JP2023184647A - 全身筋骨格モデル及び姿勢最適化に基づく術後の全体的な矢状面アライメントの予測 - Google Patents

Abstract

【課題】対象における脊椎の病変又は脊椎変形矯正の手術計画及び評価のためのシステムを提供する。【解決手段】システムは、生体力学的モデルの１つ又は複数の椎体をＸ線写真の１つ又は複数の椎体に整列させるように構成された制御ユニットを有する。制御ユニットは、１つ又は複数の脊椎矯正入力を受信するように構成される。制御ユニットは、受信された１つ又は複数の脊椎矯正入力に基づいて、所定の姿勢で生体力学的モデルをシミュレートするように構成される。制御ユニットは、シミュレートされた生体力学的モデルの１つ又は複数の特性の表示を提供するように構成される。【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１９年１月１４日に出願された米国仮特許出願第62/792,349号の利益及び優先権を主張し、その全開示は、参照により本明細書に明示的に組み込まれる。

本開示は、生体力学的（biomechanical）モデルのシミュレーションに基づく術後の矢状面アライメント（post-operative sagittal alignment）の予測を記載する。

直立した体の姿勢及び水平注視を維持する能力は、適切な立位バランスと正常な脊椎－骨盤（spino-pelvic）矢状面アライメントを必要とする。アライメント不良と低下した健康関連の生活の質との間の関係がいくつかの研究で実証されており、脊椎手術を計画する際に矢状面のバランスを考慮することの重要性が強調されている。これは、局所的なアライメント不良であっても、最適な全体的バランスを歪ませ、痛みや障害につながる可能性があるので、変形だけでなく変性の場合にも当てはまる。

一実施形態では、対象（subject）における脊椎の病変（spinal pathology）又は脊椎変形矯正の手術計画及び評価のためのシステムは、制御ユニット、入力装置及び表示装置を含む。制御ユニットは、生体力学的モデルの１つ又は複数の椎体を、Ｘ線写真（radiograph）の１つ又は複数の椎体に整列させる（align）ように構成される。制御ユニットはまた、１つ又は複数の脊椎矯正（spinal correction）入力を受信するように構成される。制御ユニットはまた、受信された１つ又は複数の脊椎矯正入力に基づいて、所定の姿勢で生体力学的モデルをシミュレートするように構成される。制御ユニットはまた、シミュレートされた生体力学的モデルの１つ又は複数の特性（characteristics）の表示を提供するように構成される。

別の実施形態では、対象における脊椎変形矯正の手術計画及び評価のための方法は、生体力学的モデルの１つ又は複数の椎体を、Ｘ線写真の１つ又は複数の椎体に整列させることを含む。本方法はまた、１つ又は複数の脊椎矯正入力を受信することを含む。本方法はまた、受信された１つ又は複数の脊椎矯正入力に基づいて、所定の姿勢で生体力学的モデルをシミュレートすることを含む。本方法はまた、シミュレートされた生体力学的モデルの１つ又は複数の特性を表示することを含む。

本発明の多くの利点は、添付の図面と共に本明細書を読むことにより当業者には明らかになるであろう。ここで、同様の参照番号は、同様の要素に適用され。

本開示の一実施形態による、手術処置を実施するための例示的システムを示す。

本開示の一実施形態による、生体力学的モデルの例示的な図を示す。

本開示の一実施形態による、２つの椎体の例示的な図を示す。

本開示の一実施形態による、２つの椎体の別の例示的な図を示す。

本開示の一実施形態による、２つの椎体及びインプラントの例示的な図を示す。

本開示の一実施形態による例示的なワークフローを示す。

本開示の一実施形態による、例示的なフロー図を示す。

本開示の一実施形態による、例示的なコンピュータ可読媒体を示す。

本発明の例示的な実施形態を以下に記載する。明確にするために、実際の実装のすべての特徴がこの明細書に記述されているわけではない。当然のことながら、このような実際の実施形態の開発においては、システム関連及びビジネス関連の制約への準拠など、開発者の特定の目標をアクティブにするために、実装ごとに異なる実装特有の多数の決定が行われなければならない。さらに、そのような開発努力は、複雑であり、時間がかかるが、それにもかかわらず、本開示の利益を有する当業者のための日常的な取り組みであることが認められる。さらに、本発明のシステム及び方法は、主として脊椎手術の文脈の中で以下に議論されるが、全身にわたる任意の数の異なる外科的標的部位へのアクセスを提供するために、任意の数の解剖学的設定において使用され得ることは、容易に理解されるべきである。

図面を参照すると、図１は、手術処置（surgical procedure）を実施するための例示的なシステム１００の図である。例示的なシステム１００は、Ｃアームイメージングデバイス１０３を支持するベースユニット１０２を含む。Ｃアーム１０３は、患者Ｐの下に配置され、放射線ビームを受信機１０５に向けて上方に向ける放射線源１０４を含む。Ｃアーム１０３の受信機１０５は、画像データを制御ユニット１２２に送信する。制御ユニット１２２は、トラッキング装置１３０と通信して、手術処置の間に使用される様々な器具（例えば、器具Ｔ）の位置及び向き情報を得ることができる。

