JP2008036248A - Vertebral pedicular arch probe navigation system and navigation method - Google Patents

Vertebral pedicular arch probe navigation system and navigation method Download PDF

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Takamiki Nagamune
高樹 長宗
Takatoshi Shimomura
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the establishment of a simple and accurate insertion/installation method of vertebral pedicular arch screw. <P>SOLUTION: The navigation system of a vertebral pedicular arch probe 11 is a system to navigate the insertion of the vertebral pedicular arch probe 11 in spinal reconstruction surgery, and has a transmission and reception ultrasonic transducer 12 provided at the tip of the vertebral arch pedicle probe 11, a measuring means to measure an ultrasonic echo in the boundary between a spongy bone 2 and a cortical bone 3 by using the ultrasonic transducer 12 when the vertebral pedicular arch probe 11 is inserted into the spongy bone 2 of the vertebral pedicular arch, an analysis means 13 to analyze the signal waveform of the ultrasonic echo measured by the measuring means, and a display means 14 to display the result of the measuring means and/or the result of the analysis means in real-time. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、脊柱再建術における脊椎椎弓根スクリュー設置などのための術中超音波モニタリングシステムおよび方法に関するものである。   The present invention relates to an intraoperative ultrasound monitoring system and method, such as for spinal pedicle screw placement in spinal reconstruction.

現在、脊柱再建術においては、CT(Computed Tomography;コンピュータ断層撮影)のMPR(Multi Planer Reconstruction;多断面再構成法により得られた断面)像により椎弓根径、刺入点、刺入角度などを正確に把握できるため、術前に椎弓根スクリュー設置可能部位の評価は可能となっている。しかしながら、これらのMPR像の画像情報だけでは、実際に手術中に安全かつ正確にスクリューを椎弓根に設置することは困難であるといった問題がある。   At present, in spinal column reconstruction, CT (Computed Tomography) MPR (Multi Planer Reconstruction), pedicle diameter, insertion point, insertion angle, etc. Therefore, it is possible to evaluate the site where the pedicle screw can be installed before the operation. However, only with the image information of these MPR images, there is a problem that it is difficult to safely and accurately place the screw on the pedicle in practice.

すなわち、脊柱再建術における椎弓根スクリューにおいては、脊椎椎弓根内に椎弓根スクリューを挿入・設置するために、脊椎椎弓根に骨孔を作成する必要がある。脊椎椎弓根は骨組織であり、その骨構造は主に外部の皮質骨とそれに内包される海綿骨とに二分されている。脊椎椎弓根内に椎弓根スクリューを挿入する際に、海綿骨側から挿入した椎弓根スクリューが周囲の薄い皮質骨を穿破すると、脊髄、椎骨動脈および神経根などの重要臓器を損傷してしまうリスクがある。   That is, in the pedicle screw in spine reconstruction, it is necessary to create a bone hole in the vertebra pedicle in order to insert and install the pedicle screw in the vertebra pedicle. The vertebral pedicle is a bone tissue whose bone structure is mainly divided into external cortical bone and cancellous bone contained therein. When inserting a pedicle screw into the vertebral pedicle, if the pedicle screw inserted from the cancellous bone pierces the surrounding thin cortical bone, it damages important organs such as the spinal cord, vertebral artery and nerve root There is a risk of doing so.

特に、頚椎においては解剖学的にサイズが小さいだけでなく、脊髄、椎骨動脈、神経根をその中に含有しており椎弓根スクリューの挿入・設置には常に神経血管損傷の可能性を伴う。頚椎においては、一度、脊髄損傷あるいは椎骨動脈損傷による脳幹梗塞や小脳梗塞などの損傷が生じると、もたらされる障害は甚大であり、頚椎椎弓根スクリューは全ての脊椎固定用術において最も正確な設置手技を要求されている。   In particular, the cervical spine is not only small in anatomical size, but also contains the spinal cord, vertebral artery, and nerve roots, and insertion and placement of the pedicle screw always involves the possibility of neurovascular damage . In the cervical spine, once injury such as brainstem infarction or cerebellar infarction due to spinal cord injury or vertebral artery injury, the resulting damage is enormous, and the cervical pedicle screw is the most accurate placement in all spinal fixation procedures A procedure is required.

一方で、脊柱再建術においては、固定用プレートの脊柱への固定強度はスクリューの挿入深度と相関することから、固定強度を高くするために椎弓根スクリューの椎弓根への挿入深度が大きいことが望まれる。しかし、椎弓根内では、海綿骨および周囲の皮質骨を合せても、直径4〜5mm程度しか、椎弓根スクリューを挿入できないという危険部位が存在する。このような危険部位があるため、より挿入深度が大きくするためには、椎弓根スクリューを正確に挿入する方法が要求されている。   On the other hand, in spine reconstruction, the fixation strength of the fixation plate to the spine correlates with the insertion depth of the screw, so that the insertion depth of the pedicle screw into the pedicle is large in order to increase the fixation strength. It is desirable. However, in the pedicle, there is a danger site that the pedicle screw can be inserted only about 4 to 5 mm in diameter even if the cancellous bone and the surrounding cortical bone are combined. Since there is such a dangerous part, in order to increase the insertion depth further, a method for accurately inserting the pedicle screw is required.

このような状況下、不安定頚椎病変に対する脊柱再建術において、椎弓根スクリューの簡便かつ正確な挿入・設置方法の確立が、必要不可欠となっているのである。   Under these circumstances, in spine reconstruction for unstable cervical vertebral lesions, it is essential to establish a simple and accurate method for inserting and installing a pedicle screw.

また、脊柱再建術において、術中にX線透過装置等を使用しているケースもあるが、2次元の画像情報だけでは熟練した脊椎外科医といえども誤刺入の可能性は否定できないという指摘がある。高度に熟練した脊椎外科医でも約5%以上の誤刺入ありとの報告がある。
すなわち、椎弓根スクリューを用いた手技では、1回の手術で4〜6本、多い場合は10本以上の椎弓根スクリューの刺入を行う。従って、約5%以上の誤刺入は患者にとって負担が大きいものと言える。
さらに、X線透視法ベースの脊椎ナビゲーションシステムなど先進的な医療機器の登場によりその設置手技の正確さが期待されたが椎弓根スクリューの誤刺入率は徒手的方法と変わらなかったと報告されている。
このような背景の下、簡便でコストパフォーマンスに優れた椎弓根スクリューの挿入・設置する方法が望まれている。
In spinal column reconstruction, there are cases where X-ray transmission devices are used during the operation, but it is pointed out that the possibility of erroneous insertion cannot be denied even by skilled spine surgeons with only two-dimensional image information. is there. Even highly skilled spine surgeons have reported about 5% or more false insertions.
That is, in a procedure using a pedicle screw, 4 to 6 pedicle screws are inserted in one operation, and more than 10 pedicle screws are inserted in many cases. Therefore, it can be said that about 5% or more erroneous insertion is a heavy burden on the patient.
Furthermore, it was reported that the accuracy of the installation procedure was expected due to the appearance of advanced medical devices such as a fluoroscopy-based spine navigation system, but the pedicle screw insertion rate was not different from the manual method. ing.
Under such a background, a simple and cost-effective method for inserting and installing a pedicle screw is desired.

ここで、従来から、骨診断装置として、少なくとも海綿骨を有する骨試料に出力したパルス状の超音波を入射させて海綿骨内を透過させる超音波発信部と、海綿骨内のある経路をそれぞれ透過した速度の速い第1波と遅い第2波を受信する超音波受信部と、この第1波と第2波の振幅比を測定して骨量の割合、または、骨質部分の体積比を測定する手段とからなる骨の超音波測定装置が知られている(例えば、特許文献1や特許文献2を参照。)。
この装置は、骨にパルス状の超音波を入射させると、海綿骨内のある経路をそれぞれ透過した2つのパルス波(先行する第1波と後進する第2波)に分かれ、この第1波と第2波は海綿骨内の骨質の割合によって振幅が変化するということを利用して、その比率を求めることによって骨量の割合を間接的に算出し、骨強度との相関関係を探索して、骨粗鬆症など骨の状態の診断を行うものである。
Here, conventionally, as a bone diagnostic device, an ultrasonic transmission unit that transmits pulsed ultrasonic waves that are output to a bone sample having at least cancellous bone and transmits through the cancellous bone, and a path in the cancellous bone, respectively. The ultrasonic wave receiving unit that receives the transmitted first wave and the slow second wave, and the amplitude ratio of the first wave and the second wave are measured to determine the bone mass ratio or the bone mass volume ratio. 2. Description of the Related Art Bone ultrasonic measuring devices including measuring means are known (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
When a pulsed ultrasonic wave is incident on a bone, this device is divided into two pulse waves (a first wave that precedes and a second wave that moves backward) that have passed through a certain path in the cancellous bone. And the second wave uses the fact that the amplitude changes depending on the bone quality ratio in the cancellous bone, and by calculating the ratio, the bone mass ratio is indirectly calculated, and the correlation with the bone strength is searched. Thus, diagnosis of bone condition such as osteoporosis is performed.

