JP2010088892A - 手術モデル化の方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】三次元モデルおよび情報に基づく二次元インターフェースを使用する、手術モデル化の方法およびシステムを提供すること。
【解決手段】手術モデル化の方法が開示される。関連した二次元（２Ｄ）解剖画像群が表示される。複数の解剖学的標識点が関連した２Ｄ解剖画像組上で識別される。少なくとも１つの人工関節の三次元（３Ｄ）表現は、解剖学的標識点間の関係に少なくとも部分的に基づいて、２Ｄ解剖画像の縮尺に一致するように拡大縮小される。少なくとも１つの人工関節からの３Ｄ情報、ならびに複数の解剖学的標識点のうちの少なくとも１つの解剖学的標識点に基づく情報を利用して、処置ベース情報が作成される。手術モデル化のシステムも開示される。システムは、人工関節知識ベース情報システムと、患者の解剖学的構造ベース情報システムと、ユーザ・インターフェースと、コントローラとを有する。コントローラは、解剖学的標識点識別機能、人工関節と解剖学的特徴の関係付け機能、および処置モデラーを有する。
【選択図】図１

Description

請求の発明は、手術モデル化の方法に関し、より具体的には、三次元モデルおよび情報に基づく二次元インターフェースを使用する、手術モデル化の方法およびシステムに関する。

ベビーブーム世代が高齢化するにつれて、股関節置換手術の数が増加すると予想される。２００１年には、国立健康統計センターによれば、米国の病院で約１６５，０００例の股関節置換術が行われ、３２６，０００例の膝関節置換術が行われた。関節置換術患者の大多数は依然として６０歳以上に分類されるものの、より多数の人々が１０年または２０年早く手術を受けることを決断している。

股関節置換手術を受けようとする人々の約７０パーセントは、関節の滑らかで摩擦の少ない動きを可能にする保護クッションとして作用する組織である軟骨を損傷する、一般的な慢性疾患である重度の変形性関節症を持っている。変形性関節症は、長期的な膝関節炎の主要原因であり、膝関節置換の最も一般的な理由である。６５歳以下では、女性がこの疾患をもつ可能性は男性の５倍である。

外科医が関節を置換するときの共通の目標は、不快感および回復時間を最小限に抑え、新しい関節を適切に取り付けながら関節移植片を成功裡に取り付けるのにかかる時間を低減して、置換関節の寿命を最大限にする材料および技術を使用して可能な限り最良の患者の関節可動域を提供することである。この目的のため、外科医が最良の関節置換の選択肢を適切に選択し、それがどのようにして移植され、動き、患者に影響を与えるかを実際の手術に先立って見積もることができるように、術前モデル化は関節置換プロセスの重要なステップである。

残念なことに、多くの現行の術前技術は、人工関節をアセテート描写（ａｃｅｔａｔｅ ｐｏｒｔｒａｙａｌｓ）し、それを次に二次元Ｘ線写真の上に重ねることに基づく静的な二次元要件に適合する、人工関節を選択することにのみ焦点を置いている。例えば、股関節置換の場合、寛骨臼移植片の配置およびサイズ選択のための現行の計画は、アセテート・テンプレート（ａｃｅｔａｔｅ ｔｅｍｐｌａｔｅｓ）と、骨盤の単一の前後軸Ｘ線写真とを使用して行われる。寛骨臼のテンプレート化は、寛骨臼構成要素のおおよそのサイズを判断するのに最も一般的に行われるものであるが、移植片の理想位置を精密に決定すること、またはそのような配置が患者に対して与える影響にはほとんど労力が払われていない。

精密なモデル化がなければ、外科医は、実際の手術において、現在ある骨および／または組織のどこを除去するか、ならびにどの程度除去するかを決める際、不確実性に直面することがある。そのような不確実性により、経験の浅い外科医の場合のリスクが高くなり、また、経験を積んだ外科医も、より古い技術を用いた手術経験により一層の自信を持っているため、より新しい改良された関節置換の選択肢を使用しない。

したがって、外科医が外科的関節置換術をより精密にモデル化できるようにする方法およびシステムが依然として必要とされている。

手術モデル化の方法が開示される。関連した二次元（２Ｄ）解剖画像群が表示される。その関連した２Ｄ解剖画像群上で複数の解剖学的標識点が識別される。少なくとも１つの人工関節の三次元（３Ｄ）表現は、解剖学的標識点間の関係に少なくとも部分的に基づいて、２Ｄ解剖画像の縮尺に一致するように拡大縮小される。少なくとも１つの人工関節からの３Ｄ情報を、複数の解剖学的標識点の少なくとも１つに基づく情報とともに利用して、処置ベース情報が（ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ−ｂａｓｅｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）作成される。

