JP2010510003A - 参照フレーム固定器 - Google Patents

Abstract

基準マーカを解剖学的構造上に位置決めするための装置は、基準ベースと、固定部材とを含む。基準ベースは、基準マーカを追跡センサの視野内に位置決めするように構成された曲がり部および拡張部を含む。基準マーカは、解剖学的構造から離して位置決めされる。固定部材は、薄型形状を有するように構成され、基準ベースを解剖学的構造に固定するようにさらに構成される。固定部材は、一次外科的切開部を通って解剖学的構造に固定され、外科手術進入路から隔離されるように解剖学的構造上に位置決めされる。基準ベースは、固定部材から一次外科的切開部を通って延びる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2006年11月17日出願の米国特許仮出願第60/866,316号の優先権を主張するものとする。この先願の開示は、参照によりその全体が組み込まれている。

本発明は、一般に、コンピュータ支援手術に関し、より詳細にはコンピュータ支援手術において位置をとらえるための参照フレームに関する。

多くの参照フレームが、方形筋を通って脛骨内に置かれた経皮ピンによって患者に固定されている。参照フレームは、手術ナビゲーションのための追跡装置に取り付けられる。参照フレームは、経皮ピンによって直接骨に固定されるため、ピンのサイズおよび深さが、骨内に応力集中部を生じさせることがある。加えて、経皮ピンを使用する際、神経、動脈および他の構造とぶつかり外傷を生じさせ、また感染のさらなる開口部を生じさせる可能性がある。さらに、経皮ピンの使用はまた、髄内(IM)管を封鎖することもあり、それによって人工器官がIM固定器を使用する場合に固定の問題を引き起こすことがあり、あるいは構成要素の配置および骨切除誘導のためにIM管によるさらなる整合が使用される場合に問題を引き起こすことがある。

米国特許仮出願第60/866,316号

参照フレームは、一般に、手術部位から離して骨に固定される。たとえば、膝置換手術では、大腿骨は、膝関節の上位の参照フレームを使用してコンピュータシステム内で突き止められる。脛骨は、膝関節の下位の参照フレームによって参照される。参照フレームを関節の上下に配置することにより、参照フレームは、最初の皮膚切開部内に追加の器具が置かれることなく関節内の暴露が最大限になるように、手術領域から隔離される。しかし、上記で指摘したように、関節の上位または下位に参照フレームを配置することにより、応力集中、軟組織の損傷、感染の恐れがあるさらなる部位、およびIM管の封鎖によるさらなる問題が創出される。

基準マーカを解剖学的構造上に位置決めするための装置を提供することができる。装置は、基準ベースと、固定部材とを含む。基準ベースは、基準マーカを追跡センサの視野内に位置決めするように構成された曲がり部および拡張部を含む。基準マーカは、解剖学的構造から離して位置決めされる。固定部材は、薄型形状を有するように構成され、基準ベースを解剖学的構造に固定するようにさらに構成される。固定部材は、一次外科的切開部を通って解剖学的構造に固定され、外科手術進入路から固定部材が隔離されるように解剖学的構造上に位置決めされる。基準ベースは、固定部材から一次外科的切開部を通って延びる。

基準マーカを解剖学的構造に固定するための方法が提供され得る。基準マーカは、コンピュータ支援手術システム内に位置合わせされる。本方法は、一次外科的切開部を通って解剖学的構造にアクセスする。固定部材は、解剖学的構造上に位置決めされる。解剖学的構造は、外科的切開部内の手術表面を妨害しないように位置決めされる。本方法は、基準ベースを固定部材内に摺動させる。基準ベースは、基準マーカが、コンピュータ支援手術システムの追跡センサの視野内に位置決めされるように、外科的切開部から離れるように基準マーカを拡張する。

基準マーカ用の薄型形状の骨固定部材が提供され得る。骨固定部材は、位置決め部材と、ガイドと、付勢部材とを含む。位置決め部材は、骨固定部材を解剖学的構造にしっかり固定するように構成される。ガイドは、基準マーカを摺動自在に受け入れるように構成される。ガイドは、位置決め部材に対して概ね垂直な方向で基準マーカを摺動自在に受け入れるように構成される。付勢部材は、ガイドによって摺動自在に受け入れられた基準マーカをガイドにしっかり固定するように構成される。

コンピュータ支援手術システムは、骨固定部材と、基準マーカと、追跡センサと、ガイドと、プロセッサとを含むことができる。薄型形状の骨固定部材は、骨固定部材を解剖学的構造にしっかり固定するように構成された位置決め部材を備える。基準マーカは、骨固定部材に取り付けられ、解剖学的構造についての位置情報を確定するように構成される。追跡センサは、基準マーカから位置情報を受け入れるように構成される。ガイドは、基準マーカを摺動自在に受け入れるように構成される。ガイドは、位置決め部材に対して概ね垂直な方向で基準マーカを摺動自在に受け入れるように構成される。プロセッサは、位置情報から骨の実際の位置を算出するように構成される。

本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図は、本発明の実施形態を例示し、書面による明細書と共に、本発明の原理、特性、および特徴を説明する役割を果たす。

本発明の一態様による基準ベースの実施形態を示す図である。 本発明の一態様による基準ベースの別の実施形態を示す図である。 本発明の一態様による図2の基準ベースの実施形態および骨固定部材の実施形態を示す図である。 大腿骨および脛骨に結合された1対の固定部材を示す図である。 図4の骨固定部材に結合された図1および2の基準ベースを示す図である。 本発明の一態様による骨に結合された基準ベースの実施形態の横断面図である。 本発明の一態様による基準マーカを骨に結合する基準ベースおよび骨固定部材の実施形態を示す図である。 本発明の一態様によるコンピュータ支援手術システムの概略図である。

