JP2020099696A - 再配向手術のための術前計画：模擬ｘ線を用いた表面モデルフリーアプローチ - Google Patents

再配向手術のための術前計画：模擬ｘ線を用いた表面モデルフリーアプローチ Download PDF

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Abstract

【課題】コンピューティングシステムを応用した表面モデルフリーアプローチでシミュレートされたＸ線画像を使用する再配向手術のための改良された術前計画法を提供する。【解決手段】股関節手術などの術前計画にて、３Ｄ医用画像から導出された寛骨臼の境界のモデルを再配向することによって術前に計画するのではなく、３Ｄ医用画像自体の部分を再配向し、再配向された３Ｄデータを使用して１つまたは複数のＸ線画像をシミュレートする。任意選択的に、修正されていないＣＴスキャンによってシミュレートされたＸ線画像を比較目的のために生成することもできる。次いで、ユーザは再配向の既定の大きさ及び方向が達成するＸ線撮影結果を決定するために、シミュレートされたＸ線画像上の寛骨臼メトリックを測定する。再配向を反復的に選択し、シミュレートされたＸ線画像を測定することによって、最適な再配向計画がユーザによって決定できる。【選択図】図５

Description

本開示はコンピューティングシステム及び方法に関し、より詳細には、表面モデルフリーアプローチでシミュレートされた、Ｘ線画像を使用する再配向手術のための術前計画に関する。
寛骨臼周囲骨切り術（Ｐｅｒｉ−ａｃｅｔａｂｕｌａｒ ｏｓｔｅｏｔｏｍｙ、以下「ＰＡＯ」と略す）は、寛骨臼が浅すぎることに起因する股関節の生体力学疾患である、股関節異形成を治療する外科手術の技術である。ＰＡＯは、寛骨臼を含む骨断片を除去するために骨盤を切断すること、除去された骨断片を回転させること、及び患者の股関節の生体力学を改善するために骨盤にそれを再付着させることを含む。寛骨臼の形状および向きの臨床的な測定基準は、典型的には解剖学的ランドマーク及び／又はＸ線写真特徴に基づくＸ線画像を使用して測定され、これらの同じ測定基準は所望の外科的結果を定義するために使用される。
寛骨臼回転の方向および大きさを術前に計画するための既存のソフトウェアツールは、ＣＴ画像などの３Ｄ医用画像、および境界に基づくシミュレーションを使用する。寛骨臼の３Ｄ表面モデル（境界）は、セグメンテーション又は統計的形状モデル等の統計的モデリング技法を使用して、３Ｄ医用画像から生成される。寛骨臼は表面モデルから仮想的に「切断」され、再配向され、寛骨臼の形状および向きから、Ｘ線画像において評価される代表的な測定基準が算出される。術前の計画では、最適な回転が見つかるまで、断片の回転を反復的に選択し、寛骨臼測定基準を測定する。
計画ソフトウェアに対する上記のアプローチは効果的であるが、骨盤および／または寛骨臼の境界を定義する中間ステップを必要とする。寛骨臼の境界を規定する必要があるので、その開発および／または使用にかなりの負担がかかる。３Ｄセグメンテーションのプロセスは手動で実行するのに単調で時間がかかり、アルゴリズムセグメンテーション技法は、開発および検証するのに複雑である。統計的モデリング技法はまた、開発が複雑であり、さらに、多数のラベル付けされたデータセットを必要とする。従って、通常は表面モデルの形態で行われる寛骨臼境界の定義は、境界ベースのアプローチを使用する術前計画ソフトウェアの開発および／または使用にかなりのコスト及び複雑さを要する。
股関節手術などの術前計画技術について記載する。３Ｄ医用画像から取得した寛骨臼の境界のモデルを再配向することによって手術前に計画するのではなく、提案されたソリューションは３Ｄ医用画像自体の部分を再配向し、再配向された３Ｄデータを使用して１つ又は複数のＸ線画像をシミュレートする。修正されていないＣＴスキャンのシミュレートされたＸ線画像を、比較目的のために任意に生成しても良い。次に、ユーザはシミュレートされたＸ線画像上の寛骨臼メトリックを測定し、任意の再配向の大きさ及び方向により得られるＸ線撮影結果を決定する。再配向を反復的に選択し、シミュレートされたＸ線画像を測定することによって、最適な再配向計画がユーザによって決定される。
コンピューティングデバイスの処理ユニットによって、コンピュータで実行される方法が提供される。この方法は解剖学的構造を含む医用画像の第１のボリュメトリックデータセットにアクセスするステップと、再配向される解剖学的構造の前記第１のボリュメトリックデータセットに対するボリュメトリック領域を決定するステップと、前記解剖学的構造のパラメータの第１の測定値を計算するステップと、前記第１のボリュメトリックデータセットに対する前記ボリュメトリック領域の位置変化を受け取るステップと、前記第１のボリュメトリックデータセットと前記ボリュメトリック領域とに対する前記位置変化に対応する第２のボリュメトリックデータセットを生成するステップと、その第２のボリュメトリックデータセットからデジタル再構成ラジオグラフ（ＤＲＲ）を含む変更画像を生成するステップと、その変更画像をディスプレイに提供するステップと、を含む。
また、前記ボリュメトリック領域を決定するステップは、前記ボリュメトリックデータセットの少なくとも１つのスライスビュー上に表示される解剖学的特徴を定義するユーザ入力を受信することを含む。
また、前記ボリュメトリック領域に対する前記位置変化に関係なく、前記第１のボリュメトリックデータセットからＤＲＲを含むベースライン画像を生成するステップと、そのベースライン画像をディスプレイに提供するステップと、を含むことができる。前記第１の測定値は、前記ベースライン画像上の解剖学的ランドマークを定義するユーザ入力に基づいて計算する。
また、前記第１の測定値は、前記第１のボリュメトリックデータセットに対する解剖学的ランドマークを定義するユーザ入力に基づいて計算される。
