JP2016144536A - Surgery support device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、術前計画を手術部位に高精度に反映できる手術支援装置に関するものである。 The present invention relates to a surgery support apparatus that can reflect a preoperative plan on a surgical site with high accuracy.
外科手術、特に、骨の切除を対象とする手術においては、手術前に患部のＸ線ＣＴやＭＲＩ等の医用画像を撮影し、医師はその画像と手術部位を手術中に目視で照らし合わせながら経験と勘を頼りに手術を行っている。ところが、このようなマニュアル手術では、その結果は医師の経験と勘を含む技量に依存することになる。そこで、近年、技量に依存しなくても高精度な手術が可能な、BrainLab社製VectorVision（登録商標）を代表とするナビゲーションシステムが開発されている。 In surgery, especially surgery for bone resection, medical images such as X-ray CT and MRI of the affected area are taken before the operation, and the doctor visually compares the image and the surgical site during the operation. We perform surgery depending on experience and intuition. However, in such a manual operation, the result depends on the skill including the experience and intuition of the doctor. Therefore, in recent years, a navigation system represented by VectorLab (registered trademark) manufactured by BrainLab, which can perform high-precision surgery without depending on the skill, has been developed.
これは、手術前に撮影された医用画像を用いて三次元空間で手術位置・範囲や手術跡に埋め込むインプラント等の手術計画を立案した術前計画を表現している空間を作成し、この空間を実際の手術空間である術中空間内にマッピングし、術前計画空間の位置・切除域に対応する術中空間の位置・域を切除してインプラントを嵌め込んだりするものである。そして、それらの相対的な空間座標変換行列を求める作業をレジストレーションと呼ぶ。 This creates a space that expresses a preoperative plan in which a surgical plan such as an implant to be embedded in a surgical position / range or surgical trace is created in a three-dimensional space using medical images taken before the operation. Is mapped in the intraoperative space, which is the actual surgical space, and the position / region of the intraoperative space corresponding to the position / excision region of the preoperative planning space is excised and the implant is fitted. And the operation | work which calculates | requires those relative space coordinate transformation matrices is called registration.
このレジストレーションでは、従来技術であるナビゲーションシステムにおいては医用画像から再構成された術前計画空間の三次元骨モデル(以下、医用画像から作られた骨という意味で画像骨、または実存ではなく仮想の骨という意味で仮想骨と呼ぶことがある)の表面と術中空間の実際の患部骨表面間の距離が最小二乗残差となるように空間座標変換行列が求められる。 In this registration, in the conventional navigation system, a three-dimensional bone model of a preoperative planning space reconstructed from a medical image (hereinafter referred to as an image bone in the sense of a bone made from a medical image, or a virtual rather than actual one). The spatial coordinate transformation matrix is calculated so that the distance between the surface of the bone and the actual surface of the affected bone in the intraoperative space is the least square residual.
このレジストレーションを高精度で実現するには、多数の術中空間の実存骨表面の点群(これを参照点と呼ぶ)を手術中に計測する必要があるため、手術中の作業が煩雑である。そこで、近年患部の骨形状と正確に嵌合するテンプレートを用いて、テンプレートを手術の際に患部に嵌合させることで、レジストレーションを行うテンプレート手術が行われている。このテンプレート手術は手術中にテンプレートを骨に嵌合させるだけでレジストレーションができることから簡便な手法として実際の手術に適用されている。そして、テンプレートにはボーンソー等の骨切除器具を案内するガイド等が形成されているから、医師はそれに従って操作すればよい（下記特許文献１〜３）。 In order to realize this registration with high accuracy, it is necessary to measure points on the surface of existing bones in many intraoperative spaces (referred to as reference points) during the operation, and the operation during the operation is complicated. . Therefore, in recent years, template surgery has been performed in which registration is performed by fitting a template to an affected part at the time of surgery using a template that accurately fits the bone shape of the affected part. This template surgery is applied to actual surgery as a simple technique because registration can be performed simply by fitting the template to the bone during the surgery. And since the guide etc. which guide bone cutting instruments, such as a bone saw, are formed in the template, a doctor should just operate according to it (the following patent documents 1-3).