好ましい実施形態(複数可)の以下の説明は、単に例示的な性質にすぎず、本発明、その適用、または用途を限定することを意図するものではない。

次に図1に移ると、図1は、本発明の一態様による基準ベース10の実施形態の図である。基準ベース10は、マーカプラットフォーム12と、拡張アーム14と、曲がり部16と、雄型ベース固定部材18とを含む。マーカプラットフォーム12は、基準マーカを基準ベース10に結合させるように構成される。拡張アーム14は、マーカプラットフォーム12に取り付けられた基準マーカを、曲がり部16の数、方向、および角度に従って雄型ベース固定部材18から離れるように離間させる。雄型ベース固定部材18は、基準ベース10を骨固定部材に結合させ、次いで骨固定部材は基準ベース10を骨に結合させる。

拡張アーム14および曲がり部16は、基準マーカの所望の端部位置に応じて寸法設定されてよい。拡張アーム14の長さならびに曲がり部16の配置、方向、および角度を指定することにより、基準ベース10は、基準マーカを、手術の作業領域に対して所望の位置、かつ依然としてコンピュータ支援手術システムの視野内に位置決めすることができる。代替の実施形態では、拡張アーム14および曲がり部16は、拡張部のいずれの部分も本質的に直線でないような連続的な曲がり部を含むことができる。拡張アーム14および曲がり部16は、一般に、参照フレームを拡張し、かつ手術医の作業領域内への拡張を回避するが、どのような形状の拡張アーム14および曲がり部16を使用してもよい。コンピュータ支援手術システムは、基準ベース10の様々な形状に対応する(account for)ことができ、このとき基準ベース10の形状は、コンピュータ支援手術システム内に記憶される。

マーカプラットフォーム12は、基準マーカに取り付けられるように構成される。1つの実施形態では、図1に示すように、マーカプラットフォーム12は、円形合わせ面20を有する。円形合わせ面20内のくぼみ22は、基準マーカを受け入れる。マーカプラットフォーム12は、くぼみ22内にネオジム磁石などの磁石を有することができ、それによって基準マーカは、磁石によって生成された力付勢からの押し込み固定(positive fixation)により、基準ベース10に結合され得るようになる。さらに、基準マーカはまた、くぼみ22と結合するように構成された柱部上に磁石を含むこともできる。基準マーカの柱部は、くぼみ22内の磁石から反対方向に分極される。さらに、基準マーカ内の一定の配向を指定するために、くぼみ22内の磁石を互いから反対方向に分極することができ、それによって基準マーカは、基準ベース10に対する基準マーカの単一の配向における押し込み固定しか達成しないはずである。

磁石を使用して基準マーカを基準ベース10に方向付け、固定することに加え、マーカプラットフォーム12は、基準マーカが個々の配向に嵌合し得るように異なって成形されたくぼみ22を有することができる。別の実施形態では、合わせ面20は、基準マーカが、基準ベース10に対して滑り難くなるように粗面を有することができる。

基準マーカが手術システムの視野内で適切に見え、基準ベース10が取り付けられた骨の位置を適切に算出するために、基準マーカは、マーカプラットフォーム12に対して垂直な軸24に対して回転することが必要な場合がある。この軸24周りの基準マーカの任意の回転は、基準マーカの位置合わせ前に完了し、位置合わせ後に変更されない限り、解剖学的組織の正確なコンピュータによる視覚化のために、骨に対する基準マーカの相対位置を確定することができる。マーカプラットフォーム12に対して基準マーカを回転させるための機構は、マーカプラットフォーム12に、または基準マーカ上に配置することができる。

雄型ベース固定部材18は、基準ベース10を、(図3に示し、以下で論じるような)骨に取り付けられた雌型骨固定部材に固定するように構成される。雄型ベース固定部材18は、下側合わせ縁部28と、上側合わせ縁部30と、前方合わせ面32と、側部合わせ面34と、後面部分36とを含む。雄型ベース固定部材18は、雌型骨固定部材内のくぼみ内へと摺動するように構成される。前方合わせ面32は、雌型骨固定部材の前面に合わさるように構成される。

この実施形態では、側部合わせ面34は、下縁部28から上縁部30までの勾配面であり、後面部分36から前方合わせ面32までの勾配面でもある。二重の勾配側部合わせ面34は、基準ベース10の最初の概略的な位置決めを可能にし、この位置決めは、雄型ベース固定部材18が雌型骨固定部材に完全に着座したときに精密な位置決めとなる。あるいは、他の実施形態は、単一の勾配側部合わせ面または下縁部28から上縁部30までの二重の勾配面を有する勾配側部合わせ面を含むことができる。合わせ面における勾配は、オペレータが、基準ベース10を雌型骨固定部材内にほぼ整合させることを可能にする。基準ベース10が雌型骨固定部材内に進むにつれて、勾配面は、基準ベース10をベース内に整合させるように誘導する。

