JP2013526377A - 画像解析を伴う整形外科用の固定 - Google Patents

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Abstract

整形外科用の固定および画像解析の方法が提供される。固定装置に取り付けられた第１および第２の骨部分の画像をキャプチャする。画像にて識別される固定器要素を用いて、イメージング・シーン・パラメータを得ることができる。画像にて識別される骨要素を、イメージング・シーン・パラメータとともに用いて、固定装置に対する第１および第２の骨部分の位置および／または方位の３次元表示を再構築することができる。

Description

関連出願の相互参照
この出願は、英国特許出願番号１００８２８１．６の優先権を主張し、その全体を本明細書に参照によって取り込むものとする。
骨折および／または骨変形に用いられる技術は、骨折部位の反対側の骨部分に外科的に取り付けられる創外固定器、例えば固定フレームの使用を含む。固定器および骨折部位の骨部分について一対のＸ線画像が撮影される。一般的に、一対のＸ線画像は直交する、すなわち、互いに垂直であり、患者の身体構造上の軸に整列していなければならない。画像データは、次に、直交射影技術で操作され、固定器および骨部分の３次元表示を構築し、この３次元表示は、例えば、骨部分を固定器に再整列させる工程を含む治療計画を立てる際に用いられる。
しかしながら、骨折部位の直交する一対のＸ線画像を取得する能力は、外科医の支配を超えた要素、例えば、画像装置の操作性、骨折あるいは骨変形の身体構造上の位置および／または折れた手足を直交画像に対して位置決めする際に患者が被る痛みによって制限されうる。これらの制限要素は、画像処理に不正確性をもたらしうる。これらの不正確性は、治癒過程中の骨部分の不適切な整列、骨部分間の結合の障害、整列の修正を容易にするための追加のＸ線画像撮影の必要、あるいは、追加の外科的手術さえも必要とするといったような不所望の結果につながりうる。
一実施形態によると、整形外科用の固定方法は、固定装置を第１および第２の骨部分に取り付けるステップを含む。方法は、固定装置および骨部分の第１の画像を、固定装置に対する第１の方位からキャプチャするステップをさらに含む。方法は、固定装置および骨部分の第２の画像を、第１の方位と異なる固定装置に対する第２の方位からキャプチャするステップをさらに含む。方法は、第１および第２の画像に対する第１および第２の変換行列をそれぞれ計算するステップをさらに含む。方法は、変換行列を利用して、固定装置に対する第１および第２の骨部分の３次元表示を再構築するステップをさらに含む。
代替実施形態によると、プロセッサにより実行されるとき、整形外科用の固定の画像解析の方法を実行するコンピュータ可読命令を有する。方法は、撮像装置を介して、固定装置および固定装置に取り付けられた第１および第２の骨部分の第１および第２の画像をキャプチャするステップを含む。第１の画像は第１の方位からキャプチャされ、第２の画像記第１の方位と異なる第２の方位からキャプチャされる。方法は、複数のイメージング・シーン・パラメータを得るステップをさらに含む。方法は、複数のイメージング・シーン・パラメータに基づき、固定装置に対して第１および第２の骨部分の３次元表示を再構築するステップをさらに含む。
上述した概要は、以下の好適実施形態の詳細な説明と同様に、添付図面とともに見たときよりよく理解される。画像解析を伴う整形外科用の固定の方法および／または技術を説明する目的で、好適実施形態は図面に示されている。しかしながら、本発明は、図面に示された構成および／または手段に制限されるものではないと理解されたい。
一実施形態にしたがって、イメージング用に位置決めされた固定アセンブリの斜視図である。 図１の固定アセンブリのイメージングプロセスの一例を示す斜視図である。 一実施形態にしたがって、画像解析工程を伴う整形外科用の固定の一例を示すフロー図である。
利便性のために、図面に示された各種実施形態における同一または等価の要素には、同一の参照符号が付されている。特定の技術が以下の説明では用いられているが、利便性のためだけであって、制限するものではない。「右」「左」「上」「下」という用語は、参照している図面中の方向を示すものである。「内側」「内側に」「外側」「外側に」という用語は、装置の幾何学的中心および示された部品に近づいたり離れたりする方向を示すものである。制限することを意図しない用語は、上述した用語、その派生語および類似語を含む。
図１を参照すると、生体組織、例えば、第１および第２の骨部分１０２、１０４は整列および／または方向付けされ、生体組織間の結合あるいは他の治療を促進することができる。生体組織の整列および／または方向付けは、生体組織を調節可能な固定装置、例えば、整形外科用の固定器１００に接続することによって達成可能である。整形外科用の固定器は、複数の個別の固定器部材を含む創外固定装置を構成することができ、固定器部材は患者の身体の外部にあるが、例えば低襲撃取り付け部材によって個別の生体組織に取り付けられる。固定器部材の互いに対する空間的な位置決めを調節することによって、それらに取り付けられた生体組織のそれぞれは、互いに対して再方向付けおよび／または整列され、例えば、治癒過程中の生体組織間の結合を促進することができる。本明細書に記載されているように、整形外科用の創外固定器を、画像解析技術と位置決め技術とともに使用すると、生体組織の直接測定および操作が不可能な用途、生体組織への低襲撃アクセスが必要な用途等に有利になりうる。