また、前記第１の測定値を計算するステップは、複数のパラメータによる前記第１の測定値を計算する。
また、前記第１の測定値を計算するステップは、ｉ）横方向中心エッジ角（ＬＣＥＡ）、ｉｉ）前方中心エッジ角（ＡＣＥＡ）、及びｉｉｉ）ＬＣＥＡ及びＡＣＥＡの両方、のうちの１つを計算する。
前記ボリュメトリック領域の前記位置変化が、寛骨臼の所望の前傾および／または傾斜角、所望のＬＣＥＡおよび／またはＡＣＥＡ、所望の股関節回転中心位置、又はユーザ操作から決定された値であって、ボリュメトリックデータセットの少なくとも１つのスライスビューの中から、表示された少なくとも１つのスライスビューにおいて、コンピュータ入力装置を使用して取得されたボリュメトリック領域のユーザインタフェースを介して受信した値のうちの１つである。また、前記第２のボリュメトリックデータセットにおける前記解剖学的構造の１つ以上のパラメータの第２の測定値を決定するステップを含む。また、１又は複数のパラメータによる前記第２の測定が、第２のボリュメトリックデータセットのＤＲＲと、前記ボリュメトリック領域の位置変化に応答する第１のボリュメトリックデータセットのＤＲＲとのいずれかによる、解剖学的ランドマークを定義するユーザ入力に基づく。また、前記１又は複数のパラメータによる前記第２の測定値を、前記１又は複数のパラメータのそれぞれの所望の値に対して最適化するために、前記位置変化を決定するステップを含む。また、前記位置変化を決定するステップは、反復アルゴリズムを介して自動的に位置変化を決定するステップと、 ユーザ入力を受信し、１又は複数のパラメータの更新された測定値を提示することで、反復プロセスをガイドするステップとを含む。
また、レジストレーション座標フレームにおける前記位置変化に対応するナビゲーションターゲットパラメータを生成するステップを含む。また、ナビゲーションターゲットパラメータを手術ナビゲーションシステムに送信する（例えば、通信すること、及び／又は送信すること）を含み得る。ナビゲーションターゲットパラメータは、股関節の傾斜角および前傾角を含む。
コンピューティングデバイスは、（他のコンピューティングデバイス及びそのフォームファクタを使用することができるが）サーバを含む。前記ボリュメトリック領域への前記位置変化を表す入力は、前記サーバにおいてクライアントコンピューティングデバイスから受信される。
前記第２のボリュメトリックデータセットからのＤＲＲは、前記位置変化が受信される前記ボリュメトリック領域に対応する領域のみにおいて、前記第１のボリュメトリックデータセットからのＤＲＲを更新することによって決定される。
また、第２または後続の位置変更を定義する第２または後続の入力を受け取るステップを含み、そのステップは、ａ）第２の前記位置変化または後続の位置変化に応答して前記第２のボリュメトリックデータセットを更新するステップと、ｂ）第２の前記位置変化または後続の前記位置変化に応答して更なるボリュメトリックデータセットを生成するステップとの、いずれかを実行するステップと、更新された前記第２のボリュメトリックデータセット及び更なるボリュメトリックデータセットのうちの１つから、デジタル再構成ラジオグラフ（ＤＲＲ）を含む更新された変更画像を生成するステップと、その更新された変更画像を提供するステップと、を含み、それによって解剖学的構造の再配向が反復的に実行される。
解剖学的構造は股関節を含む。
処理ユニットと、それに結合された記憶ユニットとを備えるコンピューティングデバイスが提供され、記憶ユニットは、処理ユニットによって実行されると、本明細書の方法を実行するようにコンピューティングデバイスを構成する命令を記憶する。
コンピューティングデバイスの処理ユニットによって実行されると、本明細書の方法を実行するようにコンピューティングデバイスを構成する命令を記憶する不揮発性のユニットを備えるコンピューティングプログラム製品が提供される。
（ａ）及び（ｂ）は、計画の位置合わせ動作のための、注釈を有するボリュメトリックデータセットからの（補正）前後の画像であり、この画像は、一実施形態による計画を実行するように構成されたコンピューティングデバイスおよび／またはコンピューティングシステムのインターフェースによって提示することができる。 （ａ）〜（ｃ）は、一実施形態による計画を実行するように構成されたコンピューティングデバイス及び／又はコンピューティングシステムのインターフェースによって提示され得る、注釈付きの（ボリュメトリックデータセットからの）画像である。 （ａ）及び（ｂ）は、処理前後の放射線写真を表す図であり、実施形態に従って計画を実行するように構成されたコンピューティングデバイスおよび／またはコンピューティングシステムのインターフェースによって提示されてもよい。 一実施形態による、コンピューティングデバイス及び／又はコンピューティングシステムによって提供される計画インターフェースのスクリーンショットである。 一実施形態による方法のフローチャートである。 一実施形態による、計画するように構成されたコンピューティングシステムのブロック図である。
本明細書においては、骨盤または寛骨臼の境界の規定を不要とし、これによって、関連するコスト及び複雑さを抑制する、代替的な術前計画プロセスを提案する。
３Ｄ医用画像から取得した寛骨臼の境界のモデルを再配向することによって手術前に計画するのではなく、提案されたソリューションは３Ｄ医用画像自体の部分を再配向し、再配向された３Ｄデータを使用して、１又は複数のＸ線画像をシミュレートする。修正されていないＣＴスキャンによってシミュレートされたＸ線画像を、比較目的のために任意に生成しても良い。次に、ユーザはシミュレートされたＸ線画像上の寛骨臼メトリックを測定し、任意の再配向の大きさ及び方向により得られるＸ線撮影結果を決定する。再配向を反復的に選択し、シミュレートされたＸ線画像を測定することによって、最適な再配向計画がユーザによって決定される。