1つの実施形態では、雄型ベース固定部材18が着座するとき、磁石は、雄型ベース固定部材18を雌型骨固定部材内へと押し込み式に付勢する。磁石は、雄型ベース固定部材18内、または雌型骨固定部材内、あるいはその両方に配置することができる。磁石(複数可)は、ベース固定部材を一緒に保持するためにベース固定部材間に磁力を生成する。この力は、雌型骨固定部材から基準ベース10を外すことなく基準ベース10の小さな摂動を可能にする。さらに、この小さな付勢力はまた、骨から雌型骨固定部材を引っ張ることなく、雌型骨固定部材から基準ベース10を外すための(基準マーカを強くノッキングする、あるいは故意にマーカを引っ張るなどの)大きな摂動も可能にする。そのようなシステムは、このとき、骨を損傷から保護するために固定部材において機械的な脆弱点を作り出す。

磁石に加えて、雄型ベース固定部材18(したがって基準ベース10)を雌型固定部材内に保持するために、他の押し込み付勢力を使用することができる。雄型ベース固定部材18を雌型骨固定部材に対して押し込み式に付勢するために、機械的に解除され得る機械式ロッキングシステムを使用することができる。機械式ロッキングシステムが、解除可能でない場合は、ロック機構は、外科的処置が完了したとき、機械式ロッキングシステムを破壊することによって基準ベース10を取り外すことができるように、骨に基準を固着する他のシステムよりも弱くすることができる。そのような破壊可能なロッキングシステムは、単回使用の使い捨てシステムでよい。

次に図2に移ると、図2は、本発明の一態様による基準ベース40の別の実施形態の図である。ベース40は、拡張アーム42と、曲がり部44と、マーカプラットフォーム46と、雄型ベース固定部材48とを含む。基準ベース40の構成要素42〜48は、図1の基準ベース10の構成要素と類似のものである。プラットフォーム46は、基準マーカを支持し、ベース40に固定するように構成される。雄型ベース固定部材48は、ベース40を雌型骨固定部材に方向付けて固定し、したがってベース40を骨に固定するように構成される。図1の実施形態と類似して、拡張アーム42および曲がり部44は、プラットフォーム46を雄型ベース固定部材48から離間させるように構成される。

図2のベース40の曲がり部44および拡張アーム42は、図1のベースの曲がり部および拡張アームとは異なるように成形される。拡張アーム42の異なる長さ、曲がり部44の配置、および曲がり部44の角度は、図1のプラットフォームおよび雄型ベース固定部材とは異なる配置で、プラットフォーム46を雄型ベース固定部材48に対して方向付ける。プラットフォーム46と雄型ベース固定部材48の間のそのような異なる配向により、ベース40が、コンピュータ支援手術システムの視野内に基準マーカを維持しながら、手術領域に最小限侵入する位置に基準マーカを拡張することが可能になる。

次に図3に移ると、図3は、本発明の一態様による図2の基準ベース40の実施形態および雌型骨固定部材60の実施形態の図である。雌型骨固定部材60は、スパイク62と、取付けアーム64と、ねじくぼみ66および70とを含む。雌型骨固定部材60のガイド71は、上縁部72と、下縁部74と、前方合わせ面76と、側部合わせ面78とを含む。前方合わせ面76上には、付勢部材80を配置することができる。下面82は、後縁部84および下縁部74によって画定される。側部合わせ面78は、上縁部72から下縁部74まで垂直に、各々の側縁部86から正面合わせ面78まで水平に画定される。側部合わせ面78は、雄型骨固定部材48の勾配面と合わさるように構成される。

雌型骨固定部材60内の勾配は、雄型固定部材48を受け入れるように方向付けられる。雌型骨固定部材60は、後縁部84から前方合わせ面76まで勾配が付けられ、さらに、下縁部74から上縁部72まで勾配が付けられる。これらの複合勾配に加えて、上縁部72および下縁部74が、後縁部84から前方合わせ面76に向かって辿るにつれて収束する勾配で、雄型および雌型の固定部材40および60にさらに勾配を付けることが望ましいことがある。この勾配は、オペレータが最初に雄型固定器40を雌型固定器60と整合させ得るように、雄型固定器40を最初に概略的に配置することを可能にし得る。そのような構成は、オペレータが、雄型と雌型の固定器40および60の間の接触の「感覚」により、遮られまたは狭められた視野内において固定器40および60を確信的に配置できることを可能にする。雄型固定器40に対するほぼテーパ形状は、基準ベースのこうしたほぼ概略的な配置を可能にする。

この実施形態では、付勢部材80は、前方合わせ面76におけるくぼみ内にネオジム磁石などの磁石を使用することができ、それによって雄型固定ベース部材40を、磁石によって生成された力付勢からの押し込み固定により、雌型骨固定部材60と結合させることができる。代替の実施形態では、磁石は、雄型ベース固定部材40内または雌型骨固定部材60内、あるいはその両方に配置することができる。磁石(複数可)は、ベース固定部材40および60を一緒に保持するためにベース固定部材間に磁力を生成する。この力は、雌型骨固定部材60から基準ベースを外すことなく基準ベースの小さな摂動を可能にする。さらに、この小さな付勢力はまた、ねじ穴66および70を通って骨に雌型骨固定部材60を取り付けるねじを破壊することによって骨から雌型骨固定部材60を引っ張ることなく、雌型骨固定部材60から基準ベースを外すための大きな摂動も可能にする。そのようなシステムは、次いで、骨をねじ引き抜きによる損傷から保護するために固定部材40および60において機械的な脆弱点を作り出す。

