CN102647962A - 人工髋关节置换手术的术前计划用程序及手术支援用夹具 - Google Patents

Abstract

一种人工髋关节置换手术的术前计划用程序，使计算机执行以下步骤：图像输入步骤（S101），在该图像输入步骤（S101）中，输入多个包括骨盆、大腿骨在内的下肢的二维断层图像；图像再构筑步骤（S102、S103），在该图像再构筑步骤（S102、S103）中，由多个二维断层图像再构筑出包括骨盆、大腿骨在内的三维图像；人工关节决定步骤（S104、S105），在该人工关节决定步骤（S104、S105）中，根据骨盆、大腿骨的三维图像决定设置于骨盆髋臼的人工关节的设置位置及方向；底座夹具设定步骤（S107～S109），在该底座夹具设定步骤（S107～S109）中，相对于骨盆的三维图像，设定具有与该骨盆的三点参照点分别抵接的三根支柱的底座夹具的三维图像；以及参数取得步骤（S110～S112），在该参数取得步骤（S110～S112）中，将在底座夹具的三维图像中穿过骨盆髋臼附近的支柱上端并与人工关节的设置方向平行的线的方向参数化来取得参数。

Description

人工髋关节置换手术的术前计划用程序及手术支援用夹具

技术领域

本发明涉及一种使用个人计算机等数据处理装置的人工髋关节置换手术的术前计划用程序及手术支援用夹具。

背景技术

构成人的下肢一部分的膝关节及髋关节是在日常生活中对于步行特别重要的关节。由于其较大的必要性，也是容易受到外伤，随着年龄增加使关节部的软骨变性破坏而导致关节病的最多的部位。

作为对该关节病的外科治疗，去除被破坏的软骨并将金属嵌入该处，通过该金属与聚乙烯等塑料的接触而再建关节功能的人工关节置换术（TotalArthro-Plasty：全关节置换术）是目前在世界中被采用为能实现最稳定的功能改善的方法。

此时，在人工膝关节中大腿骨组件与胫骨组件、人工髋关节中大腿骨茎和髋臼杯的各设置位置、即各个骨头的取出（骨切开术）的正确性对于随后的人工关节的耐久性会产生较大影响。

目前，在该人工关节的设置中，将印刷于透明片的人工关节的轮廓贴合在手术前从正面和侧面摄影获得的X线照片上，来决定上述组件、茎、杯的位置和大小。然而，在这种方法中，骨形状的把握受到X线照片的拍摄方向和拍摄时患者位置的影响，因而在准确性上有所欠缺。

为了解决该问题，考虑以下基于计算机软件的方法：在预先用校准框架进行完胶片与照射点之间的位置决定的特殊摄影台上，进行起立位的两个方向上的正面和60°斜角的X线拍摄，使由X线CT装置、MRI装置制成的骨形状的三维模型与该拍摄图像以各个骨阴影进行对位（图像匹配），进行作为设置位置的基准的起立位的骨形状的三维把握。

在这种基于计算机软件的方法中，通过读出多个人工关节的CAD（Computer Aided Design：计算机辅助设计）数据的三维形状模型，能决定适于骨形状和负载环境的人工关节的大小和位置（例如，日本专利特开2004－008707号公报（以下称为“专利文献1”））。

然而，上述专利文献1所记载的技术仅仅使手术者能容易知道人工膝关节置换术中的胫骨侧的骨切面，并不能直接适用于骨形状、功能轴不同的大腿骨侧或其它关节、例如同样在下肢重要的髋关节。

由此，关于人工髋关节置换手术，希望提供一种能在术前恰当地反映出患者的个人差以正确地决定骨盆髋臼的扩孔动作，并能在术中进行将术前决定的内容正确再现的手术操作的管理的人工髋关节置换手术的术前计划用程序及手术支援用夹具。

发明的公开

本发明一实施方式的人工髋关节置换手术的术前计划用程序的特征是，使计算机执行以下步骤：图像输入步骤，在该图像输入步骤中，输入多个包括骨盆及大腿骨在内的患者下肢的二维断层图像；图像再构筑步骤，在该图像再构筑步骤中，由在上述图像输入步骤中输入的多个二维断层图像，再构筑出包括骨盆及大腿骨在内的患者下肢的三维图像；人工关节决定步骤，在该人工关节决定步骤中，根据在上述图像再构筑步骤中获得的骨盆及大腿骨的三维图像，决定设置于骨盆髋臼的人工关节的设置位置及设置方向；底座夹具设定步骤，在该底座夹具设定步骤中，相对于在上述图像再构筑步骤中获得的骨盆的三维图像，设定具有与该骨盆的三点以上的参照点分别抵接的三根以上支柱的底座夹具的三维图像；以及参数取得步骤，在该参数取得步骤中，将指示仪的方向参数化来取得参数，该指示仪的方向在上述底座夹具设定步骤中设定的底座夹具的三维图像中穿过该底座夹具上的规定位置，并与在上述人工关节决定步骤中决定的人工关节的设置方向平行。

本发明另一实施方式的手术支援用夹具的特征是包括：底座夹具，该底座夹具具有相对于形成一个平面的框架体能调节彼此间隔的三根以上的支柱；以及方向指示夹具，该方向指示夹具安装于上述底座夹具上的规定位置，并具有指示以上述框架体的平面为基准的任意方向角度的指示仪。

附图说明

图1是表示安装有本发明一实施方式的人工髋关节置换手术的术前计划用程序的个人计算机的硬件结构的框图。

图2是表示该实施方式的术前计划用程序的主程序的处理内容的流程图。

图3是表示该实施方式的图2的大腿骨茎及髋臼杯的设置计划的子程序的处理内容的流程图。

图4是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图5是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图6是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图7是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图8是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图9是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图10A是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图10B是将图10A中的画面右侧部分放大表示的图。

图11是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图12是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图13A是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图13B是将图13A中的画面右侧部分放大表示的图。

图14是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图15是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图16是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图17是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图18是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图19是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图20是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图21是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图22是表示该实施方式的术前处理阶段的图。

