JP2002513305A - 複数のデバイスを相対的に位置決めするための目標設定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、第２デバイスに対し第１要素を位置決めするための、特に整形外科用インプラントを設置するための直流磁界発生および受信装置である。本発明はプロテーゼ自身または周辺の骨に連結するためのネジまたはピンを正確に設置できるよう、埋め込まれたプロテーゼ（１２０）内の孔（１２１）を探すのに使用できる。本発明は電子制御ユニット（１０２）と、送信機（１０４）と、２つの受信機（１０７、１０９）と、制御コンピュータ（１０１）とを備え、本発明はパルス状直流送信信号を使用し、いくつかの公知の市販されている数種の骨髄内のくぎ（１２０）のいずれかのくぎの孔にも、ネジまたはピンを通し、正確に位置決めできる。

Description

【発明の詳細な説明】 複数のデバイスを相対的に位置決めするための目標設定装置 発明の分野 本発明は、直流磁界発生装置および受信装置を使用することにより、第１要素 を第２デバイス装置に対し位置決めすることに関し、より詳細には、整形外科用 インプラント（移植体）を設置することに関する。より詳細には本発明は、プロ テーゼを自らに連結させるか、またはプロテーゼを周辺の骨に連結させるための ネジまたはピンを正確に設置できるよう、埋め込まれたプロテーゼ（人工装具） 内の孔を探すために使用される現在の装置の改良に関する。本発明は特に、ネジ またはピンの正確な位置決めができるように、パルス状の直流（ＤＣ）送信信号 を使用する外科用ハードウェアのためのネジまたはピンをロックするための位置 決め装置または照準（目標設定）装置に関する。 発明の背景 特に大腿骨の修復に使用するための、周辺の骨に骨髄内くぎを連結させる種々 の骨髄内くぎおよび目標設定装置は従来技術では公知となっている。遠方の孔を 精密に探すことができる、ある目標設定方法はＸ線透過技術を使用するが、Ｘ線 を長時間照射しなければならず、ネジまたはピンの位置決め手段をチェックする ための位置の内外にＸ線機器を移動させる必要があるので、Ｘ線機器を移動する 度に整合状態が失われる恐れがある。当技術分野における該等特許として、米国 特許第5,537,453号（ウィリアム他）；同第5,478,343号（リッター）；同第5,42 6,687号（ゴダール他):同第5,178,621号（クック他）；同第5.031,203号（トレ チャ）；同第5,030,222号（カランドゥリッチオ他）：同第5,013,317号（コール 他）：および上記特許で引用された他の特許がある。これらＸ線透過写真技術の 結果として、かかるロッキングネジまたはピンの位置決めをすることは一般に最 も時間のかかることであり、ロッド埋め込み手術全体の困難な部分となっている 。 他の２つの特許、すなわち米国特許第4,625,718号（オレルド他）および同第 4,570,624号（ウー）は、より一般的な関連性があるものと考えられる。オレル ド他特許は連結くぎ上の孔または骨に整合した状態で、患者の骨内に孔またはボ アを開けるために、Ｘ線透過技術を使用した照準装置を開示しており、ウー特許 は、外科用ピンを並列に整合するための機械的技術を開示している。 当技術分野に関連性のある特許として、米国特許第4,621,628号（ブルーダー マン）；同第5,049,151号（ダーハム他）；および同第5,514,145号（ダーハム他 ）が挙げられる。ブルーダーマン特許は埋め込まれた固定くぎの遠方端内に横断 孔を探すための装置を開示している。この装置は軸方向の磁界受信特性を有する 磁界検出デバイス、すなわちセンサと組み合わされた、軸方向に対称的な磁界を 発生する少なくとも１つの磁石を含む。一実施例では、埋め込まれたくぎ内に磁 界センサを挿入し、磁石の磁界の軸線とセンサの磁界の軸線とが整合するまで、 皮膚の表面に載せた磁石を移動するようになっている。より詳細には、センサは 外部ディスプレイ装置に接続されており、ディスプレイ装置にゼロポイント表示 がされる際にそれぞれの磁界の整合状態が表示される。整合プロセスの精度を増 すのに第２の磁石を使用してもよい。磁界検出装置の指向特性を使ってディスプ レイ装置を通る双方の指向性要素の軸線の相対的位置を制御しているので、制御 ディスプレイにより、双方の軸線は互いに一致する。指向性要素の一方が、くぎ 内の横断孔の軸線と正確に整合すると、別の要素を使ってくぎの孔の位置を外部 にマークし、ドリル治具を位置決めできる。 ダーハム他による２つの特許は、くぎ内のネジ孔の位置に第１磁石を位置決め し、次に第１磁石と相互作用する第２磁石を含む照準装置を使って第１磁石を探 し、よってくぎを所定位置に固定するよう、くぎ内のネジ孔にネジまたはピンを 挿入できるようにする、骨髄内ロッドのような整形外科用ハードウェア装置のネ ジまたはピンを位置決めするための方法および装置に関する。 第１実施例では、ロッド内の孔の高さに第１磁石を位置決めするのに挿入ロッ ドを使用するが、別の実施例では、中実くぎを使用し、くぎを埋め込む前にくぎ 内の孔に磁石を取り外し自在に配置するようになっている。 これらの磁界検出装置に共通する深刻な欠点の１つは、浮遊磁界による致命的 な影響があることである。例えば、地磁界または手術室のケーブルおよび外科用 インプラントの構造物で使用されるアルミ、チタン、ステンレススチールおよび 銅のような、導電性の高い材料に起因する磁界のひずみ効果による致命的な影響 があることである。位置および配向を測定するために、電磁結合による送受信部 品を使用する技術は、特に受信機の部品を射撃手のヘルメットに設置し、送信機 の部品を被導電性構造体の近くに取り付ける軍用照準システムに関して周知とな っている。射撃手が自分のヘルメットに取り付けられた照準用十字線を通して目 標を照準する際に、この位置に位置決めされた受信機は送信機から発生された信 号を検出する。