JP2013528880A - 運動パターンを使用して関節骨の奇形切除を判定する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、関節をともに形成する第1の骨および/または第2の骨の最適の補正表面をリアルタイムで決定する方法に関し、第1および/または第2の骨は過成長変形を呈し、前記補正表面は、関節のより大きい運動範囲を提供し、この方法は、i)関節の取得画像から第1の骨および第2の骨の3D体素モデルを構築するステップと、ii)第1および第2の骨体素モデルのそれぞれに対して、中心および3つの軸によって画定される座標系を構築するステップと、iii)第1の骨の座標系に対して第2の骨の座標系上で運動パターンを適用するステップであって、運動パターンが、他方の骨の座標系に対する第1または第2の骨の座標系の1組の連続位置であり、連続位置が、他方の骨に対する一方の骨の運動を画定し、前記運動パターンが、事前定義された運動パターンのデータベースから最初にロードされる、適用するステップと、iv)前記運動パターンから、運動パターンの各位置に対する第1または第2の骨体素モデルと他方の骨体素モデルとの相互貫入体積の和集合として、切除体積を決定するステップと、v)前記切除体積を第1および/または第2の骨体素モデルから実質的に除去することによって、最適の補正表面を決定するステップと、を含む。

Description

本発明は、コンピュータ援用手術の分野に関し、より詳細には、変形した関節表面上における骨の切除部を決定する方法に関する。

人体の関節は、非常に複雑なシステムであることが多く、関節ごとの多様性をすべて捉える精密で包括的なモデルは存在しない。したがって、治療または診断を容易にする技法、デバイス、および方法を開発するための関連情報を得るには、特有の医用画像または1組のデジタル患者データを使用することが必要である。

股関節に関係する特有の例では、臀部の形態における構造上の異常は、運動を制限する可能性があり、また近位大腿骨頸部が寛骨臼唇およびそれに隣接する軟骨に繰返し衝撃を与える可能性がある。大腿寛骨臼インピンジメント(FAI)とは、大腿骨の頭部-頸部のオフセットの減少(カム作用)、骨性臼蓋の過成長(ピンサー作用)、過度の寛骨臼後傾もしくは過度の大腿骨前傾、またはこれら奇形の組合せに起因する可能性のある病状である。カムインピンジメントは通常、大腿骨頭部-頸部接合部の前上部面に位置する骨の過成長を特徴とし、これは大腿骨頭の球形の形状を破壊する。ピンサーインピンジメントは通常、寛骨臼縁の前部面に位置するオーバーカバレッジ(overcoverage)を特徴とする。しかし、特に微妙な奇形を取り扱うとき、この病状の正確で完全な診断を下すのは容易ではない。初期診断には標準的な放射線写真用のX線が使用され、次いで、FAIの病状が疑われる場合は通常、3次元(3D)コンピュータ断層撮影法(CT)走査または磁気共鳴撮像(MRI)試験が実行される。3D画像の処理はやはり手間のかかる手作業であり、正確さおよび再現性を確保することはできず、場合によっては、診断または外科的な指示を誤らせる可能性がある。さらに、そのような試験から3D情報を抽出できる場合でも、再構築された骨の体積は静的なままであり、臀部の授動中に生じるインピンジメントの正確な位置を確実に予測することができない。

FAIの外科的治療は、過度の骨を除去することによって、骨性カムの損傷のレベルで大腿骨頭部-頸部接合部に正常な球形の形状を回復すること、およびピンサーの損傷のレベルで寛骨臼縁の正常なカバー率を回復することを目的とする。この骨性の整形の結果、インピンジメントを伴うことなく、臀部のより大きい運動範囲が回復する。従来、骨の完全な露出および治療すべき解剖学的構造への直接アクセスを提供するため、最初のうちは外科的な切開手法が採用されていた。しかし、低侵襲手順が患者の痛み、罹病率、および回復時間を低減させることによって人気を博してきたため、FAIの関節鏡治療が過去10年で研究されてきたが、これには様々なタイプのカニューレを通過させることができる内視鏡カメラおよび特殊な小型の器具を使用する必要がある。利点には、股関節、周辺の区画、および関連する軟組織への低侵襲アクセスが含まれる。さらに、関節鏡検査は、害を与える損傷の動的な術中評価および補正を可能にする。しかし、関節の深さならびに視認性およびアクセスの減少のため、これら股関節鏡検査手順は実行するのが困難であり、すべての外科医がこの技法の採用に関して快適さを感じているわけではない。そのような関節鏡による干渉の成功は、正しい診断、病状の正確な術前評価、非常に綿密な術中評価、および大腿骨側と寛骨臼側の両方のインピンジメント損傷の徹底的かつ正確な補正に依拠し、これは多くの場合、手間のかかる習熟曲線の後でしか実現することができない。FAIに対する関節鏡手順の失敗は、骨性損傷の不完全な減圧に関連することが最も一般的である。

したがって、1つの重要な問題は、平滑な骨の表面を再現するために、変形した関節骨の表面上で切除すべき骨の位置および量を精密かつ再現可能に決定するのが困難であることである。外科医は通常、患者のX線画像上に2Dテンプレートを適用して、実現すべき切除部を推定しようとする。これはやはり、3D空間で問題に対処するには非常に制限された不正確な方法である。患者の術前3D画像の取得は、これらの病理学において一般的なプロトコルになりつつあり、こうして病理学的問題に関する外科医の情報レベルを増大させている。しかし、実行すべき骨の補正に対する提案を提供するためにこれらの3D画像を処理し、得られた情報を使用するためのツールは非常にわずかである。3D画像を取得するために使用される撮像システムの大部分は、骨表面モデルの3D再構築を提供するが、その処理は手動で適用しなければならず、その結果、骨モデルの静的な投影図しか得ることができない。ベルギー、ルーベンのMaterialise社製のMimics(登録商標)というソフトウェアのように、術前に切除をシミュレートすることを提案するソフトウェアも存在するが、同社が提供するこれらツールは、使用者によって手動で適用される骨の粉砕処理をシミュレートするだけであり、実行するには多くの時間がかかり、また客観的な基準に基づく再現可能な結果を保証しない。別の方法は、患者の反対側を使用して反対側の表面を模倣し、変形した側に最適の補正表面を画定することからなるが、反対側も何らかの初期の奇形を有する場合、正確な結果を提供することはできない。