しかし、このテンプレート手術では手術中にテンプレートが正確に適合され、その結果、正しくレジストレーションが行われたかどうかの確認ができない上に、骨切除が正確に行われたかどうかを確認する手段を有しない。これは、テンプレートの装着がすべてオープンループで行われ、フィードバックがとられていないからである。このため、医師にとっては不安であるばかりか最終的に誤差の大きな手術となる危険性を有している。 However, this template operation does not have a means to confirm whether the bone resection has been performed correctly, as well as to make sure that the template is correctly adapted during the operation, and as a result, the registration has been performed correctly. . This is because all the templates are mounted in an open loop and no feedback is taken. For this reason, it is not only anxiety for doctors, but there is a risk that it will eventually result in surgery with a large error.
本発明は、対象骨の輪郭面（凹凸面）に正確に嵌合する３点以上の参照点を有するテンプレートを用いて実存骨に嵌合して術前計画空間と術中空間とを対応付けし、別途３次元座標測定器によりテンプレートの３点以上の参照点を用いて術前計画空間の対象骨と対応付けした術中空間の対象骨との距離を計測することでその正確性を確認することができる手術支援装置であり、テンプレート手術の簡便性と、ナビゲーションシステムの正確性を併せ持つことでそれぞれの抱える問題を解決するものである。 The present invention relates to a preoperative planning space and an intraoperative space by fitting to existing bone using a template having three or more reference points that are accurately fitted to the contour surface (uneven surface) of the target bone. Separately, the accuracy is confirmed by measuring the distance between the target bone in the preoperative plan space and the target bone in the intraoperative space using three or more reference points of the template by a three-dimensional coordinate measuring device. It is a surgery support device that can solve the problems of each by combining the simplicity of template surgery and the accuracy of the navigation system.
以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載された、手術対象の患者の実存する実存骨を医用画像撮影機で撮影して画像骨を取得し、画像骨に基づいて術前計画を想定し、画像骨の座標値と実存骨の座標値を関連付けするレジストレーションを行い、画像骨を指標として実存骨に骨切除を伴う手術を施す手術支援装置において、実存骨の輪郭面に骨切除用のボーンソーをガイドする所定の面積を有するテンプレートを添着するととともに、画像骨にも仮想的に添着し、実存骨、画像骨及びテンプレートの座標値を一致させるようにレジストレーションを行う他、テンプレートに少なくとも３点以上の参照点を設定し、別途画像骨に仮想的に嵌合したテンプレートの参照点と実存骨に嵌合したテンプレートの参照点間でレジストレーションを行い、このレジストレーションに基づき画像骨輪郭表面と実存骨輪郭表面との間の距離を計測してテンプレートが実存骨に正しく添着されたか否かを検証することを特徴とする手術支援装置を提供したものである。
Under the above-described problems, the present invention obtains an image bone by photographing an existing bone of a patient to be operated as described in
つまり、３点以上の参照点を有するテンプレートを実存骨に嵌合させてレジストレーションを簡便に行うとともに、術前計画空間で定義されている仮想のテンプレート上に設けられた３点以上の参照点と、手術中に計測される実存骨に嵌合された当該テンプレートに設けられた、術前計画空間で定義されている仮想のテンプレートと同じ位置関係で連関する参照点間で、別途術前計画空間と術中空間の実存骨のレジストレーションを行う。 In other words, a template having three or more reference points is fitted to an existing bone for easy registration, and three or more reference points provided on a virtual template defined in the preoperative planning space. And a preoperative plan between reference points associated with the same positional relationship as the virtual template defined in the preoperative plan space provided in the template fitted to the existing bone measured during the operation. Registration of existing bone in space and intraoperative space.
この別途行うレジストレーションは当該テンプレート上に凹面形状等で明確かつ幾何学的に設けられた参照点であるため、術中に正確なレジストレーションが可能である。この別途行う正確なレジストレーションにより実存骨を術前計画空間にマッピングし、術前計画空間の画像骨と実存骨間の距離を計測し、その正確性を確認することができる。これによって、テンプレート手術で嵌合不良に起因する誤差を事前確認することができるため、医師は安心して手術を行うことが可能となる。つまり、セミクローズドシステムの概念を取り入れたものである。 This separate registration is a reference point that is clearly and geometrically provided in a concave shape or the like on the template, so that accurate registration is possible during the operation. With this accurate registration separately performed, the existing bone can be mapped to the preoperative planning space, the distance between the image bone and the existing bone in the preoperative planning space can be measured, and the accuracy can be confirmed. As a result, errors due to poor fitting can be confirmed in advance in the template operation, so that the doctor can perform the operation with peace of mind. In other words, it incorporates the concept of a semi-closed system.