图23是表示该实施方式的方向指示夹具的外观的图。

图24是表示该实施方式的底座夹具的外观结构的图。

图25是表示该实施方式的底座夹具的外观结构的图。

图26是表示该实施方式的深度计的结构的图。

图27是表示该实施方式的底座夹具的的外观结构的图。

图28是表示相对于该实施方式的APP平面的误差的图。

图29是表示该实施方式的杯法线矢量的定义的图。

图30是表示该实施方式的杯法线矢量的定义的图。

图31是表示压入该实施方式的髋臼杯的情形的图。

图32是表示设置该实施方式的追加器具的图。

图33是表示该实施方式的底座夹具的精度验证过程的图。

图34是表示该实施方式的底座夹具的精度验证过程的图。

图35是表示该实施方式的底座夹具的精度验证过程的图。

图36是表示该实施方式的底座夹具的精度验证过程的图。

图37是表示该实施方式的底座夹具的精度验证的变形例的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的一实施方式进行说明。

图1表示安装有人工髋关节置换手术的术前计划用程序的个人计算机（以下称为“PC”）10的硬件结构。执行各种处理控制的CPU11经由前端总线FSB而与北桥芯片12连接。

该北桥芯片12还经由存储器总线MB而与主存储器13连接，另外，还经由图形接口AGP而与图形控制器14及图形存储器15连接，除此之外，也与南桥芯片16连接，主要执行它们之间的输入输出控制。

南桥芯片16与PCI－Express总线17、键盘/鼠标18、视频编码器19、硬件装置（HDD）20、网络接口（I/F）21及多磁盘驱动器22连接，主要进行上述周边电路与北桥芯片12之间的输入输出控制。

除了OS（操作系统）和各种应用程序、各种数据文件等之外，在上述硬盘装置20内还预先安装有人工髋关节置换手术的术前计划用程序和附随于该术前计划用程序的人工关节、后述各种夹具等的形状数据等。

上述视频编码器19根据所输入的数据值的图像信号生成模拟值的图像信号即RGB视频信号并加以输出，以输送至此处未图示的显示屏部，从而显示出图像。

另外，上述多磁盘驱动器22能实现遵照例如CD（Compact Disc：光盘）标准、DVD（Digital Versatile Disc：数字通用光盘）标准的光盘介质的再生和记录，通过使记录有患者的X线照片、X线CT装置或MRI装置的断层照片等的光盘介质再生并将其读出，从而能将患者下肢的多个二维形状数据输入并存储在硬盘装置20中。

由于构成上述PC10的各要素是极为一般的众所周知的技术，因此，省略其说明。

接着，对上述实施方式的动作进行说明。

图2及图3表示了该PC10的用户即医生启动了储存于硬盘装置20的术前计划用程序而使CPU11执行的本实施方式的处理内容。

在该图2及图3中，对于取得为设置大腿骨侧人工关节（以下也称为“大腿骨茎”）所需的各种参数而需要的处理进行局部简化，并以取得为设置骨盆侧人工关节（以下也称为“髋臼杯”）所需的各种参数而需要的处理为中心来进行说明。

在执行该术前计划用程序时，读取由X线CT装置或MRI装置拍摄得到的二维断层图像数据段即患者下肢的二维图像数据，并将其存储于硬盘装置20。

另外，另行准备人工关节和手术中使用的各种夹具的三维形状数据，并将其一并存储于硬盘装置20。

然后，当启动图2及图3的术前计划用程序时，在与视频编码器19连接的显示屏部的画面上会显示出GUI（图形、用户、接口），并选择在该GUI上显示出的存储有期望的患者的下肢的二维图像数据的文件夹，上述下肢的二维图像数据是指至少包括左右髂前上棘在内的、且拍摄到大腿骨远位近位的数据。

将选择到的下肢的二维图像数据从硬盘装置20的文件夹中读出（步骤S101），以制作出骨盆及大腿骨的三维形状数据，并将该图像显示在显示屏画面上（步骤S102）。

图4示出了此时在显示屏画面上显示出的骨盆PV和左右的大腿骨FM（L）、FM（R）的三维形状图像的例子。

三维形状数据既可以是多边形、曲面形状数据，也可以是显示出使用了体绘制制成的三维体积，以代替制出的形状数据的数据。

接着，构筑图5所示的皮肤的三维形状数据（步骤S103）。图5示出了相对于骨盆PV及左右的大腿骨FM（L）、FM（R）显示出半透明状的皮肤SK的例子。该皮肤的三维形状数据的构筑并不是必须的，也能使用体绘制显示出三维体积来进行替代。皮肤的显示是为了在三维上把握处于卧位的体内的骨盆与大腿骨之间的位置关系而加以利用的。

或者，若通过直接观察CT截面图像就能测量出从皮肤表面到骨的界标（参照点）即左右的髂前上棘及趾骨联合为止的距离，或能在统计学上把握从皮肤表面到骨盆的界标即左右的髂前上棘及趾骨联合为止的距离，则皮肤的三维形状模型也不是必须的。

接着，并用键盘/鼠标18的操作来将骨盆及大腿骨的参照点（界标）数字化，从而构筑出坐标系（步骤S104）。

图6以黑色的矩形表示出相对于骨盆及大腿骨的参照点。在骨盆PV侧，以左右的髂前上棘LM11、L12和趾骨联合LM13作为参照点，并以它们为基准来构筑坐标系。

在大腿骨FM侧，以髋关节侧的骨球的中心LM21及圆周LM22和膝关节侧的内外侧上髁突起LM23、LM24为参照点，并以它们为基准来构筑坐标系。

在图6中，仅示出了以左侧的大腿骨FM为参照点，但对于右侧的大腿骨FM，同样地也能将参照点数字化。

参照点也可用于构筑坐标系以外的用途。具体而言，将大转子点（日文：大転子点）及大腿骨内外侧后方接触点数字化。

坐标系是为了方便而设定的，也可利用使用其它参照点的坐标系。

图7表示骨盆PV的坐标系。以由将左右髂前上棘LM11、LM12和趾骨联合LM13这三点连接在一起的三角形构成的平面（以下称为“APP平面”）为基础来构成坐标系，具体而言，以趾骨联合LM13为原点，并以与将左右髂前上棘LM11、LM12连接的线平行的线为X轴。为了方便，将体侧的右侧设为＋（正）。此外，将沿着APP平面与上述X轴正交的轴设为Z轴，并将与APP平面正交的轴设为Y轴。省略对大腿骨侧的坐标系的构筑的说明。

