JP2024521728A - 2d x線画像内の物体の準リアルタイムの連続的3d位置合わせ - Google Patents
2d x線画像内の物体の準リアルタイムの連続的3d位置合わせ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2024521728A JP2024521728A JP2023571973A JP2023571973A JP2024521728A JP 2024521728 A JP2024521728 A JP 2024521728A JP 2023571973 A JP2023571973 A JP 2023571973A JP 2023571973 A JP2023571973 A JP 2023571973A JP 2024521728 A JP2024521728 A JP 2024521728A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ray image
- image
- ray
- tool
- point
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 claims abstract description 163
- 239000007943 implant Substances 0.000 claims abstract description 130
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 87
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims description 51
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 20
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 6
- 230000004807 localization Effects 0.000 abstract description 6
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 abstract description 2
- 210000000689 upper leg Anatomy 0.000 description 126
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 65
- 210000004095 humeral head Anatomy 0.000 description 57
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 56
- 210000002758 humerus Anatomy 0.000 description 40
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 40
- 210000002303 tibia Anatomy 0.000 description 40
- 210000003484 anatomy Anatomy 0.000 description 27
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 22
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 22
- 230000014616 translation Effects 0.000 description 22
- 210000003275 diaphysis Anatomy 0.000 description 19
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 19
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 17
- 206010017076 Fracture Diseases 0.000 description 16
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 14
- 238000013179 statistical model Methods 0.000 description 14
- 208000010392 Bone Fractures Diseases 0.000 description 12
- 230000001537 neural effect Effects 0.000 description 11
- 210000002436 femur neck Anatomy 0.000 description 10
- 210000002414 leg Anatomy 0.000 description 10
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 7
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 7
- 210000000527 greater trochanter Anatomy 0.000 description 7
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 7
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 7
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 7
- 241001653121 Glenoides Species 0.000 description 6
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 6
- 210000002082 fibula Anatomy 0.000 description 6
- 238000002559 palpation Methods 0.000 description 6
- 206010064516 Femoral anteversion Diseases 0.000 description 5
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 5
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 5
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 4
- 210000002683 foot Anatomy 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 206010064024 Intestinal malrotation Diseases 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 210000003414 extremity Anatomy 0.000 description 3
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 3
- 210000000323 shoulder joint Anatomy 0.000 description 3
- 210000004872 soft tissue Anatomy 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 210000001699 lower leg Anatomy 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 210000003813 thumb Anatomy 0.000 description 2
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 2
- 238000010200 validation analysis Methods 0.000 description 2
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 101100235070 Mus musculus Lgalsl gene Proteins 0.000 description 1
- 238000012356 Product development Methods 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001227561 Valgus Species 0.000 description 1
- 241000469816 Varus Species 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000002730 additional effect Effects 0.000 description 1
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 210000003679 cervix uteri Anatomy 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 1
- 230000001054 cortical effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000002405 diagnostic procedure Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000013213 extrapolation Methods 0.000 description 1
- 210000000501 femur body Anatomy 0.000 description 1
- 210000003811 finger Anatomy 0.000 description 1
- 210000000245 forearm Anatomy 0.000 description 1
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 1
- 210000001624 hip Anatomy 0.000 description 1
- 210000004394 hip joint Anatomy 0.000 description 1
- 210000003692 ilium Anatomy 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 210000001503 joint Anatomy 0.000 description 1
- 210000003127 knee Anatomy 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000002324 minimally invasive surgery Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 1
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 210000004417 patella Anatomy 0.000 description 1
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 238000009877 rendering Methods 0.000 description 1
- 210000003131 sacroiliac joint Anatomy 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 210000004233 talus Anatomy 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
骨(-片)、器具、およびインプラントの継続的な自動位置合わせを、X線源の位置を変更する必要なく、1つだけの追加のX線画像に基づいて提供するためのシステムおよび方法が提供される。本発明によれば、2D X線画像が受信され、そのX線画像は、対象の手術部位を示す。外科手術に関する事前情報と組み合わされた、骨(-片)、ツール(ドリルのような)および/またはインプラントのような物体の人工知能支援自動検出および位置特定が、それらの相対3D位置および配向を任意の所望の時に計算するために使用される。物体のこの位置合わせは、複数回繰り返すことができ、それ故にガイダンスを準リアルタイムで提供できる。
【選択図】図38
【選択図】図38
Description
本発明は、人工知能およびコンピュータ支援手術の分野に関する。さらに、本発明は、物体に関連する情報をX線画像に基づいて提供するシステムおよび方法に関する。特に、本発明は、潜在的に動いている物体を準リアルタイムで、自動的に位置合わせする、すなわち、相対的な3D位置および配向を決定するためのシステムおよび方法に関する。本方法は、本システムの処理装置上で実行可能なコンピュータプログラムとして実装され得る。
長骨が骨折する事例では、骨片は髄内釘のようなインプラントによって固定され得、それは、骨の髄管、または骨板内に挿入され得、骨折を治癒するための支持として、骨の表面に固定され得る。かかるインプラントを植え込むための外科的処置は、低侵襲であり得、外科医がインプラントを正しく設置するのを可能にするためにX線画像を反復して取得することを必要とし得る。インプラントは、1つ以上のサブインプラント、例えば、ネジまたはブレードにも結合され得る。
長骨の髄内釘固定処置には様々な重要で困難なステップがあり、骨折の十分に正しい整復(骨片の正しい位置決めを確実にすること)、インプラントを骨に挿入するための入口点の決定、およびネジをインプラントの穴に挿入することによるインプラントの固定を含む。
長骨内へ釘を植え込むための重要なステップは、入口点の決定である。入口点に対する次善の選択は、釘の非最適な位置決めとなり得、従って、ネックスクリューまたはブレードなどの、結合されたサブインプラントの不適切な位置決めともなり得る。その上、所与の入口点に関して、外科医が既にリーミングを行っている場合、釘がその中に位置付けられる管が画定されていて、もう補正できない可能性がある。
入口点を、触診によるか、またはX線画像に基づいて、決定する2つの主要な方法がある。触診を行う場合、初期切開(initial cut)を行った後、外科医は入口点の部位(例えば、大腿骨に頭髄釘(cephalomedullary nail)を植え込む事例では、これは大転子の先端である)を指で感じて、推測される骨表面および経験則(例えば、所謂1/3-2/3ルール)に基づいて入口点の位置を決定する。かかる手順の欠点は、感触により、骨表面は不完全にしか決定されない可能性があり、それは、最適な入口点から実質的なずれとなり得る。その上、経験則(例えば、1/3-2/3ルール)は、患者の特定の解剖学的構造に応じて、かなり準最適であり得る。
入口点は、X線画像に基づいても決定され得る。頭髄釘を大腿骨に植え込む事例では、前後方向(AP)のX線画像が最初に取得され得、その画像内で開口器具が転子の先端上に置かれる。次いで、大腿骨骨幹および頸部が平行になるように、横方向X線画像が取得される。開口器具の先端が、2本の軸の間の真ん中に置かれるまで(それはX線画像によってチェックされる)、先端が背側または腹側方向に動かされる。この手順の欠点は、第1に、正しい方向から横方向X線画像を取得することが困難であり、第2に、X線画像に基づいて2本の軸を決定することは、不正確にしか行われない可能性があることである。
上腕骨へ釘を挿入するための入口点を低侵襲的に決定することは、頸部および頭部に近い骨折の正しい整復は典型的には、インプラントを挿入している間に実行されるので、さらに一層困難である。正しい入口点は、解剖頸(上腕骨の解剖頸)の概ね最近接点上、またはこの点から内側方向の定義された距離にある。任意の骨折を正しく整復すると、入口点は、前後方向(AP)X線画像内で目に見え、これは、かかる画像では、関節輪郭の最近接点が識別され得るためである。しかし、正しいAP撮像方向を確実にすることは困難であり、患者の身体的姿勢(physical setup)および手術室(OR)内のX線撮像装置に応じて、不可能でさえあり得る。その上、完全なAP撮像方向においてさえ、撮像の深さに関して入口点の位置の決定において実質的な不確かさがある。入口点はかかるX線画像内では識別不能であり得るために、異なる視線方向(例えば、軸方向)から画像を取得することは、この問題を解決しない可能性がある。
入口点を決定するための2つの方法(触診およびX線画像の取得)の組合せでさえ一般に、精度を十分に改善しない可能性がある。今までのところ、この問題に対して確立されたコンピュータ支援手術(CAS)技法はない。
任意の骨接合術における別の課題は、骨折の十分に正しい整復は、満足のいく臨床転帰のために極めて重要であるということである。典型的には、整復が正しく行われた場合に限り、骨折は満足に治癒する。長骨の整復は特に、多くの場合、低侵襲手術中に、特に、正しい前捻角(大腿骨の場合)または捻転角(上腕骨または脛骨の場合)に関して、評価することが困難である。不正確な前捻角または捻転角は多くの場合、手術が完了した後にだけ気が付く。この段階で、たとえ骨折自体が治癒しても、不正確な前捻角または捻転角は、患者に対して大きな不快感および制約を引き起こす。従って、十分に正しい前捻角または捻転角は、特に大腿骨、脛骨、または上腕骨の骨接合術に対する、満足のいく臨床転帰にとって極めて重要である。同様のコメントが、頭-頸部-骨幹(CCD)角度および脚長に適用され、それも満足のいく臨床転帰にとって重要である。
骨片の異常回転は、脛骨および大腿骨の骨折を治療する場合の、再置換術のための最も一般的な理由の1つである。大腿骨頸部に対する非病的な前捻角(AV角)は典型的には、10~20度の間である。最適(例えば、他の、健康な脚)に対して最大で10度までの異常回転は、患者によって補われる可能性があるが、もっと大きな異常回転は歩行時に不快感および問題を引き起こし得る。AV角を手術中に決定することは困難であり、多くの場合、不正確に行われるか、または全く行われない。研究により、脚に関する骨接合術の10%~25%は、理想的な値から10度を上回るずれを生じることが示されている。AV角を決定するための信頼できる手術中の手順はそれ故に、非常に重要である。
前捻角または捻転角を決定する際の困難さは、長骨は、1つのX線画像内に適合させるには長過ぎることである。その上、前捻角または捻転角を決定するために必要な幾何形状が、例えば、大腿骨、頸軸および顆に対して、骨の最近位および最遠位部に位置している。従って、別個の近位および遠位のX線画像内に示される、幾何形状は、相互に関連している必要がある。
従来技術は、前捻角を決定するために異なるアプローチを提案する。大腿骨および頭髄釘の事例では、1つのアプローチは、膝が上向きに手術室の天井を指しているかどうかを手で決定して、釘軸と大腿骨頭の中心を交差させるべき、ネジ(または頭要素(head element))が、手術室の床と略10度の角度を作るかどうかを主観的に判断することである。CASアプローチは、Blauらによって提案され(US 2015/0265361 A1およびWO 2019/077388 A1)、この場合、大腿骨の遠位領域内の1つおよび近位領域内の1つの、金属標識をもつ2つの基準体、ならびに、全てがそれぞれの基準体を示す、2つの近位X線画像および1つの遠位X線画像が使用される。
髄内釘固定処置における別の困難なステップは固定である。長い釘を使用した固定での主な困難は、釘はある程度、骨の髄管に従うので、釘の屈曲および捩じれである。これは、短い釘の事例において採用される、単純で静的な機械的固定手順を阻む。フリーハンドの固定は困難で時間がかかり、多くのX線画像の取得を必要とし得る。このため、一部の製造業者は、釘の屈曲に適応する柔軟な機械的ソリューション(ここでは「長い照準装置」と呼ばれる)を提供する。長い照準装置はその手順を単純化するが、長い照準装置を示しているX線像が正しく解釈されてCアーム位置がそれに応じて調整される必要があるので、その適用は依然として容易ではない。Cアームの正しい調整後にのみ、長い照準装置が正しく調整され得る。
コンピュータ支援のない典型的な従来型のフリーハンドの固定手順は、高いミスドリル率となり得る。これは、ドリルで穴を開けるべき距離が長い場合、例えば、順行性大腿骨釘を顆に近接して固定する場合、特に当てはまる。従来型のアプローチは、外科医がドリル先端の適切な位置を推定して、適切なドリル角度を推定することから成る。ミスドリルは必ずしも問題ではない可能性があり、単にドリルで新しい穴を開けることによって補正され得る場合もある。しかし、新しい穴を開けることが結局は以前の穴開けと同じドリル管となることを回避するために、ドリルのための新しい開始位置を選択するのが賢明であり得る。さらにいくつかの事例(内側ネジ山を有する固定穴、またはプレートと釘の組み合わされたインプラント)では、これはほとんど不可能であり得る。これらの場合、穴開けが最初の穴開けの試みで正しいことが最重要であり、それは、最初のドリル先端位置の間違いのない正しい決定だけでなく、穴開け中にこのドリル角度を維持することも必要とする。
かかる場合、および特に穴開けが重要な構造に近接して実行されるシナリオ(仙腸関節または椎弓根スクリューを設置する場合など)では、穴開け中の穴開け角度および軌道の継続的な検証という形でのサポートが望ましいであろう。従来型の手順では、これは、標的物体(例えば、釘)に対するドリルの3D位置および配向を推定するために、Cアームの反復調整および異なる視線方向からのX線画像の取得を必要とするであろう。
動的に変化している状況(例えば、骨にドリルで穴を開けている、骨片を整復している、インプラントを骨に挿入している)で、これらの課題に対処することが本発明の目的である。コンピュータ支援手術システムおよび/または手術ロボットなどの既存の技術は典型的には、時間がかかって、多くの場合侵襲的な、事前の位置決め処置を必要とする。2002年以降、動きのリアルタイム追跡の根拠として手術中のX線に基づく解剖学的構造を基準体/トラッカーに位置合わせする(Brainlab AGによる蛍光透視法-CTマッチング)ための非侵襲手順が存在するが、これはさらに付着されたトラッカー/基準体を備えた追跡システムと組み合わされる。
本発明は、相互に対して移動し得る複数の物体を、所望の時点において、位置合わせするために、基準体もトラッカーも必要としない、システムおよび方法を提案する。現在のX線画像および以前のX線画像から抽出した事前情報にだけ基づいて、物体の、かかる位置合わせ、すなわち、相対3D位置および配向の決定を準リアルタイムで、恐らくは瞬時に、提供して、現在と以前のX線画像の取得間にそれらの物体の相互に対する移動を可能にすることが本発明の目的であり得る。物体上または物体内の対象の特定の点または曲線を、恐らくは別の物体に対して、決定することも本発明の目的であり得る。X線画像内に少なくとも部分的に示されている複数の物体間の相対3D配向および3D位置を提供することも本発明の目的であり得る。
言及された目的の少なくとも1つまたはその他は、請求項1に記載の装置および請求項13に記載の方法によって解決される。本発明に従ったさらなる実施形態は、それぞれの従属クレームで説明される。
一般に、装置は、X線画像を処理するように構成された処理装置を備える。その処理装置によって実行するためのソフトウェアプログラムが提供される。コンピュータソフトウェアプログラムによって、以下のステップが本装置の処理装置によって実行できる。
最初に、少なくとも部分的に目に見える物体の投影画像である第1のX線画像が受信される。次いで、その物体のモデルが受信され、第1のX線画像内の物体の位置を突き止めるためにそのモデルが適用されて、第1のX線画像内で点が識別されて、その物体に対する点の3D位置が分かる。言い換えれば、点の位置が3D空間内の患者において分かり、その点が2D投影画像内で目に見える。
第1のX線画像と同様に、少なくとも部分的に目に見える物体と一緒に少なくとも部分的に見えるツールの投影画像である第2のX線画像が受信される。物体のモデルが再度、第2のX線画像内の物体の位置を突き止めるために適用される。ツールに関して、座標系が定義されて、座標系内で軸が決定されて識別される。
最後に、物体に対するツールの3D位置および配向が、第2のX線画像、ツールの3Dモデル、位置が特定された物体、その物体に対する点の3D位置が第1のX線画像の生成時および第2のX線画像の生成時に同じであるという知識、ならびにその点と軸との間の距離に関する知識に基づいて決定される。
本明細書では、「物体(object)」は、X線画像内で少なくとも部分的に目に見える任意の物体、例えば、解剖学的構造またはインプラントであり得る。「物体」をインプラントと考える場合、インプラントが解剖学的構造内に既に設置されていることが理解されるであろう。「ツール」も、X線画像内で少なくとも部分的に目に見える、例えば、ドリル、kワイヤー、ネジ(screw)、または同様のものであり得る。より具体的な例では、「物体」を骨として、「ツール」は、骨内に挿入することを目的とするが、まだ挿入されていない、骨釘のようなインプラントでもあり得る。「ツール」は、挿入されるべき物体であり、「物体」は解剖学的構造または、解剖学的構造内に既に設置されているインプラントのような物体であると言える。本発明はいかなる基準体およびトラッカーの使用も必要としないことに再度留意されたい。