固定器部材は、調節部材を介して互いに接続可能である。調節部材は、固定器部材の互いに対する空間的な位置決めを容易にするように構成されている。例えば、図示の実施形態では、整形外科用の固定器１００は、一対の固定器部材を有し、この一対の固定器部材は、上部固定器リング１０６および下部固定器リング１０８の形態である。固定器リング１０６、１０８の構成は同一でも異なっていてもよい。例えば、固定器リング１０６、１０８の直径は、同一でも異なっていてもよい。同様に、固定器リング１０６、１０８の断面直径、厚さ等も異なっていてもよい。整形外科用の固定器１００の固定器部材は、図示の上部および下部固定器リング１０６、１０８に制限されるものではなく、整形外科用の固定器１００は他に構成可能であるということを理解されたい。例えば、追加の固定器リングを設け、固定器リング１０６および／または固定器リング１０８と相互接続することもできる。固定器部材の形状はリング状に制限されるものではなく、少なくとも１つ、例えば全ての固定器部材が任意の他の適切な形状を用いて構成可能であるということを理解されたい。
第１の骨部分１０２および第２の骨部分１０４は、固定器リング１０６、１０８に取り付け可能な取り付け部材によって、それぞれ、上部固定器リング１０６および下部固定器リング１０８にしっかりと取り付け可能である。例えば、図示の実施形態では、取り付け部材は取り付けロッド１１０および取り付けワイヤ１１２の形態で設けられている。
ロッド１１０およびワイヤ１１２は、固定器リング１０６、１０８に取り付けられたマウント部材１１４に取り付けられた近位端と、骨部分１０２、１０４に挿入あるいは固定された反対側の遠位端と、の間に延在する。マウント部材１１４は、固定器リング１０６、１０８の周縁に沿った所定の点で、例えば、固定器リングに設けられたねじ内に配置することによって、固定器リング１０６、１０８に取り外し可能に取り付け可能である。マウント部材１１４は、固定器リング１０６、１０８の各々に対して、リングの上面、下面あるいはその組み合わせに取り付け可能である。取り付け部材は、図示の実施形態の構成に制限されるものではないということを理解されたい。例えば、任意数の取り付け部材、例えば、図示のロッド１１０、ワイヤ１１２およびその他の部材を用いて、骨部分を各固定器部材に要望どおりに固定することができる。また、１つ以上の取り付け部材、例えば、ロッド１１０ および／またはワイヤ１１２は、マウント部材１１４を用いることなく固定器リング１０６、１０８に直接取り付けられる構成にすることもできることを認識されたい。
上部固定器リング１０６および下部固定器リング１０８は、少なくとも１つの、例えば複数の調節部材によって互いに接続可能である。少なくとも１つの、例えば全ての調節部材は、固定器リングの互いの空間的な位置決めを調節可能に構成することができる。例えば、図示の実施形態では、上部固定器リング１０６および下部固定器リング１０８は、長さ調節可能な支柱１１６の形態で設けられた複数の調節部材を用いて互いに接続されている。整形外科用の固定器１００の構成は、図示の実施形態の６本の支柱１１６に制限されるものではなく、要求に応じて支柱の数を多くも少なくもできることを認識されたい。
長さ調節可能な支柱１１６の各々は、対向する上部支柱アーム１１８および下部支柱アーム１２０を具えることができる。上部支柱アーム１１８および下部支柱アーム１２０の各々は、結合部材すなわちスリーブ１２２に配置された近位端と、上部固定器リング１０６および下部固定器リング１０８にそれぞれ取り付けられた自在継手１２４に結合された反対側の遠位端と、を有する。図示の実施形態の自在継手は、上部固定器リング１０６および下部固定器リング１０８の周縁に均等に空間を空けて対で配置されているが、要求に応じて固定器リングの他の任意の位置に配置することができる。
各支柱１１６の上部支柱アーム１１８および下部支柱アーム１２０の近位端は、スリーブ１２２に形成されたねじに受容されるねじが形成され、支柱１１６の上部支柱アーム１１８および下部支柱アーム１２０の近位端がそれぞれのスリーブ１２２に受容されるとき、スリーブ１２２が回転し、上部支柱アーム１１８および下部支柱アーム１２０をスリーブ１２２内に移動させ、回転方向に依存して支柱１１６を伸張させたり短縮させたりできる。それゆえ、各支柱１１６の長さは、残りの支柱と無関係に調節可能である。調節部材は、図示の実施形態の長さ調節可能な支柱１１６に制限されるものではなく、要求に応じて、１つ以上の他の形状、他の長さ調節機構等を用いた他の構成も可能であることを理解されたい。
上部固定器リング１０６および下部固定器リング１０８に取り付けられた長さ調節可能な支柱１１６および自在継手１２４によって、整形外科用の固定器１００はスチュワートプラットフォームのように機能し、より具体的には、仮骨延長リングシステム、６脚あるいはテイラースペーシャルフレームのように機能することができる。すなわち、支柱１１６の長さを調節することによって、上部固定器リング１０６および下部固定器リング１０８の空間的な位置決め、それゆえ、骨部分１０２、１０４の空間的な位置決めを変更することができる。例えば、図示の実施形態では、第１の骨部分１０２は上部固定器リング１０６に取り付けられ、第２の骨部分１０４は下部固定器リング１０８に取り付けられている。第１および第２の骨部分１０２、１０４の上部および下部の固定器リング１０６、１０８に対する取り付けは、図示の実施形態（例えば、第１および第２の骨部分１０２、１０４の中央の縦軸Ｌ１、Ｌ２は、上部固定器リング１０６および下部固定器リング１０８の各面に略垂直である）に制限されるものではなく、外科医は、整形外科用の固定器１００を設定するときの第１および第２の骨部分１０２、１０４を上部および下部の固定器リング１０６、１０８内で整列させる際に完全な柔軟性を有するということを理解されたい。