在如上所述构筑完坐标系之后，使用CT图像或以该CT图像为基础的MPR（Multiple Planner Reconstruction：多层面重建）图像，以制定大腿骨茎及髋臼杯的设置计划（步骤S105）。

图3是表示上述步骤S105的设置计划的详细处理内容的子程序。在其最初执行时，将画面切换为茎坐标系的显示（步骤S301）。从HDD20中读出大腿骨茎的CAD数据（步骤S302），并使设置对象的大腿骨FM的三维模型与茎的模型一起显示。

图8示出了使大腿骨FM和大腿骨茎ST显示在显示屏画面中的状态。如图8所示，将大腿骨茎ST自动地设置在设定好的初始位置上（步骤S303）。该情况下的初始位置是以例如学会推荐的、或大腿骨茎ST的制造公司所推荐的设置位置为基础，并根据设置对象的大腿骨FM侧的参照点和形状数据及设定于大腿骨茎ST的参照点确定出的。

例如，将以下位置设为初始位置：使大腿骨茎ST的轴与大腿骨FM的近位骨轴一致，使大腿骨茎ST的骨头中心与大腿骨FM的大转子点的高度一致，并从将大腿骨FM的内外侧后髁最后方点连接的线前倾40°的位置。

另外，在大腿骨茎ST的设置位置模拟中，进行在与手术中相同的位置将大腿骨FM的三维形状模型中的骨球部分剖切的模拟（步骤S304）。

该剖切模拟是将图8所示的两个平面组合在一起来进行的。第一个平面PL11的初始位置被显示在与大腿骨茎ST的YZ平面平行且穿过茎轴的位置。第二个平面是与大腿骨茎ST的颈轴大致正交的平面，但根据大腿骨茎ST的种类预先定义最佳朝向。

能根据键盘/鼠标18的操作使上述两平面PL11、PL12任意地平行移动及旋转。

剖切动作是通过使用上述两平面切除骨球侧来进行的。

可算出自动设置于设定好的初始位置的大腿骨茎ST相对于大腿骨FM的前倾角、内外反角、弯曲伸展角、设置深度等参数，并将其显示于画面（步骤S305）。

对于这样显示出的设置状态，用户即医生通过操作键盘/鼠标18，来使内外侧、前后方、上下方、弯曲伸展、内外反及前后倾自由地移动、改变，从而能将以大腿骨茎ST的坐标系为基准的位置和方向设置在最佳的位置上。

即，在利用键盘/鼠标18进行某些操作的情况下，对该操作是否是用于将在该时间点设置的位置确定为最终的设置位置的操作进行判断（步骤S306）。

在判断出并不是指示最终决定的情况下，若为了进一步改变设置位置而改变基于操作的任意参数时（步骤S307），则根据该改变返回至从上述步骤S304开始的处理，以执行进行骨切的两平面的调节和之后的各参数的再调节。

这样，反复执行步骤S304～S307的处理。然后，在判断出能使大腿骨茎ST移动至被认为最佳的设置位置的时间点，当用户通过操作键盘/鼠标18来指示决定设置位置时，在上述步骤S306来对该决定进行判断，将该时间点的各参数值保存为大腿骨的剖切面形状的三维位置信息，并根据需要保存图像数据（步骤S308）。

图9示出了将大腿骨FM的骨头剖切开以设置大腿骨茎ST的图像的例子。通过进行上述保存，能在手术中参考大腿骨头的剖切位置和截面形状。另外，通过观察大腿骨茎ST相对于截面形状的前倾角，能实现正确的大腿骨茎ST的前倾角。

至此，结束大腿骨FM侧的处理，接着，转移至骨盆PV侧的处理。

首先，将画面切换至骨盆坐标系的显示（步骤S309）。将髋臼杯的CAD数据和骨盆的三维模型从HDD20中读出（步骤S310）并显示于显示屏。

图10A示出了使骨盆PV和髋臼杯CP显示在显示屏画面中的状态的例子。图10B将图10A中的画面右侧部分放大表示。如上述图所示，将髋臼杯CP自动设置在确定好的初始位置（步骤S311）。该情况下的初始位置是以例如学会推荐的、或髋臼杯CP的制造公司所推荐的设置位置为基础，根据设置对象的大腿骨FM侧的参照点和形状数据及设定于大腿骨茎ST的参照点确定出的。

例如，能将骨盆PV的髋臼的最内点作为参照点并进行数字化，并在骨盆坐标系中将前倾角20°、外开角40°设为初始位置。

可算出自动设置于确定好的初始位置的髋臼杯CP相对于骨盆PV的内外侧、前后方、上下方和与方向相关的前倾角、外开角等参数，并将其显示于画面（步骤S312）。

对于这样显示出的设置状态，用户即医生通过操作键盘/鼠标18，来使上述内外侧、前后方、上下方和前倾角及外开角自由地移动、改变，从而能使用骨盆坐标系将髋臼杯CP的位置和方向设置在最佳的位置上。

即，在利用键盘/鼠标18进行某些操作的情况下，对该操作是否是用于将在该时间点设置的位置确定为最终的设置位置的操作进行判断（步骤S313）。

在判断出并不是指示最终决定的情况下，若为了进一步改变设置位置而改变基于操作的任意参数（步骤S314），则根据该改变返回至从上述步骤S312开始的处理，以执行进行扩孔的位置及方向的调节和之后的各参数的再调节。