また一方で、安全な穿刺治療を実行可能な超音波診断装置として、被検体の体表面から体内の所定部位にかけての領域に挿入される穿刺針を使用する穿刺治療において領域のモニタリングに利用される超音波診断装置であって、領域に超音波を送信し被検体からの反射波を受信する超音波プローブと、反射波に基づいて組織を含む形態画像と血管構造を含む構造物画像とを合成した合成画像を生成する画像生成手段と、穿刺針の挿入の際に穿刺針が通過する経路又は穿刺針を擬似的に示す穿刺針ガイドマーカを生成し制御するマーカ制御手段と、合成画像と穿刺針ガイドマーカとを同時に画面に表示する表示手段と、表示手段の画面上において、少なくとも領域において穿刺針ガイドマーカが血管と接触しない穿刺ルートを指定する指定手段とを備え、マーカ制御手段は、指定手段からの指定に応答して、穿刺ルートに穿刺針ガイドマーカを移動させることができる装置が知られている(特許文献3)。
上記装置によれば、血管を避けた安全な穿刺ルートを穿刺針挿入前に決定することができ、操作者は、当該穿刺ルートを通過するように穿刺針を挿入することで、血管等を傷つけることなく穿刺羽針を腫瘍にまで到達させることができ、出血や転移を誘発させない安全な穿刺治療を実現し、操作者の負担を軽減させることができるものである。
On the other hand, as an ultrasonic diagnostic apparatus capable of performing a safe puncture treatment, it is used for monitoring a region in a puncture treatment using a puncture needle inserted into a region from a body surface of a subject to a predetermined site in the body. An ultrasound diagnostic apparatus that transmits ultrasound to a region and receives a reflected wave from a subject, and combines a morphological image including a tissue and a structure image including a blood vessel structure based on the reflected wave Image generating means for generating the synthesized image, marker control means for generating and controlling a puncture needle guide marker indicating the path or puncture needle through which the puncture needle passes when the puncture needle is inserted, the composite image and the puncture Display means for simultaneously displaying the needle guide marker on the screen, and designation means for designating a puncture route where the puncture needle guide marker does not contact the blood vessel in at least the region on the screen of the display means Comprising a marker control means is responsive to designation from the specified unit, the puncture needle guide markers it is possible to move the device is known to the puncture route (Patent Document 3).
According to the above apparatus, a safe puncture route that avoids blood vessels can be determined before insertion of the puncture needle, and the operator can injure blood vessels and the like by inserting the puncture needle so as to pass through the puncture route. Therefore, the puncture feather needle can reach the tumor without causing bleeding and metastasis, and a safe puncture treatment can be realized and the burden on the operator can be reduced.

特許第2863886号公報Japanese Patent No. 2863886 特開2005−204831号公報JP 2005-204831 A 特開2004−298476号公報JP 2004-298476 A

従来の脊柱再建術における椎弓根スクリューの挿入・設置方法は、高度に熟練した脊椎外科医においても、誤刺入のリスクがあるといった問題があった。   In the conventional spine reconstruction, the pedicle screw insertion / installation method has a problem that a highly skilled spine surgeon has a risk of erroneous insertion.

上記問題点に鑑み、本発明は、椎弓根スクリューの簡便かつ正確な挿入・設置方法の確立を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a simple and accurate insertion / installation method for a pedicle screw.

上記目的を達成するため、本発明の請求項1に記載の椎弓根プローブのナビゲーションシステムは、脊柱再建術における椎弓根プローブの挿入をナビゲーションするシステムであって、前記椎弓根プローブの先端部に設けられた送受信用の超音波トランスデューサと、前記椎弓根プローブが椎弓根の海綿骨内に挿入された際に、前記超音波トランスデューサを用いて、海綿骨と皮質骨との境界における超音波エコーを信号計測する計測手段と、前記計測手段により計測された超音波エコーの信号波形を解析する解析手段と、リアルタイムに前記計測手段の結果及び/又は前記解析手段の結果を表示する表示手段とを備えた構成とされたことを特徴としたものである。   In order to achieve the above object, a pedicle probe navigation system according to claim 1 of the present invention is a system for navigating insertion of a pedicle probe in spinal reconstruction, wherein the tip of the pedicle probe is provided. When the pedicle probe is inserted into the cancellous bone of the pedicle, the ultrasonic transducer is used at the boundary between the cancellous bone and the cortical bone. Measuring means for measuring the ultrasonic echo signal, analyzing means for analyzing the signal waveform of the ultrasonic echo measured by the measuring means, and display for displaying the result of the measuring means and / or the result of the analyzing means in real time And a means.

椎弓根スクリューを通すための骨孔を生成するために、挿入する椎弓根プローブの先端部に送受信用の超音波トランスデューサを設けることで、先端から数ミリ先の骨状態をリアルタイムに計測することで、脊髄、椎骨動脈および神経根などの重要臓器を損傷することなく直径約4〜5ミリの椎弓根内に骨孔を形成して椎弓根スクリューの設置を可能にすることができる。   In order to generate a bony hole for passing a pedicle screw, an ultrasonic transducer for transmission and reception is provided at the tip of the pedicle probe to be inserted, thereby measuring the bone state several millimeters ahead from the tip in real time. Thus, a bone hole can be formed in the pedicle having a diameter of about 4 to 5 mm without damaging important organs such as the spinal cord, vertebral artery, and nerve root, thereby enabling placement of the pedicle screw. .

次に、本発明の請求項2に記載の椎弓根プローブのナビゲーションシステムは、脊柱再建術における椎弓根プローブの挿入をナビゲーションするシステムであって、前記椎弓根プローブの後方部に設けられた送受信用超音波トランスデューサが、前記椎弓根プローブが椎弓根の海綿骨内に挿入された際に、前記送受信用超音波トランスデューサから送出された超音波が前記椎弓根プローブの長手方向に伝播し、前記椎弓根プローブの先端部から超音波が送出され、前記受信用超音波トランスデューサを用いて、海綿骨と皮質骨との境界における超音波エコーを信号計測する計測手段と、前記計測手段により計測された超音波エコーの信号波形を解析する解析手段と、リアルタイムに前記計測手段の結果及び/又は前記解析手段の結果を表示する表示手段とを備えた構成とされたことを特徴とする。   Next, a pedicle probe navigation system according to claim 2 of the present invention is a system for navigating insertion of a pedicle probe in spine reconstruction, and is provided at a rear portion of the pedicle probe. When the pedicle probe is inserted into the cancellous bone of the pedicle, the ultrasonic wave transmitted from the transmit / receive ultrasonic transducer is transmitted in the longitudinal direction of the pedicle probe. A measuring means for propagating and transmitting ultrasonic waves from the tip of the pedicle probe, and using the receiving ultrasonic transducer to measure ultrasonic echoes at the boundary between cancellous bone and cortical bone; and the measurement Analyzing means for analyzing the signal waveform of the ultrasonic echo measured by the means, and displaying the result of the measuring means and / or the result of the analyzing means in real time Characterized in that it is configured to include a display unit.