１つ以上の支柱１１６を変化させることによって、上部および下部の固定器リング１０６、１０８は、それゆえ、骨部分１０２、１０４は互いに対して再び位置決めされ、それぞれの縦軸Ｌ１、Ｌ２が互いに対して実質的に整列し（略一直線になり）、それぞれの骨折端１０３、１０５が互いに当接し、治癒過程中の生体組織間の結合を促進することができる。支柱１１６の調節は、本明細書で説明したような長さの調節に限定されるものではなく、支柱１１６は要求に応じて異なって調節可能であることを認識されたい。また、固定器部材の位置の調節は、長さ調節可能な支柱１１６の長さを調節することに限定されるものではなく、例えば、固定装置に接続された調節部材の種類および／または数に応じて、固定器部材の互いに対する位置決めも他に調節可能であるということを認識されたい。
整形外科用の固定装置、例えば、整形外科用の固定器１００の固定器部材の再位置決めを用いて、生体組織内で、角度（angulation）、並進、回転あるいはその組み合わせの変位を修正することができる。固定装置、例えば、本明細書で説明した技術に用いられる整形外科用の固定器１００は、複数の変位の不具合を個別にあるいは同時に修正することができる。しかしながら、固定装置は図示の整形外科用の固定器１００に限定されるものではなく、固定装置は要求に応じて他の構成が可能であることを認識されたい。例えば、固定装置は追加の固定部材を含むことができ、他の形状の固定部材を含むことができ、調節部材の数を多くしたり少なくしたりでき、他の構成の調節部材を含むことができ、これらの組み合わせを含むことができる。
図２および図３には、一実施形態に係る、画像解析工程を伴う整形外科用の固定およびその方法の一例が示されている。画像解析を伴う整形外科用の固定方法３００の一例を実行するステップは、図３のフローチャートに示されている。ステップ３０２では、生体組織、例えば、第１および第２の骨部分１０２、１０４を調節可能な固定装置、例えば、上述したような整形外科用の固定器１００に接続することができる。
ステップ３０４では、骨部分１０２、１０４に固定された整形外科用の固定器１００を用いて、固定器１００および骨部分１０２、１０４の少なくとも１つ、例えば、複数の画像を撮影することができる。画像は、同一あるいは異なる画像技術を使用してキャプチャすることができる。例えば、画像は、Ｘ線イメージング、コンピュータトモグラフィ、磁気共鳴イメージング、超音波イメージング、赤外線イメージング、写真撮影、蛍光透視、可視スペクトルイメージングまたはそれらの任意の組み合わせを使用して得られる。
画像は、各々に対して、かつ、固定器１００および骨部分１０２、１０４に対して任意の位置および／または方位からキャプチャ可能である。換言すれば、キャプチャした画像は、互いに対して直交する必要もなく、患者の身体構造上の軸に整列する必要もないので、外科医は、撮像装置１３０を位置決めする際に完全に近い柔軟性を有することができる。画像１２６、１２８は、オーバーラップしないように異なる方向または方位からキャプチャすることが好ましい。例えば、図示の実施形態では、一対の画像１２６、１２８の画像面は、互いに直交していない。換言すれば、画像１２６、１２８の画像面間の角度は９０度に等しくないので、画像１２６、１２８は互いに直交していない。少なくとも２つの画像を撮影すること好ましく、追加の画像をキャプチャすると、方法の正確さを増加させることができる。
画像１２６、１２８は、１つ以上のイメージング・ソース、撮像装置、例えばＸ線撮像装置１３０および／または対応する画像取込装置１２７、１２９を用いてキャプチャすることができる。画像１２６、１２８は、１つの再配置可能な（repositionable）Ｘ線撮像装置１３０によってキャプチャされたＸ線画像とすることもできるし、個別に配置された複数の撮像装置１３０によってキャプチャされたＸ線画像とすることもできる。以下で詳述する３次元空間の空間原点１３５に対する画像取込装置１２７、１２９および／または撮像装置１３０の位置が既知であることが好ましい。撮像装置１３０は、外科医の制御によって手動で位置決めおよび／または方向付けされてもよいし、例えばソフトウェア支援の撮像装置によって自動で位置決めされてもよいし、その組み合わせを用いてもよい。
ステップ３０６では、固定器１００、骨部分１０２、１０４、撮像装置１３０および画像取込装置１２７、１２９に関連するイメージング・シーン・パラメータが得られる。以下で詳述するように、イメージング・シーン・パラメータを用いて、固定器１００内の骨部分１０２、１０４の位置決めの３次元表示を構築できる。１つ以上のイメージング・シーン・パラメータが既知である。既知でないイメージング・シーン・パラメータは、例えばＸ線画像１２６、１２８の２次元空間の固定器要素表示の位置を、固定器１００の形状における固定器要素の３次元位置と、数学的に比較することによって得られる。好適実施形態では、イメージング・シーン・パラメータは、ピンホールまたはパースペクティブ・カメラ・モデルを用いて算出できる。例えば、イメージング・シーン・パラメータは、以下で詳述するように、行列代数を使用して数値的に決定できる。