当进行该调节动作时，不仅上述骨盆坐标系，用户即医生还能自由地切换大腿骨坐标系、茎坐标系、杯坐标系、CT坐标系，以作为使用的坐标系。

此外，也能一边确认整腹肢位，一边进行人工关节的设置。图11表示非整腹肢位模式，图12表示人工关节在整腹肢位模式下的设置状态的例子。通过选择整腹肢位模式，能使大腿骨FM和大腿骨茎ST一起移动，以使髋臼杯CP和大腿骨茎ST的中心位置一致，腿长下拉量、到髂前上棘和大转子为止的三维距离等会据此变化并显示出。

这样，反复执行步骤S312～S314的处理。然后，在判断出能使髋臼杯CP移动至被认为最佳的设置位置的时间点，当用户通过操作键盘/鼠标18来指示决定设置位置时，在上述步骤S313中对该决定进行判断，将该时间点的各参数值保存为骨盆扩孔的三维位置、方向的信息，并根据需要保存图像数据（步骤S315）。

图13A示出了在茎（左）坐标系下使大腿骨茎ST和髋臼杯CP的设置状态显示在画面中的例子。图13B将图13A中的画面右侧部分放大表示。

至此，结束人工关节的设置计划的处理，并结束图3的子程序而返回至图2的主程序。

在图2中，以处于仰卧位的方式显示出骨盆PV和大腿骨FM的三维图像，并半透明地显示出皮肤的形状数据（步骤S106）。

图14示出了相对于骨盆PV和左右的大腿骨FM、髋臼杯CP和大腿骨茎ST半透明显示出皮肤SK的例子。

接着，将底座夹具的CAD数据从HDD20中读出，并显示出利用读出后的底座夹具的数据，以与由仰卧位的左右髂前上棘和趾骨联合构成的平面（APP平面）相对的位置为基准将底座夹具设置于体表面的图像（步骤S107）。

图15及图16示出了在该位置设置有底座夹具BS的图像的例子。底座夹具BS呈基本倒三角形形状，在三个点位置下部分别形成有与上述面大致垂直的支柱。能与左右髂前上棘的间隔相符地对相当于倒三角形的上边的两点间的距离进行调节。

另外，将与左右髂前上棘抵接的支柱部的前端设为锐利的销，以从左右髂前上棘的皮肤部分刺入该髂前上棘来加以固定，或将锐利的销部分可装拆地设于支柱前端，从而能在将该销部分刺入左右髂前上棘来加以固定状态下，仅卸下底座夹具BS。

此外，使作为底座夹具BS的另一个顶点的位于远位侧的第三点的支柱部的前端与趾骨联合上的体表面抵接。从与该趾骨联合侧抵接的第三点到将与上述左右髂前上棘抵接的一侧的两点连接的直线之间的距离也是可调节的。

即，作为具体的底座夹具BS的结构，例如通过将两个导轨状构件以一方与另一方的中央正交的方式组装成T字型，并使分别设有支柱部的滑块构件沿着上述导轨状构件移动及固定，从而能调节三点位置的间隔。

图17示出了从上述图16中去除皮肤SK的、设置于骨盆PV上的底座夹具BS的状态。

上述两点的支柱部以前端的销部固定于患者的左右髂前上棘，与此相对，趾骨联合侧的支柱部的前端并不固定，而是例如图15～图17所示安装合适大小的板，并设置成与趾骨联合上的皮肤大范围接触。

另外，也可将趾骨联合侧的支柱部的前端设为能更换各种附件的结构，并根据患者的体型选择安装合适的附件。

此外，为了实现底座夹具BS的稳定，也可使用粘贴胶带等，将抵接在趾骨联合上的上述附件粘接到覆盖趾骨联合部上的皮肤的布上。

如上述图15～图17所示，在使底座夹具BS的各支柱部前端与左右髂前上棘及趾骨联合上抵接的状态下，算出底座夹具BS的左右髂前上棘侧的支柱部到左右髂前上棘为止的深度方向上的距离并将其显示在显示屏中（步骤S110）。

另外，算出包括底座夹具BS的各支柱的腿长在内，从其安装位置到皮肤的穿透点为止的距离，并将其显示出（步骤S111）。

藉此，通过对底座夹具BS的支柱部预先进行刻印或印刷以读取刻度，从而能形成在手术中固定销的准确度的基准。

同样地，在将底座夹具BS的远位侧的支柱部前端与趾骨联合连接的线上，算出从支柱部前端到皮肤的表面为止的距离，并将其显示在显示屏中（步骤S112）。

此外，在将上述远位侧的支柱部前端与趾骨联合连接的线上，算出从趾骨联合到与安装于支柱部前端的附件接触的皮肤的表面为止的距离，并将其显示在显示屏中（步骤S113）。

图18（A）、图18（B）示出了算出从左右髂前上棘到体表为止的距离并将其显示在显示屏画面中的例子。

另外，图19（A）示出了算出从趾骨联合到皮肤表面为止的距离并将其显示在显示屏画面中的例子，图19（B）示出了算出从髂前上棘到皮肤表面为止的距离并将其显示在显示屏画面中的例子。

通过以上处理来相对于上述APP平面确定底座夹具BS的平面，并确定该平面的法线矢量与髋臼法线矢量之间的关系。

因此，为了确定髋臼扩孔方向，由底座夹具BS平面的髂前上棘侧端点作出与髋臼法线矢量平行的矢量，显示为后述方向指示夹具的指示方向（步骤S114）。

图20示出了将髋臼扩孔夹具RM安装于骨盆PV的髋臼并将原理性的方向指示夹具DI安装于底座夹具BS的状态的例子。当然，与将髋臼扩孔夹具RM沿髋臼法线矢量设置相一致地，将方向指示夹具DI正确地设置成与髋臼扩孔夹具RM彼此的轴向平行。

在后面对实际手术时使用的具体的方向指示夹具DI的结构的一例进行说明，但方向指示夹具DI既可以具有物理性的指示棒，也可以使用利用激光指示器在视觉上表示方向的光学构件。