上記請求項1に記載の椎弓根プローブのナビゲーションシステムの構成と異なり、送受信用の超音波トランスデューサを堆弓根プローブの先端部ではなく、堆弓根プローブの後方部に配置する。具体的には、椎弓根プローブの後方部に送受信用超音波トランスデューサを設け、椎弓根プローブの形状を後方部直径を先端部直系よりも拡張し、しぼりをつける事で堆弓根プローブの挿入サイズよりもより大きなサイズの送受信用超音波トランスデューサを配置する。椎弓根プローブが椎弓根の海綿骨内に挿入された際に、送受信用超音波トランスデューサから送出された超音波が前記椎弓根プローブの長手方向に伝播し、椎弓根プローブの先端部から超音波が送出され、前記送受信用超音波トランスデューサを用いて、海綿骨と皮質骨との境界における超音波エコーを信号計測する計測するものである。
送受信用超音波トランスデューサが、椎弓根プローブの後方部に設けられるために、堆弓根プローブの形状を工夫する事で、送受信用超音波トランスデューサのサイズ等の制約が解放され、音波出力が増大でき、これにより感度を向上させることができる。
Unlike the configuration of the navigation system for the pedicle probe according to the first aspect, the transmission / reception ultrasonic transducer is arranged at the rear portion of the pedicle probe, not at the tip portion of the pedicle probe. Specifically, an ultrasonic transducer for transmission / reception is provided at the rear part of the pedicle probe, and the shape of the pedicle probe is expanded from the diameter of the posterior part of the pedicle probe to that of the tip part, and a squeezing is applied to the pedicle probe. A transmitting / receiving ultrasonic transducer having a size larger than the insertion size is arranged. When the pedicle probe is inserted into the cancellous bone of the pedicle, the ultrasonic wave transmitted from the transmitting / receiving ultrasonic transducer propagates in the longitudinal direction of the pedicle probe, and the distal end portion of the pedicle probe The ultrasonic wave is transmitted from the transmitter, and ultrasonic echoes at the boundary between the cancellous bone and the cortical bone are measured using the transmission / reception ultrasonic transducer.
Since the transmission / reception ultrasonic transducer is provided at the rear part of the pedicle probe, by devising the shape of the pedicle probe, restrictions such as the size of the transmission / reception ultrasonic transducer are released and the sound wave output increases. This can improve the sensitivity.

次に、本発明の請求項3に記載の椎弓根プローブのナビゲーションシステムは、上記請求項1又は2に記載の椎弓根プローブのナビゲーションシステムの解析手段において、前記椎弓根プローブが椎弓根の海綿骨内に挿入された際に、超音波エコーが無い状態を前記椎弓根プローブが海綿骨内を進行している状態と認識し、超音波エコーが2回ある状態を前記椎弓根プローブが海綿骨内を皮質骨に向かって進行している状態と認識し、超音波エコーが1回ある状態を前記椎弓根プローブが皮質骨内を進行している状態と認識し、その後に超音波エコーが無い状態を前記椎弓根プローブが皮質骨の外に表出した状態と認識することを特徴とする。   Next, the pedicle probe navigation system according to claim 3 of the present invention is the pedicle probe navigation system analyzing means according to claim 1 or 2, wherein the pedicle probe is a pedicle. When inserted into the cancellous bone of the root, the state in which there is no ultrasonic echo is recognized as the state in which the pedicle probe is progressing in the trabecular bone, and the state in which there is two ultrasonic echoes The root probe recognizes that it is progressing in the cancellous bone toward the cortical bone, and the state where there is one ultrasonic echo is recognized as the state where the pedicle probe is progressing in the cortical bone, and then It is characterized by recognizing a state where there is no ultrasonic echo as a state where the pedicle probe is exposed outside the cortical bone.

上記アルゴリズムにより、椎弓根プローブの先端部の位置状態を把握することができるのである。   With the above algorithm, the position state of the distal end portion of the pedicle probe can be grasped.

次に、本発明の請求項4に記載の椎弓根プローブのナビゲーションシステムは、上記請求項1〜3のいずれかに記載の椎弓根プローブのナビゲーションシステムの解析手段において、脊柱再建術を受ける患者の骨硬度および骨密度を少なくとも含む知識データベースを参照して、超音波エコーの受信感度を調整することを特徴とする。   Next, the pedicle probe navigation system according to claim 4 of the present invention is subjected to spinal reconstruction in the analysis means of the pedicle probe navigation system according to any one of claims 1 to 3. The reception sensitivity of the ultrasonic echo is adjusted with reference to a knowledge database including at least the bone hardness and bone density of the patient.

上記構成により、患者の状態に応じた骨診断情報から、より精度よく椎弓根プローブの先端部の位置状態を把握することができるのである。   With the above configuration, the position state of the distal end portion of the pedicle probe can be grasped with higher accuracy from the bone diagnosis information corresponding to the patient's state.

次に、本発明の請求項5に記載の椎弓根プローブのナビゲーションシステムは、上記請求項1〜4のいずれかに記載の椎弓根プローブのナビゲーションシステムの表示手段において、解析手段が、超音波エコーが無い状態からある状態と認識した場合に、アラーム告知することを特徴とする。   Next, a navigation system for a pedicle probe according to claim 5 of the present invention is the display means of the navigation system for a pedicle probe according to any one of claims 1 to 4, wherein the analysis means includes: An alarm is notified when it is recognized that there is no sound echo from a state.

上記構成により、安全に正確に椎弓根プローブを挿入することができる。   With the above configuration, the pedicle probe can be inserted safely and accurately.

また、本発明の請求項6に記載の椎弓根プローブのナビゲーション方法は、脊柱再建術における椎弓根プローブの挿入をナビゲーションする方法であって、前記椎弓根プローブの先端部に設けられた送受信用の超音波トランスデューサを用いて、前記椎弓根プローブが椎弓根の海綿骨内に挿入された際に、海綿骨と皮質骨との境界における超音波エコーを信号計測するステップと、計測された超音波エコーの信号波形を解析するステップと、リアルタイムに超音波エコーの信号計測の結果及び/又は解析結果を表示するステップとを備えたことを特徴とする。   A pedicle probe navigation method according to claim 6 of the present invention is a method for navigating insertion of a pedicle probe in spine reconstruction, and is provided at the distal end of the pedicle probe. When the pedicle probe is inserted into the cancellous bone of the pedicle using an ultrasonic transducer for transmission and reception, a step of measuring an ultrasonic echo at the boundary between the cancellous bone and the cortical bone, and measurement A step of analyzing the signal waveform of the ultrasonic echo, and a step of displaying the result of ultrasonic echo signal measurement and / or the analysis result in real time.

次に、本発明の請求項7に記載の椎弓根プローブのナビゲーション方法は、脊柱再建術における椎弓根プローブの挿入をナビゲーションする方法であって、前記椎弓根プローブの先端部に設けられた受信用超音波トランスデューサと前記椎弓根プローブの後方部に設けられた送信用超音波トランスデューサを用いて、前記椎弓根プローブが椎弓根の海綿骨内に挿入された際に、送信用超音波トランスデューサから送出された超音波が前記椎弓根プローブの長手方向に伝播し、前記椎弓根プローブの先端部から超音波が送出され、海綿骨と皮質骨との境界において受信用超音波トランスデューサで超音波エコーを信号計測するステップと、計測された超音波エコーの信号波形を解析するステップと、リアルタイムに超音波エコーの信号計測の結果及び/又は解析結果を表示するステップとを備えたことを特徴とする。   Next, a pedicle probe navigation method according to claim 7 of the present invention is a method for navigating insertion of a pedicle probe in spine reconstruction, which is provided at the distal end of the pedicle probe. When the pedicle probe is inserted into the cancellous bone of the pedicle using the receiving ultrasonic transducer and the transmitting ultrasonic transducer provided at the rear part of the pedicle probe, The ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer propagates in the longitudinal direction of the pedicle probe, the ultrasonic wave is transmitted from the distal end portion of the pedicle probe, and the ultrasonic wave for reception at the boundary between the cancellous bone and the cortical bone The steps of measuring the ultrasonic echo signal with a transducer, analyzing the measured ultrasonic echo signal waveform, and measuring the ultrasonic echo signal in real time. And characterized by comprising the steps of displaying / or analysis results.

