JP6772027B2 - Accuracy verification tool for surgical support equipment - Google Patents

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Description

本発明は、手術支援装置の精度を検証するためのツールに関する。 The present invention relates to a tool for verifying the accuracy of a surgical support device.

整形外科の分野では、先天性の異常や骨折後の変形治癒を原因として変形した骨の治療のため、人工関節に置換する手術が行われている。 In the field of orthopedics, surgery to replace artificial joints is performed to treat bones that have been deformed due to congenital anomalies or malunions after fractures.

人工関節の設置位置及び設置角度は、術後の患者の行動範囲や人工関節の使用期間に大きな影響を与える。このため、手術時に骨に対して設置する人工関節又は手術器具の位置及び角度を、リアルタイムで画面表示することができる手術支援装置が使用されるようになってきた。 The installation position and installation angle of the artificial joint have a great influence on the postoperative range of action of the patient and the period of use of the artificial joint. For this reason, a surgical support device capable of displaying the position and angle of an artificial joint or a surgical instrument to be installed on a bone at the time of surgery in real time has come to be used.

手術支援装置は、術前にCT(Computed Tomography)、MRI(Magnetic Resonance Imaging)、CR(Computed Radiography)等の医用画像を用いて、専用のソフトウェア上で人工関節の設置位置及び設置角度を設定することを支援する装置である。 The surgical support device sets the installation position and installation angle of the artificial joint on dedicated software using medical images such as CT (Computed Tomography), MRI (Magnetic Resonance Imaging), and CR (Computed Radiography) before surgery. It is a device that supports this.

具体的には、CT、MRI、CR等による医用画像を用いて、術前計画ソフトウェア上で3D(3次元)骨モデルを作成する。 Specifically, a 3D (three-dimensional) bone model is created on preoperative planning software using medical images obtained by CT, MRI, CR, or the like.

そして、手術時に実際の患者の骨の特徴的な複数の特定箇所を、専用ツールを用いて手術支援装置のカメラに向かってその位置を認識させることで、術前計画の3D骨モデルとの位置合わせを行う。これにより手術支援装置が、予め術前計画された位置及び角度と、現在の器具の位置関係とをモニタ画面上にリアルタイムで表示する。このようにして、術者が表示画面を参照しながら、骨を切除し、人工関節の設置を行うことができる。 Then, at the time of surgery, a plurality of characteristic specific parts of the actual patient's bone are recognized by the camera of the surgery support device using a dedicated tool, so that the position with the 3D bone model of the preoperative plan is recognized. Make a match. As a result, the surgical support device displays the preoperatively planned position and angle and the current positional relationship of the instrument on the monitor screen in real time. In this way, the operator can excise the bone and install the artificial joint while referring to the display screen.

手術時には、患者の骨と手術器具に、リファレンスと称され、赤外線を照射されて反射する複数のボールが配置された位置検出用器具を取り付ける。そして、手術支援装置が有する2個のカメラ、あるいは位置を特定するセンサを用いることによって、骨と器具の相対位置をモニタ画面上に表示する。2個のカメラを用いた場合は、各カメラで得られたリファレンスの画像の視差を利用してリファレンスの位置を計算している。このようにして手術支援装置により、術者は、術前計画に近い人工関節の設置が可能となる。 At the time of surgery, a position-detecting instrument, called a reference, on which a plurality of balls that are irradiated and reflected by infrared rays are arranged is attached to the patient's bone and surgical instrument. Then, the relative positions of the bone and the instrument are displayed on the monitor screen by using the two cameras of the surgical support device or the sensors that specify the positions. When two cameras are used, the position of the reference is calculated by using the parallax of the reference image obtained by each camera. In this way, the surgical support device enables the surgeon to install an artificial joint close to the preoperative plan.

但し、骨にリファレンスを取り付けた後、手術支援装置に骨の位置を認識させる手法には、手術支援装置の機種によって違いがあり、また位置合わせの精度にも差が生じる。 However, the method of causing the surgery support device to recognize the position of the bone after attaching the reference to the bone differs depending on the model of the surgery support device, and the accuracy of alignment also differs.

位置合わせの手法として、例えば専用のポインティングツールを用いて、骨の複数の特定箇所、例えば右上前腸骨棘、左上前腸骨棘、恥骨を、手術支援装置のカメラに向かって指し示し、術前のCT、MRIによるスキャンデータを用いて作成した骨モデルと称されるモニタ画面上に表示される骨の図形上に、指し示された骨の特定箇所を登録して位置合わせを行うもの、あるいはその場で位置関係や大きさを計算して作成した仮想的な骨モデル上に指し示された骨の特定箇所を登録して位置合わせを行うものがある。あるいは、術中にCアームやCT、MRI、CR等により取得した視差画像を用いて、手術支援装置内で計算することで位置合わせをするものもある。 As a method of alignment, for example, using a dedicated pointing tool, multiple specific parts of the bone, such as the upper right anterior iliac spine, the upper left anterior iliac spine, and the scrotum, are pointed at the camera of the surgical support device and preoperatively. A bone model called a bone model created using CT and MRI scan data of the above, which registers a specific part of the indicated bone on the bone figure displayed on the monitor screen, or aligns the bone. There is a method of registering a specific part of the bone pointed to on a virtual bone model created by calculating the positional relationship and size on the spot and performing alignment. Alternatively, there is also one in which the parallax image acquired by the C-arm, CT, MRI, CR or the like during the operation is used, and the alignment is performed by calculating in the operation support device.

また、上述したような骨と器具との相対位置を、手術支援装置のモニタ画面上に表示するだけではなく、骨の切削を手術用切削ロボットによって行う技術の開発も進んでいる。但し、このような装置を用いた手術結果にも、術前計画との間に誤差があるという報告もあり、位置合わせの精度を確認する手法を確立する必要がある。 Further, not only the relative position between the bone and the instrument as described above is displayed on the monitor screen of the surgical support device, but also the development of a technique for cutting the bone by a surgical cutting robot is in progress. However, there is a report that there is an error in the surgical result using such a device with the preoperative plan, and it is necessary to establish a method for confirming the accuracy of alignment.

手術支援装置や手術用切削ロボットは複数メーカで製造されており、機種ごとに異なる原理で手術時に患者の骨の位置関係を認識している。これらの装置を用いた手術結果において、日本コンピュータ支援整形外科(CAOS)研究会、CAOS International等によれば、術前計画との間に数度の誤差があるという報告や、日本人に多い骨変形の強い症例には適さないと指摘された海外製品装置の報告もあり、装置の精度検証は重要である。 Surgical support devices and surgical cutting robots are manufactured by multiple manufacturers, and each model recognizes the positional relationship of the patient's bones during surgery based on a different principle. According to the Japan Computer-Assisted Orthopedic Surgery (CAOS) Study Group, CAOS International, etc., there are several errors in the surgical results using these devices, and there are many bones in Japanese. There are reports of overseas product devices that have been pointed out as unsuitable for cases with strong deformities, and it is important to verify the accuracy of the devices.

一方、近年国内外でこの分野の新製品開発が活発に進められている。しかしながら、医療機器の申請には安全性を証明するために多くの実験結果が求められ、開発に必要なコスト・時間が多くかかることから、他分野に比べると革新的な技術の導入が遅れている。そこで安全で円滑に新技術導入を進めるために、機種に関係なく簡便で客観的な精度検証を行うことができる手法を確立する必要があった。 On the other hand, in recent years, new product development in this field has been actively promoted in Japan and overseas. However, application for medical devices requires many experimental results to prove safety, and the cost and time required for development are high, so the introduction of innovative technologies is delayed compared to other fields. There is. Therefore, in order to promote the introduction of new technology safely and smoothly, it was necessary to establish a method that enables simple and objective accuracy verification regardless of the model.

ところで人工関節とは、変形した骨の治療のために骨内に埋設する医療機器である。人工関節の材質には、金属、セラミックス、ポリエチレン等が用いられる。 By the way, an artificial joint is a medical device embedded in a bone for the treatment of deformed bone. As the material of the artificial joint, metal, ceramics, polyethylene and the like are used.

骨盤側には半球状のカップ、大腿骨側には髄空形状に合ったステムという名称の人工関節が設置される。カップとステムの間には、骨頭ボールと、摺動性とクッション性を併せ持つライナーがはめ込まれる。ライナーと骨頭ボールが滑らかに摺動できるので、手術後の患者は歩行が可能となる。 A hemispherical cup is installed on the pelvic side, and an artificial joint called a stem that matches the shape of the spinal cord is installed on the femur side. A head ball and a liner that has both slidability and cushioning properties are fitted between the cup and the stem. Since the liner and the head ball can slide smoothly, the patient after surgery can walk.