接着，算出用于在手术中正确地再现髋臼杯CP的设置方向即髋臼方向矢量的方向的、使用方向指示夹具DI的参数值（步骤S115）。

图21（A）、图21（B）、图22（A）及图22（B）是对具体地算出上述参数值的过程进行说明的图。在上述图中，从底座夹具BS的对应于髂前上棘A的端点作出与髋臼法线矢量平行的矢量v。在髋臼法线矢量上定义距杯顶点B一定距离、例如30{cm}的点C，并算出从点C朝矢量v下垂的垂线与矢量v的交点D。另外，以冠状面角度α及矢状面角度β定义髋臼法线矢量与底座夹具BS的平面所成的角度，并算出距离AD、距离CD、角度α及角度β以作为参数。

藉此，能以底座夹具BS为基准唯一地求出髋臼杯CP的设置方向即髋臼法线矢量的方向，并能获得方向指示夹具DI对应于髋臼法线矢量的设置参数。

将这样获得的各参数值保存于HDD20，并至此结束该图2的术前处理。

在手术中，通过准备用于实现该髋臼法线矢量的方向的方向指示夹具DI，并将在术前的模拟中测量获得的两个角度参数、即底座夹具B与Z轴所成的角度α及方向指示夹具DI的矢量v与将该矢量v投影到底座夹具BS的平面的线之间所成的角度β设定于方向指示夹具DI，从而能将方向指示夹具DI的方向正确地设定成与髋臼法线矢量平行。

图23示出了方向指示夹具DI的一结构例。在图23中，在方向指示夹具DI上，沿着扇形的α角设定器41的径向方向立设有扇形的β角设定器42。相对于该扇形的β角设定器42，其径向能任意改变的方向指示杆43从周侧面呈放射状地伸出，通过将方向指示夹具DI的α角设定器41安装于底座夹具BS上，并再现β角设定器42与α角设定器41的角度α和方向指示杆43与β角设定器42的角度β，能再现与髋臼法线矢量平行的矢量v的方向。

在图24中，示出了具体的底座夹具BS的一结构例。在图24中，在两根金属杆构成的导轨构件61的两端侧配置有能自由移动及固定的滑块构件62、63，在这些滑块构件62、63的下部安装有用于与左右髂前上棘抵接的支柱部64、65。滑块构件62侧的支柱部64与患者左侧的髂前上棘抵接，另一方面，滑块构件63侧的支柱部65与患者右侧的髂前上棘抵接。

另外，从导轨构件61的大致中央，分别将两根金属杆构成的导轨构件66、67安装成与导轨构件61正交。在上述导轨构件66、67上安装有能自由移动及固定的滑块68、69。此外，为了将上述滑块68、69连接而安装有两根金属杆构成的导轨构件70。然后，在该导轨构件70被滑块68、69夹住的部分之间安装有能自由移动及固定的滑块71。在该滑块71的下部安装有用于与趾骨联合上的皮肤抵接的支柱部72。

在分别由两根金属杆构成各导轨构件61、66、67、70这点以及将形成有支柱部72的滑块71通过两组导轨构件66、67和导轨构件70设于导轨构件61这点，均是为了确保作为底座夹具BS的平面性和抗扭转的刚度而作的。

通过使滑块构件62、63沿着导轨构件61移动，能对应于患者的左右髂前上棘的间隙对支柱部64、65进行设置。

另外，通过使滑块68、69沿着导轨构件66、67相对于导轨构件61移动，能对应于从将患者的左右髂前上棘连接的线到趾骨联合上部为止的距离地设置滑块71下部的支柱部72。

此外，由于滑块71能沿着导轨构件70移动，因此，即便在患者的趾骨联合未位于从支柱部64、65的中点位置下垂的垂线上而使趾骨联合的位置在左右任一方向上偏移的情况下，也能使支柱部72的前端（通过附件）准确地与趾骨联合上的皮肤表面抵接。

接着，对实际手术时的操作进行说明以作参考。

（1）以患者的左右髂前上棘和趾骨联合为基准，对事先调节完间隔的底座夹具BS进行设置。

（2）在左右髂前上棘上打销，以固定底座夹具BS。

（3）利用粘贴胶带将远位侧的支柱前端的附件固定于趾骨联合部上。

（4）将方向指示夹具DI安装于底座夹具BS，使用通过术前模拟获得的参数α和β，将方向指示杆43设置成与髋臼法线矢量平行。

（5）将用于对髋臼进行扩孔的髋臼扩孔钻的杆把持成与在上述（4）中设置的方向指示夹具DI的方向指示杆43平行，从而进行髋臼的扩孔。

（5－1）为了将髋臼扩孔钻的杆把持成与方向指示夹具DI的方向指示杆43与平行，还能另行在设备上准备扩孔钻的把持件，以能在设备上支援手术者即医生。

（5－2）另外，通过由激光指示器这样的光学器具构成方向指示夹具DI或并用激光指示器和方向指示夹具DI，还能与计算机联动地对髋臼扩孔钻的机械性的把持件进行数字控制。

（5－3）另外，还能在方向指示夹具DI上设置用于测量髋臼插入深度的距离计，从而以仅钻入与扩孔钻杆上的刻度对应深度的方式进行扩孔。在该情况下，也能与上述（5－2）所述的机械装置联动地进行数字控制。

如上所述，根据本实施方式，能在术前正确地反映出患者的个人差别，以正确地确定骨盆髋臼的扩孔动作，从而能在术中进行将术前确定的内容正确再现的开刀。

关于上述实施方式所示的底座夹具BS及方向指示夹具DI的结构，本发明并不限定于此。

在本说明书中，有时将底座夹具称为“仪器”。另外，有时还将方向指示夹具的方向指示杆称为“指示仪”。

＜关于底座夹具的例子＞

在上述图20～图24及对应的说明中，示出了底座夹具BS（及安装于底座夹具BS的带方向指示杆43的方向指示夹具DI）的例子，但具体而言，也可例如图25那样构成底座夹具BS。在该情况下，在术前计划程序中，也进行以使用该底座夹具BS为前提的术前计划。