イメージング・シーン・パラメータは、画像画素倍率、画像画素アスペクト比、イメージ・センサスキュー係数、画像サイズ、焦点距離、イメージング・ソースの位置および方位、原点（それぞれの撮像装置１３０に最も近いそれぞれの像１２６、１２８の平面の点として定義される）の位置、固定器１００の要素の位置および方位、それぞれの画像受信器の位置および方位、イメージング・ソースのレンズの位置および方位を含むが、これらに限定されるものではない。
好適実施形態では、少なくともいくつかの、例えば、全てのイメージング・シーン・パラメータは、画像１２６、１２８の２次元空間内の固定器１００の特定の構成要素、すなわち、固定器要素の表示の位置を、実際の３次元空間のそれらの同一の固定器要素の対応する位置と、比較することによって得られる。固定器要素は、整形外科用の固定器１００の構成要素を含み、好ましくは、画像１２６、１２８において、確認するのが容易である構成要素である。位置、線、円錐（conic）等あるいはその組み合わせを用いて、固定器要素のそれぞれの形状を説明できる。例えば、比較に使用される固定器要素の表示は、１つ以上の長さ調節可能な支柱１１６の中心線、自在継手１２４の中央点、マウント部材１１４の中央点等を含むことができる。
固定器要素は、固定器１００の上述した構成要素とは別の標識要素をさらに含むことができる。標識要素は、固定器１００の構成要素の使用の補助としてあるいは代替として、比較する際に用いることができる。標識要素は、イメージングの前に固定器１００の構成要素の特定位置に取り付けてもよいし、固定器１００の構成要素内に組み込んでもよいし、その組み合わせでもよい。標識要素は、固定器１００の他の構成要素の視認性と比較して、画像１２６、１２８における高い視認性を有するように構成可能である。例えば、標識要素は、異なる材料、例えば放射線不透過性材料から構成することもできるし、画像１２６、１２８において、固定器１００の他の構成要素から直ちに区別される形状を有するように構成することもできる。例示の実施形態では、標識要素は、固定器１００上の標識要素のそれぞれの位置に対応する形状を示すことができる。
ステップ３０６Ａでは、固定器要素を比較用に識別することができる。固定器要素の識別および固定器要素のそれぞれの位置の決定は、外科医によって、ソフトウェア支援によって、または、それらの任意の組み合わせによって実行可能である。
画像１２６、１２８の２次元空間の固定器要素の位置は、画像１２６、１２８の結像面に規定される局所原点１２５に対して決定される。局所原点１２５は、画像１２６、１２８における固定器要素の位置を決定するための「０点」として機能する。固定器要素の位置は、それぞれの局所原点１２５に対するそれぞれのｘｙ座標によって定義可能である。それぞれの画像内の局所原点１２５の位置は、局所原点１２５が画像の平面内に存在する限り任意である。一般的に、原点は、画像の中心、または、画像の角、例えば左手下の角に位置する。局所原点の位置は図示の局所原点１２５に限定されるものではなく、局所原点１２５が他の任意の位置に定められることを理解されたい。局所原点１２５の位置が、外科医によって、ソフトウェア支援によって、または、それらの任意の組み合わせによって指定可能であることを認識されたい。
ステップ３０６Ｂでは、画像１２６、１２８の各々に対する変換行列Ｐを計算することができる。変換行列を用いて、実際の３次元空間の１つ以上の固定器要素の位置座標を、それぞれの画像１２６、１２８の２次元空間の固定器要素の対応する位置座標にマップすることができる。同一の固定器要素が必ずしも両方の画像１２６、１２８の比較に使われるわけではないことを理解されたい。例えば、画像１２６に関連した変換行列を構成する際に使用される固定器要素は、画像１２８に関連した変換行列を構成する際に使用される固定器要素と同一でもよいし、異なっていてもよい。変換行列を計算する際に使用される固定器要素の数を増加させると、方法の精度を向上させることができるということをさらに認識されたい。以下の方程式はこの動作を表す。
Figure 2013526377
符号ｘ、ｙは、画像１２６、１２８の２次元空間の固定器要素点の、局所原点１２５に対する位置座標を表す。符号Ｘ、Ｙ、Ｚは、実際の３次元空間の固定器要素点の、空間原点１３５に対する、対応する位置座標を表す。図示の実施形態では、上部固定器リング１０６の上側表面により定義される平面の中心に対応する点が、空間原点１３５に指定されている。図示の行列Ｐは、少なくとも３行４列の要素を有することができる。好適実施形態では、行列Ｐの要素は、以下の行列方程式を解くことによって計算可能である。
Figure 2013526377
ベクトルｐは、行列Ｐの値を表している１１の要素を含むことができる。以下の方程式は、ベクトルｐおよび行列Ｐの要素の配置を示す。
Figure 2013526377
Figure 2013526377
好適実施態様では、行列Ｐの第１２の要素ｐ１２は、数値１に設定可能である。行列Ａ、Ｂは、固定器要素の２次元情報および３次元情報を使用してアセンブル可能である。それぞれの固定器要素を表している全ての点に対して、２行（ロウ）の行列Ａ、Ｂを作成できる。以下の方程式は、固定器要素の全ての点（例えば、それぞれの自在継手１２４の中央点）に対する行列Ａ、Ｂに加えられる２行（ロウ）の値を示す。
Figure 2013526377
符号Ｘ、Ｙ、Ｚは、実際の３次元空間の固定器要素点の、空間原点１３５に対する位置座標値を表し、符号ｘ、ｙは、それぞれの画像１２６、１２８の２次元空間の対応する固定器要素点の、局所原点１２５に対する位置座標値を表す。