用語「3D表現」は、3Dボリュームまたは3D表面の完全な、もしくは部分的な記述を指し得、それは、半径、曲線、平面、角度、または同様のものなどの、選択された幾何学的態様も指し得る。本発明は、物体の3D表面またはボリュームに関する完全な3D情報の決定を可能にし得るが、選択された幾何学的態様だけを決定する方法も本発明において考慮される。
X線撮像は2D画像診断法なので、X線画像内に示された個々の物体の3D姿勢(すなわち、3D位置および3D配向)を一意的に決定することは一般に可能ではなく、X線画像内に示された物体間の相対3D位置および3D配向を一意的に決定することも一般に可能ではない。
X線ビームは、X線源(焦点)から生じて、像平面内でX線検出器によって検出されるので、物体の物理的寸法は、切片定理を通してX線画像内のその投影の寸法に関連する。撮像の深さの決定において一般に曖昧さがあり、それは、像平面からの距離であり、後に「z座標」とも呼ばれる。本発明を通して、用語「位置を突き止める(localize)」および「位置の特定(localization)」は、選択された座標系に関して物体の3D配向の決定、およびその物体の像平面上への投影の2D空間位置の決定を意味するが、z座標の決定はない。
X線画像内に示された物体の3Dモデルが利用可能な場合、これは、物体の位置を突き止めるのを可能にし得る。物体が十分に大きくて十分な構造を有するという条件で、その物体のz座標を大まかに決定する(または推定する)のさえ可能にし得る。しかし、たとえX線画像内に示された既知の物体の決定論的3Dモデルが利用可能であっても、位置の特定もz座標の決定も可能ではない事例もある。一例として、これは特に、ドリルまたはkワイヤーなどの細い物体に当てはまる。ドリルの先端の撮像の深さを知らなければ、2D X線画像において同じか、または略同じ投影となるドリルの複数の3D姿勢がある。従って、ドリルの、例えば、X線画像内に同様に示されているインプラントに対する相対3D位置および3D配向を決定することは一般に可能ではない可能性がある。他方、かかる物体の撮像の深さが他の手段を通して決定できるか、または事前に分かっている場合、これは、その物体の3D位置および3D配向の決定を可能にし得る。
その幾何形状が、その撮像の深さに関する更なる情報がなければ位置が特定可能ではない可能性がある物体の位置の特定を可能にすること、およびかかる物体の別の物体に対する3D位置および3D配向を決定することは本発明の目的である。
例えば、物体は、穴のあるインプラントを含み得る。その場合、その物体に対する点の3D位置は、そのインプラント内の穴の軸に基づき本発明の一実施形態に従って決定され得る。インプラントは、骨構造を釘で固定するための穴を通して延出している横軸をもつ髄内釘であり得ることに留意されたい。かかる穴は、ねじ山を備え得る。その穴の軸は、固定ネジ用の入口点を画定するために骨の外表面を切り取る。別の例では、長骨の内部に設置され得る釘と前記長骨の外側に設置され得るプレートの組合せが、プレート内の穴および釘内の穴の両方を通して延出する少なくとも1つのネジによって結合されて一緒に固定できる。またここで、ネジ用の入口点は、それらの穴を通って延出する軸によって画定され得る。
さらなる例では、物体は、骨内に既に植え込まれた釘と考えられ得、X線画像もドリルのようなツールの少なくとも一部を示す。この場合、ツールは、第1のX線画像内で少なくとも部分的に目に見え、識別された点はツールにおける点、例えば、ツールの先端である。第2のX線画像に基づいて、その物体に対するツールの3D位置および配向が決定され得るが、ツールは、第1のX線画像の生成と第2のX線画像の生成との間で、その物体に対して移動されている。第2のX線画像内に示された時における、骨内のインプラントに対するドリルの3D位置および配向の決定は、穴開けが、例えば、ネジが、ドリルで開けた穴に沿って後に植え込まれるときに延出すべきインプラント内の穴を目指す方向であるかどうかを評価するのを支援し得る。
X線画像内で識別される点の3D位置は、異なる方法で決定され得る。一方では、物体に対する点の3D位置は、骨表面の位置に関する知識およびその点が骨表面に位置しているという知識に基づいて決定され得る。例えば、ドリルの先端は、第1のX線画像が生成されるとき、骨の外表面上に位置付けられ得る。その点は、第2のX線画像が生成されるとき、たとえドリルが骨に穴を開けるとしても、依然として同じであり得る。従って、両方のX線画像内の点は、第1のX線画像内だけのドリルの先端によって定義されても、入口点であり得る。
他方では、物体に対する点の3D位置は、別の視線方向からの更なるX線画像に基づいて決定され得る。例えば、CアームベースのX線システムは、更なるX線画像を生成する前に回転され得る。
さらに、物体に対する点の3D位置は、第1のX線画像に基づく物体に対するツールの3D位置および配向の決定に基づいて決定され得る。すなわち、第1のX線画像の生成時における3D位置および配向を既に知っている場合、後に、および物体に対するツールの移動後に、3D位置および配向を決定するために、その知識が使用できる。実際、その手順は、一連のX線画像において何度も繰り返すことができる。
X線画像内でツールの先端が目に見える場合、物体に対するツールの3D位置および配向の決定は、更なる点を画定するツールの先端にさらに基づき得る。更なる点は、投影画像内の点、すなわち、2D点に過ぎない可能性があることに留意されたい。しかし、点、例えば、入口点、の既知の3D位置と一緒に、X線画像間の動きの進展が、更なる点を考慮に入れて決定され得る。
いくつかの事情により、物体に対するツールの3D位置および配向を決定するのがより困難になり得る。例えば、その部分がX線画像内で目に見える、ツールの少なくとも一部は、X線画像の生成中に回転するドリルのような、回転対称であり得る。本発明の一実施形態によれば、物体に対するツールの3D位置および配向はそれにもかかわらず、少なくとも十分な精度で、決定できる。例えば、ドリルもしくはKワイヤーのような細くて長いツール、または細くて長いインプラントを考える場合、単一の投影は、3D空間内でツールの配向を区別するのを可能にするための十分な詳細を示していない可能性があり、それらの配向は類似または同じ投影となり得る。しかし、2つ以上の投影画像を比較する場合、結果として、仮定できる、特定の配向に対する尤度がある。その上、目に見えるツール先端のような追加の態様が考慮に入れられ得る。
別の例では、ツールと一緒に物体を示しているX線画像を生成するとき、ツールは部分的に遮蔽され得る。ツールの先端がインプラントによって遮蔽されること、またはドリルの柄が管によって大部分は遮蔽されることが生じ得、その管は周辺軟部組織が、骨に穴を開けている間に損傷するのを防ぐ。それらの場合、以前のX線画像とは別の視線方向から生成される、第3のX線画像が受信され得る。かかる第3のX線画像は、主要な視線方向で生成された画像から取得できる情報に加えて、適切な情報を提供し得る。例えば、ツールの先端は、第3のX線画像内で目に見え得る。先端の3D位置は、第2のX線画像内で目に見えないが、ツールの軸が、第2のX線画像内で目に見えるので、第2のX線画像を生成する際にX線撮像装置の焦点の方向に平面を画定すること、およびツールの先端はその結果としてその平面上になければならないという事実に起因して、決定され得る。さらに、ツールの先端は、第3のX線画像を生成する際にX線撮像装置の焦点の方向に線を画定すると考えることができる。先端によって画定される、すなわち、第3のX線画像内の目に見える点によって画定される、線は、第2のX線画像に基づいて画定される3D空間内の平面をカットする。第2および第3のX線画像は、例えば、両方の画像内の物体の位置の特定によって、位置合わせされることが理解されるであろう。
処理されたX線画像に基づいて、本装置は、ユーザーに指示を提供するように構成され得る。具体的には、本装置は、物体に対するツールの決定された3D位置および配向を、予期されたか、または意図された3D位置および配向と比較するように構成され得る。自動的に生成された指示は、ユーザーに対してガイダンスを提供し得る。穴開けの開始時における適切な配向だけでなく、穴開け中の監視も可能である。例えば、本装置は穴開け中に、穴開けの方向が最終的に標的構造に達するかどうかを評価し得、必要ならば、穴開け方向の補正のための指示を提供し得る。本装置は、指示を提供する際に、既に実行された穴開けの深さ、物体の密度、ドリルの直径、およびドリルの剛性の少なくとも1つを考慮に入れ得る。穴開け中のドリルの傾斜は、周辺材料、例えば、骨、の特性の依存性においてドリルの屈曲またはドリル軸のシフトを生じ得ることが理解されるであろう。ある程度予期できる、それらの態様は、指示を提供する際に本装置によって考慮に入れられ得る。
EP19217245によって提案された1つの可能なソリューションは、撮像の深さに関する事前情報を利用することである。例えば、異なる撮像方向から取得された以前のX線画像(X線ビームが物体を通過する方向を記述する)から、kワイヤーの先端が転子上にあることが分かり得、結果として、別の物体に対するkワイヤーの先端の撮像の深さを制限する。これは、現在の撮像方向における別の物体に対するkワイヤーの3D位置および3D配向に関する曖昧さを解決するために十分であり得る。
2つ以上のX線画像の3D位置合わせ
別の可能なソリューションは、異なる撮像方向から取得された2つ以上のX線画像を利用すること、およびこれらの画像を位置合わせすることである。撮像方向がより異なっていればそれだけ(例えば、APおよびML画像)、追加の画像は3D情報の決定に関してより有用であり得る。画像の位置合わせは、その3Dモデルが既知であって、画像間で動いてはならない、画像内に示された一意に位置が特定可能な物体に基づいて処理され得る。前述のとおり、当技術分野で最も一般的なアプローチは、基準体またはトラッカーを使用することである。しかし、いかなる基準体も使用しないことは、製品開発および本システムの使用の両方を簡略化するために、一般に好ましい。Cアームの動きが正確に分かっている場合(例えば、Cアームが電子的に制御される場合)、画像の位置合わせはこれらの既知のCアームの動きにだけ基づいて可能であり得る。
別の可能なソリューションは、異なる撮像方向から取得された2つ以上のX線画像を利用すること、およびこれらの画像を位置合わせすることである。撮像方向がより異なっていればそれだけ(例えば、APおよびML画像)、追加の画像は3D情報の決定に関してより有用であり得る。画像の位置合わせは、その3Dモデルが既知であって、画像間で動いてはならない、画像内に示された一意に位置が特定可能な物体に基づいて処理され得る。前述のとおり、当技術分野で最も一般的なアプローチは、基準体またはトラッカーを使用することである。しかし、いかなる基準体も使用しないことは、製品開発および本システムの使用の両方を簡略化するために、一般に好ましい。Cアームの動きが正確に分かっている場合(例えば、Cアームが電子的に制御される場合)、画像の位置合わせはこれらの既知のCアームの動きにだけ基づいて可能であり得る。
しかし、Cアームの動きは典型的には、正確には分からない。LU101009B1に記述されているように、インプラントなどの既知の幾何形状の剛性物体は、たとえインプラントが位置の特定だけが可能であり得、撮像の深さの決定が可能でなくても、少なくとも撮像方向の決定は可能であり得る。
しかし、X線画像内にかかる剛性物体が存在しない多くのシナリオもあり得る。例えば、釘を植え込むための入口点を決定する場合、X線画像内にインプラントはない。本発明は、一般に、一意で十分に正確な3D位置合わせを可能にする既知の幾何形状の単一の剛性物体がない場合に、複数のX線画像の3D位置合わせを可能にするシステムおよび方法を教示する。本明細書で提案されるアプローチは、各々は単独では一意で十分に正確な3D位置合わせを可能にしないが、一緒にかかる位置合わせを可能にする、2つ以上の物体もしくは1つの物体の少なくとも2つ以上の部分の特徴の組合せを使用すること、および/または画像の取得間で許容されるCアームの動きを制限すること(例えば、Cアーム軸などのX線撮像装置の特定の軸の周りの回転、または特定の軸に沿った平行移動だけが許可され得る)である。位置合わせのために使用される物体は、人工物で、既知の幾何形状(例えば、ドリルまたはkワイヤー)であり得るか、またはそれらは解剖学的構造の部分であり得る。物体または物体の部分は単純な幾何モデルを使用して近似もされ得る(例えば、大腿骨頭はボールによって近似され得る)か、またはそれらの特定の特徴だけが使用され得る(それは、単一点、例えば、kワイヤーまたはドリルの先端であり得る)。位置合わせのために使用される物体の特徴は、画像の取得間で動いてはならず、かかる特徴が単一点の場合、この点が移動しないことだけが要求される。例えば、kワイヤー先端が使用される場合、その先端は画像間で動いてはならず、他方、kワイヤーの傾斜は画像間で変わり得る。
一実施形態によれば、X線画像は、物体の少なくとも一部を示しているX線画像の各々と、位置合わせされ得る。第1のX線画像は、第1の撮像方向および物体に対するX線源の第1の位置で生成され得る。第2の画像は、第2の撮像方向および物体に対するX線源の第2の位置で生成され得る。かかる2つのX線画像は、次の条件の少なくとも1つと一緒に、物体のモデルに基づいて位置合わせされ得る:
-物体に対して固定の3D位置をもつ点が、両方のX線画像内で画定可能および/または検出可能、すなわち、両方のX線画像内で識別可能および/または位置が特定可能である。単一点は十分であり得ることに留意されたい。その点は、その表面のような物体の構造までの既知の距離を有し得ることにさらに留意されたい。
-物体に対して固定の3D位置をもつ2つの識別可能な点が両方のX線画像内にある。
-固定の3D位置をもつ更なる物体の一部が両方のX線画像内で目に見える。かかる場合、X線画像の位置合わせをする際に更なる物体のモデルが利用され得る。1つの点でさえ、更なる物体の一部として見なされ得ることが企図される。
-第1と第2のX線画像を取得する間、物体に対するX線源の唯一の移動は平行移動である。
-第1と第2のX線画像を生成する間、X線源の唯一の回転は撮像方向に垂直な軸の周りの回転だけである。例えば、X線源は、CアームベースのX線撮像装置のC軸の周りを回転され得る。
-物体に対して固定の3D位置をもつ点が、両方のX線画像内で画定可能および/または検出可能、すなわち、両方のX線画像内で識別可能および/または位置が特定可能である。単一点は十分であり得ることに留意されたい。その点は、その表面のような物体の構造までの既知の距離を有し得ることにさらに留意されたい。
-物体に対して固定の3D位置をもつ2つの識別可能な点が両方のX線画像内にある。
-固定の3D位置をもつ更なる物体の一部が両方のX線画像内で目に見える。かかる場合、X線画像の位置合わせをする際に更なる物体のモデルが利用され得る。1つの点でさえ、更なる物体の一部として見なされ得ることが企図される。
-第1と第2のX線画像を取得する間、物体に対するX線源の唯一の移動は平行移動である。
-第1と第2のX線画像を生成する間、X線源の唯一の回転は撮像方向に垂直な軸の周りの回転だけである。例えば、X線源は、CアームベースのX線撮像装置のC軸の周りを回転され得る。
物体のモデルに基づくX線画像の位置合わせは、前述の条件の2つ以上と一緒であれば、より正確であり得ることが理解されるであろう。
一実施形態によれば、物体に対して固定の3D位置をもつ点は更なる物体の1つの点であり得、その点が固定である限り、更なる物体の移動を可能にする。物体に対する固定の3D位置はその物体の表面上、すなわち、接点であり得るが、物体から定義された距離(ゼロを上回る)をもつ点でもあり得ることが理解されるであろう。それは、物体の表面からの距離(物体の外部または内部の位置を可能にする)または物体の特定の点までの距離(例えば、物体がボールである場合、ボールの中心)であり得る。
一実施形態によれば、物体に対して固定の3D位置をもつ更なる物体は、物体と接触しているか、または物体まで定義された距離にあり得る。物体に対する更なる物体の配向は、固定または可変のいずれかであり得、更なる物体の配向は、回転に起因して、および/または物体に対する更なる物体の平行移動に起因して、変わり得ることに留意されたい。
X線画像の位置合わせは、3つ以上の物体とも実行され得ることが理解されるであろう。
様々な実施形態によれば、次は(基準体なしで)画像位置合わせを可能にする例である:
1.大腿骨頭または人工大腿骨頭(股関節インプラントの一部として)のボール(物体1)による近似およびkワイヤーまたはドリルの先端(物体2)の使用、その間、画像間で許容されるCアームの動きも制限する。
2.骨幹または椎体の円柱(物体1)による近似およびkワイヤーまたはドリルの先端(物体2)の使用、許容されるCアームの動きは画像間で制限されることもあれば、制限されないこともある。
3.大腿骨頭または人工大腿骨頭(股関節インプラントの一部として)のボール(物体1)による近似および大腿骨骨幹の円柱(物体2)による近似の使用、画像間で許容されるCアームの動きは制限される必要がない。
4.骨内に固定されたガイドロッド(ガイドロッドは、それがあまりに遠くまで挿入されるのを防ぐ止め具を有する)またはkワイヤーの使用、その間、画像間で許容されるCアームの動きも制限する。この場合、1つの物体だけが使用され、本方法は、画像間で制限されたCアームの動きによって具現化される。
5.骨内に固定されたガイドロッドまたはkワイヤー(物体1)および大腿骨頭のボール(物体2)による近似の使用。
1.大腿骨頭または人工大腿骨頭(股関節インプラントの一部として)のボール(物体1)による近似およびkワイヤーまたはドリルの先端(物体2)の使用、その間、画像間で許容されるCアームの動きも制限する。
2.骨幹または椎体の円柱(物体1)による近似およびkワイヤーまたはドリルの先端(物体2)の使用、許容されるCアームの動きは画像間で制限されることもあれば、制限されないこともある。
3.大腿骨頭または人工大腿骨頭(股関節インプラントの一部として)のボール(物体1)による近似および大腿骨骨幹の円柱(物体2)による近似の使用、画像間で許容されるCアームの動きは制限される必要がない。
4.骨内に固定されたガイドロッド(ガイドロッドは、それがあまりに遠くまで挿入されるのを防ぐ止め具を有する)またはkワイヤーの使用、その間、画像間で許容されるCアームの動きも制限する。この場合、1つの物体だけが使用され、本方法は、画像間で制限されたCアームの動きによって具現化される。
5.骨内に固定されたガイドロッドまたはkワイヤー(物体1)および大腿骨頭のボール(物体2)による近似の使用。
本方法は、位置合わせ精度を高めるため、または他の結果を検証するためにも使用され得ることに留意されたい。すなわち、その1つ以上が単独での3D位置合わせさえ可能にする、複数の物体または1つの物体の少なくとも複数の部分を使用した、恐らくは許容されるCアームの動きも制限する、画像の位置合わせの場合、この重複決定は、提案される方法を使用しない場合と比較して、位置合わせ精度を向上させ得る。代替として、画像は、利用可能な物体または特徴のサブセットに基づいて位置合わせされ得る。かかる位置合わせは、(位置合わせのために使用されなかった)残りの物体または特徴の検出を検証するために使用され得るか、またはそれは、画像間での動き(例えば、開口器具の先端が動いているかどうか)を検出するのを可能にし得る。
本アプローチのさらに別の実施形態は、X線画像間で許可されるCアームの動きを制限しながら(例えば、平行移動だけが許可される)、物体の異なる(しかし、恐らくは重なり合っている)部分を示す2つ以上のX線画像(例えば、大腿骨の近位部を示す1つのX線画像および同じ大腿骨の遠位部を示す別のX線画像)を、全ての利用可能なX線投影画像に1つのモデルを一緒に適合させることによって、位置合わせすることであり得る。適合されたモデルは、完全または部分的な3Dモデル(例えば、統計的形状または外観モデル)であり得るか、またはそれは、物体のある幾何形状態様(例えば、軸、平面または選択点の位置)だけを記述する縮小モデルでもあり得る。
以下で詳細に説明されるとおり、物体の3D再構築は、位置合わせされたX線画像に基づいて決定され得る。X線画像の位置合わせは、物体(または複数の物体の少なくとも1つ)の3D再構築に基づいて実行および/または向上され得ることが理解されるであろう。位置合わせされたX線画像に基づいて決定された3D再構築は、更なるX線画像の位置合わせのために使用され得る。代替として、物体の3D再構築は、物体の3Dモデルと一緒に単一または第1のX線画像に基づいて決定されて、次いで第2のX線画像を第1のX線画像と位置合わせする際に使用され得る。
一般に、X線画像の位置合わせおよび/または3D再構築は、次の状況で有利であり得る:
・大腿骨における前捻角の決定が対象である。
・脛骨または上腕骨における捻転角の決定が対象である。
・大腿骨の頭部と骨幹との間のCCD角度の決定が対象である。
・長骨の前湾曲(antecurvation)の決定が対象である。
・骨の長さの決定が対象である。
・大腿骨、脛骨または上腕骨におけるインプラント用の入口点の決定が対象である。
・大腿骨における前捻角の決定が対象である。
・脛骨または上腕骨における捻転角の決定が対象である。
・大腿骨の頭部と骨幹との間のCCD角度の決定が対象である。
・長骨の前湾曲(antecurvation)の決定が対象である。
・骨の長さの決定が対象である。
・大腿骨、脛骨または上腕骨におけるインプラント用の入口点の決定が対象である。
以下に、物体組合せの例が説明のためにリストされる。
・物体1は上腕頭であり、点は開口器具またはドリルの先端である。
・物体1は椎骨であり、点は、椎骨の表面上に置かれた開口器具またはドリルの先端である。
・物体1は脛骨であり、点は開口器具の先端である。
・物体1は脛骨であり、物体2は腓骨、大腿骨もしくは距骨または足の別の骨である。
・物体1は大腿骨の近位部であり、物体2は、大腿骨の表面における開口器具である。
・物体1は大腿骨の遠位部であり、物体2は、大腿骨の表面における開口器具である。
・物体1は大腿骨の遠位部であり、物体2は大腿骨の近位部であり、少なくとも1つのX線画像は、大腿骨の遠位部を示しており、少なくとも1つのX線画像は、大腿骨の近位部を示しており、更なる物体は、大腿骨の近位部上に置かれた開口器具である。
・物体1は腸骨であり、物体2は仙骨であり、点は開口器具またはドリルの先端である。
・物体1は骨内に植え込まれた髄内釘であり、物体2は骨である。
・物体1は骨内に植え込まれた髄内釘であり、物体2は骨であり、点は、開口器具、ドリルまたは固定ネジのようなサブインプラントの先端である。
・物体1は上腕頭であり、点は開口器具またはドリルの先端である。
・物体1は椎骨であり、点は、椎骨の表面上に置かれた開口器具またはドリルの先端である。
・物体1は脛骨であり、点は開口器具の先端である。
・物体1は脛骨であり、物体2は腓骨、大腿骨もしくは距骨または足の別の骨である。
・物体1は大腿骨の近位部であり、物体2は、大腿骨の表面における開口器具である。
・物体1は大腿骨の遠位部であり、物体2は、大腿骨の表面における開口器具である。
・物体1は大腿骨の遠位部であり、物体2は大腿骨の近位部であり、少なくとも1つのX線画像は、大腿骨の遠位部を示しており、少なくとも1つのX線画像は、大腿骨の近位部を示しており、更なる物体は、大腿骨の近位部上に置かれた開口器具である。
・物体1は腸骨であり、物体2は仙骨であり、点は開口器具またはドリルの先端である。
・物体1は骨内に植え込まれた髄内釘であり、物体2は骨である。
・物体1は骨内に植え込まれた髄内釘であり、物体2は骨であり、点は、開口器具、ドリルまたは固定ネジのようなサブインプラントの先端である。
3D表現/再構築の計算
一旦、2つ以上のX線画像が位置合わせされると、それらはX線画像内に少なくとも部分的に示された解剖学的構造の3D表現または再構築を計算するために使用され得る。一実施形態によれば、これは、P.Gamageらによる「3D reconstruction of patient specific bone models from 2D radiographs for IMAGE guided orthopedic surgery」DOI:10.1109/DICTA.2009.42によって提案されたラインに沿って進められ得る。第1のステップで、対象の骨構造の特徴(典型的には特徴的な骨縁、それは、外側の骨輪郭および一部の特徴的な内側縁を含み得る)が、恐らくは、セグメント化のために訓練されたニューラルネットワークを使用して、各X線画像内で決定される。第2のステップで、対象の骨構造の3Dモデルが、その2D投影が、全ての利用可能なX線画像内で第1のステップで決定された特徴(例えば、特徴的な骨縁)に一致するように、変形される。Gamageらによる論文では、対象の解剖学的構造に対して汎用3Dモデルを使用するが、他の3Dモデル、例えば、統計的形状モデル、も使用され得る。この手順は、画像間の相対視野角(画像の位置合わせによって提供される)だけでなく、画像の1つに対する撮像方向も必要とすることに留意されたい。この方向は、既知であり得る(例えば、外科医は特定の視線方向、例えば、前後方向(AP)または内-外側方向(ML)、からの画像を取得するように指示されたため)か、または、様々なアプローチ(例えば、LU100907B1の使用による)に基づいて推定され得る。画像間の相対視野角がより正確である場合、3D再構築の精度は向上し得るが、画像の1つに対する撮像方向を決定する精度は重要な要素ではない可能性がある。