次に、本発明の請求項8に記載の椎弓根プローブのナビゲーション方法は、上記請求項6又は7に記載の椎弓根プローブのナビゲーション方法の超音波エコーの信号波形を解析するステップにおいて、前記椎弓根プローブが椎弓根の海綿骨内に挿入された際に、超音波エコーが無い状態を前記椎弓根プローブが海綿骨内を進行している状態と認識し、超音波エコーが2回ある状態を前記椎弓根プローブが海綿骨内を皮質骨に向かって進行している状態と認識し、超音波エコーが1回ある状態を前記椎弓根プローブが皮質骨内を進行している状態と認識し、その後に超音波エコーが無い状態を前記椎弓根プローブが皮質骨の外に表出した状態と認識することを特徴とする。   Next, a pedicle probe navigation method according to claim 8 of the present invention is a step of analyzing a signal waveform of an ultrasonic echo of the pedicle probe navigation method according to claim 6 or 7, When the pedicle probe is inserted into the cancellous bone of the pedicle, the state in which there is no ultrasonic echo is recognized as the state in which the pedicle probe is traveling in the cancellous bone, and the ultrasonic echo is detected. The pedicle probe recognizes that the pedicle probe is traveling through the cancellous bone toward the cortical bone, and the pedicle probe travels through the cortical bone when there is one ultrasonic echo. It is characterized by recognizing that the pedicle probe is exposed to the outside of the cortical bone.

次に、本発明の請求項9に記載の椎弓根プローブのナビゲーション方法は、上記請求項6〜8のいずれかに記載の椎弓根プローブのナビゲーション方法の超音波エコーの信号波形を解析するステップにおいて、脊柱再建術を受ける患者の骨硬度および骨密度を少なくとも含む知識データベースを参照して、超音波エコーの受信感度を調整することを特徴とする。   Next, a pedicle probe navigation method according to claim 9 of the present invention analyzes a signal waveform of an ultrasonic echo of the pedicle probe navigation method according to any of claims 6 to 8. In the step, the reception sensitivity of the ultrasound echo is adjusted with reference to a knowledge database including at least bone hardness and bone density of the patient undergoing spinal reconstruction.

次に、本発明の請求項10に記載の椎弓根プローブのナビゲーション方法は、上記請求項6〜9のいずれかに記載の椎弓根プローブのナビゲーション方法の解析結果を表示するステップにおいて、超音波エコーが無い状態からある状態と認識した場合に、アラーム告知することを特徴とする。   Next, a pedicle probe navigation method according to claim 10 of the present invention includes a step of displaying an analysis result of the pedicle probe navigation method according to any of claims 6 to 9, wherein: An alarm is notified when it is recognized that there is no sound echo from a state.

本発明に係る椎弓根プローブのナビゲーションシステムおよび方法は、脊柱再建術の手術中にリアルタイムで計測できることから、高い安全性と正確性を保障することができるといった効果を有する。
また、本システムおよび方法自体は、超音波を利用するため、X線透過装置などを使用した際に生じる被爆リスクは一切ないという効果も有する。従来のX線透過装置等を併用すればより高い安全性が確保され得ることが期待できる。
Since the pedicle probe navigation system and method according to the present invention can be measured in real time during spine reconstruction surgery, it has the effect of ensuring high safety and accuracy.
In addition, since the present system and method itself use ultrasonic waves, there is also an effect that there is no risk of exposure that occurs when an X-ray transmission device or the like is used. If a conventional X-ray transmission device or the like is used in combination, it can be expected that higher safety can be secured.

以下、本発明の椎弓根プローブのナビゲーションシステムおよび方法の実施例について、以下、図面を参照しながら詳細に説明していく。   Hereinafter, embodiments of the navigation system and method of the pedicle probe of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、頚椎椎弓根スクリューを使用した頚椎再建術において、椎弓根スクリューを椎弓根内に刺入する様子を示している。椎弓根スクリューを刺入する箇所は、椎弓根の海綿骨の部位であり、その海綿骨は周囲が硬い皮質骨で覆われている。この海綿骨の部分に椎弓根スクリューを刺入していく。頚椎再建術においては、図1に示すように、椎弓根スクリューの刺入角度が15〜25度と狭角範囲であり、かつ、最も狭い通路部分は図中の矢印で示した箇所であり幅が4〜5mmと狭くなっている。また、狭い通路部分の近傍には椎骨動脈が存在しており、椎骨動脈損傷による脳幹梗塞などの重篤な手術合併症を回避しなければならないといった手技の困難さがある。そのため、かかる頚椎再建術を行うためには、熟練した脊椎外科医すら最も高度な技術を要求されている。   FIG. 1 shows how a pedicle screw is inserted into a pedicle in cervical vertebra reconstruction using a cervical pedicle screw. The place where the pedicle screw is inserted is a cancellous bone portion of the pedicle, and the cancellous bone is covered with a hard cortical bone. A pedicle screw is inserted into the cancellous bone. In cervical spine reconstruction, as shown in FIG. 1, the insertion angle of the pedicle screw is in a narrow angle range of 15 to 25 degrees, and the narrowest passage portion is a portion indicated by an arrow in the figure. The width is as narrow as 4-5 mm. In addition, a vertebral artery is present in the vicinity of the narrow passage portion, and there is a difficulty in a technique in which serious surgical complications such as brainstem infarction due to vertebral artery damage must be avoided. Therefore, in order to perform such cervical spine reconstruction, even a skilled spine surgeon is required to have the most advanced technology.

図2は、実施例1の椎弓根プローブのナビゲーションシステムの概略システム構成を示す模式図を示している。
実施例1の椎弓根プローブのナビゲーションシステムは、椎弓根プローブ11の先端部に設けられた送受信用の超音波トランスデューサ12と、椎弓根プローブ11が椎弓根の海綿骨2内に挿入された際に、超音波トランスデューサ12を用いて、海綿骨2と皮質骨3との境界における超音波(図中では模式的に超音波の波紋4で示している)のエコーを信号計測する計測手段(椎弓根プローブ11と超音波トランスデューサ12及びその信号を取扱う図示しない電源系統や信号系統の付帯回路をいう)と、計測手段により計測された超音波エコーの信号波形を解析する解析手段13と、リアルタイムに解析手段の結果を表示する表示手段14を備えている。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a schematic system configuration of the navigation system for the pedicle probe according to the first embodiment.
The pedicle probe navigation system according to the first embodiment includes a transmission / reception ultrasonic transducer 12 provided at the distal end of a pedicle probe 11 and the pedicle probe 11 inserted into the cancellous bone 2 of the pedicle. In this case, the ultrasonic transducer 12 is used to measure the echo of the ultrasonic wave (schematically shown by the ultrasonic ripple 4 in the figure) at the boundary between the cancellous bone 2 and the cortical bone 3. Means (referring to an unillustrated power supply system and signal system associated with the pedicle probe 11 and the ultrasonic transducer 12 and their signals) and an analysis means 13 for analyzing the signal waveform of the ultrasonic echo measured by the measuring means. Display means 14 for displaying the result of the analysis means in real time.

図2では、椎弓根プローブ11が、海綿骨2の内部に刺入されている様子を表している。椎弓根プローブ11は、椎弓根内に椎弓根スクリュー(図示せず)を挿入するための骨孔を形成するためのものである。椎弓根は骨組織であり、主に外部の皮質骨とそれに内包される海綿骨とに二分される。骨孔はこの海綿骨部分に設ける。
海綿骨側から挿入した椎弓根スクリューが薄い皮質骨を穿破すると、脊髄、椎骨動脈および神経根などの重要臓器を損傷してしまう恐れがあるので回避する必要がある。このため、実施例1の椎弓根プローブのナビゲーションシステムでは、椎弓根プローブ11の先端部に設けられた送受信用の超音波トランスデューサ12を用いて、椎弓根プローブ11が椎弓根の海綿骨2内に挿入された際に、海綿骨2と皮質骨3との境界における超音波のエコー(反射波)を信号計測することで、椎弓根プローブ11の進路が海綿骨2を真っ直ぐになっているかを判断することにしている。
FIG. 2 shows the pedicle probe 11 being inserted into the cancellous bone 2. The pedicle probe 11 is for forming a bone hole for inserting a pedicle screw (not shown) into the pedicle. The pedicle is a bone tissue that is mainly divided into external cortical bone and cancellous bone contained therein. A bone hole is provided in this cancellous bone portion.
When a pedicle screw inserted from the cancellous bone pierces thin cortical bone, important organs such as the spinal cord, vertebral artery and nerve root may be damaged, which should be avoided. For this reason, in the navigation system for the pedicle probe of the first embodiment, the pedicle probe 11 is connected to the pedicle sponge using the transmitting / receiving ultrasonic transducer 12 provided at the distal end portion of the pedicle probe 11. When inserted into the bone 2, by measuring the ultrasonic echo (reflected wave) at the boundary between the cancellous bone 2 and the cortical bone 3, the path of the pedicle probe 11 straightens the cancellous bone 2. It is decided to judge whether it is.