それぞれの固定器要素を表している線に対して、２行（ロウ）の行列Ａ、Ｂを作成できる。以下の方程式は、固定器要素の全ての線（例えば、それぞれの長さ調節可能な支柱１１６の中心線）に対して行列Ａ、Ｂに加えられる２行（ロウ）の値を示す。
Figure 2013526377
符号Ｘ、Ｙ、Ｚは、実際の３次元空間の固定器要素の線に属している点の、空間原点１３５に対する位置座標値を表す。符号ｄＸ、ｄＹ、ｄＺは、実際の３次元空間の線の勾配値を表す。符号ａ、ｂ、ｃは、それぞれの画像１２６、１２８の２次元空間における線を定めている定数を表す。例えば、ａ、ｂ、ｃは、それぞれの画像１２６、１２８上の線に属する２点を使用して計算可能である。好適実施形態では、線が垂直線（この場合、ｂの値はゼロである）でない限り、ｂの値は１であるとみなされる。定数ａ、ｂ、ｃの、それぞれの画像座標ｘ、ｙに対する相関は、以下の方程式で表される。
Figure 2013526377
方程式（２）は、６つ以上の固定器要素、例えば長さ調節可能な支柱１１６を用いて拘束可能である。行列Ｐを得るために、固定器要素の全てが画像１２６、１２８の一方において視認可能であることは必ずしも必要ではないということを理解されたい。上述したイメージング・シーン・パラメータの１つ以上が既知である場合、既知のパラメータを用いて、方程式（２）を拘束するのに必要な固定器要素の最小数を低減可能であるということを認識されたい。例えば、この種の情報は、ＤＩＣＯＭ画像ヘッダの最新の画像処理システムから得られる。好ましくは、特異値分解または最小二乗法を用いて、ベクトルｐに対する方程式（２）を解くことができる。
ステップ３０６Ｃでは、変換行列をイメージング・シーン・パラメータに分解することができる。以下の方程式を用いて、行列Ｐを行列Ｅ、Ｉに関連付けることができる。
Figure 2013526377
行列Ｐを分解するとき、追加の項が加えられることを理解されたい。例えば、１９８７年８月にＴｓａｉによる「A Versatile Camera Calibration Technique for High- Accuracy 3D Machine Vision Metrology Using of-the-shelf TV Cameras and Lenses」（IEEE Journal of Robotics & Automation, RA-3, No. 4, 323-344）に記載の方法は、その全体が本明細書に参照として取り込まれるものであるが、ラジアルディストーションに対して画像１２６、１２８を修正するために用いることができる。
行列Ｅ、Ｉは、イメージング・シーン・パラメータを含む。以下の方程式は、行列Ｉの構成を表す。
Figure 2013526377
符号ｓｘ、ｓｙは、画像座標スケーリング係数（例えば、ピクセル・スケーリング係数）の値を表す。焦点距離を表している符号ｆは、それぞれのイメージング・ソース１３０と、対応する画像１２６、１２８の平面と、の間の最短距離の値に対応する。符号ｔｘ、ｔｙは、それぞれの像１２６、１２８の局所原点１２５に対する原点の座標を表す。以下の方程式は、行列Ｅの構成を表す。
Figure 2013526377
符号ｏｘ、ｏｙ、ｏｚは、実際の３次元空間の固定器１００の位置の値を表す。符号ｒ１〜ｒ９は、固定器１００の方位を記述する。これらの値は、以下の方程式により表される３次元回転行列Ｒにアセンブル可能である。
Figure 2013526377
プレンティスホールが１９９８年に出版した「Introductory Techniques of ３-D Computer Vision」に記載されたＴｒｕｃｃｏおよびＶｅｒｒｉの方法と、ベルリンのハイデルベルクにあるシュプリンガーが１９９４年に出版した「Applications of Invariance in Computer Vision」の２３７〜２５６ページの「Euclidian Reconstruction from Uncalibrated Views」に記載されたＨａｒｔｌｅｙの方法と、はその全体が本明細書に参照として取り込まれるものであるが、行列Ｅおよび／または行列Ｉの値を得るために用いることができる。行列Ｅ、Ｉの結果として生じる値を利用して、固定器１００および骨部分１０２、１０４の完全な３次元イメージング・シーンを再構築できる。
例えば、図２は、Ｘ線画像１２６、１２８から再構築される３次元イメージング・シーンの一例を示す。図示の実施形態では、Ｘ線はＸ線撮像装置１３０から放射される。Ｘ線撮像装置１３０は、上述したと撮像装置と同一でもよいし異なっていてもよいことを理解されたい。撮像装置１３０から放射されるＸ線は、対応する画像形成装置により受信され、画像１２６、１２８をキャプチャする。局所原点１２５に対する撮像装置１３０の位置が既知であることが好ましい。
ステップ３０８では、画像１２６、１２８およびイメージング・シーン・パラメータを用いて、３次元空間の骨部分１０２、１０４の位置および／または方位を得ることができる。得られた位置および／または方位データを用いて、患者の治療計画を作成することができる。例えば、以下で詳述するように、骨折した第１および第２の骨部分１０２、１０４の方位および／または位置を変え、骨部分１０２、１０４の間の結合を促進できる。本明細書に記載されている画像解析を伴う整形外科用の固定の方法および技術は折れた骨を再位置決めする用途に限定されるものではなく、画像解析を伴う整形外科用の固定を用いて、他の任意の種類の所望の固定処置、例えば、骨の延長、身体構造上の欠陥の修正を行うことができるということを認識されたい。