さらに、これらにおいて、請求項２に記載された、テンプレートを部分的に金属を有する樹脂製とし、金属部分にボーンソーの案内面となるスリットを形成した手段、請求項３に記載された、３点以上の参照点が金属部に形成される手段、請求項４に記載された、テンプレートの参照点に光学式座標測定器である反射マーカーを固定して少なくとも３点以上の参照点を設定する手段をそれぞれ提供するものである。 Furthermore, in these, the means described in claim 2, wherein the template is made of a resin partly containing metal, and a slit serving as a guide surface of the bone saw is formed in the metal part, the three points described in claim 3 Means for forming the reference points on the metal part, and means for setting at least three reference points by fixing a reflective marker as an optical coordinate measuring instrument to the reference points of the template according to claim 4. Are provided respectively.
要するに、請求項１の発明は実存骨と仮想骨の表面の一致をセミクローズドシステムで確認できることから、従来のナビゲーションシステムに比べて高精度、かつ、確実、しかも、簡便である。請求項２の手段によれば、最低限の操作で簡単に術前計画空間の位置・切除域に対応する術中空間の位置・域を切除することができるし、ボーンソーの案内面の摩耗を減らすことができる。請求項３の手段によれば、参照点の位置の不動性を確保できるし、請求項４の手段によれば、参照点の合致、すなわち、正確なレジストレーションを簡単に行うことができる。
In short, the invention according to
以下、本発明の実施の形態を人工膝関節（インプラント）に置換する際の大腿骨切除を例にとって、図２のフロー図を中心として補足図を交えて説明する。図２の左側は術前計画を策定するフロー(術前フロー)であるが、まず、手術部位をＸ線ＣＴやＭＲＩを用いて医用画像を撮影し、この医用画像をコンピュータ内部に取り込む。次いで、図３に示すように医用画像から対象骨１の輪郭を各医用画像断面像２から抽出して骨形状を表すボクセルデータ３とした後、マーチング・キューブ法等で仮想骨（つまり、三次元骨モデル）４を構築する。
Hereinafter, an example of femoral resection when replacing the embodiment of the present invention with an artificial knee joint (implant) will be described with reference to the flowchart of FIG. The left side of FIG. 2 is a flow for preparing a preoperative plan (preoperative flow). First, a medical image is taken of the surgical site using X-ray CT or MRI, and this medical image is taken into the computer. Next, as shown in FIG. 3, the outline of the
本実施例では、画像骨の構築には医用画像処理ソフト（Materialize社製Mimics）を使用して行ったが、その他の医用画像処理ソフトを使用しても同様の結果が得られることはいうまでもない。 In this embodiment, the image bone is constructed using medical image processing software (Materials Mimics), but it goes without saying that the same result can be obtained using other medical image processing software. Nor.
次に、医用画像から再構成されたＭＰＲ（Multi Planer Reconstruction）像又は／及び医用画像から構築された上記三次元骨モデルを参照して、人工関節１３のサイズ及び設置位置を決定する。図４に示すように、人工関節の設置位置を決定した段階で、同時に対応する骨切除位置１４が確定されるため、骨切除位置を誘導するボーンソーの案内面６も同時に決定されることとなる。
Next, referring to the MPR (Multi Planer Reconstruction) image reconstructed from the medical image and / or the three-dimensional bone model constructed from the medical image, the size and installation position of the artificial joint 13 are determined. As shown in FIG. 4, since the corresponding
なお、これらの人工関節位置および骨切除位置は既定(画像撮影機等)の座標系に対して関連付けて表現されており、この座標系が術前計画空間の座標を表現している。本事例では、図５に示すように大腿骨骨頭中心を原点とし、骨頭中心と大腿骨内側上顆突起溝と外側上顆突起の中点を通る線をＺ軸、骨頭中心と大腿骨内側上顆突起溝と外側上顆突起の計３点から定義される平面の法線方向をＹ軸、Ｚ軸とＹ軸に対して互いに９０度をなす軸をＸ軸としている。 Note that these artificial joint positions and bone resection positions are expressed in association with a predetermined (image photographing machine or the like) coordinate system, and this coordinate system expresses coordinates in the preoperative plan space. In this example, as shown in FIG. 5, the center of the femoral head is the origin, and the line passing through the center of the femoral head, the midpoint of the femoral medial epicondylar process and the midpoint of the lateral epicondylar process is the Z axis, the femoral center and the femoral medial The normal direction of the plane defined by a total of three points of the condylar process groove and the lateral epicondyle process is defined as the Y axis, and the axis forming 90 degrees with respect to the Z axis and the Y axis is defined as the X axis.
