JP2005529667A - 整形外科的インサートと併用するロボット - Google Patents
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Abstract
Description
L.Joskowiczら、"Computers in imaging and guided surgery(画像化およびガイド手術におけるコンピュータ)"、Computers in Science and Engineering、3巻、5号、65−72頁、2001年.
"Computer Assisted Orthopaedic Surgery(CAOS)、"(コンピュータ補助整形外科手術)、L.P.NolteおよびR.Ganz編、Hogrefe and Huber刊(1999年)
R.J.Brumback、"Regular and Special Features−The Rationales of Interlocking Nailing of the Femur,Tibia,and Humerus"、Clinical Orthopaedics and Related Research、324巻、586−651頁、Lippincott−Raven(1996年)
"Interlocking medullary nailsradiation doses in distal targeting"、S.SkejdalおよびS.Backe、Archives of Orthopaedic Trauma Surgery、106巻、179−181頁、1987年
C.Krettekら、"A mechanical distal aiming device for distal locking in femoral nails"、Clinical Orthopaedics、384巻、267−275頁、1999年
L.Joskowiczら、"FRACAS:A system for computer−aided image−guided long bone fracture surgery"、Journal of Computer−Aided Surgery、3巻、6号、271−288頁、1999年
K.Clearyら、"State of the art in surgical robotics: clinical applications and technology challenges"、Journal of Computer−Aided Surgery、6巻、6号、312328頁、2001年
本発明は、ロボットが、手術が行われる骨の上に直接取り付けられるか、前記ロボットの位置が前記骨の位置と直接的な1対1のの関係になることを担保し、手術器具と、所望の整形外科的な手順を実行するために用いられる内部に配置されるインプラントの特徴との整列を伴う手順を実行することについて整形外科医を補助する配置になるように取り付けられた、新規なロボットガイドシステムを提供することを目的とする。前記ロボットは、小さいので、邪魔にならず、手術室の無菌環境で使用するために安全にすることが容易である。前記システムは、使用する手術器具が横方向および角度の両方でその標的部位と自動的に整列されるため、前記手順で面倒な事態が起こる可能性を著しく低減する。さらに、多数の試行錯誤のX線透視像の必要性が減少するので、全ての関係者の放射線被曝の安全性が向上する。前記システムは、患者の骨の中にあるか、患者の骨と接触する、金属インサートに存在する既存の孔に骨ドリルを自動的に整列するのに特に適している。かかるシステムの1つの好ましい使用法は、長骨骨折整復で用いられるように、標的ドリルのロボット制御によるガイドが、予め挿入された髄内釘の中の遠位側固定孔の位置および配向を正確に適合させることである。前記骨に前記ロボットを直接取り付けること、そして、前記骨にしっかりと挿入されている前記釘に実際上取り付けることは、前記釘が回転する場合に、前記ロボットも一緒に動くので、前記釘の中の遠位側の孔と前記ガイドドリルとの相互の配向および位置を維持するという長所がある。代替的に前記ロボットが前記釘に直接取り付けられている場合には、この長所は直接適用される。
(a)少なくとも1個の予め画定された孔を有する、画像化されるべき標的を照射するための放射線源と、
(b)前記標的の少なくとも1個の予め画定された孔の軸と一致させられる軸を有する少なくとも1個の第2の予め画定された孔を有する標的ガイドと、
(c)前記少なくとも1個の標的ガイド孔と、前記少なくとも1個の標的孔との軸を一致させるために前記標的ガイドが取り付けられるロボットと、
(d)前記標的と前記標的ガイドとの画像を発生させる光増幅管と、