例えば、図2の場合、上記図1の説明で示したような椎弓根の最も狭い部分を椎弓根プローブ11が通過する際に、海綿骨2側から挿入した椎弓根プローブ11が薄い皮質骨3を穿破しないような海綿骨2内部を真っ直ぐに進行(刺入)する場合、椎弓根プローブ11の先端部に設けられた送受信用の超音波トランスデューサ12から発信される超音波からのエコーは計測されない。
しかし、図3の(a)〜(c)に示すように、椎弓根の最も狭い部分を椎弓根プローブ11が通過する際に、海綿骨2側から挿入された椎弓根プローブ11が薄い皮質骨3を穿破する角度で刺入される場合、椎弓根プローブ11の先端部に設けられた送受信用の超音波トランスデューサ12から発信される超音波からのエコーが計測されることとなる。
For example, in the case of FIG. 2, the pedicle probe 11 inserted from the cancellous bone 2 side is thin when the pedicle probe 11 passes through the narrowest portion of the pedicle as shown in the description of FIG. When the cancellous bone 2 that does not pierce the cortical bone 3 is advanced straight (inserted), ultrasonic waves transmitted from the transmitting / receiving ultrasonic transducer 12 provided at the distal end of the pedicle probe 11 are used. The echo is not measured.
However, as shown in FIGS. 3A to 3C, when the pedicle probe 11 passes through the narrowest portion of the pedicle, the pedicle probe 11 inserted from the cancellous bone 2 side is When the needle is inserted at an angle that penetrates the thin cortical bone 3, an echo from the ultrasonic wave transmitted from the transmitting / receiving ultrasonic transducer 12 provided at the distal end of the pedicle probe 11 is measured. Become.

この様子を以下に、より詳細に説明する。先ず、図3(a)では、海綿骨2側から挿入した椎弓根プローブ11が図2と異なり、海綿骨2と皮質骨3の境界壁に向かう角度で進行(刺入)している。この状態では、未だ超音波エコーは超音波トランスデューサ12で捉えることができていない。次に、図3(b)の状態になると、椎弓根プローブが、海綿骨2と皮質骨3の境界壁に接近し、超音波トランスデューサ12は、海綿骨とその周囲を取り巻く皮質骨との境界部分からのエコー(反射波)を捉える。
そして、図3(c)の状態になると、椎弓根プローブ11の先端部が、薄い皮質骨3の中に進入し、超音波トランスデューサ12は、皮質骨の外側と皮質骨との境界部分からのエコー(反射波)を捉えることとなる。
This will be described in more detail below. First, in FIG. 3A, the pedicle probe 11 inserted from the side of the cancellous bone 2 is advanced (inserted) at an angle toward the boundary wall between the cancellous bone 2 and the cortical bone 3, unlike FIG. In this state, the ultrasonic echo has not been captured by the ultrasonic transducer 12 yet. Next, when the state shown in FIG. 3B is reached, the pedicle probe approaches the boundary wall between the cancellous bone 2 and the cortical bone 3, and the ultrasonic transducer 12 is connected to the cancellous bone and the cortical bone surrounding the cancellous bone. Capture echoes (reflected waves) from the boundary.
In the state of FIG. 3C, the distal end portion of the pedicle probe 11 enters the thin cortical bone 3, and the ultrasonic transducer 12 starts from the boundary portion between the cortical bone and the cortical bone. The echo (reflected wave) is captured.

ここで、海綿骨と皮質骨との境界における超音波エコーには、海綿骨とその周囲を取り巻く皮質骨との境界部分からの反射波と、さらにその境界部分を越え皮質骨の外側と皮質骨との境界部分からの反射波の2種類存在する。
図3(b)の超音波トランスデューサ12が捉えたエコーは、海綿骨とその周囲を取り巻く皮質骨との境界部分からの反射波であり、図3(c)の超音波トランスデューサ12が捉えたエコーは、皮質骨の外側と皮質骨との境界部分からの反射波である。
Here, ultrasonic echoes at the boundary between the cancellous bone and the cortical bone include the reflected wave from the boundary portion between the cancellous bone and the cortical bone surrounding it, and the outside of the cortical bone beyond the boundary portion and the cortical bone. There are two types of reflected waves from the boundary part.
The echo captured by the ultrasonic transducer 12 in FIG. 3B is a reflected wave from the boundary between the cancellous bone and the cortical bone surrounding the cancellous bone, and the echo captured by the ultrasonic transducer 12 in FIG. Is a reflected wave from the boundary between the outside of the cortical bone and the cortical bone.

なお、エコー(反射波)の様子は、椎弓根プローブ11の刺入角度や海綿骨や皮質骨の状態によって異なってくる。
椎弓根プローブ11の刺入角度によっては、海綿骨とその周囲を取り巻く皮質骨との境界面に対して直角方向に近い状態となる場合、海綿骨とその周囲を取り巻く皮質骨との境界部分からの反射波と、さらにその境界部分を越え皮質骨の外側と皮質骨との境界部分からの反射波の2種類を計測できることになる。
従って、超音波エコーのパターンを解析することで、椎弓根プローブ11の位置、進行状態を推定し把握することができるのである。
The state of the echo (reflected wave) varies depending on the insertion angle of the pedicle probe 11 and the state of cancellous bone or cortical bone.
Depending on the insertion angle of the pedicle probe 11, the boundary portion between the cancellous bone and the cortical bone surrounding the cancellous bone and the cortical bone surrounding the cancellous bone when the state is close to a perpendicular direction to the interface between the cancellous bone and the cortical bone surrounding the cancellous bone It is possible to measure two types of waves: a reflected wave from the outside and a reflected wave from the boundary between the outside of the cortical bone and the cortical bone beyond the boundary.
Therefore, by analyzing the ultrasonic echo pattern, the position and progress of the pedicle probe 11 can be estimated and grasped.

次に、計測された超音波エコーの信号波形を解析する解析手段13について説明する。
解析手段13は、マイクロプロセッサを搭載した演算回路であり、その解析ロジックとしては、椎弓根プローブ11が椎弓根の海綿骨2内に挿入された際に、超音波エコーが無い状態を、椎弓根プローブ11が海綿骨2内を真っ直ぐに進行している状態と認識し、超音波エコーが1回乃至は2回ある状態を、椎弓根プローブ11が海綿骨2内を皮質骨3に向かって進行している状態と認識し、超音波エコーが1回ある状態を、椎弓根プローブ11が皮質骨3内を進行している状態と認識し、その後に超音波エコーが無い状態を椎弓根プローブ11が皮質骨3の外に表出した状態と認識するものである。
Next, the analysis means 13 for analyzing the signal waveform of the measured ultrasonic echo will be described.
The analysis means 13 is an arithmetic circuit equipped with a microprocessor, and as its analysis logic, there is no ultrasonic echo when the pedicle probe 11 is inserted into the cancellous bone 2 of the pedicle. It is recognized that the pedicle probe 11 is moving straight through the cancellous bone 2, and a state where there is one or two ultrasonic echoes, the pedicle probe 11 is inside the cancellous bone 2 and the cortical bone 3. A state in which there is one ultrasonic echo, a state in which the pedicle probe 11 is in progress in the cortical bone 3 and there is no subsequent ultrasonic echo Is recognized as a state in which the pedicle probe 11 is exposed outside the cortical bone 3.