本明細書で説明する事前計画技法は、以下のうちの１又は複数の初期３Ｄ医用画像から実行することができる：
−従来通りの（ＣＴ、ＭＲＩ、超音波などによって）撮像されて表示される３Ｄ医用画像（「未処理」）；
−後処理され、フィルタリングされ、又は他の方法（例えば、ノイズ低減、アーチファクト除去、コントラスト強調、クロッピング等）で、明瞭にされた３Ｄ医用画像；
−異なる様式の医用画像（例えば、患者のＭＲＩを撮影し、同じ患者のＣＴスキャンがどのように見えるかの推定値を合成的に生成する）に基づいて推定された、１つの様式の３Ｄ医用画像；
−規則的なサイズ及び形状の多くの表面モデル（それぞれが関連する材料特性を有する）；例えば、ＣＴスキャンにおける全てのボクセル（３Ｄ画素、ｖｏｘｅｌ）の矩形表面モデルへの変換は、元のボクセルの同じサイズ及び形状を、それに関連するボクセルの強度と共に、材料特性としてモデル化する。これにより、３Ｄ画像が表面モデルとして模擬される。
３Ｄ画像は通常、ボリュメトリックデータセットとして定義されるデータを含む。
再配向された３ＤデータにおけるシミュレートされたＸ線画像を生成するために、ユーザは、寛骨臼（例えば、寛骨臼よりも大きい球体）の全てを含むＣＴ画像において罹患した股関節の中心および骨盤周辺の関心領域をマークする。この関心領域は、ユーザが選択した大きさ及び方向に回転され、修正されたＣＴ画像のＸ線画像がシミュレートされる。軟組織は、周囲の骨と比較して、シミュレートされたＸ線画像に非常に小さい影響しか及ぼさない。その結果、ＣＴにおいて骨および軟組織の両方の領域を回転されたとしても、生成されるシミュレートされたＸ線は、回転された骨の解剖学的構造の正確な形状及び位置がわからなくても、骨の解剖学的構造の動きに左右される。よって、シミュレートされたＸ線画像上で、骨盤または寛骨臼の境界を規定することなく、関連する放射線写真測定基準をユーザが測定することができる。
３ＤＣＴ画像から生成され、シミュレートされたＸ線画像は、デジタル再構成ラジオグラフ（ａ ｄｉｇｉｔａｌｌｙ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｒａｄｉｏｇｒａｐｈ、以下「ＤＲＲ」と略す）として知られている。３ＤＣＴ画像からＸ線画像をシミュレートするＤＲＲ技術は、ＣＴ画像とＸ線画像との密接な関係を活用する。ＣＴデータ内のボクセルの濃度は、そのボクセル内の材料のＸ線減衰の推定値を表すので、シミュレートされたＸ線がＣＴ画像のボクセルを通過する際のＸ線の減衰をモデル化できる。ＤＲＲは確立された技法であるが、ＤＲＲのより一般的な用途は、放射線療法を計画し、２ＤＸ線画像と３ＤＣＴ画像とのレジストレーション（位置合わせ）を容易にすることである。
ＤＲＲの特性により、修正されたＣＴ画像のＸ線画像をシミュレートするプロセスが少なくとも２つの方法で行われる。第１のアプローチは元のＣＴ画像内の定義された関心領域を回転させ、回転された関心領域を画像の残りの部分と再結合することで第２のＣＴ画像を形成し、第２のＣＴ画像のＤＲＲをシミュレートすることである。
第２のアプローチは回転された関心領域のみのＤＲＲと、元のＣＴ画像の残りの部分のみのＤＲＲとを別々にシミュレートし、Ｘ線減衰の乗法特性を活用して２つのＤＲＲを組み合わせることである。ＤＲＲ内の任意のピクセルの濃度は、仮想的なＸ線源から、仮想的な検出器上のそのピクセルの位置まで移動する、モデル化されたＸ線放射線の透過からマッピングされる。この透過率は、透過した元のＸ線放射線の割合を表す０と１との間の値として表される。任意のピクセルにおけるＣＴ画像の両方の成分から得られる全透過率は、個々のＣＴ成分ごとにそのピクセルにおける透過率値を乗算することで求められる。各ピクセルについてこのプロセスを繰り返し、全透過率をピクセル濃度にマッピングすることによって、２つのＤＲＲを組み合わせることができる。
丸め誤差、近似誤差、または他の数値誤差におけるいかなる誤差を除き、上記の２つのアプローチは数学的に等価であり、交換可能に使用され得る。
本明細書の教示の一例による提案されたアプローチの応用例を、以下に説明する。術前再配向計画は、以下のステップを使用して生成される。
骨ランドマークを手動で同定することで患者のＣＴ画像を方向付ける：図１（ａ）のＣＴ画像１００において、ユーザはＣＴ画像内の２つの骨ランドマーク（１０２Ａ及び１０２Ｂ）を手動で同定し、ＣＴ画像を回転させて、これらのランドマークをＣＴ画像１０４として水平に整列させて（図１（ｂ））、患者の回転を補正する。
ＣＴ画像で股関節中心部と周辺領域とを手動で定義する：図２（ａ）〜図２（ｃ）内の画像２００，２０２，２０４を参照すると、ユーザは、ＣＴ画像内の大腿骨頭２０６上に少なくとも４つの点（図中には６つの点（２０８Ａ，２０８Ｂ，２０８Ｃ，２０８Ｄ，２０８Ｅ，２０８Ｆ）が示されている）を配置する。再配向のための関心領域２１２を定義するために、選択された点に応じて球体２１０の半径が拡張される（図２（ｃ））。
推定された再配向に基づきシミュレートされたＸ線画像を生成する：ユーザは、再配向のための関心領域に適用される再配向を選択する（図２（ｃ）内側円）。図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照すると、シミュレートされたＸ線画像３００，３０２は、シミュレートされた再配向の前後（前：Ｘ線画像３００／後：Ｘ線画像３０２）のＣＴから生成される。
シミュレートされたＸ線画像における放射線写真のパラメータを手動で測定する：図４は、ＣＴにおける患者の右股関節の球状関心領域の処理前のＸ線画像４００及び処理後の仮想再配向Ｘ線画像４０２を示す。デジタル的に再構成されたＸ線画像４００及び４０２上に、注釈を提示するＧＵＩのスクリーンショットを示す。
