JP2015134064A - プログラミング装置、ｎｃ加工機および骨部材加工システム - Google Patents

Abstract

【課題】骨部材を高精度に整形加工するためのプログラミング装置を提供する。
【解決手段】プログラミング装置２は、患者の患部画像、および前記患部に埋め込むための骨部材画像から、骨部材を整形加工するためのＮＣ加工プログラムを生成するプログラミング装置であって、前記患部画像および前記骨部材画像から、前記骨部材の最適加工形状を解析する最適形状解析部２１と、前記最適形状解析部２１によって解析された前記最適加工形状に基づいて前記骨部材の加工座標を決定し、当該加工座標を前記ＮＣ加工プログラムに記述する加工座標決定部２２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、骨折等を治療するための骨移植技術に関する。

剥離骨折などを治療するための骨接合術においては、チタンなどの金属製の骨接合ねじを骨折部に埋め込んで骨を固定する術式が一般的に行なわれている。一方、生体内に金属製の骨接合ねじを埋め込んだままでは、その金属製ねじが腐食するおそれや感染巣を提供する危険があるため、骨が癒合した後には埋込んだ金属製ねじを体内から取り出すための再手術が必要であった。しかし、再手術をするには、患者に麻酔の危険性や精神的、身体的負担を強いることになる。

そこで、本出願人は、生体内で周囲の骨と一体化して最終的には正常な骨に置換されるような材料、例えば患者本人の骨を切り出し、この骨片を整形加工した骨部材を骨折部に移植する技術を提案した（例えば、特許文献１）。これにより、骨が癒合した後に再手術をして骨折部に埋め込んだ骨部材を除去する必要がなくなるため、患者の負担を大幅に軽減することができる。

特許第４７３７５９５号

現状では、骨部材の整形加工は手作業によって行われている。そのため、加工精度が低いという問題がある。特に、関節部分の骨移植の場合、埋め込まれる骨部材に１ｍｍ程度の形状誤差があっても関節面に不適合を生じ、将来変形性関節症を生じ関節がスムーズに動かなくなるため、手作業による整形加工に相当の熟練を必要とする。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、骨部材を高精度に整形加工するためのプログラミング装置、ＮＣ加工機および骨部材加工システムの提供を目的とする。

本発明に係るプログラミング装置は、上記課題を解決するためになされたものであり、患者の患部の画像、および前記患部に埋め込むための骨部材の画像から、前記骨部材を整形加工するためのＮＣ加工プログラムを生成するプログラミング装置であって、前記患部の画像および前記骨部材の画像から、前記骨部材の最適加工形状を解析する最適形状解析手段と、前記最適形状解析手段によって解析された前記最適加工形状に基づいて前記骨部材の加工座標を決定し、当該加工座標を前記ＮＣ加工プログラムに記述する加工座標決定手段と、を備える。

上記プログラミング装置では、前記加工座標決定手段によって決定される前記加工座標は、前記最適加工形状よりも大きい形状に対応することが好ましい。

上記プログラミング装置では、前記患部の画像には、軟骨が含まれており、 前記最適形状解析手段は、前記患部の画像における前記軟骨の表面に沿ってプロットされた点または線に基づいて、前記軟骨の形状を特定することが好ましい。

本発明に係るＮＣ加工機は、ＮＣ加工プログラムに基づいて骨部材を整形加工するＮＣ加工機であって、前記骨部材が固定される固定台を備え、前記固定台には、前記骨部材を支持する支持具が設けられ、前記支持具は、前記固定台に形成された貫通孔に挿通されるピストンロッドを有する複数のエアシリンダにより構成され、前記ピストンロッドの前記固定台上に位置する先端部には、前記骨部材に接触して前記骨部材を下方から支持する第１の接触部材が取り付けられている。

上記ＮＣ加工機では、前記第１の接触部材は、ブチルゴム、ポリウレタンゴム、シリコンゴムなどの生体適合性弾性部材（医療用ゴム材）により形成されていることが好ましい。

上記ＮＣ加工機は、前記骨部材を前記固定台に押さえつける第２の接触部材を有する固定具をさらに備え、前記第２の接触部材は、ブチルゴム、ポリウレタンゴム、シリコンゴムなどの生体適合性弾性部材（医療用ゴム材）により形成されていることが好ましい。

