JP2006523477A - ２つの骨の関節点を決定するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

少なくとも２つの非平行な回転軸を中心として互いに旋回するために関節により接続される２つの骨の関節点を決定するための方法であって、前記２つの骨が互いに移動され、一方の骨に含まれる１点の他方の骨に設けられた基準系における動作を記述する測定値が記録され、且つ、経路の複数の部分又は連続的に記録される複数の経路の各々について、前記動作を回転として記述する回転軸が前記測定値から決定される方法により関節点を決定する精度を改善するために、次のことが提案される。即ち、上記のようにして決定される向きの異なる回転軸の方向偏差が計算され、この回転軸の方向偏差が特定の値を超える場合にのみ向きの異なる前記回転軸から関節点が計算されること、である。

Description

本発明は、少なくとも２つの非平行な回転軸を中心として互いに旋回するために関節により接続される２つの骨の関節点を決定するための方法に関する。この方法においては、これら２つの骨が互いに動かされ、一方の骨に含まれる１点の他方の骨に設けられた基準系における動作を記述する測定値が記録され、且つ、経路の複数の部分又は連続的に記録される複数の経路の各々について、前記動作を回転として記述する回転軸が前記測定値から決定される。

特定の条件の下では、解剖学的関節点の位置は、関節点で互いに旋回される骨を互いに動かし、この動作を分析することにより決定することができる。例えば、ナビゲーションシステムを用いて、記録された経路曲線から関節点の位置を計算することにより決定することができる。例えば、股関節のような球窩関節として構成される関節については、これは何の問題もなく可能である。このような方法は、特にEP 0 969 780 B1に記載されている。

しかしながら、純粋な球窩関節として構成されない、略蝶番関節又は蝶番型関節である関節については、関節点を正確に決定することは一層困難である。なお、関節が純粋な蝶番関節である場合、固定された回転軸はあるが、中心となる関節点はない。従って、このような関節においてこのような関節点を決定することには意味がない。

哺乳類の身体にある蝶番関節又は蝶番型関節の大部分は、次のように構成される。即ち、１つの回転軸を中心に旋回するだけでなく、少なくとも限られた範囲では第２の回転軸を中心に旋回することもできるように構成される。例えば膝関節がこれに当てはまる。脛骨は、横軸を中心とする通常の旋回動作に加えて、僅かではあるが縦軸を中心に旋回することも可能である。このため、２つの互いに垂直を成す回転軸が存在すると言って過言でない。これらの回転軸が共同で膝の関節点を決定する。この膝関節点を中心にあらゆる動作が生まれる。上記２つの回転軸を中心とする回転から重畳的な動作として形成される場合であっても、このことに変わりはない。

これらの場合には関節点を決定することは可能であるものの、関節点を決定し得るためには、上記２つの回転軸を中心として実際に双方の骨を互いに旋回させることも必要である。２つの回転軸の一方のみを中心とする旋回動作では不十分である。というのも、１つの回転軸だけが決定されても、この回転軸に沿って関節点が定義されないからである。
DE 694 24 416 T2 US 5,249,581 A WO 00/48507 A1 EP 0 969 780 A WO 02/47599 A WO 02/17798 A

本発明の目的は、２つの骨を動かして関節点を所望の精度で決定することができるよう、このタイプの方法を実施することである。

この目的は、上述したタイプの方法について、本発明に従い次のようにすることで達成される。即ち、上記のようにして決定される向きの異なる回転軸の方向偏差が計算され、この回転軸の方向偏差が特定の値を超える場合にのみ向きの異なる前記回転軸から関節点が計算されること、である。

