鉄永智紀、三宅孝昌、山田和希、遠藤裕介、阿部信寛、杉田直彦、光石 衛、井上貴之、中島義雄、尾﨑敏文
Acta Medica Okayama（掲載予定）
平成 27 年 9 月 第 28 回 International Society for Technology in Arthroplasty に発表

1

主論 文

An Analysis of the Characteristics and Improved Use of Newly Developed CT- based Navigation
System in Total Hip Arthroplasty（人工股関節全置換術における新規開発ＣＴベースナビゲーションシステムの特徴と精度向上への検討）【緒言】
人工股関節全置換術において寛骨臼コンポーネントの設置位置改善目的に様々な種類のナビゲーションシステムが開発され用いられてきた。正確なインプラント設置は、脱臼などの早期合併症の低下のみならず、摺動面における摩耗量の低下といった中長期的な成績も向上する。ナビゲーションを用いたインプラントの設置精度の報告は散見されるが、ナビゲーションシステムの内部構造やプログラミングは開発企業の秘密であり、決められた方法を用いての使用と術後の精度評価のみ可能であった。我々は独自に膝関節用ナビゲーションシステムを開発し現在臨床使用している。今回それを股関節用にカスタマイズした。術前ＣＴ画像と術中の骨形状を重ね合わせる CT ベースのナビゲーションシステムである。
重ね合わせの方法としてはまず骨表面の特徴点数点を用いてＣＴ画像と実際の骨表面との初期あわせ込みを行った後に、骨表面を数十点参照し二段階のあわせ込みを行うサーフェイスマッチング法を用いている。重ねあわせの精度は概ね良好なものの、誤差を認めコンポーネントの設置角度に影響を及ぼす症例も存在する。参照点をとる寛骨臼周囲の形状は立体的であり、この形状がサーフェイスマッチング精度に影響を及ぼす可能性があると考え検討を行った。本研究の目的は寛骨臼周囲の参照点の場所における修正能力の特徴、また参照点数・骨盤形状による影響について検討し、その特徴からより効果的なナビゲーションシステムの使用方法を探求するものである。

【対象と方法】
股関節変形の程度によるナビゲーションの精度の差を検討するために Crowe 分類に応じて骨盤を選択し、術前の CT 画像を用いて 3D プリンターで骨盤骨のモデルを再構築した（Crowe1、2 および 4）。
サーフェイスマッチングの参照点の場所として寛骨臼周囲を４つのエリアに分類した。寛骨臼上方、後方、後上方、恥骨である。参照点数は上方と後方が各 20 点、後上方が 10 点、恥骨が 3 点である。エリアは手術進入法によりグループ化し寛骨臼上方、もしくは上方と後上方エリアをゾーン A、後方もしくは後方と後上方をゾーン B と設定した。座標系としては骨盤の外側方向を X 軸、前方を Y 軸、近位方向を Z 軸とした。また回転軸として各軸まわりの回転軸をそれぞれ設定した。骨盤を基準位置から各軸毎に-10mm から 10mm まで 2mm 毎に、また各回転軸方向にも同様に-10 度から 10 度まで 2 度ごとに移動させた。その上でそれぞれのゾーンで 10、15、20、30 点を用いてサーフェイスマッチングを行い、基準位置にどこまで近づけるかを測定した。また骨盤骨の形状（Crowe1、2、4）による比較と修正に影響2