本発明に係る骨部材加工システムは、上記プログラミング装置と、上記ＮＣ加工機と、を備える。

上記骨部材加工システムは、前記骨部材の前記最適加工形状に対応する位置にマーキングを施すマーキング装置をさらに備えることが好ましい。

上記骨部材加工システムは、前記骨部材の前記最適加工形状に対応する位置に光線を投影する投影装置をさらに備えることが好ましい。

本発明によれば、骨部材を高精度に整形加工することができる。

本発明の一実施形態に係る骨部材加工システムの構成を示すブロック図である。 上記骨部材加工システムの構成を示す斜視図である。 （ａ）は、患部の画像データであり、（ｂ）は、患者から採取した骨部材の画像データである。 患部画像と骨部材画像との適合性シミュレーションの一例を示す図である。 骨移植手術の手順の一例を示すフローチャートである。 骨部材へのマーキングの一態様を示す斜視図である。 加工座標に対応する形状の変形例を示す図である。 骨部材へのマーキングの他の例を示す図である。 ＮＣ加工機の他の実施形態を示す斜視図である。 図９に示すＮＣ加工機の部分拡大斜視図である。 骨部材を固定した状態における上記ＮＣ加工機の部分拡大斜視図である。 骨部材を支持する支持具の断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、骨釘の目標形状を示す側面図および平面図である。 （ａ）は、本発明に係る骨部材加工システムによって整形加工された骨釘の写真であり、（ｂ）は、手作業によって整形加工された骨釘の写真である。 （ａ）および（ｂ）は、実施例１における初期固定力試験の態様を示す断面図である。 実施例１における初期固定力試験の結果を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、実施例２における骨癒合能試験の態様を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施例２における骨癒合能試験の態様を示す断面図である。 実施例２における骨癒合能試験の結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。ただし、本発明は実施形態に限定されるものではない。

（骨部材加工システム１の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る骨部材加工システム１の構成を示すブロック図であり、図２は、骨部材加工システム１の構成を示す斜視図である。骨部材加工システム１は、骨部材を整形加工するためのＮＣ加工プログラムを生成するプログラミング装置２と、前記ＮＣ加工プログラムに基づいて前記骨部材を整形加工するＮＣ加工機３とを備えている。

（プログラミング装置２の構成）
図２に示すように、プログラミング装置２は、例えば、汎用のパーソナルコンピュータで構成される。図１に示すように、プログラミング装置２には、患者の患部の画像（患部画像）および患部に埋め込むための骨部材の画像（骨部材画像）が入力される。患部画像および骨部材画像は、３Ｄデータとして加工データを生成する場合には、対象を深さ方向に輪切りした画像を撮像するＭＲ装置（図示省略）もしくはＣＴ装置（図示省略）により取得した画像データであることが好ましい。２Ｄデータとして加工データを生成する場合には、患部画像および骨部材画像をレントゲン装置もしくはデジタルカメラなどの撮像装置で取得してもよい。さらに、これらから作成した作図からスキャナー、デジタイザなどのデジタル画像データ入力機器を利用して、形状のデジタルデータとして取得してもよい。

プログラミング装置２は、患部画像および骨部材画像に基づき、骨部材を整形加工するためのＮＣ加工プログラムを生成する機能を有している。この機能を実現するために、プログラミング装置２は、最適形状解析部（最適形状解析手段）２１、加工座標決定部（加工座標決定手段）２２、サイズ調整部２３およびプログラム記憶部２４を備えている。

最適形状解析部２１は、患部画像および骨部材画像から、骨部材の最適加工形状を解析する機能を有している。最適加工形状の解析の一例について説明する。図３（ａ）は、患部（骨欠損部）の画像データであり、図３（ｂ）は、患者から採取した骨部材の画像データである。これらの画像データは、図１に示すプログラミング装置２の最適形状解析部２１に入力される。