图25（A）是表示底座夹具BS的例子的立体图。图25（B）是表示从另一方向观察到的底座夹具BS的例子的立体图。图25（C）是表示通过改变底座夹具BS的支柱（与趾骨联合上的体表面抵接的支柱）的长度，使用水平器进行调节以使方向指示夹具DI的框架体的表面（夹具平面）处于水平的情况的图。

能将方向指示夹具DI安装于框架体表面上的任意位置。即，方向指示夹具DI并不限于安装在与左髂前上棘或右髂前上棘上的体表面抵接的支柱的上端附近的情况，如图25所示，也可安装于将与左右髂前上棘上的体表面分别抵接的各支柱的上端彼此连接的线的中点附近。如上所述，方向指示杆43用于再现与髋臼法线矢量平行的方向。

＜关于测量软组织厚度的例子＞

在上述图2的步骤S110～S113、图15～图17及对应的说明中，示出了算出左右髂前上棘与皮肤表面间的距离及趾骨联合与皮肤表面间的距离（软组织厚度）的步骤，但为了提高精度，也可使用例如图26所示的深度计DG测量出这些距离，并考虑该实测获得的值以对底座夹具的三维图像进行设定。

如图26（A）所示，深度计DG包括表示克氏针从中空结构端部露出的长度的刻度。当使用时，如图26（B）所示，在用手将深度计DG的中空结构端部按压到皮肤的状态下，使克氏针从皮肤刺入并到达骨头。藉此，由刻度表示出从皮肤表面到骨头的距离。将此时按压的力设为不会对皮肤产生不可逆的损伤程度的力，例如，设为与实际按压底座夹具BS的支柱部时的力相等。

这样，由于使用以深度计DG测量出软组织厚度的实测值来对底座夹具的三维图像进行设定，因此能降低误差、并提高精度。另外，比起进行CT摄影以获得软组织厚度方法，能低成本高精度地获得软组织厚度。

＜对于因软组织厚度不同而引起的误差的对策＞

如图27所示，底座夹具BS具有通过旋转来改变轴向上的长度的支柱S（与趾骨联合上的体表面抵接的支柱），能通过改变该支柱S的长度来改变方向指示夹具DI的框架体的表面（夹具平面）的倾斜。此处，通过使方向指示夹具DI的三根支柱的长度相同，能使框架体的表面处于水平。

然而，方向指示夹具DI的夹具平面再现上述APP平面（图7的由将左右髂前上棘LM11、LM12和趾骨联合LM13这三点连接的三角形构成的平面），但由于和支柱抵接的左右髂前上棘上的软组织的厚度（ASIS软组织厚度]与趾骨联合上的软组织的厚度（趾骨部软组织厚度）不同，因此，若不采用任何对策，则会在底座夹具BS的三维图像中产生误差。例如图28所示，会在和左右髂前上棘及趾骨联合接触的APP平面与和各支柱的前端接触的平面之间产生角度λ。

作为该问题的解决方法，可列举出以下两个方法。

（i）在底座夹具BS的三维图像中，以使夹具平面与APP平面平行的方式，修正支柱S（与趾骨联合上的体表面抵接的支柱）的长度。即，以抵消角度λ的方式使夹具平面倾斜。

（ii）在底座夹具的三维图像中，在使各支柱的长度相同的状态下，根据角度λ修正方向指示杆43的方向。即，算出以夹具平面为基准的方向指示杆43的角度（杯法线矢量的角度）。以下，示出该情况下的具体的算出方法。

·OA、RA、RI、OI的定义

在手术领域中，如图29及图30所示，对杯法线矢量构成的角OA、RA、RI、OI进行定义。该情况下的坐标系相当于上述图7所示的骨盆PV的坐标系。在该情况下，以下的关系成立。

tan（OA）＝tan（RA）×cos（RI）…（1）

sin（OI）＝sin（RI）×cos（RA）…（2）

当使上述关系式变形时，RA、OI能分别表示如下。

RA＝tan^-1[tan（OA）/cos（RI）]…（3）

OI＝sin^-1[sin（RI）×cos（RA）]…（4）

·夹具平面（APP’）相对于APP朝矢状切面方向倾斜的情况下的修正

在夹具平面（APP’）相对于APP朝矢状切面方向倾斜角度λ的情况下，相对于计划值OA、RA、RI的从夹具平面（APP’）起始的角度OA’、RA’、RI’能分别表示如下。

OA’＝OA＋λ…（5）

此处，tanλ=[(趾骨部软组织厚度)－（ASIS软组织厚度）]/（骨盆高）

骨盆高是指图7所示的将左右髂前上棘LM11、LM12连接的线（两ASIS切线）到趾骨联合LM13为止的距离。

RI’＝tan^-1[tan（OI’）/cos（OA’）]

＝tan^-1{tan（OI）/cos[（OA’）＋λ]}

＝tan^-1{tan{sin^-1[sin(RI)×cos(RA)]/cos[OA＋λ]}}…（6）

RA’＝tan^-1[tan（OA’）×cos（RI’）]

＝tan^-1{tan[(OA)＋λ]×cos{tan^-1{tan{sin^-1[sin(RI)×cos(RA)]/cos[OA＋λ]}}}}…（7）

在（6）式的变形中，利用了OI＝OI’成立的关系并利用了（5）式，此外，还利用了上述（4）式。

另外，在（7）式的变形中，利用了（5）式及（6）式。

因此，通过利用上述（5）～（7）式，能算出以夹具平面为基准的计划值。

＜底座夹具的精度验证＞

图31是表示在进行完术前计划之后、使用杯保持件将髋臼杯CP与设于底座夹具（仪器）BS的方向指示杆（指示仪）43的朝向平行地压入骨盆的情形的图。

以下，示出了对此时使用的底座夹具BS的精度进行验证的方法。

通过分别算出将操作技能上的误差排除后的前方开角RA的误差及外方开角RI的误差，来对底座夹具BS的精度进行验证。

＜前方开角RA精度验证＞

在底座夹具BS的前方开角RA精度验证中，首先，在手术领域中，实测出方向指示杆（指示仪）43的从水平面起始的前方开角与设置于骨盆髋臼的髋臼杯CP的法线矢量（杯保持件表示的法线矢量）的从水平面起始的前方开角之间的差，然后，求出术前计划时的髋臼杯CP的法线的前方开角与从术后CT摄影获得的髋臼杯CP的法线的前方开角减去上述差后的值之间的差。

