JP2010088893A - 手術計画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、手術計画の方法およびシステムを提供する。
【解決手段】二次元２Ｄ解剖画像又は３Ｄ画像が表示され、複数の解剖学的標識点が解剖画像の組上で識別される。親人工関節の３Ｄ表現は、解剖学的標識点間の関係に基づいて、２Ｄ解剖画像の縮尺に一致するように拡大縮小される。拡大縮小された３Ｄ親人工関節の２Ｄ表現は、２Ｄ解剖画像上に表示される。手術計画のシステムは、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を有する。コントローラはまた、人工関節と解剖学的特徴の関係付け機能を有する。コントローラは、患者の解剖学的特徴ベース情報システムからの一組の関連した２Ｄ解剖画像をユーザ・インターフェース上に表示するように構成される。
【選択図】図１

Description

請求の発明は、手術計画の方法に関し、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、手術計画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一種の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、それがどのように適合す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するため、術前計画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、多くの現行の計画技術は、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一般的に使用されている現行の計画方法は、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、手術前に移植片の理想位置を精密に決定することにはほとんど労力が払われていない。アセテートに適合し充填される移植片の選択肢であっても、対象のＸ線写真はアセテートが作成されたときに仮定された理想的なビュー平面に比べて回転されていることがあるので、問題となる場合がある。

計画の間検出されないままである移植片のサイズおよび配置の矛盾は、手術が開始された後でないと分からない不一致を修正するために元々意図された人工関節が除去されて代わりの人工関節が使用されるにつれ、より時間がかかり外傷の多い手術につながる場合がある。望ましい移植片配置と実際の移植片配置との間の矛盾の多くは気付かれないままになる可能性があり、場合によっては、関節可動域の減少、衝突およびその後の転位、または早すぎる関節の摩耗につながる。例えば、主要な人工股関節置換（Ｔｏｔａｌ Ｈｉｐ Ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ；ＴＨＲ）手術後の転位の発生率は２〜６％であり、後の修正ではさらに高い。したがって、これは、股関節置換手術後に最も一般的に生じる合併症の１つである。人工股関節置換の転位は、患者および医師に著しい困難をもたらし、股関節を再配置するための著しい追加コストと関連付けられる。ＴＨＲ手術の別の合併症は、大腿骨移植片の首部と寛骨臼構成要素の縁部との間の衝突である。衝突は、寛骨臼縁部の進行性の摩耗につながる可能性があり、その結果、移植骨の界面の緩みを加速させることが示されているポリエチレンの摩耗屑が生じる。衝突が生じる位置は、移植片の設計および幾何学形状（大腿骨頭のサイズ、首部の幅、および寛骨臼ライナーの設計など）によって決まり、より重要なことには、大腿骨移植片と寛骨臼移植片との相対位置によって決まる。場合によっては、衝突が転位をもたらすことがある。したがって、外科医が関節置換術をより精密に計画できるようにする方法およびシステムを有することが非常に望ましい。

社会においてコンピュータの使用が増加していることに伴い、三次元（３Ｄ）人工関節の二次元（２Ｄ）スライスを２Ｄ画像上に表示する、関節置換のための手術計画の解決策が開発されてきた。この２Ｄスライスは、電子的に拡大縮小し回転させることができるが、外科医は、正しい回転または向きを選んでいるという確信が持てない。

したがって、コンピュータ計画ソフトウェアは進歩しているものの、外科医がより精密に計画できるようにする方法およびシステムが依然として求められている。

手術計画の方法が開示される。一組の関連した二次元（２Ｄ）解剖画像が表示される。複数の解剖学的標識点が当該一組の２Ｄ解剖画像上で識別される。人工関節の三次元（３Ｄ）表現は、当該識別された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。拡大縮小された３Ｄ人工関節の２Ｄ表現は、上記一組の２Ｄ解剖画像の少なくとも１つの上に表示される。