(e)計算システムとを含み、該計算システムは、
(i)前記少なくとも1個の標的ガイド孔の位置をその画像から計算する第1の位置局在モデュールと、
(ii)前記少なくとも1個の標的孔の位置をその画像から計算する第2の位置局在モデュールと、
(iii)前記少なくとも1個の標的ガイド孔と、前記少なくとも1個の標的孔との間の空間的位置関係を決定するように適合されたレジストレーションユニットとを含む、画像システムが提供される。
(a)X線透視像のディストーション補正およびカメラ較正と、
(b)ターゲッティングドリルガイドの位置決定と、
(c)遠位固定釘孔軸の位置決定と、
(d)レジストレーションという4つの主要なステップからなることが一般的な、モデル利用法が用いられる。
指標の位置決定、ディストーション補正およびカメラ較正を含むロバスト性のある自動Cアーム較正アルゴリズムが提供される。前記アルゴリズムは、H. Livyatanらの “Robust automatic C−arm calibration for fluoroscopy−based navigation: a practical approach(透視法利用ナビゲーション用のロバスト性のある自動Cアーム較正の実用的アプローチ)”と題する、第5回医用画像処理及びコンピュータ外科に関する国際会議(MICCAI 2002、2002年10月、東京)の報告集(Elsevier Science Publishers,Amsterdam)の記事に説明されている。この新規なアルゴリズムは、X線透視像からディストーション補正およびカメラ較正のパラメーターを以下の3つのステップで計算する。
(i)前記アルゴリズムは、まず、画像較正リングの指標の投影の位置を決定し、これらを前記パターン既知の空間位置と対応させる。
(ii)次にディストーション補正パラメーターが計算される。
(iii)最後に較正パラメーター自体が計算される。
正確でロバスト性のある指標およびそのパターンの位置決定は、これに依存して他の全てのパラメーターが精度を提供するため、重要なステップである。このアルゴリズムは、指標の一部だけしか検出されないときであっても、デワーピング(dewarping)およびカメラ較正の組み合わせについてミリメートル以下の精度を達成することを可能にする。
次に参照する図7は、ターゲッティングドリルガイドの位置が決定される方法を例示するために、スーパーインポーズされた指標パターン計算線64とともに前記ターゲッティングドリルガイドを示す、別のX線透視像の模式図である。
(i)突出した円はHough変換を用いて検出され、前記突出した円から円形テンプレートが推論される。
(ii)前記指標が形態学的に除去されたもとの画像を含む新たな画像が生成される、
(iii)負の値を有するピクセル位置での前記円形テンプレートの正規化相互相関(NCC)値、別名Pearson連関係数が、前記指標球体の中心を決定するために計算される。この手順は、R.C.GonzalezおよびR.E.Woods著、“Digital Image Processing(デジタル画像処理)”、Prentice Hall、2002年、の第12章に説明されるとおり、周知である。前記伸長ハイブリダイゼーションおよびは、背景よりも暗く見えるため、このような位置が前記指標の可能性がある位置を構成する。
(iv)指標の探索は、例えば、Noordmans H.J.らの“Detection and characterization of isolated and over−lapping spots”、Computer Vision and Image Understanding、70巻、1号、1998年の記事に説明される検出および特徴付けの方法のような、当業者に知られた方法の1つを用いて、前記NCC値の極大値の周囲の狭い領域で実行される。この手順は、部分的なオクルージョンを有する指標を含むが、完全なオクルージョンを有する指標は含まない、たいていの指標の検出を可能にする。次に、前記ターゲッティングドリルガイドのパターンの主軸および副軸が、好ましくは主成分分析(PCA)その他の適当な計算ルーティンを用いて、前記指標の位置から決定される。
次に参照する図8は、前記遠位固定孔の位置が決定される好ましい方法を例示するために、前記釘をその遠位固定孔およびスーパーインポーズされた釘の長手方向の輪郭線66とともに示す、別のX線透過像の模式図である。