従って、本発明は次のような認識に基づくものである。即ち、実際に決定される回転軸は全て、関節に固有の回転軸を重ね合わせることにより形成される、との認識である。例えば膝であれば、一方を膝の屈曲軸とし、第２の回転軸としての脛骨の長手軸を他方として、これらを重ね合わせることにより形成される、という認識である。この方向の偏差は、これら２つの主回転軸の成分が向きの異なる回転軸にどの程度表されているかを示す尺度である。全ての回転軸が略平行となるように関節が動かされるだけであれば、関節点を決定することは不可能である。向きの異なる回転軸の互いからの偏向の度合が大きいほど、求める関節点を両軸の交わりを介して定義する際の精度は高くなる。

従って又、上記回転軸の互いとの方向における差異が余りに小さい測定、即ち、関節点の位置を正確に決定することができない測定は、上記偏差の決定により除くことが可能である。逆に、上記回転軸の異なる向きが互いから十分に偏っており、このため大きな違いがない場合には、関節点について確実な値が計算される。

従って又、上記動作の記録に当たっては、２つの骨の動作が２つの主軸を中心に正確に行われることを確保する必要はなく、記録される上記回転軸の方向偏差が主回転軸双方の成分が十分に考慮されていることを確認し得るくらいに大きければ十分である。このため、例えば、任意の所望の方法で脛骨を大腿骨に対して動かすことが可能である。この場合、膝により与えられる自由度を利用して十分な偏差が生じたなら、関節点を確実に決定し得ることが保証される。

原則として、互いに動かされる２つの骨の経路曲線から向きの異なる回転軸を決定するために、様々な方法が使用可能である。

特に好適な方法では、次のようにされる。即ち、２つの骨を互いに動かす間に異なる相対位置において一方の骨の他方の骨に設けられた基準系における瞬間方向が決定され、この瞬間方向について瞬間回転軸が計算され、且つ、この瞬間回転軸がその骨の想定される基準方向から前記瞬間方向までの回転に対応すると共に、これら瞬間回転軸の偏差に基づいて方向偏差が決定される。

実行される動作の方向偏差がディスプレイ上に表示されると有利である。この場合、上記回転軸の方向偏差が十分に大きいか否かを即座に知ることができ、もし仮にそうでない場合は、上記動作のコースを変えることにより上記偏差が所望の値に達することを確実にすることができる。

上記方向偏差が特定の値に達しない限り関節点の決定が妨げられると好ましい。このようにすると、関節点の決定に誤りのないことが確信される。

一方の骨の他方の骨に設けられた基準系における動作を決定するために、この一方の骨の他方の骨に対する位置がナビゲーションシステムを介して追跡され、且つ、前記一方の骨にマーキング要素が固定されると有利である。２つの骨を互いに動かす間前記他方の骨が固く保持されていると、一方の骨の他方に対する経路曲線を容易に記録することができる。

マーキング要素が上記他方の骨にも固定されるのであれば、この他方の骨を固く保持する必要はない。

この方法は、脛骨を大腿骨に対して動かすことにより膝関節に対して特に有利に実施することができる。

本発明は更に、次のものを有する上述の方法を実施するための装置に関する。即ち、ナビゲーションシステム、前記ナビゲーションシステムの少なくとも１つのマーキング要素であって一方の骨に固定可能であるもの、及び、経路の一部又は連続的に記録される複数の経路の各々について、上記動作を回転として記述する回転軸を記録される測定値から決定するデータ処理ユニット、である。

又、このような装置により関節（球窩関節として構成されない）において関節点を確実に決定することができるために、次のことが提案される。即ち、上記データ処理ユニットが、上記のようにして決定される向きの異なる回転軸の方向偏差を計算し、且つ、この回転軸の方向偏差が特定の値を超える場合にのみ向きの異なる前記回転軸から関節点を計算する、ということである。

特に、２つの骨を互いに動かす間に異なる相対位置において上記データ処理ユニットが一方の骨の他方の骨に設けられた基準系における瞬間方向を決定し、この瞬間方向について瞬間回転軸を計算し、且つ、この瞬間回転軸がその骨の想定される基準方向から前記瞬間方向までの回転に対応すると共に、上記データ処理ユニットがこれら瞬間回転軸の偏差に基づいて上記方向偏差を決定する。