ねじくぼみ66および70は、雌型骨固定部材60を骨に取り付けるために小型のねじを受け入れる。くぼみ66および70は、雌型骨固定部材60の配置に応じて、交互に、または一緒に使用することができる。骨に雌型骨固定部材60を固着するのに使用されるねじの頭部は、雌型骨固定部材60のガイド71内に完全に着座する必要がないため、外部のねじくぼみ66は、雌型骨固定部材60の薄型形状をもたらすことができる。くぼみ70を利用して雌型骨固定部材60を骨にねじ込むことにより、固着するねじのねじ頭は、雄型ベース固定部材40を受け入れるために、雌型骨固定部材60の下面82とほぼ同一平面でなければならない。

くぼみ66および70が、雌型骨固定部材60を骨に概ね固定している間、スパイク62は、雌型骨固定部材60を骨に据える。ガイド71の下面82に対して概ね垂直なスパイク62は、最初に、雌型骨固定部材60を骨に対して方向付けるように骨内にはめ込まれる。スパイク62は、たとえばハンマーによって骨内に押し入れられ、あるいは打ち込まれる。スパイク62は、最初、オペレータが雌型骨固定部材60の角度を確認することができるように、また、雄型ベース固定部材48が、雌型骨固定部材60を骨に永久固定する前に追跡システムの視野内に適切に整合されるように、雌型骨固定部材60を方向付ける。オペレータは、スパイク62との最初の位置合わせに満足した後、アクセスねじをくぼみ66および70からねじ込んで雌型骨固定部材60を骨に据えることができる。

スパイク62およびねじは、概ね短い。スパイク62およびねじのサイズが小さいことにより、IM管を封鎖しない基準の配置が可能になる。長いスパイクまたはねじは、骨を貫通してIM管中に延びることがあり、これがIM管を封鎖し、人工膝関節全置換術などに一般的に使用される整合装置などの、IM管によるさらなる整合装置の配置を妨げることがある。ベース40のジオメトリおよび特性が、固定部材60に対するより低い伝達力およびモーメントを可能にするので、短いスパイク62およびねじは、長いねじと同じ深さで骨内に入り込まなくてよい。

次に図4に移ると、図4は、大腿骨94および脛骨96に結合された1対の固定部材90および92の図である。固定部材90は、内側上顆98の近位および内転筋結節100の後方で大腿骨94に取り付けることができる。そのような配置により、大腿骨固定部材90を、外科的処置、たとえば人口膝置換術のための一次切開部を通って骨に固定することが可能になるはずである。固定部材92は、脛骨結節102の遠位、内側、および後方に置くことができる。同様に、この配置はまた、脛骨固定部材92を、一次切開部を通って挿入することも可能にする。

大腿骨固定部材90および脛骨固定部材92の両方は、特に手術医を妨げることからのオペレータ干渉を最小限に抑えるように置かれる。固定部材90および92を関節の中心の内側に置くことにより、手術医または他の施術者は、関節にアクセスするために基準を横切らなくてよい。さらに、関節動作面近傍の大腿骨固定部材90の配置および関節動作面下位の脛骨固定部材92の配置もまた、基準と手術医の間の干渉を最小限に抑える。

ベース固定部材90および92は、基準ベースを関節に向かって突き出すように方向付けられる。そのような配向は、基準ベースを関節方向に突き出すことを可能にすると同時にベースを関節の動作領域から遠ざけるように関節前方に突き出すことにより、切開部のサイズの増大の必要性を最小限に抑える。ベース固定部材90および92は、切開部の端部近傍に基準ベースを突き出すように方向付けられてよく、あるいは切開部の中心に向かってさらに方向付けられてもよい。

ベース固定部材90および92は、最初、スパイク104および106によって骨にはめ込まれる。スパイク104および106は、図3の固定部材からのスパイクとは異なるように離間される。スパイク104および106は、ベース固定部材90および92の前方から後方に離間されるが、一方で図3のスパイクは、隣り合わせで横方向に置かれている。隣り合わせおよび前後の両方にスパイクを離間させることを含む、他の実施形態を固定位置およびユーザの好みに合わせて利用することができる。

大腿骨固定部材90は、ねじくぼみ108を用いて取付けアーム110によって骨に固定される。取付けアーム110は、固定部材90の側部または前端もしくは後端に配置することができる。アーム110は、側部または端部の長さに沿って互いにずらすことができ、あるいは一方を側部に一方を端部に位置決めすることもできる。この実施形態は、1対の取付けアーム110を示しているが、配置の生体構造または手術医の好みに合わせて単一の取付けアームまたは3つ以上の取付けアームを使用することが有益であり得る。単一の取付けアームを使用するとき、スパイク104は、固定部材90をねじくぼみ108周りで回転させることなく固定部材90を骨に固定するのに役立ち得る。

脛骨固定部材92は、開口前端部114を有して構成される。固定部材92内へのベースの前方移動は、固定部材92の勾配側面116によって制御される。固定装置92の両側は、勾配が付けられているが、固定部材92の単一側面だけに勾配が付けられることも可能である。加えて、脛骨固定部材92は、さらに、固定部材112を骨に固着させるための単一の中心ねじ穴118を含む。固定部材90の厚さに比べ固定部材92がさらに厚みを有するのは、固定部材92に対してねじを同一平面にし得る中心ねじ穴118が原因であると考えられ得る。

図4の異なる固定部材90および92ならびに図3の固定部材60は、様々な機能を達成するための様々な特徴および代替手段を有するが、この様々な特徴および代替手段は、図に示し、上記で論じたように様々な固定部材にわたって混合および改変され得る。たとえば固定部材92のような開放端部式固定部材は、固定部材90のように1対の取付けアームを有することができ、この場合取付けアームは、固定部材の側壁に沿ってずらされる。