次に、手術に使用するテンプレート５の設計を行う。術前計画空間において構築された上記仮想骨において、嵌合を予定する領域の表面形状をコンピュータＣＡＤソフト上で切り出し、例えば切り出した表面形状に厚みを持たせて三次元のテンプレート形状（仮想の）５１を設計する(図３)。 Next, the template 5 used for surgery is designed. In the virtual bone constructed in the preoperative planning space, the surface shape of the region to be fitted is cut out on the computer CAD software, and for example, a three-dimensional template shape (virtual) is formed by giving the cut surface shape a thickness. 51 is designed (FIG. 3).
なお、請求項２に記載したように、骨切除に使用するボーンソー（図示省略）の案内面６(図６)を有する金属部分７を樹脂８に埋め込んで使用する場合には、テンプレートの嵌合位置と人工関節設置位置から決定される骨切除位置の相対位置関係を維持できるように、金属部分を樹脂に埋め込む。 As described in claim 2, when the metal portion 7 having the guide surface 6 (FIG. 6) of the bone saw (not shown) used for bone resection is embedded in the resin 8, the template is fitted. The metal part is embedded in the resin so that the relative positional relationship between the bone resection position determined from the position and the artificial joint installation position can be maintained.
次に、設計した仮想のテンプレート形状に、参照点６２を追加する(図１)。プローブ９で術中に計測できるように術前計画空間のテンプレート上の特異の位置に半球状の凹面を追加する。この参照点は、術前計画空間において半球状凹面とした場合、その球中心が位置情報として採用される。 Next, a reference point 62 is added to the designed virtual template shape (FIG. 1). A hemispherical concave surface is added to a specific position on the template in the preoperative planning space so that the probe 9 can perform measurement during the operation. When this reference point is a hemispherical concave surface in the preoperative planning space, the center of the sphere is adopted as position information.
ここで、請求項２の場合には、金属部分に設けられた半球状の凹面中心が（図６参照）、請求項４の場合には反射マーカー（図示省略）の位置が術前計画空間における位置情報として採用される。 Here, in the case of Claim 2, the center of the hemispherical concave surface provided in the metal part is (see FIG. 6), and in the case of Claim 4, the position of the reflective marker (not shown) is in the preoperative planning space. Adopted as position information.
本実施例では、テンプレートの設計には汎用ＣＡＤソフト（Materialize社製3-matic）を使用して行ったが、その他のＣＡＤソフト等を使用しても同様の結果を得られることはいうまでもない。 In this embodiment, the template is designed using general-purpose CAD software (3-matic manufactured by Materialize), but it goes without saying that similar results can be obtained even if other CAD software is used. Absent.
次に、コンピュータＣＡＤソフト上で設計されたテンプレートの形状データをもとに、実際のテンプレートを製作する。本実施例では、実際のテンプレートの形状データとしてＳＴＬ（STereoLithography)形式のデータを使用し、三次元樹脂造形機（EOSINT社製 FORMIGA P100)を使用して造形した。ただし、他の形状データフォーマット及び樹脂造形機を使用しても問題はない。 Next, an actual template is produced based on the template shape data designed on the computer CAD software. In this example, STL (STereoLithography) format data was used as actual template shape data, and modeling was performed using a three-dimensional resin modeling machine (FORMIGA P100 manufactured by EOSINT). However, there is no problem even if other shape data formats and resin molding machines are used.
これ以後、上記で製作したテンプレートを使用して術前計画空間と術中空間の対応付けを行うレジストレーションの詳細について、手術中の操作を含めて説明する。 Hereinafter, the details of registration for associating the preoperative planning space with the intraoperative space using the template produced above will be described, including operations during the operation.