ステップ３０８Ａでは、骨部分１０２、１０４の特定部分（例えば、身体構造上の特徴）の表示を有する骨要素を識別し、画像１２６、１２８内の骨要素の位置を決定することができる。骨要素の位置を、画像１２６、１２８のそれぞれの局所原点１２５に対して決定することが好ましい。骨要素の識別およびそれらのそれぞれの位置の決定は、外科医によって、ソフトウェア支援によって、または、それらの任意の組み合わせによって実行可能である。
骨要素を用いて、骨部分１０２、１０４の位置および／または方位の３次元表示を構築することができる。骨要素は、画像１２６、１２８において、容易に確認できることが好ましい。点、線、円錐等、または、それらの任意の組み合わせを用いて、骨要素のそれぞれの形状を記載できる。例えば、図示の実施形態では、骨部分１０２、１０４の骨折端１０３、１０５をそれぞれ表している点１３４、１３６は、画像１２６、１２８において、骨要素として識別される。
骨要素は、イメージング前に骨部分１０２、１０４に埋め込まれた標識要素をさらに含むことができる。標識要素は、画像１２４、１２６において、上述した識別された骨要素の補助としてあるいは代替として用いられる。標識要素は、骨部分１０２、１０４の身体構造上の特徴の視認性と比較して、画像１２６、１２８における高い視認性を有するように構成可能である。例えば、標識要素は、放射線不透過性材料から形成することもできるし、直ちに区別可能な形状を有するように構成することもできる。
ステップ３０８Ｂでは、骨部分１０２、１０４の３次元表示２００を再構築することができる。３次元表示を、固定器１００の対応する表示の有無にかかわらず構築できる。図示の実施形態では、放射線の対、例えば放射線１３８、１４０の対と、放射線１４２、１４４の対は、それぞれ、骨要素位置１３４、１３６に対して構成可能である。各放射線は、画像１２６、１２８の一方における骨要素をそれぞれの撮像装置１３０に接続している。放射線の各対は、共通の交点、例えば、点１４６、１４８に対して解析可能である。共通の交点１４６、１４８は、骨部分１０２、１０４の３次元表示において、骨要素点１３４、１３６のそれぞれの位置を表す。例えば、２より多い画像がキャプチャされる場合、１対より多い放射線、例えば複数対の放射線を構成することもできる。特定のセットの放射線が交差しない場合、そのセットの全放射線に最も近い点を共通の交点として用いることができる。
骨部分１０２、１０４の位置および／または方位は、共通の交点、例えば点１４６、１４８を用いて定量化または測定できる。例えば、骨部分１０２、１０４の中心線を表している線を形成し、患者の身体構造上の軸と比較することができる。さらに、骨部分１０２、１０４の骨折端１０３、１０５の間の距離を定量化できる。これらまたは類似の技術を使用して、骨部分１０２、１０４の位置および／または方位を決定できる。
ステップ３１０では、３次元表示２００を用いて、骨部分１０２、１０４の位置および／または方位に対する所望の変化を決定することができ、例えば、骨部分１０２、１０４の間の結合を促進するために、骨部分１０２、１０４を互いに対してどのように再位置決めするかを決定できる。例えば、図示の実施形態において、軸ＬＩ、Ｌ２が整列するように、第２の骨部分１０４の角度を変えること、および、骨部分１０２、１０４の骨折端１０３、１０５が互いに当接するように、第２の骨部分の位置を変えることが望ましい。骨部分１０２、１０４の位置および／または方位に対する所望の変化の決定は、外科医によってなされることが好ましい。例示の実施形態では、第１および第２の骨部分１０２、１０４の縦軸Ｌ１、Ｌ２を表している線を、３次元表示において生成し、骨部分１０２、１０４の位置および／または方位に対する所望の変化を決定するのを補助することができる。骨部分の位置および／または方位に対する所望の変化を決定する際、ソフトウェア、例えば、骨部分１０２、１０４の所望の位置および／または方位を決定するように構成されたコンピュータプログラムが、外科医を補助することができる。骨部分１０２、１０４の位置および／または方位に対する所望の変化は、空間原点１３５に対して定められることが好ましい。
骨部分１０２、１０４の位置および／または方位に対する所望の変化が決定されると、位置および／または方位の変化をもたらす治療計画を決定できる。好適実施形態では、骨部分１０２、１０４の位置および／または方位に対する所望の変化は、段階的に、一連の小さい変化でもたらされる。上部および下部の固定器リング１０６、１０８の互いに対する位置および／または方位を変えることによって、例えば、１つ以上の長さ調節可能な支柱１１６を延長または短縮することによって、骨部分１０２、１０４の位置および／または方位を変えることができる。
ステップ３１２では、骨部分１０２、１０４の位置および／または方位に対する所望の変化を可能にする固定器１００の形状（すなわち、固定器１００の位置および／または方位）に対する所望の変化は、上述した行列代数学を使用して計算可能である。例えば、第１の骨部分１０２に対する第２の骨部分１０４の所定の再位置決めおよび／または再方向付けは、上部固定器リング１０６に対する下部固定器リング１０８の位置および／または方位における変化に変換できる。固定器の形状に対する所望の変化は、整形外科用の固定器１００に指定された固定器原点１４５に対して表すことができる。図示の実施形態に例示するように、固定器原点１４５は空間原点１３５と必ずしも一致する必要がないということを理解されたい。
ステップ３１４では、治療計画が実施され、すなわち、固定器１００の形状を変えることによって、骨部分１０２、１０４の位置および／または方位を変えることができる。