Pulsら、「Simulation of hip motion for impingement detection: a comparison of four strategies」、16th ESB Congress、Oral Presentations、2008年7月8日火曜日、Journal of Biomechanics 41 (S1)

本発明は、関節をともに形成する第1の骨および/または第2の骨の最適な補正表面をリアルタイムで決定する方法を提供し、第1および/または第2の骨は過成長変形を呈し、前記補正表面は、関節のより大きい運動範囲を提供し、この方法は、
i)関節の取得画像から第1の骨および第2の骨の3D体素モデルを構築するステップと、
ii)第1および第2の骨体素モデルのそれぞれに対して、中心および3つの軸によって画定される座標系を構築するステップと、
iii)第1の骨の座標系に対して第2の骨の座標系上で運動パターンを適用するステップであって、運動パターンが、他方の骨の座標系に対する第1または第2の骨の座標系の1組の連続位置であり、連続位置が、他方の骨に対する一方の骨の運動を画定し、前記運動パターンが、事前定義された運動パターンのデータベースから最初にロードされる、適用するステップと、
iv)前記運動パターンから、運動パターンの各位置に対する第1または第2の骨体素モデルと他方の骨体素モデルとの相互貫入体積の和集合として、切除体積を決定するステップと、
v)前記切除体積を第1および/または第2の骨体素モデルから実質的に除去することによって、最適の補正表面を決定するステップと、を含む。

本発明の一実施形態によれば、運動パターンは、第1の骨体素モデルに対する第2の骨体素モデルの運動を画定し、第1の骨体素モデルは固定され、運動中の第2の骨体素モデルの各位置は、第1の骨の座標系の軸の周りの3つの回転角度によって画定される。

本発明の別の実施形態によれば、運動パターンは、第2の骨体素モデルに対する第1の骨体素モデルの運動を画定し、第2の骨体素モデルは固定され、各位置は、第1または第2の骨の座標系の軸の周りの3つの回転角度によって画定される。

データベースの各運動パターンは、有利には、特有の活動に対応する関節の運動および振幅を表す。

本発明の特定の実施形態によれば、関節は股関節であり、第1の骨は寛骨臼縁を呈する骨盤であり、第2の骨は大腿骨であり、骨の過成長は寛骨臼縁および/または大腿骨上に位置する。

関節は、球窩関節としてモデル化することができる。

関節はまた、さらなる残余平行移動を伴う球窩関節としてモデル化することができる。

一実施形態によれば、切除体積は、第1の骨の切除体積と第2の骨の切除体積とに分割される。

運動パターンは、
a.運動パターンのデータベース内で最初の運動パターンを選択するステップと、
b.前記最初の運動パターンを第2の骨体素モデルに適用し、第1の骨体素モデルと第2の骨体素モデルとの間の相互貫入を生成する第1の位置を検出するステップと、
c.前記第1の位置から所与の方向に運動パターンを拡大させて所望の位置に到達する軌道を決定し、少なくとも所望の位置を含む軌道の位置を、更新される運動パターンに追加するステップと、に従って更新することができる。

前記方向は、対話手段を用いて使用者によって手動で生成することができる。

そうでない場合、前記方向は、最初のパターンに対応する軌道の連続として自動的に生成することができる。

この方法は、前記所望の位置近傍に新しい位置を生成し、これらの新しい位置を更新される運動パターンに追加して最終の運動パターンを生成するステップをさらに含むことができる。

具体的には、前記近傍は、所望の位置から始まり、小さい範囲内で運動パターンの軌道の方向に直交する2つの方向へ進む1組の追加の位置として決定することができる。

本発明の一実施形態によれば、同じ運動パターンが、第2の骨の最適の補正表面を選択するために、第2の骨の異なる補正表面に対して数回にわたって適用される。

特殊なハードウェアおよびソフトウェアを有するコンピュータを使用して、運動パターンの所与の位置に対する第1の骨と第2の骨との間の前記相互貫入体積を決定することができ、この方法は、
a.運動パターンの位置を適用して第2の体素骨モデルの各体素要素を変換し、第1の体素骨モデルの座標系内で変換された体素要素にするステップと、
b.第2の体素骨モデルの変換された有効な体素要素に一致する第1の体素骨モデルの有効な体素要素の集合として、相互貫入体積を決定するステップとを含む。

本発明のさらなる目的、特徴、および利点は、例示的かつ非限定的な図面を参照する以下の詳細な説明に示す。

大腿骨頭球および頸部軸の位置を決定するために一般に使用される、3D画像から抽出された軸および頭頂方向の2つの直交する2D画像を示す図である。 膝中心点を決定するために一般に使用される、膝のレベルで取得した軸方向のCT 2D画像の図である。 大腿骨の解剖学的標識点から決定される3D座標系を示す大腿骨の斜視図である。 前上部腸骨棘および恥骨結合の位置を決定するために一般的に使用される、標準的な臀部取得プロトコルにおいて腸骨棘のレベルで取得した2つの軸方向のCT 2D画像を示す図である。 前上部腸骨棘の解剖学的標識点の決定を示す骨盤の正面図である。 恥骨結合の解剖学的標識点の決定を示す骨盤の側面図である。 寛骨臼中心の決定を示す股関節の拡大斜視図である。 骨盤の解剖学的標識点から決定される3D座標系を示す骨盤の斜視図である。 大腿骨座標系と骨盤座標系との間の関係を示す骨盤および大腿骨の斜視図である。 骨盤に対する大腿骨の回転の軸および方向を示す股関節の拡大斜視図である。 大腿骨に回転運動を適用するときの骨盤上の相互貫入面積を示す股関節の斜視図である。 相互貫入体積を有する関節の概略図である。 追加の相互貫入体積を有する関節の別の概略図である。