最適形状解析部２１は、図４に示すように、患部の欠損部分の形状と、骨部材の形状とを比較し、両者の適合性をシミュレーションする。患部画像の破線は骨部材の外周を示しており、前記破線の内側の実線は、欠損部分の外周を示している。例えば、最適形状解析部２１は、破線と実線との距離が所定以上となるように、患部画像に骨部材画像を重畳させる。これにより、最適形状解析部２１は、骨部材の最適な加工形状を解析する。

さらに本実施形態では、患部画像に軟骨が含まれている場合であっても、最適形状解析部２１は、患部画像における軟骨の表面に沿ってプロットされた点または線に基づいて、軟骨の形状を特定して、骨部材の最適な加工形状を解析することができる。患部画像の軟骨は、自動的に判別困難であるため、術者が、前記によって撮像されたＭＲ画像の患部を深さ方向に輪切りした画像データ上の軟骨の表面を判定し、軟骨の表面に沿って点または線をプロットする。これを前記ＣＴ画像の輪切りデータに合わせおくことによって骨軟骨形状を再現する。最適形状解析部２１は、プロットされた点または線に基づいて、軟骨の形状を特定することができる。

加工座標決定部２２は、最適形状解析部２１によって解析された最適加工形状に基づいて前記骨部材の加工座標を決定し、当該加工座標をＮＣ加工プログラムに記述する機能を有している。加工座標決定部２２によって決定される加工座標は、最適形状解析部２１によって解析された前記最適加工形状よりも一回り大きい形状に対応する。決定される加工座標に対応するサイズと、最適加工形状に対応するサイズとの差は、サイズ調整部２３によって調整される。本実施形態において、上記の差は、例えば１ｍｍである。加工座標の具体的な決定方法については、後述する。

プログラム記憶部２４は、メモリ等の記憶媒体で構成され、ＮＣ加工プログラムを記憶する。プログラム記憶部２４には、加工対象物の送り速度やＮＣ加工機３のスピンドル（後述）の回転数等の初期設定値があらかじめ記述されたデフォルトのＮＣ加工プログラムが記憶されている。骨部材加工システム１の加工対象物は破損しやすく、かつ、熱により細胞組織が死滅する影響を受けやすい材質であるため、上記の送り速度および回転数は、金属やプラスチックを加工する場合に比べ、おおむね小さく（すなわち、多少時間が掛かっても慎重に加工されるように）設定されている。同時に精密な送り精度を必要とし、最小移動指令値は１μｍ以下、スピンドルの回転の振れ精度は約２μｍ以下であることが好ましい。また、これらの数値は加工に用いる工具によって、あるいは術者の経験などによって後から変更できるようになっていても良い。デフォルトのＮＣ加工プログラムには、加工座標は記述されておらず、上述の加工座標決定部２２が、決定した加工座標をデフォルトのＮＣ加工プログラムに記述する。これにより、ＮＣ加工機３を制御可能なＮＣ加工プログラムが生成される。

生成されたＮＣ加工プログラムは、プログラム記憶部２４に記憶されるとともに、有線通信または無線通信によってＮＣ加工機３に送信される。また、最適形状解析部２１によって解析された最適加工形状を示すデータも、ＮＣ加工機３に送信される。なお、ＮＣ加工プログラムおよび最適加工形状を示すデータは、ＵＳＢメモリなどの記憶媒体によってＮＣ加工機３に送信されてもよい。

また、最適形状解析部２１、加工座標決定部２２およびサイズ調整部２３の各部は、ハードウェア的に実現してもよいし、ＣＰＵを用いてソフトウェア的に実現してもよい。これらの各部をソフトウェア的に実現する場合、コンピュータであるプログラミング装置２が外部からインストールされたＮＣ生成用ソフトウェアを実行することによって各部が実現される。当該ソフトウェアは、ＣＤ−ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録してもよいし、プログラミング装置２を通信ネットワークと接続し、通信ネットワークを介してダウンロードしてもよい。