次にこれら信号はコンピュータによって処理され、ヘルメットの 位置および配向を決定し、次にヘルメットに装着された照準部品と同じ方向に兵 器のユニットを同時にポイントするようになっている。米国特許第4,054,881号 （ラーブ）、米国特許第4,287,809号（エグリ他）および米国特許第4,314,251号 （ラーブ）および米国特許第4,396,885号（コンスタント）が教示するように２ つまたは３つの直交コイルから成る送信機に時間分割または周波数分割フォーマ ットで交流（ＡＣ）信号を印加し、これらコイルが交流電磁界を発生し、この交 流電磁界は同じように３つまたは２つの直交コイルから成る交流受信機によって 測定される。これら検出された信号は送信フォーマットとコンパーチブルな方法 でフィルタリングされ、増幅され、デジタルフォーマットに変換され、次にコン ピュータに読み込まれ、コンピュータにおいて種々の数学的方法を使って使用で きる電磁界方程式により、位置および配向を抽出する。 現在のすべてのシステム、例えば交流送信信号を使用する上記のようなシステ ムは、送信機または受信機のいずれかの近くに導電性材料がない場合にしか、正 確に作動しない。その理由は、送信された交流信号はこれら導電性材料内に渦電 流を必ず誘導し、この渦電流は次に交流磁界を発生するように働き、この交流磁 界は送信磁界をひずませ、当然、最終の出力位置および配向データをひずませる からである。これらの位置および配向測定システムを使用することが望まれる戦 闘用航空機またはヘリコプターでは、コックピット構造体、シート、配線および ヘルメットに装着されたディスプレイの構造物に使用されているアルミ、チタン 、マグネシウム、ステンレススチールおよび銅のような、導電性の高い多数の材 料が設けられている。米国特許第4,287,809号は、送信機に対して移動しないコ ッ クピット金属部分に起因する磁界ひずみから生じるエラーを補償するための方法 を教示している。この特許に示唆されている保証方法は、コックピット全体にわ たって測定を行い、かかるひずみの量を決定し、次にこのデータを使って、検出 された信号に適用される訂正量を決定している。同様に、米国特許第4,394,831 号（エグリ他）および同第4,621,628号（ブルーダーマン）は、パイロットのヘ ルメットに設けられたディスプレイ内に見られるような金属内に誘導された渦電 流または作動磁界にそれぞれ起因するエラーを補償するための方法を教示してい る。これら補償方法も必要な補正を行うために、かかるひずみの実験的な初期測 定を行うことを必要としており、１つの場所に金属量が集中しており、送信機が 大きな回転角方向の回転または並進運動を行わない場合に限り、精度を適度に改 善できる。交流システムを正確に作動させるのに必要なこれらタイプの補償努力 は、作動させるのに時間がかかり、高価につき、更に送信ユニットまたは受信ユ ニットの近くに過度な量の導電性材料がないような環境でしか作動しない。例え ば、発生するひずみは、がかるマッピングだけで訂正するには大きすぎるので、 例えば多くの場所ではこのような交流システムは全く利用できない。 本発明の目的は、整形外科用インプラント内の孔の位置および配置を決定する ための効果的かつ経済的な装置を提供することにある。本発明の更に別の目的は 、外科医が現在使用できる多数の現在の骨髄内くぎが利用できる目標設定装置を 提供することにある。 発明の概要 本発明はインプラントの内部および／または外部に設けられた３軸または２軸 受信機と結合され、患者の外部に設けられ、パルス状直流電流によって駆動され る２軸または３軸送信機の位置決め装置を含む。これら受信機は附勢された送信 機から発せられる送信直流磁界を検出できる。受信機の信号処理電子回路は受信 機を制御し、受信信号を処理するための方法と共に、デジタルコンピュータによ る処理に適したフォーマットとなるように、受信機の出力信号を変換するように 働き、よって、横断ロッキング孔またはピン配置の位置および配向データを発生 する。かかるデータは次にドリルビットと埋め込まれた装置内の横断孔と正確に 整合できるようにユーザーをガイドするために、ユーザーにグラフィックディス プレイできる。 米国特許第4,945,305号および同第4,849,692号（ブラッド）に示された装置は 、かかる位置および配向データの送信および受信装置に関し、従来のすべての技 術とは根本的に別のものとなっており、よって完全に交流信号に依存することを 回避し、その変わりに直流信号に依存している。このように、直流信号に依存す ることにより、アプリオリに較正を行う必要が完全になくなっており、このタイ プの装置の潜在的な利用性を大きく広げるものである。更に、この電流装置が実 行できるすべてを達成するために、この装置を製造し、利用するのにかかる費用 は、現在使用されている前記装置のかかる製造および利用に現在かかるか、また は潜在的に将来かかる費用よりも大幅に低くなっている。 米国特許第4,945,305号および同第4,849,692号（完全には記載されていないが 、本明細書ではこれらの開示内容を参考例として引用する）の装置の用途を整形 外科用インプラントの設置に適用でき、特にプロテーゼをプロテーゼ自身と、ま たは周辺の骨と連結するためのネジまたはピンを正確に設置し、驚くべき有効な 結果が得られるよう、埋め込まれたプロテーゼ内の孔を探すことに適用できる。 本発明は、実施前に高価につく較正方法を行う必要なく、更に近くに存在し得 る反磁性または常磁性金属材料のタイプと関係なく、本来それ自身で、かつデジ タルコンピュータと組み合わされた固有の電子手段と共に、相互の位置および配 向を容易に測定する送信アンテナと受信アンテナのシステムを提供するものであ る。