カップは、もともと大腿骨の骨頭があった位置付近に、正面像で見て垂直線と約40度程度の方向に設置される。上述のように、人工関節の設置位置、設置角度は、術後の行動範囲や人工関節の使用可能期間にも影響してくるため、重要視される。 The cup is installed near the position where the head of the femur was originally located, in a direction of about 40 degrees with the vertical line when viewed from the front view. As described above, the installation position and installation angle of the artificial joint are important because they also affect the postoperative range of action and the usable period of the artificial joint.

従来の手術支援関連技術として、以下の特許文献1〜6に記載されたものがあった。 Conventional surgical support-related techniques include those described in the following Patent Documents 1 to 6.

特開2014-97220号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-97220 特開2006-122591号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-122591 特開2014-30536号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-30536 特表2006-501972号公報Special Table 2006-501972 特開2011-172920号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-172920 特開2015-42252号公報JP-A-2015-42252

ところで、手術支援装置には、上述したように骨変形の強い症例には適さないと報告されるものがあり、また術前計画との間に誤差が生じていたという報告もあった。しかし、従来の手術支援関連技術では、装置の機種に関係なく簡便で信頼性の高い精度検証を行うことができなかった。 By the way, some surgical support devices have been reported to be unsuitable for cases with strong bone deformities as described above, and there have also been reports that an error has occurred between them and the preoperative plan. However, conventional surgical support-related technology has not been able to perform simple and highly reliable accuracy verification regardless of the model of the device.

従来、手術支援装置の精度検証を行う場合には、実際の患者に手術支援装置を用いて人工関節を埋め込んだ後、改めて術後にCT、MRI、CR等により撮影を行い、画像解析ソフトにより骨盤に対する人工関節の設置位置、設置角度を測定する必要があった。しかしながら、術後に撮影を行うコスト、画像解析を行う時間及び作業負荷は、極めて大きかった。 Conventionally, when verifying the accuracy of a surgical support device, after implanting an artificial joint in an actual patient using the surgical support device, another image is taken after surgery by CT, MRI, CR, etc., and image analysis software is used. It was necessary to measure the installation position and installation angle of the artificial joint with respect to the pelvis. However, the cost of imaging after surgery, the time required for image analysis, and the workload were extremely large.

さらに、術前計画で人工関節を設置する際の基準とした骨盤の基準平面と、術後撮影画像の解析時に基準とする骨盤の基準平面とを、完全に一致させることができず、それにより測定誤差が生じるという致命的な問題を抱えていた。 Furthermore, the reference plane of the pelvis, which was used as the reference when installing the artificial joint in the preoperative plan, and the reference plane of the pelvis, which was used as the reference when analyzing the postoperative images, could not be completely matched, thereby. It had a fatal problem of measurement error.

本発明は上記事情に鑑み、手術支援装置に対し、簡便でかつ再現性の良い精度検証を行うことが可能な手術支援装置の精度検証ツールを提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a surgical support device with an accuracy verification tool capable of performing simple and reproducible accuracy verification.

本発明の手術支援装置の精度検証ツールは、
骨の断面の情報と、前記骨における基準平面の位置及び向きを特定する情報と、前記基準平面に対する人工関節の設置位置及び設置角度を示す情報とを含む医用画像データと、
前記基準平面に対する前記人工関節の前記設置位置及び前記設置角度を示す前記情報を含む骨の模型と、
を備えることを特徴とする。
The accuracy verification tool of the surgical support device of the present invention
Medical image data including information on the cross section of the bone, information for specifying the position and orientation of the reference plane in the bone, and information indicating the installation position and installation angle of the artificial joint with respect to the reference plane.
A bone model containing the information indicating the installation position and the installation angle of the artificial joint with respect to the reference plane.
It is characterized by having.

本発明の手術支援装置の精度検証ツールによれば、手術支援装置に対して簡便でかつ再現性の良い精度検証を行うことが可能である。 According to the accuracy verification tool of the surgical support device of the present invention, it is possible to perform simple and reproducible accuracy verification on the surgical support device.

骨盤の左上前腸骨棘、右上前腸骨棘、左恥骨結節、右恥骨結節を通る基準平面APP(Anterior Pelivic Plane)を示す図。The figure which shows the reference plane APP (Anterior Pelivic Plane) which passes through the upper left anterior iliac spine, the upper right anterior iliac spine, the left pubic tubercle, and the right pubic tubercle of the pelvis. 骨盤の左坐骨結節、右坐骨結節を結ぶ軸を水平基準として骨盤を回転させ、さらに仙骨中央、恥骨結合を結ぶ軸を正中基準として回転させて構築された座標系上で仙骨中央と恥骨結合を通りCT、MRI、CR寝台に直交する平面、及びその平面に直交する平面から成るFPP(Functional Pelvic Plane)を示す図。The center of the sacrum and the pubic symphysis are formed on a coordinate system constructed by rotating the pelvis with the axis connecting the left and right sacral nodules of the pelvis as the horizontal reference, and further rotating the axis connecting the center of the sacrum and the pubic symphysis with the midline as the reference. The figure which shows the FPP (Functional Pelvic Plane) which consists of the plane orthogonal to the street CT, MRI, CR sleeper, and the plane orthogonal to the plane. 転子窩、顆間部最遠位端を結ぶ大腿骨軸と、大転子最後端、左後顆、右後顆を通る後顆平面から成る大腿骨平面を示す図。The figure which shows the femoral plane which consists of the femoral axis which connects the trochanteric fossa and the most distal end of the intercondylar part, and the posterior condyle plane which passes through the last end of the greater trochanter, the left posterior condyle, and the right posterior condyle. 臼蓋リーマ用リファレンス、骨盤用リファレンス、打ち込み器具用リファレンス、大腿骨用リファレンス、ポインタ用リファレンスを示す図。The figure which shows the reference for a acetabular reamer, the reference for a pelvis, the reference for a driving instrument, the reference for a femur, and the reference for a pointer. 手術支援装置のカメラに向かって骨盤の特徴的な複数の特定箇所をポインタで指し示して位置を認識させ、術前計画の骨モデルとの間で位置合わせを行うことを示す斜視図。A perspective view showing that a plurality of characteristic specific points of the pelvis are pointed at a camera of a surgical support device with a pointer to recognize the position, and alignment is performed with a bone model of a preoperative plan. 手術支援装置が、臼蓋リーマ用リファレンスが取り付けられた臼蓋リーマの位置、角度を認識してモニタ画面上に表示することを示す斜視図。The perspective view which shows that the operation support device recognizes the position and angle of the acetabular reamer to which the reference for acetabular reamer is attached and displays it on a monitor screen. 人間の胴体の断面をスライスした複数枚の画像データの集合であるDICOMデータセットを示す図。The figure which shows the DICOM data set which is a set of a plurality of image data which sliced the cross section of a human torso. CADシステムがDICOMデータセットを用いて、CADシステムの画面上で骨盤の3Dモデルを表示した状態を示す図。The figure which shows the state which the CAD system displayed the 3D model of the pelvis on the screen of the CAD system using the DICOM data set. CADシステムから出力される、上前腸骨棘、恥骨等を指し示す三角錐、基準平面の向きを示す立方体、人工関節の設置位置及び設置角度を特定する円柱から成る立体モデルが埋め込まれたDICOMデータセットを示す図。DICOM data with embedded three-dimensional model consisting of a triangular pyramid pointing to the anterior superior iliac spine, pubis, etc., a cube indicating the orientation of the reference plane, and a cylinder specifying the installation position and angle of the artificial joint, output from the CAD system. The figure which shows the set. 人工関節の設置位置及び設置角度を示す円柱が設けられた骨盤模型を示す斜視図。The perspective view which shows the pelvis model provided with the cylinder which shows the installation position and installation angle of an artificial joint. 立体モデルが埋め込まれたDICOMデータセットを手術支援装置の術前計画ソフトウェアで読み込んでモニタ画面上に3D表示させた骨盤を示す図。The figure which shows the pelvis which read the DICOM data set in which the 3D model was embedded with the preoperative planning software of the operation support device, and displayed it in 3D on the monitor screen. 手術支援装置と骨盤模型を用いて術中操作を行う様子を示す斜視図。A perspective view showing an intraoperative operation using a surgical support device and a pelvic model. CADシステムのモニタ画面上で3Dモデルの大腿骨を生成し、この大腿骨の大転子後縁、左後顆、右後顆を指し示す三角錐頂点を結ぶ後顆平面、後顆平面を基準としての人工関節(ステム)の設置位置、設置角度を特定する円柱を生成する様子を示した図。A 3D model femur is generated on the monitor screen of the CAD system, and the posterior condyle plane and posterior condyle plane connecting the posterior margin of the greater trochanter, the left posterior condyle, and the apex of the triangular pyramid pointing to the right posterior condyle are used as a reference. The figure which showed the state of generating the cylinder which specifies the installation position and the installation angle of the artificial joint (stem) of. CADシステムから出力される三角錐、円柱等の立体モデルが埋め込まれた大腿骨を含む医用画像のDICOMデータセットを示す斜視図。FIG. 3 is a perspective view showing a DICOM data set of a medical image including a femur in which a three-dimensional model such as a triangular pyramid or a cylinder output from a CAD system is embedded. 出力されたDICOMデータセットを3Dプリンタに入力して作成された大腿骨模型を示す斜視図。The perspective view which shows the femur model created by inputting the output DICOM data set into a 3D printer. 立体モデルが埋め込まれたDICOMデータセットを手術支援装置20の術前計画ソフトウェアで読み込んだ状態を示す斜視図。A perspective view showing a state in which a DICOM data set in which a three-dimensional model is embedded is read by the preoperative planning software of the surgical support device 20. 手術支援装置、大腿骨模型を用いて術中操作を行う様子を示す斜視図。A perspective view showing a state of performing an intraoperative operation using a surgical support device and a femur model.