再配向のための関心領域の中心によって定義される、股関節中心４０４及び患者の垂直軸４０６は、シミュレートされたＸ線画像上に投影される。ユーザは所望の放射線写真メトリックを計算するために、図４のＸ線画像４００上の残りのランドマークをインタラクティブに選択する。点４０８，４０４は、寛骨臼の側縁４０８（右側の臼蓋荷重面骨硬化像、Ｓｏｕｒｃｉｌ（Ｒ））及び投影された股関節中心４０４を示す。これらの２つの点によってなされる角度および患者の垂直軸４０６の投影（角度決定のための白線および他の点線）は、仮想再配向の前および後に、左下隅にそれぞれ約１５度および３０度であるように示される、横方向中心エッジ角を規定する。図４（ｂ）は、再配向されたＤＲＲ（右）にアーチファクトを含み、このアーチファクトは、寛骨臼のみがＰＡＯ処置において回転される場合であっても、大腿骨の一部を回転させるように見える。しかしながら、最も関連性のあるＸ線測定基準は、寛骨臼のランドマークのみを使用して作成され、従って、このアーチファクトによる影響を受けない。縦軸および股関節中心は、両方の画像において同じである。股関節中心および患者の垂直軸は、ＣＴデータに対して定義され、シミュレートされたＸ線画像上に投影されても良い。寛骨臼の外側縁部は、シミュレートされたＸ線画像上で、ユーザによって手動でマーキングしても良い。しかしながら、シミュレートされたＸ線画像上の全てのランドマークをマーキングすることも可能である。左上隅には、ＤＲＲ、側縁角度、前中央縁角度、およびトンニス角度（Ｔｏｎｎｉｓ Ａｎｇｌｅ）を含む、様々なビュー及び／又は機能を選択するためのタブ４２０が設けられる。様々なラベル４２２（例えば、ファイル名）を表示することができる。
推定された再配向に基づきシミュレートされたＸ線画像を生成し、シミュレートされたＸ線画像内の放射線写真パラメータを手動で測定する動作は、所望の結果が達成されるまで繰り返すことができる。
ユーザは関心領域に適用される回転を反復的に再選択し、許容可能な結果が達成されるまで、結果として生成されるＤＲＲを再測定する。図５は、所望の結果を達成するための計画された回転の反復最適化を示す、動作５００のフローチャートである。所望の回転の推定はプロセスの開始点を提供し、サイクルは、許容可能な結果が達成されるまで、計画された回転まで反復的に繰り返される。画像を位置合わせし、関心領域を定義することは、繰り返される必要はない。フローチャートは、図１〜図４を参照して上述した計画に関する動作を実行し、上述したように様々な画像を提示し、入力を受信し、計画に関する関連データを定義するように構成された、コンピューティングデバイスのＧＵＩ又は他のインターフェースとのユーザ・インタラクションを示す。コンピューティングデバイスの（その他の）様々な動作は図５には示されていないが、理解されるであろう。５０２において、初期回転を選択するための入力が受信される。入力を受信するためにインターフェースが提示されることが理解されるであろう。５０４において、回転が適用される。５０６において、回転後にＤＲＲがシミュレートされる。パラメータは５０８で測定される。許容可能な結果が達成された場合（５１０の決定点）、５１２へのＹｅｓ分岐を介して、計画は完了する。そわなければ、５１４へのＮｏ分岐を介して、新しい回転が選択され、動作５０４〜５１０が繰り返される。
上述においては、ＰＡＯ（Peri-acetabular osteotomy、寛骨臼周囲骨切り術）手順を計画する際にユーザを支援するために、修正されたＣＴ画像およびＤＲＲの使用を示しているが、範囲は以下によって拡張されても良い：
・ＣＴ修飾とＤＲＲとの組み合わせは、関心のある構造が骨、または金属および／またはセラミックインプラント等のその周囲が放射線不透過性である場合における、任意の再配向手順に適用することができる。このソリューションが適用され得る手順の選択は、以下の表１に記載される。
・同じモデルの、新しいインプラントで置換されるインプラントのような、除去され置換される構造の最終位置のシミュレーションは、元のインプラントの再配向としてシミュレートされ得る。従って、この技法を使用することで、ある構造を、同じ構造で再配向したバージョンに置き換える手順も計画することができる。
・ＭＲＩ画像からのＤＲＲの生成に関する研究が発表されており、このソリューションはＣＴ以外の３Ｄ画像の様式を、その様式のための適切な推定技法と組み合わせた場合に、その３Ｄ画像の様式を用いて計画するときにも使用することができることを示唆している。（Ｒａｍｓｅｙ ｅｔ ａｌ， Ｃｌｉｎｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌｌｙ−ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｆｏｒ ｉｎｔｒａｃｒａｎｉａｌ ｌｅｓｉｏｎｓ， Ｉｎｔ'ｔ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｏｎｃｏｌｏｇｙ， Ｖｏｌ． ４５， Ｉｓｓ． ３， ｐｐ．７９７−８０２）
・回転のみではなく、再配向される構造を、同時に回転と平行移動とを行うシミュレーションを実行できる。また、平行移動のみを実行できる。
・図５における再配向を最適化する反復動作の部分は、計画プロセスをさらに合理化するために完全に自動化されても良い。ステップ１，４，５，６は上述のワークフローにおける入力（例えば、ユーザ入力）に応答してコンピュータによって実行されるが、ソフトウェアを使用してこれらのステップのいくつか又はすべてをさらに自動化することが可能である。さらに、これらのステップのいずれも、他のステップが完全に自動的に実行されるか、ユーザ入力に応答して実行されるかにかかわらず、独立して自動化することができる。