図面に関連して、運動パターンによって描かれる運動のリアルタイムシミュレーションから関節骨の変形した表面の骨の切除を決定する方法について以下に説明する。この方法は、前記運動パターンを使用して関節の骨の最適の補正表面を決定するために使用される。

以下の説明では、この方法について、股関節を参照して説明する。したがって、この方法は主に、骨盤の変形した表面の切除を画定するために使用される。しかし、本発明は、骨盤への適用に限定されるものではなく、任意の関節の任意の骨の変形した表面の切除を画定するために使用することができる。当業者であれば、本発明の方法をそのような関節に容易に適合できるであろう。

後述するアルゴリズムおよび方法を実施するプログラムを実行するために、ディスクまたはインターネットネットワーク上にファイルを読み書きする能力、使用者への表示、および2Dまたは3Dマウスなどの任意選択の対話デバイスを有するコンピュータが使用される。プログラムはまた、ウェブベースシステムにおいて遠隔で実行することもできる。

患者の3Dコンピュータ断層撮影法(CT)または磁気共鳴撮像(MRI)試験が、特有の事前定義されたプロトコルを使用する3D画像を提供するために実行される。たとえば、臀部の軸方向の2D画像を取得して3D画像を構築することができ、軸方向の2D画像を互いに平行に積み重ねて3D画像を作成する。臀部に対する従来の3D画像取得プロトコルに加えて、膝のレベル、および任意選択で前上部腸骨棘のレベルで、いくつかの余分のCTまたはMRI画像も取得される。

CT画像から構築される3D表面モデルからの股関節の運動範囲の自動化された決定は、多くの著者による文献に記載されており、ベルギー、ルーベンのMaterialise社製のMimics(登録商標)というソフトウェアなど、2つの骨表面モデル間のインピンジメントを検出するソフトウェアパッケージが利用可能である。そのようなソフトウェアを使用することで、2つの関節骨間のインピンジメント領域を検出することが可能になる。しかし、所望の運動の最適のパターンを容易に画定する方法との相関関係において、骨盤または大腿骨上の最適の切除領域の決定を自動化することは困難な問題であり、それに対する知られている解決策は存在しない。主な難題は、所与の患者に対する最適の切除領域を決定する方策を確立するために、容易に使用でき、効率的で、かつ信頼性が高い基準に基づくツールを、専門家ではない使用者に提供することにある。この難題は、所望の運動の画定の問題と高速の演算に関係する問題とを組み合わせている。

準備ステップで、臀部の3D画像を処理して、大腿骨を特徴付ける重要な幾何学的要素を抽出する。これらの幾何学的要素は、図1に示すように、使用者が3D画像から抽出された標準的な直交する2D画像を使用することによって、対話によって決定することができる。この例では、必要な幾何学的要素は、大腿骨頭の変形していない部分に適合する大腿骨頭球SF、大腿骨頭中心点H(球SFの中心)、大腿骨頸部軸AX、および膝中心点Kである。

図1に示すように、球SFは、3D画像から抽出された軸および頭頂方向の少なくとも2つの直交する2D画像内で大腿骨頭の輪郭上に円を対話によって配置することによって決定される。大腿骨頭球SFの寸法および位置は対話によって調整され、その結果、大腿骨頭球SFが決定される。次いで大腿骨頭中心Hは、大腿骨頭球SFの中心として決定される。頸部軸AXは、直交する2D画像内の大腿骨頸部軸の中間を通過するベクトル線を対話によって配置することによって決定される。膝中心Kは、膝のレベルで取得した最遠位の軸方向の2D画像(最下位の2D画像)内に膝の中心に対応する点を対話によって配置することによって決定される。

図2に示す変形実施形態では、膝中心Kは、膝の最も外側の点および最も内側の点として画定される上顆に対応する2つの点E1およびE2を対話によって配置することによって決定される。次いで膝中心Kは、線分[E1E2]の中間として決定される。

それらの標識点を自動的に決定するように、特有のアルゴリズムを展開することができる。

大腿骨頭中心点H、膝中心点K、および軸MLから、原点および3つの軸によって画定される大腿骨座標系が決定される。大腿骨座標系の原点は、大腿骨頭中心点Hを中心とし、X_F軸は、HK線分の方向によって画定され、Z_F軸は、X_FにML軸方向ベクトルを掛けた正規化ベクトル積によって画定され、Y_F軸は、Z_FにX_Fを掛けたベクトル積によって画定され、図3に示すように、直交座標系を構築する。

寛骨臼側では、必要な幾何学的要素は、寛骨臼中心点A、1対の前上部腸骨棘の稜点ASIS_LおよびASIS_R、ならびに恥骨結合点Sである。

図4に示す本発明の好ましい実施形態では、2つの骨盤点ASIS_LおよびASIS_Rを識別する方法は、腸骨棘のレベルで取得した固有の2D画像(最も高い2D画像)内で2つの最前部の左側の点および右側の点を決定することを含む。同様に、恥骨結合Sは、標準的な臀部プロトコルで取得した軸方向の2D画像(中心の2D画像)内で左右の骨盤骨の関節の最前部の点を指定することによって決定される。別の好ましい実施形態では、3つの骨盤点S、ASIS_L、およびASIS_Rの決定は自動的に実行される。