前記遠位固定釘孔は円としてモデル化され、X線透視カメラはピンホールカメラとしてモデル化される。このモデルによると、空間中の円は、カメラの視線方向が前記円の面に垂直のときには、画像中で円にマップされる。これは、前額平行な撮像設定を必要とする。前額平行設定の利用は、本発明のこの好ましい方法のレジストレーション手順を単一の2次元画像から実行することを可能にする。この設定を達成するためには、X線技師は、前記遠位固定釘孔が円にできるだけ近く見えるまで前記釘を複数の配向で撮像する。孔の真円度の測定は、上記ステップ(c)で決定されるように、前記孔のエッジ要素のデータポイントにフィッティングされる前記楕円のアスペクト比である。1に近い比が達成されると、1に対する近似度が、実際に要求される精度に応じて予め定められた条件によって判定され、前記ターゲティングドリルガイドが撮像視野に導入され、追加の画像が得られる。前記ドリルガイド孔の軸と、前記遠位固定釘孔の軸との間の厳密な変換は、以下の方法によって計算される。前記ドリルガイドの寸法がわかっており、前記ロボットの頂部に対する前記ドリルガイドのスライドヘッドの取り付け位置がわかっているという意味で、前記ターゲティングドリルガイドは予め較正されているため、ロボット座標系から前記ターゲティングドリルガイドへの変換もわかっている。前記ターゲティングドリルガイドとCアーム透視カメラとの間の変換は、外在的なカメラのパラメーターと、前記ターゲティングドリルガイドの既知の幾何学的特性とから決定される。前記ドリルガイド孔の軸と前記遠位固定釘孔の軸とを一致させるためには、前記ロボットは、まず、上記のとおり前記ドリルガイド孔の軸をカメラの軸に整列するように配向させ、それから、上記の計算に従って、前記ターゲティングドリルガイド孔の軸と前記遠位固定釘孔の軸とが一致するまで側面方向に平行移動する。前記ロボットは、側面および必要な角度の両方の整列ができるのに十分な程度の運動の自由度を提供する。
12 脚
14 髄内釘
15 近位釘ヘッド
16 遠位固定釘孔
17 支持ロッド
18 遠位固定釘孔
20、22 固定螺子
24 螺子回し
30 ロボット
31 予定位置固定用ピンおよび孔
32 天板
33 スライドヘッド
34 基板
35 取り付けピン
36 ターゲッティングドリルガイド
38 連結ブロック
39 拡張基板
40、42 ドリルガイド孔
50 手術台
52 Cアーム
54 X線源
55 透視像増幅器
56 画像較正リング
60、62 指標のセット
64 指標パターン計算線
66 輪郭線
68 最大数のエッジ要素を含む場所
70 ドリルヘッド
71 透視像ディストーション補正およびカメラ較正ユニット
72 ガイドドリルビット
73 標的ガイド位置決定モデュール
74 計算システム
75 標的位置決定モデュール
76 モニタ
77 標的ガイド−標的レジストレーションモデュール
78 ロボット制御器カード
80 コネクタ板
82、84 予め掘削された孔
88 骨幹
90 大腿骨頭
92 ドリルガイド
94 ドリルガイド孔
98 ドリル孔
Claims (39)
- 骨に連結されたロボットと、該ロボットに運搬されるドリルガイド板と、画像システムと、計算システムと含む、外科手術システムであって、
前記骨には、整形外科用インサートが付着し、該インサートは、前記骨に取り付けるための少なくとも1個の予め掘削された孔を有し、
前記ドリルガイド板は、ドリルを前記骨の中に入れて、前記少なくとも1個の予め掘削された孔を貫通して誘導するための少なくとも1個の孔を有し、
前記画像システムは、前記ドリルガイド板と、前記少なくとも1個の予め掘削された孔とを含む、少なくとも1枚の画像を生成し、
前記計算システムは、前記ドリルガイド板によって画定される前記少なくとも1個の孔の軸が、前記インサートによって画定される前記少なくとも1個の予め掘削された孔の軸と実質的に共線的に整列されるように、前記少なくとも1枚の画像からのデータを前記ロボットを整列するために利用する、外科手術システム。 - 前記ドリルガイド板によって画定される前記少なくとも1個の孔の軸が、前記少なくとも1個の予め掘削された孔の軸と、側面方向および角度配向の両方で実質的に共線的に整列される、請求項1に記載の外科手術システム。
- 前記ドリルガイド板は、予め定められたパターンで配設される複数の指標を含む、請求項1または2のいずれかに記載の外科手術システム。
- 前記画像システムは、前記ドリルガイド板を前額平行配向で撮像するように、前記ロボットによって前記ドリルガイド板を整列するために前記複数の指標を利用する、請求項3に記載の外科手術システム。
- 前記画像システムは、前記少なくとも1個の予め掘削された孔を前額平行配向で撮像するように整列される、請求項1ないし4のいずれかに記載の外科手術システム。
- 前記計算システムは、前記画像システムの1枚の画像だけからのデータを利用することによって前記ロボットを整列する、請求項5に記載の外科手術システム。
- 前記ロボットは前記骨に直接取り付けられる、請求項1ないし6のいずれかに記載の外科手術システム。