表１：関心のある構造が放射線不透過性である場合の提案された再配向手順
ＰＡＯ計画
以下の競合ソリューションで論じられる、骨盤のセグメンテーションを使用するＰＡＯ計画技術に加えて、骨の表面全体ではなく寛骨臼縁のみのセグメンテーションを使用する計画に関する研究が発表されている（Ｌｉｕ Ｌ．， Ｅｃｋｅｒ Ｔ．， Ｓｃｈｕｍａｎｎ Ｓ．， Ｓｉｅｂｅｎｒｏｃｋ Ｋ．， Ｎｏｌｔｅ Ｌ．， Ｚｈｅｎｇ Ｇ． （２０１４） Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｅｒｉａｃｅｔａｂｕｌａｒ Ｏｓｔｅｏｔｏｍｙ ｗｉｔｈ Ｒａｎｇｅ ｏｆ Ｍｏｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ。Ｇｏｌｌａｎｄ Ｐ．， Ｈａｔａ Ｎ．， Ｂａｒｉｌｌｏｔ Ｃ．， Ｈｏｒｎｅｇｇｅｒ Ｊ．， Ｈｏｗｅ Ｒ． （ｅｄｓ） Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｍａｇｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎ - ＭＩＣＣＡＩ ２０１４． ＭＩＣＣＡＩ ２０１４． Ｌｅｃｔｕｒｅ Ｎｏｔｅｓ ｉｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ｖｏｌ ８６７４． Ｓｐｒｉｎｇｅｒ， Ｃｈａｍ）。寛骨臼リムは、寛骨臼の表面上の特定の移行領域を描写する。従って、寛骨臼は寛骨臼の部分的な境界を表し、類似性は、定義するためにかなりのコスト及び複雑さを要する。本明細書で提案される再配向技法は、この計画シナリオでも使用することができる。
更にセグメント化に基づく技術の多くにおいて、骨盤切断が股関節を中心とする球体を使用してモデル化されることで、骨盤に対して大雑把に定義された領域の使用が、再配向されるべき断片をモデル化するために以前に使用されていたことを示唆している（Ａｌｂｅｒｓ ｅｔ ａｌ， Ｐｒｅｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｆｏｒ ｒｅｄｉｒｅｃｔｉｖｅ， ｐｅｒｉａｃｅｔａｂｕｌａｒ ｏｓｔｅｏｔｏｍｉｅｓ， Ｊ． Ｈｉｐ Ｐｒｅｓｅｒｖ Ｓｕｒｇ．， ２０１７ Ｄｅｃ． ４（４）： ２７８−２８８）。しかしながら、これらのアプローチは３Ｄ画像データではなく骨盤の境界を切り取るために、大雑把に定義された領域を使用する。
デジタル再構成ラジオグラフ（ＤＲＲ）
ＤＲＲは十分に確立されたシミュレーション技術であり、治療計画のため、及び患者の位置決めを検証するために、外部ビーム放射線療法に最も頻繁に適用される。患者位置決めにおけるＤＲＲの使用は、外部ビーム放射線療法治療のための放射線療法に使用される画像化技術「ビームズアイビュー（Ｂｅａｍ’ｓ ｅｙｅ ｖｉｅｗ）」の再構成と呼ばれることがある。
放射線治療をシミュレートするためのＤＲＲの生成に加えて、ＤＲＲは、ＣＴ画像へのＸ線画像の位置合わせにも適用されてきた。ＣＴからＤＲＲを生成するためのオープンソースソフトウェアが公開され（ｈｔｔｐ：／／ｐｌａｓｔｉｍａｔｃｈ．ｏｒｇ／ｐｌａｓｔｉｍａｔｃｈ．ｈｔｍｌで入手可能）、本発明者らのソリューションの具体化に使用された。
３Ｄ医用画像の操作
医用画像データを切り取り、空間的に変換し、又は他の方法で修正するためのソフトウェアは例えば、自由に利用可能なオープンソースプロジェクトの一部として、十分に説明され、広く配布されている。（３ＤスライサーがＢｒｉｇｈａｍ ａｎｄ Ｗｏｍｅｎ'ｓ Ｈｏｓｐｉｔａｌ， Ｉｎｃ． ａｔ ｓｌｉｃｅｒ．ｏｒｇより入手可能。）
競合ソリューション
上述のように、股関節のための市販の整形外科手術前計画ソリューションは一般に、ＣＴ又はＭＲＩデータから生成された、骨盤の３Ｄ表面モデル又は骨盤のサブ領域に基づくコンピュータ支援計画およびシミュレーションを提供する。これらの表面モデルは以前に分析された患者からの形状情報（例えば、統計的形状モデル）を組み込むセグメンテーション又はモデルベースの技術のいずれかから生成される。股関節手術の術前計画のための市販のソリューションの例には、Ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｇｒａｐｈｉｃｓ（Ｚｉｍｍｅｒ Ｂｉｏｍｅｔ， Ｄｅｌｆｔ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ ａｎｄ ａｔ ｃｌｉｎｉｃａｌｇｒａｐｈｉｃｓ．ｃｏｍ）及びＣｏｒｉｎ ＯＰＳ（登録商標、Ｃｏｒｉｎ， Ｃｉｒｅｎｃｅｓｔｅｒ Ｇｌｏｕｃｅｓｔｅｒｓｈｉｒｅ， ＵＫ、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｃｏｒｉｎｇｒｏｕｐ．ｃｏｍ／ｕｋ／ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ／ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ−ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ−ｓｙｓｔｅｍ−ｏｐｓ／）が含まれる。同様の手法は、学術研究においても記載されている（Ｍａｙｍａｎ ｅｔ ａｌ， Ｔｈｅ Ｋｉｎｇｓｔｏｎ Ｐｅｒｉａｃｅｔａｂｕｌａｒ Ｏｓｔｅｏｔｏｍｙ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ： Ａ Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ， Ｊ． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｓｕｒｇｅｒｙ， ２００２ Ｖｏｌ． ７， Ｉｓｓ． ３ ｐｐ． １７９−１８６）。