他の固定部材もまた、雄型合わせ部分を有して構成することができる。そのような実施形態では、基準ベースは、雌型合わせ部分を有して構成することができる。そのような構成は、骨固定部材が骨に固着された際の移植をより簡単にするように、骨固定部材が薄型形状を有することを可能にし得る。さらに、雄型骨固定部材は、上記で説明したように勾配縁部を有することができる。一般に、骨固定部材と基準ベースの合わせ部分は、互いの凹面であり、それによって雌型合わせ部分の凹空間は、雄型合わせ部分のように成形され、雄型合わせ部分の凹空間は、雌型合わせ部分のように成形される。

次に図5に移ると、図5は、図4の骨固定部材90および92に結合された図1の基準ベース10および40の図である。脛骨固定部材92に取り付けられた基準ベース10は、膝関節の下位部分に向かって延び、ここには、切開部の下位部分が配置される。大腿骨固定部材90に取り付けられた基準ベース40は、膝関節に向かって大腿骨固定部材90の上位位置から延び、ここには、皮膚切開部の上位部分が配置される。

ベース10および40ならびに骨固定部材90および92の配向により、視野内に基準を保ちつつ関節にアクセスすることが容易になる。ベース10および40は、膝関節前方に延び、それによってベース10および40ならびにベース10および40に連結されたマーカが、膝関節周りの動作領域から離れて立ち上げられることが可能になり得る。さらに、この実施形態では、ベース10および40のプラットフォーム12および46の表面の平面は、膝関節が完全に延びているときは平行でない。しかし、膝が湾曲されると、ベース10および40のプラットフォーム12および46の表面の平面は、より平行な配向になるように回転する。このため、プラットフォーム12および46の表面の平面に対して垂直に延びる基準もまた、平行になり、コンピュータ支援手術システムの視野内で一緒に見えることが可能になる。さらに、ベース10および40の突き出しは、基準を関節の動作領域から離して立ち上げることにより、オペレータまたは患者からの感知システムと基準間の妨害によって引き起こされるデータの損失を最小限に抑えることができる。コンピュータ支援手術システムの感知システムに対する基準の相対配置を考案する他の実施形態は、コンピュータ支援手術システムの視野に応じて、異なって方向付けられた骨固定部材90および92または異なって成形されたベース10または40を使用することができる。

次に図6に移ると、図6は、本発明の一態様による骨130に連結された基準ベース128の実施形態の横断面図である。骨固定部材132は、スパイク136を用いて骨130にはめ込まれる。基準ベース128は、骨固定部材132内に挿入され、皮膚および筋肉を含む軟組織144中の切開部142に向かって延びる。次いで、骨固定部材132は、軟組織144と骨130の間に配置される。軟組織144はまた、わずかな圧力を骨固定部材132にかけて骨固定部材132を骨130に固定させることができる。

骨固定部材132およびベース128が設置されるとき、手術医は、最初に手術に必要な切開を行うことから始める。したがって、骨固定部材132の設置は、長い切開部を必要としなくてよい。軟組織144は、骨130をできる限り露出するために後方に引っ張られる。手術医は、軟組織144の下方で骨固定部材132を摺動させることができる。骨固定部材132は、骨固定部材132に直接力を付与するのに使用される小型の木槌または他の装置を用いて、スパイク136を骨内に押し入れることによって骨130に取り付けることができる。次いで、手術医は、ベース128を骨固定部材132内に挿入することによって骨固定部材132の配向を確認することができる。配向が正しい場合、手術医は、小型ねじを使用して骨固定装置132を骨130に取り付けることができる。配向が正しくない場合、手術医は、骨固定部材132を再設定することができ、あるいは異なるように成形された追加のベースを試すことができる。骨固定装置132が、骨130に対して適切に方向付けられ固定された後、基準ベース128が、骨固定部材132内にはめ込まれる。

骨固定部材132が、軟組織144の下方で骨130に固定されるとき、骨固定部材132に、「見ないで」アクセスすることができる。手術医は、ベース128を骨固定部材132内に挿入する際、骨固定部材132を見なくてよい。骨固定部材132およびベース128の勾配面により、手術医が、最初に、ベース128の小さい方の雄型合わせ部分を骨固定部材132の最も大きな雌型合わせ部分内に挿入することが可能になる。したがって、ベース128は、感覚によって骨固定部材132内に誘導される。

次に図7に移ると、図7は、本発明の一態様によって基準マーカ160を骨162に結合させる基準ベース150および骨固定部材152の実施形態の図である。基準マーカ160は、関節上方および関節内側に拡張され、その結果、関節の側面から施術する手術医は、基準マーカ160またはシステムの他の部分のいずれとも接触し難くなる。

上記で前述した骨固定部材152は、遮られた視野内で骨に固定するように設計され得る。骨固定部材152の合わせ面内の勾配により、基準ベース150を骨固定部材152内に概略的に配置することが可能になり、この概略的な配置は、合わせ面に沿ってさらに摺動されると、基準ベース150を骨固定部材152内に固定する。さらに、骨固定部材152は、長いねじを使用して基準マーカ160を骨162に固定することなく、IM管の侵害無しに基準マーカ160の固定を可能にする。