図5Aに示すように、3D画像の最前部の冠状面に平行な平面PAが第1に設定される。この平面は、最も高い2D画像内で最も高い骨の点ASIS1に達するまで後部方向に平行移動され、これが平面PA’を画定する。次いで平面PA’は、3D画像の上部-下部方向に平行な軸の周りを回転される。この軸は、3D画像を構築するために使用される2D画像に対して垂直であり、点ASIS1を通過する。回転は、平面PA’が最も高い2D画像内で2番目に高い骨の点ASIS2に達するまで後部方向へ選択され、これが平面PA”を画定する。ASIS1およびASIS2は、3D画像の中間-矢状面PMのどちら側に位置するかに従ってラベル付けされる骨盤点ASIS_LおよびASIS_Rを決定し、骨盤点ASIS_LおよびASIS_Rは、骨盤軸ASISを画定する。最後に図5Bに示すように、平面PA”は、平面PA”が中心の2D画像の最前部の骨の点に接触するまでASIS軸の周りを後部方向へ回転され、これが恥骨結合Sを決定し、平面PA”を画定する。

図6に示すように、骨盤骨1上では、大腿骨頭中心点Hを最初の近似として使用し、大腿骨頭球SFへの拡張を適用して、寛骨臼中心点Aを大腿骨2の大腿骨頭中心点Hと同様に決定することができる。この入力から、最小2乗反復方法を使用して、寛骨臼表面モデルから寛骨臼の最良適合球SAが決定される。

最後に、図7に示すように、寛骨臼中心点A、恥骨結合点S、および骨盤ASIS軸から、原点および3つの軸によって画定される骨盤座標系が決定される。骨盤座標系の原点は、寛骨臼中心点Aを中心とし、Y_P軸は、骨盤軸ASISの方向によって画定され、X_F軸は、下部方向にY_Pに直交すると画定され、Z_P軸は、X_PにY_Pを掛けたベクトル積として画定され、直交座標系を構築する。骨盤座標系を画定するために、たとえばASISの代わりに涙滴形を使用して、または単にASIAの代わりに両側で大腿骨頭中心を使用して、多くの他の標識点を代用することもできる。3D撮像試験台上で仰向けに横たわっている患者に対応する3D画像の座標系を直接使用することも可能である。上記で画定した標識点の決定は、マウスで対話によって、または本発明の範囲内ではない専用のアルゴリズムを使用して自動的に実行することができる。

次の準備ステップは、3D画像から関節骨表面の3D表面モデルを構築することである。CT画像の場合、3D表面モデルを得るために閾値処理が一般的に使用される。周知の数学的な形態演算子を使用する追加の処理が適用され、小さい連結成分を削除し、骨の外面のみが残るように表面の内側を充填する。しかし、閾値処理では骨表面と隣接する骨とをマージして表面にいくつかの欠陥を生じる傾向があるため、この表面モデルは通常、完全ではない。したがって、上記で決定した解剖学的標識点を使用して、マージされた3D表面を分離する。これらの方法を臀部の3D画像に適用することで、3D大腿骨表面モデルおよび3D骨盤表面モデルを決定する。臀部軟骨の損傷の場合、3D大腿骨表面モデルと3D骨盤表面モデルとを関節内区間のレベルでマージすることが可能である。次いで、大腿骨頭球SFおよび寛骨臼の最良適合球SAを使用して、境界領域を決定することによって、2つのマージされた3D表面モデルを分離する。3D表面モデルの分離により、2つの3D表面モデルのそれぞれの中に孔を作ることができる。これらの孔は、対応する球面に局所的なパッチを施すことによって充填され、すなわち、大腿骨頭球SFで3D大腿骨表面モデルの大腿骨頭表面内の孔を充填し、寛骨臼の最良適合球SAで3D骨盤表面モデルの寛骨臼窩表面内の孔を充填する。

最後の準備ステップは、骨盤座標系に対する大腿骨座標系の最初の位置を決定することである。図8に示すように、2つの座標系の原点HとAが正確に一致しない可能性がある。好ましい実施形態では、3D画像の試験中に起こりうる骨盤傾斜または位置ずれした脚の位置を補償するように、骨盤に対する大腿骨の再調整された零点が設定される。好ましい実施形態では、この零点は、大腿骨のX_F軸と骨盤のX_P軸とを位置合わせし、大腿骨のY_F軸と骨盤のY_P軸とを位置合わせし、ならびに骨盤の原点と大腿骨座標系の原点とを位置合わせすることによって決定される。

ここで骨の過成長の寛骨臼補正領域は、骨盤に対する大腿骨の回転運動をシミュレートし、そのような運動中の2つの骨同士の間の相互貫入体積を計算することによって決定することができる。図9に示す好ましい実施形態では、骨盤座標系の軸ベクトルに対して、3つの回転軸が次のように画定される。
[a]Y_Pベクトルの周りの上部方向の回転によって、屈曲FLXが実行される。
[b]Y_Pベクトルの周りの下部方向の回転によって、伸展EXTが実行される。
[c]Y_Pの周りの屈曲伸展の角度をα_yと示す。
[d]Z_Pベクトルの周りの外側方向の回転によって、外転ABDが実行される。
[e]Z_Pベクトルの周りの内側方向の回転によって、内転ADDが実行される。
[f]Z_Pの周りの外転内転の角度をα_zと示す。
[g]X_Pベクトルの周りの内部方向の回転によって、内旋IRが実行される。
[h]X_Pベクトルの周りの外部方向の回転によって、外旋ERが実行される。
[i]X_Pの周りの内旋外旋の角度をα_xと示す。