手術モデル化のシステムも開示される。そのシステムは、人工関節知識ベース情報システム（ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ−ｂａｓｅｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）と、患者の解剖学的構造ベース情報システム、ユーザ・インターフェースと、コントローラとを有する。コントローラは、解剖学的標識点識別機能と、人工関節と解剖学的特徴の関係付け機能（ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ−ｔｏ−ａｎａｔｏｍｉｃａｌ−ｆｅａｔｕｒｅ ｒｅｌａｔｏｒ）と、処置モデラー（ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｍｏｄｅｌｅｒ）とを有する。

手術モデル化のための機械可読媒体上で具体化された機械実行可能命令群（ｍａｃｈｉｎｅ ｅｘｅｃｕｔａｂｌｅ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ）がさらに開示される。機械実行可能命令群は、関連した二次元（２Ｄ）解剖画像群を表示する命令を含む。機械実行可能命令群はさらに、その関連した２Ｄ解剖画像群上で複数の解剖学的標識点を識別する命令を含む。機械実行可能命令群はさらに、少なくとも１つの人工関節の三次元（３Ｄ）表現を、解剖学的標識点間の関係に少なくとも部分的に基づいて、２Ｄ解剖画像の縮尺に一致するように拡大縮小する命令を含む。機械実行可能命令群はまた、少なくとも１つの人工関節からの３Ｄ情報を、複数の解剖学的標識点の少なくとも１つに基づく情報とともに利用して、処置ベース情報を作成する命令を含む。

手術モデル化のシステムの一実施形態を示す概略図である。 人工関節の一実施形態を示す概略図である。 二次元画像上で識別された解剖学的標識点の一実施形態を示す概略図である。 三次元的に拡大縮小された人工関節の二次元表現を表示するユーザ・インターフェースの一実施形態を示す図である。 異なる視点からの二次元解剖画像の実施形態を示す概略図である。 図４の三次元的に拡大縮小された人工関節を回転させたものの二次元表現を表示するユーザ・インターフェースの一実施形態を示す図である。 図５の人工関節に関して三次元的に拡大縮小された子人工関節の二次元表現を表示するユーザ・インターフェースの一実施形態を示す図である。 複数の三次元的に拡大縮小された人工関節の二次元表現を表示するユーザ・インターフェースの一実施形態を示す図である。 図９Ａおよび９Ｂは、手術モデル化の一部としての処置ベース情報を作成する一実施形態を示す図である。 手術モデル化の一部としての処置ベース情報を作成する別の実施形態を示す図である。 手術モデル化の方法の一実施形態を示す図である。

説明を分かりやすくするために、場合に応じて図面中で対応する特徴を示すために同じ参照番号を用いており、また、特徴をより良く示すため、図面中の様々な要素は必ずしも縮尺どおりに描かれていない。

図１は、手術モデル化のシステム２０の一実施形態を概略的に示す。システム２０は、人工関節知識ベース情報システム２２を有する。いくつかの実施形態では、人工関節知識ベース情報システム２２は、スタンドアロン型のデータベースか、または、システムのコントローラ２４が、直接アクセス可能（２６）な、もしくは例えばネットワーク３０を通じて遠隔アクセス可能（２８）な機械可読ファイルの組であってもよい。他の実施形態では、人工関節知識ベース情報システム２２は、局所的にもしくは内部で利用可能なデータベース、または機械可読ファイルの組であってもよい。人工関節知識ベース情報システム２２は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、書換可能フラッシュ・メモリ、磁気媒体、およびオプションでＣＤやＤＶＤなどの光学的読出し／書込み可能媒体、またはそれらのあらゆる組合せを含むがそれらに限定されない、様々なコンピュータ可読媒体上に存在してもよい。人工関節知識ベース情報システム２２のための１以上のコンピュータ可読媒体は、システム２０に恒久的に組み込まれるか、または取外し可能に組み込まれてもよい。

人工関節知識ベース情報システム２２は、１以上の人工関節と関連付けられた三次元（３Ｄ）情報を格納する。例えば、人工関節知識ベース情報システム２２は、人工関節の体積、表面積、および形状を定義する情報を格納してもよい。人工関節の回転点の定義、または人工関節の１以上の機能軸のような、人工関節に関連する解剖学的情報も格納されてもよい。人工関節知識ベース情報システム２２は、使用法に関する注記、人工関節の特徴、及び人工関節の寸法など、人工関節の表示情報を格納してもよい。人工関節知識ベース情報システム２２はまた、モデル上に表示可能な、人工関節モデルに関する特定位置を格納してもよい。人工関節知識ベース情報システム２２はさらに、人工関節材料情報を格納してもよい。他の実施形態では、人工関節知識ベース情報システム２２は、１つの人工関節（親人工関節）が別の人工関節（子人工関節）にどのように関係するかを定義する情報を格納してもよい。２つ以上の関連した人工関節を一緒に使用した際の互いの相対的に必要な位置、および相対的に移動可能である場合に想定できる自由度を規定して、２以上の関連した人工関節についての位置情報を定義してもよい。