（ＮＣ加工機３の構成）
ＮＣ加工機３は、ＮＣ加工プログラムに基づいて加工対象物を整形加工する装置であり、本実施形態では、公知のものを使用することができる。図２に示すように、ＮＣ加工機３は、固定台３１、位置決め機構３２、上下移動機構３３およびスピンドル３４を備えている。また、ＮＣ加工機３には、刻印用ディスペンサ４およびカメラ５が取り付けられている。なお、骨部材加工システム１の加工対象物は破損しやすい材質であるため、精密な送り精度を必要とし、各位置決め機構は５μｍ以下の繰り返し位置決め制度、２μｍ以下のバックラッシであり、スピンドル３４の回転の振れ精度は約５μｍ以下であることが好ましい。

固定台３１には、加工対象物である骨部材Ｂが固定される。本実施形態では、骨部材Ｂは、患者から採取された骨片であるが、他人から採取された骨片や人工骨であってもよい。骨部材Ｂは、整形加工中に動かないように複数の針３１１等で固定台３１に押さえつけられる。

位置決め機構３２は、直交する水平２軸方向に固定台３１を移動させる機構であり、２つのテーブル３２１，３２２を備える。テーブル３２１は、ＮＣ加工機３の台座３０上に設けられており、Ｘ方向（ＮＣ加工機３の正面視で左右方向）に移動可能である。テーブル３２２は、テーブル３２１上に設けられており、Ｙ方向（ＮＣ加工機３の正面視で手前から奥行き方向）に移動可能である。固定台３１は、テーブル３２２上に設けられている。各テーブル３２１，３２２は、図示しないモータなどの移動用駆動装置により駆動され、当該移動用駆動装置は、ＮＣ加工機３の図示しない制御装置により移動量や移動速度などが制御されている。

上下移動機構３３は、スピンドル３４を上下方向に移動させる機構であり、台座３０上にＺ方向（ＮＣ加工機３の上下方向）に移動可能に設けられた架台３３１を備える。架台３３１にスピンドル３４が取り付けられており、架台３３１の上下動に伴いスピンドル３４は上下方向に移動する。架台３３１は、図示しないモータなどの移動用駆動装置により駆動され、当該移動用駆動装置は、ＮＣ加工機３の図示しない制御装置により移動量や移動速度などが制御されている。

スピンドル３４は、スチールバー等の回転工具で構成されており、図示しないモータなどの回転用駆動装置により回転駆動される。当該回転用駆動装置は、ＮＣ加工機３の図示しない制御装置により回転速度などが制御されている。スピンドル３４が上下方向に移動しかつ回転しながら骨部材Ｂに当接することにより、骨部材Ｂが整形加工される。

ＮＣ加工機３の前記制御装置は、ＮＣ加工機３に入力されたＮＣ加工プログラムに記述された加工対象物の送り速度、スピンドル３４の回転数、加工対象物の加工座標などに基づいて、テーブル３２１，３２２および架台３３１の移動制御、並びに、スピンドル３４の回転制御を行う。

なお、衛生上、少なくとも固定台３１およびスピンドル３４は、ＮＣ加工機３から取り外して滅菌処理可能となっている。

刻印用ディスペンサ４は、骨部材Ｂにインクを吐出するマーキング装置であり、固定台３１の上方に設けられている。具体的には、刻印用ディスペンサ４は、最適形状解析部２１によって解析された最適加工形状を示すデータに基づいて、骨部材Ｂの上記最適加工形状に対応する位置にマーキングを施す。

カメラ５は、固定台３１の上方に設けられており、骨部材Ｂを至近距離から任意の角度で撮影することができる。これにより、骨部材Ｂの立体的な画像を取得することができる。また整形加工中に、術者は、骨部材Ｂの加工状態の確認や骨部材Ｂの位置補正を行うことができる。

本実施形態では、従来、手作業で行っていた骨部材Ｂの整形加工をＮＣ加工機３によって行う。よって、従来よりも高い精度で骨部材Ｂを整形加工することができる。

（骨移植手術の手順）
図５は、骨移植手術の手順の一例を示すフローチャートである。まず、ＭＲ装置、ＣＴ装置、レントゲン装置などによって、患者の患部の画像を取得する（Ｓ１）。さらに、患者から骨部材（骨片）を採取して固定台３１に載置し、カメラ５によって骨部材画像を取得する（Ｓ２）。なお、骨片の採取は、骨移植手術の直前が好ましく、骨片の採取部位は、脛骨、腸骨などが好ましい。