一旦、2つ以上のX線画像が位置合わせされると、それらはX線画像内に少なくとも部分的に示された解剖学的構造の3D表現または再構築を計算するために使用され得る。一実施形態によれば、これは、P.Gamageらによる「3D reconstruction of patient specific bone models from 2D radiographs for IMAGE guided orthopedic surgery」DOI:10.1109/DICTA.2009.42によって提案されたラインに沿って進められ得る。第1のステップで、対象の骨構造の特徴(典型的には特徴的な骨縁、それは、外側の骨輪郭および一部の特徴的な内側縁を含み得る)が、恐らくは、セグメント化のために訓練されたニューラルネットワークを使用して、各X線画像内で決定される。第2のステップで、対象の骨構造の3Dモデルが、その2D投影が、全ての利用可能なX線画像内で第1のステップで決定された特徴(例えば、特徴的な骨縁)に一致するように、変形される。Gamageらによる論文では、対象の解剖学的構造に対して汎用3Dモデルを使用するが、他の3Dモデル、例えば、統計的形状モデル、も使用され得る。この手順は、画像間の相対視野角(画像の位置合わせによって提供される)だけでなく、画像の1つに対する撮像方向も必要とすることに留意されたい。この方向は、既知であり得る(例えば、外科医は特定の視線方向、例えば、前後方向(AP)または内-外側方向(ML)、からの画像を取得するように指示されたため)か、または、様々なアプローチ(例えば、LU100907B1の使用による)に基づいて推定され得る。画像間の相対視野角がより正確である場合、3D再構築の精度は向上し得るが、画像の1つに対する撮像方向を決定する精度は重要な要素ではない可能性がある。
決定された3D表現の精度は、対象の骨構造上の、1つ以上の点、または部分的な表面でさえ、の3D位置に関する事前情報を組み込むことによって向上され得る。例えば、植え込まれた釘のある大腿骨の3D再構築において、kワイヤーは、X線画像内の大腿骨の表面上の特定の点を示すために使用され得る。以前の手順ステップから、植え込まれた釘によって与えられた座標系内のこの示された点の3D位置は既知であり得る。この知識は次いで、大腿骨の3D表面をより正確に再構築するために使用され得る。特定の点の3D位置に関するかかる事前情報が利用可能な場合、これは単一のX線画像に基づいた3D再構築さえ可能にし得る。その上、インプラント(プレートなど)が骨の部分の形状と一致して、その骨のこの一致している部分上に置かれている場合、この情報も3D再構築のために使用され得る。
代替アプローチとして、物体(例えば、骨)の3D再構築も、事前の画像位置合わせなしで実行され得る、すなわち、画像の位置合わせおよび3D再構築も、LU101009B1によって提案されたとおり、一緒に実行され得る。本開示では、許容されるCアームの動きを制限すること、ならびに/または同時の位置合わせおよび再構築がそれに基づく画像の少なくとも2つ内に存在する別の物体(例えば、ドリルまたはkワイヤー)の容易に検出可能な特徴を利用することにより、精度を向上させて曖昧さ解決することが教示される。かかる容易に検出可能な特徴は、例えば、再構築される物体の表面上、またはそれから既知の距離のいずれかに位置する、kワイヤーもしくはドリルの先端であり得る。この特徴は、画像の取得間で動いてはならない。kワイヤーまたはドリルの場合、これは、機器自体は、その先端が定位置にある限り、その傾斜が変わり得ることを意味する。事前の画像位置合わせなしでの再構築は、3つ以上の画像がかかる再構築のために使用されている場合、うまく機能し得る。同時の位置合わせおよび3D再構築は全てのパラメータの同時最適化(すなわち、位置合わせおよび再構築の両方に対して)を可能にするので、同時の画像位置合わせおよび3D再構築は一般に、位置合わせが最初に実行されるアプローチより性能が優れていることに留意されたい。これは特に、例えば、植え込まれた釘またはプレート、およびその表面上の点の3D位置に関する事前情報を用いて、骨の3D表面を再構築する、重複決定された事例に当てはまる。
同時の画像位置合わせおよび3D再構築のために、第1の物体の第1の部分を示す第1のX線画像が受信され得、第1のX線画像は、第1の撮像方向および第1の物体に対するX線源の第1の位置で生成されて、第1の物体の第2の部分を示す少なくとも1つの第2の画像が受信され得、第2のX線画像は、第2の撮像方向および第1の物体に対するX線源の第2の位置で生成される。第1の物体のモデルを使用することにより、そのモデルはX線画像内の外観と一致するように変形および適合できるので、2つのX線画像内の第1の物体の投影は、画像の空間的関係が決定できるように一緒に照合され得る。かかる同時の位置合わせおよび3D再構築の結果は、第1の物体に対して固定の3D位置を有する少なくとも1つの点によって向上され得、その点は、X線画像の少なくとも2つ内で識別可能で検出可能である(3D再構築を改善しながら、3つ以上の画像も位置合わせされ得ることが理解されるであろう)。さらに、第1の物体に対して固定の3D位置をもつ第2の物体の少なくとも一部が考慮に入れられ得、第2の物体のモデルに基づき、少なくとも部分的な第2の物体がX線画像内で識別されて検出され得る。
第1の物体の第1の部分および第2の部分が重なり合い得、それは、結果の精度を向上させることに留意されたい。例えば、第1の物体の所謂第1および第2の部分は両方とも、大腿骨の近位部であり得、撮像方向は、少なくとも大腿骨の外観が画像内で異なるように、異なる。
植込み曲線および/または入口点の決定
釘もしくはネジなどのインプラントがそれに沿って骨内に挿入されて植え込まれる、植込み曲線もしくは経路を決定すること、および/または外科医がインプラントを挿入するために骨を切開する点である、入口点を決定することは、本発明の目的であり得る。入口点は従って、植込み曲線と骨表面の交点である。植込み曲線は、直線(または軸)であり得るか、またはインプラント(例えば、釘)は湾曲を有するので、屈曲でもあり得る。入口点の最適位置は、インプラント、および骨内の骨折の位置、すなわち、骨折が遠位または近位方向においてどれくらい遠く離れているかによっても、決まり得ることに留意されたい。
釘もしくはネジなどのインプラントがそれに沿って骨内に挿入されて植え込まれる、植込み曲線もしくは経路を決定すること、および/または外科医がインプラントを挿入するために骨を切開する点である、入口点を決定することは、本発明の目的であり得る。入口点は従って、植込み曲線と骨表面の交点である。植込み曲線は、直線(または軸)であり得るか、またはインプラント(例えば、釘)は湾曲を有するので、屈曲でもあり得る。入口点の最適位置は、インプラント、および骨内の骨折の位置、すなわち、骨折が遠位または近位方向においてどれくらい遠く離れているかによっても、決まり得ることに留意されたい。
植込み曲線および/または入口点が決定される必要があり得る様々な場合がある。いくつかの事例では、特に、完全な解剖学的整復がまだ実行されていない場合、入口点だけが決定され得る。他の事例では、植込み曲線が最初に取得され、入口点が次いで、植込み曲線と骨表面の交点を決定することによって取得される。さらに他の事例では、植込み曲線および入口点は、同時に決定される。これらの事例の全てに対する例が本発明で説明される。
一般に、2D X線画像が一実施形態に従って受信され、そのX線画像は対象の手術部位を示す。そのX線画像内で、対象の構造と関連付けられた第1の点および植え込まれることを目的とするインプラントのための骨内の植込み経路が決定され得、植込み曲線または経路は、第1の点に対して予め定められた関係を有する。骨内へのインプラントの挿入のための入口点は、植込み経路上に位置付けられる。第1の点は、入口点ではない可能性があることが理解されるであろう。
骨の3D再構築に基づいて、本システムは、最適なインプラントを選択して、インプラントが骨の狭い箇所から十分に遠く離れるように、骨内(すなわち、入口点、挿入の深さ、回転など)の最適位置(植込み曲線)を計算するのも支援し得る。一旦、入口点が選択されると、本システムは、実際の入口点に基づいて(インプラントが骨内で既に目に見える場合)骨内の新しい理想的な位置を計算し得る。本システムは次いで、骨片の実際の位置を考慮に入れて3D再構築を更新し得る。本システムは、まだ植え込まれていないサブインプラントの予測される位置も計算および表示し得る。例えば、頭髄釘の事例では、ネックスクリュー/ブレードの予測される位置が大腿近位部の完全な3D再構築に基づいて計算され得る。
フリーハンドの固定手順
2D X線画像内の点および植込み経路の前述の一般的な決定に基づいて、例えば、骨釘の固定用ネジの植込みを考える場合、次の条件が、植込み経路と点との間の予め定められた関係に対して満足され得る:対象の構造がインプラント内の穴である場合、その穴は予め定められた軸を有し得、点はその穴の中心と関連付けられ得、植込み経路はその穴の軸の方向における点であり得る。
2D X線画像内の点および植込み経路の前述の一般的な決定に基づいて、例えば、骨釘の固定用ネジの植込みを考える場合、次の条件が、植込み経路と点との間の予め定められた関係に対して満足され得る:対象の構造がインプラント内の穴である場合、その穴は予め定められた軸を有し得、点はその穴の中心と関連付けられ得、植込み経路はその穴の軸の方向における点であり得る。
考えられる用途として、インプラントが、そのインプラントの穴を通してネジを植え込むことによって固定される、フリーハンドの固定手順に対するワークフロー例が説明される。一実施形態によれば、既に植え込まれた釘がX線画像内で位置が突き止められ、それは植込み曲線を決定する。ここで、植込み曲線は、それに沿ってネジが植え込まれる、直線(軸)である。骨表面(少なくとも植込み曲線の近く)の3D再構築が、既に植え込まれた釘に対して(すなわち、釘によって与えられた座標系内で)実行され得る。これは次のように進められ得る。少なくとも2つのX線画像が異なる視線方向(例えば、1つのAPまたはML画像および斜角から取られた1つの画像)から取得される。X線画像は、ニューラルネットにより、例えば、植え込まれた釘に関して、分類され、およびそれを使用して位置合わせされ得、骨輪郭が、恐らくはニューラルネットにより、全ての画像内でセグメント化される。骨表面の3D再構築は恐らく、上で概説された3D再構築手順に従い得る。植込み曲線と骨表面の交点が、釘に対する入口点の3D位置を決定する。X線画像内の視線方向は位置が突き止められた釘に基づいて決定され得るので、これは、所与のX線画像内で入口点の位置を示すのも可能にする。
釘に対する骨表面上の少なくとも1つの点の既知の3D位置を組み込むことにより、本手順の精度を向上させることが可能であり得る。かかる知識は、本発明における手順を、EP19217245によって教示されるフリーハンド固定手順と組み合わせることによって取得され得る。可能なアプローチは、EP19217245を使用して第1の固定穴用の入口点を取得することであり得、それはその後、骨表面上の既知の点となる。この既知の点は、本発明において、骨の3D再構築ならびに第2および更なる固定穴用の入口点の後続の決定のために使用され得る。骨表面上の点は、例えば、その骨表面に触れているドリルの先端によっても識別され得る。1つの点が、異なる撮像方向から取得された2つ以上のX線画像内で識別される場合、これは精度を向上させ得る。
大腿骨内に釘を植え込むための入口点の決定
2D X線画像内での第1の点および植込み経路の前述した一般的な決定に基づいて、釘の大腿骨内への植込みを考える場合、植込み経路と第1の点との間の予め定められた関係に対して、次の条件の少なくとも1つが満足され得る:
対象の構造が大腿骨頭である場合、第1の点は大腿骨頭の中心と関連付けられ得、その結果、植込み経路の近位延長上に、すなわち、X線画像内の入口点に対して近位に、位置付けられ得る。
対象の構造が大腿骨頸部の狭い部分である場合、第1の点は、大腿骨頸部の狭い部分の断面の中心と関連付けられ得、植込み経路の近位延長は、前記狭い部分内で、大腿骨頸部の外表面よりも、第1の点により近い可能性がある。
対象の構造が大腿骨骨幹の狭い部分である場合、第1の点は、大腿骨骨幹の近位端における狭い部分の断面の中心と関連付けられ得、植込み経路は、前記狭い部分内で、大腿骨骨幹の外表面よりも、第1の点により近い可能性がある。
対象の構造が大腿骨骨幹の峡部である場合、第1の点は、峡部の断面の中心と関連付けられ得、第1の点は植込み経路上に位置付けられ得る。
2D X線画像内での第1の点および植込み経路の前述した一般的な決定に基づいて、釘の大腿骨内への植込みを考える場合、植込み経路と第1の点との間の予め定められた関係に対して、次の条件の少なくとも1つが満足され得る:
対象の構造が大腿骨頭である場合、第1の点は大腿骨頭の中心と関連付けられ得、その結果、植込み経路の近位延長上に、すなわち、X線画像内の入口点に対して近位に、位置付けられ得る。
対象の構造が大腿骨頸部の狭い部分である場合、第1の点は、大腿骨頸部の狭い部分の断面の中心と関連付けられ得、植込み経路の近位延長は、前記狭い部分内で、大腿骨頸部の外表面よりも、第1の点により近い可能性がある。
対象の構造が大腿骨骨幹の狭い部分である場合、第1の点は、大腿骨骨幹の近位端における狭い部分の断面の中心と関連付けられ得、植込み経路は、前記狭い部分内で、大腿骨骨幹の外表面よりも、第1の点により近い可能性がある。
対象の構造が大腿骨骨幹の峡部である場合、第1の点は、峡部の断面の中心と関連付けられ得、第1の点は植込み経路上に位置付けられ得る。
実施形態では、対象の構造は、X線画像内で完全に目に見える必要はない。対象の構造の20パーセント~80パーセントだけがX線画像内で目に見えることは十分であり得る。特定の対象の構造、すなわち、対象の構造が大腿骨頭、大腿骨頸部、大腿骨骨幹または別の解剖学的構造かどうか、に応じて、その構造の少なくとも30~40パーセントが目に見える必要がある。その結果、例えば、大腿骨頭の中心を、たとえその中心自体がX線画像内で目に見えない、すなわち、撮像領域の外側にあっても、大腿骨頭のわずか20パーセント~30パーセントだけが目に見える場合でさえ、識別することが可能であり得る。大腿骨骨幹の峡部に対しても、たとえ峡部が撮像領域の外側にあって、大腿骨骨幹のわずか30~50パーセントだけが目に見えるとしても、同じことが可能である。
画像内で対象の点を検出するために、各画素が潜在的なキーポイントであるかどうかを分類する、ニューラルセグメンテーションネットワークが使用され得る。ニューラルセグメンテーションネットワークは、真のキーポイントに位置付けられた中心をもつ2Dガウスヒートマップで訓練できる。ガウスヒートマップは、回転不変であり得るか、または特定の方向における不確かさが許容できる場合、ガウスヒートマップも方向性があり得る。対象の点を画像自体の外側で検出するために、1つの可能なアプローチは、外挿を可能にするために画像自体内に含まれる全ての情報を使用して、元の画像の外側の追加の画素をセグメント化することであり得る。
髄内または頭髄釘を大腿骨内に植え込むための入口点を決定するためのワークフロー例が提示される。一実施形態によれば、第1に、植込み曲線の投影がX線画像に対して決定される。この実施形態では、植込み曲線は直線(すなわち、植込み軸)によって近似される。第1のステップとして、現在のX線画像が、植込み軸を決定するための必要な要件を満足するかどうかがチェックされ得る。これらの要件は、画像品質、解剖学的構造のある部位の十分な可視性、および解剖学的構造上への少なくとも概ね適切な視野角(ML)を含み得る。さらに、要件は、前述の条件が満足されるかどうかを含み得る。これらの要件は、画像処理アルゴリズムにより、恐らくはニューラルネットワークを利用して、チェックされ得る。その上、該当する場合、骨片の相対位置が決定されて、それに基づいて、これらの骨片が十分にうまく配置されている(すなわち、解剖学的整復が十分にうまく実行されている)かどうかが判断され得る、それら所望の位置と比較され得る。
さらに詳細には、前述の条件は以下のとおり説明され得る。植込み軸は、少なくとも2つの解剖学的ランドマーク(例えば、これらは大腿骨頭の中心および大腿骨骨幹の峡部であり得る)と関連付けられる、1つの点および方向によって決定される。前述のとおり、ランドマークは、たとえそれがX線画像内で目に見えなくても、ニューラルネットワークによって決定され得る。提案された植込み軸が許容可能か否かが、提案された軸から骨輪郭上の様々なランドマークまでの距離をX線内で目に見えるとして判断することによりチェックされ得る。例えば、提案された植込み軸は、大腿骨頸峡部の中心近くを通るべきである、すなわち、それは骨表面に近過ぎるべきではない。かかる条件に違反する場合、X線画像は適切な撮像方向から取得されておらず、異なる撮像方向からの別のX線画像が取得される必要がある。異なる視線方向からの別のX線画像内で植込み曲線を決定すると、異なる植込み軸となり得、従って、異なる入口点となり得る。本発明は、適切な方向からX線画像を取得するために撮像装置を調整する方法も教示する。
インプラントは湾曲を有し得、それは、真っ直ぐな植込み軸は、挿入されたインプラントの投影を近似し得るのみであることを意味することに留意されたい。本発明は代わりに、インプラントの3Dモデルに基づいて、インプラントの2D投影にもっと忠実に従う植込み曲線も決定し得る。かかるアプローチは、植込み曲線を決定するために2つ以上の解剖学的ランドマークと関連付けられた複数の点を使用し得る。
植込み軸の投影は3D空間内で植込み平面を決定する(または、より一般的には、植込み曲線の投影は、2次元マニホールドを3D空間内で決定する)。入口点は、この植込み平面を、線によって近似され得、入口点を含むことが分かっている別の骨構造と交差させることによって取得され得る。大腿骨の場合、かかる骨構造は、転子縁(trochanter rim)であり得、それは、線によってうまく近似するために十分に狭くて真っ直ぐであり、その上に入口点が位置すると考えられ得る。インプラントに応じて、入口点用の他の位置が、例えば、梨状筋窩上に、可能であり得ることに留意されたい。
転子縁は、横方向X線画像内で検出可能であり得る。代替として、または追加として、入口点に対するその位置に関する何らかの事前情報が既知である、画像内で識別可能な別の点(例えば、示されたkワイヤーまたは何らかの他の開口器具の先端)が利用され得る。大腿骨の場合、これに対する例は、触診により、かつ/または異なる視野角(例えば、AP)から以前に取得されたX線が少なくとも1つの寸法または自由度においてkワイヤーの先端の位置を制限するために、kワイヤーの先端が転子縁上に位置していることが分かっている場合であろう。
入口点に対するkワイヤーの(または何らかの他の開口器具の)先端に関するかかる事前情報を利用する少なくとも3つの方法があり得る。最も容易な可能性は、kワイヤーの先端の、植込み軸の投影上への直交投影を使用することであり得る。この場合、異なる角度(例えば、AP)から取得された後続のX線画像内で、kワイヤーの先端をML画像内の情報に基づいて再配置し、恐らくは、再配置後に新しいML画像を取得した後に、kワイヤーの先端が依然として所望の構造(転子縁)上にあるかどうかをチェックすることが要求され得る。別の可能性は、解剖学的事前情報に基づいて構造の投影(ML画像内では識別可能ではない可能性がある)と植込み軸の投影との間の角度を推定し、kワイヤーの先端を、この推定された角度で植込み軸の投影上に斜めに投影することである。最後に、第3の可能性は、APおよびML画像の位置合わせされたペアを使用して、ML画像内で、kワイヤーの先端およびAP画像の焦点を結合することによって画定された投影されたエピポーラ線の投影された植込み軸との交点を計算することであり得る。一旦、入口点が取得されると、これは3D空間内でも植込み軸を決定する。
代替として、植込み平面とのその交点が入口点を決定する、骨構造(ここでは、転子縁)は、大腿近位部の部分的3D再構築を実行することによっても見つかり得る。一実施形態によれば、この3D再構築は、その少なくとも2つがkワイヤーを含む、異なる視線方向からの2つ以上のX線画像に基づいて、次のように進められ得る。大腿骨の特徴的な骨縁(少なくとも骨輪郭を含む)が全てのX線画像内で検出される。さらに、全てのX線画像内で、大腿骨頭が見つかり、円によって近似されて、kワイヤーの先端が検出される。画像は今や、特徴的な骨縁、近似された大腿骨頭およびkワイヤーの先端、ならびに制限されたCアームの動きに基づき、上で提示されたアプローチを使用して位置合わせされ得る。画像位置合わせの後、少なくとも転子部位を含む3D表面が再構築され得る。3D再構築の精度は、骨表面からのkワイヤーの先端の距離(例えば、AP画像から分かり得る)に関する事前情報を利用することによって向上され得る。この手順に対する様々な代替手段が可能であり、それらは、実施形態の詳細な説明で記述される。
前述のアプローチでは、植込み曲線が2D X線画像内で決定され、次いで、入口点を取得するための様々な代替手段が説明される。代替として、手順全体(すなわち、植込み曲線および入口点の決定)が、骨幹の十分な部分を含む、大腿近位部(または、逆行性釘を使用する場合、大腿遠位部)の3D再構築に基づき得る。かかる3D再構築は再度、上で提示された方法を使用して位置合わせされている、複数のX線画像に基づき得る。例えば、位置合わせは、大腿骨頭のボールによる近似、および骨幹の円柱または平均骨幹形状による近似を使用し得る。代替として、位置合わせおよび骨再構築(表面ならびに恐らくは、髄管および内皮質のような内部構造も含み得る)の同時の最適化および決定が実行され得る。一旦、大腿骨の関連部分の3D再構築が取得されると、3D植込み曲線は、インプラント表面と骨表面との間の距離を最適化することによって適合され得る。3D植込み曲線と既に決定された3D骨表面の交差は、入口点をもたらす。
2D X線画像に関して植込み曲線の位置および配向が、第1の点に基づいて決定され、植込み曲線は、骨の表面までの第1の距離をもつ骨内の第1の部分、および骨の表面までの第2の距離をもつ骨内の第2の部分を含み、第1の距離は、第2の距離よりも小さく、第1の点は骨の第1の識別可能な構造上に位置付けられ、植込み軸の第1の部分に対して少し離れて位置付けられる。骨の識別可能な構造上に位置付けられ得、かつ植込み曲線の第2の部分に対して少し離れて位置付けられ得る、第2の点が利用され得る。さらに、植込み曲線の位置および配向は、少なくとも1つの更なる点に基づいてさらに決定され得、少なくとも1つの更なる点は骨の第2の識別可能な構造上に位置付けられて、植込み曲線上に位置付けられる。
脛骨内へ釘を植え込むための入口点の決定
上の「3D表現/再構築の計算」セクションで説明された同時の位置合わせおよび3D再構築に基づいて、髄内釘を脛骨に植え込むための入口点が決定され得る。
上の「3D表現/再構築の計算」セクションで説明された同時の位置合わせおよび3D再構築に基づいて、髄内釘を脛骨に植え込むための入口点が決定され得る。
一実施形態によれば、ユーザーが開口器具(例えば、ドリルまたはkワイヤー)を脛骨の表面上に、その近位部の任意の点であるが、理想的には推測される入口点の近くに置くことを要求することによって、精度を向上させて、曖昧さを解決することが提案される。ユーザーは、脛骨の近位部の横方向画像および少なくとも1つのAP画像を取得する。脛骨の3D再構築は、開口器具の先端は画像間で動かないという事実を考慮に入れて、脛骨の統計的モデルを全てのX線画像のその投影に一緒に適合させることによって計算され得る。精度は、ユーザーが、異なる(例えば、略AP)撮像方向からの2つ以上の画像、および場合によっては別の(例えば、横方向)画像も取得することを要求することによって更に向上され得る。いかなる重複決定も、開口器具の先端の考えられる動きを検出するのを可能にし、かつ/または開口器具の先端の検出を検証し得る。
脛骨の3D再構築に基づき、本システムは、例えば、適合された統計的モデルの平均形状上で入口点を識別することによって、入口点を決定し得る。順行性脛骨釘用の入口点を画像だけに基づいて(すなわち、触診なしで)見つけるためのかかるガイダンスは、外科医が、膝蓋骨上アプローチ(suprapatellar approach)を実行するのを可能にし得、それは一般に、好ましくあり得るが、慣例的には、入口点における骨の触診が可能でないという欠点を有することに留意されたい。
上腕骨内へ釘を植え込むための入口点の決定
上で提示された提案された画像位置合わせおよび再構築技法の更なる用途は、髄内釘を上腕骨に植え込むための入口点の決定であり得る。
上で提示された提案された画像位置合わせおよび再構築技法の更なる用途は、髄内釘を上腕骨に植え込むための入口点の決定であり得る。
一般に、X線画像を処理するための処理装置を含むシステムは、前述の目的を達成するためにX線画像に基づく上腕骨手術を支援するために利用され得る。ソフトウェアプログラム製品は、処理装置上で実行される場合、本システムに、次のステップを含む方法を実行させる。まず、第1の撮像方向で生成されていて、上腕骨の近位部を示している、第1のX線画像が受信され、第2の撮像方向で生成されていて、上腕骨の近位部を示している、第2のX線画像が受信される。それらの画像は、上腕骨幹部の近位部ならびに関節面および更に関節窩、すなわち、肩に補完的な関節構造をもつ上腕骨頭、を含み得る。第2の撮像方向は典型的には、第1の撮像方向とは異なることに留意されたい。次いで、(i)第1および第2のX線画像が位置合わせされ、(ii)両方の画像内で上腕骨頭の2D輪郭の少なくとも一部の近似が決定され、(iii)近似された2D輪郭ならびに第1および第2の画像の位置合わせに基づく上腕骨頭の3D近似が決定されて、(iv)第1および第2のX線画像内の少なくとも3つの異なる点の総計の2D画像座標が決定される。最後に、解剖頸の近似が、少なくとも3つの決定された点に基づく上腕骨頭の3D近似上の曲線として決定される。少なくとも3つの点は、決定された曲線上にある必要はないことに留意されたい。第1の3つの点と同じ平面上にない、解剖頸の追加の点を決定することが可能な場合、解剖頸の更にもっと正確な近似が決定され得る。これは、解剖頸の回転位置、および従って、肩関節軸の周りの上腕骨頭の決定を可能にし得る。関節軸の周りの回転位置を決定するための別の方法は、大結節および/または小結節の位置を、2つのうちの少なくとも1つが近位骨片に対して固定位置にある場合に、検出することであり得る。別の代替手段は、手術前に取得された3D情報(例えば、CTスキャン)を使用して、手術中のX線画像に基づく近位骨片の3D再構築を生成することであり得る。この方法は、前述した方法と組み合わされ得る。