以下、本発明の実施の形態による手術支援装置の精度検証ツールについて、図面を参照して説明する。なお、同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。またCADシステム上の骨の3Dモデルを表す図の場合は直線の四角枠、手術支援装置の術前計画ソフト上の骨の3Dモデルを表す図の場合は2重直線の四角枠、実物の物体を表す図の場合は枠なしとする。 Hereinafter, the accuracy verification tool of the surgical support device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same components are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted. In the case of a figure showing a 3D model of a bone on a CAD system, a straight square frame, in the case of a figure showing a 3D model of a bone on the preoperative planning software of a surgical support device, a double straight square frame, a real object. In the case of the figure showing, there is no frame.

先ず、本実施の形態について説明する前に、手術支援装置を用いて患者の関節を人工関節と取り替える実際の手術の概略について説明する。 First, before explaining the present embodiment, an outline of an actual operation of replacing a patient's joint with an artificial joint by using a surgical support device will be described.

1)手術支援装置を用いて、術前準備を行う。具体的には、手術支援装置の術前計画ソフトウェアを起動し、手術計画を立てる。後述するDICOMデータセットによる医用画像データを読み込み、術前計画ソフトウェアにより骨盤の3Dモデルをモニタ画面上に表示する。 1) Make preoperative preparations using a surgical support device. Specifically, the preoperative planning software of the surgical support device is activated to make a surgical plan. The medical image data by the DICOM data set described later is read, and the 3D model of the pelvis is displayed on the monitor screen by the preoperative planning software.

2)モニタ画面に表示された3Dモデル上で、人工関節(カップ、ステム)を設置する際の基準平面として、骨盤平面と大腿骨平面とを設定する。一般的に用いられている骨盤平面として、例えばAPP(Anterior Pelvic Plane)、FPP(Functional Pelvic Plane)が存在する。APPは、図1に示されたように、骨盤の右上前腸骨棘12、左上前腸骨棘13、右恥骨結節14、左恥骨結節15を通る平面である。FPPは、正面図である図2(a)、CT、MRI、CR等の撮影を行う台23を基準とする右側面図である図2(b)に示されたように、骨盤の右座骨結節61、左座骨結節62を結ぶ軸を水平基準となるように骨盤を回転させ、さらに仙骨中央63と恥骨結合64を結ぶ軸を正中基準となるように回転させて構築された座標系上で仙骨中央と恥骨結合を通りCT、MRI、CR寝台に直交する平面、及びその平面に直交する平面である。大腿骨平面は、背面図である図3(b)に示されたように、大転子最後端73、左後顆74、右後顆75を通る後顆平面である。また、正面図である図3(a)に示されたように、転子窩71、顆間部最遠位端72を通る軸を大腿骨軸として設定する。 2) On the 3D model displayed on the monitor screen, the pelvis plane and the femur plane are set as the reference planes when the artificial joints (cups, stems) are installed. As a commonly used pelvic plane, for example, APP (Anterior Pelvic Plane) and FPP (Functional Pelvic Plane) exist. The APP is a plane passing through the upper right anterior iliac spine 12, the upper left anterior iliac spine 13, the right pubic tubercle 14, and the left pubic tubercle 15 of the pelvis, as shown in FIG. The FPP is the right ischium of the pelvis as shown in FIG. 2 (a) which is a front view and FIG. 2 (b) which is a right side view based on a table 23 for photographing CT, MRI, CR and the like. On the coordinate system constructed by rotating the pelvis so that the axis connecting the nodule 61 and the left ischial nodule 62 becomes the horizontal reference, and further rotating the axis connecting the sacral center 63 and the pubic symphysis 64 so as to refer to the midline. A plane that passes through the sacral center and the pubic symphysis and is orthogonal to the CT, MRI, and CR sleepers, and a plane that is orthogonal to that plane. The femoral plane is a posterior condyle plane that passes through the posterior end of the greater trochanter 73, the left posterior condyle 74, and the right posterior condyle 75, as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 3A, which is a front view, the axis passing through the trochanteric fossa 71 and the distal end 72 of the intercondylar portion is set as the femoral axis.

3)APPやFPPを基準として、人工関節(カップ)の設置角度、設置位置、サイズを設定する。 3) Set the installation angle, installation position, and size of the artificial joint (cup) based on APP and FPP.

4)大腿骨の基準平面、座標系、軸を設定し、人工関節(ステム)の設置角度、設置位置、サイズを設定する。 4) Set the reference plane, coordinate system, and axis of the femur, and set the installation angle, installation position, and size of the artificial joint (stem).

5)手術支援装置を用いて、手術を開始する。患者の骨盤における臼蓋と、大腿骨の先端の骨頭とが嵌合した状態において、大腿骨と大腿骨先端の骨頭との間を切断することで、骨盤と大腿骨とを分離する。さらに骨盤の臼蓋に嵌合していた骨頭を除去する。 5) Start the surgery using the surgery support device. In a state where the acetabulum in the patient's pelvis and the head of the tip of the femur are fitted, the pelvis and the femur are separated by cutting between the femur and the head of the tip of the femur. Furthermore, the head of the bone fitted to the acetabulum of the pelvis is removed.

6)手術支援装置のモニタ画面に表示された骨の3Dモデルと患者の骨盤および大腿骨の位置合わせを行う。 6) Align the 3D model of the bone displayed on the monitor screen of the surgical support device with the patient's pelvis and femur.

7)手術支援装置のモニタ画面で表示される現在の骨盤と臼蓋リーマの相対位置関係を確認し、術前計画で設定した設置角度、設置位置に一致するように骨盤の臼蓋の内壁を臼蓋リーマで半球状に削る。 7) Check the relative positional relationship between the current pelvis and the acetabular reamer displayed on the monitor screen of the surgical support device, and adjust the inner wall of the pelvic acetabulum so that it matches the installation angle and installation position set in the preoperative plan. Shave it into a hemisphere with a acetabular reamer.

8)骨盤の臼蓋内に、金属製でカップ状の人工関節(カップ)を収納しボルト止めし、人工関節(カップ)内にポリエチレン製のライナーを嵌め込む。 8) A metal cup-shaped artificial joint (cup) is housed in the acetabulum of the pelvis and bolted, and a polyethylene liner is fitted into the artificial joint (cup).

9)手術支援装置のモニタ画面で表示される現在の大腿骨と髄腔リーマの相対位置関係を確認し、術前計画で設定した設置角度、設置位置に一致するように大腿骨の長手方向に沿って存在する髄腔の内壁を、髄腔リーマを挿入して回転させて削り、髄腔の半径を大きくする。 9) Check the relative positional relationship between the current femur and the medullary reamer displayed on the monitor screen of the surgical support device, and in the longitudinal direction of the femur so that it matches the installation angle and installation position set in the preoperative plan. The inner wall of the medullary cavity existing along the medullary cavity is shaved by inserting a medullary cavity reamer and rotating it to increase the radius of the medullary cavity.

10)手術支援装置のモニタ画面で表示される現在の大腿骨とラスプ(人工関節(ステム)と同形状に骨を削る器具)の相対位置関係を確認し、術前計画で設定した設置角度、設置位置に一致するように大腿骨の髄腔に、ラスプを挿入して髄腔を削る。 10) Check the relative positional relationship between the current femur and the rasp (a device that cuts the bone in the same shape as the artificial joint (stem)) displayed on the monitor screen of the surgical support device, and set the installation angle in the preoperative plan. Insert a raspe into the medullary space of the femur to match the placement position and scrape the medullary space.