- 前記ロボットは前記骨に付着する前記インサートに取り付けられる、請求項1ないし6のいずれかに記載の外科手術システム。
- 前記ロボットは、前記骨の位置を追跡することが不必要になるように、前記骨に対する姿勢を維持する、請求項1ないし8のいずれかに記載の外科手術システム。
- 前記ロボットは、前記骨の固定が不必要になるように、前記骨に対する姿勢を維持する、請求項1ないし8のいずれかに記載の外科手術システム。
- 前記骨は長骨で、前記整形外科用インサートは髄内釘で、前記少なくとも1個の予め掘削された孔は遠位固定孔である、請求項1ないし10のいずれかに記載の外科手術システム。
- 前記ロボットは前記髄内釘の近位端に取り付けられる、請求項11に記載の外科手術システム。
- 前記整形外科用インサートは外部から取り付けられたコネクタ板で、前記少なくとも1個の予め掘削された孔は連結孔である、請求項1ないし10のいずれかに記載の外科手術システム。
- 前記骨は大腿骨で、前記コネクタ板は経皮的な圧縮板で、前記連結孔は、前記コネクタ板を大腿骨の骨幹に連結するための螺子を受け入れる、請求項13に記載の外科手術システム。
- 前記骨は大腿骨で、前記コネクタ板は経皮的な圧縮板で、前記連結孔は、骨折した大腿骨頭を大腿骨幹に連結するための螺子を受け入れる、請求項13に記載の外科手術システム。
- 前記画像システムは、画像ディストーション補正およびカメラ較正のうちの少なくとも1つを可能にするように適合された、較正リング組立体付きの光増幅管を含む、請求項1ないし13のいずれかに記載の外科手術システム。
- 前記ロボットはミニチュアパラレルロボットを含む、請求項1ないし16のいずれかに記載の外科手術システム。
- 前記ロボットは、基板部材に取り付けられた少なくとも3個のアクチュエータを含み、前記アクチュエータは並進運動および回転運動のうちの少なくとも1つのために配置される、請求項17に記載の外科手術システム。
- 放射線源と、標的ガイドと、ロボットと、光増幅管と、計算システムとを含む画像システムであって、
前記放射線源は撮像する標的を照射するためのものであって、前記標的は少なくとも1個の予め定められた孔を有し、
前記ロボットの上には、前記少なくとも1個の標的ガイド孔の軸と、前記少なくとも1個の標的孔の軸とを一致させるために、前記標的ガイドが取り付けられ、
前記光増幅管は前記標的および前記標的ガイドの画像を生成し、
前記計算システムは、前記少なくとも1個の標的ガイド孔の位置をその画像から計算する第1の位置決定モデュールと、前記少なくとも1個の標的孔の位置をその画像から計算する第2の位置決定モデュールと、前記少なくとも1個の標的ガイド孔と、前記少なくとも1個の標的孔との間の空間的位置関係を決定するために適合したレジストレーションユニットとを含む、画像システム。 - 前記少なくとも1個の標的ガイド孔と前記少なくとも1個の標的孔との間の空間的位置関係を決定する前記レジストレーションユニットが2次元画像のみを利用するように、前記光増幅管が前額平行設定で整列される、請求項19に記載の画像システム。
- 前記光増幅管は、前記少なくとも1個の標的孔の画像が最小の楕円形状を有する時を決定することによって、前額平行設定で整列される、請求項20に記載の画像システム。
- 前記光増幅管は、ディストーション補正およびカメラ較正の機能を取り込んでいる、請求項19に記載の画像システム。
- ディストーション補正およびカメラ較正のための較正リング組立体を含む、請求項19に記載の画像システム。
- 前記標的ガイドは、予め定められたパターンの指標を含み、該指標の画像は、前記少なくとも1個の標的ガイド孔の位置を計算する第1の位置決定モデュールによって利用される、請求項19に記載の画像システム。
- 前記少なくとも1個の標的ガイド孔の位置を計算する第1の位置決定モデュールは、
(i)指標位置決定器および位置テンプレート決定器と、
(ii)前記指標の位置が形態学的に除去された少なくとも1枚の前記標的ガイドの画像を含む、前記標的ガイドの新たな画像を生成する画像生成器と、
(iii)前記指標の中心を決定する、負の値を有するピクセル位置での前記テンプレートについての正規化相互相関計算器と
(iv)前記正規化相互相関計算器によって見つかった極大値周辺の狭い領域を見るための指標探査器と、
(v)前記(iv)において決定される前記指標の位置から標的ガイドの位置を決定するための位置決定器とを含む、請求項24に記載の画像システム。 - 前記指標位置決定器および位置テンプレート決定器は、Hough変換法を利用する、請求項25に記載の画像システム。
- 前記位置決定器は主成分分析法を利用する、請求項25に記載の画像システム。