例えば、図２は、股関節置換術に使用可能ないくつかの人工関節要素の一実施形態を示す。人工関節ステム６０は親人工関節として定義されてもよく、その表面積、体積、および形状は、人工関節知識ベース情報システム２２に格納されてもよい。人工関節ステム（柄）は、システム２０内で定義可能かつ表示可能である機能軸６２を有してもよい。この実施形態では、他の人工関節要素の１つは、人工関節ステムの首部６６に付着する人工関節ボール６４である。この場合、ボール６６の位置はステム６０の位置によって制約されるので、ボール６６は親ステム人工関節６０の子人工関節として定義されてもよい。この実施形態におけるさらなる人工関節要素は、骨盤ソケット内に取り付けることができる寛骨臼カップ６８である。寛骨臼カップ６８は、関連付けられた回転中心７０を有してもよい。この実施形態における別の人工関節要素は、ボール６４の軸受面となるように寛骨臼カップ６８に嵌合する軸受ライナー７２である。軸受ライナー７２は、寛骨臼カップ７０の子人工関節として、またはボール６４を通じてステム６０の子として定義されてもよい。同様に、寛骨臼カップ７０は、ボール６４および軸受ライナー７２を通じてステム６０の子として、またはステム親人工関節に対して定義された関係を有するそれ自体の親人工関節として定義されてもよい。様々な親および子人工関節に関して、人工関節知識ベース情報システム２２において指定された関係は、それらが互いにどのように相関するか、またそれらが互いに対してどのように固定され、または可動であるのかを定義する。

図１に戻ると、人工関節知識ベース情報システム２２に格納される情報は、人工関節のメーカー３２によって、または外科医、臨床医、もしくは研究者３４によって、更新または提供されてもよい。他の実施形態では、人工関節知識ベース情報システム２２に格納される情報は、そのような能力を有さないメーカーまたは外科医に代わって既存の人工関節をモデル化することができるサービス提供者など、第三者３６によって提供されてもよい。

手術モデル化のシステム２０はまた、患者の解剖学的構造ベース情報システム３８を有する。いくつかの実施形態では、患者の解剖学的構造ベース情報システム３８は、スタンドアロン型のデータベースか、または、システムのコントローラ２４が、直接アクセス可能（４０）な、もしくは例えばネットワーク３０を通じて遠隔アクセス可能（４２）な機械可読ファイル群であってもよい。他の実施形態では、患者の解剖学的構造ベース情報システム３８は、局所的にもしくは内部で利用可能なデータベース、または機械可読ファイル群であってもよい。患者の解剖学的構造ベース情報システム３８は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、書換可能フラッシュ・メモリ、磁気媒体、およびオプションでＣＤやＤＶＤなどの光学的読出し／書込み可能媒体、またはそれらのあらゆる組合せを含むがそれらに限定されず、様々なコンピュータ可読媒体上に存在してもよい。患者の解剖学的構造ベース情報システム３８のための１以上のコンピュータ可読媒体は、システム２０に恒久的に組み込まれるか、または取外し可能に組み込まれてもよい。

患者の解剖学的構造ベース情報システム３８は、１人または複数の患者の解剖学的構造と関連付けられた情報を格納する。これは、Ｘ線写真４４あるいはＣＴスキャン画像４６などの患者画像を含んでもよい。患者の解剖学的構造ベース情報システム３８に格納される解剖学的情報はまた、患者画像の１つもしくは複数と関連付けられた解剖学的標識点および／または解剖学的機能軸を含んでもよい。患者の解剖学的構造ベース情報システム３８はまた、例えばユーザ・インターフェース４８および／またはコントローラ２４を通じて、外科医または他の医療従事者によって提供されるような、患者に関する注記を格納してもよい。患者の解剖学的構造ベース情報システム３８はさらに、各患者について、人工関節知識ベース情報システム２２から可能な移植として選択された１以上の人工関節に対するリンクを格納してもよい。さらに、患者の解剖学的構造ベース情報システム３８は、システム２０の動作中にコントローラ２４によって生成される、患者の画像４４、４６およびそれに関連付けられた１以上の人工関節に基づく情報を格納してもよい。システム２０が展開してもよい手術モデル化に関連する特定のタイプの情報を、そのような機能性を検討しながらより詳細に後述する。

システムはまた、例えば機械可読媒体５０からの機械可読命令を実行することができるプロセッサ２４を有する。機械可読媒体５０の非限定例としては、ディスケット、ハード・ドライブ、光学ドライブ、磁気ドライブ、ＣＤ、ＤＶＤ、フラッシュ・メモリ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、またはそれらのあらゆる組合せが挙げられる。機械可読媒体５０は、コントローラから取外し可能であるか、コントローラ２４に対して遠隔で利用可能であるか、コントローラ２４に恒久的に組み込まれるか、またはコントローラ２４に統合されてもよい。コントローラ２４は、マイクロプロセッサ、コンピュータ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、アナログ回路構成、デジタル回路構成、またはそれらのあらゆる組合せもしくは複数個のそれらのものであってもよい。コントローラ２４は、単一ユニットであってもよく、または分散型デバイスであってもよい。