一実施形態によれば、上腕骨頭の2D輪郭の少なくとも一部の近似は、2D円または2D楕円であり得る。さらに、上腕骨頭の3D近似は、3Dボールまたは3D楕円体であり得る。解剖頸の近似は、3D空間内の円または楕円であり得る。
一実施形態によれば、更なるX線画像が受信され得、第1のX線画像、第2のX線画像、および更なるX線画像から成る群の中からのX線画像の少なくとも2つ内の上腕骨幹軸の近似が決定され得る。第1および第2のX線画像の位置合わせと一緒に、少なくとも2つのX線画像内の近似された上腕骨幹軸に基づいて、上腕骨の3D幹軸の近似が決定され得る。
開示される方法の一実施形態によれば、入口点および/または骨折した上腕骨の近位骨片の転位(dislocation)が次いで、近似された解剖頸および近似された3D幹軸および/または上腕骨関節の近似された関節窩に基づいて決定され得る。その結果、植込み曲線が、入口点および頭の転位に基づいて近位骨片内で決定され得る。さらに、近位骨片を整復するための情報が提供され得る。
一実施形態によれば、少なくとも2つのX線画像が位置合わせされ得、これら2つのX線画像は第1のX線画像、第2のX線画像、および更なるX線画像からの2つであり得る。X線画像は、上腕骨頭のモデルに基づき、かつ上腕骨頭に対して固定の3D位置を有する1つの追加の点に基づき、位置合わせされ得、その点は、少なくとも2つのX線画像内で識別および検出される。1つの追加の点は、器具の先端であり得、上腕骨頭の関節表面上に位置付けられ得る。この場合、その点と上腕骨頭の中心との間の距離がボールによって近似された上腕骨頭の半径と等しいという事実が、X線画像の位置合わせの精度を高めるために利用され得る。
以下で、本開示に従った方法の態様がさらに詳細に説明される。肩関節内に位置している上腕骨頭は、ボール(球体)によって近似され得る。以下で、特に指定のない限り、上腕骨はかかるボールによって近似され、それは、X線画像内の上腕骨の投影の円による近似を意味することが理解される。従って、「中心」および「半径」は常に、かかる近似しているボールまたは円を指す。上腕骨頭の、例えば、楕円体による、他の単純な幾何学的近似を使用することも可能であり得ることに留意されたい。その場合、解剖頸は楕円によって近似されるであろう。
以下で、入口点決定のためのワークフロー例を説明する。上腕骨内で入口点を決定する際の複雑な問題は、上腕骨釘で治療される骨折はしばしば外科頸に沿って起こり、従って、上腕骨頭の位置を変えるということである。正しい整復では、上腕骨頭の中心は上腕骨幹軸に近接すべきである。一実施形態によれば、これは、上腕骨近位を示す軸方向X線画像内で検証され得る。上腕骨頭の中心が幹軸に十分に近接していない場合、ユーザーは、上腕骨頭の関節軸(検出可能ではない可能性がある)の周りの回転を補正するために、けん引力を腕に対して遠位方向に印加するように助言される。近似の入口点が次いで、頭の中心の略20%内側の幹軸上(前述の典型的な軸方向X線画像内を意味する)に提案される。ユーザーは次いで、開口器具(例えば、kワイヤー)をこの提案された入口点上に置くように要求される。代替として、前述のとおり、位置合わせの精度を高めるために、本システムは、器具の先端が上腕骨頭の球状部分上に位置していることを確実にするために、ユーザーに開口器具を意図的に推測される入口点の内側(軸方向X線画像内の上腕骨頭の示された中心の30~80パーセント上を意味する)に置くように要求する。本システムは、新しい軸方向X線画像内で上腕骨頭およびこの器具の先端を(例えば、ニューラルネットワークの使用によって)検出し得る。
ユーザーは次いで、一定のCアームの動き(例えば、C軸の周りの回転および追加の平行移動)だけを許容して器具の先端を定位置に残しておく(器具の傾斜は変えることが許可される)、AP画像を取得するように指示される。上腕骨頭および器具の先端が再度、検出される。軸方向およびAP画像は次いで、上腕骨頭を近似しているボールおよび器具の先端に基づき、「2つ以上のX線画像の3D位置合わせ」のセクション内で前述のとおり、位置合わせされ得る。
肩関節の関節面の限界を定める曲線は、解剖頸(上腕骨の解剖頸)と呼ばれる。解剖頸は、上腕骨の球状部分の限界を定めるが、それは典型的には、X線画像内で外科医によって識別することは不可能である。それは、平面を、上腕骨頭を近似しているボールと交差させることによって取得される、3D空間内の2D円によって近似され得、その平面は、上腕骨の幹軸に対して傾斜している。球状の関節面は、上向き(外反)に背側へ(患者の腕を肩から下向きに胸と平行に弛緩させて吊して)配向される。3つの点は、この交差する平面を画定するために十分である。軸方向X線画像およびAP X線画像は各々、解剖頸上の2つの点、すなわち、上腕骨の球状部分の限界を定める円の弧の始点および終点、を決定するのを可能にし得る。これはそれ故に、重複決定される問題であり:2つのX線画像に基づき、4つの点が決定され得、一方、交差する平面を画定するために3つの点だけが必要である。追加のX線画像が使用される場合、問題はさらに重複決定されるようになり得る。この重複決定は、交差する平面のさらに正確な計算を可能にし得るか、または、1つの点が、例えば、それが塞がれているので、決定されない可能性がある状況に対処するのを可能にし得る。
決定された平面を、上腕骨頭を近似しているボールと交差させることにより、解剖頸の近似を決定する場合、様々な修正が可能であり得ることに留意されたい。例えば、交差する平面は、上腕骨頭上の解剖頸のより正確な位置を構成するために、横方向にシフトされ得る。代替として、または追加として、解剖頸を近似している円の半径が調整され得る。上腕骨頭を近似するため、および/または解剖頸を近似するために、より多くの自由度をもつ幾何モデルを使用することも可能であり得る。
入口点は、3D空間内で幹軸と骨表面の交点に最も近い解剖頸上の点となるように取られ得るか、またはそれは、その点から内側方向にユーザー定義された距離に位置付けられ得る。このように決定された解剖頸および入口点は、現在のX線画像内でオーバーレイとして表示され得る。この入口点がX線画像内で頭を近似している円に極めて近い場合、これはz座標において潜在的に大きな不正確さとなるであろう。かかる状況を緩和するために、提案された入口点がX線画像内で頭の内部に向かって更に動くように、Cアームを回転させるための指示が与えられ得る。これは、いずれの場合でも、入口点が、近似している円に近接して置かれるX線画像を取得することは、機械的制約に起因して、困難であり得るので、好都合であり得る。言い換えれば、軸方向とAP画像との間のCアームの回転は、例えば、60度であり得、それは、90度回転よりも手術のワークフローにおいて達成がより容易であり得る。
このワークフローの更なる詳細、任意選択の実施態様、および拡張が以下の実施形態の詳細な説明で記述される。
物体の準リアルタイムの継続的3D位置合わせを可能にする更なる位置の特定方法
本開示は、その幾何形状が、その撮像の深さに関する更なる情報なしで位置の特定不能であり得るような物体(例えば、ドリルまたは直径が小さいインプラント)の位置を特定可能にし、かつ釘、骨、またはそれらの組合せなどの別の物体に対するかかる物体の3D位置および3D配向を決定するため(すなわち、これらの物体の3D位置合わせを提供するため)の、2つの更なる方法を教示する。第1の方法は、物体(例えば、ドリル)の2D-3Dマッチを必要とせず、2つのX線画像内でのこの物体の点(例えば、ドリルの先端)の検出で十分であり得る。例えば、穴開け中に軟組織保護スリーブが使用される場合、ドリルの2D-3Dマッチは、X線画像取得の前に、ドリルを止めてスリーブを引っ込めることを要求し得、それは退屈で間違いを起こし易い可能性があるので、これは、好都合であり得る。正確な2D-3Dマッチのために、この引っ込めは、ドリルが既に骨に入っている場合でさえ、そうでなければ、ドリルの先端がX線画像内で十分に目に見えない可能性があるために、必要であり得る。提示される方法は、ドリルの先端が回転している可能性があり、スリーブを引っ込めことがX線画像取得のために必要とされない可能性があるので、好都合であり得る。
ここで提示される第2の方法は、Cアームを回転させることも再調整することも(たとえCアーム位置の変更が禁止されていなくても)必要としない。例えば、穴開けシナリオでは、これは、穴開けプロセス中はいつでも、実際の穴開け軌道を継続的に検証すること、および外科医への準リアルタイム(NRT)のフィードバックと共に、それをX線画像に基づいて要求された軌道と比較することを可能にし得る。
第1の方法では、物体(例えば、ドリルの先端)の他の物体(例えば、釘)に対する識別可能な点の3D位置が、例えば、異なる視線方向からの2つのX線画像を取得し(これら2つの画像の取得間にドリルの先端を動かすことなく)、両方のX線画像内でドリルの先端を検出して、既知の釘の一致に基づきそれらを位置合わせし、次いで、3D釘座標系内のそれぞれのドリルの先端位置を通るエピポーラ線の最善の近似の点を計算することによって、決定され得る。物体の軸が、他の物体(例えば、釘)に対するその3D座標が既知である、特定の点を含む(例えば、ドリル軸が骨表面上の入口点、すなわち、穴開け開始時におけるドリルの先端の位置、を通ることが分かっている)場合、物体(例えば、ドリル)の相対3D配向が決定され得る。物体の相対3D配向を計算する場合、ドリルの潜在的な屈曲およびそれぞれの部位におけるX線画像の歪みが考慮に入れられ得る。
第2の方法は、物体(例えば、ドリル)のz座標に関する曖昧さを、物体の座標系内で既知の軸(例えば、ドリル軸)が、他の物体(例えば、釘)に対するその3D座標が既知である点(例えば、入口点、すなわち、穴開けの開始点)を通るという事前情報を組み込むことによって取り除く。再度、かかる軌道の計算では、ドリルの潜在的な屈曲およびそれぞれの部位におけるX線画像の歪みが考慮に入れられ得る。
実際の穴開け軌道が要求される穴開け軌道と一致しない場合(すなわち、遠位固定の事例では、ドリルは、それがその現在の経路を辿り続けた場合、釘の固定穴を逃し得る)、本システムは、ユーザーに、動力器具を、回転ドリルビットを用いて、指定された角度だけ傾けるように指示を与え得る。それを行うことにより、ドリルビットは、海綿骨を通して脇路を広げ、結果として正しい軌道に戻る。これは骨内への入口穴を広げ、従って、元の入口点の位置を動かし得るので、かかる補正は、この追加の不確実さを考慮に入れる必要があり得る。
本方法は、プレート内の穴と釘内の穴との間のネジ接続を用いたプレートと釘の組合せから成るインプラントに対処するのも可能にし得る。かかるインプラントタイプに対するNRTガイダンスが以下のように進み得る。関連する解剖学的構造の3D再構築に基づき、組み合わされたインプラントに対する理想的な位置が計算されて、プレート位置の良好さ(例えば、表面一致)および釘位置の良好さ(例えば、狭い部分における骨表面からの十分な距離)をトレードオフし得る。計算された位置に基づき、骨に入る釘のための入口点が計算され得る。釘の挿入後、組み合わされたインプラントの理想的な位置が、釘軸の現在の位置に基づいて再計算され得る。本システムは、釘の最終位置および、該当する場合、サブインプラント(例えば、ネジ)および、同時に、プレート(それは、多かれ少なかれ、釘に強固に結合される)の投影された最終位置が最適化されるように、外科医に釘を回転および平行移動させるためのガイダンスを提供し得る。釘の最終位置に達した後、本システムは、X線画像内で(その最終目的地にまだ達していない)プレートの位置を突き止め、既に挿入された釘によって課された制約を考慮に入れることにより、プレートを最適に位置決めするための支持を提供し得る。次に、プレートの穴を通して穴開けが実行され得る。この穴開けは、重要なステップであり、穴開けは、釘の穴にも達する必要があり、異なる開始点からの穴あけ直しはできない可能性があるので、ミスドリルは容易に修正できない。プレートが以前に(釘を通らないネジを使用して)既に固定されている場合、穴あけの開始点および従って、入口点も決定されている。かかる場合、ドリル角度の検証および補正は、必要であれば、複数回、可能であり得る。
プレート穴が、特定の角度での穴開けだけを可能にする場合、釘の実際の位置に基づくプレートの位置決めは決定的であり得る。かかる場合、調整のための更なる余地がなく、本システムは、釘の現在の位置に基づくプレートの位置決めのためのガイダンスを提供し得る。これは、プレートの釘との位置合わせに単に基づく穴開け中に、穴開け軌道を導出するのを可能にし得、それは、次いで、たとえX線画像内でドリルの小さな部分しか目に見えなくても(ドリルの先端はまだ要求され得る)、ドリルの位置を決定するのを可能にし得る。
提案されたシステムは、継続的なガイダンスを準リアルタイムで外科医に提供し得る。位置合わせが十分に迅速である場合、Cアームからの連続的なビデオストリームでさえ評価され得、外科医に対する疑似連続的なナビゲーションガイダンスとなる。現在のX線画像内の物体の相対3D位置および配向を計算して、これらを所望の立体配座(constellation)と比較することにより、所望の立体配座を達成する方法に関する指示が外科医に与えられ得る。必要な調整または動きが、外科医によってフリーハンドで実行され得るか、または外科医は、機械的に、かつ/またはセンサーを用いてサポートされ得る。例えば、ドリル角度を調整するのをサポートするために、加速度センサーを動力器具に取り付けることが可能であり得る。別の可能性は、計算された必要な調整に従って、物体の1つ以上を位置付け得るロボットを使用することであり得る。本システムのNRTフィードバックに基づき、調整はいつでも再計算されて、必要であれば修正され得る。
整復サポート
本発明の別の目的は、骨片の解剖学的に正しい整復をサポートすることであり得る。典型的には、外科医は、骨折の骨片を、可能な限り自然な相対配置で整復しようとする。更に改善された結果のために、任意のインプラントを固定のために挿入する前または後に、かかる整復が解剖学的に正しいかどうかをチェックすることは対象であり得る。
本発明の別の目的は、骨片の解剖学的に正しい整復をサポートすることであり得る。典型的には、外科医は、骨折の骨片を、可能な限り自然な相対配置で整復しようとする。更に改善された結果のために、任意のインプラントを固定のために挿入する前または後に、かかる整復が解剖学的に正しいかどうかをチェックすることは対象であり得る。
整復は、対象の骨の3D再構築を計算することによってサポートされ得る。かかる3D再構築は、骨全体の完全な再構築である必要はなく、全ての態様において正確である必要はない可能性がある。特定の測定だけが抽出される事例では、3D再構築は、この測定の十分に正確な決定を可能にするために十分に正確な必要があるだけである。例えば、大腿骨の前捻角(AV)が決定される場合、顆状突起および頚部において十分に正確な大腿骨の3D再構築を有することは十分であり得る。対象の測定の他の例は、髄内釘の挿入前または後に生じる大腿骨の近位骨片の内反回転がしばしばあるので、脚の長さ、脚の変形の度合い、湾曲(大腿骨の前湾曲のような)または頭-頸-骨幹(CCD)角度を含み得る。一旦、対象の測定が決定されると、それは、適切なインプラントを選択するために使用され得るか、またはそれは、所望の値と比較され得、その所望の値は、データベースから導出されるか、もしくは、例えば、手術を受けている脚を他方の健康な脚と比較することによる、患者固有であり得る。所望の値、例えば、所望の前捻角を達成する方法に関する指示が外科医に与えられ得る。
ある測定を手術中ずっと、それを利用可能なX線画像から自動的に計算することによって監視すること、および恐らくは、その測定が所望の値から過度に外れている場合に外科医に警告することも対象であり得る。
いくつかの事例では、3D再構築は、単一のX線画像からでさえ、特に、視線方向が決定でき(例えば、LU100907B1に基づいて)、かつ特定の測定(例えば、CCD角度)だけが対象である場合、可能であり得る。しかし、一般に、異なる視線方向から取得され、かつ/または骨の異なる部位を示している、2つ以上のX線画像は、3D再構築の精度を高め得る(前述の「3D表現/再構築の計算」セクションを参照)。3D再構築は、、目に見えない部分が、骨折に起因して目に見える部分に関して変位されていないという条件で、または転位パラメータが既に分かっているか、もしくは別の方法で決定できるような変位がある事例では、X線画像内で目に見えないか、もしくは部分的にしか見えない骨の部分でさえ計算され得る。例えば、大腿骨の統計的3Dモデルに基づき、大腿骨頭は、大腿骨頭の大部分が目に見えない場合、MLおよびAP画像のペアから十分に正確に再構築され得る。別の例として、大腿骨の遠位部は、大腿骨骨幹が折れていない場合、2つの近位X線画像に基づいて再構築され得る。言うまでもなく、遠位部の再構築の精度は、その遠位部を示している、更なるX線画像も利用可能な場合、高めることができる。
2つ以上のX線画像に基づく骨の3D再構築では、これらのX線画像が、前述の「2つ以上のX線画像の3D位置合わせ」セクション内で説明されるアプローチの1つに従い、3D再構築を計算する前に、位置合わせができる場合、精度がさらに高められ得る。骨の3D再構築が、骨の異なる部分を示す2つ以上のX線画像(例えば、大腿骨の近位部を示す2つのX線画像およびこの大腿骨の遠位部を示す1つのX線画像)に基づいて計算される事例では、異なる部分を示しているX線画像の3D位置合わせは、各骨の部分に対する少なくとも1つのX線画像内で目に見える既知の3Dモデル(例えば、既に植え込まれた釘)をもつ物体に基づき、かつ/またはそれらのX線画像の取得間での許容可能なCアームの動きを制限する(LU101009B1を参照)ことにより、可能であり得る。
AV角度は、インプラントがまだ挿入されていない場合に、患者を切開する前または後のいずれかに(例えば、転子貫通骨折の整復において背部の間隙(dorsal gap)を検出するために)、決定する必要があり得る。かかる事例では、大腿近位部の2つ以上の画像(例えば、APおよびML)の位置合わせが、次のとおり、前述の「2つ以上のX線画像の3D位置合わせ」セクションの方針に沿って進められ得る。釘を挿入するための入口点を決定する場合、kワイヤーなどの開口器具(その直径が分かっている)が推測される入口点上に置かれ、その結果X線画像内で検出され得る。その先端の位置に基づき、検出された大腿骨頭と一緒に、画像が位置合わせされ得る。kワイヤーのような更なる物体がX線画像内で目に見えない事例では、画像の位置合わせは、依然として画像間でのCアームの特定の動きを要求することによって実行され得る。例えば、本システムは、CアームのC軸の周りの75度の回転を要求し得る。この回転が十分な精度で実行される場合、画像の位置合わせも十分な精度で可能である。骨の重なり合わない部分(例えば、大腿骨の遠位および近位部)は、一実施形態で説明されるように、許容されるCアームの動きを平行移動だけに制限することによって位置合わせされ得る。
3D再構築は、必ずしもAV角度を決定する必要はないことに留意されたい。1つの更なる点を、例えば、頸軸の近くで決定することにより、2Dアプローチに基づいてAV角度を決定するための十分な情報があり得る。X線画像内で検出された2D構造(例えば、大腿骨の近位および遠位部内の構造)の位置合わせは、前述の方法を採用することによって行われ得る。
他の事例では、例えば、骨の正しい回転角度を決定するときに、隣接する骨または骨構造を考慮に入れることは有益であり得る。例えば、骨折した脛骨の場合、その近位部の配向の評価は、大腿骨顆部、膝蓋骨、および/または腓骨を考慮し得る。類似のコメントがその遠位部の回転位置の評価に適用される。脛骨の腓骨または他の骨構造(例えば、足内の関節の重なり合う縁)に対する相対位置は、遠位脛骨への視線方向を明瞭に示し得る。全てのこれらの評価は、ニューラルネットワークに基づき得、それは、恐らくは、各考慮される構造に対する(正しい検出の)信頼値に基づいて、同時最適化を実行し得る。かかる評価の結果は、患者または四肢位置決め(extremity positioning)に関する知識と組み合わされて、骨の現在の整復を評価し得る。例えば、上腕骨の事例では、本システムは、患者の橈骨を患者の身体と平行に位置付けるように外科医に指示し得る。整復評価のために、X線画像内でこれらの構造を検出することによって、ユーザーが、上腕骨関節面の関節窩に対する中心位置を達成するのをガイドすることはその結果、十分であり得る。
X線量の低減
全体的な目的は、患者および手術室スタッフに対するX線被ばくの低減であり得ることが心に留めておかれ得る。本明細書で開示される実施形態に従った骨折治療中に、可能な限り少ないX線画像が生成されるべきである。例えば、遠位骨片に対する近位骨片の位置決めをチェックするために取得された画像は、入口点の決定のためにも使用され得る。別の例として、入口点の決定プロセスで生成された画像は、AV角度またはCCD角度を測定するためにも使用され得る。
全体的な目的は、患者および手術室スタッフに対するX線被ばくの低減であり得ることが心に留めておかれ得る。本明細書で開示される実施形態に従った骨折治療中に、可能な限り少ないX線画像が生成されるべきである。例えば、遠位骨片に対する近位骨片の位置決めをチェックするために取得された画像は、入口点の決定のためにも使用され得る。別の例として、入口点の決定プロセスで生成された画像は、AV角度またはCCD角度を測定するためにも使用され得る。
一実施形態によれば、X線画像内で目に見える完全な解剖学的構造を有する必要はないので、X線被ばくも低減され得る。解剖学的構造、インプラント、手術道具、および/またはインプラント用システムの部品などの、物体の3D再構築または位置特定は、たとえそれらがX線画像内で目に見えないか、または部分的にしか見えなくても、提供され得る。一例として、たとえ投影画像が大腿骨頭を完全に示していなくても、それは依然として完全に再構築され得る。別の例として、大腿骨の遠位部を、遠位部が完全には示されていない、1つ以上の近位画像に基づいて再構築することが可能であり得る。
いくつかの事例では、解剖学的構造と関連付けられた対象の点、例えば、大腿骨頭の中心または大腿骨骨幹上の特定の点、を決定することが必要であり得る。かかる場合、対象の点がX線画像内に示されていることは必要ではない可能性がある。これは、かかる対象の点の決定における不確かさまたは不正確さが、結局あまり重要ではない寸法または自由度に影響を及ぼす場合、なおさら当てはまる。例えば、大腿骨頭の中心点および/または大腿骨骨幹の軸上の特定の点は、X線画像の外側に位置し得るが、例えば、ディープニューラルネットワークアプローチに基づき、本システムは依然として、例えば、植込み曲線の方向における不正確さは計算された植込み曲線に大きな影響を与えない可能性があるので植込み曲線を十分な精度で計算するために、それらの点を決定してそれらを利用することが可能であり得る。
一実施形態によれば、本システムの処理装置は、解剖学的構造の一定の必要最小限の割合(例えば、20%)を示しているX線投影画像に基づき、解剖学的構造および/またはその解剖学的構造と関連付けられた対象の点を決定するように構成され得る。解剖学的構造の必要最小限に満たない部分しか目に見えない(例えば、20%未満)場合、本システムは、ユーザーが所望の表示を得るのをガイドし得る。一例として、大腿骨頭が全く目に見えない場合、本システムは、現在のX線投影画像内の大腿骨骨幹の外観に基づいて計算された方向にCアームを動かすための指示を与え得る。
3Dモデルの2D投影画像とのマッチング
処理されたX線画像の画像データは、撮像装置から、例えば、CアームもしくはGアームベースの2D X線装置から直接、または代替として、データベースから受信され得ることに留意されたい。X線投影画像は、対象の、特に、骨の解剖学的構造を表し得る。骨は、例えば、手または足の骨であり得るが、具体的には、大腿骨および脛骨のような、下肢の、および上腕骨のような、上肢の長骨であり得る。画像は、骨インプラントまたは手術道具、例えば、ドリルもしくはkワイヤーのような人工物体も含み得る。
処理されたX線画像の画像データは、撮像装置から、例えば、CアームもしくはGアームベースの2D X線装置から直接、または代替として、データベースから受信され得ることに留意されたい。X線投影画像は、対象の、特に、骨の解剖学的構造を表し得る。骨は、例えば、手または足の骨であり得るが、具体的には、大腿骨および脛骨のような、下肢の、および上腕骨のような、上肢の長骨であり得る。画像は、骨インプラントまたは手術道具、例えば、ドリルもしくはkワイヤーのような人工物体も含み得る。
本開示は、「物体」と「モデル」を区別する。用語「物体」は、実際の物体、例えば、骨もしくは骨の部分、または別の解剖学的構造に対して、または髄内釘のようなインプラント、骨プレートもしくは骨ネジに対して、またはスリーブもしくはkワイヤーのような手術道具に対して使用される。「物体」は実際の物体の部分(例えば、骨の一部)だけも記述し得るか、またはそれは、実際の物体の組立体であり、従って、部分物体(sub-object)から成り得る(例えば、物体「骨」は骨折し得、従って部分物体「骨折した骨部分」から成り得る)。