手術計画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（ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ−ｂａｓｅｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）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を有する。コントローラはまた、人工関節と解剖学的特徴との関係付け機能（ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ−ｔｏ−ａｎａｔｏｍｉｃａｌ−ｆｅａｔｕｒｅ ｒｅｌａｔｏｒ）を有する。コントローラは、患者の解剖学的特徴ベース情報システムからの一組の関連した二次元（２Ｄ）解剖画像をユーザ・インターフェース上に表示するように構成される。この知識ベース情報システムは、移植片の選択および配置をガイドし、禁忌が示される移植片ラインを除外する。それに加えて、知識ベース情報システムは計画された臨床例によって更新される。

手術計画のための、機械可読媒体上で具体化された一組の機械実行可能命令（ｍａｃｈｉｎｅ ｅｘｅｃｕｔａｂｌｅ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ）がさらに開示される。機械実行可能命令の組は、一組の関連した二次元（２Ｄ）解剖画像を表示する命令を含む。機械実行可能命令の組はまた、当該一組の関連した２Ｄ解剖画像上で複数の解剖学的標識点を識別する命令を含む。機械実行可能命令の組はさらに、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。機械実行可能命令の組はまた、拡大縮小された３Ｄ人工関節の２Ｄ表現を、上記２Ｄ解剖画像の少なくとも１つの上に表示する命令を含む。

手術計画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。 手術計画の方法の一実施形態を示す図である。 手術計画の方法の別の実施形態を示す図である。 手術計画システムデータが人工関節知識ベース情報システムをどのように更新できるかの一実施形態を示す図である。

明瞭にする目的で、かつ適切であると見なされる場合、図面中で対応する特徴を示すために参照番号が繰り返され、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ことが理解されるであろう。

図１は、手術計画のシステム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。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、人工関節を使用するための禁忌を定義し、かつこの情報を定義された解剖学的標識点と関連づける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、異なる患者の計画について、かつこのシステムを使用する臨床医によって、計画プロセスによって形成された統計的関係を使用して更新される。

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。

手術計画のシステム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計画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複数の画像がユーザ・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、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は前後軸画像内における骨盤の真の傾き／回転を表す。骨盤ソケットマーカ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または３Ｄ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または３Ｄ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。

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を操作する手術計画者は、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。選ばれた移植片が、人工関節知識ベース情報システム２２に基づいて禁忌を示し、解剖学的標識点が定義された場合、ユーザに対して警告を表示することができ、代替案を提案することができる。

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計画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考慮されることが確保される。

図９は、手術計画の方法の一実施形態を示す。一組の関連した二次元（２Ｄ）解剖画像が表示される（１０６）。画像の組は、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一組の２Ｄ解剖画像上で識別される（１０８）。２Ｄ解剖画像が３Ｄ画像の組由来である場合、３Ｄ解剖モードが既に利用可能な場合がある。しかしながら、任意に、少なくとも複数の解剖学的標識点を使用して、関連した一組の２Ｄ解剖画像から３Ｄ解剖モデルが作成されてもよい（１１０）。解剖学的標識点を使用して、縮尺情報を提供するとともに、３Ｄ解剖モデルに適合することができる既知の地点を提供することができる。

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（１１２）。拡大縮小された３Ｄ親人工関節の２Ｄ表現は、２Ｄ解剖画像の少なくとも１つの上に表示される（１１４）。人工関節は、三次元で行われた計算に基づいて回転または移動されてもよく、この新しい位置に対応して調節された２Ｄ表現が表示される。

任意に、３Ｄ内にある解剖学的標識点と３Ｄ親人工関節との間の関係が表示されてもよい（１１６）。そのような関係は、手術計画に寸法および基準点を提供しうる。

任意には、三次元内にある解剖学的標識点間の３Ｄ関係の代替的な２Ｄ表現であって、表示された一組の解剖画像に示された視点と異なる２Ｄ表現を取得してもよい（１１８）。このステップは、元々利用可能であったのとは異なる視点から、３Ｄ解剖モデルの２Ｄスライスと、関連した拡大縮小された３Ｄ人工関節モデルとを効率的に作成している。代替の２Ｄ表現は任意に表示されてもよい（１２０）。