これらの回転は、回転行列、4元法、オイラー角、または回転ベクトルなどの多くの方法で表すことができ、3つの回転の適用順序は、可能な組合せのいずれかとすることができる。これらの回転は、骨盤座標系に対して大腿骨に取り付けられた座標系の3つのベクトルの周りで適用することができ、または大腿骨座標系に対して骨盤に取り付けられた座標系の3つのベクトルの周りで適用することができる。臀部の臨床試験を再現するための好ましい実施形態では、第1に大腿骨のY軸に沿って回転が適用され、次いで大腿骨のZ軸に外転が適用され、最後に大腿骨のX軸に屈曲が適用される。

これらの回転の組合せを適用するとき、大腿骨頭中心点Hが固定点である球窩関節をシミュレートする。回転のそれぞれの組合せに対して、3D骨盤表面モデルに対する3D大腿骨表面モデルの更新された位置が決定される。3D大腿骨表面モデルの位置を更新した後、2つの3D表面モデルが相互貫入するかどうか、およびその場所を決定することが可能である。実質的に適用された回転の振幅を回復することを望む場合、2つの骨同士の間の相互貫入の領域が、切除する必要のある相互貫入体積を画定する。

関節を特徴付ける球窩関節モデルは、現実の近似である。回転中には、骨盤内部の大腿骨頭のわずかな残余平行移動も生じる可能性があり、そのような残余平行移動を決定するいくつかのモデルを提案することができる。たとえば、そのような残余平行移動は、大腿骨の表面と骨盤骨の表面との間の最小の距離が回転運動に沿って一定のままになるように計算することができる。そのような方法の簡単な説明は、非特許文献１に見ることができる。わずかな残余平行移動を適用するか否かによって、本発明の方法は変化しない。話を簡単にするために、本説明は、平行移動のない球窩関節に基づくものとする。

図10に示すように、骨の過成長の補正領域3は、3D骨盤表面モデル1と3D大腿骨表面モデル2との間の相互貫入体積の検出によって決定され、シミュレートされた回転4の決定された集合は、3重項AAA=(α_xα_yα_z)によって画定される。回転4は、軸X、Y、およびZの周りの3つの回転を組み合わせる変換行列である。通常、第1の骨は骨盤であり、固定されると仮定し、一方第2の骨は大腿骨であり、骨盤の周りを回転することができる。

3D大腿骨表面モデルに適用するためのシミュレートされた回転の決定された集合は、患者特有の運動パターンから決定される。運動パターンは、角度の3重項AAA=(α_xα_yα_z)の集合であり、各3重項は、所与の数学的な回転表現に対して、3D大腿骨表面モデルに適用すべき回転の組合せに対応する。運動パターンの位置は、回転に同化される。より正確には、運動パターンの位置は骨盤座標系に対する大腿骨座標系の回転として画定される。3重項集合は、少なくとも1組の末端位置と、任意選択で一方の末端位置から他方の末端位置まで動くのに必要な1組の中間位置とを含む。運動パターンを構成する3重項は、他方の骨に対する一方の骨の1組の連続運動を生成する。理論的には、運動パターンは行列の連続軌道であるが、実際の実装の目的では位置のサンプル集合であり、連続位置間の刻みは、たとえば0.5°刻みのように小さい。運動パターンは、連続または非連続の1つまたはいくつかの部分から形成される。パターンに沿って各3重項AAAiに対して、骨の表面が相互貫入して相互貫入体積Viを画定する。相互貫入がない場合、相互貫入体積Viは空になる。本発明では、運動パターンに沿って決定されるすべての相互貫入体積Viの和集合として、切除体積が計算される。理論的には、和集合が対称の演算子であるため、運動パターン内部の位置の順序は方法の最終結果に影響を与えないが、使用者による運動パターンの視覚化の役割を担う。

運動パターンは、病理学的な骨の過成長が振幅を制限する異なるタイプの活動に対して画定される。事前定義された運動パターンに従って臀部の運動をシミュレートすることで、患者が所与の運動パターンに対して予期される完全な振幅を回復するために補正するべき骨インピンジメントの領域を決定する。

好ましい実施形態では、使用者は、所定の運動パターンのデータベースから少なくとも1つの運動パターンを選択する。一例としてダンサーの場合、左右開脚または前後開脚を示すように、特有の運動パターンを決定することができる。前後開脚運動は、一方の大腿の完全な前面過屈曲および他方の大腿の完全な背面過伸展と定義することができる。したがって、明らかに対称の理由のため、前後開脚運動パターンは、90°の伸展から90°の屈曲への大腿骨の完全な運動を示すように、骨盤に対する大腿骨の一連の連続位置によって画定することができる。左右開脚運動は、両方の大腿を完全に正面に開くことと定義することができる。したがって左右開脚運動パターンは、0°から90°への大腿骨の完全な外転運動を示すように、骨盤に対する大腿骨の一連の連続位置によって画定することができる。この画定された運動パターンを3D骨表面モデルに適用することで、3D大腿骨表面モデルと3D骨盤表面モデルとの間で実質的に相互貫入が存在する体積を決定する。別の例としてホッケーのゴールキーパーの場合、パックを阻止するときに膝を落とすのに必要な屈曲、内転、および内旋の組合せを示すように、特有の運動パターンを決定することができる。