例えば、まず最初に、金属製インプラントおよび手術用装置と共に外科手術 に、このような性質の装置を使用できる。 本発明は送信機に対する受信機の直交軸線（図１）の変位ベクトルの測定およ びその配向の測定を考慮したものである。送信機はｘ、ｙおよびｚ座標の直交座 標系の原点と見なし、ここでｚ軸線は一般に地球の重力の軸と一直線状になって いると見なし、ｘおよびｙ軸線はデカルト座標系に従い、ｚ軸線に垂直な水平平 面にあると考える。デカルト座標系は原点に対する点の位置を曖昧にすることな く決定できるよう、共通な点において交差する３つの互いに垂直な線、すなわち 軸線から成る。更に、送信機だけでなく、送信機に対する受信システムの各軸線 の回転からも受信機の位置を決定できるよう、各受信機はそれぞれの受信機に対 する、かつ送信機の原点に対する基準座標系を設定する。 本発明の利点はデジタルコンピュータと共に固有の電子手段を使用することに より受信機の座標基準系を所望する位置に原始的にオフセットできることである 。図６に示されるように、送信機からの軸線Ｓ１’の位置ベクトルおよび回転角 方向の配向を確認できるよう、位置ｒ１における受信機１０７の基準軸線Ｓ１を 、基準軸線Ｓ１’を有する位置ｒ１’へ電子的にオフセットすることができる。 同様に、各受信機の受信軸線を任意の位置にオフセットすることができる。 本発明の別の利点は、デジタルコンピュータと共に固有の電子手段を使用する ことにより、１つ以上のオフセット位置の間の相対的な位置および配向を確認で きることである。 更に別の利点は、相対的変位ベクトルの相対的成分の１つ以上を最小にし、対 応する軸線を空間内で整合するように、２つ以上のオフセット軸線の間の相対的 距離を最小にできることである。 本発明は較正条件をなくすことにより実現すべきコスト削減とは別に、現在の 技術状態の枠内で現在得られる価格よりも著しく安価な照準装置を提供するもの である。現在のところ、これら装置の送信部品のコアはフェライトから構成され ている。フェライトはかなり高価なものであるが、この効果であることに加え、 脆弱であり、成形が困難でもある。しかしフェライトは交流電流を使用する場合 、渦電流のひずみを許容できる程度に低く維持するためにコア部品として必要で ある。しかし、本装置が定常状態となっている場合、交流信号成分はないので、 フィライトを用いた場合に得られるのと同じ磁束濃度が同様に得られ、送信コア 部品に対し、安価な鉄または鋼鉄に依存することにより、この装置と共に同じ磁 束濃度を使用できる。その理由は、この装置を用いると、渦電流のことを考慮す る必要が全くないからである。 本発明は、骨髄内インプラントの横断孔の位置、特に連結くぎの遠方孔の位置 を測定する際に、Ｘ線の放射をする必要がない目標設定装置を提供するものであ る。本発明の装置は外科医、患者およびその他医療関係者に放射線を照射するこ となく、ドリル治具を横断孔に軸方向に整合させるよう、高速、便利かつ確実に 設置するものである。インプラント内の見えない横断孔を探し、かつ連結ネジを ドリル加工し、設置するための孔の目標を設定するために、画像倍増管を使用す る現在の手術方法では、手術中に外科医は過度の量の放射線を受ける。 本発明の別の利点は外科医が現在入手できる現在の骨髄内くぎの大多数が利用 できる目標設定装置を提供できることにある。現在の機械式探索装置は通常、イ ンプラント固有のものであり、遠方のロッキング孔の配向を探すのに画像倍増管 を使用しなければならない。ラッセル−テーラー手術技術パンフレット（テネシ ー州メンフィスのスミス・アンド・ネフュー・リチャーズ）に記載されている遠 方目標設定装置は、「爆弾照準」型装置であり、この装置はくぎの近接端に機械 式に締結されており、必要な孔を探し、ドリル加工するのに、画像倍増管を使用 している。米国特許第4,913,137号に記載されている機械式の目標設定システム は、この装置に固有のものである。エイザ-他によって記載された目標設定機構 では、記載されているくぎは二股に別れた先端、他の器具に対し相補的な横断面 およびくぎの近接端に取り付けるための機構を有していなければならない。ハウ メディックス（ニュージャージー州ラザフォード）による「アルタトローマシス テムのための手術技術」に記載された、ロッドに取り付けられた目標設定機構で は、最初に遠方孔を発見し、くぎに目標設定アセンブリ機構を取り付け、更に遠 方孔に目標設定アセンブリを位置決めするのに、更にＸ線透視制御を行わなけれ ばならない。上記システムだけでなく、他のすべてのくぎシステムに使用される 別の技術では、フリーハンディングと称される、機械式または電気的な接続部を 用いることなく孔を探し、整合するのに、直接Ｘ線透視撮像を行わなければなら ない。この技術は、スミス・アンド・ネフュー・リチャーズ、ズィマー（インデ ィアナ州ワルソー）、エースメディカル（カリフォルニア州、ロサンジェルス） およびバイオメット（インディアナ州ワルソー）によるパンフレットに詳細に記 載されている。 本発明の本明細書に記載の技術および装置は、上記骨髄内くぎのいずれのもの に対してもカスタム化できる。 本発明によれば、従来の装置よりも使用が容易であり、従来技術よりも整合が よい容易で、より正確である、直流結合された電磁センサが提供される。この点 に関し、上記ブルーダーマンおよびダーハム他特許の位置決め装置は、Ｘ線透視 探索装置よりも重要な利点を多数有するが、本発明は特に、使用の容易性および 整合の質および容易性の点で、これら特許に開示されている位置決め装置よりも 別の重要な利点を提供するものである。 本発明の１つの特徴によれば、所望する隠された内部位置、例えば患者の骨内 の骨髄内ロッド内のロッキングネジ孔に締結要素を位置決めするのを補助する、 直流結合された電磁位置決め装置が提供される。