11)手術支援装置のモニタ画面で表示される現在の大腿骨と髄腔リーマの相対位置関係を確認し、術前計画で設定した設置角度、設置位置に一致するように大腿骨の髄腔に、金属製で棒状の人工関節(ステム)を差し込む。 11) Check the relative positional relationship between the current femur and medullary reamer displayed on the monitor screen of the surgical support device, and place it in the medullary space of the femur so that it matches the installation angle and installation position set in the preoperative plan. , Insert a rod-shaped artificial joint (stem) made of metal.

12)人工関節(ステム)の先端に、金属製又はセラミック製の人工骨頭ボールを取り付ける。 12) A metal or ceramic artificial head ball is attached to the tip of the artificial joint (stem).

13)大腿骨の先端に取り付けた人工骨頭ボールを、骨盤の人工関節(カップ)内のライナー内に嵌め込むことで、手術を終了する。 13) The operation is completed by fitting the artificial head ball attached to the tip of the femur into the liner in the artificial joint (cup) of the pelvis.

ここで、上記作業中における手術支援装置とリファレンスの役割について説明する。 Here, the roles of the surgical support device and the reference during the above work will be described.

リファレンスは上述のように、赤外線を照射されて反射する複数のボールが配置されており、手術時に骨と手術器具とに取り付けられてそれぞれの位置が検出される。これにより、手術支援装置のモニタ画面上への骨と手術器具のそれぞれの位置の表示が可能となる。 As described above, the reference has a plurality of balls that are irradiated with infrared rays and reflected, and are attached to the bone and the surgical instrument at the time of surgery to detect their respective positions. This makes it possible to display the positions of the bone and the surgical instrument on the monitor screen of the surgical support device.

例えば、図4(a)に示されたように赤外線反射ボール2が配置された臼蓋リーマ用リファレンス1と、図4(b)に示されたように赤外線反射ボール4が配置された骨盤用リファレンス3と、図4(c)に示されたように赤外線反射ボール6が配置された打ち込み器具用リファレンス5と、図4(d)に示されたように赤外線反射ボール8が配置された大腿骨用リファレンス7と、図4(e)に示されたように赤外線反射ボール9が配置されたポインタ用リファレンス31が用いられる。このように、赤外線反射ボールの配置が異なることで、器具と骨の判別を手術支援装置が行うことができるように、複数種類のリファレンスが用いられる。 For example, the reference 1 for the acetabulum reamer in which the infrared reflective ball 2 is arranged as shown in FIG. 4 (a) and the pelvis in which the infrared reflective ball 4 is arranged as shown in FIG. 4 (b). Reference 3, reference 5 for driving equipment in which the infrared reflective ball 6 is arranged as shown in FIG. 4 (c), and thigh in which the infrared reflective ball 8 is arranged as shown in FIG. 4 (d). A bone reference 7 and a pointer reference 31 on which the infrared reflective ball 9 is arranged as shown in FIG. 4 (e) are used. As described above, a plurality of types of references are used so that the surgical support device can discriminate between the instrument and the bone due to the different arrangement of the infrared reflective balls.

手術支援装置は上述したように、術前にCT、MRI、CR等の医用画像を用いて、図5に示されたモニタ画面21上に3D骨モデルを表示し、患者の骨盤11Aに対する人工関節の設置位置及び設置角度を設定することを支援する。 As described above, the surgical support device displays a 3D bone model on the monitor screen 21 shown in FIG. 5 using medical images such as CT, MRI, and CR before surgery, and artificial joints for the patient's pelvis 11A. Supports setting the installation position and installation angle of.

具体的には手術時において、図5に示されたように、手術支援装置20の2個のカメラ22に向かって、骨盤用リファレンス3が取り付けられた患者の骨盤11Aの特徴的な複数の特定箇所、例えば後述するように左上前腸骨棘、右上前腸骨棘、恥骨、臼蓋等をポインタ31で指し示して位置を認識させ、術前計画の骨モデルとの間で位置合わせを行う。2個のカメラ22から視差のある画像が得られるため、手術支援装置20は手術支援装置20から各リファレンスまでの位置を計算することができる。 Specifically, at the time of surgery, as shown in FIG. 5, a plurality of characteristic identifications of the patient's pelvis 11A to which the pelvic reference 3 is attached toward the two cameras 22 of the surgical support device 20. The location, for example, the upper left anterior iliac spine, the upper right anterior iliac spine, the pubis, the acetabulum, etc., are pointed to by the pointer 31 to recognize the position, and the alignment is performed with the bone model of the preoperative plan. Since images with parallax are obtained from the two cameras 22, the surgery support device 20 can calculate the position from the surgery support device 20 to each reference.

次に、図6に示されたように、臼蓋リーマ32に臼蓋リーマ用リファレンス1を取り付けることにより、手術支援装置20が臼蓋リーマ32の位置、角度を認識してモニタ画面21上に表示することができる。 Next, as shown in FIG. 6, by attaching the acetabular reamer reference 1 to the acetabular reamer 32, the surgical support device 20 recognizes the position and angle of the acetabular reamer 32 and displays it on the monitor screen 21. Can be displayed.

このようにして、手術支援装置20が、骨盤11Aの位置及び角度と、リーマ等の手術器具との位置関係を、モニタ画面21上にリアルタイムで表示する。 In this way, the surgical support device 20 displays the positional relationship between the position and angle of the pelvis 11A and the surgical instrument such as a reamer on the monitor screen 21 in real time.

次に、本実施の形態による手術支援装置の精度検証ツールを用いて、手術支援装置の精度検証を行う手順について説明する。 Next, a procedure for verifying the accuracy of the surgical support device will be described using the accuracy verification tool of the surgical support device according to the present embodiment.

1)図示されないCAD(Computer Aided Design)システム(3Dモデルを作成できるシステム)上で、DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine)と称される医用画像フォーマットに準拠したCT、MRI、CR等により撮影した任意の患者のスキャン画像のDICOMデータセットを読み込む。DICOMデータセットは、図7に示されたように、手術を施そうとしている部位を含む人間の胴体の断面を、例えば0.5mm膜厚でスライスした複数枚の画像データの集合である。各画像データは、例えば512ピクセル×512ピクセルというようにマトリクス状に構成され、ピクセルを単位としてCT値、MRI値、CR値等が割り振られている。 1) Photographed by CT, MRI, CR, etc. based on a medical image format called DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) on a CAD (Computer Aided Design) system (a system capable of creating a 3D model) (not shown). Read the DICOM dataset of scanned images of any patient. As shown in FIG. 7, the DICOM data set is a set of a plurality of image data obtained by slicing a cross section of a human body including a site to be operated on with a thickness of, for example, 0.5 mm. Each image data is configured in a matrix such as 512 pixels × 512 pixels, and CT values, MRI values, CR values, etc. are assigned in pixel units.

2)CADシステムがDICOMデータセットを用いてマトリクスごとに割り振られたCT値がある閾値を超えていれば骨、超えていなければ空間のように判別して骨盤の3Dモデルを構築し、図8に示されたようにCADシステムの画面上で骨盤の3Dモデルを表示する。さらに、骨盤平面として例えばAPP(Anterior Pelvic Plane)やFPP(Functional Pelvic Plane)、APPやFPPを特定するための後述する三角錐等の立体モデル、人工関節(カップ、ステム等)の設置位置及び設置角度を特定するための円柱等の立体モデル、APPやFPPの向きを確認するための立方体等の立体モデルを生成する。 2) The CAD system uses the DICOM data set to construct a 3D model of the pelvis by discriminating it as a bone if the CT value assigned to each matrix exceeds a certain threshold, and as a space if it does not exceed a certain threshold. Display a 3D model of the pelvis on the screen of the CAD system as shown in. Further, as the pelvic plane, for example, APP (Anterior Pelvic Plane) or FPP (Functional Pelvic Plane), a three-dimensional model such as a triangular pyramid described later for identifying APP or FPP, and an installation position and installation of an artificial joint (cup, stem, etc.) A three-dimensional model such as a cylinder for specifying an angle and a three-dimensional model such as a cube for confirming the orientation of APP or FPP are generated.