システム２０は、関連した二次元（２Ｄ）解剖画像群をユーザ・インターフェース４８上に表示する。関連した２Ｄ画像群は、例えば、患者のＸ線写真、または患者のＣＴスキャンから得た画像であってもよい。関連した２Ｄ解剖画像群のうちの２以上がユーザ・インターフェース上に一度に表示されてもよく、または１つの画像が一度に表示されてもよい。コントローラ２４は解剖学的標識点識別機能５２を有する。対象となる実際の解剖学的標識点は、考慮されている特定の人工関節、および人工関節が取って代わる関連付けられた解剖学的構造に応じて変わり得る。例えば、股関節置換の場合、対象の解剖学的標識点は、骨盤ソケット、涙痕線（ｔｅａｒ ｄｒｏｐ ｌｉｎｅ）、大転子、小転子、大腿骨頭、転子間稜（ｆｅｍｏｒａｌ ｒｉｄｇｅ）、および解剖学的機能軸を含んでもよい。ある実施形態では、解剖学的標識点識別機能５２は、表示画面上に提示された１以上の画像における標識点の位置を示すことによって、１以上の解剖学的標識点をユーザが手動で識別できるように構成される。他の実施形態では、解剖学的標識点識別機能５２は、いくつかの解剖学的標識点を自動的に識別するように構成されてもよい。様々な自動的な標識点識別方法が当業者には知られている。さらなる実施形態では、解剖学的標識点識別機能５２は、手動および自動的方法の組合せを使用して、解剖学的標識点を識別するように構成されてもよい。解剖学的標識点識別機能５２はまた、縮尺の表現のため、患者画像に寸法を入力できるように構成されてもよい。図３は、二次元解剖画像７４上で識別されている２つの解剖学的標識点の一例を示す。涙痕線７６は画像内における骨盤の真の傾き／回転を表す。骨盤ソケット７８は骨盤内における大腿骨の回転中心である。システムのユーザに対して表示される１以上の２Ｄ画像７４は、Ｘ線写真または３ＤＣＴ画像の組から得た２Ｄ画像スライスなど、元の２Ｄ画像であってもよい。

図１に戻ると、コントローラ２４は、人工関節知識ベース情報システム２２から１以上の所望の人工関節をユーザが選択できるように構成されてもよい。３Ｄ人工関節の２Ｄ表現は、ユーザ・インターフェース４８の１以上の患者画像上に表示される。コントローラ２４はまた、人工関節と解剖学的特徴の関係付け機能５４を有する。人工関節と解剖学的特徴の関係付け機能５４は、２Ｄ表現を作成する前に、解剖画像の縮尺に一致するように３Ｄ人工関節を拡大縮小するように構成されてもよい。人工関節と解剖学的特徴の関係付け機能５４は、解剖学的特徴点識別機能５２からの測定値に基づいて画像の縮尺を決定してもよい。一例として、図４は、三次元的に拡大縮小された人工関節８０の二次元表現を表示するユーザ・インターフェースの一実施形態を示す。拡大縮小された人工関節８０はまた、人工関節８０の１以上の回転軸を概略的に示す特徴要素８２Ａ、８２Ｂを含んでもよい。ユーザ・インターフェース４８は、拡大縮小された人工関節８０が画像８４内で動き回ることができるように構成されてもよい。

図１に戻ると、システムは、オプションで、３Ｄモデル・ジェネレーター５６を有してもよい。３Ｄモデル・ジェネレーター５６は、関連した２Ｄ解剖画像群から少なくとも２つの画像を利用して、３Ｄ解剖モデルを作成するよう構成されてもよい。図５は、図８６Ａ、８６Ｂそれぞれの上に重ねられた３Ｄ人工関節９０の２Ｄ表現を有する大腿骨８８の２つの２Ｄ解剖画像を概略的に示す。説明を容易にするため、２つの解剖学的標識点９２、９４が図上で識別されており、解剖学的標識点９２、９４の間の縮尺が決定されている。図９２、９４の間の角度差の決定、縮尺についての知識、および１以上の解剖学的標識点の位置についての知識に基づいて、３Ｄモデル・ジェネレーターは、様々な既知の３Ｄ解剖モデルに対する既知の地点の適合を展開するか、または、２Ｄ画像からの既知の制約に従うように最も適合する３Ｄモデルを修正することができる。その結果は、より精密な手術計画に使用することができる３Ｄ解剖モデル９６である。二次元画像群から三次元モデルを生成する様々な技術が当業者には知られている。３Ｄ解剖モデル９６は、３Ｄ内にある解剖学的標識点９２、９４を含んでもよい。さらに、人工関節と解剖学的特徴の関係付け機能５４は、３Ｄ親人工関節に対する３Ｄ内にある解剖学的標識点間の関係を表示してもよい。例えば、切断線９１など、人工関節９０上の仮想基準線は、大腿骨頭９２などの解剖学的標識点に対して自動的に参照付けられてもよい。例えば９３Ａ、９３Ｂ、および９３Ｃなど、切断線に対する距離が表示されてもよい。切断線９１は、人工関節知識ベース情報システム２２からの規格ごとに人工関節にリンクされてもよく、またオプションで、モデル化システム２０を使用して医療従事者によって修正されてもよい。人工関節を取り付けるための切断線の決定は、システムによって作成される処置ベース情報の一例にすぎない。