この位置決め装置はパルス状直 流送信機と、前記内部位置に位置するようになっており、位置決めすべき内部位 置決めから既知のオフセットした位置および配向でインプラントに結合するか、 または２軸または３軸の方向基準を提供する、送信された直流磁界を検出できる 第１受信機または複数の受信機と、患者の外部に位置する多数の基準位置決め装 置となる第２または別の受信機とを備え、該位置決め装置が貫通する軸方向ボア を有するハンドヘルドのドリル治具またはガイドドリルを含み、よって外部の受 信機が内部または結合された受信機に整合できるようにし、該位置決め装置は更 に前記軸方向ボアに挿入可能なガイドピンを備え、このガイドピンは、内部位置 に整合する走行路に沿ってガイドピンをドリルによって前進できるよう、第１受 信機と第２受信機の認識された軸線を整合した時に、前記ドリルのドリルチャッ クと係合するようになっている。 好ましい実施例では、前記第１受信機すなわち内部センサユニットは、埋め込 まれた装置が取り付けられているユニットまたはハンドルに埋め込まれる。位置 決めすべき各内部の隠された位置に対する受信機の位置および配向は、較正ルー チンを使った物理的測定または電子的な測定のいずれかにより知ることができる 。 好ましい実施例では、前記第１受信機、すなわち内部ユニットは保護カバーを 含む。好ましくはこの保護カバーは、埋め込まれる特定の骨髄内装置の内部形状 に一致するような有利な形状のプラスチックケーシングを含む。従って、本発明 の実施例は、任意の商業用くぎと共に使用できる探索装置を提供するものである 。 有利な実施例では、送信機に対する第１および第２受信機、すなわち付加的受 信機の認識された位置を接続されたコンピュータによって電子的にオフセットし 、センサに対する空間内の認識された位置および軸線を提供することができる。 この実施例の利点は、センサを物理的にその位置に設けなくても、横断孔の位置 お よび軸線を確認できることである。第１および第２センサの双方が同じ位置にオ フセットされた状態において、横断孔の軸線および位置を探し、センサから干渉 を受けることなく、ドリルまたはピンを孔に通すことができる。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の部品と、骨１１０の骨髄管に連結くぎ１２０を位置決めする ことを示す。 図２は、送信機１０４および受信機１０７のための座標軸を示す。 図３は、骨髄内くぎを示す。 図４は、くぎドライバーおよび関連する部品を示す。 図５は、ドリルガイドおよびドリルスリーブを示す。 図６は、受信機１０７および受信機１０９の変位ベクトル、送信機の座標原点 ２０１に対する横断孔１２１に対する軸変位位置およびドリルガイド孔１３２の 軸線を示す。 図７は、ドリルガイドおよび骨髄内くぎと共に使用される較正工具を示す。 図８ａは、受信機が骨髄内くぎに挿入されたプローブ内に位置した状態の、本 発明の応用例を示す。 図８ｂは、使用しようとするインプラント１２０に対し、相補的な異なる形状 のプローブヘッドの横断面を示す。 図９は、横断面が円形のインプラントと共に使用する際のプローブの部品を示 す。 発明の好ましい実施例の説明 第１部品、例えば整形外科用インプラント、より詳細には、骨髄内くぎには少 なくとも１つのコネクタを受けるメカニズムが設けられている。骨髄内くぎの場 合、コネクタはネジでよいし、コネクタを受ける機構はくぎ内に設けられた孔で よい。ドリルビットをくぎ内の所定の孔に向けてガイドするために、ドリルガイ ド部材を使用する。 ドリルガイド部材により、骨髄内くぎに対しドリルビットを位置決めし、配向 する。このガイドシステムは （ａ）直流磁界送信手段と、 （ｂ）前記送信された直流磁界を受信するための少なくとも１つの磁界受 信手段と、 （ｃ）前記送信手段に直流電気信号を供給し、前記送信された直流磁界を 発生するための電力手段と、 （ｄ）磁界受信手段からの出力信号を測定し、この出力信号を位置および 配向測定値に変換する受信電子回路と、 （ｅ）可視ディスプレイ部材を有する、プログラムされたコンピュータと を備え、前記受信電子回路からの前記出力信号が位置および配向測定値に変換さ れ、前記コンピュータの視覚ディスプレイ手段に視覚的にディスプレイされるよ うになっている。 第１部材は送信手段または受信手段のいずれかに固定され、同様に、ドリルガ イド部材は送信手段または受信手段のいずれかにに固定される。好ましくは、こ のシステムは単一の送信機を使用し、ドリルビットガイド部材および骨髄内くぎ の双方には受信機が設けられる。従って、ドリルガイド部材に対する第１部材の 相対的位置および配置を決定できる。骨髄内くぎは近接端および遠方端を有し、 くぎの近接端に支持部材、例えばハンドルが解放自在に固定され、この支持部材 は受信機を支持する。 直流磁界を送信するための送信機は、コアと、多数の、大まかに言って直交す るアンテナ軸ワイヤ巻線とを含む。送信される直流磁界の受信機は、送信された 直流磁界を検出できる多数のほぼ直交するアンテナ軸線を含む。 インプラント、例えば骨髄内くぎを骨内に固定するための方法は、このインプ ラントを骨に挿入する工程と、ドリル部材およびドリルガイドを使って骨内のネ ジ嵌合孔の近くにて、骨内に孔をドリル加工する方法を含む。孔に対するドリル 部材の位置および配向を測定することは、（ａ）送信部材から直流磁界を送信し 、少なくとも１つの磁界受信機で、送信された直流磁界を受信することによって 行う。送信手段および受信手段のうちの１つ、好ましくは受信機にくぎが固定さ れ、同様に、送信手段および受信手段の一方、好ましくは受信機にドリルガイド が固定される。受信された直流磁界はプログラムコンピュータにおいて位置およ び配置データに変換され、コンピュータのスクリーンにディスプレイされる。コ ンピ ュータスクリーン上のくぎおよびドリル部材の仮想的表示を見ることにより、ド リル部材を骨髄内くぎに対する所望する位置へ移動できる。 