を及ぼす点について評価を行った。なお、骨盤モデル作成の元となったのは、2014 年 2 月から 2014 年の 6 月までに THA を施行した 3 症例 6 股関節からの CT データであり、全員女性で平均年齢は 69 歳であった。
【結果】
ゾーン A に参照点をとった場合、X 軸方向への移動では参照点数に関わらず良好に収束していた。Y軸方向では基準位置からの移動距離が小さい場合や、また参照点の数を増やしても修正値は収束しなかった。Z 軸方向でも同様に修正は困難であった。回転 X 軸方向は移動角度の量や参照点数に関わらず小さい範囲に収束させることが可能であった。回転 Y 軸方向は比較的良好に修正できており、移動角度が6 から 4mm の範囲で良好に収束していた。回転 Z 軸方向では移動距離が小さくなっても修正は難しかった。ゾーン B に参照点を取った場合、X 軸方向への移動ではゾーン A と比較しやや困難であった。Y 軸方向において修正は比較的良好であった。Z 軸方向において参照点の増加による修正値の収束はわずかであり、また移動距離がわずかでも修正は困難であった。回転 X 軸方向は誤差角度の量や参照点数に関わらず誤差を小さい範囲に収束させることが可能であった。回転 Y 軸方向については誤差角度が段階的にふえるにつれて修正値の上昇を認めたが数値的には小さいものであった。回転 Z 軸方向は修正困難であった。
基準位置から 2mm/2°以下への収束を許容内とした際に、基準位置からの移動距離/角度が 8mm/8°以上ではいずれの場合においても困難と考えられた。そのため次に移動距離/角度が 6mm/6°以下において収束値が 2mm/2°以下を満たすための必要点数を検討した。ゾーン A において X 軸方向への移動では30 点程度、Y、Z 軸方向は 30 点でも 6mm の移動距離は 2mm 以下への収束は困難であった。回転 X 軸方向はポイント数、誤差の距離に関わらず少ない点数でも修正は良好であった。回転 Y 軸方向では 4°の移動角度を 2°以下に収束するのに 30 点必要で回転 Z 軸方向では 30 点が必要であった。ゾーン B では X 軸方向では 2mm 以下への収束を目標とすると 6mm 以下の移動距離では 20 点程度が必要であり、Y 軸方向ではゾーン A に比べて Y 軸方向への修正は困難ではなく、15 点の参照点で 6mm の移動距離を2mm に収束することが可能であった。Z 軸方向では 4mm の移動距離であれば 2mm 以下への収束は比較的容易であった。回転 X 軸方向は 6°の移動角度でも 15 点で 2°以下への収束が可能であった。回転Y 軸方向では誤差修正は容易であった。回転 Z 軸方向では移動角度が 6°では修正は困難であった。
骨盤形状の影響としてはゾーン A における Y 軸方向への移動距離において Crowe1 と 2 に有意差が認められた。Z 軸方向では骨盤形状による有意差は認めなかった。一方で Crowe4 型では他の形状と比べ修正が良好に行われる傾向を認めた。
ゾーン B の X 軸方向では骨盤形状毎の有意差は認めなかったが Crowe1型で他の形状と比較し改善しやすい傾向が認められた。一方、Z 軸方向では Crowe1 型は修正しにくい傾向を認めた。回転 Z 軸方向でも Crowe1 は修正しにくい傾向を認めた。
【考察】
ゾーン A では特に Y 軸、Z 軸、回転 Z 方向への誤差修正が困難であった。6mm の誤差がある場合は参照点として 30 点を使用してもゾーン A では 2mm 以下に収束することが困難である。収束値を 2mm以下にするためにはサーフェイスマッチングを行う前に 4mm 以下に誤差を減らしておいて、尚且つ 20点以上、できれば 30 点の参照点を使用すべきであると考えられた。ゾーン B では X 軸、Y 軸、回転 Z軸方向への誤差修正が困難であった。しかしゾーン A に比べて修正能は良好であった。サーフェイスマ
3

ッチングを行う前に 4mm/4°以下に誤差を減らした場合、2mm/2°以下への修正は 15~20 点で可能となっていた。参照点の場所によって修正が容易な方向と困難な方向が存在し、また修正に必要な参照点数も異なっていた。この原因としては寛骨臼上方の参照点をとる骨の表面形状が X 軸に直行しており、また寛骨臼後方の表面は Y 軸に直交する事に関連しているため、3 次元の再構築が容易に行われるためと考えられた。また回転軸に際しても寛骨臼上方の骨形状、また寛骨臼後方も変形の少ない症例で特に回転方向が同一となるため回転移動に対して表面のサーフェイスマッチングでは 3 次元構築が困難となり修正能が低下する要因となると考えられた。また骨盤形状別の検討においても、今回の Crowe2 の骨盤は寛骨臼形成不全であり、寛骨臼上方の形状は凹凸に乏しく非常に平らであった。そのため特に Y 軸方向への修正が困難となったと考えられる。新しい参照点として恥骨を用いた検討も行った。ゾーン Aにおいて Y、Z、回転 Z 軸において寛骨臼上方のみ 20 点と上方 17 点と恥骨 3 点をとったグループを比較したところ、Y 軸方向へは上方のみに参照点をとったグループで修正能は優れており、その他では恥骨に参照点をとった方により良い傾向を認めた。やはり恥骨の形状が Y 軸方向には比較的平行なのに対して Z 軸方向には直交する形であり、また回転 Z 軸に対しても比較的交差する位置のためと考えられた。
今回の研究よりサーフェイスマッチングによる修正能を向上させるためには移動している方向と異なる平面、曲面の参照点を追加する必要があると考えられる。このためには特徴点を用いた大まかな重ね合わせの際に、一旦位置を確認しずれている方向に併せて効果的な参照点と必要な参照点数を用いることが重要である。しかしその際に修正困難な方向に大きくずれている場合は、立ち返って重ね合わせを再度行うことも必要と考えられた。また起伏に乏しい形状の場合は恥骨や腸骨稜等への参照点が有効な可能性がある。リミテーションとしては症例数が少ないこと、また一方向へ移動させた際の修正能のみを検討している点である。今後は実際の手術中にも使用し、多軸の変位に対する修正能力を検討する必要がある。今回の検討で寛骨臼周囲の参照点の場所によりそれぞれに修正可能な方向や困難な方向が存在しており、また修正に必要な参照点数も異なっていることが明らかとなった。その特性を理解し適切に選択することでより高い手術精度を得ることができ、また手術時間の短縮にも寄与することが可能である。
【結論】
寛骨臼周囲の参照点の場所における修正能力の特徴、また参照点数・骨盤形状による影響について検討した。それぞれの場所がそれぞれ修正可能、または困難な方向を有しており、修正に必要な参照点数も異なっていた。移動方向に対して直交する方向の参照点をとることで修正能が向上すると考えられ、サーフェイスマッチングの前に位置を確認し必要と考えられる参照場所を選択することが重要である。

4