３Ｄ解剖モデル９６を展開する実施形態はまた、人工関節と解剖学的特徴の関係付け機能５４が、３Ｄ解剖モデル９６と、人工関節知識ベース情報システム２２からの３Ｄ人工関節モデルとの間の３Ｄ関係を決定できるように構成されてもよい。三次元での関係を決定する場合、人工関節と解剖学的特徴の関係付け機能５４は、上述した従来技術の欠点を解消した３Ｄ関係の２Ｄ表現をさらに精密に作成できる。解剖モデル９６と人工関節との間の精密な３Ｄ関係を利用して、システムは、異なる画像内で人工関節を動かすだけではなく、例えば６方向の自由度で人工関節を回転させるように構成されてもよい。回転はまた、オプションで、所望の軸に、例えば人工関節の機能軸に制約されてもよい。図６は、図４の三次元的に拡大縮小された人工関節を回転させたものの二次元表現を表示するユーザ・インターフェースの一実施形態を示す。図４の軸線８２Ａ、８２Ｂは図６では整列されているが、２Ｄ図９８の人工関節８０は、３Ｄ解剖モデル９６と３Ｄ人工関節モデルとの関係に基づく３Ｄ計算に基づいて、精密に調節されている。

図１に戻ると、プロセッサ２４は、オプションで、親人工関節と子人工関節の関係付け機能（ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ−ｐａｒｅｎｔ−ｔｏ−ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ−ｃｈｉｌｄ ｒｅｌａｔｏｒ）５８を有してもよい。親人工関節と子人工関節の関係付け機能５８は、人工関節知識ベース情報システム２２から、ならびに３Ｄ解剖モデルから、親人工関節モデルと子人工関節モデルとの３Ｄ関係を決定するように構成されてもよい。図７が示すように、親人工関節８０が一旦配置され、その位置が３Ｄ内で既知となると、子人工関節１００がその制約に従って３Ｄモデルに含まれてもよい。子人工関節１００（ボール）の場合、子人工関節は親人工関節８０（ステム）に対して固定される。システム２０は、この３Ｄ関係の精密な２Ｄ表現を表示することができ、また、システム２０を操作する医療従事者は、単に親を動かしてそれに対応する子の動きを作り出せばよい。図８は、親人工関節８０に関連付け可能な複数の子人工関節１００、１０２、１０４がありうるという概念を示す。人工関節知識ベース情報システム２２は、この例では、軸受ライナー１０２および寛骨臼カップ１０４を画像内で、ボール１００およびステム８０の位置と互換性を持つ位置にのみ操作することができるように、様々な人工関節間の関節可動域を定義してもよい。他の実施形態では、特定の人工関節が、人工関節知識ベース情報システム２２において親人工関節および子人工関節の両方として定義されてもよい。例えば、図８の寛骨臼カップ１０４は、他の人工関節とは独立して３Ｄ解剖モデルに対する位置に動かされる親人工関節として構成することができる。軸受ライナー１０２は寛骨臼カップ１０４の子人工関節であり得る。それとは独立して、ステム８０は、ボール１００が落ち着く位置を定義する別個の親人工関節であり得る。しかし、ある点では、ボール１００およびステム８０の組合せと、カップ１０４およびライナー１０２の組合せとの間の関係を理解することが有用なことがある。この場合、カップ１０４およびライナー１０２は、選ばれた配置が所望の規格内であるかを判断する目的で、ステム人工関節の子人工関節にされてもよい。人工関節の配置が、人工関節知識ベース情報システム２２によって指定された許容関係内にない場合、ユーザに対して警告を表示することができ、または人工関節を強制的に補正するようにずらすことができる。

図１に戻ると、システムはまた、処置モデラー５９を有する。処置モデラー５９は、少なくとも１つの人工関節からの３Ｄ情報を、複数の解剖学的標識点の少なくとも１つに基づく情報とともに利用して、処置ベース情報を作成する。いくつかの実施形態では、処置ベース情報を計算することは手術情報を計算することを含んでもよい。手術情報は、人工関節の移植に必要な骨除去量を決定することを含むことができる。これは、実証されているように骨切断線を決定すること、および／または残りの骨から除去する必要がある骨の体積を決定することを含むことができる。これは、３Ｄ解剖モデルと３Ｄ人工関節の交点を決定することによって実現することができる。３Ｄ人工関節の空間を占める骨を含む３Ｄ解剖モデルの部分は、いくつかの実施形態では、除去する必要がある骨の量にほぼ等しい。他の実施形態では、処置ベース情報を計算することは人工関節挿入経路を決定することを含んでもよい。さらなる実施形態では、処置ベース情報を計算することは、少なくとも１つの人工関節と接触する骨の面積を決定することを含んでもよい。これは、３Ｄ解剖モデルの骨と交差する人工関節の表面積を計算することによって、３Ｄ空間内で決定することができる。人工関節の接触面積を知ることによって、また、システム２０が、人工関節をそれと接触している骨に付着させるのに必要なことがあるセメントの量を決定できるようになる。さらなる実施形態は、人工関節に接触するセメントの所望位置を指定してもよく、システム２０は、セメントの接触位置を表示するとともに、セメントの位置が実際に骨と接触するか否かを判断するように構成することができる。やはり、これは、３Ｄ人工関節モデルと３Ｄ解剖モデルとの間の３Ｄ比較によって可能になる。