本装置では、上記で説明したテンプレートの他、図１に示すように光学式座標測定器１０、計算用ワークステーション１１および計算用ワークステーション１１の出力を表示するディスプレイ１１a、位置測定用の反射マーカーが設置されたアンテナ１２、及びプローブ９を使用する。 In this apparatus, in addition to the template described above, as shown in FIG. 1, an optical coordinate measuring instrument 10, a calculation workstation 11, a display 11a for displaying the output of the calculation workstation 11, and a reflection marker for position measurement. The antenna 12 and the probe 9 on which are installed are used.
まず、医師は一般的な操作として患部を皮切りして、開創後に上記のテンプレートを実存骨の凹凸面に嵌合させる。これによって、図３に示すように術前計画空間が術中空間と対応づけされ、レジストレーションが完了する。 First, the doctor cuts off the affected part as a general operation, and fits the template to the uneven surface of the existing bone after the opening. Thereby, as shown in FIG. 3, the preoperative planning space is associated with the intraoperative space, and the registration is completed.
従来技術によるテンプレート手術では、実存骨の凹凸面とテンプレートの一回のみの嵌合からレジストレーションを完了させ、テンプレートに設けられた基準（例えば図６のボーンソーの案内面）を参照して骨切除等の操作を行う。しかし、この方法ではテンプレートが実存骨に正確に適合しなかった場合（図７の実線）にはレジストレーション誤差、ひいてはボーンソーの案内面と骨切除位置の相対関係に誤差を生ずることとなるが、医師にはそれを確認する手段がない。このため、間違った位置で骨切除を行ってしまう危険性がある。 In the template surgery according to the prior art, registration is completed by one-time fitting of the concavo-convex surface of the existing bone and the template, and bone resection is performed with reference to a reference (for example, the guide surface of the bone saw in FIG. 6) provided on the template. Do the following operations. However, in this method, if the template does not accurately match the existing bone (solid line in FIG. 7), an error occurs in the registration error, and thus in the relative relationship between the bone saw guide surface and the bone resection position. There is no way for doctors to confirm it. For this reason, there is a risk of performing bone resection at the wrong position.
そこで、本手術支援装置では以下のような方法でテンプレートによるレジストレーションの正確性を確認する。図２右側の術中フローにおいて、まず、実存骨に光学式座標測定器のアンテナを固定する。光学式座標測定器は、このアンテナに固定された反射マーカーの位置を計測する。ただし、この段階ではアンテナが実存骨の任意の位置に設置されるため、術中空間における実存骨の位置及び姿勢は確定しない。 Therefore, in this surgery support apparatus, the accuracy of registration using the template is confirmed by the following method. In the intraoperative flow on the right side of FIG. 2, first, the antenna of the optical coordinate measuring device is fixed to the existing bone. The optical coordinate measuring instrument measures the position of the reflective marker fixed to the antenna. However, since the antenna is installed at an arbitrary position of the existing bone at this stage, the position and posture of the existing bone in the intraoperative space are not determined.
次に、予め汎用メディア等を介して計算用ワークステーションに格納されている術前計画空間の仮想骨、仮想のテンプレート上の参照点データを使用して、テンプレートによるレジストレーションの誤差確認を行う。 Next, using a virtual bone in the preoperative planning space and the reference point data on the virtual template stored in advance in the calculation workstation via a general-purpose medium or the like, registration error confirmation by the template is performed.
手術中にテンプレートを実存骨の凹凸面に嵌合させる操作はこれまでのテンプレート手術と同様である。ここで、テンプレートを嵌合した状態で、テンプレート上に設けられた３点以上の参照点をプローブを用いて光学式座標測定器により位置計測する。この操作により、一般的な点対応レジストレーションにより術前計画空間の仮想のテンプレート上の参照点と実存骨に嵌合されたテンプレート上の参照点間でレジストレーションが別途行われる。 The operation for fitting the template to the uneven surface of the existing bone during the operation is the same as the conventional template operation. Here, with the template fitted, the position of three or more reference points provided on the template is measured by an optical coordinate measuring device using a probe. By this operation, registration is separately performed between the reference point on the virtual template in the preoperative plan space and the reference point on the template fitted to the existing bone by general point-based registration.