運動パターンの所与の相対位置に対して大腿骨と骨盤との間の相互貫入体積を計算することは、コンピュータビジョンの文献で知られている様々なアルゴリズムを使用することによって実現することができ、これは、一連の連続する3角形の小関節面によってモデル化される骨の表面に適用される。しかしこれは通常、正確さを保持するために重要である高分解能の3角形の小関節面に対して多くの時間を要する。位置ごとに数ミリ秒でリアルタイム計算を得ながら高度の正確さを維持するために、コンピュータ上の好ましい実装形態では、各表面骨の内部を充填する多数の体素要素を使用する。したがって、1つの3D体素モデルが各骨に関連し、3D要素の規則的な格子から形成され、各3D要素は、骨を含む場合は有効であり、骨を含まない場合は無効である。骨の表面の表現から3D体素モデルまで進むことは自動化することができ、相互的に行うことができる。少なくとも1ギガバイトの大容量メモリを有する特殊な3DグラフィックスハードウェアおよびCUDAなどの特殊なソフトウェアを使用して、運動パターンの所与の位置に対する第1の骨と第2の骨との間の相互貫入体積は、
a)運動パターンの位置を適用して第2の体素骨モデルの各体素要素を変換し、第1の体素骨モデルの座標系内で変換された体素要素にするステップと、
b)第2の体素骨モデルの変換された有効な体素要素に一致する第1の体素骨モデルの有効な体素要素の集合として、相互貫入体積を決定するステップとを含む方法を使用して、リアルタイムで決定される。

そのような方法は、基準3D体素モデルの方へ回転させた3D体素モデルの再調整と考えることができる。

この方法を使用して、相互貫入があるかどうかを検出し、相互貫入体積を計算することは、そのような特殊なグラフィックスハードウェアおよびソフトウェアを備える従来のコンピュータ上で、数ミリ秒で実行することができる。

好ましい実施形態では、運動パターンは、運動パターンデータベースから最初の運動パターンを選択することによって、特有の患者に対してカスタマイズすることができ、次いで、グラフィカルインターフェースボタン、2Dもしくは3Dマウス、または両方向の3つの回転に対応するスライダなどの対話手段による使用者の対話から、調整を適用することができる。回転は、複雑な臀部運動をシミュレートするために、2つまたは3つの基本回転の組合せとすることができる。したがって使用者は、患者特有の予期に基づいて、いくつかの異なる回転の組合せに対する標的運動範囲を画定することができる。使用者によって画定される各位置は運動パターンに追加され、したがって相互貫入体積は累積する。次いで使用者は、連続する回転運動を記録して連続する動的運動をシミュレートし、こうして特有の患者の活動に対する特有の運動パターンを画定することができる。所望の回転の調整は、最初のパターンから始まり、特有の患者の特徴または予期に対応し、たとえばホッケー選手の場合、従来のパターンより10°大きい外転を有する。運動パターンは、対話操作の基準を提供するため、非常に有用なツールである。運動パターンを基本として使用しない場合、3つの回転角度上で独立して実行される対話式のシミュレーションは、非常に複雑で、困難で、かつ時間がかかることが多い。しかし、類似の座標系内ですべての運動パターンが画定されることが重要であり、これが上記の大腿骨および骨盤座標系の決定を自動化する目的である。この方法の結果、患者に特有の調整された運動パターンが得られる。運動パターンはまた、1つまたは2つの骨の形状を変化させ、相互貫入体積が残っているか否かを確認した後、数回にわたって記憶および適用するのに非常に有用である。第2の骨の最適の補正表面を選択するために、第2の骨の異なる補正表面に対して同じ運動パターンが数回にわたって適用される。

別の実施形態では、運動パターンは、以下のようにいくつかのステップで画定される。
[a]回転角度の3重項AAA(0)に対応する最初の位置から始まり、回転角度の3重項AAA(T)が対応する標的位置の方向に、1組の連続する角度の3重項AAA(1)、AAA(2)、...AAA(T)によって画定される軌道TJに沿って、最初の運動パターンが適用される。一例では、位置(0°,0°,0°)から始まり、軌道TJは単に、(0°,0°,0.5°)、(0°,0°,1°)、(0,0,1.5°)など、Z軸の周りの回転の値を0.5度ずつ増分することからなる。
[b]軌道TJに沿って各中間位置AAA(n)に対して、コンピュータプログラムは、2つの骨同士の間に相互貫入が存在するか否かを試験する。2つの骨同士の間の相互貫入体積の試験は、特殊なコンピュータグラフィックスによる上記の方法を使用して計算される。相互貫入が検出される軌道TJ上の第1の位置をAAA(I)と呼ぶ。選択された例では、第1の相互貫入は(0°,0°,α_zi)で生じる。
[c]次いで、所望の拡大させた運動パターンの量Δαが選択される。この量は、点AAA(I)でパターンの軌道TJの方向に適用され、新しい所望の位置AAA(D)=AAA(I)+ΔAを生成する。ここでΔAは、前記方向の範囲Δαを特徴付ける3重項である。選択された例では、この量は単に、所望の位置AAA(D)=(0°,0°,α_zi+Δαz)に到達するための所望の回転範囲Δαzである。その特定の相対位置に対する2つの骨同士の間の相互貫入体積は、特殊なコンピュータグラフィックスによる上記の方法を使用して計算される。AAA(I)からAAA(D)までの更新された軌道も生成され、AAA(I)からAAA(D)までのすべての中間点が運動パターンに追加される。骨盤骨または大腿骨上で計算した結果得られる相互貫入面積が、更新された相互貫入面積である。更新された相互貫入面積は初期切除体積RV0を提供し、これがこの方法の出力である。切除体積はまた、全大腿骨切除に対する0%から全骨盤切除に対する100%までの範囲の係数で、骨盤上と大腿骨上の2つの部分に分割することができる。多くの状況では、そのステップで処理を停止することができる。
[d]しかし、骨盤上で演算される切除体積RV0は平滑ではない可能性があり、平滑な最適の補正表面が得られないことがある。好ましい実施形態では、軌道TJの方向に直交する2つの方向で小さい範囲内の所望の位置AAA(D)近傍に、追加の1組の位置が決定される。選択された例では、1組の位置(α_xn,α_ym,α_zi+Δαz)が生成される。ここでα_xnは±2.5°および±5°のようないくつかの値に等しく、α_ymは±2.5°および±5°のようないくつかの値に等しく、上記すべての位置を組み合わせて、更新される運動パターンに追加し、最終の運動パターンを構成する。最終の運動パターンのこれらの位置のそれぞれに対して、相互貫入体積が計算され、ともに累積される。そのようなすべての相互貫入体積の和集合が最終の切除体積RV1であり、これがこの方法の出力である。RV0と比較すると、RV1には、より平滑であり、より準拠したロバストな形で所望の位置の周りに可能な運動範囲を捕獲し、所望の位置のすぐ近くのいくつかの位置が相互貫入を生成しないようにするという利点がある。