3)CADシステムから、立体モデルを埋め込んだDICOMデータセットを出力する。このDICOMデータセットは、図9(a)に示されたように、CADシステムの画面上に表示された3Dモデルの骨盤11Bを複数スライスした画像データから成り、図9(a)、(b)に示されたように、右上前腸骨棘12、左上前腸骨棘13、右恥骨結節14、左恥骨結節15を指し示す三角錐、骨盤平面であるAPPと平行に位置する立方体16、人工関節(カップ、ステム等)の設置位置及び設置角度を特定するための円柱17Aが加えられている。この立体モデルが追加された骨盤の3Dモデルデータを、3Dプリンタ用ファイル(STLファイル)としても別途出力する。 3) Output the DICOM data set with the embedded model from the CAD system. As shown in FIG. 9A, this DICOM data set consists of image data obtained by slicing a plurality of 3D model pelvis 11B displayed on the screen of the CAD system, and FIGS. 9A and 9B. As shown in, right upper anterior iliac spine 12, upper left anterior iliac spine 13, right pubic tubercle 14, triangular pyramid pointing to left pubic tubercle 15, cube 16 parallel to APP, which is the pelvic plane, artificial joint. A column 17A is added to specify the installation position and installation angle of (cup, stem, etc.). The 3D model data of the pelvis to which this 3D model is added is also output separately as a 3D printer file (STL file).

4)STLファイルを3Dプリンタに入力し、石膏等の材料から成る骨盤模型を作成する。図10に示されたように、作成された骨盤模型11Cには、人工関節の設置位置及び設置角度が分かるように、図9(a)に示された円柱17Aに対応する円柱17Bが設けられている。円柱17Bは骨盤模型11Cに金属製の丸棒を挿入して設けるか、3Dプリンタで石膏模型として設ける。いずれの場合も円柱17Bは3Dモデルデータの円柱17Aと同じ位置・角度となる。 4) Input the STL file to a 3D printer to create a pelvis model made of materials such as plaster. As shown in FIG. 10, the created pelvis model 11C is provided with a cylinder 17B corresponding to the cylinder 17A shown in FIG. 9A so that the installation position and installation angle of the artificial joint can be known. ing. The cylinder 17B is provided by inserting a metal round bar into the pelvis model 11C, or is provided as a plaster model with a 3D printer. In either case, the cylinder 17B has the same position and angle as the cylinder 17A of the 3D model data.

5)立体モデルが埋め込まれたDICOMデータセットを、手術支援装置の術前計画ソフトウェアで読み込んで、図11に示されたようにモニタ画面上で骨盤を3D表示させる。この3D画面上には、骨盤に埋め込まれた立体モデルとして、例えば右上前腸骨棘12、左上前腸骨棘13、右恥骨結節14、左恥骨結節15を示す三角錐が表示される。しかし、手術支援装置において、この三角錐が如何なる意味を有するのか、この時点では未だ認識されていない。そこで、それぞれの三角錐の頂点が、例えばAPPの基準平面を特定する右上前腸骨棘12、左上前腸骨棘13、右恥骨結節14、左恥骨結節15の場所であることを対応付けて登録する。これにより、CAD上で設定した例えばAPPの基準平面と同一の基準平面を、手術支援装置上で設定することができる。この設定した基準平面に基づいて、人工関節の設置位置及び設置角度を設定する。 5) The DICOM data set in which the three-dimensional model is embedded is read by the preoperative planning software of the surgical support device, and the pelvis is displayed in 3D on the monitor screen as shown in FIG. On this 3D screen, as a three-dimensional model embedded in the pelvis, for example, a triangular pyramid showing an upper right anterior iliac spine 12, an upper left anterior iliac spine 13, a right pubic tubercle 14, and a left pubic tubercle 15 are displayed. However, the meaning of this triangular pyramid in the surgical support device has not yet been recognized at this point. Therefore, the apex of each triangular pyramid is associated with the location of, for example, the upper right anterior iliac spine 12, the upper left anterior iliac spine 13, the right pubic tubercle 14, and the left pubic tubercle 15 that specify the reference plane of APP. sign up. Thereby, for example, the same reference plane as the reference plane of APP set on CAD can be set on the surgery support device. Based on this set reference plane, the installation position and installation angle of the artificial joint are set.

6)図12に示されたように、手術支援装置20、骨盤模型11Cを用いて、術中操作を行う。手術支援装置20のモニタ画面21に、人工関節の設置時に相当する画面を表示させる。骨盤模型11Cの右上前腸骨棘12、左上前腸骨棘13、右恥骨結節14、左恥骨結節15を、図示されていないポインタ31で指し示して、手術支援装置20の2個のカメラ22に向かってそれぞれの位置を認識させ、位置合わせを行う。骨盤模型11Cに設けられた人工関節の方向を示す円柱17Bに対し、臼蓋リーマ用リファレンス1が取り付けられた臼蓋リーマ32が平行になるように設置する。これにより、手術支援装置20のモニタ画面21に、骨盤模型11Cに対する臼蓋リーマ32の位置、角度を認識させて表示させる。結果として、骨盤模型11Cに予め設置されていた円柱17Bの角度、位置と、モニタ画面21に表示された臼蓋リーマ32の角度、位置との間にずれがある場合、このずれを手術支援装置20の精度検証結果の誤差として評価することができる。例えば、図12に示されたように、骨盤模型11Cを正面から見た状態で、骨盤模型11Cに対する円柱17Bの角度が40度であり、臼蓋リーマ32の角度が41度と表示された場合、誤差は1度となる。さらに、骨盤模型11Cを右側面から見た状態で、骨盤模型11Cに対する円柱17Bの角度が15度であり、臼蓋リーマ32の角度が17度と表示された場合、誤差は2度となる。 6) As shown in FIG. 12, the surgical support device 20 and the pelvic model 11C are used to perform the intraoperative operation. On the monitor screen 21 of the surgery support device 20, a screen corresponding to the installation of the artificial joint is displayed. Point the upper right anterior iliac spine 12, the upper left anterior iliac spine 13, the right pubic tubercle 14, and the left pubic tubercle 15 of the pelvic model 11C with a pointer 31 (not shown) to the two cameras 22 of the surgical support device 20. Recognize each position and perform alignment. The acetabular reamer 32 to which the acetabular reamer reference 1 is attached is installed so as to be parallel to the cylinder 17B provided on the pelvis model 11C indicating the direction of the artificial joint. As a result, the position and angle of the acetabular reamer 32 with respect to the pelvis model 11C are recognized and displayed on the monitor screen 21 of the surgery support device 20. As a result, if there is a deviation between the angle and position of the cylinder 17B previously installed in the pelvis model 11C and the angle and position of the acetabular reamer 32 displayed on the monitor screen 21, this deviation is used as the surgical support device. It can be evaluated as an error of the accuracy verification result of 20. For example, as shown in FIG. 12, when the pelvis model 11C is viewed from the front, the angle of the cylinder 17B with respect to the pelvis model 11C is 40 degrees, and the angle of the acetabular reamer 32 is displayed as 41 degrees. , The error is 1 degree. Further, when the angle of the cylinder 17B with respect to the pelvis model 11C is 15 degrees and the angle of the acetabular reamer 32 is displayed as 17 degrees when the pelvis model 11C is viewed from the right side, the error is 2 degrees.

なお、上記実施の形態では、骨盤に人工関節(カップ)を設置する場合を例にとり説明した。しかしながら、本実施の形態は骨盤には限定されず、他の関節にも同様に適用することができる。以下の実施の形態では、大腿骨に人工関節(ステム)を設置する場合を例にとり説明する。 In the above embodiment, a case where an artificial joint (cup) is installed on the pelvis has been described as an example. However, this embodiment is not limited to the pelvis and can be similarly applied to other joints. In the following embodiment, a case where an artificial joint (stem) is installed on the femur will be described as an example.

1)CADシステム上で、3Dモデルの作成用ソフトウェアを起動する。ある患者の大腿骨が写っているCT、MRI、CR等による撮影した複数のスキャン画像から成るDICOMデータセットを読み込む。 1) Start the 3D model creation software on the CAD system. A DICOM data set consisting of a plurality of scanned images taken by CT, MRI, CR, etc. showing the femur of a patient is read.