なお、ここでのレジストレーションは術前計画空間の仮想のテンプレートと術中空間の実存テンプレートのレジストレーションである。テンプレートは幾何学的な半球状の凹面（ピボット点）を設けているため、術中空間で正確な位置が計測でき、極めて誤差の小さいレジストレーションが可能である。 The registration here is a registration of a virtual template in the preoperative planning space and an existing template in the intraoperative space. Since the template is provided with a geometrical hemispherical concave surface (pivot point), an accurate position can be measured in the intraoperative space, and registration with a very small error is possible.
ここで、上記参照点によるレジストレーションを用いて、術中空間の実存骨と対応付けされた術前計画空間の画像骨表面間の距離を、以下の式により計算する。
式（１）において、Ｐpreplan は術中空間でプローブにより指示された骨表面位置を別途テンプレート上の参照点によるレジストレーションにて術前計画空間に変換した位置、Ｒはテンプレート上の参照点によるレジストレーション情報、Ａは実存骨に固定されたアンテナ位置情報、Ｐreal は術中空間にてプローブで計測した実存骨表面位置情報である。また、ｄは術中空間にてプローブで計測した実存骨表面位置情報をテンプレート上の参照点によるレジストレーションで術前計画空間に変換した位置と、術前計画空間の画像骨表面との距離を表し、（x、y、z）はＰpreplanの座標値表現、（x0、y0、z0）はＰpreplanと最短距離をなす術前計画空間の画像骨の表面座標である。
Here, the distance between the image bone surfaces in the preoperative plan space associated with the existing bone in the intraoperative space is calculated by the following formula using the registration by the reference point.
In Formula (1), P preplan is a position obtained by converting the bone surface position indicated by the probe in the intraoperative space into a preoperative planning space by registration with a reference point on the template, and R is a resist by the reference point on the template. Information, A is antenna position information fixed to the existing bone, and P real is existing bone surface position information measured with a probe in the intraoperative space. In addition, d represents the distance between the position where the existing bone surface position information measured by the probe in the intraoperative space is converted into the preoperative planning space by registration with reference points on the template and the image bone surface in the preoperative planning space. , (X, y, z) are the coordinate value representation of P preplan , and (x 0 , y 0 , z 0 ) are the surface coordinates of the image bone in the preoperative plan space that makes the shortest distance from P preplan .
図２の術前フローにおいて術前計画空間にて仮想骨と骨切除位置及び仮想のテンプレートの相対位置関係が定義されている。さらに、３点以上の参照点により仮想（術前計画空間）のテンプレートと実存（術中空間）のテンプレート間で対応付けが行われており、実存骨と実存のテンプレートが正確に嵌合していれば、術前計画空間の仮想のテンプレートと仮想骨の相対位置関係と同じ状態が術中空間で再現される。したがって、テンプレートが実存骨の凹凸面と正確に嵌合することは、術中空間の実存骨表面をプローブで指示した場合に、術前計画空間の仮想骨と術中空間の実存骨間の距離は０となることと等価となる。 In the preoperative flow of FIG. 2, the relative positional relationship between the virtual bone, the bone resection position, and the virtual template is defined in the preoperative planning space. In addition, there is a correspondence between the virtual (preoperative planning space) template and the existing (intraoperative space) template using three or more reference points, and the existing bone and the existing template are accurately fitted. For example, the same state as the relative positional relationship between the virtual template and the virtual bone in the preoperative planning space is reproduced in the intraoperative space. Therefore, when the template accurately fits with the uneven surface of the existing bone, the distance between the virtual bone in the preoperative planning space and the existing bone in the intraoperative space is zero when the surface of the existing bone in the intraoperative space is indicated by a probe. Is equivalent to
一方で、テンプレートが骨の凹凸面と正確に嵌合していなければ、術前計画空間の画像骨と術中空間の対象骨は正確な対応づけが行われておらず、術前計画空間の仮想のテンプレートと画像骨の相対位置関係とは異なる状態で術中空間の実存骨と実存テンプレートが存在することになる（図１中の実線で表される実存骨は、術前計画空間の相対位置関係と同じ点線の位置で認識されることになる）。このため、術中空間の対象骨をプローブで指示した場合に、式（１）及び（２）で計算される距離は０とはならない。 On the other hand, if the template does not accurately fit the uneven surface of the bone, the image bone in the preoperative planning space and the target bone in the intraoperative space are not accurately associated, and the virtual space in the preoperative planning space The existing bone in the intraoperative space and the existing template exist in a state different from the relative positional relationship between the template and the image bone (the existing bone represented by the solid line in FIG. 1 is the relative positional relationship in the preoperative planning space) Will be recognized at the same dotted line position). For this reason, when the target bone in the intraoperative space is indicated by the probe, the distance calculated by the equations (1) and (2) is not zero.