上記のステップ(c)の方法を、図11に示す。図11(a)は、骨表面体素1が骨体素モデル2にちょうど接触する点を通る、体積内の概略的な2Dスライスを表す。実際には、この位置は、10分の数度の非常に繊細な相互貫入が存在する状況に対応する。図11(b)では、骨体素モデル2は軌道TJの方向に回転され、相互貫入体積3を生じている。図11(c)では、相互貫入体積は最適の補正表面を生成し、その結果、骨表面モデル4の新しい形状が得られる。

上記のステップ(d)の方法を、図12に示す。図12(a)は、図11(b)に類似の体積内の概略的な2Dスライスを表し、所望の位置近傍に骨体素モデル2のいくつかの位置5が追加されている。運動パターンの各位置は新しい相互貫入体積を生成し、1つ前のものに累積する。図12(b)では、相互貫入体積の和集合が計算され、切除体積を画定する。この切除体積を元の骨体素モデル2から除去して、最終的な最適の補正表面6を構成する。

別の好ましい実施形態では、患者の臀部の実際の運動振幅を直接記録することによって、最初の運動パターンを生成することができる。このステップは、手術前、患者の標準的な臨床試験中に実行することができる。

別の実施形態では、反対側の臀部に特有の仮想の運動を適用するときに連続する位置が収集され、対称演算子を適用した後に運動パターンを構成する。

カスタマイズされた運動パターンは、たとえば特定の患者に必要な拡大位置に到達するために、または痛みを生成する位置の周りで拡大運動を生じさせるために、その基本から修正することができる。これは、対話手段によって実行することができる。

好ましい実施形態では、大腿骨頭部-頸部接合部表面の外部形状を修正して大腿骨側の骨の切除をシミュレートすることが可能である。これは、たとえば、隆起のない平滑な形状を再構築する描画ツールまたは半自動化ツールを使用して3D体積上の大腿骨の外部皮質形状を整形し、補正された骨に対応する新しい3D大腿骨表面モデルを再構築することによって行うことができる。上記のように、次いで運動パターンの方法は、新しい更新された3D大腿骨表面を使用することによって、大腿骨上に適用される異なる切除のシミュレーションに適用することができる。したがって、大腿骨上で切除をシミュレートする前に、所与の運動パターンに対する3D骨盤表面モデルによって、相互貫入が依然として存在するかどうかを確認し、そのような切除が相互貫入体積に与える影響を評価することが可能である。その目的で、上記で定義した実施形態の1つを使用して、運動パターンが構築され、コンピュータメモリ内に記憶され、次いで異なるパラメータによっていくつかの大腿骨切除が試行され、コンピュータメモリから運動パターンが読み取られ、骨盤および部分的に切除された大腿骨に適用される。相互貫入の影響は、コンピュータディスプレイ上の接触領域を青色に着色することによって視覚化することができ、これは、たとえば歯科医療で接触を確認するために一般的に使用されるメチレンブルーをシミュレートする。次いで、大腿骨上の最適の切除が選択される。好ましい方策は、第1に大腿骨上の解剖学的切除を画定し、隆起のない正常な形状を回復し、次いで選択された運動パターンを適用し、最後にその特定のパターンに対する骨盤上の相互貫入に対応する補正領域の仮想切除を実行することである。この動作は、いくつかの運動パターンに対して繰り返すことができる。使用者は、コンピュータディスプレイ上で運動パターンをアニメーション化し、それらの運動パターンを必要なだけ再生し、結果が所望の運動範囲および球形形状に整合することを確認することができる。事例同士を比較できる値を構成することに加えて、仮想切除が適用された後、骨盤縁部上の新しい生成されたCE角など、幾何学的な特徴要素を演算することができ、CE角は、股関節鏡検査の文献に定義されている。

この方法は、標準的なコンピュータ上で実行されるソフトウェアによって実施することができる。使用者は、マウス、タッチスクリーンなどの標準的なユーザインターフェース媒体によって、ソフトウェアと対話することができる。コンピュータディスプレイ上に、画像およびグラフィックスが表示される。最初にソフトウェアを使用して、特有の患者の3D画像を選択およびロードする。

好ましい実施形態では、ソフトウェアは、変形した関節骨表面の最適の補正領域を決定するものとし、その骨は骨盤のような窩状構造を呈する。好ましい実施形態では、ソフトウェアは、いわゆるピンサー作用を生成する骨の過成長範囲の補正された骨表面を決定するものとする。

この説明は、股関節、大腿寛骨臼インピンジメント(FAI)の場合の骨盤の寛骨臼に関する。この説明は例示のみを目的とし、部分的な窩状構造内部に頭部-頸部接合部を有する人間または動物の他の骨関節に容易に適用することができる。