上記データ処理ユニットが関連するディスプレイを有し、このディスプレイ上に実行される動作の方向偏差が表示されると好ましい。

好適な実施形態によれば、上記方向偏差が特定の値に達しない限り、上記データ処理ユニットは関節点の決定を妨げるようになっている。

上記ナビゲーションシステムは、骨の双方にそれぞれ関連するマーキング要素を有することが可能である。

より詳しく説明するために、図面と関連させつつ、本発明の好適な実施形態を次に記載する。

手術台１の上には患者２が横たわる。この患者の膝関節３の関節点が決定されなければならない。図に示したのは、大腿骨４及び脛骨５である。これらの骨は膝関節３を介して互いに旋回される。大腿骨４と脛骨５の双方に、マーキング要素６及び７がそれぞれ取り付けられる。マーキング要素６及び７は、既知の方法で手術室にセットアップされたナビゲーションシステム８と相互に作用する。マーキング要素６、７はそれぞれ、互いから離隔された３つの基準体９を搭載する。これら基準体はそれぞれ電磁放射線を送信する又は自らに入射する電磁放射線（例えば、赤外線）を反射する。この放射線は、互いに距離を置いて配されるナビゲーションシステム８の３つの受信器１０により記録される。このようにして、マーキング要素６、７の正確な位置及び向きをナビゲーションシステムにより空間的に決定することができる。個々の位置に対応するデータセットがナビゲーションシステム８からデータ処理ユニット１１に供給され、データ処理ユニット１１がこれらのデータ及びこれらデータから導出されるデータをディスプレイ１２上に表示することができる。

図２は、脛骨５が大腿骨４に対してどの動作を実行し得るかを示す。この動作は、大腿骨及び脛骨の長手方向と直交する方向に延びる屈曲軸１３を中心とした略蝶番状の旋回動作、更には、脛骨５の長手軸１４を中心とする回転である。この長手軸１４を中心とする回転は、限定的であり、比較的小さな角度範囲でのみ可能である。これに対し、屈曲軸１３を中心とする旋回は、明らかに９０゜を超える角度をカバーし得る。

膝関節３の関節点１５は、屈曲軸１３と長手軸１４との交点から決定することができる。これら２つの軸が正確には交わらずに互いの極めて近くを通るだけの場合、この点を、２軸の間のこれら軸に可能な限り近いところに存在する点として定義することも可能である。

この関節点１５の位置を脛骨の大腿骨に対する動作のみから決定し得るために、脛骨５は大腿骨４に対して次のように動かされる。即ち、この動作が、膝の純粋な屈曲のみから成るのではなく、長手軸１４を中心とする回転動作の成分も含むように、つまり、２つの骨が互いに可能な限り不規則な動作を行うように動かされる。この場合、前記動作がいかにして正確に進行するかを動かす人間が気遣う必要はない。

マーキング要素６、７は大腿骨と脛骨の双方にそれぞれ固定されるため、大腿骨４は随意に動かすことができる。上記データ処理ユニットは、大腿骨４上のマーキング要素６及び脛骨５上のマーキング要素７の動作から脛骨と大腿骨の相対動作、従ってマーキング要素７及びこれに伴う脛骨５の各位置を大腿骨固有の基準系において決定することができる。

この大腿骨固有の基準系におけるマーキング要素７の動作曲線から、この動作の回転軸をそれ自体既知であるアルゴリズムを用いて決定することができる。従って、平均回転軸は、例えばマーキング要素７の異なる位置及び向きを平均化することにより上記経路曲線から決定される。脛骨を大腿骨に対して連続的に動かすと、通常、これら回転軸は相違する。この違いは、脛骨が大腿骨に対してどのように動かされたかによる。但し、膝関節の場合、これらの回転軸は、通常、屈曲軸１３と余り相違しない。というのも、この屈曲軸を中心とする動作が長手軸１４を中心とする回転よりもかなり大きな角度範囲をカバーし得るからである。こうして決定される回転軸は、例えばダブルコーン１６内に存在する。このダブルコーンの長手軸は上記屈曲軸と一致しており、その先端が求める関節点１５を表す。