図１０は、手術計画の方法の別の実施形態を示す。ステップ１０６、１０８、１１２、および１１４は上述したものと同一である。一組の関連した２Ｄ解剖画像が表示される。複数の解剖学的標識点が当該一組の２Ｄ解剖画像上で識別される（１０８）。親人工関節の３Ｄ表現は、解剖学的標識点間の関係の少なくとも一部に基づいて、２Ｄ解剖画像の縮尺に一致するように拡大縮小される（１１２）。当該拡大縮小された３Ｄ親人工関節の２Ｄ表現は、上記２Ｄ解剖画像の少なくとも１つの上に表示される（１１４）。任意に、少なくとも１つの子人工関節の３Ｄ表現は、上記親人工関節の３Ｄの拡大縮小と一致するように拡大縮小される（１２２）。そのような子人工関節の少なくとも１つの拡大縮小された３Ｄ表現は、親人工関節と少なくとも１つの子人工関節との間の既知の関係に基づいて、上記拡大縮小された患者の３Ｄ人工関節に関連付けられてもよい（１２４）。この関係に基づいて、子人工関節の位置が３Ｄ内で決定されてもよく、また、少なくとも１つの子人工関節と親人工関節との間の３Ｄ関係についての２Ｄ表現であって、上記関連した一組の２Ｄ解剖画像のうちの少なくとも一つと整合する２Ｄ表現を取得してもよい。最後に、少なくとも１つの子人工関節と親人工関節との間の３Ｄ関係についての２Ｄ表現が表示されてもよい（１２８）。

図１１は、上述のシステムの別の態様を示し、２２として図１に上述した人工関節知識ベース・システムの改善を伴う。人工関節知識ベース・システム２２は、保存した計画およびそれに含まれる臨床知識に基づいて修正することができる。単一の臨床ユーザによって特定の患者に対する計画が完了すると、相対的な解剖マーカー位置ならびに選択された移植片およびその位置を含む計画の態様が格納されて、この特定の臨床医の人工関節知識ベース・システムに規則が追加される。臨床医のフィードバックに基づいて、利用可能であれば、計画した症例の術前計画および術後検査データが含まれる。システム・ユーザによってより多くの症例が計画されれば、人工関節知識ベース・システム２２は、移植片選択、配置、および利用可能な移植片の禁忌に対するガイドとしてより多くの新しいデータを使用する。それに加えて、臨床データの一部は、患者または病院の機密性を犯さない同じシステム・サイトにおいて他のシステム・ユーザに利用可能になる。同様に、上述のシステムのすべてのユーザの人工関節知識ベース・システムを調整するため、より一層限定されたデータの組がすべてのシステム・ユーザに全世界的に利用可能になる。このように、システム・ユーザからの実世界の症例に基づいて、人工関節知識ベース・システム規則を更新することができる。

手術計画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 (52)