他の実施形態では、システムによって作成される処置ベース情報は、少なくとも１つの人工関節からの情報を、複数の解剖学的標識点からの情報と比較することによって生成されてもよい。一例として、図９Ａは、人工関節移植に対する術前分析の一実施形態を示し、図９Ｂは、その術後分析の一実施形態を示す。涙痕線１０６および骨盤ソケット１０８は解剖学的標識点として識別されている。骨盤ソケット１０８は涙痕線１０６まで下方に突出（１１０）していてもよい。上述したようなモデル化システムを使用して、人工関節ステム１１２およびそれに関連した人工関節寛骨臼カップ１１４を３Ｄ内で拡大縮小し、図９Ｂに示されるように患者画像の組の中に配置してもよい。寛骨臼カップの中心は、涙痕線１０６まで下方に突出（１１６）してもよい。突出１１０、１１６がそれぞれ涙痕線１０６と交差する点の差は、水平方向のオフセット１１８、すなわちデルタ変化が起こるところである。モデル化システム２０によって、人工関節を解剖学的標識点と比較することによるそのような術前および術後の比較が可能になる。

さらなる実施形態では、システムによって作成される処置ベース情報は、親人工関節および１以上の子人工関節の関節可動域に基づく患者の関節可動域、ならびに親人工関節、１以上の子人工関節、および３Ｄ解剖モデルの間の関係を予測することを含んでもよい。図１０は、基準大腿骨位置１２２を実線で、横方向に旋回した大腿骨１２４を破線で示す、ユーザ・インターフェース１２０の一実施形態を概略的に示す。処置モデラー５９は、そのような操作を表示画面上で実証し、３Ｄ解剖モデルを使用してさまざまな骨要素が同じ空間を占めていないことを確認できるように構成されてもよい（例えば、大腿骨がさらに回転した場合に大腿骨の頂部が骨盤に接触する位置１２６を参照）。さらに、処置モデラー５９は、付着させる相手である骨１３０に対する人工関節１２８の位置を一定に保つように構成することができる。システム２０はまた、開始角度１３２を終了角度１３４と比較して、関節可動域１３６を決定するように構成されてもよい。さらなる実施形態は、特定範囲にわたってこの運動を動画化するように構成されてもよい。

システム２０およびその等価物は、医療従事者に、人工関節知識ベース情報システム２２からの様々な人工関節を対象患者の２Ｄまたは３Ｄ解剖モデル上で試験適合させることができるようにするとともに、適合する人工関節が適切に作動し組み込まれるかを見るため、重要な処置ベース情報を決定できるようにすることによって、外科処置を効率的にモデル化する能力を提供する。ユーザが見るための二次元表現を作成する前に三次元での関係計算を行うことで、回転、拡大縮小、および奥行きの違いが説明されることが確保される。

図１１は、手術モデル化の方法の一実施形態を示す。関連した二次元（２Ｄ）解剖画像群が表示される（１３８）。画像群は、ユーザ・インターフェースを通じて、すべて同時に、一度に１つずつ、または一度に複数表示されてもよい。２Ｄ画像は、Ｘ線写真またはＣＴスキャン画像など、様々な２Ｄまたは３Ｄの供給源由来であってもよい。複数の解剖学的標識点が２Ｄ解剖画像群上で識別される（１４０）。２Ｄ解剖画像が３Ｄ画像の組由来である場合、３Ｄ解剖モデルが既に利用可能であってもよい。

親人工関節の三次元（３Ｄ）表現は、解剖学的標識点間の関係に少なくとも部分的に基づいて、２Ｄ解剖画像の縮尺に一致するように拡大縮小される（１４２）。少なくとも１つの人工関節からの３Ｄ情報、ならびに複数の解剖学的標識点の少なくとも１つに基づく情報を利用して、処置ベース情報が作成される（１４４）。上述したように、これは、手術情報の計算（１４６）、患者の関節可動域の予測（１４８）、患者の関節可動域の動画化（１５０）、および／または、例えば人工関節移植の術前画像および術後画像を得るための、少なくとも１つの人工関節からの情報と複数の解剖学的標識点からの情報との比較（１５２）を含んでもよい。