また、骨部材をあらかじめヒアルロン酸水溶液に浸しておくことが望ましい。これにより、骨部材の粗密な部分の強度が向上するため、整形加工中に骨部材が破損することを防止することができる。

続いて、患部画像および骨部材画像をプログラミング装置２に入力し、プログラミング装置２はＮＣ加工プログラムを生成して、ＮＣ加工機３に送信する（Ｓ３）。なお、ＮＣ加工機３には、ＮＣ加工プログラムとともに、最適形状解析部２１によって解析された最適加工形状を示すデータも送信される。

続いて、図６に示すように、刻印用ディスペンサ４が、固定台３１に載置された骨部材Ｂの最適加工形状に対応する位置にマーキングＭを施す（Ｓ４）。マーキングＭに用いられるインクは、塩化メチルロザニリン（ピオクタニン）などを含む生体適合性インク（皮膚ペン）が好ましい。マーキングＭは、最適加工形状に整形加工するためのガイドラインとなり、術者は、骨部材Ｂが最適加工形状よりも小さく加工されていないか、確認することができる。なお、本発明は、刻印用ディスペンサ４によるマーキングに限らず、例えば、プロジェクター装置などの投影装置により、骨部材Ｂの最適加工形状に対応する位置に光線を投影してもよい。

続いて、ＮＣ加工機３がＮＣ加工プログラムに基づいて、骨部材Ｂを整形加工する（Ｓ５）。ここで、ＮＣ加工プログラムに記述されている加工座標は、加工座標決定部２２によって決定される加工座標であるが、前述のように、加工座標決定部２２によって決定される加工座標は、最適形状解析部２１によって解析された最適加工形状よりも一回り大きい形状に対応する。そのため、ＮＣ加工機３は、最適形状解析部２１によって解析された最適加工形状よりも一回り大きい形状に骨部材Ｂを整形加工する。

整形加工が完了すると、術者は、骨部材Ｂを実際に患部に嵌め込む（Ｓ６）。骨部材Ｂが患部に適合する場合（Ｓ７においてＹＥＳ）、骨移植手術は終了する。

骨部材Ｂが患部に適合しない場合（Ｓ７においてＮＯ）、ＮＣ加工プログラムを修正する（Ｓ８）。具体的には、ＮＣ加工プログラムに記述されている加工座標を、小さいサイズ（例えば、０．１ｍｍだけ小さいサイズ）に対応する加工座標に書き換える。その後、修正したＮＣ加工プログラムに基づいてＮＣ加工機３に骨部材Ｂを整形加工させ（Ｓ９）、再度、骨部材Ｂを実際に患部に嵌め込む（Ｓ６）。そして、骨部材Ｂが患部に適合するまで（Ｓ７においてＹＥＳ）、Ｓ８、Ｓ９およびＳ６の工程を繰り返す。なお、ＮＣ加工プログラムの修正を行わずに、再度の整形加工を術者の手作業で行ってもよい。

このように、本実施形態では、いったん骨部材Ｂを最適加工形状よりも一回り大きい形状に整形加工し、骨部材Ｂが患部に適合するまで、整形加工を繰り返す。これにより、骨部材Ｂの変形等に起因して、骨部材Ｂを最適形状よりも小さく加工してしまうことを防止できる。よって、加工失敗による骨部材Ｂの損失を抑えることができる。

なお、本実施形態では、加工座標決定部２２によって決定される加工座標に対応する形状が、最適加工形状よりも一回り大きい形状であった。しかし、本発明はこれに限定されず、例えば、加工座標に対応する形状は、その一部が最適加工形状からはみ出すような形状であってもよい。具体的には、図７に示すように、加工座標に対応する形状Ｆ１の外周の一部が突出しており、その突出部分Ｐが最適加工形状Ｆ２からはみ出しており、形状Ｆ１の他の部分は最適加工形状Ｆ２に沿っていてもよい。この場合、整形加工された骨部材には突起が形成され、突起によって、患部と骨部材との接合性をさらに向上させることができる。