1. 一組の関連した二次元（２Ｄ）解剖画像を表示するステップと、
   前記一組の２Ｄ解剖画像または３Ｄ解剖画像の上で複数の解剖学的標識点を識別するステップと、
   前記解剖学的標識点間の関係の少なくとも一部に基づいて前記２Ｄ解剖画像の縮尺に一致するように親人工関節の三次元（３Ｄ）表現を拡大縮小するステップと、
   前記拡大縮小された３Ｄ親人工関節の２Ｄ表現を前記２Ｄ解剖画像の少なくとも１つに表示するステップと、を含む、手術計画の方法。
2. 前記関連した二次元解剖画像の組が、一組のＸ線写真またはボリュームデータからなるアキシャルＣＴ画像を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記一組のＸ線写真が前後（ＡＰ）図および正中水平図を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記一組のＸ線写真が少なくとも２つの図を含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記一組の関連した二次元解剖画像がＣＴスキャン画像から導出した２Ｄ画像を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記一組の２Ｄ解剖画像の上で複数の解剖学的標識点を識別するステップが、骨盤ソケット、涙痕線、大転子、小転子、大腿骨頭、および解剖学的機能軸から成る群から少なくとも１つの解剖学的標識点を選択するステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記複数の解剖学的標識点を前記一組の２Ｄ解剖画像の上で識別するステップが手動で行われる、請求項１に記載の方法。
8. 前記複数の解剖学的標識点を前記一組の２Ｄ解剖画像の上で識別するステップが自動で行われる、請求項１に記載の方法。
9. 前記複数の解剖学的標識点を前記一組の２Ｄ解剖画像上で識別するステップが半自動で行われる、請求項１に記載の方法。
10. 前記複数の解剖学的標識点の少なくとも１つを使用して、前記一組の関連した二次元（２Ｄ）解剖画像から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。
11. 前記３Ｄ解剖モデルが三次元内にある前記解剖学的標識点を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記三次元内にある前記解剖学的標識点を前記３Ｄ親人工関節に関係付けるステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記三次元内にある前記解剖学的標識点間の前記３Ｄ親人工関節に対する関係を表示するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記三次元内にある前記解剖学的標識点間の前記３Ｄ親人工関節に対する３Ｄ関係の、代替的な２Ｄ表現を得るステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記解剖学的標識点間の３Ｄ関係及び前記親人工関節の代替的な２Ｄ表現を表示するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 少なくとも１つの子人工関節の三次元（３Ｄ）表現を、前記親人工関節の前記３Ｄの拡大縮小に一致するように拡大縮小するステップと、
    前記親人工関節と前記少なくとも１つの子人工関節との間の既知の関係に基づいて、前記子人工関節の拡大縮小された３Ｄ表現のうちの少なくとも１つを前記拡大縮小された３Ｄ親人工関節に関係付けるステップと、
    前記少なくとも１つの子人工関節と、前記一組の関連した２Ｄ解剖画像からの画像の少なくとも１つと整合する前記親人工関節との間の前記３Ｄ関係の２Ｄ表現を得るステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
17. 前記少なくとも１つの子人工関節と前記親人工関節との間の前記３Ｄ関係の２Ｄ表現を表示するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 既に計画された症例からの解剖学的標識点に基づいて人工関節選択のプロセスを更新するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
19. 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を含むコントローラと、を備え、
    前記コントローラが、前記ユーザ・インターフェース上に前記患者の解剖学的構造ベース情報システムからの一組の関連した二次元（２Ｄ）または三次元（３Ｄ）解剖画像を表示するように構成される、手術計画のシステム。
20. 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１９に記載のシステム。
21. 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１９に記載のシステム。
22. 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つまたは複数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１９に記載のシステム。
23. 前記ユーザ・インターフェースが、前記１つまたは複数の解剖学的標識点が識別される一組の関連した２Ｄ解剖画像を含む、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記解剖学的標識点識別機能が、前記１つまたは複数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１９に記載のシステム。