また、表示手段14は、上記の超音波エコーの解析結果を術者に伝達するものであり、最もシンプルな形では、正常、注意、危険の3通りの表示ランプで表示する。ここで、正常とは、超音波エコーが無い状態(椎弓根プローブが海綿骨内を真っ直ぐに進行している状態)をいい、また注意とは、超音波エコーが1回乃至は2回ある状態(椎弓根プローブが海綿骨内を皮質骨に向かって進行している状態、若しくは椎弓根プローブが皮質骨内を進行している状態)をいい、危険とは超音波エコーが1回ある状態からその後に超音波エコーが無い状態(椎弓根プローブが皮質骨の外に表出した状態)を表すものである。
また、超音波エコーの計測信号グラフイメージとして表示したり、さらにはCT(Computed Tomography;コンピュータ断層撮影)のMPR(Multi Planer Reconstruction;多断面再構成法により得られた断面)画像を利用したイメージング表示にしてもよい。
The display means 14 transmits the ultrasonic echo analysis result to the surgeon, and in the simplest form, displays it with three display lamps of normal, caution, and danger. Here, “normal” refers to a state in which there is no ultrasonic echo (a state in which the pedicle probe is proceeding straight through the cancellous bone), and “caution” refers to one or two ultrasonic echoes. State (state in which the pedicle probe is moving in the cancellous bone toward the cortical bone, or state in which the pedicle probe is moving in the cortical bone), and the danger is one ultrasonic echo This represents a state where there is no ultrasound echo after a certain state (a state where the pedicle probe is exposed outside the cortical bone).
Moreover, it is displayed as a measurement signal graph image of ultrasonic echoes, and further, an imaging display using a CT (Computed Tomography) MPR (Multi Planer Reconstruction) image. It may be.

上記の超音波エコーの一例として、牛の骨を用いて、海綿骨とその周囲を取り巻く皮質骨との境界部分からの反射波と、さらにその境界部分を越え皮質骨の外側と皮質骨との境界部分からの反射波の分離ができることの基礎データを得たので、これについて以下に説明を行う。
図4は、牛の骨を分断し、内側の海綿骨から外側の皮質骨に向かって、超音波探傷を行ったときの様子を模式的に示した図である。
また、図5は、牛の骨を分断し、内側の海綿骨から外側の皮質骨に向かって、超音波探傷を行ったときの超音波エコーをグラフで示したものである。
図5のグラフの横軸は時間、縦軸は感度(送信超音波の振幅に対する超音波エコーの振幅の比率)である。図5のグラフの右横のパラメータについて説明する。RANGEは1目盛の距離で、MTLEBELは対象としている媒体の音速である。また、D-DELAYは送信波形からギャップを意味する。
As an example of the above-mentioned ultrasound echo, using a bovine bone, the reflected wave from the boundary between the cancellous bone and the cortical bone surrounding the cancellous bone, and beyond the boundary, the outside of the cortical bone and the cortical bone Basic data indicating that the reflected wave can be separated from the boundary portion will be described below.
FIG. 4 is a diagram schematically showing a state in which ultrasonic flaw detection is performed from the inner cancellous bone to the outer cortical bone by dividing the bovine bone.
FIG. 5 is a graph showing ultrasonic echoes obtained when ultrasonic flaw detection is performed from the inner cancellous bone to the outer cortical bone by dividing the bovine bone.
The horizontal axis of the graph of FIG. 5 is time, and the vertical axis is sensitivity (ratio of the amplitude of the ultrasonic echo to the amplitude of the transmitted ultrasonic wave). The parameters on the right side of the graph of FIG. 5 will be described. RANGE is the distance of one scale, and MTLEBEL is the sound speed of the target medium. D-DELAY means a gap from the transmission waveform.

ここで、超音波探触子は、1−3コンポジット5MHz 10Φ球形探触子(型番:USM25S,製造メーカ:GEインスペクション・テクノロジーズ)を用いた。
図5のグラフにおいて、矢印(A)で示す部分が海綿骨とその周囲を取り巻く皮質骨との境界部分からの反射波(図4において、海綿骨2を通して得た皮質骨3の表面からの反射波)であり、矢印(B)で示す部分が皮質骨の外側と皮質骨との境界部分からの反射波(図4において、皮質骨3の底面からの反射波)である。
ここでは、1目盛りが5mmであるので、約2mmの厚さの皮質骨の表面からと底面からの反射波を分離したことになる。
実験に用いたのは、牛の特定部位の骨であり、人間の椎弓根の骨とは異なるが、図5のグラフから、骨部において海綿骨と皮質骨からの超音波反射波の分離が可能であることが理解されるであろう。
Here, as the ultrasonic probe, a 1-3 composite 5 MHz 10Φ spherical probe (model number: USM25S, manufacturer: GE Inspection Technologies) was used.
In the graph of FIG. 5, a portion indicated by an arrow (A) is a reflected wave from a boundary portion between the cancellous bone and the cortical bone surrounding the periphery (in FIG. 4, reflection from the surface of the cortical bone 3 obtained through the cancellous bone 2. A portion indicated by an arrow (B) is a reflected wave from a boundary portion between the cortical bone and the cortical bone (a reflected wave from the bottom surface of the cortical bone 3 in FIG. 4).
Here, since one scale is 5 mm, the reflected waves from the surface and the bottom surface of the cortical bone having a thickness of about 2 mm are separated.
The bone used in the experiment was a bone of a specific part of the cow, which is different from the bone of the human pedicle, but from the graph of FIG. 5, the separation of ultrasonic reflected waves from cancellous bone and cortical bone in the bone part. It will be understood that this is possible.

また、図5のグラフにおいて、矢印(A)および矢印(B)部分以外のピークは、測定ノイズと考えられる。これらの測定ノイズについては、さらに骨の材質による超音波反射波の特性の知識データベース化を図ることにより、適切なノイズカットフィルタを設けることが可能となる。当該ノイズカットフィルタを設けることで、より明確に海綿骨と皮質骨からの超音波反射波の分離が計測できることとなるだろう。   In the graph of FIG. 5, peaks other than those indicated by arrows (A) and (B) are considered measurement noise. For these measurement noises, an appropriate noise cut filter can be provided by creating a knowledge database of the characteristics of the ultrasonic wave reflected by the bone material. By providing the noise cut filter, the separation of ultrasonic reflected waves from cancellous bone and cortical bone can be measured more clearly.

図6は、解析手段13において、脊柱再建術を受ける患者の骨硬度および骨密度を少なくとも含む知識データベース(知識DB)を参照して、超音波エコーの受信感度や解析パラメータ(椎骨動脈までの距離、皮質骨の厚さ、椎弓根プローブ近辺の物質の硬度など)を調整する様子を模式的に示している。
海綿骨・皮質骨の特徴パラメータ(硬度、密度、音速等)は、患者の性別、年齢、身長、体重、国籍、病歴、運動歴、生活習慣など(これらを参照情報と呼ぶ)の多くのパラメータと相互関係があると予想される。したがって、対象とする患者に最適な特徴パラメータを使用しないと、適切な情報提供(堆骨動脈等までの距離、椎弓根プローブ近辺の物質の硬度)ができなくなる。そこで、一定数のそれらの相互関係を格納した知識DBを構築することにより、新しい患者に対して、上記の参照情報より適切な特徴パラメータを推測し、それらを使用して適切な情報提供を目的とするものである。
FIG. 6 shows, with reference to a knowledge database (knowledge DB) including at least bone hardness and bone density of a patient undergoing spinal reconstruction, the analysis means 13 receives ultrasonic echoes and analyzes parameters (distance to vertebral artery). FIG. 6 schematically shows how the thickness of cortical bone, the hardness of a substance in the vicinity of the pedicle probe, and the like are adjusted.
The trabecular bone and cortical bone characteristic parameters (hardness, density, sound velocity, etc.) are many parameters such as patient gender, age, height, weight, nationality, medical history, exercise history, lifestyle, etc. (these are referred to as reference information) And are expected to be interrelated. Therefore, unless the characteristic parameters optimum for the target patient are used, it is impossible to provide appropriate information (distance to the calcaneous artery or the like, the hardness of the substance in the vicinity of the pedicle probe). Therefore, by building a knowledge DB that stores a certain number of these interrelationships, it is possible to infer appropriate feature parameters from the above reference information for new patients and to provide appropriate information using them. It is what.