基準ベース150は、基準マーカ160を骨162から離して位置決めするように構成される。基準ベース150は、曲がり部および拡張部の組合せを使用して基準マーカ160を、一次切開部を通って骨162から離れるように、また手術の作業領域から立ち上げられるように拡張することができる。曲がり部の数、曲がり部の角度、および拡張部の長さおよび配置に応じて、基準マーカ160を外科手術進入路から離して位置決めするために様々なジオメトリが達成され得る。

骨固定部材152は、外科手術進入路への干渉を最小にするように位置決めされる。これには、外科的切開部から離して骨固定部材152を配置することが要求される。骨固定部材152は、次いで、手術中の器具の干渉から隔離される。たとえば、より中心に配置される基準は、長いねじを使用してその基準を骨に取り付けることができる。そのようなシステムでは、骨切除およびガイドの配置が、長いねじまたはさらには基準自体によって影響されることがある。骨固定部材152が骨162に取り付けられるとき、その薄型形状の概略的なガイドは、外科手術進入路からさらに遠くに位置決めすることを可能にし得る。さらに、外科手術進入路のより中心に置かれた部分からさらに遠く切開部を通って延びる基準ベース150の構造は、手術中、基準マーカによって引き起こされる妨害を最小限に抑えることができる。

さらに、基準ベース150と骨固定部材152または基準マーカ160の間の連結部は、分離可能であり得る。分離可能な連結部は、骨固定部材152を骨162から外すことなく、あるいは骨固定部材152を骨162に対して調整することなく、基準マーカ160または基準ベース150の小さな摂動を可能にし得る。マーカ160が、妨害されたとき、この連結部は、分離することができ、このとき、分離した連結部を再連結するにはオペレータが必要となる。たとえば、わずかな摂動が、マーカ160を基準ベース150から外すことがある。最小限の力だけが、骨固定部材150に伝達され、したがって骨固定部材152と骨162の連結は保たれる。

装置150〜160は、剛性の生体適合性材料から製作され得る。この材料は、標準的なCNC機械切削プロセスを用いて、または他の製造プロセスによって加工され得る。装置150〜160の間の連結部内に置かれた磁石は、ネオジムなどの希土類金属材料から製造され得る。基準マーカ160内のセンサは、コンピュータ支援手術システムの視野内で検出可能な材料から製造することができ、好ましくは、センサ用の材料は、コンピュータ支援手術システム内のセンサによって基準マーカ160内のセンサが主に見えることができるように、基準ベース150、骨固定部材152、および基準マーカ160のフレーム部分を製造する材料とは異なるものでなければならない。

次に図8に移ると、図8は、本発明の一態様によるコンピュータ支援手術システム200の概略図である。コンピュータ支援手術システム200は、基準マーカ202を使用して骨204の位置および配向を入手し、このときマーカ202は、基準ベース206および骨固定部材208を使用して骨204から離されている。追跡センサ210は、骨204の写像をモニタ212上に表示することができるようにマーカ202を画像表示する。測定器216もまたモニタ212上に表示することができるように、他の基準マーカ202をこれらの装置上に置くことができる。撮像装置218は、マーカ202からの情報を相互に関連させるために使用することができる。手術医などのオペレータによって制御される踏子220もまた、入力のためにコンピュータ支援手術システム200で使用することができる。追跡センサ210、撮像装置218、および踏子220からの入力は、モニタ212に出力するための収集および処理のためにコンピュータインターフェース222に入力することができる。コンピュータインターフェース222は、メモリ224と、プロセッサ226と、入力/出力インターフェース228とを含むことができる。i/oインターフェース228はまた、ネットワークを介した他者へのまたは他の記憶媒体への送信のために、ネットワーク230に接続することができる。

システムが開始されるとき、マーカ202は、骨204の第1の位置に位置合わせされる。骨204が移動されるにつれて、マーカ202が移動され、第1の位置に対して3次元に回転する。骨204に取り付けられた追加のマーカを使用することにより、コンピュータインターフェース222は、骨204の位置を算出することができるが、これは、マーカ202が、骨204に対して移動または回転しないためである。さらに、コンピュータインターフェース222はまた、測定器の移動もまた追跡され得るように、測定器216を追跡センサ210の視野内に位置合わせすることもできる。

本発明の範囲から逸脱することなく、対応する図を参照して上記に説明したような例示的な実施形態に様々な改変を加えることができるため、前述の説明に包含し、添付の図に示したすべての要素は、限定的ではなく例示的として解釈することが意図される。したがって、本発明の範囲は、上記で説明した例示的な実施形態のいずれによっても限定されるべきでなく、本明細書に付属する以下の特許請求の範囲およびその均等物によってのみ定義されるべきである。

10、40、128、150、206 基準ベース
12、46 マーカプラットフォーム
14、42 拡張アーム
16、44 曲がり部
18、48 雄型ベース固定部材
20 円形合わせ面
22 くぼみ
24 軸
28 下側合わせ縁部
30 上側合わせ縁部
32、76 前方合わせ面
34、78 側部合わせ面
36 後面部分
60 雌型骨固定部材
62、104、106、136 スパイク
64、110 取付けアーム
66、70、108 ねじくぼみ
71 ガイド
72 上縁部
74 下縁部
80 付勢部材
82 下面
84 後縁部
86 側縁部
90 大腿骨固定部材
92 脛骨固定部材
94 大腿骨
96 脛骨
98 内側上顆
100 内転筋結節
102 脛骨結節
112 固定部材
114 開口前端部
116 勾配側面
118 中心ねじ穴
130、162、204 骨
132、152、208 骨固定部材
142 切開部
144 軟組織
160、202 基準マーカ
200 コンピュータ支援手術システム
210 追跡センサ
212 モニタ
216 測定器
218 撮像装置
220 踏子
222 コンピュータインターフェース
224 メモリ
226 プロセッサ
228 入力/出力インターフェース
230 ネットワーク