実際には、術前計画空間で医用画像から再構築された画像骨は、画像処理等に起因する形状誤差から完全には術中空間の実存骨の形状とは一致しない。したがって、式（１）及び（２）で計算される距離が０とはならない場合があるが、その距離の大きさを実存骨の数か所をプローブ計測することで、定性的にテンプレートの嵌合が正確かどうかの指標を得ることができる。 Actually, the image bone reconstructed from the medical image in the preoperative planning space does not completely match the shape of the existing bone in the intraoperative space due to a shape error caused by image processing or the like. Therefore, the distance calculated by Equations (1) and (2) may not be zero, but the size of the distance is qualitatively measured by probing several existing bones. An indicator of whether the match is accurate can be obtained.
なお、式（１）及び（２）の距離計算は計算用ワークステーションで行われ、結果がディスプレイに表示される。また、視覚的にテンプレートの嵌合の正確性を確認するため、ディスプレイに術前計画座標系の画像骨と、式（１）で計算される術中空間でプローブにより計測されるテンプレート上の参照点によるレジストレーションにより術前計画空間にマッピングされた位置情報を同時に表示するとより判りやすく効果的である。 In addition, the distance calculation of Formula (1) and (2) is performed by the calculation workstation, and the result is displayed on the display. In addition, in order to visually confirm the accuracy of template fitting, the image bone of the preoperative planning coordinate system is displayed on the display and the reference point on the template measured by the probe in the intraoperative space calculated by Equation (1). Displaying the positional information mapped in the preoperative planning space at the same time by the registration according to will be easier to understand and effective.
なお、本実施例では、光学式座標測定器として赤外線座標測定器（NDI社製Poralis)を使用したが、その他アーム式の接触式座標測定器、磁気式座標測定器等を使用しても、同様の結果が得られることは自明である。 In this example, an infrared coordinate measuring device (Poralis manufactured by NDI) was used as an optical coordinate measuring device, but other arm-type contact coordinate measuring devices, magnetic coordinate measuring devices, etc. Obviously, similar results are obtained.
さらに、本装置では骨切除のボーンソーの案内面を構成するスリット部分を金属部分とし、樹脂製テンプレートに金属部分を嵌めこんで使用することを特徴とする手術支援装置を提供することは説明したが、これによると、テンプレートの嵌合の正確性を確認後、テンプレートをピン等で固定すればそのまま所期の位置で骨切りができる。 Furthermore, in the present apparatus, it has been described that a surgical support device is provided in which a slit portion constituting a guide surface of a bone saw for bone resection is a metal portion, and the metal portion is fitted in a resin template. According to this, after confirming the accuracy of the fitting of the template, if the template is fixed with a pin or the like, the bone can be cut at an intended position as it is.
さらに、本装置では上記のテンプレートについて、金属部分に３点以上の参照点を有することを特徴とする手術支援装置を提供したことも述べたが、これによると、テンプレート設計時に樹脂に３点以上の半球状の凹面を意図的に設けることを要しないため、設計工数を削減することができる。また、樹脂製テンプレートでは経時変形等による歪みにより参照点間の位置関係が変化して、参照点間のレジストレーションの際に誤差を生ずる可能性がある。金属ではこのような変形による歪みは発生しないため、正確な参照点の計測、ひいては正確にテンプレートの嵌合の正確性が把握できる。また、ボーンソー案内面の摩耗も防がれる。 Furthermore, in this device, it was also described that a surgical operation support device characterized by having three or more reference points in the metal part was provided for the above template. According to this, three or more points were added to the resin when designing the template. Since it is not necessary to intentionally provide the hemispherical concave surface, the number of design steps can be reduced. In addition, in the resin template, the positional relationship between the reference points may change due to distortion due to temporal deformation or the like, and an error may occur during registration between the reference points. Since distortion caused by such deformation does not occur in metal, it is possible to accurately measure the reference point and thus accurately match the template. Also, the wear of the bone saw guide surface can be prevented.