実施例2の椎弓根プローブのナビゲーションシステムは、実施例1とは異なり、送受信用の超音波トランスデューサを一体化するのではなく、送信用超音波トランスデューサと受信用超音波トランスデューサを分離して配置し、送信用超音波トランスデューサが椎弓根プローブの後方部に設けられるために、サイズ等の制約がなく、音波出力が増大でき、これにより感度を向上させるものである。   Unlike the first embodiment, the navigation system for the pedicle probe of the second embodiment does not integrate the ultrasonic transducers for transmission and reception, but separates the ultrasonic transducer for transmission and the ultrasonic transducer for reception. In addition, since the transmitting ultrasonic transducer is provided in the rear part of the pedicle probe, there is no restriction on the size and the sound wave output can be increased, thereby improving the sensitivity.

図7に、実施例2の椎弓根プローブのナビゲーションシステムの概略システム構成図を示す。図7に示されるように、椎弓根プローブ11の後方部に設けられた送受信用超音波トランスデューサ21と、椎弓根プローブ11が椎弓根の海綿骨2内に挿入された際に、送受信用超音波トランスデューサ21から送出された超音波が椎弓根プローブ11の長手方向に伝播し、椎弓根プローブ11の先端部から超音波が送出され、送受信用超音波トランスデューサ21を用いて、海綿骨2と皮質骨3との境界における超音波エコーを信号計測する。そして、計測された超音波エコーの信号波形を解析する解析手段13と、リアルタイムに解析手段の結果を表示する表示手段14を備えるものである。   FIG. 7 shows a schematic system configuration diagram of the navigation system for the pedicle probe of the second embodiment. As shown in FIG. 7, when the transmitting / receiving ultrasonic transducer 21 provided in the rear part of the pedicle probe 11 and the pedicle probe 11 are inserted into the cancellous bone 2 of the pedicle, transmission / reception is performed. The ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer 21 propagates in the longitudinal direction of the pedicle probe 11, the ultrasonic wave is transmitted from the distal end portion of the pedicle probe 11, and the transmission / reception ultrasonic transducer 21 is used to set the sponge. An ultrasonic echo at the boundary between the bone 2 and the cortical bone 3 is signal-measured. And the analysis means 13 which analyzes the signal waveform of the measured ultrasonic echo, and the display means 14 which displays the result of an analysis means in real time are provided.

送信用超音波トランスデューサ21は、体内に入ることはなく、サイズ等の制約がなく、音波出力が増大できることになる。これにより超音波の出力パワーが上がり、海綿骨2と皮質骨3との境界における超音波エコーの感度を向上させることができるのである。   The transmitting ultrasonic transducer 21 does not enter the body, is not limited in size, and can increase the sound wave output. Thereby, the output power of the ultrasonic wave is increased, and the sensitivity of the ultrasonic echo at the boundary between the cancellous bone 2 and the cortical bone 3 can be improved.

計測された超音波エコーの信号波形を解析する解析手段13と、リアルタイムに解析手段の結果を表示する表示手段14は、実施例1と同様である。   The analysis means 13 for analyzing the signal waveform of the measured ultrasonic echo and the display means 14 for displaying the result of the analysis means in real time are the same as in the first embodiment.

本実施例の場合は、椎弓根プローブの後方に配置された送受信用トランスデューサ21より超音波が椎弓根プローブ11を伝播し、先端部より対象物体に入射する。なんらかの物体よりの反射波があった場合、椎弓根プローブ11の先端より伝播された超音波エコーを椎弓根プローブ11の後方部に配置された送受信用トランスデューサ21が受信する。
ここで、送受信用トランスデューサ21は、一体型である必要はなく、内部を簡単に長方形で二つの送受信領域のものや、同心円状の二つの送受信領域のもの等にすることにより、送受信用トランスデューサを送信と受信のものに分離することも可能である。
In the case of the present embodiment, the ultrasonic wave propagates through the pedicle probe 11 from the transmission / reception transducer 21 arranged behind the pedicle probe and enters the target object from the tip. When there is a reflected wave from any object, the transmission / reception transducer 21 arranged at the rear part of the pedicle probe 11 receives the ultrasonic echo propagated from the tip of the pedicle probe 11.
Here, the transmission / reception transducer 21 does not need to be an integral type, and the transmission / reception transducer can be made by simply making the inside rectangular and having two transmission / reception areas or two concentric transmission / reception areas. It is also possible to separate transmission and reception.

本発明の椎弓根プローブのナビゲーションシステムおよび方法によれば、脊柱再建術における診断計測システムおよび診断計測方法として利用できる。   The pedicle probe navigation system and method of the present invention can be used as a diagnostic measurement system and a diagnostic measurement method in spinal column reconstruction.

頚椎椎弓根スクリューを使用した頚椎再建術において、椎弓根スクリューを椎弓根内に刺入する様子を示す。In the cervical vertebra reconstruction using a cervical pedicle screw, the pedicle screw is inserted into the pedicle. 椎弓根プローブが海綿骨の内部に刺入されている様子を示す。The pedicle probe is shown inserted into the cancellous bone. 椎弓根の最も狭い部分を椎弓根プローブが通過する際に、海綿骨側から挿入された椎弓根プローブが薄い皮質骨を穿破する角度で刺入されている様子を示す。When the pedicle probe passes through the narrowest part of the pedicle, the pedicle probe inserted from the cancellous bone side is inserted at an angle that pierces the thin cortical bone. 牛の骨を分断し、内側の海綿骨から外側の皮質骨に向かって、超音波探傷を行ったときの様子を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically a mode when a bone of a cow was cut | disconnected and ultrasonic flaw detection was performed toward the outer cortical bone from the inner cancellous bone. 牛の骨を分断し、内側の海綿骨から外側の皮質骨に向かって、超音波探傷を行ったときの超音波エコーをグラフで表したものである。The graph shows ultrasonic echoes when a bone is cut and ultrasonic flaw detection is performed from the inner cancellous bone to the outer cortical bone. 解析手段において知識データベースを参照して解析パラメータ等を調整する様子を模式的に示している。The manner in which analysis parameters and the like are adjusted with reference to the knowledge database in the analysis means is schematically shown. 実施例2の椎弓根プローブのナビゲーションシステムの概略システム構成図を示す。The schematic system block diagram of the navigation system of the pedicle probe of Example 2 is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1 椎弓根プローブのナビゲーションシステム
2 海綿骨
3 皮質骨
4 超音波の波紋
11 椎弓根プローブ
12 送受信用の超音波トランスデューサ
13 解析装置
14 表示装置
21 送受信用の超音波トランスデューサ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Navigation system of pedicle probe 2 Cancellous bone 3 Cortical bone 4 Ultrasonic wave ripple 11 Pedicle probe 12 Ultrasonic transducer for transmission / reception 13 Analysis device 14 Display device 21 Ultrasonic transducer for transmission / reception

Claims (10)