上述したように、本明細書に記載され、図３に示された方法ステップの１つ以上は、コンピュータプログラム、ソフトウェア、ファームウェア、コンピュータまたはプロセッサが実行するためのコンピュータ可読媒体に記録されるコンピュータ可読命令の他の形態によって実行可能である。コンピュータ可読媒体の例としては、コンピュータ可読の記憶媒体およびコンピュータ可読の通信媒体が挙げられる。コンピュータ可読の記憶媒体の例としては、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、レジスタ、キャッシュメモリ、半導体メモリ・デバイス、磁気媒体、例えば内蔵ハードディスク、リムーバブル・ディスク、光磁気メディアおよび光媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭディスク、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。コンピュータ可読の通信媒体の例としては、有線接続あるいは無線接続により送信される電子信号が挙げられるが、これに限定されるものではない。
本明細書に記載されている画像解析技術を伴う整形外科用の固定方法は、直交していない画像の使用に限定されるものではなく、重なり合う画像、異なる映像技術を使用してキャプチャされた画像、異なる設定でキャプチャされた画像等を使用可能であり、それによって、既存の固定技術および画像技術と比較してより高い柔軟性を外科医に提供するということを理解されたい。
本明細書に記載されている整形外科用の固定に関する方法および技術が、他の用途にも適用可能であるということを認識されたい。例えば、再位置決め可能な機械的操作装置、例えば平行マニピュレータ、スチュワートプラットフォーム等は、それに接続された第１および第２の対象物を有しうる。操作装置は、複数の構成要素から構成可能である。第１および第２の対象物は、互いに対して再位置決めおよび／または再整列可能な任意の対象物とすることができる。画像解析を伴う整形外科用の固定方法３００のステップと類似のステップは、再位置決め可能な操作装置に対して第１および第２の対象物の３次元表示を再構築するために適用可能である。第１および第２の対象物の３次元表示を再構築し、第１および第２の対象物を互いに再位置決め可能な操作装置の１つ以上の形状の変化を決定することができる。３次元表示は、それぞれの第１および第２の複数のイメージング・シーン・パラメータと、第１の画像の少なくとも１つの対象物の要素の位置と、第２の画像の少なくとも１つの対象物の要素の位置と、を使用して再構築可能である。
画像解析技術を伴う整形外科用の固定は、好適実施形態および／または好適方法に関して本明細書に記載されているが、本明細書において、使われた用語は、限定する用語ではなく説明のための用語であり、本発明の範囲が、記載されたものに限定することを意図せず、本明細書に記載の画像解析技術を伴う整形外科用の固定に関する全ての構造、方法および／または使用にまで及ぶことを意図しているということを理解されたい。当業者は、本明細書の教示の恩恵を受け、本明細書に記載の画像解析技術を伴う整形外科用の固定に多数の変更を加えることができ、その変更は、本発明の範囲および精神、例えば、添付の特許請求の範囲から逸脱することなくなされるものである。

Claims (25)

  1. 整形外科用の固定方法であって、前記方法は、
    固定装置を第１および第２の骨部分に取り付けるステップと、
    前記固定装置および前記第１および第２の骨部分の第１の画像を、前記固定装置に対する第１の方位からキャプチャするステップと、
    前記固定装置および前記第１および第２の骨部分の第２の画像を、前記第１の方位と異なる前記固定装置に対する第２の方位からキャプチャするステップと、
    前記第１および第２の画像に対する第１および第２の変換行列をそれぞれ計算するステップと、
    前記変換行列を利用して、前記固定装置に対する前記第１および第２の骨部分の３次元表示を再構築するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 前記固定装置は、
    前記第１の骨部分に取り付けられた第１の固定要素と、
    前記第２の骨部分に取り付けられた第２の固定要素と、
    前記第１の固定要素を前記第２の固定要素に接続する複数の調節部材と、
    を有する、
    請求項１に記載の方法。
  3. 前記第１および第２の方位は互いに直交していない、
    請求項１に記載の方法。
  4. 前記固定装置は創外固定装置を構成する、
    請求項１に記載の方法。
  5. 前記創外固定装置は、仮骨延長リングシステム、６脚あるいはテイラースペーシャルフレームを具える、
    請求項４に記載の方法。
  6. 少なくとも１つの追加の画像がキャプチャされ、
    前記少なくとも１つの追加の画像の各々に対してそれぞれ変換行列が計算される、
    請求項１に記載の方法。
  7. 前記固定装置は、少なくとも１つの固定器要素を具え、
    前記第１の変換行列は、前記第１の画像内の前記少なくとも１つの固定器要素のうちの第１の選択された固定器要素の位置を、３次元空間内の前記第１の選択された固定器要素の対応する位置と比較すること基づいて計算され、
    前記第２の変換行列は、前記第２の画像内の前記少なくとも１つの固定器要素のうちの第２の選択された固定器要素の位置を、３次元空間内の前記第２の選択された固定器要素の対応する位置と比較すること基づいて計算される、