- 前記少なくとも1個の標的孔の位置をその画像から計算する前記第2の位置決定モデュールは、
(i)前記標的の長手方向の輪郭線を決定するためにエッジ検出ルーティンを用いる、輪郭線位置決定器と、
(ii)前記孔の寸法と類似の寸法を有し、前記輪郭線の上を移動するウィンドウにおける最大数のエッジ要素を有する領域のための検出器を用いて、前記標的の画像における前記長手方向の輪郭線の間の領域での孔の位置を決定する、孔探索器と、
(iii)前記検出された領域のそれぞれにおける前記エッジ要素のための楕円フィッタとを含む、、請求項19に記載の画像システム。 - 前記エッジ検出ルーティンは、サブピクセルエッジ位置決定機能付きのCannyエッジ検出器である、請求項19に記載の画像システム。
- 前記少なくとも1個の標的ガイド孔と、前記少なくとも1個の標的孔との間の空間的位置関係を決定するように適合した前記レジストレーションユニットは、
前記標的孔の前記少なくとも1枚の画像が、最小の楕円形状を有するように、前記光増幅管を前額平行配置にする整列器と、
前記標的ガイド孔の前記少なくとも1枚の画像が最小楕円形状を有するような、標的ガイド整列器ルーティンと、
前記標的ガイド孔の軸と、前記標的孔の軸との位置が一致するような、標的ガイド側面方向平行移動器とを含む、請求項19に記載の画像システム。 - 画像システムにおいて、標的ガイドによって画定される孔の軸の位置と、前記標的によって画定される孔の軸の位置とを一致させる方法であって、
前記標的ガイド孔の位置を該標的ガイド孔の少なくとも1枚の画像から決定するステップと、
前記標的孔の軸を該標的孔の少なくとも1枚の画像から決定するステップと、
位置決定された前記標的ガイド孔を前記標的孔の軸とともにレジストレーションするステップとを含む、標的ガイドによって画定される孔の軸の位置と、前記標的によって画定される孔の軸の位置とを一致させる方法。 - 最初に、前記標的ガイド孔と前記標的孔との画像を得るために利用される画像システムの画像ディストーション補正およびカメラ較正を行うステップを含む、請求項31に記載の方法。
- 前記標的ガイドは予め定められたパターンの指標を含み、前記標的ガイド孔の位置を決定するステップは、前記標的ガイドにおける指標の画像上の位置を決定するステップによって実行される、請求項31および32のいずれかに記載の方法。
- 前記標的ガイドにおける指標の画像上の位置を決定するステップは、
(i)前記指標の位置を検出してその位置からテンプレートを推論するステップと、
(ii)前記指標の位置が形態学的に除去された前記標的ガイドの少なくとも1枚の画像を含む、前記標的ガイドの新たな画像を生成するステップと、
(iii)前記指標の中心を決定するために、負の値を有するピクセル位置での前記テンプレートの正規化相互相関値を計算するステップと、
(iv)前記正規化相互相関の極大値周辺の狭い領域における指標を探索するステップと、
(v)前記ステップ(iv)で決定された指標の位置から前記標的ガイドの位置を決定するステップとを含む、請求項33に記載の方法。 - 前記指標の位置を検出するステップは、Hough変換を用いて実行される、請求項34に記載の方法。
- 前記指標の位置から前記標的ガイド位置を決定するステップは、主成分分析法を用いて実行される、請求項34に記載の方法。
- 前記標的孔の軸を該標的孔の少なくとも1枚の画像から位置決定するステップは、
(i)エッジ検出ルーティンを用いて、前記標的の長手方向の輪郭線の位置を決定するステップと、
(ii)前記輪郭線の上を移動する、前記孔の寸法と類似の寸法を有するウィンドウにおける最大数のエッジ要素を有する領域を検出することによって、前記標的の画像での前記長手方向の輪郭線の間の領域における孔を探索するステップと、
(iii)検出された領域のそれぞれにおける前記エッジ要素に楕円をフィッティングするステップとによって実行される、請求項31または32のいずれかに記載の方法。 - 前記エッジ検出ルーティンは、サブピクセルエッジ位置決定機能付きのCannyエッジ検出器である、請求項37に記載の方法。
- 位置決定された前記標的ガイド孔を前記標的孔の軸とともにレジストレーションするステップは、前記標的孔の少なくとも1枚の画像が最小の楕円形状を有するように、前記画像システムを前額平行配置に調整するステップと、
前記標的ガイド孔の少なくとも1枚の画像が最小の楕円形状を有するように、前記標的ガイドを整列させるステップと、
前記標的ガイド孔の軸と前記標的孔の軸との位置が一致するように、前記標的ガイドを側面方向に平行移動するステップとによって実行される、請求項31または32のいずれかに記載の方法。
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