ベースユニット１０２は、制御パネル１１０を含み、これを通して、ユーザは、Ｃアーム１０３の位置及び放射線曝露を制御することができる。従って、制御パネル１１０は、放射線技師が外科医の指示で手術部位の画像を取得し、放射線量を制御し、放射線パルス画像を開始することを可能にする。

Ｃアーム１０３は、手術部位の異なるビューイング角度（viewing angles）のために、患者Ｐに平行な軸周りに回転され得る。場合によっては、インプラント又は器具Ｔが手術部位に位置していることがあり、そのため、その部位を妨げずに見るためにビューイング角度を変化させる必要がある。従って、患者Ｐに対する、より具体的には、関心のある手術部位に対する受信機の位置は、外科医又は放射線科医によって必要とされる処置の間に変化し得る。従って、受信機１０５は、トラッキング装置１３０を用いてＣアーム１０３の位置のトラッキングを可能にする、そこに取り付けられたトラッキングターゲット（tracking target）１０６を含み得る。単なる例として、トラッキングターゲット１０６は、ターゲットの周囲に間隔を置かれた複数の赤外線（ＩＲ）反射器又はエミッタを含み得、一方、トラッキング装置１３０は、トラッキングターゲット１０６によって反射又は放射されたＩＲ信号から受信機１０５の位置を三角測量するように構成される。

制御ユニット１２２は、それに関連付けられたデジタルメモリと、デジタル及びソフトウェア命令を実行するためのプロセッサとを含むことができる。また、制御ユニット１２２は、表示装置１２６上の表示（displays）１２３及び１２４として投影するためのデジタル画像を生成するためにフレームグラバー（frame grabber）技術を使用するフレームグラバーを組み込み得る。表示１２３及び１２４は、処置中に外科医が対話的に見るために配置される。２つの表示１２３及び１２４は、横方向及び前後方向（Ａ／Ｐ）のような２つのビュー（views）からの画像を示すために使用され得る、又は、手術部位のベースラインスキャン及び現在のスキャン、若しくは現在のスキャン及び以前のベースラインスキャンと低放射線の現在のスキャンとに基づく「マージされた」スキャンを示し得る。キーボード又はタッチスクリーンのような入力装置１２５は、外科医が画面上の画像を選択及び操作することを可能にする。入力装置は、制御ユニット１２２によって実装される種々のタスク及び特徴に対応するキー又はタッチスクリーンアイコンのアレイを組み込み得ることが理解される。制御ユニット１２２は、受信機１０５から得られた画像データをデジタルフォーマットに変換するプロセッサを含む。一例では、制御ユニット１２２は、対象からのＸ線データ、コンピュータ断層撮影イメージングデータ、磁気共鳴イメージングデータ、又は２平面Ｘ線データを受信するように構成される。場合によっては、Ｃアーム１０３は、シネマティック露出モード（cinematic exposure mode）で動作し、毎秒多数の画像を生成し得る。これらの場合には、複数の画像を短時間にわたって１つの画像に平均化して、モーションアーチファクト及びノイズを低減することができる。

一例では、制御ユニット１２２は、対象の１つ又は複数の椎体のデジタル化された位置を決定するように構成される。椎体は、例えば、頚椎、胸椎、腰椎、仙骨、又は尾骨であり得る。一例では、制御ユニット１２２は、それぞれ１つ又は複数の椎体に対する任意の数の位置に対応する１つ又は複数のデジタル化された位置を、受信し、収集し、及び／又は決定するように構成されたソフトウェアを含む。別の例では、制御ユニット１２２は、対象のＸ線画像、コンピュータ断層撮影画像、磁気共鳴イメージング画像、又は２平面Ｘ線画像を含むが、これらに限定されない、椎体を十分に詳細に描写する対象の任意のデータソースからのデジタル化された位置を収集し得る。一例では、制御ユニット１２２は、それによって制御ユニット１２２が、対象のＸ線画像、コンピュータ断層画像、磁気共鳴イメージング画像、２平面Ｘ線画像などの提供されたデータをデジタル化する画像認識ソフトウェアを含み得、制御ユニット１２２は、画像認識ソフトウェアからの出力に基づいてデジタル化された位置を選択し得る。画像認識ソフトウェアは、例として、画像を処理し、１つ又は複数の椎体のコーナーなどの位置を識別し、送信し得る。いくつかの実施形態では、この処理及び識別は自動的であるが、他の実施形態では、ユーザは、制御ユニット１２２がユーザからデジタル化された位置を受信するように、制御ユニット１２２に提供されたデータから位置を手動で選択又は検証する。さらに別の実施形態では、デジタル化された位置は、デジタルラジオグラフィシステムなどのデジタルイメージングコンポーネントからデジタル的に受信される。

トラッキング装置１３０は、手術処置において使用される種々の要素（例えば、赤外線反射器又はエミッタ）に関連する位置データを決定するためのセンサを含み得る。一例では、センサは、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）イメージセンサであり得る。別の例では、センサは、相補型金属酸化物半導体（ＣＯＭＳ）イメージセンサであり得る。また、記載される機能を達成するために、異なる数の他のイメージセンサが使用され得ることも想定される。