Claims (40)

1. 基準マーカを解剖学的構造上に位置決めするための装置であって、
   a.前記基準マーカを追跡センサの視野内に位置決めするように構成された曲がり部および拡張部を含む基準ベースであって、前記基準マーカが、前記解剖学的構造から離して位置決めされる、基準ベースと、
   b.薄型形状を有するように構成され、前記基準ベースを前記解剖学的構造に固定するようにさらに構成された固定部材であって、前記固定部材が、一次外科的切開部を通って前記解剖学的構造に固定され、外科手術進入路から隔離されるように前記解剖学的構造上に位置決めされ、前記基準ベースが、前記一次外科的切開部を通って前記固定部材から延びる、固定部材とを備えることを特徴とする装置。
2. 前記固定部材を前記解剖学的構造に一時的に取り付けるように形作られた一時的位置決め部材を備えることを特徴とする請求項1に記載の装置。
3. 前記一時的位置決め部材が、スパイクであることを特徴とする請求項2に記載の装置。
4. 前記一時的位置決め部材が、複数のスパイクであることを特徴とする請求項2に記載の装置。
5. 前記固定部材を前記解剖学的構造に固定するように構成された永久的位置づけ部材をさらに備えることを特徴とする請求項2に記載の装置。
6. 前記永久的位置づけ部材が、前記固定部材を前記解剖学的構造にねじ込むためのねじを受け入れるように構成されたねじ穴を含むアームを備えることを特徴とする請求項5に記載の装置。
7. 前記固定部材がさらに、合わせ部分を含み、前記基準ベースがさらに、補完的合わせ部分を含み、前記合わせ部分および前記補完的合わせ部分が、互いの凹面であることを特徴とする請求項5に記載の装置。
8. 前記合わせ部分が、雌型合わせ部分であることを特徴とする請求項7に記載の装置。
9. 前記合わせ部分が、前記補完的合わせ部分を第1の方向に受け入れるように構成され、前記第1の方向が、前記合わせ部分の軸に沿って整合するように構成されることを特徴とする請求項8に記載の装置。
10. 前記合わせ部分がさらに、勾配面を含み、前記補完的合わせ部分がさらに、補完的勾配面を含み、前記勾配面が、前記補完的勾配面と合わさるように構成されることを特徴とする請求項7に記載の装置。
11. 前記合わせ部分がさらに、第2の勾配面を含み、前記補完的合わせ部分がさらに、第2の補完的勾配面を含み、前記勾配面および前記第2の勾配面が、複合勾配面を形成し、前記第2の勾配面が、前記第2の補完的勾配面と合わさるように構成されることを特徴とする請求項10に記載の装置。
12. 前記合わせ部分がさらに、前記補完的合わせ部分を前記合わせ部分にしっかり固定するように構成された付勢部材を備えることを特徴とする請求項11に記載の装置。
13. 前記付勢部材が、磁石を備えることを特徴とする請求項12に記載の装置。
14. 前記補完的合わせ部分がさらに、前記補完的合わせ部分が前記合わせ部分にしっかり固定されるときに、前記第2の磁石と前記磁石とが、ほぼ接触させられかつ反対方向に分極させられるように方向付けられた第2の磁石を備えることを特徴とする請求項13に記載の装置。
15. 前記固定部材がさらに、合わせ部分を含み、前記基準ベースがさらに、補完的合わせ部分を含み、前記合わせ部分および前記補完的合わせ部分が、互いの凹面であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
16. 前記合わせ部分が、雌型合わせ部分であることを特徴とする請求項15に記載の装置。
17. 前記合わせ部分が、前記補完的合わせ部分を第1の方向に受け入れるように構成され、前記第1の方向が、前記合わせ部分の軸に沿って整合するように構成されていることを特徴とする請求項16に記載の装置。
18. 前記合わせ部分がさらに、勾配面を含み、前記補完的合わせ部分がさらに、補完的勾配面を含み、前記勾配面が、前記補完的勾配面と合わさるように構成されていることを特徴とする請求項15に記載の装置。
19. 前記合わせ部分がさらに、第2の勾配面を含み、前記補完的合わせ部分がさらに、第2の補完的勾配面を含み、前記勾配面および前記第2の勾配面が、複合勾配面を形成し、前記第2の勾配面が、前記第2の補完的勾配面と合わさるように構成されていることを特徴とする請求項18に記載の装置。
20. 前記基準ベースがさらに、前記基準マーカを前記基準ベースに結合させるように構成されたプラットフォームを備えることを特徴とする請求項15に記載の装置。
21. 前記プラットフォームがさらに、前記基準マーカを前記基準ベースに押し込み式に付勢するように構成された付勢部材を備えることを特徴とする請求項20に記載の装置。
22. 基準マーカを解剖学的構造に固定する方法であって、前記基準マーカが、コンピュータ支援手術システム内に位置合わせされ、前記方法が、
    a.一次外科的切開部を通って前記解剖学的構造にアクセスするステップと、
    b.固定部材を前記解剖学的構造上に位置決めするステップであって、前記解剖学的構造が、前記外科的切開部内の外科手術進入路を妨害しないように位置決めされる、位置決めするステップと、
    c.基準ベースを前記固定部材内に摺動させるステップであって、前記基準ベースは、前記基準マーカが、前記コンピュータ支援手術システムの追跡センサの視野内に位置決めされるように前記外科的切開部から離れるように前記基準マーカを拡張する、摺動させるステップとを含むことを特徴とする方法。