他方、用語「モデル」は、物体の仮想表現に対して使用される。例えば、インプラントの形状および寸法を定義するデータセットは、インプラントのモデルを構成し得る。別の例として、診断手順中に例として生成されるような解剖学的構造の3D表現が実際の解剖学的物体のモデルとして取られ得る。「モデル」は、特定の物体、例えば、特定の釘を記述し得るか、またはそれは、幾分ばらつきを有する、大腿骨などの、物体のクラスを記述し得ることに留意すべきである。後者の場合、かかる物体は、例えば、統計的形状または外観モデルによって記述され得る。特定のインスタンスの3D表現を、取得されたX線画像内に示されている物体のクラスから見つけることが、次いで本発明の目的であり得る。例えば、取得されたX線画像内に示されている大腿骨の3D表現を大腿骨の一般的な統計的形状モデルに基づいて見つけることが目的であり得る。決定論的可能性の離散集合を含むモデルを使用することも可能であり得、本システムは次いで、これらのうちのどれが画像内の物体を最も良く記述するかを選択するであろう。例えば、データベース内にいくつかの釘があり得、アルゴリズムは次いで、どの釘が画像内に示されているかを識別するであろう。
モデルは、実際の物体の完全な、もしくは部分的な3Dモデルであり得るか、またはそれは、例えば、大腿骨または上腕骨頭が、3Dではボール、および2D投影画像では円によって近似できるという事実、または骨幹が幹軸によって記述される方向を有するという事実などの、物体の一定の幾何学的態様(それは3未満の次元でもあり得る)だけを記述し得ることに留意されたい。
3D表現は、実際はコンピュータデータのセットであるので、そのデータから仮想的に表現された物体の幾何学的態様および/または寸法のような特定の情報(例えば、軸、輪郭、湾曲、中心点、角度、距離、または半径)を抽出することは容易に可能である。例えば、釘の幅がモデルデータから分かっているので、スケールが1つの物体に基づいて決定されている場合、これは、かかる物体が類似の撮像の深さで位置している場合、別の示されていて、潜在的に未知の物体の幾何学的態様または寸法を測定するのも可能にし得る。1つの物体の撮像の深さが分かっていて(例えば、その物体が十分に大きいか、またはX線検出器のサイズおよび像平面と焦点との間の距離が分かっているので)、2つの物体間の撮像の深さにおける差に関する情報がある(例えば、解剖学的知識に基づく)場合、異なる撮像の深さにおける異なる物体のサイズを切片定理に基づいて計算することさえ可能であり得る。
一実施形態によれば、X線画像内の物体は、X線投影画像内で自動的に分類および識別される。しかし、物体は、X線投影画像内で手動でも分類および/または識別され得る。かかる分類または識別は、本装置により、本装置によって認識された構造を自動的に参照することによってサポートされ得る。
物体のモデルをX線画像内に示されたその投影とマッチングすることは、投影の選択された特徴(例えば、輪郭または特徴的な縁)だけを考慮し得るか、またはそれは、全体的な外観を考慮し得る。輪郭または特徴的な縁は、ニューラルセグメンテーションネットワークを使用して決定され得る。X線画像内の物体の外観はとりわけ、X線照射の減衰、吸収、および偏向によって決まり、それらは同様に、物体の材料によって決まる。例えば、鋼鉄製の釘は一般に、チタン製の釘よりも多くのX線照射を吸収し、それは、その輪郭内の釘の投影画像の外観に影響を及ぼし得るだけでなく、輪郭自体、例えば、釘の穴の輪郭の形状も変え得る。この影響の強さは、X線強度および、X線ビームが通過する必要がある、物体を取り囲んでいる組織の量によっても決まる。別の例として、軟組織と硬組織との間の遷移は、かかる遷移はX線画像内で暗い領域と明るい領域との間に縁を生じるので、X線画像内で識別可能であり得る。例えば、筋肉組織と骨組織との間の遷移は識別可能な構造であり得るが、内皮質、海綿様内側骨組織と硬皮質の外側骨組織との間の遷移も、X線画像内の特徴として識別可能であり得る。本開示で骨の輪郭が決定されるときはいつでも、かかる輪郭は内皮質または骨形状の任意の他の識別可能な特徴でもあり得ることに留意されたい。
一実施形態によれば、決定論的モデルによって記述された物体に対して、2D-3Dマッチングが、Lavallee S.,Szeliski R.,Brunie L.による(1993)Matching 3-D smooth surfaces with their 2-D projections using 3-D distance maps,in Laugier C.(eds):Geometric Reasoning for Perception and Action.GRPA 1991,Lecture Notes in Computer Science,vol.708.Springer,Berlin,Heidelbergによって説明された方針に沿って進められ得る。このアプローチでは、画像歪み(例えば、画像増強管によって取り込まれたピロー効果(pillow effect))または釘の屈曲などの追加の影響が、追加の自由度をパラメータベクトル内に導入することによって、または適切に調整されたモデルを使用することによって、吸収され得る。
一実施形態によれば、統計的形状または外観モデルによって記述された物体に対して、仮想投影の実際の投影に対するマッチングが、V.Blanz,T.Vetter(2003),Face Recognition Based on Fitting a 3D Morphable Model,IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligenceの方針に沿って進められ得る。この論文では、統計的、モーフィング可能な3Dモデルが2D画像に適合される。このために、輪郭および外観に対する統計的モデルパラメータならびにそれぞれの投影に対するカメラおよびポーズパラメータが決定される。別のアプローチは、X.DongおよびG.Zheng,Automatic Extraction of Proximal Femur Contours from Calibrated X-Ray Images Using 3D Statistical Models,in T.Dohi et al.(Eds.),Lecture Notes in Computer Science,2008に従うことであり得る。3Dモデルを、その仮想投影がX線画像内の物体の実際の投影と一致するような方法で変形させることは、撮像方向(それは、X線ビームが物体を通過する方向を記述する)の計算も可能にする。
X線画像を表示するとき、幾何学的態様および/または寸法が投影画像内にオーバーレイとして示され得る。代替として、または追加として、モデルの少なくとも一部が、投影画像内に、例えば、透明な可視化または3Dレンダリングとして、示され得、それは、モデルおよび、従ってユーザーによって撮像された物体の構造的な態様の識別を容易にし得る。
総評
Cアームの回転および平行移動軸の定義に関して、図25が参照される。この図では、X線源はXRによって示されており、文字Bによって示された回転軸は垂直軸と呼ばれ、文字Dによって示された回転軸はプロペラ軸と呼ばれ、文字Eによって示された回転軸はC軸と呼ばれる。一部のCアームモデルに対して、軸Eは軸Bにもっと近い可能性があることに留意されたい。軸Dと中心X線ビーム(XBでラベル付け)との間の交点は、Cアームの「C」の中心と呼ばれる。Cアームは、文字Aによって示された方向に沿って上下に動かされ得る。Cアームは、文字Cによって示された方向に沿っても動かされ得る。Cアームの「C」の中心からの垂直軸の距離は、Cアームによって異なり得る。Cアームの代わりにGアームを使用することも可能であり得ることに留意されたい。
Cアームの回転および平行移動軸の定義に関して、図25が参照される。この図では、X線源はXRによって示されており、文字Bによって示された回転軸は垂直軸と呼ばれ、文字Dによって示された回転軸はプロペラ軸と呼ばれ、文字Eによって示された回転軸はC軸と呼ばれる。一部のCアームモデルに対して、軸Eは軸Bにもっと近い可能性があることに留意されたい。軸Dと中心X線ビーム(XBでラベル付け)との間の交点は、Cアームの「C」の中心と呼ばれる。Cアームは、文字Aによって示された方向に沿って上下に動かされ得る。Cアームは、文字Cによって示された方向に沿っても動かされ得る。Cアームの「C」の中心からの垂直軸の距離は、Cアームによって異なり得る。Cアームの代わりにGアームを使用することも可能であり得ることに留意されたい。
ニューラルネットは、それが適用されるデータと比較可能である多数のデータに基づいて訓練され得る。画像内の骨構造の評価の場合、ニューラルネットは、対象の骨の多数のX線画像に基づいて訓練されるべきである。ニューラルネットは、シミュレートされたX線画像にも基づいて訓練され得ることが理解されるであろう。
一実施形態によれば、2つ以上のニューラルネットワークが使用され得、ニューラルネットの各々は、所望のソリューションを達成するために必要なサブステップに対して明確に訓練され得る。例えば、第1のニューラルネットは、2D投影画像内の解剖学的構造を分類するためにX線画像データを評価するように訓練され得、他方、第2のニューラルネットは、2D投影画像内のその構造の特徴的な縁を検出するように訓練され得る。第3のネットは、大腿骨頭の中心のような特定のキーポイントを判断するように訓練され得る。ニューラルネットワークを、Active Shape Modelのようなモデルベースのアルゴリズムを含むが、それに制限されない、他のアルゴリズムと組み合わせることも可能である。ニューラルネットはまた、本発明内のタスクの1つ、例えば、植込み曲線の決定、を直接にも解決し得ることに留意されたい。
処理装置は、プロセスのステップの全てを実行する唯一のプロセッサによって、または同じ場所に配置される必要のない、プロセッサのグループまたは複数のプロセッサによって、実現され得ることに留意されたい。例えば、クラウドコンピューティングはプロセッサが任意の場所に置かれることを可能にする。例えば、処理装置は、結果を視覚化するためのモニターを含む、ユーザーとのやり取りを制御する第1のサブプロセッサ、および全ての計算を実行する(恐らくは他の場所に置かれる)第2のサブプロセッサに分割され得る。第1のサブプロセッサまたは別のサブプロセッサは、例えば、X線撮像装置のCアームまたはGアームの動きも制御し得る。
一実施形態によれば、本装置は、例えば、X線画像を格納するためのデータベースを提供する記憶手段をさらに含み得る。かかる記憶手段は、本システムが接続され得るネットワーク内にも提供され得ること、およびニューラルネットに関連したデータがそのネットワークを経由して受信され得ることが理解されるであろう。さらに、本装置は、少なくとも1つの2D X線画像を生成するための撮像ユニットを含み得、撮像ユニットは、異なる方向から画像を生成することが可能であり得る。
一実施形態によれば、本システムは、ユーザーに情報を提供するための装置を含み得、情報は、X線画像および手順のステップに関する指示から成る群からの少なくとも1つの情報を含む。かかる装置は、情報の可視化のためのモニターもしくは拡張現実装置であり得るか、またはそれは情報を音響的に提供するためのスピーカーであり得ることが理解されるであろう。本装置は、例えば、画像内の距離を測定するために、骨輪郭などの、X線画像内の物体の位置または部分を手動で決定もしくは選択するための入力手段をさらに含み得る。かかる入力手段は、例えば、本装置内に含まれ得る、モニター画面上のカーソルのようなポインティングデバイスを制御するための、コンピュータキーボード、コンピュータマウスまたはタッチスクリーンであり得る。本装置は、パッケージのラベルを読み取るか、または別の方法でインプラントもしくは手術道具を識別するためのカメラまたはスキャナも含み得る。カメラは、ユーザーが、ジェスチャまたは模倣によって視覚的に、例えば、仮想現実によって表示された装置を仮想的にタッチすることにより、本装置と通信するのも可能にし得る。本装置は、マイクロホンおよび/またはスピーカーも含み、ユーザーと音響的に通信し得る。
本開示内におけるCアームの動きに対する全ての言及は常に、Cアームと患者との間の相対再配置を指すことに留意されたい。従って、任意のCアーム平行移動もしくは回転は一般に、患者/ORテーブルの対応する平行移動もしくは回転、またはCアーム平行移動/回転と患者/テーブル平行移動/回転の組合せによって置き換えられ得る。実際には患者の四肢を動かすことは、Cアームを動かすことよりも容易であり得るので、四肢に対処する場合、これは特に関連し得る。要求される患者の動きは一般に、Cアームの動きとは異なり、特に、典型的には、対象の構造が既にX線画像内の所望の位置にある場合、患者の平行移動は必要ないことに留意されたい。本システムは、Cアーム調整および/または患者調整を計算し得る。Cアームに対する全ての言及は、類似的にGアームに適用され得ることにさらに留意されたい。
本発明で開示される方法および技術は、人間のユーザーまたは外科医をサポートするシステム内で使用され得るか、またはそれらは、ステップの一部もしくは全部がロボットによって実行されるシステム内でも使用され得る。従って、本特許出願における「ユーザー」または「外科医」に対する全ての言及は、人間のユーザーおよびロボット外科医、機械的支持装置、または類似の装置を指し得る。同様に、Cアームを調整する方法に関する指示が与えられると言及されるときはいつでも、かかる調整も、人間の介在なしでも、すなわち、自動的に、ロボットCアームにより、ロボットテーブルにより実行され得るか、またはそれらはORスタッフにより何らかの自動サポートと共に実行され得ることが理解される。ロボット外科医および/またはロボットCアームは、人間よりも高い精度で動作し得るので、反復手順はもっと少ない反復しか必要としない可能性があり、さらに複雑な指示(例えば、複数の反復ステップの組合せ)が実行され得ることに留意されたい。
コンピュータプログラムは好ましくは、データプロセッサのランダムアクセスメモリにロードされ得る。一実施形態に従ったシステムのデータプロセッサまたは処理装置が従って、説明されたプロセスの少なくとも一部を実行するために装備され得る。さらに、本発明は、開示されたコンピュータプログラムがその上に格納され得るCD-ROMなどのコンピュータ可読媒体に関する。しかし、コンピュータプログラムは、ワールドワイドウェブのようなネットワークを経由しても提示され得、そしてかかるネットワークからデータプロセッサのランダムアクセスメモリにダウンロードできる。さらに、コンピュータプログラムは、クラウドベースプロセッサ上でも実行され得、結果はネットワークを経由して提示される。
インプラントに関する事前情報(例えば、釘のサイズおよびタイプ)は、手術前または手術中に、インプラントのパッケージ(例えば、バーコード)またはインプラント自体上の任意の文字を単にスキャンすることによって取得され得ることに留意されたい。
前述の説明から明確なはずであるように、本発明の主な態様は、X線画像データの処理であり、目に見える物体の自動解釈を可能にする。本明細書で説明される方法は、患者の外科治療を支援する方法として理解されるべきである。その結果として、本方法は、一実施形態に従い、外科医による、動物または人の身体の治療のいかなるステップも含まない。
本明細書で説明される方法、および特に、その一部が図面内に視覚化されている実施形態に従ったワークフローに関連して説明される方法のステップは、主要なステップであり、これらの主要なステップはいくつかのサブステップに分化または分割され得ることが理解されるであろう。さらに、追加のサブステップは、これらの主要なステップの間であり得る。方法全体の一部だけが本発明を構成し得る、すなわち、ステップが省略または集約され得ることも理解されるであろう。
実施形態は、異なる主題に関して説明されることに留意する必要がある。特に、一部の実施形態は、方法タイプクレーム(コンピュータプログラム)に関して説明され、他方、他の実施形態は装置タイプクレーム(システム/装置)に関して説明される。しかし、当業者は前述および以降の説明から、特別の定めのない限り、1つのタイプの主題に属する特徴の組合せ、および異なる主題に関連する特徴間の任意の組合せが、本出願で開示されると考えられると推測する。
本発明の、上で定義された態様ならびに更なる態様、特徴および利点は、以降で説明される実施形態の例からも導出でき、図面内でも示されている実施形態の例を参照して説明されるが、本発明はそれに限定されない。
図面を通して、同じ参照番号および文字は、特に指定のない限り、例示された実施形態の同様の特徴、要素、構成要素または部分を示すために使用される。その上、本開示は図面を参照して詳細に説明されるが、それは例示された実施形態に関連してそのように行われ、図面内に例示された特定の実施形態によって制限されない。
髄内釘を大腿骨に植え込むための入口点の決定
本発明の第1の目的は、髄内釘を大腿骨内に植え込むための植込み曲線および入口点の決定であり得る。入口点を決定するために、X線画像は一定の視線方向から取得される必要がある。真の側面図では、幹軸および頸軸は一定のオフセットで平行である。しかし、この視線は、本発明の所望の視線ではない。所望の視線は、植込み軸が大腿骨頭の中心を通るように、CアームのC軸の周りの回転を有する側面図である。大腿骨頭の中心は、例えば、ニューラルネットワークにより十分に高い精度で決定され得る。大腿骨頭の中心の決定における不確実さは主に、植込み軸の方向におけるずれに関係し得、それは、所望の視線方向を確実にする精度に大きな影響は及ぼさない。本システムは、解剖学的構造データベースに基づくか、またはLU100907B1に基づく、C軸の周りの必要な回転角度を推定することによりユーザーが所望の視線方向を得るのを支援し得る。
本発明の第1の目的は、髄内釘を大腿骨内に植え込むための植込み曲線および入口点の決定であり得る。入口点を決定するために、X線画像は一定の視線方向から取得される必要がある。真の側面図では、幹軸および頸軸は一定のオフセットで平行である。しかし、この視線は、本発明の所望の視線ではない。所望の視線は、植込み軸が大腿骨頭の中心を通るように、CアームのC軸の周りの回転を有する側面図である。大腿骨頭の中心は、例えば、ニューラルネットワークにより十分に高い精度で決定され得る。大腿骨頭の中心の決定における不確実さは主に、植込み軸の方向におけるずれに関係し得、それは、所望の視線方向を確実にする精度に大きな影響は及ぼさない。本システムは、解剖学的構造データベースに基づくか、またはLU100907B1に基づく、C軸の周りの必要な回転角度を推定することによりユーザーが所望の視線方向を得るのを支援し得る。
本システムは、ユーザーが正しい視線方向を得るのも助け得る。例えば、大腿骨頭の中心と開口器具の先端との間の2D距離が、開口器具の先端と大腿骨骨幹の目に見える最も低い部分との間の2D距離と比べて小さ過ぎるシナリオを考える。この影響は、Cアームの焦点軸が植込み軸に対してほとんど垂直である場合に生じる。この場合、峡部における骨幹の中心は現在のX線投影画像内でほとんど目に見えないであろう。従って、本システムは、図25でCアームに軸Bの周りを回転させるための指示を与え得る。その指示に従うと、第1の距離が増加して第2の距離が減少する(すなわち、頸部がより大きくなって、骨幹の峡部が目に見えるようになる)X線投影画像となるであろう。
前述のような所望の視線を得るためにCアームが回転される必要のある角度を決定する方法は、AP X線画像内の解剖学的外観を考慮することであり得る。以下の点が画像内で識別され得る:大腿骨頭の中心、開口器具の先端、および大転子への平行移動における骨幹の中心。最初の2つの点および後者の2つの点の間にそれぞれ、2本の線が引かれ得る。これら3つの点は、十分な精度でML X線画像内でも識別され得るので、ML X線画像の焦線と解剖学的構造(例えば、植込み軸および/または頸軸)との間の角度を推定することが可能であり得る。この角度が小さ過ぎるか、または大き過ぎる場合、本システムは、それぞれその角度を増加または減少させる指示を与え得る。
一実施形態によれば、植込み軸は以下のように決定され得る。図1は、大腿骨の横方向(ML)X線画像を示す。本システムは、峡部における骨幹の中心(ISCとラベル付け)および大腿骨頭の中心(CFとラベル付け)を検出し得る。これら2つの点によって画定される線は、植込み軸(IAとラベル付け)と見なされ得る。さらに、本システムは、頸部および骨幹部の投影された外側境界(OBとラベル付け)、または代替として、境界上の複数の点を検出し得る。境界のセグメント化は、例えば、ニューラルネットワークによって行われ得る。代替として、ニューラルネットワークは、完全な境界の代わりに特定の点を直接推定し得る。例えば、骨幹の境界の代わりに、ニューラルネットワークは骨幹の中心を推定し得、骨幹直径は、大腿骨頭のサイズに基づいて推定され得る。この情報に基づき、境界自体を見つけることなく、骨幹境界の位置を推定することが可能であり得る。植込み軸は、頸境界および骨幹境界から一定の距離を有するべきである。いずれかの距離が小さ過ぎる場合、本システムは、所望の視線方向が後に取得されるX線投影画像内で達成されるように、CアームのC軸の周りの必要な回転を計算し得る。Cアームの回転の方向は、頸部内の距離および骨幹部内の距離の重み付けされた評価に基づいて決定され得る。回転の角度は、大腿骨の解剖学的モデルに基づいて計算され得る。
一旦、所望の視線方向が達成されると、植込み軸の転子縁軸との交点が、入口点として画定され得る。転子縁軸は、画像内で直接検出され得る。これが望ましくも、実現可能でもない場合、転子縁軸は、開口器具の先端を植込み軸と結合する線によってX線画像内で近似もされ得る。この線は、植込み軸と垂直であると仮定され得るか、または利用可能な事前情報が別に提案する場合、それは、植込み軸に対して斜角に伸びる。
インプラントは、釘および頭要素からなり得る。開口器具の投影された先端と投影された入口点との間の距離が所望の距離内でない(例えば、距離が1mmよりも大きい)場合、本システムは、入口点に達するために、開口器具を動かす方法をユーザーに指導し得る。例えば、大腿骨上の開口器具の先端が、決定された入口点と比べて前過ぎに位置付けられる場合、本システムは、開口器具の先端を後方向に動かすように指示を与える。
一実施形態によれば、本システムは、大腿骨骨幹の峡部、大腿骨頭の中心(CFとラベル付け)、および開口器具の先端(KWとラベル付け)をX線画像内で検出し得る。植込み軸(IAとラベル付け)は、大腿骨頭の中心(CFとラベル付け)および骨幹の峡部における中心(ISCとラベル付け)を通る線と仮定され得る。入口点は、開口器具の先端KWに近接している植込み軸上の点(EPとラベル付け)であると仮定され得る。本システムは、開口器具がEP上に位置付けられるように、開口器具を動かす指示を与え得る。器具を投影された点まで移動させた後、開口器具の先端が依然としてAP視線内の大転子の投影された先端上にあることを検証するために、AP画像を取得することは有用であり得る。恐らくはAP画像のML画像との位置合わせに基づくAP画像内の検出されたKワイヤー先端から投影されたエピポーラ線に関する知識があり、かつAP画像の取得とML画像の取得との間にkワイヤー先端の移動がない場合、これは、先端が、大転子の投影された先端上に依然として位置付けられているかどうかの別のAP画像内での追加の検証が必要でないような、入口点のさらに正確な決定という結果となるであろう。
大腿骨内での髄内インプラントのために入口点を決定するための潜在的なワークフロー例(図33を参照):
1.ユーザーは、開口器具の先端が大転子の投影された先端上に位置付けられている、AP X線画像を取得する。
2.開口器具の先端を動かすことなく、ユーザーはML X線投影画像を取得する。
3.本システムは、大腿骨頭の中心、骨幹の峡部の中心点、および開口器具の先端をX線画像内で検出する。
a.大腿骨頭および骨幹峡部の両方が十分に目に見えない場合、本システムは、視野を増大させるためにCアームを横方向に移動させるように指示を与える。
b.大腿骨頭だけが十分に目に見えず、他方、峡部が十分に目に見える場合、本システムは、Cアームを脚に沿って近位方向に移動させるように指示を与える。
c.本システムは、大腿骨頭の中心と開口器具の先端との間の第1の距離、および開口器具の先端と骨幹のある点との間の第2の距離を計算する。この点は、峡部(目に見える場合)における骨幹の中心、または峡部が目に見えない場合、骨幹の最も遠位の目に見える点または代替として、峡部における骨幹の推定される中心(骨幹の目に見える部分に基づく)であり得る。
d.骨幹だけが十分に目に見えず、他方、大腿骨頭は完全に目に見える場合、本システムは、Cアームを脚に沿って遠位方向に移動させるように指示を与える。骨幹が十分に目に見えるかどうかを決定する1つの方法は、ステップ3cからの第2の距離を閾値と比較することであり得る。別の方法は、峡部が現在のX線画像内で目に見えるかどうかを判断するために骨幹の湾曲を評価することであり得る。
e.ステップ3cからの第1の距離が、第2の距離と比べて小さ過ぎる場合、Cアームは、Cアーム軸B(図25を参照)の周りを時計回り(右大腿骨)または反時計回り(左大腿骨)に回転させる必要があり、逆の場合も同じである。Cアームが回転する必要のある角度は、2つの距離および恐らくはステップ1からのAP画像からの追加の情報に基づいて計算され得る。後者は、例えば、大腿骨のCCD角度を含み得る。ML X線画像内に示されるような骨幹の湾曲も考慮に入れられ得る。
4.大腿骨の全ての重要な部位が十分に目に見えて、ステップ3cからの2つの距離が所望の比率を有するまで、ステップ2および3が繰り返される。