当以数学式表示上述差时，如下所述。

术中妥协误差RA＝（仪器的指示仪的从水平面起始的前方开角）－（杯保持件的从水平面起始的前方开角）…（8）

仪器的RA误差＝术前计划RA－[（术后CT RA）－（术中妥协误差RA）]…（9）

术后CT RA表示从术后的CT摄影取得的前方开角RA。

另外，术中妥协误差RA表示应从仪器的纯粹的误差排除的术中的操作技术上的前方开角RA误差。

＜外方开角RI精度验证＞

在底座夹具BS的外方开角RI精度验证中，首先，将与方向指示杆（指示仪）43平行的线和设置于骨盆髋臼的髋臼杯CP的法线投影到水平面上，在投影后的两根线上分别设置任意两点，根据由合计四点形成的两个三角形的边的长度及内角求出上述两根线所成的角度θ，接着，根据角度θ求出夹具平面中的上述两根线所成的角度θ’，最后，求出术前计划时的髋臼杯CP的法线的外方开角与从术后摄影获得的髋臼杯CP的法线的外方开角减去角度θ’后的值之间的差。

当表示具体方法时，如下所述。

首先，如图32所示，使用追加器具X1，将与杯法线矢量平行的直线再现在方向指示杆（指示仪）43附近。

接着，如图33所示，在方向指示杆（指示仪）43的直线上取两点，并在使用追加器具X1而表现出的与杯保持件平行的直线上取两点，共取得四点，此外，还取得四边形ABCD及对角线E。

然后，如图34所示，分别对边A、B、C、D、E的长度及与术中水平所成的角p、q、r、s、t进行测量。

当将边A、B、C、D、E投影到术中水平面上的边设为边A’、B’、C’、D’、E’时，各个边的长度如下所示。

A’＝A·cos（p）…（10）

B’＝B·cos（q）…（11）

C’＝C·cos（r）…（12）

D’＝D·cos（s）…（13）

E’＝E·cos（t）…（14）

如图35所示，当在四边形A’B’C’D’和对角线E’中取得α、β、γ，并将A’与C’所成的角设为θ时，以下关系成立。

θ＝（α＋β＋γ）－180°…（15）

另外，根据余弦定理，能如下表示出α、β、γ。

α＝cos^－1{[(A’)²＋（D’）²－（E’）²]/2A’D’}…（16）

β＝cos^－1{[(D’)²＋（E’）²－（A’）²]/2D’E’}…（17）

γ＝cos^－1{[(C’)²＋（E’）²－（B’）²]/2C’E’}…（18）

当利用上述关系式时，能如下表示出θ。

θ＝cos^－1{[(A’)²＋（D’）²－（E’）²]/2A’D’}

＋cos^－1{[(D’)²＋（E’）²－（A’）²]/2D’E’}

＋cos^-1{[(C’)²＋（E’）²－（B’）²]/2C’E’}

－180°…（19）

这样，能算出θ。

接着，如图36所示，将APP平面和水平面所成的角设为（APP），将APP平面的外方开角误差设为θ’，将投影到水平面上的术前计划外方开角设为（RI’）。在APP平面与水平面之间存在l＝l’·cos（APP）、m＝m’、n＝n’这样的关系。

此时，能通过以下式子算出θ’。

tan（RI’）＝[sin(RI)/cos(RI)·cos(APP)]

＝tan（RI）/cos（APP）…（20）

RI’＝tan^－1[tan（RI）/cos（APP）]…（21）

同样地，

tan（RI’＋θ）＝tan（RI＋θ’）/cos（APP）…（22）

tan（RI＋θ’）＝tan（RI’＋θ）·cos（APP）…（23）

RI＋θ’＝tan^-1[tan（RI’＋θ）·cos（APP）]…（24）

θ’＝tan^-1[tan（RI’＋θ）·cos（APP）]－RI  …（25）

＝{{tan^-1[tan（RI）/cos（APP）]＋θ}·cos(APP)}－RI…（26）

由此，能根据下式获得外方开角RI误差。

仪器的外方开角RI误差＝术前计划RI－[(术后CT RI)－θ’]…（27）

这样，由于能算出排除了操作技术上的误差后的纯粹的仪器的误差，因此，能可靠地验证仪器的精度。

在上述图32中，例示出使用追加器具X1将与杯法线矢量平行的直线再现在方向指示杆（指示仪）43附近的情况，但再现直线的方法并不限定于此。作为代替，如图37所示，也可将扩张杆EX以能转动的方式安装于杯保持件CH，并利用该杆EX将与杯法线矢量平行的直线再现在方向指示杆（指示仪）43附近。在该情况下，也能获得与图32的结构相同的效果。另外，当使用杯保持件CH将髋臼杯CP压入骨盆时，能一边有意识地使方向指示杆（指示仪）43和位于其附近的杆EX平行，一边进行压入，因此，能提高压入时的精度。

另外，本发明并不限定于上述实施方式，在实施阶段能在不脱离主要思想的范围内进行各种变形。此外，也可以尽可能地将上述实施方式中执行的功能恰当组合并加以实施。在上述实施方式中包括各种阶段，能根据所公开的多个构成要件的恰当组合抽出各种发明。例如，即便从实施方式所示的全部构成要件中削除几个构成要件，只要能获得效果，也能将削除该构成要件后的结构抽出以作为发明。