利点
本発明は、変形した関節骨表面の仮想の骨の切除を容易に、正確に、かつ高速で決定する方法を提供する。この方法は、他方に対する関節骨の一方の運動のリアルタイムシミュレーションに基づいており、2つの骨同士の間の相互貫入体積を検出することによってなされる。関節骨のこの動的評価は、非常に有用な術前情報を外科医に提供する。したがって、切除する必要のある骨の体積を、手術時に部分的に評価できるだけでなく、計画することができる。さらに、2つの骨の相対的な運動のシミュレーションに運動パターンを適用することで、予期の手術結果をそれぞれの特有の患者に適合させるためにカスタマイズ可能なツールを外科医に提供する。

1 骨盤骨、3D骨盤表面モデル、骨表面体素
2 大腿骨、3D大腿骨表面モデル、骨体素モデル
3 補正領域、相互貫入体積
4 シミュレートされた回転、骨表面モデル
5 位置
6 最終的な最適の補正表面
A 寛骨臼中心点
ABD 外転
ADD 内転
ASIS1 最も高い骨の点
ASIS2 2番目に高い骨の点
ASIS_L 稜点、骨盤点
ASIS_R 稜点、骨盤点
AX 大腿骨頸部軸
E1 点
E2 点
ER 外旋
EXT 伸展
FLX 屈曲
H 大腿骨頭中心点
IR 内旋
K 膝中心点
PA 平面
PA’ 平面
PA” 平面
PM 中間-矢状面
S 恥骨結合点、骨盤点
SA 最良適合球
SF 大腿骨頭球

Claims (15)

1. 関節をともに形成する第1の骨および/または第2の骨の最適の補正表面をリアルタイムで決定する方法であって、前記第1および/または第2の骨が過成長変形を呈し、前記補正表面が、前記関節のより大きい運動範囲を提供する方法において、
   前記方法が、
   i)前記関節の取得画像から前記第1の骨および前記第2の骨の3D体素モデルを構築するステップと、
   ii)第1および第2の骨体素モデルのそれぞれに対して、中心および3つの軸によって画定される座標系を構築するステップと、
   iii)前記第1の骨の前記座標系に対して前記第2の骨の前記座標系上で運動パターンを適用するステップであって、運動パターンが、他方の骨の座標系に対する前記第1または第2の骨の座標系の1組の連続位置であり、前記連続位置が、他方の骨に対する一方の骨の運動を画定し、前記運動パターンが、事前定義された運動パターンのデータベースから最初にロードされる、前記運動パターンを適用するステップと、
   iv)前記運動パターンから、前記運動パターンの各位置に対する前記第1または第2の骨体素モデルと他方の骨体素モデルとの相互貫入体積の和集合として、切除体積を決定するステップと、
   v)前記切除体積を前記第1および/または第2の骨体素モデルから実質的に除去することによって、前記最適の補正表面を決定するステップと、
   を含む方法。
2. 前記運動パターンが、前記第1の骨体素モデルに対する前記第2の骨体素モデルの運動を画定し、前記第1の骨体素モデルが固定され、前記運動中の前記第2の骨体素モデルの各位置が、前記第1の骨の前記座標系の前記軸の周りの3つの回転角度によって画定される、請求項1に記載の方法。
3. 前記運動パターンが、前記第2の骨体素モデルに対する前記第1の骨体素モデルの運動を画定し、前記第2の骨体素モデルが固定され、各位置が、前記第1または第2の骨の前記座標系の前記軸の周りの3つの回転角度によって画定される、請求項1に記載の方法。
4. 前記データベースの各運動パターンが、特有の活動に対応する前記関節の前記運動および振幅を表す、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記関節が股関節であり、前記第1の骨が寛骨臼縁を呈する前記骨盤であり、前記第2の骨が前記大腿骨であり、前記骨の過成長が前記寛骨臼縁および/または前記大腿骨上に位置する、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記関節が、球窩関節としてモデル化される、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記関節が、さらなる残余平行移動を伴う球窩関節としてモデル化される、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記切除体積が、前記第1の骨の切除体積と前記第2の骨の切除体積とに分割される、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記運動パターンが、
   a.運動パターンの前記データベース内で最初の運動パターンを選択するステップと、
   b.前記最初の運動パターンを前記第2の骨体素モデルに適用し、第1の骨体素モデルと第2の骨体素モデルとの間の相互貫入を生成する前記第1の位置を検出するステップと、
   c.前記第1の位置から所与の方向に前記運動パターンを拡大させて所望の位置に到達する軌道を決定し、少なくとも前記所望の位置を含む前記軌道の位置を、前記更新される運動パターンに追加するステップと、
   に従って更新される、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記方向が、対話手段を用いて前記使用者によって手動で生成される、請求項9に記載の方法。
11. 前記方向が、前記最初のパターンに対応する前記軌道の連続として自動的に生成される、請求項9に記載の方法。
12. 前記所望の位置近傍に新しい位置を生成し、前記新しい位置を前記更新される運動パターンに追加して最終の運動パターンを生成するステップをさらに含む、請求項9から11のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記近傍が、前記所望の位置から始まり、小さい範囲内で前記運動パターンの前記軌道の方向に直交する2つの方向へ進む1組の追加の位置として決定される、請求項12に記載の方法。
14. 前記同じ運動パターンが、前記第2の骨の最適の補正表面を選択するために、前記第2の骨の異なる補正表面に対して数回にわたって適用される、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
15. 特殊なハードウェアおよびソフトウェアを有するコンピュータを使用して、前記運動パターンの所与の位置に対する前記第1の骨と前記第2の骨との間の前記相互貫入体積を決定する方法であって、
    a.前記運動パターンの前記位置を適用して前記第2の体素骨モデルの各体素要素を変換し、前記第1の体素骨モデルの前記座標系内で変換された体素要素にするステップと、
    b.前記第2の体素骨モデルの変換された有効な体素要素に一致する前記第1の体素骨モデルの前記有効な体素要素の集合として、前記相互貫入体積を決定するステップと、
    を含む、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。

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