5.ステップ3からの点に加えて、本システムは、大腿骨頸部の左右の輪郭および大腿骨骨幹の左右の輪郭を検出する。
6.大腿骨頭の中心から骨幹の峡部における中心まで線が引かれる。この線と大腿骨頸部および大腿骨骨幹の4つの輪郭との間で4つの距離が計算される。
7.頸および骨幹部位の各々に対して、その線が各部位のどれくらい中心を通っているかを評価するための測定基準が定義される。例:線が頸の左の輪郭に接触する場合、頸に対する測定基準は0であり、線が大腿骨の右の輪郭に接触する場合、それは1で、線が頸部の中心に位置する場合、それは0.5である。
8.新しい測定基準が、頸測定基準および骨幹測定基準の加重平均に基づいて定義される。新しい測定基準が第1の閾値より低い場合、Cアームは、Cアームの焦点が前方向に移動するように、そのC軸の周りを回転させられる必要がある。新しい測定基準が、第1の閾値よりも高い、第2の閾値より高い場合、CアームはそのC軸の周りを反対方向に回転させられる必要がある。Cアームが回転させられる必要がある角度は、測定基準と対応する閾値との間の距離に基づいて計算され得る。
9.ステップ8で定義された測定基準が、ステップ8からの2つの閾値の外側である場合、新しいML X線投影画像が取得される必要がある。
10.ステップ8で定義された測定基準がステップ8からの2つの閾値の間になるまで、ステップ5~9が繰り返される。引かれた線は最終の投影された植込み軸である。
11.開口器具の投影された先端とステップ10からの線との間の距離が計算される。
12.任意選択:開口器具の先端の位置が突き止められる。開口器具の先端の外観(すなわち、X線投影画像内のそのサイズ)に基づき、本システムは、開口器具の先端を後または前方向のいずれかに移動させるための指示を与える。
13.開口器具の先端がステップ10からの線から遠く離れている場合、その位置が最適化されて、新しいML X線投影画像が取得される。
14.開口器具の先端が、ステップ10からの線まで一定の距離内になるまで、ステップ11~13が繰り返される。
15.開口器具の先端が依然として大転子の先端上にあることを確実にするためにAP X線投影画像が取得される。そうでない場合、ステップ2に戻る。
1.ユーザーは、開口器具の先端が大転子の投影された先端上に位置付けられている、AP X線画像を取得する。
2.開口器具の先端を動かすことなく、ユーザーはML X線投影画像を取得する。
3.本システムは、大腿骨頭の中心、骨幹の峡部の中心点、および開口器具の先端をX線画像内で検出する。
a.大腿骨頭および骨幹峡部の両方が十分に目に見えない場合、本システムは、視野を増大させるためにCアームを横方向に移動させるように指示を与える。
b.大腿骨頭だけが十分に目に見えず、他方、峡部が十分に目に見える場合、本システムは、Cアームを脚に沿って近位方向に移動させるように指示を与える。
c.本システムは、大腿骨頭の中心と開口器具の先端との間の第1の距離、および開口器具の先端と骨幹のある点との間の第2の距離を計算する。この点は、峡部(目に見える場合)における骨幹の中心、または峡部が目に見えない場合、骨幹の最も遠位の目に見える点または代替として、峡部における骨幹の推定される中心(骨幹の目に見える部分に基づく)であり得る。
d.骨幹だけが十分に目に見えず、他方、大腿骨頭は完全に目に見える場合、本システムは、Cアームを脚に沿って遠位方向に移動させるように指示を与える。骨幹が十分に目に見えるかどうかを決定する1つの方法は、ステップ3cからの第2の距離を閾値と比較することであり得る。別の方法は、峡部が現在のX線画像内で目に見えるかどうかを判断するために骨幹の湾曲を評価することであり得る。
e.ステップ3cからの第1の距離が、第2の距離と比べて小さ過ぎる場合、Cアームは、Cアーム軸B(図25を参照)の周りを時計回り(右大腿骨)または反時計回り(左大腿骨)に回転させる必要があり、逆の場合も同じである。Cアームが回転する必要のある角度は、2つの距離および恐らくはステップ1からのAP画像からの追加の情報に基づいて計算され得る。後者は、例えば、大腿骨のCCD角度を含み得る。ML X線画像内に示されるような骨幹の湾曲も考慮に入れられ得る。
4.大腿骨の全ての重要な部位が十分に目に見えて、ステップ3cからの2つの距離が所望の比率を有するまで、ステップ2および3が繰り返される。
5.ステップ3からの点に加えて、本システムは、大腿骨頸部の左右の輪郭および大腿骨骨幹の左右の輪郭を検出する。
6.大腿骨頭の中心から骨幹の峡部における中心まで線が引かれる。この線と大腿骨頸部および大腿骨骨幹の4つの輪郭との間で4つの距離が計算される。
7.頸および骨幹部位の各々に対して、その線が各部位のどれくらい中心を通っているかを評価するための測定基準が定義される。例:線が頸の左の輪郭に接触する場合、頸に対する測定基準は0であり、線が大腿骨の右の輪郭に接触する場合、それは1で、線が頸部の中心に位置する場合、それは0.5である。
8.新しい測定基準が、頸測定基準および骨幹測定基準の加重平均に基づいて定義される。新しい測定基準が第1の閾値より低い場合、Cアームは、Cアームの焦点が前方向に移動するように、そのC軸の周りを回転させられる必要がある。新しい測定基準が、第1の閾値よりも高い、第2の閾値より高い場合、CアームはそのC軸の周りを反対方向に回転させられる必要がある。Cアームが回転させられる必要がある角度は、測定基準と対応する閾値との間の距離に基づいて計算され得る。
9.ステップ8で定義された測定基準が、ステップ8からの2つの閾値の外側である場合、新しいML X線投影画像が取得される必要がある。
10.ステップ8で定義された測定基準がステップ8からの2つの閾値の間になるまで、ステップ5~9が繰り返される。引かれた線は最終の投影された植込み軸である。
11.開口器具の投影された先端とステップ10からの線との間の距離が計算される。
12.任意選択:開口器具の先端の位置が突き止められる。開口器具の先端の外観(すなわち、X線投影画像内のそのサイズ)に基づき、本システムは、開口器具の先端を後または前方向のいずれかに移動させるための指示を与える。
13.開口器具の先端がステップ10からの線から遠く離れている場合、その位置が最適化されて、新しいML X線投影画像が取得される。
14.開口器具の先端が、ステップ10からの線まで一定の距離内になるまで、ステップ11~13が繰り返される。
15.開口器具の先端が依然として大転子の先端上にあることを確実にするためにAP X線投影画像が取得される。そうでない場合、ステップ2に戻る。
サブインプラントをもつ釘を脛骨内に植え込むための手順
潜在的なワークフローに対する例(図26を参照):
0.以下のワークフローに対して、頸部の近位部は無傷である(または正しく整復された)と仮定される。
1.ユーザーは、開口器具を頸部の表面上に(近位部の任意の点に、しかし理想的には、外科医によって推定された入口点の近くに)位置付ける。
2.ユーザーは、図2に示されるような頸部の近位部(TIBとラベル付け)の(概ね)横方向画像を取得する。
3.ユーザーは、図3、図4、および図5に示されるような脛骨の近位部の少なくとも1つのAP画像(理想的には、わずかに異なる方向からの複数の画像)を取得する。
4.本システムは、脛骨のサイズ(スケーリング)を推定するために、全ての画像内の開口器具(OIとラベル付け)のサイズ(または直径など)を検出する。
5.本システムは、脛骨の統計的モデルを、例えば、その統計的モデルを骨輪郭(または、より一般的には、骨の外観)とマッチングすることによって、全ての画像に一緒に適合させる。このステップの結果が脛骨の3D再構築である。
a.これは、回転および平行移動に対する画像ごとの6つのパラメータ、スケーリングに対する1つのパラメータ(ステップ4で既に最初に推定された)、および一定数のモード(モードを決定することは脛骨の3D再構築に等しい)を含む。従って、n個の画像およびm個のモードがある場合、パラメータの総数は(6・n+1+m)である。
b.脛骨の全ての推定される回転および平行移動(各画像内)に基づき、本システムは、図6に示されるように、全ての画像に対して画像位置合わせを実行する。それ故に、AP画像(I.AP1およびI.AP2とラベル付け)、ML画像(I.MLとラベル付け)、開口器具の先端(OIとラベル付け)、および脛骨(TIBとラベル付け)の間の空間的関係が分かる。
c.任意選択:潜在的により正確な結果のために、本システムは、大腿顆または腓骨の情報を、例えば、これらの骨に対する統計情報を使用することによって、使用し得る。
6.脛骨の3D再構築に基づき、本システムは、入口点を決定する。これは、例えば、統計的モデルの平均形状上に入口点を画定することによって、行われ得る。この点は次いで、3D再構築上で識別され得る。
7.任意選択:脛骨の3D再構築に基づき、本システムは、インプラントを(仮想的に)骨内に位置付けて、近位固定ネジの長さを計算する。このステップは、実際のインプラントを考慮するので、入口点の推定も改善し得る。
8.本システムは、入口点をオーバーレイとして現在のX線画像内に表示する。
9.開口器具の先端が推定された入口点に十分に近くない場合、本システムは、先端の位置を補正するように指示を与える。
a.ユーザーは開口器具の先端の位置を補正して、新しいX線画像を取得する。
b.本システムは、新しい画像内で入口点を(例えば、画像差分析により、または脛骨の3D再構築の新しい画像内への適合により)計算する。
c.ステップ8へ戻る。
10.ユーザーはインプラントを脛骨内に挿入して、新しい画像を取得する。
11.本システムは、インプラントの位置を突き止める。脛骨の3D再構築に基づき、本システムは、必要な3D情報(例えば、近位固定ネジの長さ)を提供する。
12.本システムは、近位固定のためのサポートを提供する。
13.本システムは、脛骨の近位部(これは大腿顆を含み得る)および脛骨の遠位部(これは足を含み得る)を比較することによってねじれ角を計算する。ねじれ角のさらに正確な計算のために、本システムは、腓骨に関する情報も(例えば、腓骨の位置を突き止めて、脛骨に対するその空間的関係を計算することによって)使用し得る。
0.以下のワークフローに対して、頸部の近位部は無傷である(または正しく整復された)と仮定される。
1.ユーザーは、開口器具を頸部の表面上に(近位部の任意の点に、しかし理想的には、外科医によって推定された入口点の近くに)位置付ける。
2.ユーザーは、図2に示されるような頸部の近位部(TIBとラベル付け)の(概ね)横方向画像を取得する。
3.ユーザーは、図3、図4、および図5に示されるような脛骨の近位部の少なくとも1つのAP画像(理想的には、わずかに異なる方向からの複数の画像)を取得する。
4.本システムは、脛骨のサイズ(スケーリング)を推定するために、全ての画像内の開口器具(OIとラベル付け)のサイズ(または直径など)を検出する。
5.本システムは、脛骨の統計的モデルを、例えば、その統計的モデルを骨輪郭(または、より一般的には、骨の外観)とマッチングすることによって、全ての画像に一緒に適合させる。このステップの結果が脛骨の3D再構築である。
a.これは、回転および平行移動に対する画像ごとの6つのパラメータ、スケーリングに対する1つのパラメータ(ステップ4で既に最初に推定された)、および一定数のモード(モードを決定することは脛骨の3D再構築に等しい)を含む。従って、n個の画像およびm個のモードがある場合、パラメータの総数は(6・n+1+m)である。
b.脛骨の全ての推定される回転および平行移動(各画像内)に基づき、本システムは、図6に示されるように、全ての画像に対して画像位置合わせを実行する。それ故に、AP画像(I.AP1およびI.AP2とラベル付け)、ML画像(I.MLとラベル付け)、開口器具の先端(OIとラベル付け)、および脛骨(TIBとラベル付け)の間の空間的関係が分かる。
c.任意選択:潜在的により正確な結果のために、本システムは、大腿顆または腓骨の情報を、例えば、これらの骨に対する統計情報を使用することによって、使用し得る。
6.脛骨の3D再構築に基づき、本システムは、入口点を決定する。これは、例えば、統計的モデルの平均形状上に入口点を画定することによって、行われ得る。この点は次いで、3D再構築上で識別され得る。
7.任意選択:脛骨の3D再構築に基づき、本システムは、インプラントを(仮想的に)骨内に位置付けて、近位固定ネジの長さを計算する。このステップは、実際のインプラントを考慮するので、入口点の推定も改善し得る。
8.本システムは、入口点をオーバーレイとして現在のX線画像内に表示する。
9.開口器具の先端が推定された入口点に十分に近くない場合、本システムは、先端の位置を補正するように指示を与える。
a.ユーザーは開口器具の先端の位置を補正して、新しいX線画像を取得する。
b.本システムは、新しい画像内で入口点を(例えば、画像差分析により、または脛骨の3D再構築の新しい画像内への適合により)計算する。
c.ステップ8へ戻る。
10.ユーザーはインプラントを脛骨内に挿入して、新しい画像を取得する。
11.本システムは、インプラントの位置を突き止める。脛骨の3D再構築に基づき、本システムは、必要な3D情報(例えば、近位固定ネジの長さ)を提供する。
12.本システムは、近位固定のためのサポートを提供する。
13.本システムは、脛骨の近位部(これは大腿顆を含み得る)および脛骨の遠位部(これは足を含み得る)を比較することによってねじれ角を計算する。ねじれ角のさらに正確な計算のために、本システムは、腓骨に関する情報も(例えば、腓骨の位置を突き止めて、脛骨に対するその空間的関係を計算することによって)使用し得る。
サブインプラントを備えた釘を上腕骨内に植え込むための手順
潜在的なワークフローに対する例(図27を参照):
0.ユーザーは、入口点と解剖頸との間の所望の距離(例えば、0mm、または5mm内側)を提供する。
1.ユーザーは、図7に示されるような上腕骨の近位部の軸方向X線画像を取得する。
2.本システムは、上腕骨頭の輪郭を(例えば、ニューラルネットワークを用いて)検出する。検出された輪郭に基づき、本システムは、上腕骨頭を円(HHとラベル付け)によって近似する、すなわち、それは2D中心および半径を推定する。これは、上腕骨頭(2D中心および半径)に対する複数の候補を含み得、それは、それらのもっともらしさに基づいて(例えば、統計的モデル、平均平方近似誤差、信頼度などに基づいて)ランク付けされる。検出された幹軸(ICとラベル付け)に基づき、本システムは、その幹軸が垂直線になるように画像を回転させる。本システムは、頭の中心が幹軸に十分に近いかどうかを評価する。頭の中心と幹軸との間の距離が大き過ぎる場合、本システムは、平行移動整復を補正するためにユーザーに遠位方向のけん引力を腕に印加するように助言する(すなわち、頭対骨幹、軟組織による力は、けん引力と垂直な整復となる)。
3.本システムは、最初の入口点(EPとラベル付け)を推定し、それは、上腕骨頭と幹軸の交点間のどこかに位置する(例えば、交点の中心の20%上)。
4.ユーザーは、ステップ3からの入口点の最初の推測上にガイドロッドを置く。
5.ユーザーは、図8に示されるようにガイドロッド(OIとラベル付け)が目に見える、更なる軸方向X線画像を取得する。
6.本システムは、上腕骨頭(HHとラベル付け)(2D中心および半径)および2D幹軸(ICとラベル付け)を検出して、ガイドロッド(OIとラベル付け)の位置を、その先端の2D座標および2Dスケーリングを(ガイドロッドの既知の直径に基づいて)取得するために、突き止める。
7.本システムは、ユーザーにCアームをそのC軸の周りを回転させるように助言する(さらに許容されたCアーム移動は、遠位-近位または前-後方向における平行移動である;禁止された移動は他の回転および内-外側方向における平行移動である)。
8.ユーザーは、ガイドロッドの先端を動かさない間に(ガイドロッドの角移動は、先端が定位置にある限り、許容される)、図9に示されるような上腕骨の近位部のAP X線画像(それは真のAP画像である必要はない)を取得する。
9.本システムは、上腕骨頭(HHとラベル付け)(2D中心および半径)および2D幹軸(ICとラベル付け)を検出して、ガイドロッド(OIとラベル付け)の位置を、その先端の2D座標および2Dスケーリングを(ガイドロッドの既知の直径に基づいて)取得するために、突き止める。
10.ステップ6~9からの情報に基づき、本システムは、図10に示されるような画像位置合わせを実行して、上腕骨頭(HHとラベル付け)の球状近似および、その球体と同じ座標系内にある、3D幹軸を計算する。
11.投影された上腕骨頭の円形部分の開始および終了を画定する4つの点(すなわち、画像につき2つ、軸方向およびAP)(図11および図12でCAとラベル付け)がある。本システムは、これらの4つの点から少なくとも3つを検出する。これら少なくとも3つの点に基づき、本システムは、3D内で解剖頸を(例えば、上腕骨頭の球状近似と交差する、3つの点に基づく平面を画定することによって)決定する。
12.本システムは、解剖頸の決定を(例えば、加重最小2乗法を用いて、この場合、重みは4つの点の各々の個々の信頼度に基づく)改善するために、ステップ11からの第4の点も同様に使用し得る。
13.3D幹軸が垂直線であり、上腕骨頭がその骨幹の上になるように、解剖学的構造が空間内で仮想的に回転される場合、入口点が解剖頸(図13でCA3Dとラベル付け)上で空間内の最も高い点として画定される。ステップ0からの設定およびステップ10~12からの結果に基づき、本システムは、最終の入口点(EPとラベル付け)を計算する。
14.ユーザーは、ガイドロッドを計算された入口点上に位置付けて、図14に示されるような新しいAP X線画像を取得する。
15.本システムは、ガイドロッド(OIとラベル付け)の先端を検出し、そのガイドロッドの先端が計算された入口点(EPとラベル付け)に十分に近接して位置付けられているかどうかを評価する。
16.ガイドロッドの先端が入口点に十分に近接するまで、ステップ14および15が繰り返される。
17.ガイドロッドの角移動に対する任意選択の指示。
a.直近の画像位置合わせ(それは3D内の上腕骨頭を含む)に基づき、本システムは、図15および図16に示されるように、上腕骨頭とガイドロッドとの間の空間的関係を決定する。ガイドロッドの方向が最適な挿入方向から余りにも外れている場合、本システムは、ガイドロッドの角移動に対する指示を与える。最適な挿入方向は、例えば、統計的モデルを用いて、またはガイドロッドの軸(OIAとラベル付け)を上腕骨頭軸(HAとラベル付け)と比較することによって、推定され得る。
b.指示がステップaで与えられた場合、ユーザーは、その指示に従って、同じ方向から新しいX線画像を取得する。画像差分析で画像内の変化が検出されて、画像位置合わせを更新する。
c.ガイドロッドの更なる角移動が必要なくなるまで、ステップaおよびbが繰り返される。
18.上腕骨頭輪郭の画像位置合わせおよび検証の任意選択の改善。
a.ユーザーは、図17に示されるようにガイドロッドを挿入する。
b.ユーザーはX線画像を(例えば、図18に示されるように軸方向として)取得する。
c.本システムは、ガイドロッド(OIとラベル付け)の位置を突き止めて、上腕骨頭(HHとラベル付け)(2D中心および半径)を検出する。
d.本システムは、ユーザーにCアームをそのC軸の周りを回転させるように助言する(追加の可能なCアーム移動についてステップ7を参照)。
e.ユーザーは、ガイドロッドを移動させることなく、X線画像を他の方向(例えば、図19に示されるようなAP)から取得する。
f.本システムは、ガイドロッド(OIとラベル付け)の位置を突き止めて、上腕骨頭(HHとラベル付け)(2D中心および半径)を検出する。
g.両方の画像からの情報に基づき、本システムは、画像位置合わせを実行する。ガイドロッドの3Dモデルが分かっているので、画像位置合わせは、ステップ10におけるよりも正確である。
h.画像位置合わせに基づいて、本システムは、両方の画像内での上腕骨頭の検出を検証し得る。
i.検証結果に基づいて、本システムは、両方の画像内で上腕骨頭の輪郭を(例えば、上腕骨頭に対する別の候補を選択することによって)最適化する。
19.上腕骨頭の回転転位の任意選択の補正。
a.ユーザーは、X線画像(軸方向またはAP)を取得する。本システムは、ガイドロッドの位置を突き止めて、2D幹軸および2D上腕骨頭軸(上腕骨頭の目に見える円形部分によって画定される)を検出する。
b.以前の画像が著しく異なる撮像方向(例えば、以前の画像では軸方向および現在の画像ではAP)を有していた場合、本システムは、直近の画像ペアに基づいて画像位置合わせを実行する。画像位置合わせに基づいて、本システムは、現在の画像に関して幹軸と頭軸との間の理想的な2D角度を決定する。
c.以前の画像が非常に類似した撮像方向(例えば、画像差分析によって識別される)を有していた場合、幹軸と頭軸との間の理想的な2D角度は(以前の画像と比べて)変わらないままである。
d.本システムは、幹軸と頭軸との間の現在の2D角度を計算する。
e.幹軸と頭軸との間の角度が、ステップ19bまたは19cからの理想的な角度(例えば、軸方向画像では20°、またはAP画像では130°)に十分に近くない場合、本システムは、背腹(軸方向画像)または内外(AP画像)方向における回転転位を補正するために、指示を与える。
f.以前の画像が非常に類似した撮像方向を有していたが、上腕骨頭の目に見える円形部分が以前の画像と比べて小さいか、または大きい(例えば、転位の以前の補正に起因して)場合、回転転位は他の撮像方向に対しても変わっている可能性があるので、本システムは、次の画像のために撮像方向を変更するために(すなわち、画像位置合わせを更新するために)、CアームをそのC軸の周りを回転させるように追加の指示を与える。
g.指示が与えられた場合、ユーザーは、回転転位を補正して(かつ、必要に応じてCアームを回転させて)ステップ19aに戻る。
20.任意選択のねじれチェック。
a.ユーザーは、前腕を、それが身体(または上腿)と平行になるように置く。
b.ユーザーは、軸方向X線画像を取得する。
c.本システムは、上腕骨頭および関節窩の2D中心を検出する。本システムは、関節窩の中心と頭軸との間の距離を計算する。この結果に基づいて、本システムは、ねじれが補正される必要のある方向および角度の指示を与える。
d.ユーザーは、頭を、ステップcからのその方向に、その角度だけ回転させることによって、ねじれを補正する。
e.関節窩の中心が上腕骨頭軸に十分に近接するまで、ステップ20b~20dが繰り返される。
0.ユーザーは、入口点と解剖頸との間の所望の距離(例えば、0mm、または5mm内側)を提供する。
1.ユーザーは、図7に示されるような上腕骨の近位部の軸方向X線画像を取得する。
2.本システムは、上腕骨頭の輪郭を(例えば、ニューラルネットワークを用いて)検出する。検出された輪郭に基づき、本システムは、上腕骨頭を円(HHとラベル付け)によって近似する、すなわち、それは2D中心および半径を推定する。これは、上腕骨頭(2D中心および半径)に対する複数の候補を含み得、それは、それらのもっともらしさに基づいて(例えば、統計的モデル、平均平方近似誤差、信頼度などに基づいて)ランク付けされる。検出された幹軸(ICとラベル付け)に基づき、本システムは、その幹軸が垂直線になるように画像を回転させる。本システムは、頭の中心が幹軸に十分に近いかどうかを評価する。頭の中心と幹軸との間の距離が大き過ぎる場合、本システムは、平行移動整復を補正するためにユーザーに遠位方向のけん引力を腕に印加するように助言する(すなわち、頭対骨幹、軟組織による力は、けん引力と垂直な整復となる)。
3.本システムは、最初の入口点(EPとラベル付け)を推定し、それは、上腕骨頭と幹軸の交点間のどこかに位置する(例えば、交点の中心の20%上)。
4.ユーザーは、ステップ3からの入口点の最初の推測上にガイドロッドを置く。
5.ユーザーは、図8に示されるようにガイドロッド(OIとラベル付け)が目に見える、更なる軸方向X線画像を取得する。
6.本システムは、上腕骨頭(HHとラベル付け)(2D中心および半径)および2D幹軸(ICとラベル付け)を検出して、ガイドロッド(OIとラベル付け)の位置を、その先端の2D座標および2Dスケーリングを(ガイドロッドの既知の直径に基づいて)取得するために、突き止める。
7.本システムは、ユーザーにCアームをそのC軸の周りを回転させるように助言する(さらに許容されたCアーム移動は、遠位-近位または前-後方向における平行移動である;禁止された移動は他の回転および内-外側方向における平行移動である)。
8.ユーザーは、ガイドロッドの先端を動かさない間に(ガイドロッドの角移動は、先端が定位置にある限り、許容される)、図9に示されるような上腕骨の近位部のAP X線画像(それは真のAP画像である必要はない)を取得する。
9.本システムは、上腕骨頭(HHとラベル付け)(2D中心および半径)および2D幹軸(ICとラベル付け)を検出して、ガイドロッド(OIとラベル付け)の位置を、その先端の2D座標および2Dスケーリングを(ガイドロッドの既知の直径に基づいて)取得するために、突き止める。
10.ステップ6~9からの情報に基づき、本システムは、図10に示されるような画像位置合わせを実行して、上腕骨頭(HHとラベル付け)の球状近似および、その球体と同じ座標系内にある、3D幹軸を計算する。
11.投影された上腕骨頭の円形部分の開始および終了を画定する4つの点(すなわち、画像につき2つ、軸方向およびAP)(図11および図12でCAとラベル付け)がある。本システムは、これらの4つの点から少なくとも3つを検出する。これら少なくとも3つの点に基づき、本システムは、3D内で解剖頸を(例えば、上腕骨頭の球状近似と交差する、3つの点に基づく平面を画定することによって)決定する。
12.本システムは、解剖頸の決定を(例えば、加重最小2乗法を用いて、この場合、重みは4つの点の各々の個々の信頼度に基づく)改善するために、ステップ11からの第4の点も同様に使用し得る。