如上所述，根据本发明，能在术前恰当地反映出患者的个人差别，以正确地确定骨盆髋臼的扩孔动作，从而能在术中进行将术前确定的内容正确再现的开刀。

符号说明

10  个人计算机（PC）

11  CPU

12  北桥芯片

13  主存储器

14  图形控制器

15  图形存储器

16  南桥芯片

17  PCI－Express总线

18  键盘/鼠标

19  视频编码器

20  硬盘装置（HDD）

21  网络接口

22  多磁盘驱动器

41  α角设定器

42  β角设定器

43  方向指示杆

61  导轨构件

62、63  滑块构件

64、65  支柱部

66、67  导轨构件

68、69  滑块

70  导轨构件

71  滑块

72  支柱部

AGP  图形接口

BS  底座夹具

CH  杯保持件

CP  髋臼杯

DI  方向指示夹具

EX  扩张杆

FM  大腿骨

FSB  前端总线

MB  存储器总线

PV  骨盆

RM  髋臼扩孔夹具

SK  皮肤

ST  大腿骨茎

Claims (11)

1.一种人工髋关节置换手术的术前计划用程序，其特征在于，使计算机执行以下步骤：

图像输入步骤，在该图像输入步骤中，输入多个包括骨盆及大腿骨在内的患者下肢的二维断层图像；

图像再构筑步骤，在该图像再构筑步骤中，在所述图像输入步骤中输入的多个二维断层图像，再构筑出包括骨盆及大腿骨在内的患者下肢的三维图像；

人工关节决定步骤，在该人工关节决定步骤中，根据在所述图像再构筑步骤中获得的骨盆及大腿骨的三维图像，决定设置于骨盆髋臼的人工关节的设置位置及设置方向；

底座夹具设定步骤，在该底座夹具设定步骤中，相对于在所述图像再构筑步骤中获得的骨盆的三维图像，设定具有与该骨盆的三点以上的参照点分别抵接的三根以上支柱的底座夹具的三维图像；以及

参数取得步骤，在该参数取得步骤中，将指示仪的方向参数化来取得参数，该指示仪的方向在所述底座夹具设定步骤中设定的底座夹具的三维图像中穿过该底座夹具上的规定位置，并与在所述人工关节决定步骤中决定的人工关节的设置方向平行。

2.如权利要求1所述的人工髋关节置换手术的术前计划用程序，其特征在于，

所述底座夹具设定步骤对具有三根支柱的底座夹具的三维图像进行设定，这三根支柱以骨盆的左右髂前上棘及趾骨联合的三点为参照点，

所述参数取得步骤将指示仪的方向参数化来取得参数，该指示仪的方向在底座夹具的三维图像中穿过与左髂前上棘或右髂前上棘上的体表面抵接的支柱的上端附近或将与左右髂前上棘上的体表面分别抵接的各支柱的上端彼此连接的线的中心附近，并与在所述人工关节决定步骤中决定的人工关节的设置方向平行。

3.如权利要求1或2所述的人工髋关节置换手术的术前计划用程序，其特征在于，

在所述底座夹具设定步骤中，考虑了骨盆与皮肤表面间的距离，来相对于在所述图像再构筑步骤中获得的骨盆的三维图像设定底座夹具的三维图像。

4.如权利要求3所述的人工髋关节置换手术的术前计划用程序，其特征在于，

所述骨盆与皮肤表面间的距离是使用深度计测量获得的实测值。

5.如权利要求1至4中任一项所述的人工髋关节置换手术的术前计划用程序，其特征在于，

在所述底座夹具设定步骤中，在所述底座夹具的三维图像中以各支柱所支承的平面与包括所述骨盆的各参照点在内的平面平行的方式，根据各参照点处的骨盆与皮肤表面间的距离的不同，至少对一根支柱的长度进行修正。

6.如权利要求1至4中任一项所述的人工髋关节置换手术的术前计划用程序，其特征在于，

在所述底座夹具设定步骤中，在所述底座夹具的三维图像中，在使各支柱的长度相同的状态下，根据各参照点处的骨盆与皮肤表面间的距离的不同，对所述指示仪的方向进行修正。

7.一种手术支援用夹具，其特征在于，包括

底座夹具，该底座夹具具有相对于形成一个平面的框架体能调节彼此间隔的三根以上的支柱；以及

方向指示夹具，该方向指示夹具安装于所述框架体的表面上的规定位置，并具有指示以所述框架体的平面为基准的任意方向角度的指示仪。

8.如权利要求7所述的手术支援用夹具，其特征在于，

所述底座夹具包括与骨盆的左右髂前上棘及趾骨联合这三点抵接的三根支柱，

所述方向指示夹具安装于与左髂前上棘或右髂前上棘上的体表面抵接的支柱的上端附近，或将与左右髂前上棘上的体表面分别抵接的各支柱的上端彼此连接的线的中点附近。

9.如权利要求8所述的手术支援用夹具，其特征在于，

在所述底座夹具的与骨盆的左右髂前上棘抵接的两根支柱前端具有固定于髂前上棘的固定构件。

10.一种精度验证方法，是权利要求7至9中任一项所述的手术支援用夹具的精度验证方法，其特征在于，

求出所述指示仪的从水平面起始的前方开角与设置于骨盆髋臼的髋臼杯的法线的从水平面起始的前方开角之差，

求出术前计划时的髋臼杯的法线的前方开角与从术后拍摄获得的髋臼杯的法线的前方开角中减去所述差后的值之差。

11.一种精度验证方法，是权利要求7至9中任一项所述的手术支援用夹具的精度验证方法，其特征在于，

将与所述指示仪平行的线和设置于骨盆髋臼的髋臼杯的法线投影到水平面上，并在投影后的两根线上分别设置任意两点，

根据由合计四点形成的两个三角形的边的长度及内角，求出所述两根线所成的第一角度，

根据所述第一角度，求出所述框架体的平面上所述两根线所成的第二角度，

求出术前计划时的髋臼杯的法线的前方开角与从术后拍摄获得的髋臼杯的法线的前方开角中减去所述第二角度后的值之差。

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