くぎに沿って骨内に受信機を移動する必要がなくなるように、ネジ嵌合孔から くぎ受信機を離間できると有利である。コンピュータプログラムは孔に対する受 信機のずれを計算し、よってディスプレイはドリルに対する孔の位置を表示する 。 図１では、右側から骨１００へくぎ１２０が既に挿入されており、このくぎは 左端部、すなわち遠方端の近くに一対の横断孔１２１および１２１を有し、右端 部、すなわち近接端に近くに横断ボルト３２６、３２６、３２６”（図３）がそ れぞれ嵌合される横断または斜め孔１２１”を有する。 次に、骨髄内くぎ１２０内の最も遠方の孔１２１のそれぞれのドリル軸線３２ １の正確な位置を測定すべきである。このドリル軸線は、この軸線上の２つの点 ３２２および３２３の直線状の接続線によって一定に決定できる。従って、この 軸に整合した位置にドリル治具１３１を位置させるには、遠方孔１２１のドリル 軸線上の２つの点３２２および３２３を探し、骨に孔（ボア）を即座に形成でき るよう、これら点にしたがってドリル治具５３２の軸線を配向させなければなら ない。 これら２つの点３２２および３２３上の軸線３２１を探すのに、本発明に係わ る装置を使用する。 米国特許第4,945,305号および同第4,849,692号に記載されているような、電磁 的位置および配向測定システムは、一度に１つずつ、送信機１０４の２つまたは ３つの軸線の各々に、制御された量の直流電流を供給するための、電子制御ユニ ット１０２内に設けられた送信機ドライバー回路から成る。接続部１０６を介し てドライバー１０２により送信機へ供給される直流電流量は、コンピュータ１０ １によって制御される。送信機１０４は通常、患者の脚から約６１ｃｍ（２フィ ート）の距離に設けられる。 図２では、送信機１０４は受信機１０７により検出される多数の直流磁界を発 生する、同心状に配置された３つの個々のアンテナ１０５（ｘ、ｙおよびｚ軸線 、図２）と、各々が３つのアンテナ（ｘ、ｙおよびｚ軸線アンテナ）から成る受 信機１０９とから成る。受信機１０７および１０９は送信機１０４によって発生 さ れる磁界を測定するだけでなく、地磁界を測定し、送信機が取り付けられている 対象の位置および配向の最終測定を行う。送信機のアンテナは、送信機１０４の 中心に位置し、３本の直交軸線、Ｘ軸線２０２、Ｙ軸線２０３およびＺ軸線２０ ４を有する原点２０１を備えたデカルト座標系１０５を示す。同様に、各受信機 １０７および１０９はデカルト座標系２１０および２２０を示す受信アンテナを それぞれ有する。受信機１０７の座標系２１０は受信機１０７の中心に位置し、 ３本の直交軸線、すなわちＸ軸線２１２、Ｙ軸線２１３およびＺ軸線２４４を有 する原点２１１を有する。図２には示されていないが、番号のつけられている、 受信機１０９の座標系２２０は受信機１０９の中心に位置し、３本の直交軸線、 すなわちＸ軸線２２２、Ｙ軸線２２３およびＺ軸線２２４を有する原点２２０を 有する。 受信機１０７および１０９はそれぞれ３本または２本の軸線２１０、２２０と 、直流磁界の感知できる駆動および検出回路とから成る。受信機１０７から出力 される直流信号は、接続部１０８を介し、信号処理電子回路１０２へ進み、この 信号処理電子回路１０２はこのアナログ受信信号を制御し、条件下し、コンピュ ータ１０１によって読み取り可能なデジタル信号に変換する。コンピュータ１０ １はアルゴリズムにより送信機１０４に対する受信機１０７および１０９の位置 および配向を計算する。次に、コンピュータ１０１は、この情報をグラフィック 画像コントローラへ出力し、外科医はこのグラフィック画像コントローラにより 、くぎドライバー１４０、従って孔１２１の軸線３２１に対するガイド１３１の 相対的位置を見ることができる。 骨１００にくぎ１２０を埋め込むのに使用されるドライバーユニット１４０に は受信機１０７が取り付けられているか、またはこのドライバーユニットに埋め 込まれている。くぎドライバー１４０はハンドル４０１と、長手方向の本体４０ ２とを含む。この長手方向本体４０２は、中心軸線４０３を有する長手方向の円 筒形ボア４０４を有し、このボアの軸線４０３は特殊なくぎアタッチメント１４ １、接続ボルト１４２およびロッキングナット１４３を使ってくぎに強固に骨髄 内くぎを取り付けた際に、骨髄内くぎの長手方向軸線と一致するようになってい る。 くぎアタッチメント１４１は長手方向本体４０２の端部４０５に設けられた突 起４０５および４０６またはその他の機構と整合するための凹部または同様な手 段を有する。くぎアタッチメントは中心軸線４０３と一致するアタッチメントの 長手方向軸線に沿って延びる中心ボア４１５を有する。このくぎアタッチメント は、骨髄内くぎ１２０の近接端１２４に設けられた凹部とアタッチメントとを整 合するための突起４１１を、凹部４１３を有する端部と反対の端部に有する。 くぎ１２０を締め付け、このくぎ１２０とくぎドライバー１４０とを整合する のに、端部４１０、本体４２３およびねじ切りされた端部４２１を含む接続ボル ト１４２が使用される。ボルト端部４１０はくぎ１２０の近接端１２４上のネジ ３２４と螺合するように形成されている。ボルト１４２を中心ボア４１５内に通 すことにより、ボルト１４２上でアタッチメントスペーサ１４１がスライドされ る。同様に、熊手状部分４０６および４０６’が凹部４１３および４１３’にそ れぞれ係合するように、くぎドライバーの本体４０２の円筒形ボア４０４にボル トを挿入することにより、くぎドライバー１４０はボルト上をスライドする。ス ペーサ１４１がくぎ１０２に係合し、くぎドライバー１４０がスペーサ１４１に 係合した状態で、接続ボルト１４２のネジ４２１にロッキングナット１４３が螺 合される。 受信機１０９はハンドヘルドのガイド１３１に取り付けるか、埋め込むことが 好ましい。ガイド１３１には、入口１３２および中心軸線５３２を有するボア５ ３３が設けられている。