また、本実施形態では、刻印用ディスペンサ４によって骨部材Ｂの最適加工形状に対応する位置にマーキングＭを施していたが、図８に示すように、マーキングＭと骨部材Ｂの外周との間に、補助マーキングＭ１を施してもよい。補助マーキングＭ１は、術者がペンチやカッターによって手作業で骨部材Ｂを整形加工するためのガイドラインとなる。なお、刻印用ディスペンサ４の代わりにプロジェクター装置を備え、マーキングＭ、Ｍ１をプロジェクター装置で骨部材に投影してもよい。さらに、その投影部分を術者が皮膚ペン等で直接骨部材Ｂの表面にマーキングしてもよい。

（骨部材加工に適したＮＣ加工機の構成例）
図９は、ＮＣ加工機３の他の実施形態を示している。なお、以下の説明において、図２の実施形態のＮＣ加工機３と同様の構成については、対応する構成に同一の符号を付することで詳細な説明を省略する。このＮＣ加工機３も、固定台３５、位置決め機構３２、上下移動機構３３、スピンドル３４、刻印用ディスペンサ４およびカメラを備えている。なお、図９では、カメラの図示を省略している。

固定台３５は、図９および図１０に示すように、加工対象物である骨部材Ｂを固定するものであり、本実施形態では平面視円形状である。固定台３５は、回転駆動機構３６を介してテーブル３２２上に設けられている。回転駆動機構３６は、モータ３６１を駆動源とし、固定台３５を水平面内で回転させる機構であり、よって、固定台３５は、位置決め機構３２により直交する水平２軸方向（Ｘ方向およびＹ方向）に移動可能であるとともに、水平面内を回転可能である。固定台３５を回転駆動させるモータ３６１は、ＮＣ加工機３の図示しない制御装置により回転速度などが制御されている。

ＮＣ加工機３の台座３０上には、骨部材Ｂを整形加工中に動かないように固定台３５に固定するための固定具３７が設けられている。固定具３７は、シリンダ機構３７０と、シリンダ機構３７０により台座３０上に上下方向に移動可能に支持されたＬ字型の押付部材３７１とを備える。押付部材３７１の一端部はシリンダ機構３７０のピストンロッド３７２の先端部に固定されており、押付部材３７１はピストンロッド３７２の往復動作に伴い上下動する。一方、押付部材３７１の他端部には、押付部材３７１の下方向の移動時に骨部材Ｂと接触して骨部材Ｂを固定台３５に押さえつける接触部材（第２の接触部材）３７３が取り付けられている。接触部材３７３は、例えばブチルゴム、ポリウレタンゴム、シリコンゴムなどの生体適合性弾性部材（医療用ゴム材）により形成されているなお、シリンダ機構３７０は、電動シリンダ、エアシリンダ、油圧シリンダなど、種々のものを用いることができる。

固定台３５には、骨部材Ｂを支持する支持具３８が設けられている。支持具３８は、図１０〜図１２に示すように、複数のエアシリンダ３８１により構成されている。エアシリンダ３８１は、ピストンロッド３８２が固定台３５に形成された貫通孔３５１に挿通されるように固定台３５の下方に配置されており、ピストンロッド３８２の固定台３５上に位置する先端部には、骨部材Ｂに接触して骨部材Ｂを下方から支持する接触部材（第１の接触部材）３８３が取り付けられている。この接触部材３８３も、固定具３７の接触部材３７３と同様に、例えばブチルゴム、ポリウレタンゴム、シリコンゴムなどの生体適合性弾性部材（医療用ゴム材）により形成されている。複数のピストンロッド３８２を往復動作させ、各接触部材３８３を骨部材Ｂの形状に沿った任意の位置でそれぞれ停止させることで、固定具３７とともに骨部材Ｂを所定の姿勢をキープした状態で固定台３５上に固定できる。