25. 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１９に記載のシステム。
26. 前記３Ｄモデル・ジェネレーターが、前記一組の関連した２Ｄ解剖画像から少なくとも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２５に記載のシステム。
27. 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２６に記載のシステム。
28. 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２７に記載のシステム。
29. 前記解剖学的特徴の関係付け機能が、前記３Ｄ関係の２Ｄ表現を作成するようにさらに構成される、請求項２８に記載のシステム。
30. 前記ユーザ・インターフェースが前記３Ｄ関係の２Ｄ表現を表示する、請求項２９に記載のシステム。
31. 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１９に記載に記載のシステム。
32. 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３０に記載のシステム。
33. 前記人工関節知識ベース情報システムが、前記システムを使用して臨床ユーザによって展開された計画によって更新される、請求項１９に記載のシステム。
34. 前記人工関節知識ベース情報システムが、前記システムを使用して臨床ユーザ群によって展開された計画によって更新される、請求項１９に記載のシステム。
35. 前記人工関節知識ベース情報システムが、前記システムを使用して前記システムの全ユーザによって展開された計画によって更新される、請求項１９に記載のシステム。
36. 一組の関連した二次元（２Ｄ）解剖画像を表示する命令と、
    前記一組の２Ｄ解剖画像上で複数の解剖学的標識点を識別する命令と、
    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親人工関節の三次元（３Ｄ）表現を拡大縮小する命令と、
    前記拡大縮小された３Ｄ親人工関節の２Ｄ表現を前記２Ｄ解剖画像の少なくとも１つの上に表示する命令と、を含む、手術計画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の組。
37. 前記関連した二次元解剖画像の組が一組のＸ線写真を含む、請求項３６に記載の機械実行可能命令の組。
38. 前記Ｘ線写真の組が前後（ＡＰ）図および正中水平図を含む、請求項３７に記載の機械実行可能命令の組。
39. 前記Ｘ線写真の組が少なくとも２つの図を含む、請求項３７に記載の機械実行可能命令の組。
40. 前記関連した二次元解剖画像の組がＣＴスキャン画像から導出した２Ｄ画像を含む、請求項３６に記載の機械実行可能命令の組。
41. 前記複数の解剖学的標識点を前記一組の２Ｄ解剖画像上で識別することが、骨盤ソケット、涙痕線、大転子、小転子、大腿骨頭、転子間稜、および解剖学的機能軸から成る群から少なくとも１つの解剖学的標識点を選択することを含む、請求項３６に記載の機械実行可能命令の組。
42. 前記複数の解剖学的標識点を前記一組の２Ｄ解剖画像上で識別することが手動で行われる、請求項３４に記載の機械実行可能命令の組。
43. 前記複数の解剖学的標識点を前記一組の２Ｄ解剖画像上で識別することが自動で行われる、請求項３６に記載の機械実行可能命令の組。
44. 前記複数の解剖学的標識点を前記一組の２Ｄ解剖画像上で識別することが半自動で行われる、請求項３６に記載の機械実行可能命令の組。
45. 前記複数の解剖学的標識点の少なくとも１つを使用して、前記一組の関連した二次元（２Ｄ）解剖画像から３Ｄ解剖モデルを作成することをさらに含む、請求項３６に記載の機械実行可能命令の組。
46. 前記３Ｄ解剖モデルが三次元内にある前記解剖学的標識点を含む、請求項４５に記載の機械実行可能命令の組。
47. 前記三次元内にある前記解剖学的標識点を前記３Ｄ親人工関節に関係付けるステップをさらに含む、請求項４６に記載の機械実行可能命令の組。
48. 前記三次元内にある前記解剖学的標識点間の前記３Ｄ親人工関節に対する関係を表示することをさらに含む、請求項４７に記載の機械実行可能命令の組。
49. 前記三次元内にある前記解剖学的標識点間の前記３Ｄ親人工関節に対する３Ｄ関係の２Ｄ表現であって、前記一組の関連した二次元（２Ｄ）解剖画像からの画像の少なくとも１つと整合する２Ｄ表現を得ることをさらに含む、請求項４７に記載の機械実行可能命令の組。
50. 前記解剖学的標識点と前記親人工関節との間の前記３Ｄ関係の２Ｄ表現を表示することをさらに含む、請求項４５に記載の機械実行可能命令の組。
51. 少なくとも１つの子人工関節の三次元（３Ｄ）表現を、前記親人工関節の前記３Ｄの拡大縮小に一致するように拡大縮小することと、
    前記親人工関節と前記少なくとも１つの子人工関節との間の既知の関係に基づいて、前記子人工関節の前記少なくとも１つの拡大縮小された３Ｄ表現を前記拡大縮小された３Ｄ親人工関節に関係付けることと、
    前記少なくとも１つの子人工関節と前記親人工関節との間の３Ｄ関係の２Ｄ表現であって、前記一組の関連した２Ｄ解剖画像からの画像の少なくとも１つと整合する２Ｄ表現を得ることと、をさらに含む、請求項３６に記載の機械実行可能命令の組。
52. 前記少なくとも１つの子人工関節と前記親人工関節との間の前記３Ｄ関係の２Ｄ表現を表示することをさらに含む、請求項５１に記載の機械実行可能命令の組。