さらに、本装置ではテンプレートに固定された光学式座標測定器の反射マーカーを参照点とする手術支援装置を提供したことも述べたが、これによれば、プローブで参照点を計測することなく、光学式座標測定器が参照点を自動認識して参照点間のレジストレーション可能なため、医師は短時間でテンプレートの嵌合の正確性を把握することができる。また、テンプレートの参照点として反射マーカーを用いることは、テンプレートと実存骨の添着状態を維持することでアンテナの代用としても機能を果たすため、アンテナの使用と固定の手間が省ける。 Furthermore, in the present apparatus, it has also been described that the operation support device having the reference point of the reflection marker of the optical coordinate measuring instrument fixed to the template is provided, but according to this, without measuring the reference point with the probe, Since the optical coordinate measuring machine can automatically recognize the reference points and register between the reference points, the doctor can grasp the accuracy of the template fitting in a short time. In addition, the use of a reflective marker as a reference point for the template also serves as a substitute for the antenna by maintaining the attachment state between the template and the existing bone, thereby eliminating the need for using and fixing the antenna.
このように、本発明は従来の医療用ナビゲーションシステムのように多数の計測を要せず簡便な手法で、かつ従来のテンプレート手術で危惧されるレジストレーションの不確かさを解消できる点で非常に有用である。 As described above, the present invention is very useful in that it is a simple technique that does not require a large number of measurements unlike the conventional medical navigation system, and can eliminate the uncertainty of registration that is a concern in the conventional template surgery. is there.
ところで、以上の説明は人工膝関節置換術における大腿骨の骨切除におけるものであるが、本発明は手術中に外力等で変形が予想されない骨格系に適用可能であり、股関節、足関節、肘関節等の手術に適用可能であることはいうまでもない。 By the way, the above explanation is about femoral bone resection in artificial knee joint replacement, but the present invention can be applied to a skeletal system in which deformation is not expected due to external force or the like during surgery. Needless to say, it is applicable to surgery for joints and the like.
１ 対象骨
２ 骨の医用画像断面像
３ ボクセルデータ
４ 画像骨
４１実存骨
５ 実存のテンプレート
５１仮想のテンプレート
６ ボーンソーの案内面
６２テンプレートの参照点
７ 金属部分
８ 樹脂
９ プローブ
１０ 光学式座標測定器
１１ 計算用ワークステーション
１１a 〃 ディスプレー
１２ アンテナ
１３ 人工関節
１４ 骨切除位置
１５ 画像骨と実存骨表面間の距離
DESCRIPTION OF
Claims (4)
実存骨の輪郭面に骨切除用のボーンソーをガイドする所定の面積を有するテンプレートを嵌合するととともに、画像骨にも仮想的に嵌合し、実存骨、画像骨及びテンプレートの座標値を一致させるようにレジストレーションを行う他、テンプレートに少なくとも３点以上の参照点を設定し、別途画像骨に仮想的に嵌合したテンプレートの参照点と実在骨に嵌合したテンプレートの参照点間でレジストレーションを行い、このレジストレーションに基づき画像骨輪郭表面と実存骨輪郭表面との間の距離を計測してテンプレートが実存骨に正しく嵌合されたか否かを検証することを特徴とする手術支援装置。 A resist that associates the coordinate values of the image bone with the coordinate values of the existing bone, taking a pre-operative plan based on the image bone by acquiring the image bone by photographing the existing bone of the patient to be operated with a medical imaging machine In a surgical operation support device that performs an operation involving bone resection on an existing bone using an image bone as an index,
A template having a predetermined area for guiding a bone saw for bone resection is fitted to the contour surface of the existing bone, and is also virtually fitted to the image bone to match the coordinate values of the existing bone, the image bone, and the template. In addition to registration, the template is set with at least three reference points, and registration is performed between the reference point of the template virtually fitted to the image bone and the reference point of the template fitted to the actual bone. A surgical operation support device characterized in that, based on the registration, the distance between the image bone contour surface and the existing bone contour surface is measured to verify whether or not the template is correctly fitted to the existing bone.
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