ドリルスリーブ１３３は中心ボア５３３を有し、この中 心ボアは、ボア５３５にドリルスリーブ１３４が挿入された際に、ドリルビット １３４と長手方向軸線５３２とを一致させることができる。 制御コンピュータ１０１はアルゴリズムを使って、オフセット座標軸線を長手 方向軸線５３２または中心ボア５３３に位置させることができるよう、並進運動 および回転運動の双方により、軸線２２０を新しい位置５２０へ電子的に転換す ることができる。次にコンピュータは送信機１０４に対するオフセット軸線５２ ０の位置および配向を計算する。次にコンピュータ１０１はこの情報をグラフィ ック画像コントローラへ出力する。図１における十字線１１１が示すようなくぎ ドライバー１４０に対する、従って孔１２１の軸線３２１に対する、図１の十字 線１１２が示すようなドリルガイド軸線５３２の相対的位置を、この画像コント ローラによって見ることができる。 同様に、コンピュータ１０１はアルゴリズムを使って、オフセット座標軸線を 孔１２１の軸線３２１に位置させることができるように、並進運動および回転運 動の双方により、くぎドライバーの受信機の軸線２１０を新しい位置３１０へ電 子的に転換することができる。次にコンピュータは、送信機１０４に対するオフ セット軸線３１０の位置および配向を計算し、次にコンピュータ１０１はこの情 報をグラフィック画像コントローラへ出力する。外科医は、この画像コントロー ラを使って、このオフセット軸線３１０に対する、従って孔１２１の軸線３２１ （十字線１１１）に対するドリルガイド軸線５３２の相対的位置（十字線１１２ ）を見ることができる。 横断孔３１０のオフセット軸線からドリルガイド１３１のオフセット軸線５２ ０までの距離の数学的関係は、位置ベクトル（太い小文字）から誘導できる。図 ６は、この系の位置ベクトルの略図を示す。Ｔは送信機の軸線１０４（０、０、 ０）の位置であり、この位置から、くぎホルダー１４０に埋め込まれているセン サ１０７の軸線Ｓ１ ２１０（ｘ１、ｙ１、ｚ１）までの位置ｒ１および前記位 置からくぎホルダ-１４０に埋め込まれているセンサ１０９の軸線Ｓ２ ２２０ までの位置ｒ２をコンピュータ１０１および電子制御ユニット１０２によって電 子的に測定する。同様に、センサの軸線Ｓ２ ２１０およびＳ２ ２２０に対す るオフセット軸線Ｓ１’ ３１０およびＳ２’ ５２０の配向を測定する。ドリ ル加工すべき横断孔は軸線Ｓ１ ２１０から物理的にｒ１’−ｒ１’に位置する 軸線Ｓ１’ ３１０を有する。この軸線はオフセット位置ベクトルは、較正方法 の一部として、埋め込みに先立ち、手術の際に決定される。この値は、選択され たくぎの長さだけでなく、横断孔の配向によっても決まる。ドリルガイド内のド リルガイド孔は、距離ｒ２’−ｒ２だけセンサ軸線Ｓ２ ２２０からずれている 。このオフセット位置ベクトルｒ２’−ｒ２はドリルガイドユニット１３１の製 造から決定され、ソフトウェアに記憶された定数である。従って、上記ベクトル を知れば、次のベクトルの関係式 （ｒ２’−ｒ１’）＝ｒ２−ｒ１＋（ｒ２’−ｒ２）−（ｒ１’−ｒ１）から ベクトルｒ２’−ｒ１’を決定できる。 コンピュータ１０１に記憶されたソフトウェアアルゴリズムは、くぎの横断孔 に対するオフセットホルダー軸線の相対的距離および配向を提供し、次にこれら 相対的距離および配向をユーザーがコンピュータのモニタで見ることができる。 装置を使用する方法 ドリルガイドセンサ１０９に対するドリルガイド孔５３２の軸線のベクトル（ ｒ２’−ｒ２、図６）によって示されるような距離および配向は、定数であり、 既知である。しかしながら、ドライバー内の受信機１０７から、使用しようとす る孔１２１の軸線３２１への距離は、外科医が選択する、使用しようとするイン プラント１２０の長さに応じて決まる。従って、挿入する前にホルダー受信機１ ０７に対する横断孔１２１の距離および配向を決定しなければならない。このよ うな決定は、簡単な較正方法によって行うことができる。 コンピュータ１０１は送信機１０４に対する受信機１０７の位置を決定するが 、ホルダーセンサに対する横断孔１２１の軸線３２１の位置を知ることが望まし い。ホルダー受信機１０７から横断孔１２１の軸線３２１までのオフセット距離 、すなわちベクトルｒ１’−ｒ１を決定するには、較正方法を実行しなければな らない。図７に示されるような整合ピン７００はドリルスリーブ１３３または１ ３４のボア５２５またはボア５３３もしくは５４３に嵌合するような直径または 相補的形状の最初の円筒形セグメント７０５と、中心部分７１０と、孔１２１お よび１２２に嵌合されるような直径または相補的形状となっている第３部分７１ ５とから成り、ドリルガイド孔５２５に挿入され、くぎの横断孔１２１の最初の 部分に挿入される。従って、整合ピン７００の長手方向軸線７２１によって、軸 線５２１は軸線３２１に一致される。従って、遠方孔の軸線５２０の位置Ｓ１’ は、次にドリルガイド受信機の軸線２１０、Ｓ２に対し既知となり、よって送信 機１０４およびくぎドライバー受信機１０７、Ｓ１に対しても既知となる。ピン ７０１が所定位置に整合された状態において、アルゴリズムを使ってくぎドライ バー受信機１０７に対する横断孔３２１の位置および軸線を計算し、コンピュー タ１０１によってデジタル状に記憶する。次に、整合ピン７００およびドリルガ イドを第２の横断孔１２１’まで移動し、くぎドライバー１４０に対するその位 置お よび軸線３２１’を同様に計算し、コンピュータ１０１に記憶する。コンピュー タがハンドルセンサに対する各横断ロッキング孔の位置および軸線を記憶するよ うに、別のどのロッキング孔に対してもこの方法を繰り返す。従って、くぎドラ イバー内のセンサに対する各横断孔の相対的距離および配向は既知であり、コン ピュータはくぎを埋め込んだ後に孔を探すための、くぎ内の各孔のオフセット座 標をデジタル式に記憶している。 