脊柱再建術における椎弓根プローブの挿入をナビゲーションするシステムであって、前記椎弓根プローブの先端部に設けられた送受信用の超音波トランスデューサと、前記椎弓根プローブが椎弓根の海綿骨内に挿入された際に、前記超音波トランスデューサを用いて、海綿骨と皮質骨との境界における超音波エコーを信号計測する計測手段と、前記計測手段により計測された超音波エコーの信号波形を解析する解析手段と、リアルタイムに前記計測手段の結果及び/又は前記解析手段の結果を表示する表示手段とを備えたことを特徴とする椎弓根プローブのナビゲーションシステム。   A system for navigating insertion of a pedicle probe in spinal reconstruction, wherein the transmitting / receiving ultrasonic transducer is provided at the distal end of the pedicle probe, and the pedicle probe is a cancellous bone of the pedicle. A measuring means for measuring an ultrasonic echo at the boundary between cancellous bone and cortical bone using the ultrasonic transducer, and a signal waveform of the ultrasonic echo measured by the measuring means A pedicle probe navigation system comprising: an analysis unit for analyzing; and a display unit for displaying the result of the measurement unit and / or the result of the analysis unit in real time. 脊柱再建術における椎弓根プローブの挿入をナビゲーションするシステムであって、前記椎弓根プローブの後方部に設けられた送受信用超音波トランスデューサが、前記椎弓根プローブが椎弓根の海綿骨内に挿入された際に、前記送受信用超音波トランスデューサから送出された超音波が前記椎弓根プローブの長手方向に伝播し、前記椎弓根プローブの先端部から超音波が送出され、前記送受信用超音波トランスデューサを用いて、海綿骨と皮質骨との境界における超音波エコーを信号計測する計測手段と、前記計測手段により計測された超音波エコーの信号波形を解析する解析手段と、リアルタイムに前記計測手段の結果及び/又は前記解析手段の結果を表示する表示手段とを備えたことを特徴とする椎弓根プローブのナビゲーションシステム。   A system for navigating insertion of a pedicle probe in spinal reconstruction, wherein a transmitting / receiving ultrasonic transducer provided at a rear part of the pedicle probe includes a pedicle probe in the cancellous bone of the pedicle. Ultrasonic waves transmitted from the transmitting / receiving ultrasonic transducer propagate in the longitudinal direction of the pedicle probe, and ultrasonic waves are transmitted from the distal end of the pedicle probe. Measuring means for measuring an ultrasonic echo at the boundary between cancellous bone and cortical bone using an ultrasonic transducer, an analyzing means for analyzing a signal waveform of the ultrasonic echo measured by the measuring means, and the real time A navigation system for a pedicle probe, comprising: display means for displaying the result of the measuring means and / or the result of the analyzing means Beam. 前記解析手段において、前記椎弓根プローブが椎弓根の海綿骨内に挿入された際に、超音波エコーが無い状態を前記椎弓根プローブが海綿骨内を進行している状態と認識し、超音波エコーが1回乃至2回ある状態を前記椎弓根プローブが海綿骨内を皮質骨に向かって進行している状態と認識し、超音波エコーが1回ある状態を前記椎弓根プローブが皮質骨内を進行している状態と認識し、その後に超音波エコーが無い状態を前記椎弓根プローブが皮質骨の外に表出した状態と認識することを特徴とする請求項1又は2に記載の椎弓根プローブのナビゲーションシステム。   In the analyzing means, when the pedicle probe is inserted into the cancellous bone of the pedicle, the state in which there is no ultrasonic echo is recognized as a state in which the pedicle probe is traveling in the cancellous bone. The state in which there is one or two ultrasonic echoes is recognized as the state in which the pedicle probe is progressing in the cancellous bone toward the cortical bone, and the state in which there is one ultrasonic echo is the pedicle. The probe recognizes that the probe is progressing in the cortical bone, and then recognizes the state where there is no ultrasonic echo as a state where the pedicle probe is exposed to the outside of the cortical bone. 3. A navigation system for a pedicle probe according to 2. 前記解析手段において、脊柱再建術を受ける患者の骨硬度および骨密度を少なくとも含む知識データベースを参照して、超音波エコーの受信感度を調整することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の椎弓根プローブのナビゲーションシステム。   4. The ultrasonic echo reception sensitivity is adjusted by referring to a knowledge database including at least bone hardness and bone density of a patient undergoing spinal reconstruction in the analysis means. A pedicle probe navigation system as described. 前記表示手段において、前記解析手段が、超音波エコーが無い状態からある状態と認識した場合に、アラーム告知することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の椎弓根プローブのナビゲーションシステム。   The pedicle probe navigation according to any one of claims 1 to 4, wherein in the display means, when the analyzing means recognizes that there is no ultrasonic echo, the alarm is notified. system. 脊柱再建術における椎弓根プローブの挿入をナビゲーションする方法であって、前記椎弓根プローブの先端部に設けられた送受信用の超音波トランスデューサを用いて、前記椎弓根プローブが椎弓根の海綿骨内に挿入された際に、海綿骨と皮質骨との境界における超音波エコーを信号計測するステップと、計測された超音波エコーの信号波形を解析するステップと、リアルタイムに超音波エコーの信号計測の結果及び/又は解析結果を表示するステップとを備えたことを特徴とする椎弓根プローブのナビゲーション方法。   A method of navigating insertion of a pedicle probe in spinal reconstruction, wherein the pedicle probe is inserted into the pedicle using an ultrasonic transducer for transmission and reception provided at a distal end portion of the pedicle probe. When inserted into the cancellous bone, the step of measuring the ultrasonic echo at the boundary between the cancellous bone and the cortical bone, the step of analyzing the signal waveform of the measured ultrasonic echo, and the real-time ultrasonic echo A pedicle probe navigation method, comprising: a step of displaying a signal measurement result and / or an analysis result. 脊柱再建術における椎弓根プローブの挿入をナビゲーションする方法であって、前記椎弓根プローブの後方部に設けられた送受信用超音波トランスデューサを用いて、前記椎弓根プローブが椎弓根の海綿骨内に挿入された際に、前記送受信用超音波トランスデューサから送出された超音波が前記椎弓根プローブの長手方向に伝播し、前記椎弓根プローブの先端部から超音波が送出され、海綿骨と皮質骨との境界において前記送受信用超音波トランスデューサで超音波エコーを信号計測するステップと、計測された超音波エコーの信号波形を解析するステップと、リアルタイムに超音波エコーの信号計測の結果及び/又は解析結果を表示するステップとを備えたことを特徴とする椎弓根プローブのナビゲーション方法。   A method for navigating insertion of a pedicle probe in spinal reconstruction, wherein the pedicle probe is connected to a sponge of a pedicle using an ultrasonic transducer for transmission / reception provided at a rear portion of the pedicle probe. When inserted into the bone, the ultrasonic wave transmitted from the transmitting / receiving ultrasonic transducer propagates in the longitudinal direction of the pedicle probe, and the ultrasonic wave is transmitted from the distal end of the pedicle probe. A step of measuring an ultrasonic echo signal at the boundary between bone and cortical bone with the ultrasonic transducer for transmission / reception, a step of analyzing a signal waveform of the measured ultrasonic echo, and a result of ultrasonic echo signal measurement in real time And / or a step of displaying an analysis result. 前記超音波エコーの信号波形を解析するステップにおいて、前記椎弓根プローブが椎弓根の海綿骨内に挿入された際に、超音波エコーが無い状態を前記椎弓根プローブが海綿骨内を進行している状態と認識し、超音波エコーが1回乃至2回ある状態を前記椎弓根プローブが海綿骨内を皮質骨に向かって進行している状態と認識し、超音波エコーが1回ある状態を前記椎弓根プローブが皮質骨内を進行している状態と認識し、その後に超音波エコーが無い状態を前記椎弓根プローブが皮質骨の外に表出した状態と認識することを特徴とする請求項6又は7に記載の椎弓根プローブのナビゲーション方法。   In the step of analyzing the signal waveform of the ultrasonic echo, when the pedicle probe is inserted into the cancellous bone of the pedicle, the pedicle probe shows no state in the cancellous bone. Recognizing that the state is advancing, the state where the ultrasonic echo is once or twice is recognized as the state where the pedicle probe is proceeding through the cancellous bone toward the cortical bone, and the ultrasonic echo is 1 The pedicle probe is recognized as a state in which the pedicle probe is progressing in the cortical bone, and the state in which there is no ultrasonic echo is recognized as a state in which the pedicle probe is exposed outside the cortical bone. The pedicle probe navigation method according to claim 6 or 7, wherein: 前記超音波エコーの信号波形を解析するステップにおいて、脊柱再建術を受ける患者の骨硬度および骨密度を少なくとも含む知識データベースを参照して、超音波エコーの受信感度を調整することを特徴とする請求項6乃至8のいずれかに記載の椎弓根プローブのナビゲーション方法。   The step of analyzing the signal waveform of the ultrasonic echo adjusts the reception sensitivity of the ultrasonic echo with reference to a knowledge database including at least bone hardness and bone density of a patient undergoing spinal reconstruction. Item 9. A pedicle probe navigation method according to any one of Items 6 to 8. 前記解析結果を表示するステップにおいて、超音波エコーが無い状態からある状態と認識した場合に、アラーム告知することを特徴とする請求項6乃至9のいずれかに記載の椎弓根プローブのナビゲーション方法。

The pedicle probe navigation method according to any one of claims 6 to 9, wherein in the step of displaying the analysis result, an alarm is notified when it is recognized that there is no ultrasonic echo from a state where there is no ultrasonic echo. .

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