制御ユニット１２２は、手術室（operating room）内又は手術現場（surgical theatre）内の手術システムに関連して図１に示されているが、制御ユニット１２２は、入力装置１２５及び表示装置１２６を用いた手術計画のために図１に示されているシステムの残りのコンポーネントなしに、利用され得ることが考えられる。

図２は、全身の一般的な生体力学的モデル２００の例示の図である。生体力学的モデル２００は、１つ又は複数の剛体セグメント２１４、２１６、２１８、２２０、及び２２２に接続された筋肉２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２、及び２２４を含む。図示のように、生体力学的モデル２００は、立位姿勢である。別の例では、生体力学的モデル２００は、座位姿勢などの異なる所定の姿勢にある。所定の姿勢は、本明細書に記載されていない他の姿勢を含むことができることが想定される。

一例では、生体力学的モデル２００は、ヒト対象（human subject）の筋骨格モデルである。一例では、筋骨格モデルは、骨（例えば、剛体（rigid bodies））、関節（例えば、可動部（mobilizers）、拘束及び力）、接触要素（例えば、堅い拘束（rigid constraints）及びコンプライアント力（compliant forces））、並びに靭帯及び筋肉アクチュエータ（例えば、力）などのいくつかの要素を含む。一例では、筋骨格モデルの要素は、ユーザ定義機能（user-defined functions）に基づく。例えば、ユーザ定義機能は、２つの椎体間の最大角度などの拘束に関連付けられ得る。一例では、関節から伸びる筋肉は腱と靭帯を介して骨に接続される。例えば、筋肉は力と動きを生み出すことができる。別の例では、筋骨格モデルは、１つ又は複数の脊椎－骨盤パラメータ、靭帯パラメータ、筋肉パラメータ、及び関節運動学を含む。

一実施形態によれば、生体力学的モデル２００は、患者固有のパラメータを表すようにカスタマイズされる。例えば、体重及び身長、筋力、ならびに骨盤入射角（pelvic incidence angle）、仙骨傾斜角、及び骨盤傾斜のような脊椎－骨盤パラメータを含む患者に特有のパラメータを使用して、患者の脊椎（spine）の矢状湾曲（sagittal curvature）を決定する。別の例では、脊椎－骨盤パラメータは、腰椎前弯、胸椎後弯、及びＣ７プラムライン（C7 plumbline）の矢状面並進（sagittal translation）を含み得る。別の例では、脊椎－骨盤パラメータは、椎体の相対的位置及び角度を含み得る。一例では、靭帯パラメータは、近似されたたるみ長さ、及び力と長さの関係の係数を含み得る。

一例では、関節運動学は、筋骨格モデルの２つの連続するセグメント間の相対運動を含む。一例では、２つの連続するセグメント（例えば、剛体）の解析は、関与するリンクの相対運動を定義するためにスカラ量の知識を必要とする。例えば、スカラ量は、人間の解剖学的構造に関して３つの回転及び３つの並進に関して記述され得る。一例では、関節可動域を分析するために、関節運動学は、矢状面（すなわち、縦断面）、横断面（すなわち、軸平面又は水平面）、及び前頭面（すなわち、冠状面）などの１つ又は複数の平面における可動域の特性評価（characterization）を考慮し得る。

図３は、図２の一般的な生体力学的モデル２００に患者固有のパラメータを適用することから生成された２つの椎体３０２、３０４の患者固有の生体力学的モデルの例示的な図３００を示している。示されるように、２つの椎体３０２、３０４は、互いに対して所与の角度３０６及び互いから所与の距離３０８にある。

例示的な実施形態によれば、患者のＸ線写真が術前に撮影される。Ｘ線写真は、患者が立位姿勢の間に取られ得る。代替的には、Ｘ線写真は、患者が腹臥位や仰臥位など、立位以外の姿勢にある間に取られ得る。手術計画中、Ｘ線写真は、制御ユニットに送信され、制御ユニットは、生体力学的モデル２００に示される１つ又は複数の椎体を、患者の術前Ｘ線写真の１つ又は複数の椎体に整列させる（位置合わせする）（align）ように構成され、患者固有の生体力学的モデル２００を作成する。一例では、１つ又は複数の椎体のアライメントは、患者固有の脊椎－骨盤矢状面アライメント、椎体の形態計測、体重及び身長、ならびに筋力（例えば、最大許容作用力（maximum allowed active force））を表すように生体力学的モデル２００を修正することを含み得る。追加の患者固有のパラメータの術前のＸ線写真及び入力に基づいて、患者固有のモデル２００に示される個々の椎骨が、例えば、図４に示すように、矢状面における脊柱の湾曲を反映するようにモーフィングされ（morphed）得る。

更に別の例によれば、患者のＸ線写真は、図１に示されるシステムのようなシステムを用いて手術中に撮影され得る。この例示的な実施形態によれば、制御ユニット１２２は、Ｃアームなどのイメージングシステムと通信し、手術直前又は手術中にイメージングシステムによって取得された対象のＸ線写真を受信する。術中イメージングは、患者固有の生体力学的モデル２００を作成するため、又は術前に作成された既存の患者固有の生体力学的モデル２００を更新するために使用され得る。