    請求項１に記載の方法。
  8. 前記第１および第２の変換行列は、第１および第２の複数のイメージング・シーン・パラメータにそれぞれ分解される、
    請求項７に記載の方法。
  9. 前記少なくとも１つの固定器要素は、前記第１および第２の画像にて識別される前記固定装置の単一の構成要素を具える、
    請求項７に記載の方法。
  10. 前記第１の選択された固定器要素は、前記固定装置の第１の構成要素に対応し、
    前記第２の選択された固定器要素は、前記第１の構成要素と異なる前記固定装置の第２の構成要素に対応する、
    請求項７に記載の方法。
  11. 前記少なくとも１つの固定器要素は、放射線不透過性標識要素を具える、
    請求項７に記載の方法。
  12. 前記少なくとも１つの固定器要素は、点、線または円錐により表される、
    請求項７に記載の方法。
  13. 前記３次元表示は、前記第１および第２の複数のイメージング・シーン・パラメータと、前記第１の画像の骨要素の位置と、前記第２の画像の骨要素の位置と、を使用して再構築される、
    請求項８に記載の方法。
  14. 前記骨要素は、前記第１または第２の骨部分の身体構造上の特徴を具える、
    請求項１３に記載の方法。
  15. 前記３次元表示は、前記第１および第２の複数のイメージング・シーン・パラメータと、前記第１の画像の複数の骨要素のそれぞれの位置と、前記第２の画像の複数の骨要素のそれぞれの位置と、を使用して再構築される、
    請求項８に記載の方法。
  16. 前記複数の骨要素の各々は、前記第１の骨部分の少なくとも１つの身体構造上の特徴と、前記第２の骨部分の少なくとも１つの身体構造上の特徴と、を具える、
    請求項１５に記載の方法。
  17. プロセッサにより実行されるとき、整形外科用の固定の画像解析の方法を実行するコンピュータ可読命令を有するコンピュータ可読の記憶媒体であって、前記方法は、
    撮像装置を介して、固定装置および前記固定装置に取り付けられた第１および第２の骨部分の第１および第２の画像をキャプチャするステップと、
    複数のイメージング・シーン・パラメータを得るステップと、
    前記複数のイメージング・シーン・パラメータに基づき、前記固定装置に対する前記第１および第２の骨部分の３次元表示を再構築するステップと、
    を含み、
    前記第１の画像は第１の方位からキャプチャされ、前記第２の画像は前記第１の方位と異なる第２の方位からキャプチャされる、
    ことを特徴とするコンピュータ可読の記憶媒体。
  18. 前記第１および第２の画像は互いに直交していない、
    請求項１７に記載のコンピュータ可読の記憶媒体。
  19. 前記方法は、前記第１および第２の画像の複数の固定器要素のそれぞれの位置を識別するステップをさらに含む、
    請求項１７に記載のコンピュータ可読の記憶媒体。
  20. 前記第１および第２の画像にそれぞれ対応する第１および第２の変換行列は、前記複数の固定器要素の前記識別された位置を利用して構成される、
    請求項１９に記載のコンピュータ可読の記憶媒体。
  21. 前記複数のイメージング・シーン・パラメータは、前記第１および第２の変換行列を分解することによって得られる、
    請求項２０に記載のコンピュータ可読の記憶媒体。
  22. 前記方法は、前記第１および第２の画像の複数の骨要素のそれぞれの位置を識別するステップを含み、
    前記骨要素は、前記第１および第２の骨部分の身体構造上の特徴を具える、
    請求項２０に記載のコンピュータ可読の記憶媒体。
  23. 前記３次元表示は、前記複数の骨要素の前記それぞれの位置に基づいて、さらに再構築される、
    請求項２２に記載のコンピュータ可読の記憶媒体。
  24. 対象物を操作する方法であって、前記方法は、
    操作装置を第１および第２の対象物に取り付けるステップと、
    前記操作装置および前記第１および第２の対象物の第１の画像を第１の方位からキャプチャするステップと、
    前記操作装置および前記第１および第２の対象物の第２の画像を第２の方位からキャプチャするステップと、
    前記第１および第２の画像内の複数の操作装置部品のそれぞれの表示を識別するステップと、
    前記それぞれの表示の位置を利用して、前記第１および第２の画像のための第１および第２の変換行列をそれぞれ計算するステップと、
    前記第１および第２の変換行列を第１および第２の複数のイメージング・シーン・パラメータにそれぞれ分解するステップと、
    前記操作装置に対する前記第１および第２の対象物の３次元表示を再構築するステップと、
    前記第１および第２の対象物の互いに対する再位置決めを表す、前記操作装置に対する形状変化を算出するステップと、
    前記形状変化を実現し、前記第１および第２の対象物を互いに対して再位置決めするステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  25. 前記３次元表示は、前記第１および第２の複数のイメージング・シーン・パラメータと、前記第１の画像の少なくとも１つの前記対象物の要素の位置と、前記第２の画像の少なくとも１つ前記対象物の要素の位置と、を使用して再構築される、
    請求項２４に記載の方法。
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