手術モデル化のシステムおよび方法の利点を本明細書にて考察してきた。考察した実施形態は、本明細書において一例として記載してきた。上述の詳細な開示は、単に一例として提示しているものであり、限定的ではないことが当業者には明白であろう。本明細書には明示していないが、当業者にとって様々な変更、改良、および修正がありうる。これらの変更、改良、および修正がここに示唆されるものとし、また、請求する発明の趣旨および範囲内にあるものとする。それに加えて、列挙した要素または手順の処理順序、または数字、文字、もしくは他の表記の使用は、したがって、請求項において指定されるような場合を除いて、請求項をいかなる順序にも制限するものではない。したがって、本発明は、以下の請求項およびその均等物によってのみ制限される。

Claims (38)

1. 関連した二次元（２Ｄ）解剖画像群を表示するステップと、
   複数の解剖学的標識点を前記関連した２Ｄ解剖画像群上で識別するステップと、
   前記解剖学的標識点間の関係に少なくとも部分的に基づいて、前記２Ｄ解剖画像の縮尺に一致するように少なくとも１つの人工関節の三次元（３Ｄ）表現を拡大縮小するステップと、
   前記少なくとも１つの人工関節からの３Ｄ情報を、前記複数の解剖学的標識点の少なくとも１つに基づく情報とともに利用して、処置ベース情報を作成するステップとを含む、手術モデル化の方法。
2. 処置ベース情報を作成するステップは、手術情報を計算するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記手術情報は、骨除去量、切断位置、人工関節挿入経路、前記少なくとも１つの人工関節と骨の接触面積、セメント量、セメントの接触面積、およびセメント位置から成る群から選択される、請求項２に記載の方法。
4. 処置ベース情報を作成するステップは、前記少なくとも１つの人工関節からの情報を前記複数の解剖学的標識点からの情報と比較するステップを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの人工関節からの情報を前記複数の解剖学的標識点からの情報と比較するステップが、
   第１の解剖学的標識点と第２の解剖学的標識点との間の第１の距離を決定するステップと、
   前記第１の解剖学的標識点と前記第２の解剖学的標識点に相当する人工関節機構との間の第２の距離を決定するステップと、
   前記第１の距離と前記第２の距離との間の差としてデルタを決定するステップとを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記第１の解剖学的標識点が涙痕線を含み、
   前記第２の解剖学的標識点が骨盤ソケットを含み、
   前記人工関節機構が寛骨臼カップの中心を含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの人工関節が親人工関節および１以上の子人工関節を含み、
   処置ベース情報を作成するステップが、
   ａ）前記親人工関節および前記１以上の子人工関節の関節可動域と、
   ｂ）前記親人工関節、前記１以上の子人工関節、および前記複数の解剖学的標識点のうちの１以上の解剖学的標識点の間の関係に基づいて、患者の関節可動域を予測するステップを含む、請求項１に記載の方法。
8. １以上の位置における前記患者の予測関節可動域を描写する少なくとも１つの２Ｄ画像を表示するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記１以上の位置が最大範囲位置を含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記患者の予測関節可動域の運動学的動画を表示するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記複数の解剖学的標識点のうちの１以上の解剖学的標識点を使用して、前記関連した２Ｄ解剖画像群から３Ｄ解剖モデルを作成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 人工関節知識ベース情報システムと、
    患者の解剖学的構造ベース情報システムと、
    ユーザ・インターフェースと、
    コントローラであって、
    ａ）解剖学的標識点識別機能と、
    ｂ）人工関節と解剖学的特徴の関係付け機能と、
    ｃ）処置モデラーと、を含むコントローラと、
    を備える、手術モデル化のシステム。
13. 前記人工関節知識ベース情報システムが、人工関節の３Ｄモデル、前記人工関節の回転点、前記人工関節の機能軸、前記人工関節の動き、前記人工関節の向き、前記人工関節の並進移動、前記人工関節の回転、前記人工関節の支持寸法、前記人工関節の材料情報、前記人工関節の位置情報、および前記人工関節の自由度から成る群から選択された、少なくとも１つのデータ・フィールドを有するデータベースを含む、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記患者の解剖学的構造ベース情報システムが、Ｘ線写真、ＣＴスキャン画像、患者画像、解剖学的標識点、および解剖学的機能軸から成る群から選択された、少なくとも１つのデータ・フィールドを有するデータベースを含む、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記解剖学的標識点識別機能が、ユーザが前記ユーザ・インターフェースを通じて手動で１以上の解剖学的標識点を識別できるように構成される、請求項１２に記載のシステム。