13.3D幹軸が垂直線であり、上腕骨頭がその骨幹の上になるように、解剖学的構造が空間内で仮想的に回転される場合、入口点が解剖頸(図13でCA3Dとラベル付け)上で空間内の最も高い点として画定される。ステップ0からの設定およびステップ10~12からの結果に基づき、本システムは、最終の入口点(EPとラベル付け)を計算する。
14.ユーザーは、ガイドロッドを計算された入口点上に位置付けて、図14に示されるような新しいAP X線画像を取得する。
15.本システムは、ガイドロッド(OIとラベル付け)の先端を検出し、そのガイドロッドの先端が計算された入口点(EPとラベル付け)に十分に近接して位置付けられているかどうかを評価する。
16.ガイドロッドの先端が入口点に十分に近接するまで、ステップ14および15が繰り返される。
17.ガイドロッドの角移動に対する任意選択の指示。
a.直近の画像位置合わせ(それは3D内の上腕骨頭を含む)に基づき、本システムは、図15および図16に示されるように、上腕骨頭とガイドロッドとの間の空間的関係を決定する。ガイドロッドの方向が最適な挿入方向から余りにも外れている場合、本システムは、ガイドロッドの角移動に対する指示を与える。最適な挿入方向は、例えば、統計的モデルを用いて、またはガイドロッドの軸(OIAとラベル付け)を上腕骨頭軸(HAとラベル付け)と比較することによって、推定され得る。
b.指示がステップaで与えられた場合、ユーザーは、その指示に従って、同じ方向から新しいX線画像を取得する。画像差分析で画像内の変化が検出されて、画像位置合わせを更新する。
c.ガイドロッドの更なる角移動が必要なくなるまで、ステップaおよびbが繰り返される。
18.上腕骨頭輪郭の画像位置合わせおよび検証の任意選択の改善。
a.ユーザーは、図17に示されるようにガイドロッドを挿入する。
b.ユーザーはX線画像を(例えば、図18に示されるように軸方向として)取得する。
c.本システムは、ガイドロッド(OIとラベル付け)の位置を突き止めて、上腕骨頭(HHとラベル付け)(2D中心および半径)を検出する。
d.本システムは、ユーザーにCアームをそのC軸の周りを回転させるように助言する(追加の可能なCアーム移動についてステップ7を参照)。
e.ユーザーは、ガイドロッドを移動させることなく、X線画像を他の方向(例えば、図19に示されるようなAP)から取得する。
f.本システムは、ガイドロッド(OIとラベル付け)の位置を突き止めて、上腕骨頭(HHとラベル付け)(2D中心および半径)を検出する。
g.両方の画像からの情報に基づき、本システムは、画像位置合わせを実行する。ガイドロッドの3Dモデルが分かっているので、画像位置合わせは、ステップ10におけるよりも正確である。
h.画像位置合わせに基づいて、本システムは、両方の画像内での上腕骨頭の検出を検証し得る。
i.検証結果に基づいて、本システムは、両方の画像内で上腕骨頭の輪郭を(例えば、上腕骨頭に対する別の候補を選択することによって)最適化する。
19.上腕骨頭の回転転位の任意選択の補正。
a.ユーザーは、X線画像(軸方向またはAP)を取得する。本システムは、ガイドロッドの位置を突き止めて、2D幹軸および2D上腕骨頭軸(上腕骨頭の目に見える円形部分によって画定される)を検出する。
b.以前の画像が著しく異なる撮像方向(例えば、以前の画像では軸方向および現在の画像ではAP)を有していた場合、本システムは、直近の画像ペアに基づいて画像位置合わせを実行する。画像位置合わせに基づいて、本システムは、現在の画像に関して幹軸と頭軸との間の理想的な2D角度を決定する。
c.以前の画像が非常に類似した撮像方向(例えば、画像差分析によって識別される)を有していた場合、幹軸と頭軸との間の理想的な2D角度は(以前の画像と比べて)変わらないままである。
d.本システムは、幹軸と頭軸との間の現在の2D角度を計算する。
e.幹軸と頭軸との間の角度が、ステップ19bまたは19cからの理想的な角度(例えば、軸方向画像では20°、またはAP画像では130°)に十分に近くない場合、本システムは、背腹(軸方向画像)または内外(AP画像)方向における回転転位を補正するために、指示を与える。
f.以前の画像が非常に類似した撮像方向を有していたが、上腕骨頭の目に見える円形部分が以前の画像と比べて小さいか、または大きい(例えば、転位の以前の補正に起因して)場合、回転転位は他の撮像方向に対しても変わっている可能性があるので、本システムは、次の画像のために撮像方向を変更するために(すなわち、画像位置合わせを更新するために)、CアームをそのC軸の周りを回転させるように追加の指示を与える。
g.指示が与えられた場合、ユーザーは、回転転位を補正して(かつ、必要に応じてCアームを回転させて)ステップ19aに戻る。
20.任意選択のねじれチェック。
a.ユーザーは、前腕を、それが身体(または上腿)と平行になるように置く。
b.ユーザーは、軸方向X線画像を取得する。
c.本システムは、上腕骨頭および関節窩の2D中心を検出する。本システムは、関節窩の中心と頭軸との間の距離を計算する。この結果に基づいて、本システムは、ねじれが補正される必要のある方向および角度の指示を与える。
d.ユーザーは、頭を、ステップcからのその方向に、その角度だけ回転させることによって、ねじれを補正する。
e.関節窩の中心が上腕骨頭軸に十分に近接するまで、ステップ20b~20dが繰り返される。
潜在的な修正:ステップ3において交点の中心の(内側に)20%上に入口点を推定する代わりに、本システムは、ガイドロッドの先端が上腕骨頭の球状部分上に位置付けられることを確実にするためにより高い値(例えば、70%)を使用し得る。ステップ10で、本システムは、画像位置合わせを改善するために、ガイドロッドの先端が上腕骨頭の球形近似上に位置しているという情報を使用し得る。前述の70%方法に起因して、ガイドロッドの先端の現在の位置は、(20%方法と比べて)入口点までの距離が離れている。ユーザーがガイドロッドの先端で入口点に達するのをガイドするとき(ステップ14~ステップ16)、本システムは、視線方向が変わっているかどうかを(例えば、画像差分析によって)判断する。視線方向が変わっていない場合、計算された入口点は、以前のX線画像から使用されて、ガイダンス情報は、先端の更新された検出位置に基づいて更新される。視線方向がわずかにだけ変わっている場合、入口点はそれに応じて(例えば、物体追跡と呼ばれる技術によって、例えば、S.R.Balajiらによる「A survey on moving object tracking using IMAGE processing」(2017)を参照)シフトされる。視線方向が著しく変わっている場合、本システムはユーザーに、CアームをそのC軸の周りを回転させ、ガイドロッドの先端を動かさない間に異なる視線方向(例えば、現在の画像がAPであった場合は軸方向)からのX線画像を取得するように指示する。更新された画像に基づき、本システムは、以前の位置合わせによって取得された情報(例えば、上腕骨頭の球形近似の半径)に基づく画像位置合わせを実行して、現在の画像内の入口点を表示して、ユーザーがガイドロッドの先端で入口点に達するのをナビゲートする。
大腿骨の前捻角の決定
以下で、インプラントを挿入する前または後のいずれかにAV角度を決定するワークフロー例が提示され、それは、最新技術よりも堅牢かつ/または正確であり得る。一実施形態によれば、大腿骨の前捻角を決定するための手順全体は以下のように進み得る(図34を参照)。
1.ユーザーは開口器具の先端を略大転子の先端上に置く。
2.ユーザーは、図20に示されるような大腿骨の近位部のAP X線画像を取得する。
3.本システムは、大腿骨(FEMとラベル付け)および大腿骨頭の2D輪郭を検出し、それは、円(FHとラベル付け)(すなわち、それは2D中心および2D半径によって決定される)によって近似されて開口器具(OIとラベル付け)の先端の位置を突き止める。
4.大腿骨のいくつかの重要な部分または開口器具の先端が十分に目に見えない場合、本システムは、Cアームを回転および/または移動させる指示を与えて、ユーザーはステップ2に戻る。
5.ユーザーは、CアームをそのC軸の周りを回転させてML X線画像を取得する。ユーザーはさらに、Cアームの内-外側および/または前-後シフトを使用し得る。Cアームを移動させている間、開口器具の先端は動かしてはならない。
6.ユーザーは、図21に示されるような大腿骨の近位部のML X線画像を取得する。
7.本システムは、大腿骨(FEMとラベル付け)および大腿骨頭(FHとラベル付け)の2D輪郭(すなわち、2D中心および2D半径)を検出して、開口器具(OIとラベル付け)の先端の位置を突き止める。
8.大腿骨のいくつかの重要な部分または開口器具の先端が十分に目に見えない場合、本システムは、Cアームを移動(平行移動のみ)させるか、またはCアームをそのC軸の周りを回転させる指示を与えて、ユーザーはステップ6に戻る。
9.近位APおよびML画像ペアに基づいて、本システムは画像位置合わせを実行する。画像位置合わせが成功しなかった場合、本システムは、Cアームを回転および/または移動させる指示を与えて、ユーザーはステップ2に戻る。
10.ユーザーは、Cアームを患者の脚に沿って遠位方向に動かす。このステップでは、Cアームの回転移動は許可されないが、3つの平行移動は許容される。
11.ユーザーは、図22および図23に示されるような大腿骨の遠位部のML X線投影画像を取得する。
12.本システムは、大腿骨(FEMとラベル付け)の2D輪郭を検出する。
13.大腿顆の特定の配向または位置合わせは要求されない。しかし、大腿骨のいくつかの重要な部分が十分に目に見えない場合、本システムは、Cアーム(平行移動だけが許容される)を移動させる指示を与えて、ユーザーはステップ11に戻る。
14.画像位置合わせに基づいて、本システムは、統計的モデルの投影された輪郭が全ての画像内の大腿骨の検出された2D輪郭に一致するように、(骨折した大腿骨および骨折していない大腿骨で訓練された)統計的モデルを全ての画像に一緒に適合させる。このステップは、大腿骨の3D再構築を直接もたらす。3D再構築の精度を高めるために、本システムは、開口器具の先端の3D位置を(近位画像位置合わせに基づいて)計算し、開口器具の先端は大腿骨の表面上に置かれたという事実を使用して、この点を基準点として使用し得る。
15.本システムは、図24に示されるような大腿骨の3D再構築に基づいて、前捻角を決定する。Yeon Soo Leeらによる「3D femoral neck anteversion measurements based on the posterior femoral plane in ORTHODOC(登録商標)system」(2006)によれば、前捻角は、大腿骨頭の中心(FHCとラベル付け)、大腿骨頸部の中心(FNCとラベル付け)、転子の後頂(posterior apex)(TROとラベル付け)、ならびに後大腿顆の外側および内側頂(LCおよびMCとラベル付け)に基づいて計算され得る。本システムは、ステップ10からの大腿骨の3D再構築上のこれらの5つの点を識別し、従って前捻角を計算する。
1.ユーザーは開口器具の先端を略大転子の先端上に置く。
2.ユーザーは、図20に示されるような大腿骨の近位部のAP X線画像を取得する。
3.本システムは、大腿骨(FEMとラベル付け)および大腿骨頭の2D輪郭を検出し、それは、円(FHとラベル付け)(すなわち、それは2D中心および2D半径によって決定される)によって近似されて開口器具(OIとラベル付け)の先端の位置を突き止める。
4.大腿骨のいくつかの重要な部分または開口器具の先端が十分に目に見えない場合、本システムは、Cアームを回転および/または移動させる指示を与えて、ユーザーはステップ2に戻る。
5.ユーザーは、CアームをそのC軸の周りを回転させてML X線画像を取得する。ユーザーはさらに、Cアームの内-外側および/または前-後シフトを使用し得る。Cアームを移動させている間、開口器具の先端は動かしてはならない。
6.ユーザーは、図21に示されるような大腿骨の近位部のML X線画像を取得する。
7.本システムは、大腿骨(FEMとラベル付け)および大腿骨頭(FHとラベル付け)の2D輪郭(すなわち、2D中心および2D半径)を検出して、開口器具(OIとラベル付け)の先端の位置を突き止める。
8.大腿骨のいくつかの重要な部分または開口器具の先端が十分に目に見えない場合、本システムは、Cアームを移動(平行移動のみ)させるか、またはCアームをそのC軸の周りを回転させる指示を与えて、ユーザーはステップ6に戻る。
9.近位APおよびML画像ペアに基づいて、本システムは画像位置合わせを実行する。画像位置合わせが成功しなかった場合、本システムは、Cアームを回転および/または移動させる指示を与えて、ユーザーはステップ2に戻る。
10.ユーザーは、Cアームを患者の脚に沿って遠位方向に動かす。このステップでは、Cアームの回転移動は許可されないが、3つの平行移動は許容される。
11.ユーザーは、図22および図23に示されるような大腿骨の遠位部のML X線投影画像を取得する。
12.本システムは、大腿骨(FEMとラベル付け)の2D輪郭を検出する。
13.大腿顆の特定の配向または位置合わせは要求されない。しかし、大腿骨のいくつかの重要な部分が十分に目に見えない場合、本システムは、Cアーム(平行移動だけが許容される)を移動させる指示を与えて、ユーザーはステップ11に戻る。
14.画像位置合わせに基づいて、本システムは、統計的モデルの投影された輪郭が全ての画像内の大腿骨の検出された2D輪郭に一致するように、(骨折した大腿骨および骨折していない大腿骨で訓練された)統計的モデルを全ての画像に一緒に適合させる。このステップは、大腿骨の3D再構築を直接もたらす。3D再構築の精度を高めるために、本システムは、開口器具の先端の3D位置を(近位画像位置合わせに基づいて)計算し、開口器具の先端は大腿骨の表面上に置かれたという事実を使用して、この点を基準点として使用し得る。
15.本システムは、図24に示されるような大腿骨の3D再構築に基づいて、前捻角を決定する。Yeon Soo Leeらによる「3D femoral neck anteversion measurements based on the posterior femoral plane in ORTHODOC(登録商標)system」(2006)によれば、前捻角は、大腿骨頭の中心(FHCとラベル付け)、大腿骨頸部の中心(FNCとラベル付け)、転子の後頂(posterior apex)(TROとラベル付け)、ならびに後大腿顆の外側および内側頂(LCおよびMCとラベル付け)に基づいて計算され得る。本システムは、ステップ10からの大腿骨の3D再構築上のこれらの5つの点を識別し、従って前捻角を計算する。
フリーハンド固定手順
大腿骨釘のための遠位固定手順の異なる実施態様があり得る。以下で、潜在的なワークフローに対する2つの例(1つの「クイック」および「高められた」精度の1つ)が提示される。どちらのワークフローでも、ユーザーは、穴開け中はいつでも、穴開け軌道を、準リアルタイム(NRT)のフィードバックと共にX線画像に基づいて検証し、必要であれば、穴開け角度を補正し得る。この検証は、Cアームの回転も再調整も要求しない。かかる検証に対するワークフロー例が以下で提供される。
大腿骨釘のための遠位固定手順の異なる実施態様があり得る。以下で、潜在的なワークフローに対する2つの例(1つの「クイック」および「高められた」精度の1つ)が提示される。どちらのワークフローでも、ユーザーは、穴開け中はいつでも、穴開け軌道を、準リアルタイム(NRT)のフィードバックと共にX線画像に基づいて検証し、必要であれば、穴開け角度を補正し得る。この検証は、Cアームの回転も再調整も要求しない。かかる検証に対するワークフロー例が以下で提供される。
潜在的なワークフローに対する例(クイックバージョン)、図35を参照:
1.ユーザーは、大腿骨の遠位部のX線画像を取得する(例えば、図28に示されるようなAP、またはML)。
2.本システムは、インプラントの位置を突き止めて、大腿骨の輪郭を検出する。インプラントまたは大腿骨の輪郭のいずれかの位置が突き止められない場合、本システムは、(例えば、Cアームを移動させることによって)可視性を高めるように指示を与える。ユーザーはその指示に従って、ステップ1に戻る。
3.ユーザーは、ドリルを大腿骨の表面上に(例えば、釘穴軌道に)置く。ユーザーは、別の視線方向(例えば、図29に示されるような25°-ML)からX線画像を取得する。
4.本システムは、インプラント(IMとラベル付け)の位置を突き止めて、大腿骨(FEMとラベル付け)の輪郭を検出し、ドリル(DRとラベル付け)の位置を突き止める。
5.ドリルの先端の位置を突き止めることができない場合、本システムは、(例えば、Cアームを移動させることによって)ドリルの先端の可視性を高めるように指示を与える。ユーザーはその指示に従って、新しい画像を取得し、ステップ4に戻る。
6.両方の画像(図30でI.APおよびI.MLとラベル付け)内でのインプラントの位置の突き止めに基づいて、本システムは、図30および図31に示されるような画像位置合わせを実行する。
7.ステップ6からの画像位置合わせに基づいて、本システムは、大腿骨の統計的モデルを、その投影された輪郭を両方の画像内の大腿骨の検出された輪郭にマッチングさせることによって、適合させる(すなわち、それは、両方の画像内での大腿骨の回転および平行移動、スケーリング、ならびに統計的モデルのモードを決定する)。
8.現在の画像に関して、本システムは、像平面内のドリルの先端から焦点までの線を画定する。この線は、再構築された大腿骨と2回交差する(すなわち、入口および出口点)。焦点に近い方の点が、ドリルの先端の現在の3D位置として選択される。本システムは、再構築された大腿骨の釘穴軌道に沿った骨幹直径に基づいて固定ネジ長を計算し得る。
9.(画像位置合わせおよび大腿骨の再構築に起因した)大腿骨とインプラントとの間の既知の空間的関係に基づいて、本システムは、ドリルとインプラントとの間の空間的関係を計算する。
10.ドリルの軌道が釘穴を通る場合、本システムは、穴開けを開始するように指示を与え、ユーザーは穴開けを開始して、ユーザーはステップ14に進む。穴開けプロセス中はいつでも、ユーザーは、以下のワークフロー例に従って穴開け軌道を検証し得る。
11.ドリル軌道が釘穴を通らない場合、本システムは、ドリルの先端を移動させ、かつ/またはドリルを回転させるための指示を与える。ユーザーはその指示に従って、新しいX線画像を取得する。
12.本システムは、視線方向が変わっているかどうかを(例えば、画像差分析によって)評価する。視線方向が変わっていない場合、本システムは、以前の画像からのほとんどの結果を使用し得るが、それは、ドリルの位置を突き止める。視線方向または任意の他の関連する画像内容が(例えば、画像ぶれの影響、遮蔽などによって)変わっている場合、本システムは、この情報を使用して(例えば、現在の画像の追加の視線方向を使用することにより)画像位置合わせを改善する。本システムは、インプラントおよびドリルの位置を突き止め、大腿骨の輪郭を検出して、再構築された大腿骨を現在の画像に適合させる。
13.ユーザーはステップ9に戻る。
14.ユーザーが更なる穴を固定したい場合、本システムは、全ての釘穴用の入口点(大腿骨の3D再構築と、理想的な固定位置のための植込み曲線の交点によって与えられた)を表示して、その入口点に達するためにドリルの先端をどのように動かすかの指示を与える。一例が図32に示されている。ユーザーは、ドリルの先端を計算された入口点(EPとラベル付け)上に置いて、ステップ12に戻る。
1.ユーザーは、大腿骨の遠位部のX線画像を取得する(例えば、図28に示されるようなAP、またはML)。
2.本システムは、インプラントの位置を突き止めて、大腿骨の輪郭を検出する。インプラントまたは大腿骨の輪郭のいずれかの位置が突き止められない場合、本システムは、(例えば、Cアームを移動させることによって)可視性を高めるように指示を与える。ユーザーはその指示に従って、ステップ1に戻る。
3.ユーザーは、ドリルを大腿骨の表面上に(例えば、釘穴軌道に)置く。ユーザーは、別の視線方向(例えば、図29に示されるような25°-ML)からX線画像を取得する。
4.本システムは、インプラント(IMとラベル付け)の位置を突き止めて、大腿骨(FEMとラベル付け)の輪郭を検出し、ドリル(DRとラベル付け)の位置を突き止める。
5.ドリルの先端の位置を突き止めることができない場合、本システムは、(例えば、Cアームを移動させることによって)ドリルの先端の可視性を高めるように指示を与える。ユーザーはその指示に従って、新しい画像を取得し、ステップ4に戻る。
6.両方の画像(図30でI.APおよびI.MLとラベル付け)内でのインプラントの位置の突き止めに基づいて、本システムは、図30および図31に示されるような画像位置合わせを実行する。
7.ステップ6からの画像位置合わせに基づいて、本システムは、大腿骨の統計的モデルを、その投影された輪郭を両方の画像内の大腿骨の検出された輪郭にマッチングさせることによって、適合させる(すなわち、それは、両方の画像内での大腿骨の回転および平行移動、スケーリング、ならびに統計的モデルのモードを決定する)。
8.現在の画像に関して、本システムは、像平面内のドリルの先端から焦点までの線を画定する。この線は、再構築された大腿骨と2回交差する(すなわち、入口および出口点)。焦点に近い方の点が、ドリルの先端の現在の3D位置として選択される。本システムは、再構築された大腿骨の釘穴軌道に沿った骨幹直径に基づいて固定ネジ長を計算し得る。
9.(画像位置合わせおよび大腿骨の再構築に起因した)大腿骨とインプラントとの間の既知の空間的関係に基づいて、本システムは、ドリルとインプラントとの間の空間的関係を計算する。
10.ドリルの軌道が釘穴を通る場合、本システムは、穴開けを開始するように指示を与え、ユーザーは穴開けを開始して、ユーザーはステップ14に進む。穴開けプロセス中はいつでも、ユーザーは、以下のワークフロー例に従って穴開け軌道を検証し得る。
11.ドリル軌道が釘穴を通らない場合、本システムは、ドリルの先端を移動させ、かつ/またはドリルを回転させるための指示を与える。ユーザーはその指示に従って、新しいX線画像を取得する。
12.本システムは、視線方向が変わっているかどうかを(例えば、画像差分析によって)評価する。視線方向が変わっていない場合、本システムは、以前の画像からのほとんどの結果を使用し得るが、それは、ドリルの位置を突き止める。視線方向または任意の他の関連する画像内容が(例えば、画像ぶれの影響、遮蔽などによって)変わっている場合、本システムは、この情報を使用して(例えば、現在の画像の追加の視線方向を使用することにより)画像位置合わせを改善する。本システムは、インプラントおよびドリルの位置を突き止め、大腿骨の輪郭を検出して、再構築された大腿骨を現在の画像に適合させる。
13.ユーザーはステップ9に戻る。
14.ユーザーが更なる穴を固定したい場合、本システムは、全ての釘穴用の入口点(大腿骨の3D再構築と、理想的な固定位置のための植込み曲線の交点によって与えられた)を表示して、その入口点に達するためにドリルの先端をどのように動かすかの指示を与える。一例が図32に示されている。ユーザーは、ドリルの先端を計算された入口点(EPとラベル付け)上に置いて、ステップ12に戻る。
潜在的なワークフローに対する例(強化バージョン)、図36を参照:
1.任意選択:ユーザーは、大腿骨の遠位部のX線画像(例えば、図28に示されるようなAP、またはML)を取得する。本システムは、インプラント(IMとラベル付け)の位置を突き止めて、大腿骨(FEMとラベル付け)の輪郭を検出する。インプラントまたは大腿骨の輪郭のいずれかの位置が突き止められない場合、本システムは、(例えば、Cアームを移動させることによって)可視性を高めるように指示を与える。ユーザーはその指示に従って、このステップの始まりに戻る。
2.ユーザーは、ドリルを大腿骨の表面上に(例えば、釘穴軌道上に)置く。
3.ユーザーは、大腿骨の遠位部のX線画像(例えば、MLまたはAP)を取得する。本システムは、インプラント(IMとラベル付け)の位置を突き止めて、大腿骨(FEMとラベル付け)の輪郭を検出し、ドリル(DRとラベル付け)の位置を突き止める。インプラントもしくは大腿骨の輪郭またはドリルの先端のいずれかの位置が突き止められない場合、本システムは、(例えば、Cアームを移動させることによって)可視性を高めるように指示を与える。ユーザーはその指示に従って、このステップの始まりに戻る。釘の座標系に対する骨の3D再構築に基づいて、本システムは、サブインプラント(例えば、固定ネジ)の必要な長さを計算し、情報に従って表示する。
4.ユーザーは、別の視線方向(例えば、図29に示されるような25°-ML)からX線画像を取得する。ドリルの先端は、画像間で動いてはならない。動いた場合、本システムは、これを検出することが可能であり得、ユーザーにステップ3に戻るように要求する。
5.本システムは、インプラント(IMとラベル付け)の位置を突き止めて、大腿骨(FEMとラベル付け)の輪郭を検出し、ドリル(DRとラベル付け)の位置を突き止める。
6.ドリルの先端の位置を突き止めることができない場合、本システムは、(例えば、Cアームを移動させることによって)ドリルの先端の可視性を高めるように指示を与える。ユーザーはその指示に従って、新しい画像を取得し、ステップ5に戻る。
7.少なくとも2つの画像(図30でI.APおよびI.MLとラベル付け)内でのインプラントの位置の突き止めに基づいて、本システムは、図30および図31に示されるような画像位置合わせを実行する。