コンピュータ１０１に孔の位置を記憶した後に、骨１００へくぎ１２０を挿入 する。次にコンピュータプログラムは第１の孔の位置１２１にドリルガイド１３ １を位置させることを外科医に促す。コンピュータモニタには希望する横断孔１ ２１の軸線３２１の位置を示す三次元状の静止した十字線１１１がディスプレイ される。モニタ上の静止した十字線１１１とガイドの十字線１２１が整合するま で、希望する横断孔１２１のオフセット軸線３１０に対するドリルガイド軸線３ ２１の位置および配向を示すモニタに、ドリル治具を示す第２の三次元状十字線 １１２がディスプレイされる。次に、外科医はガイドの十字線１１２がモニタ上 の静止した十字線１１１に一致するまで、ドリル治具を移動する。次にドリルガ イド５３２の軸線とくぎの横断孔の軸線３２１とを整合させる。骨１００内にド リルガイドを固定するように、この配向にドリルガイドを強く保持するか、また は緩くテープを巻き、ドリルスリーブ１３３内にドリル１３４を挿入し、くぎの 孔１２１を貫通するようにドリル操作する。次にドリル１３４を除き、くぎを骨 でロックするように、ネジ３２６を挿入する。次に、第２の孔１２１’に進み、 上記方法を繰り返すようにコンピュータをプログラムする。この方法はすべての 孔をロックするまで繰り返す。 図８に示されるような本発明の別の実施例では、受信機１０７はプローブ８１ ０に接続されたプローブヘッド８０５内に埋め込まれている。プローブ８１０内 には受信機１０７のための電気的接続部が収容されており、ワイヤー１０８を介 して信号処理ユニット１０２に接続されている。これに対応し、プローブヘッド ８０５の挿入位置にプローブヘッド８０５がくぎ１２０に対して回転せず、よっ て受信機１０７の直交軸線２１０がくぎ１２０の直交軸線に沿った状態に維持さ れることを保証するために、くぎ（図８ｂ）の異なる径または異なる形状（横断 面）に対して異なる形状のプローブヘッド８０５が必要である。 プローブ８１０のシャンク部分の弾性変形する可能性を考慮した、現実に顕著 な変形をする、くぎ１２０の近接端部１２４からの横断孔１２１の間隔は、充分 な精度に維持されているので、横断孔３２１の軸線に対する、プローブヘッド８ ０５の遠方端におけるくぎ１２０の長手方向への受信機１０７の正確な配向が得 られる。長さの異なるくぎまたはくぎ１２０の種々の遠方孔１２１または１２１ ’に対しては、くぎ１２０にプローブヘッド８０５を挿入する前に、近接端１２ ４だけでなく、それに対応する異なる位置にあるプローブシャンク８１０にスト ッパー部材８１２を設けるか、固定しなければならない。プローブシャンク８１ ０には目盛りが設けられており、この目盛はくぎ１２０の近接端から孔の軸線１ ２１までの距離から、プローブヘッド８０５および受信機１０７を孔１２１に接 近させ、ドリル加工中にプローブヘッド８０５が弱体化しないように保証するた めの、指定されたセットバック距離を引いた値に対応する。 受信機１０７からの直流信号出力はワイヤー１０８を通って信号処理電子回路 １０２へ進み、信号処理電子回路１０２は受信機のアナログ信号を制御し、条件 化し、コンピュータ１０１が読み取りできるデジタル信号に変換する。コンピュ ータ１０１はアルゴリズムによって送信機１０４に対する受信機１０７の位置お よび配向、受信機１０９の位置および配向を計算する。 信号処理電子回路１０４により、接続部１１０を通って受信機１０９から出力 される直流信号を使って同じように送信機１０４に対するドリルガイド１３１の 位置が計算され、コンピュータ１０１のディスプレイ装置にディスプレイされる 。ドリルガイド１３１内の孔の軸線５３２に対するガイド受信機１０９の軸線の 距離および配向は、孔の軸線１２１または１２１’からのプローブヘッド受信機 １０７の軸線２１０の原点の所定のセットバック距離に等しくなる。従って、く ぎの孔１２１の軸線に対するドリルガイド５３２の軸線の相対位置を見ることが でき、これを軸線３２１に整合できる。これら軸線が整合すると、骨１００およ びくぎの孔１２１にドリルを通し、引き抜く。次に、ドリル孔およびくぎにネジ またはロッキングボルト３２６を挿入する。 最も遠方の孔１２１で上記作業を行った後に、同じ方法を使って、第２のボル ト３２６’を対応する孔（ボア）１２１’に挿入する。 遠方端で上記作業を行った後に、近接ボルト３２６”を対応する孔（ボア）１ ２１”に挿入する必要があるが、この作業については本明細書ではより詳細に説 明する必要はないであろう。その理由は、スパイクの近接端に対する距離は短い ので、近接孔を位置決めするための充分な精度で引用例として引用した特許に記 載されているような、従来の位置決めおよびドリル装置を使用することができる からである。 インプラントの内部形状によってプローブヘッドをガイドできない場合でも、 例えばくぎが円形の横断面を有している場合でも、本装置は効果的に作動できる ことに留意すべきである。この場合、横断孔に対し、プローブヘッドを整合また は配向させるための補助的な対策をとることができる。例えばこの対策は、孔に 係合するようになっている保持装置を補助にして行うことができる。図９は、プ ローブヘッド８０５が熊手状部分９１０および９１０’をそれぞれ備えたフィン ガー延長部９０５および９０５’を有し、かかる熊手状部分がそれぞれ孔１２１ および１２２の近傍エッジに係合でき、よって孔に対するプローブの回転および 長手方向位置を提供する方法を示す。孔の半径にプローブの延長部の長さを加え た値を、受信機９０９の軸線およびドリルガイドボア５３５の軸線５２１からの 距離に等しくすることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ある部材内に閉じ込められ、視覚的な観察から隠された第１デバイスを第 ２デバイスに固定するのに使用される装置であって、 Ａ．