少なくとも１つの市販の整形外科計画プロダクト、ＴｒａｕｍａＣａｄ（登録商標、Ｂｒａｉｎｌａｂ， Ｍｕｎｉｃｈ， Ｇｅｒｍａｎｙ／ｔｒａｕｍａｃａｄ．ｃｏｍ）は、ＣＴ画像ではなくＸ線画像に基づいている。計画において、ＴｒａｕｍａＣａｄは、ユーザがＸ線画像の一部を再配向することによって、選択されたインプラントから生じる解剖学的構造の再配向をシミュレートできる。例えば、大腿骨を含むＸ線画像の一部は長くなった脚をシミュレートするために、患者の足に向かって下方に平行移動させることができる。これは、術前計画プロセスの一部として医用画像の一部に空間変換を適用する点で、提案されたソリューションに類似している。しかし、以下の点で提案されたソリューションとは異なる；
１）医用画像データの修正が視覚化の目的のみのために使用され、解剖学的測定に寄与しない、
２）空間変換が適用された後、修正された医用画像のその後の合成またはシミュレーション（例えば、ＤＲＲ）はなく、
３）変換は、３Ｄではなく、２Ｄのみにおける平行移動または回転に限定される。
コンピュータの実装
本明細書のソリューションは、コンピュータ方法、コンピューティングデバイス、コンピュータプログラム製品、またはその他の構成（ｏｔｈｅｒ ｐａｔｅｎｔ ｅｌｉｇｉｂｌｅ ｓｕｂｊｅｃｔ ｍａｔｔｅｒ）として実装され得る。一例では、処理ユニットと、それに結合された記憶ユニットとを備えるコンピューティングデバイスが提供される。記憶ユニットは処理ユニットによって実行されたときにコンピューティングデバイスの動作を構成する命令（例えば、ソフトウェアコンポーネント）を記憶する。コンピューティングデバイスは、以下を含む方法を実行するように構成されても良い：
ａ）解剖学的構造を含む医用画像の第１のボリュメトリックデータセットにアクセス；
ｂ）再配向される解剖学的構造のボリュメトリック領域を決定；
ｃ）解剖学的構造の第１のパラメータ（例えば最初の横方向中心エッジ角）を計算；
ｄ）第１のボリュメトリックデータセットに対するボリュメトリック領域の位置変化を表す入力を受信；
ｅ）第１のボリュメトリックデータセットとボリュメトリック領域とへの位置変化に対する第２のボリュメトリックデータセットを生成；
ｆ）第２のボリュメトリックデータセットからデジタル再構成ラジオグラフ（ＤＲＲ）を含む変更画像を生成；
ｇ）変更画像をディスプレイに提供。
記憶ユニットは、様々なタイプのメモリ、様々なタイプのディスクなどの不揮発性の（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）ハードウェア及び／又はファームウェア構成要素とすることができる。
一例では、コンピューティングデバイスがウェブサーバなどのサーバとすることができる。ブラウザベースのパラダイムを使用することができる。他のパラダイムが使用されても良い。図６は、データストア６９６を有するウェブサーバ６９４とネットワーク６９２を介して通信するクライアントコンピューティングデバイス６９０を備える例示的なコンピュータネットワークシステム６００を示す。
クライアントコンピューティングデバイス６９０は、プロセッサ６０２、入力デバイス６０４、ディスプレイデバイス６０６、通信ユニット６０８、及び出力デバイス６１０を備える。また、記憶ユニット６１２も設けられている。記憶ユニット６１２は、ブラウザ６１４、（ブラウザ６１４のための）再配向モジュール６１６、通信モジュール６１８、及びオペレーティングシステム６２０を含む様々なソフトウェアモジュール／コンポーネントを記憶する。クライアントコンピューティングデバイス６９０のコンポーネントは、様々なバス又は他の内部通信コンポーネント６２２を介して接続される。
サーバ６９４は、プロセッサ６５２と、入力デバイス６５４と、ディスプレイデバイス６５６（任意）と、通信ユニット６５８と、出力デバイス６６０とを備える。また、記憶ユニット６６２も設けられている。記憶ユニット６６２は、ウェブサーバコンポーネント６６４、再配向モジュール６６６（再配向モジュール６１６のためのサーバ側コンポーネント）、通信モジュール６６８、及びオペレーティングシステム６７０を含む様々なソフトウェア・モジュール／コンポーネントを記憶する。サーバコンピューティングデバイス６９４のコンポーネントは、様々なバス又は他の内部通信コンポーネント６７２を介して接続される。コンピュータネットワークシステム６００及びコンピューティングデバイス６９０及び６９４は、（その他の構成が）単純化されていることは明らかである。
データストア６９６は、クライアントコンピューティングデバイス６９０のブラウザに提供される、ブラウザベースのアプリケーションコンポーネント（例えば、再配向モジュール６１６）、ならびにクライアントコンピューティングデバイス６９０から受信した入力によって呼び出される、サーバ側コンポーネント（再配向モジュール６６６）を格納することができる。データストア６９６は、患者の解剖学的構造のＣＴ画像または他のボリュメトリックデータを記憶することができる。再配向モジュール６１６は、術前計画、ＣＴ画像又は他のボリュメトリックデータの再配向、および上述のようなシミュレートされたＸ線画像の表示を実行するために、ユーザインタフェース（例えば、音声機能を有する又は有さないグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ））によってクライアントコンピューティングデバイス６９０に構成することができる。サーバコンピューティングデバイス６９４上の再配向モジュール６６６は、ボリュメトリックデータに対して高負荷処理を実行し、クライアントコンピューティングデバイスから受信された位置変化データに応答して新しいボリュメトリックデータを決定し、位置変化を示すシミュレートされたＸ線画像（ＤＲＲからの変更画像）を準備し、提供する。