ダブルコーン１６の頂角が非常に小さい場合、即ち、このようにして決定される上記回転軸の互いからの偏差が小さい場合、この関節点１５は非常に不正確にしか決定することができない。ダブルコーン１６の上記角度がより大きければ、関節点１５の正確な位置をより正確に決定することが確実にされる。ダブルコーン１６のより大きな角度は、上記のようにして決定される上記回転軸のより大きな方向偏差に対応する。

データ処理ユニット１１は、上記回転軸の個々の向きより方向値の互いからの偏差又は発散を決定し、これを所定の基準値と比較する。上記偏差がこの基準値を下回る場合、この測定値は関節点を計算するために使用されない。というのも、ダブルコーン１６の角度に対応する偏差が余りに小さく、関節点１５の不正確な詳細しか取得できないからである。この関節点は、上記偏差が所定の値を超える場合にのみ、上述した方法で計算される。

上記偏差の値は、ディスプレイ２２上に表示することができる。このため、脛骨の大腿骨に対する動作が２つの旋回可能性を十分に考慮したか否か、即ち、この動作が十分に変則的であったか否かを何時でも読み取ることができる。上記偏差の閾値に未だ達していなければ、操作者は、脛骨の大腿骨に対する後続動作において、この動作が単一平面上の純粋な旋回動作から可能な限り大きく偏向することを確実にするだけでよい。

脛骨を大腿骨に対して連続的に動かすことにより向きの異なる回転軸を測定することは、基本的に可能である。別の方法として、１回だけ動かす間にこの動作の異なる成分を分析し、より多くの瞬間回転軸を計算するために使用することも可能である。

このために、大腿骨固有の基準系における脛骨５のマーキング要素７の向きが、動作シーケンス中に異なる位置でそれぞれ決定される。これを記号で表したものが、図４における複数の軸クロスである。これら軸クロスはそれぞれ、このマーキング要素７の位置、即ち基準方向Ｒに対する位置を特定する。この基準方向Ｒは、例えば、個々の向き全ての平均値から計算可能である。

動作シーケンス中のマーキング要素７の各位置について、上記データ処理ユニットが瞬間回転軸を計算する。特定の位置に対応する軸クロスがこの瞬間回転軸を中心とする回転を通じてのみ上記基準系の軸クロスに合わさるよう、前記瞬間回転軸は選択される。つまり、軸クロスＲに対応する基準位置に到達するために、マーキング要素７がどの軸を中心に回転されなければならないかが決定される。

このことは、上記経路曲線に沿って決定されるマーキング要素７の全ての位置について同様に行われる。これにより、向きの異なる瞬間回転軸が複数得られる。これらの瞬間回転軸については、その偏差が再度調べられる。偏差が十分に大きい場合、即ち、所定の閾値を超える場合、関節点１５の座標が、例えば、その交点の決定により又は他の数学的方法により計算される。

この場合には又、異なる瞬間方向の偏差が、このような計算が適切であるか否かの基準を上記測定に基づいて形成することが不可欠である。

当然ながら、この方法では、脛骨の大腿骨に対する動作を反復することも可能であるが、一般的に、脚の僅かな曲げ動作及び伸ばし動作で、関節点を極めて正確に決定するに十分な数の測定点を得ることができる。

ナビゲーションシステムとデータ処理ユニットとを有する、患者の膝関節点を決定するための装置の全体図。 大腿骨に対する脛骨の主回転軸の概略図。 向きの異なる膝関節の旋回軸の束を含む膝関節の概略図。 互いに旋回される骨の異なる向きの記録及びこの記録から導出可能な回転軸の位置の概略図。