16. 前記ユーザ・インターフェースが、前記１以上の解剖学的標識点が識別される関連した２Ｄ解剖画像群を含む、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記解剖学的標識点識別機能が、前記１以上の解剖学的標識点を自動的に識別するように構成される、請求項１２に記載のシステム。
18. 前記コントローラが三次元（３Ｄ）モデル・ジェネレーターをさらに含む、請求項１２に記載のシステム。
19. 前記３Ｄモデル・ジェネレーターが、前記関連した２Ｄ解剖画像群から少なくとも２つの画像を利用して、３Ｄ解剖モデルを作成するように構成される、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記３Ｄ解剖モデルが三次元で配置された解剖学的標識点を含む、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記人工関節と解剖学的特徴の関係付け機能が、前記人工関節知識ベース情報システムから、前記３Ｄ解剖モデルと３Ｄ人工関節モデルとの間の３Ｄ関係を決定するように構成される、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記コントローラが、親人工関節と子人工関節の関係付け機能をさらに含む、請求項１２に記載のシステム。
23. 前記親人工関節と子人工関節の関係付け機能が、前記人工関節知識ベース情報システムならびに前記３Ｄ解剖モデルから、前記人工関節モデルと子人工関節モデルとの間の３Ｄ関係を決定するように構成される、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記処置モデラーが手術情報を計算するように構成される、請求項１２に記載のシステム。
25. 前記手術情報が、骨除去量、切断位置、人工関節挿入経路、前記少なくとも１つの人工関節と骨の接触面積、セメント量、セメント接触面積、およびセメント位置から成る群から選択される、請求項２４に記載のシステム。
26. 前記処置モデラーが、前記少なくとも１つの人工関節からの情報を、前記複数の解剖学的標識点からの情報と比較するように構成される、請求項１２に記載のシステム。
27. 前記処置モデラーが、
    ａ）親人工関節および１以上の子人工関節の関節可動域と、
    ｂ）前記親人工関節、前記１以上の子人工関節、および前記解剖学的標識点識別機能によって識別される複数の解剖学的標識点のうちの１以上の解剖学的標識点の間の関係に基づいて、患者の関節可動域を予測するように構成される、請求項１２に記載のシステム。
28. 関連した二次元（２Ｄ）解剖画像群を表示する命令と、
    複数の解剖学的標識点を前記関連した２Ｄ解剖画像群上で識別する命令と、
    前記解剖学的標識点間の関係に少なくとも部分的に基づいて、前記２Ｄ解剖画像の縮尺に一致するように少なくとも１つの人工関節の三次元（３Ｄ）表現を拡大縮小する命令と、
    前記少なくとも１つの人工関節からの３Ｄ情報を、前記複数の解剖学的標識点のうちの少なくとも１つの解剖学的標識点に基づく情報とともに利用して、処置ベース情報を作成する命令とを含む、手術モデル化のための機械可読媒体上で具体化される機械実行可能命令群。
29. 処置ベース情報を作成することが手術情報を計算することを含む、請求項２８に記載の機械実行可能命令群。
30. 前記手術情報が、骨除去量、切断位置、人工関節挿入経路、前記少なくとも１つの人工関節と骨の接触面積、セメント量、セメント接触面積、およびセメント位置から成る群から選択される、請求項２９に記載の機械実行可能命令群。
31. 処置ベース情報を作成することが、前記少なくとも１つの人工関節からの情報を前記複数の解剖学的標識点からの情報と比較することを含む、請求項２８に記載の機械実行可能命令群。
32. 前記少なくとも１つの人工関節からの情報を前記複数の解剖学的標識点からの情報と比較することが、
    第１の解剖学的標識点と第２の解剖学的標識点との間の第１の距離を決定することと、
    前記第１の解剖学的標識点と前記第２の解剖学的標識点に相当する人工関節機構との間の第２の距離を決定することと、
    前記第１の距離と前記第２の距離との間の差としてデルタを決定することとを含む、請求項３１に記載の機械実行可能命令群。
33. 前記第１の解剖学的標識点が涙痕線を含み、
    前記第２の解剖学的標識点が骨盤ソケットを含み、
    前記人工関節機構が寛骨臼カップの中心を含む、請求項３２に記載の機械実行可能命令群。
34. 前記少なくとも１つの人工関節が親人工関節および１以上の子人工関節を含み、
    前記処置ベース情報を作成することが、
    ａ）前記親人工関節および前記１以上の子人工関節の関節可動域と、
    ｂ）前記親人工関節、前記１以上の子人工関節、および前記複数の解剖学的標識点のうちの１以上の解剖学的標識点の間の関係に基づいて、患者の関節可動域を予測することを含む、請求項２８に記載の機械実行可能命令群。
35. １以上の位置における前記患者の予測関節可動域を描写する少なくとも１つの２Ｄ画像を表示することをさらに含む、請求項３４に記載の機械実行可能命令群。
36. 前記１以上の位置が最大範囲位置を含む、請求項３４に記載の機械実行可能命令群。
37. 前記患者の予測関節可動域の運動学的動画を表示することをさらに含む、請求項３４に記載の機械実行可能命令群。
38. 前記複数の解剖学的標識点のうちの１以上の解剖学的標識点を使用して、前記関連した２Ｄ解剖画像群から３Ｄ解剖モデルを作成することをさらに含む、請求項２８に記載の機械実行可能命令群。