再配向モジュール６１６のＧＵＩは、ディスプレイ上の画像に対する、ジェスチャによる位置をマーキングすること、及び／又は軸を描くこと等のグラフィカルな入力を受信するように構成される。ディスプレイデバイス６０６は、タッチスクリーン（又は同様の）入力インターフェースであっても良い。クライアントコンピューティングデバイス６９０は、ラップトップ・デバイスが例示されているが、他の形態も考えられる。別の例示的なパラダイムでは、クライアント／サーバパラダイムではなく、単一のデバイスで構成することができる。ＣＴ画像および他のデータ及び動作は、単一のデバイス上で実行され得る。ＣＴ像および他のデータはサーバコンピューティングデバイスが単純化されたデータサーバであり得るように、単一のデバイスによってリモートに格納され、アクセスされ得る。しかし、クライアント／サーバ実装は、ブラウザベースのアプリケーションではなく、クライアントコンピューティングデバイス６９０上のネイティブアプリケーションを使用して構成されても良い。
コンピューティングデバイスの態様に加えて、本明細書に格納された方法の態様のいずれかを実行するようにコンピューティングデバイスを構成するために、命令が不揮発性の記憶デバイス（例えば、メモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ディスクなど）に格納される、コンピュータプログラム製品の態様が開示されることを、当業者は理解するのであろう。
実際の実施は、本明細書に記載された特徴のいずれか又は全てを含むことができる。これら及び他の態様、特徴、ならびに様々な組み合わせは、本明細書で説明される特徴を組み合わせる、機能、プログラムプロダクトを実行するための方法、機器、システム、手段として、及び他の方法で表現され得る。多数の実施形態が記載されている。それにもかかわらず、本明細書で説明されるプロセス及び技術的思想の範囲から逸脱することなく、様々な修正を行うことができることが理解されるのであろう。加えて、記載されたプロセスから、他のステップが提供されても良く、又はステップが排除されても良く、記載されたシステムに他の構成要素が追加されても良く、又は記載されたシステムから他の構成要素が除去されても良い。従って、他の態様は特許請求の範囲における範囲内にある。
本明細書の説明および特許請求の範囲全体にわたって、「備える」および「含む」という語およびそれらの変形は「含むがこれに限定されない」ことを意味し、他の構成要素、整数またはステップを排除することを意図しない（及び排除しない）。
本発明の特定の局面、実施形態または例に関連して記載される特徴、整数特性、化合物、化学部分または基はそれらと適合しない限り、任意の他の局面、実施形態または例に適用可能であると理解されるべきである。本明細書に開示される特徴（任意の添付の特許請求の範囲、要約書、および図面を含む）のすべて、及び／又はそのように開示される任意の方法またはプロセスのステップのすべては、そのような特徴および／またはステップの少なくともいくつかが相互に排他的である組合せを除いて、任意の組合せで組み合わせることができる。本発明は、前述の例または実施形態の詳細に限定されない。本発明は、本明細書（任意の添付の特許請求の範囲、要約書、および図面を含む）に開示された特徴の任意の新規な１つ、又は任意の新規な組み合わせ、又は開示された任意の方法またはプロセスのステップの任意の新規な１つ、又は任意の新規な組み合わせに及ぶ。
６９０ クライアントコンピューティングデバイス（コンピューティングデバイス）
６９４ ウェブサーバ（サーバ）
６６２ 記憶ユニット

Claims (22)

  1. コンピューティングデバイスの処理ユニットによって、コンピュータで実行される方法であって、
    解剖学的構造を含む医用画像の第１のボリュメトリックデータセットにアクセスするステップと、
    再配向される解剖学的構造の前記第１のボリュメトリックデータセットに対するボリュメトリック領域を決定するステップと、
    前記解剖学的構造のパラメータの第１の測定値を計算するステップと、
    前記第１のボリュメトリックデータセットに対する前記ボリュメトリック領域の位置変化を受け取るステップと、
    前記第１のボリュメトリックデータセットと前記ボリュメトリック領域とに対する前記位置変化に対応する第２のボリュメトリックデータセットを生成するステップと、
    その第２のボリュメトリックデータセットからデジタル再構成ラジオグラフ（ＤＲＲ）を含む変更画像を生成するステップと、
    その変更画像をディスプレイに提供するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 前記ボリュメトリック領域を決定するステップは、前記ボリュメトリックデータセットの少なくとも１つのスライスビュー上に表示される解剖学的特徴を定義するユーザ入力を受信することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 前記ボリュメトリック領域に対する前記位置変化に関係なく、前記第１のボリュメトリックデータセットからＤＲＲを含むベースライン画像を生成するステップと、
    そのベースライン画像をディスプレイに提供するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記第１の測定値は、前記ベースライン画像上の解剖学的ランドマークを定義するユーザ入力に基づいて計算されることを特徴とする請求項３記載の方法。
  5. 前記第１の測定値は、前記第１のボリュメトリックデータセットに対する解剖学的ランドマークを定義するユーザ入力に基づいて計算されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