エアシリンダ３８１のシリンダ３８４には、シリンダ３８４に空気を供給・排出するポートａ及びポートｂが設けられており、シリンダ３８４内のピストン３８５の前後の空間に空気を供給・排出できるようになっている。シリンダ３８４内には、エアコンプレッサなどの圧力空気発生源（図示せず）からポートａ及びポートｂを介して空気が供給される。各ポートａ及び各ポートｂには、それぞれ絞り弁付ソレノイドバルブ（図示せず）が設けられており、各ポートａ及び各ポートｂに供給される空気の流量を調整することで、ピストン３８５の停止位置を制御可能であり、各接触部材３８３を骨部材Ｂの形状に沿った任意の位置でそれぞれ停止させることができる。よって、あらゆる形状の骨部材Ｂを安定して固定することができる。なお、絞り弁付ソレノイドバルブ（図示せず）は、ＮＣ加工機３の図示しない制御装置により回転速度などが制御されている。

この図９のＮＣ加工機３においても、前記制御装置は、ＮＣ加工機３に入力されたＮＣ加工プログラムに記述された加工対象物の送り速度、固定台３５の回転数、スピンドル３４の回転数、加工対象物の加工座標、加工対象物の形状データなどに基づいて、テーブル３２１，３２２および架台３３１の移動制御、固定台３５およびスピンドル３４の回転制御、各エアシリンダ３８１の駆動制御を行うことで、加工対象物である骨部材Ｂを所望の形状に高精度に整形加工することができる。

本発明に係る骨部材加工システムによって、骨部材を高精度に整形加工できることを実証するため、骨部材を釘状に整形加工した骨釘を作製した。骨部材を整形加工するためのＮＣ加工機として、株式会社ナノ製の「ＮＡＮＯＷＡＶＥ ＭＴＳ４」を用いた。図１３（ａ）および（ｂ）は、骨釘の目標形状を示す側面図および平面図であり、胴の長さを２０．００ｍｍ、胴の直径を３．００ｍｍ、頭の厚さを１．００ｍｍ、頭の直径を５．００ｍｍに設定した。

図１４（ａ）は、本発明に係る骨部材加工システムによって整形加工された骨釘（以下、「機械製骨釘」）の写真であり、図１４（ｂ）は、手作業によって整形加工された骨釘（以下、「手製骨釘」）の写真である。直径の実測値は機械製骨釘で２．９８±０．０６ｍｍ、手製骨釘で２．７７±０．２２ｍｍであった。

そして、図１５（ａ）に示すように、２つの機械製骨釘を、軟骨と同程度の硬度を有する直方体部材に埋め込んだ。より詳細には、胴の長手方向が直方体部材の上面の法線に対して２０°の角度をなし、先端同士が接近するように、２つの機械製骨釘を線対称に埋め込んだ。同様に、２つの手製骨釘も、直方体部材に埋め込んだ。

そして、図１５（ｂ）に示すように、２つのクランプＣを直方体部材の上面および下面に取り付け、下側のクランプＣを固定し、上側のクランプＣを上方向に引っ張った。その後、骨釘が抜けた時点でのクランプＣの引張力を計測した。その結果を図１６に示す。

図１６から、機械製骨釘のほうが手製骨釘よりも初期固定力が２倍以上大きいことが分かった。すなわち、本発明に係る骨部材加工システムによって、手作業による整形加工よりも高精度に骨部材を整形加工でき、強固な固定力を得ることができることが分かった。

実施例１と同様、骨部材を整形加工するためのＮＣ加工機として、株式会社ナノ製の「ＮＡＮＯＷＡＶＥ ＭＴＳ４」を用いた。骨釘の目標形状についても、実施例１と同様、胴の長さを２０．００ｍｍ、胴の直径を３．００ｍｍ、頭の厚さを１．００ｍｍ、頭の直径を５．００ｍｍに設定した。すなわち、図１４（ａ）に示す機械製骨釘と、図１４（ｂ）に示す手製骨釘を作製した。

そして、機械製骨釘および手製骨釘をウサギの大腿骨へ移植した。具体的には、図１７（ａ）および（ｂ）に示すように、２羽のウサギの大腿骨の幅１４．５〜１５．５ｍｍの部分に、上記の目標計上の骨釘と螺合する直径３．１０ｍｍの螺子穴を形成し、一方のウサギの螺子穴に機械製骨釘を移植し、他方のウサギの螺子穴に手製骨釘を移植した。