2)CADシステムのモニタ画面上で、図13に示されたように、3Dモデルの大腿骨41Aを生成して表示する。この大腿骨41Aの大転子後縁26を指し示す立体モデルとしての三角錐、左後顆27を指し示す立体モデルとしての三角錐、右後顆28を指し示す立体モデルとしての三角錐の頂点を通る後顆平面、後顆平面を基準として人工関節(ステム)の設置位置、設置角度を特定するための立体モデルとしての円柱を生成する。例えば、図13に示されたように、人工関節(ステム)の長軸を示す円柱42、人工関節(ステム)の回旋方向を示す円柱43、人工関節(ステム)のネック軸を示す円柱44を生成する。なお、ネック軸とは図16(b)で示されているステムの頸部軸のことで、ステムの長軸に対し一般的に130度程度のなす角となっている。頸部軸の延長線上に骨頭が設置される。 2) As shown in FIG. 13, a 3D model femur 41A is generated and displayed on the monitor screen of the CAD system. After passing through the apex of the triangular pyramid as a three-dimensional model pointing to the posterior edge 26 of the large trochanter of the thighbone 41A, the triangular pyramid as a three-dimensional model pointing to the left posterior condyle 27, and the triangular pyramid pointing to the right posterior condyle 28. A cylinder is generated as a three-dimensional model for specifying the installation position and installation angle of the artificial joint (stem) with reference to the condyle plane and the posterior condyle plane. For example, as shown in FIG. 13, a cylinder 42 indicating the long axis of the artificial joint (stem), a cylinder 43 indicating the rotation direction of the artificial joint (stem), and a cylinder 44 indicating the neck axis of the artificial joint (stem) are provided. Generate. The neck axis is the neck axis of the stem shown in FIG. 16 (b), and generally has an angle of about 130 degrees with respect to the long axis of the stem. The head is placed on the extension of the cervical axis.

3)CADシステムから、図14に示されたように、大転子後縁26、左後顆27、右後顆28を指し示す三角錐、円柱42〜44から成る立体モデルを埋め込んだ大腿骨41Aを含む医用画像のDICOMデータセット及び3Dプリンタ用ファイルに相当するSTLファイルとして出力する。 3) From the CAD system, as shown in FIG. 14, the femur 41A in which a three-dimensional model consisting of the posterior edge of the greater trochanter 26, the left posterior condyle 27, the triangular pyramid pointing to the right posterior condyle 28, and the columns 42 to 44 was embedded. It is output as a DICOM data set of medical images including the above and an STL file corresponding to a file for a 3D printer.

4)出力されたSTLファイルを3Dプリンタに入力し、石膏等の材料により大腿骨模型41Bを作成する。この大腿骨模型41Bには、図15に示されたように、人工関節の設置位置、設置角度が分かる立体物として、上述した円柱42〜44が設けられている。円柱42〜44は大腿骨模型41Bに金属製の丸棒を挿入して設けるか、3Dプリンタで石膏模型として設ける。いずれの場合も円柱42〜44は3Dモデルデータの円柱42〜44と同じ位置・角度となる。 4) Input the output STL file to a 3D printer, and create a femur model 41B from a material such as plaster. As shown in FIG. 15, the femur model 41B is provided with the above-mentioned cylinders 42 to 44 as a three-dimensional object whose installation position and installation angle of the artificial joint can be known. The cylinders 42 to 44 are provided by inserting a metal round bar into the femur model 41B, or are provided as a plaster model with a 3D printer. In either case, the cylinders 42 to 44 have the same positions and angles as the cylinders 42 to 44 in the 3D model data.

5)立体モデルを埋め込んだ医用画像のDICOMデータセットを、手術支援装置20の術前計画ソフトウェアで読み込む。これにより、図16(a)に示されたように、大腿骨模型41Bと円柱42〜44と同じ形状、位置関係を有する3Dモデルの大腿骨41Aが作成される。この3Dモデルの大腿骨41Aには、大転子後縁26、左後顆27、右後顆28を特定する三角錐が含まれている。手術支援装置20において、この三角錐の頂点がそれぞれ大転子後縁26、左後顆27、右後顆28として登録する。これにより、術前計画ソフトウェア上においても、大腿骨模型41Bと全くずれのない同一の後顆平面を設定することができる。また、図16(b)に示されたように、大腿骨41A側には、大腿骨41Aの髄空に適合する形状を有する3Dモデルの人工関節(ステム)45が挿入される。3Dモデルの大腿骨41Aには、大腿骨41A内に挿入する人工関節(ステム)の設置位置、設置角度を特定する円柱42〜44が含まれている。このため、術前計画ソフトウェア上においても、大腿骨模型41Bと全く同一の設置位置、設置角度を特定し、術前計画を実施することができる。 5) The DICOM data set of the medical image in which the three-dimensional model is embedded is read by the preoperative planning software of the surgery support device 20. As a result, as shown in FIG. 16A, a 3D model femur 41A having the same shape and positional relationship as the femur model 41B and the cylinders 42 to 44 is created. The femur 41A of this 3D model includes a triangular pyramid that identifies the posterior margin of the greater trochanter 26, the left posterior condyle 27, and the right posterior condyle 28. In the surgical support device 20, the vertices of the triangular pyramid are registered as the posterior edge of the greater trochanter 26, the left posterior condyle 27, and the right posterior condyle 28, respectively. As a result, it is possible to set the same posterior condyle plane that does not deviate from the femur model 41B even on the preoperative planning software. Further, as shown in FIG. 16B, a 3D model artificial joint (stem) 45 having a shape suitable for the medullary space of the femur 41A is inserted into the femur 41A side. The femur 41A of the 3D model includes cylinders 42 to 44 that specify the installation position and installation angle of the artificial joint (stem) to be inserted into the femur 41A. Therefore, even on the preoperative planning software, it is possible to specify the installation position and installation angle that are exactly the same as those of the femur model 41B, and to carry out the preoperative planning.

6)図17に示されたように、手術支援装置20、大腿骨模型41Bを用いて、術中操作を行う。手術支援装置20のモニタ画面21に、人工関節の設置時に相当する画面を表示させる。大腿骨模型41Bには、大腿骨用リファレンス7が取り付けられている。大腿骨模型41Bの大転子後縁26、左後顆27、右後顆28を、図示されていないポインタで指し示して、手術支援装置20の2個のカメラ22に向かってそれぞれの位置を認識させ、位置合わせを行う。大腿骨模型41Bに設けられた人工関節(ステム)45の設置方向を示す円柱42〜44のうち、挿入方向を示す円柱42に対して、打ち込み器具用リファレンス5が取り付けられた人工関節(ステム)45の打ち込み器具51が平行になるように、打ち込み器具51を設置する。これにより、手術支援装置20のモニタ画面21に、大腿骨模型41Bに対する打ち込み器具51の位置、角度を認識させて表示させる。大腿骨模型41Bには、上述したように人工関節(ステム)45の設置位置、設置角度を特定する円柱42が設けられている。このため、打ち込み器具用リファレンス5が取り付けられている打ち込み器具51を円柱42に平行に設置することで、誤差がない場合には、手術支援装置20のモニタ画面21上で表示される設置位置、設置角度は、術前計画と同じはずである。しかし、大腿骨模型41Bに予め設置されていた円柱42の角度と、モニタ画面21に表示された打ち込み器具51の角度との間にずれがある場合、このずれは手術支援装置20の精度検証の誤差として評価することができる。例えば、大腿骨模型41Bを正面から見た状態で、大腿骨模型41Bに対する円柱42の角度がx度であり、打ち込み器具51の角度がx+2度と表示された場合、誤差は2度となる。このようにして、手術支援装置20のモニタ画面21において、術前計画した人工関節(ステム)45の目標の角度に対して、現在の打ち込み器具51の角度との間の誤差角度が表示される。 6) As shown in FIG. 17, the surgical support device 20 and the femur model 41B are used to perform the intraoperative operation. On the monitor screen 21 of the surgery support device 20, a screen corresponding to the installation of the artificial joint is displayed. A femur reference 7 is attached to the femur model 41B. Point the posterior margin of the greater trochanter 26, the left posterior condyle 27, and the right posterior condyle 28 of the femur model 41B with pointers (not shown) to recognize their positions toward the two cameras 22 of the surgical support device 20. And perform alignment. Of the cylinders 42 to 44 indicating the installation direction of the artificial joint (stem) 45 provided on the femur model 41B, the artificial joint (stem) to which the reference 5 for a driving instrument is attached to the cylinder 42 indicating the insertion direction. The driving device 51 is installed so that the driving device 51 of 45 is parallel to each other. As a result, the position and angle of the driving device 51 with respect to the femur model 41B are recognized and displayed on the monitor screen 21 of the surgery support device 20. As described above, the femur model 41B is provided with a cylinder 42 that specifies the installation position and installation angle of the artificial joint (stem) 45. Therefore, by installing the driving instrument 51 to which the driving instrument reference 5 is attached in parallel with the cylinder 42, if there is no error, the installation position displayed on the monitor screen 21 of the surgical support device 20. The installation angle should be the same as the preoperative plan. However, if there is a discrepancy between the angle of the cylinder 42 previously installed in the femur model 41B and the angle of the driving instrument 51 displayed on the monitor screen 21, this misalignment is the accuracy verification of the surgical support device 20. It can be evaluated as an error. For example, when the femur model 41B is viewed from the front, the angle of the cylinder 42 with respect to the femur model 41B is x degrees, and the angle of the driving device 51 is displayed as x + 2 degrees, the error is 2 degrees. In this way, on the monitor screen 21 of the surgical support device 20, the error angle between the target angle of the artificial joint (stem) 45 planned before the operation and the current angle of the driving instrument 51 is displayed. ..