図４は、患者の術前Ｘ線写真の対応する椎体に従ってモーフィングされた図３の一般的な生体力学的モデル２００から生成された、患者固有の生体力学的モデル２００によって表される２つの椎体３０２、３０４の例示的な図４００を示す。図４に示すように、実際の患者の２つの椎体３０２、３０４の間の所与の角度４０６は、図３に示す一般的な生体力学的モデル２００の２つの椎体３０２、３０４の間の所与の角度３０６よりも小さい。さらに、図４の実際の患者の２つの椎体３０２、３０４の間の所与の距離４０８は、図３の一般的な生体力学的モデル２００の２つの椎体３０２、３０４の間の所与の高さ３０８よりも小さい。一例では、実際の患者の椎体間の高さの不一致または角度の不一致と、一般的な生体力学的モデル２００によって表されるより典型的な脊椎の不一致は、脊椎症などの病状の結果である可能性がある。

一例では、制御ユニット１２２は、シミュレートされた外科的矯正が術後の患者の姿勢にどのように影響するかを予測又は決定するように構成され得る。図５は、２つの椎体３０２、３０４の間に配置されたインプラント５１０を有する２つの椎体３０２、３０４を示す、患者固有の生体力学的モデル２００の例示的な図５００を示す。図５に示すように、インプラント５１０の挿入時に、椎体３０２、３０４の間の所与の角度５０６は、インプラント５１０の挿入前の椎体３０２、３０４の間の所与の角度４０６（図４）よりも大きい。さらに、２つの椎体３０２、３０４の間の所与の距離５０８は、インプラント５１０の挿入前の２つの椎体３０２、３０４の間の所与の距離４０８よりも大きい。例示的な実施形態は、外科的矯正として椎間インプラントを用いて説明されるが、他のタイプのインプラント及び／又は患者の脊椎の改変（骨の全部又は一部の除去を含む）又は操作を用いた他の外科的矯正もまた、生体力学的モデルを用いてシミュレートされ得ることが企図される。

例えば、図５に示されるように、２つの椎体３０２、３０４への受信された１つ又は複数の脊椎矯正入力（例えば、インプラント５１０の挿入をシミュレートする）に基づいて、制御ユニット１２２は、生体力学的モデル２００を所定の姿勢でシミュレートするように構成される。一例では、堅い拘束が、融合した又は固定されたセグメント（例えば、椎体３０２、３０４の間に埋め込まれたインプラント５１０を伴う椎体３０２、３０４）に適用され、これは、所与の平面内での動きは許されないが、完全な力及びモーメントの伝達を可能にする。

一例では、制御ユニット１２２は、外科的矯正入力を考慮に入れて、患者の予測される全体的な（global）姿勢をシミュレートするように構成される。例として、立っている体の姿勢（standing body posture）は、足首関節上の体の重心の水平位置を制御することによってモデル化される。この例では、頭蓋骨の全体的な回転は水平注視をモデル化するために制限される。膝屈曲、骨盤傾斜、腰椎及び胸椎の補正角度は、姿勢最適化中に変化し得る。一例では、腰部及び胸部の湾曲に対する変化は、相対的セグメント移動度（relative segmental mobility）の比を用いて個々のセグメント間で分布される。

逆ダイナミクス（Inverse dynamics）とは、所与の機械システムのニュートンの運動方程式を逆に解くことによって、既知の変位から未知の力を推定することである。筋骨格モデリングに関しては、関心のある力のいくつかは、体の姿勢又は動きをサポートすることを担当している内筋（internal muscle）及び関節の反力である。多数の筋肉のために、運動方程式は、無数の筋活動（muscle activations）の組み合わせに基づくユニークな解を持たず、シミュレートされた身体運動学を生成できる。一例では、筋肉の補充基準（muscle recruitment criterion）は、３乗された筋活動（cubed muscle activities）の総和に基づいている。３乗された筋活動の総和は、対象内の種々の筋肉のグループの相互作用に基づく筋活動を最小化し得る。

一例では、姿勢予測は、図６の例示的ワークフロー６００に示されているように、逆－逆ダイナミクスアプローチ（inverse-inverse dynamics approach）を使用することによって決定することができる。逆－逆ダイナミクスアプローチでは、逆ダイナミクスシミュレーションの出力に基づいて、運動学（例えば、姿勢）を反復的に調整するために、追加の最適化ループが追加される。一例では、シミュレーションで予測された筋努力（simulation-predicted muscle effort）を、最適な姿勢を見つけるために最小化されることになる目的関数として、使用することができる。例として、姿勢最適性基準（posture optimality criterion）としての最小の筋支出（muscle expenditure）の選択は、節約の円錐（cone of economy）の原理に対応し得る（すなわち、理想的な脊柱アライメントは、最小限の筋エネルギで立位姿勢を可能にする）。一例では、姿勢最適化の間、非融合セグメントにおける胸椎及び腰椎の補正の角度、骨盤傾斜、及び既知の屈曲は、解が見出されるまで同時に最適化される。一例では、制御ユニット１２２は、ワークフロー６００に示されるように、逆－逆ダイナミクスアプローチを実装するように構成される。