移植手術の１０日後、ウサギを屠殺して大腿骨を取り出した。さらに、図１８（ａ）および（ｂ）に示すように、垂直押し込み試験で、大腿骨の骨釘が移植された部分の強度を測定した。その結果を図１９に示す。

図１９から、機械製骨釘のほうが手製骨釘よりも骨癒合能が大きいことが分かった。すなわち、本発明に係る骨部材加工システムによって、手作業による整形加工よりも高精度に骨部材を整形加工することで、早期の骨癒合を得ることができることが分かった。

１ 骨部材加工システム
２ プログラミング装置
３ ＮＣ加工機
４ 刻印用ディスペンサ
５ カメラ
２１ 最適形状解析部（最適形状解析手段）
２２ 加工座標決定部（加工座標決定手段）
２３ サイズ調整部
２４ プログラム記憶部
３０ 台座
３１ 固定台
３２ 位置決め機構
３３ 上下移動機構
３４ スピンドル
３５ 固定台
３６ 回転駆動機構
３７ 固定具
３８ 支持具
３２１ テーブル
３２２ テーブル
３３１ 架台
３５１ 貫通孔
３６１ モータ
３７０ シリンダ機構
３７１ 押付部材
３７２ ピストンロッド
３７３ 接触部材（第２の接触部材）
３８１ エアシリンダ
３８２ ピストンロッド
３８３ 接触部材（第１の接触部材）
３８４ シリンダ
３８５ ピストン
Ｂ 骨部材
Ｃ クランプ
Ｆ１ 加工座標に対応する形状
Ｆ２ 最適加工形状
Ｍ マーキング
Ｍ１ 補助マーキング
Ｐ 突出部分
ａ ポート
ｂ ポート

Claims (9)

1. 患者の患部の画像、および前記患部に埋め込むための骨部材の画像から、前記骨部材を整形加工するためのＮＣ加工プログラムを生成するプログラミング装置であって、
   前記患部の画像および前記骨部材の画像から、前記骨部材の最適加工形状を解析する最適形状解析手段と、
   前記最適形状解析手段によって解析された前記最適加工形状に基づいて前記骨部材の加工座標を決定し、当該加工座標を前記ＮＣ加工プログラムに記述する加工座標決定手段と、
   を備える、プログラミング装置。
2. 前記加工座標決定手段によって決定される前記加工座標は、前記最適加工形状よりも大きい形状に対応する、請求項１に記載のプログラミング装置。
3. 前記患部の画像には、軟骨が含まれており、
   前記最適形状解析手段は、前記患部の画像における前記軟骨の表面に沿ってプロットされた点または線に基づいて、前記軟骨の形状を特定する、請求項１または２に記載のプログラミング装置。
4. ＮＣ加工プログラムに基づいて骨部材を整形加工するＮＣ加工機であって、
   前記骨部材が固定される固定台を備え、
   前記固定台には、前記骨部材を支持する支持具が設けられ、
   前記支持具は、前記固定台に形成された貫通孔に挿通されるピストンロッドを有する複数のエアシリンダにより構成され、
   前記ピストンロッドの前記固定台上に位置する先端部には、前記骨部材に接触して前記骨部材を下方から支持する第１の接触部材が取り付けられている、ＮＣ加工機。
5. 前記第１の接触部材は、生体適合性弾性部材により形成されている、請求項４に記載のＮＣ加工機。
6. 前記骨部材を前記固定台に押さえつける第２の接触部材を有する固定具をさらに備え、
   前記第２の接触部材は、生体適合性弾性部材により形成されている、請求項４または５に記載のＮＣ加工機。
7. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のプログラミング装置と、
   請求項４〜６のいずれか１項に記載のＮＣ加工機と、
   を備える、骨部材加工システム。
8. 前記骨部材の前記最適加工形状に対応する位置にマーキングを施すマーキング装置をさらに備える、請求項７に記載の骨部材加工システム。
9. 前記骨部材の前記最適加工形状に対応する位置に光線を投影する投影装置をさらに備える、請求項７に記載の骨部材加工システム。