Claims (12)

1. 少なくとも２つの非平行な回転軸を中心として互いに旋回するために関節により接続される２つの骨の関節点を決定するための方法であって、
   前記２つの骨が互いに移動され、一方の骨に含まれる１点の他方の骨に設けられた基準系における動作を記述する測定値が記録され、且つ、経路の複数の部分又は連続的に記録される複数の経路の各々について、前記動作を回転として記述する回転軸が前記測定値から決定されるものにおいて、
   上記のようにして決定される向きの異なる回転軸について方向偏差が計算され、且つ、前記回転軸の前記方向偏差が特定の値を超える場合にのみ向きの異なる前記回転軸から関節点が計算されることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   上記２つの骨を互いに動かす間に異なる相対位置において一方の骨の他方の骨に設けられた上記基準系における瞬間方向が決定され、且つ、前記瞬間方向について瞬間回転軸が計算されると共に、前記瞬間回転軸が前記骨の想定される基準方向から前記瞬間方向までの回転に対応すること、及び、
   前記瞬間回転軸の偏差に基づいて上記方向偏差が決定されること、
   を特徴とするもの。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、
   実行される上記動作の方向偏差がディスプレイ上に表示されることを特徴とするもの。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の方法において、
   上記方向偏差が特定の値に達しない限り、関節点の決定が妨げられることを特徴とするもの。
5. 請求項１〜４いずれかに記載の方法において、
   一方の骨の他方の骨に設けられた基準系における動作を決定するために、該一方の骨の該他方の骨に対する位置がナビゲーションシステムにより追跡され、且つ、該一方の骨にマーキング要素が取り付けられることを特徴とするもの。
6. 請求項５に記載の方法において、
   マーキング要素が上記他方の骨にも取り付けられることを特徴とするもの。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の方法において、
   上記一方の骨が脛骨であり且つ上記他方の骨が大腿骨であると共に、該骨が膝関節を介して互いに接続されることを特徴とするもの。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の方法を実施するための装置であって、
   ナビゲーションシステムと、前記ナビゲーションシステムの少なくとも１つのマーキング要素であって一方の骨に固定可能であるものと、経路の一部又は連続的に記録される複数の経路の各々について、上記動作を回転として記述する回転軸を記録される測定値から決定するデータ処理ユニットと、を備えるものおいて、
   前記データ処理ユニット（１１）が、上記のようにして決定される向きの異なる回転軸の方向偏差を計算し、且つ、前記回転軸の方向偏差が特定の値を超える場合にのみ向きの異なる前記回転軸から関節点を計算することを特徴とする装置。
9. 請求項８に記載の装置において、
   ２つの骨（４，５）を互いに動かす間に異なる相対位置において上記データ処理ユニット（１１）が、一方の骨（５）の他方の骨（４）に設けられた基準系における瞬間方向を決定し、且つ、前記瞬間方向について瞬間回転軸を計算すると共に、前記瞬間回転軸が前記骨（５）の想定される基準方向から前記瞬間方向までの回転に対応すること、及び、
   上記データ処理ユニット（１１）が、前記瞬間回転軸の偏差に基づいて上記方向偏差を決定すること、
   を特徴とするもの。
10. 請求項８又は９に記載の装置において、
    上記データ処理ユニット（１１）が関連するディスプレイ（１２）を有し、該ディスプレイ上に該データ処理ユニット（１１）が実行される上記動作の方向偏差を表示することを特徴とするもの。
11. 請求項８〜１０のいずれかに記載の装置において、
    上記データ処理ユニット（１１）が、上記方向偏差が特定の値に達しない限り関節点（１５）の決定を妨げることを特徴とするもの。
12. 請求項８〜１１のいずれかに記載の装置において、
    上記ナビゲーションシステム（８）が、骨の双方（４，５）にそれぞれ関連するマーキング要素（６，７）を有することを特徴とするもの。
    

Images