図６を参照すると、ブロック６０２によって示されるように、制御ユニット１２２は、本明細書に記載されるように、患者にカスタマイズされた生体力学的モデル（例えば、生体力学的モデル２００）を受信するように構成される。一例では、ユーザは、生体力学的モデルが、足首の上に質量中心を維持し、一定の水平注視を維持し、姿勢筋エネルギが最小化される姿勢で立ち、イメージング中の患者にマッチする腕の位置を有し、冠状面変形を有さない、又はこれらの論理パラメータの任意の組み合わせを有するように、１つ又は複数の論理パラメータを適用することを選択し得る。

ブロック６０４によって示されるように、制御ユニット１２２は、運動学的解析を行うように構成される。一例では、運動学的解析は、患者の典型的な活動（例えば、座る、立つ、歩くなど）及び基本的な人体の動きのために、全身のセグメントの位置、速度及び加速度をシミュレートすることを含む。一例では、制御ユニットは、患者の解剖学的特性を用いて外科的矯正（例えば、椎体３０２、３０４の間のインプラント５１０の挿入）をシミュレートするように構成される。例として、患者の解剖学的特性は、椎体のサイズ及び形状、筋肉付着部位、並びに関節回転中心の位置を含み得る。

ブロック６０６によって示されるように、制御ユニット１２２は、１つ又は複数の運動方程式を決定するように構成される。一例では、１つ又は複数の運動方程式は、生体力学的モデル２００の様々な要素の位置、速度、及び加速度のうちの１つ又は複数を決定することに向けられ得る。別の例では、１つ又は複数の運動方程式は、生体力学的モデル２００の様々な要素に作用する力及びトルクの１つ又は複数を決定することに向けられ得る。

ブロック６０８に示されるように、制御ユニット１２２は、筋肉補充問題（muscle recruitment problem）を解くように構成される。一例では、筋肉補充問題は、対象の１つ又は複数の姿勢に対応する筋肉の力データ又は筋活動（muscle activation）データの最適化を含み得る。

ブロック６１０に示されるように、制御ユニット１２２は、ワークフロー６００の前のステップで決定された筋肉及び関節の力を出力するように構成される。ブロック６１２によって示されるように、制御ユニット１２２は、姿勢最適性基準が満たされているかどうかを決定するように構成される。姿勢最適性基準が満たされている場合、ワークフロー６００はブロック６１８で終了する。さもなければ、制御ユニット１２２はワークフロー６００のブロック６１４に進む。例えば、姿勢最適性基準は、最小の筋努力、最小の矢状方向の不均衡、及び１つ又は複数の椎体への最小の荷重のうちの１つ又は複数を含み得る。

ブロック６１４によって示されるように、制御ユニット１２２は、最適化された変数を更新するように構成される。一例では、最適化された変数は、脊椎－骨盤パラメータ、腰椎補正、胸椎補正、頚椎補正、骨盤傾斜、股関節屈曲、膝屈曲、足首屈曲、又は体の重心の位置を含み得る。

ブロック６１６によって示されるように、制御ユニットは、１つ又は複数の姿勢測定値を決定するように構成される。例えば、姿勢測定値は、胸郭補正、腰椎補正、骨盤傾斜、及び膝屈曲のうちの１つ又は複数を含み得る。

図７は、本明細書に記載される少なくとも１つ又は複数の実施形態による、手術処置中の例示的方法のフロー図である。各図のブロックは、順番に示されているが、ブロックは、いくつかの例においては、並列に、及び／又はそこに記載されているものとは異なる順序で実行され得る。また、種々のブロックは、所望の実装に基づいて、より少ないブロックに結合され得る、追加のブロックに分割され得る、及び／又は除去され得る。

さらに、図７のフロー図は、本実施形態の可能な実施形態の機能及び動作を示す。この点に関し、各ブロックは、特定の論理機能又はプロセス内のステップを実装するためにプロセッサによって実行可能な１つ又は複数の命令を含む、モジュール、セグメント、又はプログラムコードの一部を表し得る。プログラムコードは、例えば、ディスク又はハードドライブを含む記憶装置のような任意のタイプのコンピュータ可読媒体に記憶され得る。コンピュータ可読媒体は、レジスタメモリ、プロセッサキャッシュ、又はランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のような短時間データを記憶する非一時的コンピュータ可読媒体、及び／又は、例えば、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、光学若しくは磁気ディスク、又はコンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）のような永続的長期記憶装置を含み得る。コンピュータ可読媒体は、任意の他の揮発性又は不揮発性記憶システムであり得る又はこれらを含み得る。コンピュータ可読媒体は、例えば、コンピュータ可読記憶媒体、有形記憶装置、又は他の製造品と考えられ得る。