上述したように、従来の手法により手術支援装置の精度評価をする場合は、手術支援装置のモニタ画面に表示された通りに、大腿骨に人工関節(ステム)を打ち込んだ後にCT、MRI、CR等により撮影を行い、画像解析ソフトウェアを用いて大腿骨に対する人工関節(ステム)の設置位置、設置角度を計測する必要があった。 As described above, when the accuracy of the surgical support device is evaluated by the conventional method, CT, MRI, and CR are performed after the artificial joint (stem) is driven into the femur as displayed on the monitor screen of the surgical support device. It was necessary to take pictures with the above and measure the installation position and installation angle of the artificial joint (stem) with respect to the femur using image analysis software.

これに対し、本実施の形態によれば、大腿骨模型及びDICOMデータセットを用いることにより、人工関節(ステム)を打ち込んだ後にCT、MRI、CR等による撮影、並びに画像解析ソフトウェアを用いた誤差の計測という作業を省略することができるため、簡易に手術支援装置の精度を検証することができる。 On the other hand, according to the present embodiment, by using the femur model and the DICOM data set, after the artificial joint (stem) is driven, the image is taken by CT, MRI, CR, etc., and the error using the image analysis software. Since the work of measuring the data can be omitted, the accuracy of the surgical support device can be easily verified.

上述のように、本実施の形態は骨盤、大腿骨に対する人工関節の設置に適用することができるが、他の関節に人工関節を設置する場合にも適用することができる。以下に、あらゆる関節に対する人工関節の設置を行う場合に本発明を適用した実施の形態における汎用的な手順を示す。 As described above, this embodiment can be applied to the installation of artificial joints on the pelvis and femur, but can also be applied to the installation of artificial joints on other joints. The following is a general procedure in the embodiment to which the present invention is applied when the artificial joint is installed on any joint.

1)医用画像を扱うCADシステム上で、3Dモデルを作成するソフトウェアを起動し、任意の患者のスキャン画像のDICOMデータセットを読み込む。 1) Start the software that creates a 3D model on a CAD system that handles medical images, and read the DICOM data set of scanned images of any patient.

2)CADシステム上で、DICOMデータセットを用いて骨の3Dモデルを作成しモニタ画面に表示する。さらに骨の3Dモデル上において、骨の基準平面を得るための複数の特徴的部分を特定する三角錐等の立体モデル、人工関節の設置位置及び設置角度を特定するための円柱等の立体モデル、又は骨を切削する位置・角度を示す立体モデルを配置して埋め込む。 2) On the CAD system, create a 3D model of the bone using the DICOM data set and display it on the monitor screen. Furthermore, on the 3D model of the bone, a three-dimensional model such as a triangular pyramid that specifies a plurality of characteristic parts for obtaining a reference plane of the bone, and a three-dimensional model such as a cylinder for specifying the installation position and the installation angle of the artificial joint. Alternatively, a three-dimensional model showing the position and angle at which the bone is cut is placed and embedded.

3)CADシステムから、立体モデルを埋め込んだDICOMデータセットを出力する。 3) Output the DICOM data set with the embedded model from the CAD system.

4)出力されたDICOMデータセットを用いて、3Dプリンタ等により骨模型を作成する。作成された骨模型には、CADで作成した立体モデルが追加されている。 4) Using the output DICOM data set, create a bone model with a 3D printer or the like. A three-dimensional model created by CAD is added to the created bone model.

5)精度検証対象の手術支援装置に、4)と同一のDICOMデータセットを読み込んでモニタ画面上に3Dで表示させ、術前計画を行う。術前計画では、3D表示された骨に追加された立体モデルを参照し、基準平面、人工関節の設置位置、設置角度、骨を切削する位置、角度について登録する。 5) The same DICOM data set as in 4) is read into the surgery support device to be verified for accuracy and displayed in 3D on the monitor screen to perform preoperative planning. In the preoperative plan, the reference plane, the installation position of the artificial joint, the installation angle, the position to cut the bone, and the angle are registered with reference to the three-dimensional model added to the bone displayed in 3D.

6)精度検証対象の手術支援装置を用いて、骨の模型を患者に見立てて術中操作を行う。術中操作では、器具又は人工関節の設置位置、設置角度、骨を切削する位置、角度が、手術支援装置のモニタ画面上に表示される。この位置、角度と、骨の模型で追加されている立体モデルの位置、角度との差異を調べることで、手術支援装置の精度を検証することができる。 6) Using the surgical support device whose accuracy is to be verified, perform intraoperative operations by using a bone model as a patient. In the intraoperative operation, the installation position, installation angle, bone cutting position, and angle of the instrument or artificial joint are displayed on the monitor screen of the surgical support device. By examining the difference between this position and angle and the position and angle of the three-dimensional model added in the bone model, the accuracy of the surgical support device can be verified.

以下に、手術支援装置に内在する誤差の要因について説明する。 The factors of the error inherent in the surgical support device will be described below.

先ず、誤差の定義であるが、手術支援装置のモニタ画面で表示されている人工関節(カップ)、(ステム)の設置角度、設置位置と、術後にCT、MRI、CR等の医用画像を取得し、画像解析を行って測定した人工関節(カップ)、(ステム)の実際に設置された角度、設置位置との間に存在するずれをいうものとする。 First, regarding the definition of error, the installation angle and installation position of the artificial joint (cup) and (stem) displayed on the monitor screen of the surgical support device, and the medical images such as CT, MRI, and CR after surgery are displayed. It is defined as the deviation existing between the artificial joint (cup), the actually installed angle of the (stem), and the installation position, which are acquired and measured by image analysis.

そして、誤差の種類として、手術支援装置のカメラの性能の限界がもたらす誤差、及び手術支援装置が位置合わせを行う際の計算アルゴリズムに内在する誤差等が考えられる。以下に、骨の位置合わせ方式が異なるCTベースド手術支援装置、CTベースドフルオロマッチング手術支援装置、イメージレス手術支援装置におけるそれぞれの誤差の要因について詳細に説明する。 Then, as the type of error, an error caused by the limit of the performance of the camera of the surgical support device, an error inherent in the calculation algorithm when the surgical support device performs alignment, and the like can be considered. The factors of each error in the CT-based surgery support device, the CT-based fluoromatching surgery support device, and the imageless surgery support device having different bone alignment methods will be described in detail below.

CTのDICOMデータセットを用いるCTベースド手術支援装置が抱える誤差要因として、以下のものがある。 The error factors of the CT-based surgery support device using the CT DICOM data set are as follows.

骨の3Dモデルと、実際の骨の位置とを対応付ける位置合わせを行う時、手術支援装置のモニタ画面で登録を指示する際に、操作者が実際の骨の表面を正確に登録することが難しく、誤差が発生する。即ち、モニタ画面に表示された点が指し示す位置を、正確にポインタで指し示すのは、操作上誤差が発生し易い。 It is difficult for the operator to accurately register the actual bone surface when instructing registration on the monitor screen of the surgical support device when aligning the 3D model of the bone with the actual bone position. , An error occurs. That is, it is easy for an operation error to occur when the pointer accurately points to the position indicated by the point displayed on the monitor screen.

また、骨の模型や、リーマ等の骨切削器具に取り付けるリファレンスを、手術支援装置のカメラが正面から認識できないような場合に、手術支援装置のモニタ画面に表示された位置が、骨の模型や骨切削器具の実際の位置からずれる可能性があり、誤差が発生する。 In addition, when the camera of the surgical support device cannot recognize the bone model or the reference attached to the bone cutting tool such as a reamer from the front, the position displayed on the monitor screen of the surgical support device is the bone model or It may deviate from the actual position of the bone cutting tool, causing an error.

リファレンスの位置を正確に認識するためには、手術支援装置のカメラとリファレンスとの間の最適な距離がおよそ2mの範囲以内とされている。従って、2mを超えて離れていると、リファレンスの位置を手術支援装置が正確に認識することができない。また、2mの範囲を超えた場合であっても、離れるに従って徐々に不正確になるのか、あるいは急激に不正確になるのか明確でないという問題も存在する。 In order to accurately recognize the position of the reference, the optimum distance between the camera of the surgical support device and the reference is within a range of about 2 m. Therefore, if the distance is more than 2 m, the surgical support device cannot accurately recognize the position of the reference. In addition, even if the range exceeds 2 m, there is a problem that it is not clear whether the inaccuracies gradually or suddenly become inaccurate as the distance increases.