  6. 前記第１の測定値を計算するステップは、複数のパラメータによる前記第１の測定値を計算することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の方法。
  7. 前記第１の測定値を計算するステップは、ｉ）横方向中心エッジ角（ＬＣＥＡ）、ｉｉ）前方中心エッジ角（ＡＣＥＡ）、及びｉｉｉ）ＬＣＥＡ及びＡＣＥＡの両方、のうちの１つを計算することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
  8. 前記ボリュメトリック領域の前記位置変化が、寛骨臼の所望の前傾および／または傾斜角、所望のＬＣＥＡおよび／またはＡＣＥＡ、所望の股関節回転中心位置、及びユーザ操作から決定された値であって、ボリュメトリックデータセットの少なくとも１つのスライスビューの中から、表示された少なくとも１つのスライスビューにおいて、コンピュータ入力装置を使用して取得されたボリュメトリック領域のユーザインタフェースを介して受信した値、のうちの１つであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の方法。
  9. 前記第２のボリュメトリックデータセットにおける前記解剖学的構造の１つ以上のパラメータの第２の測定値を決定するステップを含むことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の方法。
  10. １又は複数のパラメータによる前記第２の測定値が、第２のボリュメトリックデータセットのＤＲＲと、前記ボリュメトリック領域の位置変化に応答する第１のボリュメトリックデータセットのＤＲＲとのいずれかによる、解剖学的ランドマークを定義するユーザ入力に基づいていることを特徴とする請求項９記載の方法。
  11. 前記１又は複数のパラメータによる前記第２の測定値を、前記１又は複数のパラメータのそれぞれの所望の値に対して最適化するために、前記位置変化を決定するステップを含むことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の方法。
  12. 前記位置変化を決定するステップは、
    反復アルゴリズムを介して自動的に位置変化を決定するステップと、
    ユーザ入力を受信し、１又は複数のパラメータの更新された測定値を提示することで、反復プロセスをガイドするステップとを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. レジストレーション座標フレームにおける前記位置変化に対応するナビゲーションターゲットパラメータを生成するステップを含むことを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の方法。
  14. 前記ナビゲーションターゲットパラメータを手術ナビゲーションシステムに送信するステップを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
  15. 前記ナビゲーションターゲットパラメータは、股関節の傾斜角および前傾角であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の方法。
  16. 前記コンピューティングデバイスが、サーバを含むことを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載の方法。
  17. 前記ボリュメトリック領域への前記位置変化を表す入力は、前記サーバにおいてクライアントコンピューティングデバイスから受信されることを特徴とする請求項１６記載の方法。
  18. 前記第２のボリュメトリックデータセットからのＤＲＲは、前記位置変化が受信される前記ボリュメトリック領域に対応する領域のみにおいて、前記第１のボリュメトリックデータセットからのＤＲＲを更新することによって決定されることを特徴とする請求項１から１７のいずれかに記載の方法。
  19. 第２または後続の位置変更を定義する第２または後続の入力を受け取るステップを含み、
    そのステップは、
    ａ）第２の前記位置変化または後続の位置変化に応答して前記第２のボリュメトリックデータセットを更新するステップと、ｂ）第２の前記位置変化または後続の前記位置変化に応答して更なるボリュメトリックデータセットを生成するステップとの、いずれかを実行するステップと、
    更新された前記第２のボリュメトリックデータセット及び更なるボリュメトリックデータセットのうちの１つから、デジタル再構成ラジオグラフ（ＤＲＲ）を含む更新された変更画像を生成するステップと、
    その更新された変更画像を提供するステップと、
    を含み、それによって解剖学的構造の再配向を反復的に実行することを特徴とする請求項１から１８のいずれかに記載の方法。
  20. 前記解剖学的構造が、股関節を含むことを特徴とする請求項１から１９のいずれかに記載の方法。
  21. 処理ユニットと、
    それに結合された記憶ユニットとを備えるコンピューティングデバイスであって、
    記憶ユニットは、処理ユニットによって実行されると、請求項１から２０のいずれかに記載の方法を実行するようにコンピューティングデバイスを構成する命令を記憶することを特徴とするコンピューティングデバイス。
  22. コンピューティングデバイスの処理ユニットによって実行されると、請求項１から２０のいずれかに記載の方法を実行するようにコンピューティングデバイスを構成する命令を格納する不揮発性の記憶ユニットを備えるコンピューティングプログラム製品。
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