代替的には、図７の各ブロックは、プロセス内の特定の論理機能を実行するように配線された回路を表し得る。図７に示されるような例示的な方法は、全体的に又は部分的に、クラウド及び／又は図１のシステム１００内の１つ又は複数のコンポーネントによって実行され得る。しかし、例示的な方法は、本発明の範囲から逸脱することなく、他のエンティティ又はエンティティの組み合わせ（すなわち、他のコンピューティングデバイス及び／又はコンピュータデバイスの組み合わせ）によって代わりに実行され得ることを理解されたい。例えば、図７の方法の機能は、コンピューティングデバイス（又は、１つ又は複数のプロセッサなどのコンピューティングデバイスのコンポーネント）によって完全に実行され得る、又は、コンピューティングデバイスの複数のコンポーネントにわたって、複数のコンピューティングデバイス（例えば、図１の制御ユニット１２２）にわたって、及び／又は、サーバにわたって分散され得る。

図７を参照すると、手術処置中の例示的方法７００は、ブロック７０２～７０８によって示されるように、１つ又は複数の操作、機能、又は動作を含み得る。一実施形態では、方法７００は、図１のシステム１００によって全体的に又は部分的に実装される。別の実施形態によれば、方法７００は、図１のシステム１００の１つ又は複数のコンポーネントと通信し得る手術室内のコンピューティングデバイスによって全体的又は部分的に実装される。さらに別の実施形態によれば、方法７００は、例えば、外科医のオフィス又は手術計画が行われる任意の場所など、手術室又は手術現場の外のコンピューティングデバイスによって全体的又は部分的に実施される。

ブロック７０２によって示されるように、方法７００は、生体力学的モデルの１つ又は複数の椎体を、実際の患者のＸ線写真の１つ又は複数の椎体に整列させるステップを含む。一例では、生体力学的モデルは、対象の筋骨格モデルを含む。一例では、筋骨格モデルは、脊椎－骨盤パラメータ、靭帯パラメータ、及び関節運動学のうちの１つ又は複数を含む。一例では、筋骨格モデルの処理は、逆－逆ダイナミクスモデリングを含む。別の例では、この方法はまた、Ｘ線写真の１つ又は複数の椎体に基づいて矢状面湾曲プロファイル（sagittal curvature profile）を生成することを含む。一例では、生体力学的モデルの１つ又は複数の椎体を整列させることは、矢状面湾曲プロファイルにマッチするように生体力学的モデルを修正することを含む。一例として、生体力学的モデルを修正することは、１つ又は複数の椎体をスケーリングすること、１つ又は複数の椎体の位置を調整すること、及びシミュレートされた対象の解剖学的構造をモーフィングすることのうちの１つ又は複数を含み得る。

ブロック７０４によって示されるように、方法７００は、１つ又は複数の脊椎矯正入力を受信することを含む。一例では、１つ又は複数の脊椎矯正入力は、１つ又は複数の椎体間の椎間高さ及び角度における１つ又は複数の変化を含む。一例では、１つ又は複数の脊椎矯正入力は、１つ又は複数の椎体間の１つ又は複数の脊柱インプラントをシミュレートすることを含む。別の例では、１つ又は複数の脊柱補正入力は、複数の椎体の間の１つ又は複数の椎間板の除去をシミュレートすることを含む。

ブロック７０６によって示されるように、方法７００は、受信された１つ又は複数の脊椎矯正入力に基づいて、所定の姿勢で生体力学的モデルをシミュレートすることを含む。一例では、所定の姿勢は、立位姿勢である。一例では、立位姿勢は、生体力学的モデル内の質量中心（center of mass）の位置に従って決定される。別の例では、所定の姿勢は、座位姿勢である。

ブロック７０８によって示されるように、方法７００は、シミュレートされた生体力学的モデルの１つ又は複数の特性の表示を提供することを含む。一例では、シミュレーション生体力学的モデルの特性は、患者における筋活動の値、前弯の値、後弯の値、及びコブ（Cobb）角の値の任意の組み合わせを含み得る。別の例では、１つ又は複数の特性は、最小の筋努力、最小の矢状方向の不均衡、及び１つ又は複数の椎体への最小の荷重に対応する１つ又は複数の値を含み得る。

図８は、例示的な実施形態に従って構成された例示的なコンピュータ可読媒体を示す。例示的な実施形態では、例示のシステムは、１つ又は複数のプロセッサ、１つ又は複数の形式のメモリ、１つ又は複数の入力デバイス／インターフェース、１つ又は複数の出力デバイス/インターフェース、及び１つ又は複数のプロセッサによって実行されたときにシステムに上述の様々な機能、タスク、能力などを実行させる機械可読命令を含み得る。

上述のように、いくつかの実施形態では、開示された技術は、機械可読フォーマットでコンピュータ可読記憶媒体上に、又は他の媒体もしくは製造物品上に符号化されたコンピュータプログラム命令によって実装され得る。図８は、本明細書に開示される少なくともいくつかの実施形態に従って構成された、コンピュータプロセスをコンピューティングデバイス上で実行するためのコンピュータプログラムを含む、例示的なコンピュータプログラム製品の概念的部分図を示す概略図である。