23. 前記位置決めするステップがさらに、
    a.第1の固定手段を用いて前記固定部材を前記解剖学的構造に一時的に固着させるステップと、
    b.前記基準マーカの位置を確認するために前記基準ベースを前記固定部材内に一時的に摺動させるステップと、
    c.前記基準マーカの位置が確認された後、第2の固定手段を用いて前記固定部材を前記解剖学的構造に永久的に固着させるステップとを含むことを特徴とする請求項22に記載の方法。
24. 前記固定部材が前記一時的に固着させるステップにおいて適切に固着されないために、前記基準マーカが適切に位置決めされないとき、前記一時的に摺動させるステップの後、前記固定部材を再度位置決めするステップをさらに含むことを特徴とする請求項23に記載の方法。
25. a.勾配面を前記基準ベース上に設けるステップと、
    b.前記勾配面が、補完的勾配面と合わさるように構成されるように、前記補完的勾配面を前記固定部材上に設けるステップとをさらに含むことを特徴とする請求項22に記載の方法。
26. a.第2の勾配面を前記基準ベースに設けるステップであって、前記第2の勾配面が、前記勾配面と複合勾配面を形成する、設けるステップと、
    b.前記第2の勾配面が、第2の補完的勾配面と合わさるように構成されるように、前記第2の補完的勾配面を前記固定部材上に設けるステップとを含むことを特徴とする請求項25に記載の方法。
27. 前記基準ベースが、前記固定部材に固定されるように前記基準ベースを前記固定部材に付勢するステップをさらに含むことを特徴とする請求項22に記載の方法。
28. 前記付勢するステップがさらに、前記基準ベースが前記固定部材に固定されるように前記基準ベースを前記固定部材に磁気的に付勢するステップを含むことを特徴とする請求項に27に記載の方法。
29. 基準マーカ用の薄型形状の骨固定部材であって、
    a.前記骨固定部材を解剖学的構造にしっかり固定するように構成された位置決め部材と、
    b.前記基準マーカを摺動自在に受け入れるように構成されたガイドであって、前記位置決め部材に対して概ね垂直な方向に前記基準マーカを摺動自在に受け入れるように構成されたガイドと、
    c.前記ガイドによって摺動自在に受け入れられた前記基準マーカを前記ガイドにしっかり固定するように構成された付勢部材とを備えることを特徴とする骨固定部材。
30. 前記位置決め部材が、前記骨固定部材を前記解剖学的構造に一時的に取り付けるように形作られた一時的位置決め部材を備えることを特徴とする請求項29に記載の骨固定部材。
31. 前記一時的位置決め部材が、スパイクであることを特徴とする請求項30に記載の骨固定部材。
32. 前記固定部材を前記解剖学的構造に固定するように構成された永久的位置づけ部材をさらに備えることを特徴とする請求項30に記載の骨固定部材。
33. 前記永久的位置づけ部材がさらに、基準の補完的合わせ部分と合わさるように構成された合わせ部分を含むことを特徴とする請求項32に記載の骨固定部材。
34. 前記合わせ部分が、雌型合わせ部分であることを特徴とする請求項33に記載の骨固定部材。
35. 前記合わせ部分がさらに、勾配面を含み、前記補完的合わせ部分がさらに、補完的勾配面を含み、前記勾配面が、前記補完的勾配面と合わさるように構成されることを特徴とする請求項33に記載の骨固定部材。
36. 前記合わせ部分がさらに、第2の勾配面を含み、前記補完的合わせ部分がさらに、第2の補完的勾配面を含み、前記勾配面および前記第2の勾配面が、複合勾配面を形成し、前記第2の勾配面が、前記第2の補完的勾配面と合わさるように構成されることを特徴とする請求項35に記載の骨固定部材。
37. 前記付勢部材が、磁石を備えることを特徴とする請求項29に記載の骨固定部材。
38. コンピュータ支援手術システムであって、
    a.骨固定部材を解剖学的構造にしっかり固定するように構成された位置決め部材を備える薄型形状の骨固定部材と、
    b.前記骨固定部材に取り付けられ、前記解剖学的構造についての位置情報を確定するように構成された基準マーカと、
    c.前記基準マーカから位置情報を受け入れるように構成された追跡センサと、
    d.前記基準マーカを摺動自在に受け入れるように構成されたガイドであって、前記位置決め部材に対して概ね垂直な方向に前記基準マーカを摺動自在に受け入れるように構成されたガイドと、
    e.前記位置情報から骨の実際の位置を算出するように構成されたプロセッサとを備えることを特徴とするコンピュータ支援手術システム。
39. 前記プロセッサによって算出された前記実際の位置を記憶するように構成された記憶装置をさらに備えることを特徴とする請求項38に記載のコンピュータ支援手術システム。
40. 前記基準マーカが、力付勢によって前記骨固定部材と結合するように構成され、前記力付勢が、前記解剖学的構造に対する前記骨固定部材の配向および位置を妨害することなく、前記基準マーカを前記骨固定部材から分離するように構成されることを特徴とする請求項39に記載のコンピュータ支援手術システム。

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