CTベースドフルオロマッチング手術支援装置が抱える誤差要因として、以下のものがある。 The error factors of the CT-based fluoromatching surgery support device are as follows.

位置合わせのために、術前CTのDICOMデータセットから作成した骨の3Dモデルと、手術直前にCアームにて実際の骨を撮影した視差のある2枚のCR画像とを用いて計算する。しかしながら、Cアームにて取得したCR画像は、骨の3Dモデルの作成に用いた術前CTのDICOMデータセットと撮影条件が異なる。このため、位置合わせの計算を行う際にずれが生じ得る。但し、骨の模型の表面をポインタで指し示す位置合わせ方式より、誤差は少ないと考えられている。 For alignment, a 3D model of the bone created from the DICOM data set of preoperative CT and two parallax CR images of the actual bone taken with the C arm immediately before the operation are used for calculation. However, the CR image acquired by the C arm has different imaging conditions from the DICOM data set of the preoperative CT used for creating the 3D model of the bone. Therefore, a deviation may occur when calculating the alignment. However, it is considered that the error is smaller than the alignment method in which the surface of the bone model is pointed by a pointer.

イメージレス手術支援装置が抱える誤差要因として、以下のものがある。 The following are the error factors that the imageless surgery support device has.

イメージレス手術支援装置では、CTのDICOMデータセットを用いることなく仮想的な骨の3Dモデルを作成してモニタ画面上に表示し、実際の骨の位置とを対応付ける位置合わせを行う。このような位置合わせ時に、手術支援装置のモニタ画面で表示された登録を指示する位置に従って、操作者が実際の骨の表面を正確にポインタで指し示すことが難しく、誤差が発生する。 In the imageless surgery support device, a virtual bone 3D model is created and displayed on the monitor screen without using the CT DICOM data set, and the alignment is performed so as to correspond with the actual bone position. At the time of such alignment, it is difficult for the operator to accurately point the actual bone surface with the pointer according to the position indicating the registration displayed on the monitor screen of the surgical support device, and an error occurs.

骨の位置合わせ方式以外に、測定方法が抱える誤差要因として以下のものがある。 In addition to the bone alignment method, there are the following error factors that the measurement method has.

手術支援装置のモニタ画面に表示された指示に従い、人工関節(カップ)、(ステム)を骨に設置する。この後、術後としてCTスキャンによる撮影を行い、そのCTのDICOMデータセットを画像解析ソフトウェアにより画像解析し、人工関節(カップ)、(ステム)の設置位置、設置角度を求める。 According to the instructions displayed on the monitor screen of the surgical support device, the artificial joint (cup) and (stem) are placed on the bone. After that, imaging is performed by CT scan after surgery, and the DICOM data set of the CT is image-analyzed by image analysis software to obtain the installation position and installation angle of the artificial joint (cup) and (stem).

手術支援装置画面での人工関節(カップ)、(ステム)の設置位置、設置角度は、術前計画時に、骨の3Dモデルに対して設定した基準平面に基づいて算出されている。一方で、術後の画像解析では、術後にCT撮影された骨に対して設定した新たな基準平面に対して、人工関節(カップ)、(ステム)の設置位置、設置角度を測定することとなる。この両者の基準平面は完全に一致していないため、設置位置、設置角度に誤差が生じる。 The installation position and installation angle of the artificial joint (cup) and (stem) on the operation support device screen are calculated based on the reference plane set for the 3D model of the bone at the time of preoperative planning. On the other hand, in postoperative image analysis, the installation position and installation angle of the artificial joint (cup) and (stem) are measured with respect to the new reference plane set for the bone CT imaged after surgery. It becomes. Since the reference planes of both of them do not completely match, an error occurs in the installation position and the installation angle.

以上説明したような誤差を、上記実施の形態に従ってDICOMデータセットと骨模型の検証ツールが提供されることで、検証者は容易に検証することが可能である。 The error described above can be easily verified by the verifier by providing the DICOM data set and the bone model verification tool according to the above embodiment.

上述した実施の形態はいずれも一例として提示したものであり、発明の技術的範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施の形態は、発明の技術的範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 All of the above-described embodiments are presented as examples, and are not intended to limit the technical scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments are included in the technical scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.

例えば、本実施の形態では、精度検証ツールを手術支援装置の精度検証に用いている。しかしながら、手術支援装置に限らず手術用切削ロボットの精度検証にも用いることができる。 For example, in the present embodiment, the accuracy verification tool is used for the accuracy verification of the surgical support device. However, it can be used not only for the surgical support device but also for the accuracy verification of the surgical cutting robot.

1 臼蓋リーマ用リファレンス、
3 骨盤用リファレンス、
2、4、6、8、9 赤外線反射ボール、
5 打ち込み器具用リファレンス、
7 大腿骨用リファレンス
11A 患者の骨盤、
11B 3Dモデルの骨盤、
11C 骨盤模型、
12 右上前腸骨棘、
13 左上前腸骨棘、
14 右恥骨結節、
15 左恥骨結節、
17A、17B、42、43、44 円柱、
20 手術支援装置、
21 モニタ画面、
22 カメラ、
26 大転子後縁、
27 左後顆、
28 右後顆、
31 ポインタ、
32 臼蓋リーマ、
41A 大腿骨、
41B 大腿骨模型、
45 人工関節(ステム)、
51 打ち込み器具、
61 左座骨結節、
62 右座骨結節、
63 仙骨中央、
64 恥骨結合、
71 転子窩、
72 顆間部最遠位端、
73 大転子最後端、
74 左後顆、
75 右後顆、
1 Reference for acetabular reamer,
3 Pelvic reference,
2, 4, 6, 8, 9 infrared reflective balls,
5 Reference for driving equipment,
7 Femur Reference 11A Patient's Pelvis,
11B 3D model pelvis,
11C pelvic model,
12 Upper right anterior iliac spine,
13 Upper left anterior iliac spine,
14 Right pubic tubercle,
15 Left pubic tubercle,
17A, 17B, 42, 43, 44 cylinders,
20 Surgical support device,
21 Monitor screen,
22 camera,
26 Greater trochanter trailing edge,
27 Left posterior condyle,
28 Right posterior condyle,
31 pointer,
32 acetabular reamer,
41A femur,
41B femur model,
45 Artificial joint (stem),
51 Driving equipment,
61 Left ischial nodule,
62 Right ischial nodule,
63 Central sacrum,
64 Pubic symphysis,
71 Trochanteric fossa,
72 The most distal end of the intercondylar region,
73 Greater trochanter end,
74 Left posterior condyle,
75 Right posterior condyle,

Claims (2)

骨の断面の情報と、前記骨における基準平面の位置及び向きを特定する情報と、前記基準平面に対する人工関節の設置位置及び設置角度を示す情報とを含む医用画像データと、 前記基準平面に対する前記人工関節の前記設置位置及び前記設置角度を示す前記情報を含む骨の模型と、
を備え、
精度検証対象の手術支援装置にて、前記医用画像データを用いて術前計画を行い、前記術前計画時の前記人工関節の前記設置位置及び前記設置角度と、前記骨の模型を患者に見立てて行う術中の前記人工関節の前記設置位置及び前記設置角度との差異を調べることを特徴とする手術支援装置の精度検証ツール。
Medical image data including information on the cross section of the bone, information for specifying the position and orientation of the reference plane in the bone, information indicating the installation position and installation angle of the artificial joint with respect to the reference plane, and the said A bone model containing the information indicating the installation position and the installation angle of the artificial joint, and
With
A preoperative plan is performed using the medical image data on the surgical support device to be verified for accuracy, and the installation position and angle of the artificial joint at the time of the preoperative plan and the bone model are regarded as a patient. An accuracy verification tool for a surgical support device, which comprises examining a difference between the installation position and the installation angle of the artificial joint during an operation.
前記基準平面に対する前記人工関節の前記設置位置及び前記設置角度を示す前記情報は、前記医用画像データ及び前記骨の模型に設けられた円柱であり、前記円柱が設けられた位置が前記人工関節の前記設置位置であり、前記円柱の長手方向が示す方向が前記基準平面に対する前記人工関節の前記設置角度であることを特徴とする請求項1に記載の手術支援装置の精度検証ツール。 The information indicating the installation position and the installation angle of the artificial joint with respect to the reference plane is the medical image data and the cylinder provided in the bone model, and the position where the cylinder is provided is the position of the artificial joint. The accuracy verification tool for a surgical support device according to claim 1, wherein the installation position, the direction indicated by the longitudinal direction of the cylinder, is the installation angle of the artificial joint with respect to the reference plane.
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