一実施形態では、例示的なコンピュータプログラム製品８００は、信号伝達媒体８０２を用いて提供される。信号伝達媒体８０２は、１つ又は複数のプロセッサによって実行されるとき、図１～７に関して上述した機能又は機能の一部を提供し得る１つ又は複数のプログラミング命令８０４を含み得る。いくつかの例では、信号伝達媒体８０２は、限定されるものではないが、ハードディスクドライブ、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、デジタルテープ、メモリ等のようなコンピュータ可読媒体８０６であり得る。幾つかの実装では、信号伝達媒体８０２は、限定されるものではないが、メモリ、読み出し／書き込み（Ｒ／Ｗ）ＣＤ、Ｒ／Ｗ ＤＶＤ等のような、コンピュータ記録可能媒体８０８であり得る。いくつかの実装では、信号伝達媒体８０２は、通信媒体８１０（例えば、光ファイバケーブル、導波路、有線通信リンクなど）であり得る。したがって、例えば、信号伝達媒体８０２は、無線形態の通信媒体８１０によって搬送され得る。

１つ又は複数のプログラミング命令８０４は、例えば、コンピュータ実行可能命令及び／又は論理実装命令であり得る。いくつかの例では、コンピューティングデバイスは、コンピュータ可読媒体８０６、コンピュータ記録可能媒体８０８、及び／又は通信媒体８１０のうちの１つ又は複数によってコンピューティングデバイスに伝達されたプログラミング命令８０４に応答して、種々の操作、機能、又は動作を提供するように構成され得る。

コンピュータ可読媒体８０６はまた、互いに離れて配置され得る複数のデータ記憶要素の間に分散され得る。記憶された命令の一部又は全部を実行するコンピューティングデバイスは、外部コンピュータ、又はスマートフォン、タブレットデバイス、パーソナルコンピュータ、ウェアラブルデバイスなどのようなモバイルコンピューティングプラットフォームであってもよい。あるいは、記憶された命令の一部又は全部を実行するコンピューティングデバイスは、サーバのような遠隔に配置されたコンピュータシステムであってもよい。

本明細書に記載される構成は、単に例示の目的のためのものであることが理解されるべきである。したがって、当業者であれば、他の構成及び他の要素（例えば、マシン、インターフェース、機能、命令、及び機能のグループ化など）を代わりに使用することができ、所望の結果に従って一部の要素が完全に省略され得ることを理解するであろう。さらに、記載される要素の多くは、任意の適切な組み合わせ及び位置において、別個の若しくは分散コンポーネントとして、又は他のコンポーネントと共に実装され得る機能的実体であり、又は独立した構造として記載される他の構造要素は組み合わされ得る。

Claims (20)