コネクタを受けるための少なくとも１つのコネクタ受け手段を有する第 １部材と、 Ｂ．ガイド部材と、 Ｃ．前記第１部材の受け手段に対して前記ガイド部材を位置決めし、配向さ せるためのデバイスとを備え、該デバイスが、 （ａ）直流磁界送信手段と、 （ｂ）前記送信された直流磁界を受信するための少なくとも１つの磁界受 信手段と、 （ｃ）前記送信手段に直流電気信号を供給し、前記送信された直流磁界を 発生するための電力手段と、 （ｄ）磁界受信手段からの出力信号を測定し、この出力信号を位置および 配向測定値に変換する受信電子回路と、 （ｅ）可視ディスプレイ部材を有する、プログラムされたコンピュータと を備え、前記受信電子回路からの前記出力信号が位置および配向測定値に変換さ れ、前記コンピュータの視覚ディスプレイ手段に視覚的にディスプレイされるよ うになっており、 前記第１部材が前記送信手段および前記受信手段の一方に固定されており、 前記ガイド部材が前記送信手段および前記受信手段のうちの１つに固定されてお り、よって前記ガイド部材に対する前記第１部材の相対的位置および配向を決定 する、第１デバイス第２デバイスに固定するのに使用するための装置。 ２．前記ガイド部材が受信手段に固定されている、請求項１記載の装置。 ３．前記第１デバイスが受信手段に固定されている、請求項１記載の装置。 ４．前記デバイスが単一の送信機と、複数の受信機とから成る、請求項３記載 の装置。 ５．前記第１デバイスが骨を安定化するためのインプラントであり、前記部材 が骨であり、前記インプラントが近接端および遠方端を有し、更に支持部材を含 み、該支持部材が前記インプラントの前記近接端に解放自在に固定されており、 前記送信手段および前記受信手段の一方が前記支持部材に固定されることにより 、前記インプラントに固定されており、前記コネクタ受け手段が前記インプラン トの遠方端の近くに位置する請求項１記載の装置。 ６．直流磁界を送信するための前記送信機が、コアと、多数のほぼ直交したア ンテナ軸線のワイヤー巻線とを備え、前記送信された直流磁界を受信するための 前記受信手段が、送信された直流磁界を検出できる多数のほぼ直交するアンテナ 軸線を含む、請求項１記載の装置。 ７．インプラントを骨内に固定するための方法であって、 Ａ）前記インプラントを前記骨に固定するためのコネクタを受けるための少な くとも１つのコネクタ受け手段を有するインプラントを骨内に挿入する工程と、 Ｂ）前記コネクタ受け手段の近くの前記骨に孔をドリル加工し、 （ａ）送信手段から直流磁界を送信し、 （ｂ）前記インプラントが前記送信手段および前記受信手段の一方に対して 固定された位置にあり、 前記ドリルガイドが前記送信手段および前記受信手段の一方に固定されている 状態において、 少なくとも１つの磁界受信手段において、前記送信された直流磁界を受信し、 （ｃ）受信された直流磁界をプログラムされたコンピュータ内で位置および 配向データに変換し、前記プログラムされたコンピュータの可視ディスプレイ手 段に前記変換された位置および配向データをディスプレイすることにより、 前記コネクタ受け手段に対する前記ドリル部材の位置および配向を決定する工 程と、 Ｃ）前記コンピュータの可視ディスプレイ上の前記コネクタ受け手段および前 記ドリルガイド部材の可視表示を見ることにより、前記ドリル部材の位置および 配向をガイドする工程とを備えたインプラントを骨に固定する方法。 ８．前記インプラントが近接端および遠方端を有し、更に、 前記受信手段が前記インプラントの近接端から実質的にオフセット状態で、前 記インプラントの前記近接端に解放自在に固定された支持部材によって前記イン プラントの前記近接端を支持する工程と、 前記支持部材の近くの位置から磁界を送信、または送信された磁界を受信する 工程と、 前記ドリルガイドの近くの位置から磁界を送信または送信された磁界を受信す る工程とを備え、 受信した直流磁界をプログラムされたコンピュータ内で位置および配向データ に変換する前記工程が、前記支持部材に近い前記位置と前記コネクタ受け手段の 前記位置との間の位置の差に対するオフセットを計算する工程を含む、請求項７ 記載の方法。 ９．１つの位置から磁界を送信する、請求項８記載の方法。 １０．送信された磁界を前記支持部材に近い前記位置および前記ドリルガイド で受信し、第３位置から磁界を送信する、請求項９記載の方法。 １１．磁界送信機または磁界受信機の位置である第２位置に対し、少なくとも 第２位置の固定されたオフセット距離および配向を較正する方法であって、 （１）単一位置から所定の磁界を送信する工程と、 （２）前記所定の磁界を受信または送信する手段を有する移動自在なガイド要 素を、第１位置に位置決めする工程と、 （３）前記第１位置にて前記所定の磁界を受信または送信する工程と、 （４）第２位置にて前記所定の磁界を受信または送信する工程と、 （５）前記第１位置と前記第２位置との間の固定された距離および配向のオフ セット量を計算する工程と、 （６）前記第１位置と前記第２位置との間の前記固定された距離および配向の オフセット量を示す計算されたデータをコンピュータのデータメモリに記憶する 工程とを備え、 よって前記第２位置および前記移動自在なガイド要素で送信または受信された 磁界により、前記移動自在なガイド部材を任意の位置から前記第１位置へ再現可 能に移動できるようにする、固定されたオフセット距離および配向を較正する方 法。 １２．前記複数のオフセット位置の各々に対し、工程（１）〜（６）を繰り返 すことにより、単一の所定位置に対する複数のオフセット位置の固定されたオフ セット距離および配向を決定する工程を更に備えた請求項１１記載の方法。 １３．取り付け部材と、該取り付け手段に固定された受信手段とを更に備え、 前記取り付け部材および受信手段が前記第１装置内に位置しており、前記第１装 置内に前記受信手段をロックする固定部材を更に含む請求項１記載の装置。