8.ステップ7からの画像位置合わせに基づくが、恐らくは以前の画像位置合わせからの情報を使用して、本システムは、大腿骨の統計的モデルを、その投影された輪郭を画像内の大腿骨の検出された輪郭にマッチングさせることによって、適合させる(すなわち、それは、両方の画像内での大腿骨の回転および平行移動、スケーリング、および統計的モデルのモードを決定する)。任意選択:本システムは、再構築された骨および決定された釘穴軌道に基づいて、計算されたサブインプラント長を更新し得る。
9.現在の画像に関して、本システムは、像平面内のドリルの先端から焦点までの線L1(図31でL1とラベル付け)を画定する。L1は、再構築された大腿骨と2回交差する(すなわち、入口および出口点)。焦点に近い方の点が、ドリルの先端の現在の3D位置として選択される。
10.ドリルの先端を含んでいる他の視線方向からの画像に対して、本システムは、像平面内のドリルの先端から焦点までの線L2を(すなわち、その画像の対応する座標系内で)画定する。画像位置合わせに基づいて、この線は、現在の画像の座標系内に変換される。変換された線は、L2´(図31でL2´とラベル付け)と呼ばれる。
11.L1とL2´との間の最も短い距離がある閾値より高い場合、本システムは、十中八九、ドリルの先端が画像間で動いているので、ユーザーにステップ4に戻るように助言し得る。任意選択:ユーザーが、画像位置合わせのために使用された画像ペアの生成間でドリルの先端が動いていないことを確認する場合、本システムは、両方の画像内でインプラントの位置の突き止めを最適化して、L1とL2´との間の距離を最小化することにより、画像位置合わせを改善する(インプラントおよびドリル先端の位置の突き止めが両方の画像内で完全であり、ドリルの先端が画像間で動いていなかった場合、L1およびL2´は交差する)。
12.L2´までの最も短い距離を有するL1上の点が、ドリルの先端の現在の3D位置に対する更なる初期値として選択される。
13.ドリルの先端の3D位置に対する2つのソリューション(すなわち、ステップ9および12から)に基づいて、本システムは、ドリルの先端の現在の3D位置を(例えば、ステップ12からのソリューションを選択することにより、または両方のソリューションを平均することにより)見つける。ドリルの先端が大腿骨の表面上にあるので、本システムは、ドリルの先端の推定された3D位置が再構築された大腿骨の表面上にあるという制約下で、大腿骨の3D再構築を改善する。本システムは、以前に計算されたサブインプラント長を大腿骨の改善された再構築に基づいて検証し得る。更新された長さが以前に計算されたネジ長(恐らくは、サブインプラントの利用可能な長さ増分を考慮して)から外れている場合、本システムはユーザーに通知する。
14.(画像位置合わせおよび大腿骨の再構築に起因した)大腿骨とインプラントとの間の既知の空間的関係に基づいて、本システムは、ドリルとインプラントとの間の空間的関係を計算する。
15.ドリルの軌道が釘穴を通る場合、本システムは、穴開けを開始するように指示を与え、ユーザーは穴開けを開始して、穴開け後にサブインプラントを挿入し、次いで、ステップ19に進む。穴開けプロセス中はいつでも、ユーザーは、以下のワークフロー例に従って穴開け軌道を検証し得る。
16.ドリル軌道が釘穴を通らない場合、本システムは、ドリルの先端を移動させ、かつ/またはドリルを回転させるための指示を与える。ユーザーはその指示に従って、新しいX線画像を取得する。
17.本システムは、視線方向が変わっているかどうかを(例えば、画像差分析によって)評価する。視線方向が変わっていない場合、本システムは、以前の画像からのほとんどの結果を使用し得るが、それは、ドリルの位置を突き止める。視線方向または任意の他の関連する画像内容が(例えば、画像ぶれの影響、遮蔽などによって)変わっている場合、本システムは、この情報を使用して(例えば、現在の画像の追加の視線方向を使用することにより)画像位置合わせを改善する。本システムは、可能な場合は、それらの入口点に関する利用可能な情報を考慮に入れることによって既に挿入されたサブインプラントの位置の突き止めによって最適化された、インプラント、およびドリルの位置を突き止め、大腿骨の輪郭を検出して、再構築された大腿骨を現在の画像に適合させる。
18.ユーザーはステップ14に戻る。
19.ユーザーが更なる穴を固定したい場合、本システムは、全ての釘穴用の入口点(大腿骨の3D再構築と、理想的な固定位置のための植込み曲線の交点によって与えられた)を表示して、その入口点に達するためにドリルの先端をどのように動かすかの指示を与える。一例が図32に示されている。ユーザーは、ドリルの先端を計算された入口点(EPとラベル付け)上に置いて、ステップ17に戻る。
1.任意選択:ユーザーは、大腿骨の遠位部のX線画像(例えば、図28に示されるようなAP、またはML)を取得する。本システムは、インプラント(IMとラベル付け)の位置を突き止めて、大腿骨(FEMとラベル付け)の輪郭を検出する。インプラントまたは大腿骨の輪郭のいずれかの位置が突き止められない場合、本システムは、(例えば、Cアームを移動させることによって)可視性を高めるように指示を与える。ユーザーはその指示に従って、このステップの始まりに戻る。
2.ユーザーは、ドリルを大腿骨の表面上に(例えば、釘穴軌道上に)置く。
3.ユーザーは、大腿骨の遠位部のX線画像(例えば、MLまたはAP)を取得する。本システムは、インプラント(IMとラベル付け)の位置を突き止めて、大腿骨(FEMとラベル付け)の輪郭を検出し、ドリル(DRとラベル付け)の位置を突き止める。インプラントもしくは大腿骨の輪郭またはドリルの先端のいずれかの位置が突き止められない場合、本システムは、(例えば、Cアームを移動させることによって)可視性を高めるように指示を与える。ユーザーはその指示に従って、このステップの始まりに戻る。釘の座標系に対する骨の3D再構築に基づいて、本システムは、サブインプラント(例えば、固定ネジ)の必要な長さを計算し、情報に従って表示する。
4.ユーザーは、別の視線方向(例えば、図29に示されるような25°-ML)からX線画像を取得する。ドリルの先端は、画像間で動いてはならない。動いた場合、本システムは、これを検出することが可能であり得、ユーザーにステップ3に戻るように要求する。
5.本システムは、インプラント(IMとラベル付け)の位置を突き止めて、大腿骨(FEMとラベル付け)の輪郭を検出し、ドリル(DRとラベル付け)の位置を突き止める。
6.ドリルの先端の位置を突き止めることができない場合、本システムは、(例えば、Cアームを移動させることによって)ドリルの先端の可視性を高めるように指示を与える。ユーザーはその指示に従って、新しい画像を取得し、ステップ5に戻る。
7.少なくとも2つの画像(図30でI.APおよびI.MLとラベル付け)内でのインプラントの位置の突き止めに基づいて、本システムは、図30および図31に示されるような画像位置合わせを実行する。
8.ステップ7からの画像位置合わせに基づくが、恐らくは以前の画像位置合わせからの情報を使用して、本システムは、大腿骨の統計的モデルを、その投影された輪郭を画像内の大腿骨の検出された輪郭にマッチングさせることによって、適合させる(すなわち、それは、両方の画像内での大腿骨の回転および平行移動、スケーリング、および統計的モデルのモードを決定する)。任意選択:本システムは、再構築された骨および決定された釘穴軌道に基づいて、計算されたサブインプラント長を更新し得る。
9.現在の画像に関して、本システムは、像平面内のドリルの先端から焦点までの線L1(図31でL1とラベル付け)を画定する。L1は、再構築された大腿骨と2回交差する(すなわち、入口および出口点)。焦点に近い方の点が、ドリルの先端の現在の3D位置として選択される。
10.ドリルの先端を含んでいる他の視線方向からの画像に対して、本システムは、像平面内のドリルの先端から焦点までの線L2を(すなわち、その画像の対応する座標系内で)画定する。画像位置合わせに基づいて、この線は、現在の画像の座標系内に変換される。変換された線は、L2´(図31でL2´とラベル付け)と呼ばれる。
11.L1とL2´との間の最も短い距離がある閾値より高い場合、本システムは、十中八九、ドリルの先端が画像間で動いているので、ユーザーにステップ4に戻るように助言し得る。任意選択:ユーザーが、画像位置合わせのために使用された画像ペアの生成間でドリルの先端が動いていないことを確認する場合、本システムは、両方の画像内でインプラントの位置の突き止めを最適化して、L1とL2´との間の距離を最小化することにより、画像位置合わせを改善する(インプラントおよびドリル先端の位置の突き止めが両方の画像内で完全であり、ドリルの先端が画像間で動いていなかった場合、L1およびL2´は交差する)。
12.L2´までの最も短い距離を有するL1上の点が、ドリルの先端の現在の3D位置に対する更なる初期値として選択される。
13.ドリルの先端の3D位置に対する2つのソリューション(すなわち、ステップ9および12から)に基づいて、本システムは、ドリルの先端の現在の3D位置を(例えば、ステップ12からのソリューションを選択することにより、または両方のソリューションを平均することにより)見つける。ドリルの先端が大腿骨の表面上にあるので、本システムは、ドリルの先端の推定された3D位置が再構築された大腿骨の表面上にあるという制約下で、大腿骨の3D再構築を改善する。本システムは、以前に計算されたサブインプラント長を大腿骨の改善された再構築に基づいて検証し得る。更新された長さが以前に計算されたネジ長(恐らくは、サブインプラントの利用可能な長さ増分を考慮して)から外れている場合、本システムはユーザーに通知する。
14.(画像位置合わせおよび大腿骨の再構築に起因した)大腿骨とインプラントとの間の既知の空間的関係に基づいて、本システムは、ドリルとインプラントとの間の空間的関係を計算する。
15.ドリルの軌道が釘穴を通る場合、本システムは、穴開けを開始するように指示を与え、ユーザーは穴開けを開始して、穴開け後にサブインプラントを挿入し、次いで、ステップ19に進む。穴開けプロセス中はいつでも、ユーザーは、以下のワークフロー例に従って穴開け軌道を検証し得る。
16.ドリル軌道が釘穴を通らない場合、本システムは、ドリルの先端を移動させ、かつ/またはドリルを回転させるための指示を与える。ユーザーはその指示に従って、新しいX線画像を取得する。
17.本システムは、視線方向が変わっているかどうかを(例えば、画像差分析によって)評価する。視線方向が変わっていない場合、本システムは、以前の画像からのほとんどの結果を使用し得るが、それは、ドリルの位置を突き止める。視線方向または任意の他の関連する画像内容が(例えば、画像ぶれの影響、遮蔽などによって)変わっている場合、本システムは、この情報を使用して(例えば、現在の画像の追加の視線方向を使用することにより)画像位置合わせを改善する。本システムは、可能な場合は、それらの入口点に関する利用可能な情報を考慮に入れることによって既に挿入されたサブインプラントの位置の突き止めによって最適化された、インプラント、およびドリルの位置を突き止め、大腿骨の輪郭を検出して、再構築された大腿骨を現在の画像に適合させる。
18.ユーザーはステップ14に戻る。
19.ユーザーが更なる穴を固定したい場合、本システムは、全ての釘穴用の入口点(大腿骨の3D再構築と、理想的な固定位置のための植込み曲線の交点によって与えられた)を表示して、その入口点に達するためにドリルの先端をどのように動かすかの指示を与える。一例が図32に示されている。ユーザーは、ドリルの先端を計算された入口点(EPとラベル付け)上に置いて、ステップ17に戻る。
いつでも、ユーザーが、穴の固定が成功しているかどうかをチェックすることを決定する場合、ユーザーは、固定穴軌道から8度未満だけ外れている撮像方向で画像を取得し得、本システムは、固定が成功しているか否かを、自動的に評価する。最後の穴が固定されている場合、または本システムが、実行された固定手順の検証を要求する情報を有している場合、本システムは、ユーザーが、固定穴軌道に対してCアーム位置の上に達するのをガイドし得る。
提案された入口点上にドリルを位置付けるために皮膚切開を正しいスポットで実行するのをサポートするために、本システムは、植込み曲線に基づいた皮膚入口点および骨上の入口点を皮膚と骨との間の距離を推定することによって投影し得る。
ドリル軌道を検証して補正するための潜在的なワークフローに対する例、図37を参照:
1.ユーザーが現在の撮像方向からX線画像を取得する。
2.本システムは、ドリルと釘を位置合わせる、すなわち、それは、それらの相対3D位置および配向を取得されたX線画像に基づいて決定する。2D-3Dマッチングの曖昧さは、ドリル軸が、釘に対するその3D座標が図35または図36のワークフロー内で以前に決定されている入口点(すなわち、穴開けの開始点)を通るという事前情報を考慮に入れることによって解決され得る。これに関する更なる説明が以下で提供される。
3.現在のドリル位置および釘に対する配向が、ドリルがその現在の経路を辿り続けた場合に固定穴を逃し得ることを示す場合、本システムは、ユーザーに、動力器具を、回転ドリルビットを用いて、指定された角度だけ傾ける指示を与える。それを行うことにより、ドリルビットは、海綿骨を通して脇路を広げ、結果として正しい軌道に戻る。指示内で提供された角度は、指示に従う際にドリルが骨の内側に曲がり得ることを考慮に入れ得、屈曲の量は、ドリルの挿入の深さ、骨の密度、ならびにドリルの剛性および直径によって決まり得る。
4.ユーザーは、ステップ1に戻るか、または穴開けを再開し得る。ステップ1~ステップ4のこのループは、準リアルタイムのナビゲーションガイダンスに対して継続的に実行され得る。
1.ユーザーが現在の撮像方向からX線画像を取得する。
2.本システムは、ドリルと釘を位置合わせる、すなわち、それは、それらの相対3D位置および配向を取得されたX線画像に基づいて決定する。2D-3Dマッチングの曖昧さは、ドリル軸が、釘に対するその3D座標が図35または図36のワークフロー内で以前に決定されている入口点(すなわち、穴開けの開始点)を通るという事前情報を考慮に入れることによって解決され得る。これに関する更なる説明が以下で提供される。
3.現在のドリル位置および釘に対する配向が、ドリルがその現在の経路を辿り続けた場合に固定穴を逃し得ることを示す場合、本システムは、ユーザーに、動力器具を、回転ドリルビットを用いて、指定された角度だけ傾ける指示を与える。それを行うことにより、ドリルビットは、海綿骨を通して脇路を広げ、結果として正しい軌道に戻る。指示内で提供された角度は、指示に従う際にドリルが骨の内側に曲がり得ることを考慮に入れ得、屈曲の量は、ドリルの挿入の深さ、骨の密度、ならびにドリルの剛性および直径によって決まり得る。
4.ユーザーは、ステップ1に戻るか、または穴開けを再開し得る。ステップ1~ステップ4のこのループは、準リアルタイムのナビゲーションガイダンスに対して継続的に実行され得る。
ステップ2における2D-3Dマッチングの曖昧さの解決は、図38および図39に例示されている。図38は、3D空間内に、全て図39における同じ2D投影DRPとなる3つの異なるドリル位置(DR1、DR2、およびDR3とラベル付け)を示す。しかし、ドリル軸が入口点EPを通るという事前情報を考慮に入れることにより、釘Nに対するドリルの3D位置および配向に関するいかなる曖昧さも解決され得る。
ドリルが釘に近づくや否や、ステップ1で取得された画像は、ドリルの先端がX線画像内の釘と重なり合うので、2D-3Dマッチングの曖昧さを解決するのをもう可能にしないことに留意されたい。この場合、考えられる解決策は、異なる撮像方向から、ドリルの先端(および釘)を示す、追加のX線画像を取得することであり得る。追加のX線画像では、釘も位置を突き止められ得、従って、追加のX線画像が元のX線画像と位置合わせされ得る。追加のX線画像内で、ドリルの先端が検出され得る。追加のX線画像内で検出されたドリルの先端によって画定された点は、エピポーラ線を画定する。ツールの軸は、元のX線画像内で検出され得、エピポーラ面を画定する。エピポーラ面とエピポーラ線の交差は、釘に対する3D空間内での先端の位置を画定する。
Claims (15)
- X線画像を処理するように構成された処理装置を有する装置であって、ソフトウェアプログラムが、
少なくとも部分的に目に見える物体の投影画像である第1のX線画像を受信するステップと、
前記物体のモデルを受信して、前記第1のX線画像内で前記物体の位置を突き止めるために前記モデルを適用するステップと、
前記第1のX線画像内で点を識別するステップであって、前記点の前記物体に対する3D位置が分かっている、ステップと、
少なくとも部分的に目に見えるツールの、前記少なくとも部分的に目に見える物体と一緒の投影画像である第2のX線画像を受信するステップと、
前記第2のX線画像内で前記物体の位置を突き止めるために前記物体の前記モデルを適用するステップと、
前記ツールに対して固定した関係で座標系を定義するステップと、
前記座標系内で軸を決定して識別するステップと、
前記物体に対する前記ツールの3D位置および配向を、
(i)前記第2のX線画像、
(ii)前記ツールの3Dモデル、
(iii)前記位置を突き止められた物体、
(iv)前記物体に対する前記点の前記3D位置は、前記第1のX線画像を生成するとき、および前記第2のX線画像を生成するときに同じであるという知識、ならびに
(v)前記点と前記軸との間の距離に関する知識
に基づいて決定するステップと
を行うために、前記処理装置によって実行される、装置。 - 前記物体は、穴のあるインプラントを含み、前記物体に対する前記点の前記3D位置が前記インプラント内の前記穴の軸に基づいて決定される、請求項1に記載の装置。
- 前記ツールは前記第1のX線画像内で少なくとも部分的に目に見えており、識別された前記点は、前記ツールにおける点であり、かつ前記ツールは、前記第1のX線画像の生成と、前記第2のX線画像の生成との間で、前記物体に対して移動している、請求項1に記載の装置。
- 前記物体に対する前記点の前記3D位置が、i)骨表面の前記位置に関する知識、およびii)前記点が前記骨表面に位置しているという知識に基づいて決定される、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の装置。
- 前記物体に対する前記点の前記3D位置が、別の視線方向からの更なるX線画像に基づいて決定される、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の装置。
- 前記物体に対する前記点の前記3D位置が、前記第1のX線画像に基づく前記物体に対する前記ツールの3D位置および配向の決定に基づいて決定される、請求項3~請求項5のいずれか1項に記載の装置。
- 前記ツールの先端が前記第2のX線画像内で目に見えており、前記物体に対する前記ツールの前記3D位置および配向の前記決定が、更なる点を画定する前記ツールの前記先端にさらに基づく、請求項1~請求項6のいずれか1項に記載の装置。
- 前記ツールは、前記X線画像の少なくとも1つの生成中に回転しているドリルである、請求項1~請求項7のいずれか1項に記載の装置。
- 前記X線画像内でその部分が目に見えている、前記ツールの前記部分は、回転対称である、請求項1~請求項7のいずれか1項に記載の装置。
- 前記第2のX線画像内にその部分が延出する、前記ツールの前記部分は、部分的に遮蔽されている、請求項1~請求項9のいずれか1項に記載の装置。
- 前記ソフトウェアプログラムは、別の視線方向から生成された第3のX線画像を受信する更なるステップを実行するために、前記処理装置によって実行され、前記物体に対する前記ツールの前記3D位置および配向の前記決定が前記第3の画像にさらに基づく、請求項8~請求項10のいずれか1項に記載の装置。
- 前記ツールはドリルであり、前記ソフトウェアプログラムは、既に実行された穴開けの深さ、前記物体の密度、前記ドリルの直径、および前記ドリルの剛性から成る群からの態様の少なくとも1つを考慮に入れて、ユーザーに指示を提供する更なるステップを実行するために、前記処理装置によって実行される、請求項1~請求項11のいずれか1項に記載の装置。
- 前記ソフトウェアプログラムは、
一連のX線画像を受信する更なるステップであって、前記X線画像の各々は、前記少なくとも部分的に目に見える物体および前記少なくとも目に見えるツールの投影画像である、ステップと、
前記物体に対する前記ツールの前記3D位置および配向の継続的な準リアルタイム決定を提供する更なるステップであって、その間、前記ツールは前記物体に対して移動している、ステップと
を行うために、前記処理装置によって実行される、
請求項1~請求項12のいずれか1項に記載の装置。 - 筋骨格手術を支援する方法であって、
少なくとも部分的に目に見える物体の投影画像である第1のX線画像を受信するステップと、
前記物体のモデルを受信して、前記第1のX線画像内で前記物体の位置を突き止めるために前記モデルを適用するステップと、
前記第1のX線画像内で点を識別するステップであって、前記点の前記物体に対する3D位置が分かっている、ステップと、
少なくとも部分的に目に見えるツールの少なくとも部分的に目に見える物体と一緒の投影画像である第2のX線画像を受信するステップと、
前記第2のX線画像内で前記物体の位置を突き止めるために前記物体の前記モデルを適用するステップと、
前記ツールに対して固定した関係で座標系を定義するステップと、
前記座標系内で軸を決定して識別するステップと、
前記物体に対する前記ツールの3D位置および配向を、
(vi)前記第2のX線画像、
(vii)前記ツールの3Dモデル、
(viii)前記位置を突き止められた物体、
(ix)前記物体に対する前記点の前記3D位置は、前記第1のX線画像を生成するとき、および前記第2のX線画像を生成するときに同じであるという知識、ならびに
(x)前記点と前記軸との間の距離に関する知識
に基づいて決定するステップと
を含む、方法。 - 前記方法は、
一連のX線画像を受信するステップであって、前記X線画像の各々は、前記少なくとも部分的に目に見える物体および前記少なくとも目に見えるツールの投影画像である、ステップと、
前記物体に対する前記ツールの準リアルタイムの継続的3D位置合わせを提供するステップであって、その間、前記ツールは前記物体に対して移動している、ステップと
をさらに含む、
請求項14に記載の方法。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP21175405.6 | 2021-05-21 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2024521728A true JP2024521728A (ja) | 2024-06-04 |
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7475082B2 (ja) | 2d医用画像において物体間の相対的3d位置および向きを決定すること | |
JP7391399B2 (ja) | 医用画像中の物体の相対位置の人工知能に基づく決定 | |
LU100907B1 (en) | Determination of imaging direction based on a 2d projection image | |
US20230255691A1 (en) | Adaptive Positioning Technology | |
EP4092624A1 (en) | Near-real-time continual 3d registration of objects in 2d x-ray images | |
EP4014911B1 (en) | Artificial-intelligence-based detection of invisible anatomical structures in 2d x-ray images | |
US20240054663A1 (en) | Artificial-intelligence-based registration of x-ray images | |
US20240099775A1 (en) | Artificial-intelligence-based determination of implantation curve | |
JP2024521728A (ja) | 2d x線画像内の物体の準リアルタイムの連続的3d位置合わせ | |
WO2023110124A1 (en) | Precise 3d-navigation based on imaging direction determination of single intraoperative 2d x-ray images | |
WO2023110126A1 (en) | Systems and methods for autonomous self-calibrating surgical robot | |
AU2021479170A1 (en) | Systems and methods for autonomous self-calibrating surgical robot | |
EP4296949B1 (en) | System and methods to achieve redundancy and diversification in computer assisted and robotic surgery in order to achieve maximum robustness and safety | |
EP4296940A1 (en) | Systems and methods for effortless and reliable 3d navigation for musculoskeletal surgery based on single 2d x-ray images |