1. 対象における脊椎の病変又は脊椎変形矯正の手術計画及び評価のためのシステムであって、前記システムは：
   １つ又は複数のプロセッサであって：
   前記対象のＸ線写真に基づいて１つ又は複数の椎体を有する筋骨格モデルを作成し；
   １つ又は複数の脊椎矯正入力を受信し；
   前記１つ又は複数の脊椎矯正入力に基づいて、筋骨格モデルを修正し；
   筋努力基準が満たされるまで、前記筋骨格モデルに対する逆ダイナミクスシミュレーションの出力に基づいて前記筋骨格モデルを更新し；
   前記筋努力基準が満たされた後、更新された前記筋骨格モデルの１つ又は複数の特性の表示を提供する；ように構成される、
   １つ又は複数のプロセッサを有する、
   システム。
2. 前記１つ又は複数の脊椎矯正入力は、前記１つ又は複数の椎体間の椎間高さ及び角度における１つ又は複数の変化を含む、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記１つ又は複数のプロセッサはさらに：
   姿勢最適性基準が前記更新された筋骨格モデルによって満たされていることを決定するように構成される、
   請求項１に記載のシステム。
4. 前記筋骨格モデルに対する前記逆ダイナミクスシミュレーションの前記出力に基づいて前記筋骨格モデルを更新することは：
   前記筋骨格モデルの１つ又は複数の変数の更新を含み、前記１つ又は複数の変数は：脊椎－骨盤パラメータ、腰椎補正変数、胸椎補正変数、頚椎補正変数、骨盤傾斜変数、股関節屈曲変数、膝屈曲変数、足首屈曲変数、及び体の重心の位置を表す変数からなるグループから選択される変数を含む、
   請求項１に記載のシステム。
5. 前記筋骨格モデルは、１つ又は複数の靭帯パラメータ、及び関節運動学を含む、
   請求項１に記載のシステム。
6. 前記１つ又は複数のプロセッサはさらに、前記Ｘ線写真の前記１つ又は複数の椎体の位置に基づいて前記筋骨格モデルの矢状面湾曲を生成するように構成される、
   請求項１に記載のシステム。
7. 前記筋骨格モデルを作成することは、前記１つ又は複数の椎体をスケーリングすること、前記１つ又は複数の椎体の位置を調整すること、及びシミュレートされた対象の解剖学的構造をモーフィングすることのうちの１つ又は複数によって前記対象の解剖学的構造に対応するように既存の筋骨格モデルを修正することを含む、
   請求項１に記載のシステム。
8. 前記１つ又は複数のプロセッサはさらに：
   立位姿勢を含む所定の姿勢に基づいて前記更新された筋骨格モデルをシミュレートするように構成される、
   請求項１に記載のシステム。
9. 前記立位姿勢は、前記更新された筋骨格モデル内の質量中心の位置に従って決定される、
   請求項８に記載のシステム。
10. 前記所定の姿勢は、座位姿勢を含む、
    請求項８に記載のシステム。
11. 対象における脊椎変形矯正の手術計画及び評価のための方法であって、前記方法は：
    前記対象のＸ線写真に基づいて筋骨格モデルを作成することと；
    前記筋骨格モデルに１つ又は複数の脊椎矯正入力を適用することと；
    所定の姿勢で前記筋骨格モデルをシミュレートすることであって、前記シミュレートすることは、逆ダイナミクスモデリングを実行することを含む、シミュレートすることと；
    筋努力基準が満たされるまで、前記筋骨格モデルに対する逆ダイナミクスシミュレーションの出力に基づいて前記筋骨格モデルを更新することと；
    前記筋努力基準が満たされた後、シミュレートされるとともに更新された前記筋骨格モデルの１つ又は複数の特性の表示を提供することと；を含む、
    方法。
12. 前記１つ又は複数の脊椎矯正入力は、１つ又は複数の椎体間の椎間高さ及び角度における１つ又は複数の変化を含む、
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記筋骨格モデルは、脊椎－骨盤パラメータ、靭帯パラメータ、及び関節運動学を含む、
    請求項１１に記載の方法。
14. 前記Ｘ線写真の前記１つ又は複数の椎体に基づいて矢状面湾曲プロファイルを生成することと；
    前記矢状面湾曲プロファイルにマッチするように前記筋骨格モデルを修正することを含む前記筋骨格モデルの前記１つ又は複数の椎体を整列させることと；
    前記１つ又は複数の椎体をスケーリングすること、前記１つ又は複数の椎体の位置を調整すること、及びシミュレートされた対象の解剖学的構造をモーフィングすることのうちの１つ又は複数を含む前記筋骨格モデルを修正することと；
    をさらに含む、
    請求項１１に記載の方法。
15. 前記筋骨格モデルに対する前記逆ダイナミクスシミュレーションの前記出力に基づいて前記筋骨格モデルを更新することはさらに：
    前記筋骨格モデルの１つ又は複数の変数を更新することを含み、前記１つ又は複数の変数は：脊椎－骨盤パラメータ、腰椎補正変数、胸椎補正変数、頚椎補正変数、骨盤傾斜変数、股関節屈曲変数、膝屈曲変数、足首屈曲変数、及び体の重心の位置を表す変数からなるグループから選択される変数を含む、
    請求項１１に記載の方法。
16. 前記筋骨格モデルに対する前記逆ダイナミクスシミュレーションの前記出力に基づいて前記筋骨格モデルを更新することはさらに：（ｉ）足首の上に質量中心を維持すること、（ｉｉ）一定の水平注視を維持すること、（ｉｉｉ）姿勢筋エネルギが最小化される姿勢で立つこと、（ｉｖ）イメージング中の前記対象にマッチする腕の位置決め、（ｖ）冠状面変形を除去すること、又は（ｖｉ）（ｉ）～（ｖ）の任意の組み合わせのうちのいずれか１つを含む１つ又は複数の論理パラメータを適用することを含む、
    請求項１１に記載の方法。
17. 命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記命令は、実行されるとき：
    対象のＸ線写真に基づいて１つ又は複数の椎体を有する筋骨格モデルを作成し；
    １つ又は複数の脊椎矯正入力を受信し；
    前記１つ又は複数の脊椎矯正入力に基づいて、筋骨格モデルを修正し；
    筋努力基準が満たされるまで、前記筋骨格モデルに対する逆ダイナミクスシミュレーションの出力に基づいて前記筋骨格モデルを更新し；
    前記筋努力基準が満たされた後、更新された前記筋骨格モデルの１つ又は複数の特性の表示を提供する；ように構成される、
    非一時的コンピュータ可読媒体。
18. 前記命令は、実行されるとき、さらに：
    前記Ｘ線写真の前記１つ又は複数の椎体の位置に基づいて前記筋骨格モデルの矢状面湾曲プロファイルを生成し；
    前記矢状面湾曲プロファイルにマッチするように前記筋骨格モデルを修正することを含む前記筋骨格モデルの前記１つ又は複数の椎体を整列させ；
    前記１つ又は複数の椎体をスケーリングすること、前記１つ又は複数の椎体の位置を調整すること、及びシミュレートされた対象の解剖学的構造をモーフィングすることのうちの１つ又は複数を含む前記筋骨格モデルを修正する；
    ように構成される、
    請求項１７に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
19. 前記命令は、実行されるとき、さらに：
    姿勢最適性基準が前記更新された筋骨格モデルによって満たされていることを決定するように構成される、
    請求項１７に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
20. 前記命令は、実行されるとき、さらに：
    所定の姿勢に基づいて前記更新された筋骨格モデルをシミュレートするように構成される、
    請求項１７に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。

Images