JP3565852B2 - 外科的な処置の準備及び支援のための装置 - Google Patents

Description

［技術分野］
本発明は、外科的な処置（Eingriffe,operations）の準備及び支援（サポート）、特に、骨移植の準備及び支援のための装置及び方法に関する。
［技術的背景］
例えば頭部の骨片を骨移植のために移植する場合、病変したか又は手術不能に損傷した骨片を取除いた後、特に骨盤の稜縁（Beckenkamm）の領域において移植片を取出し、この移植片について、その縁部の個所を除去して加工し、頭蓋骨の開口に移植片の外形を可及的に適合させ、治癒のプロセスを遅延させる縁部の大きな接合なしに頭蓋骨の開口に挿入しうるようにする。
従来は、移植片の加工は、手作業で行い、少数の加工ステップによって良好な適合を示す移植片を作成するために、手作業の熟達と良好な空間的表象（イメージ）能力（Vorstellungsvermoegen）とが、外科医に要求されていた。しかし、この手順は、過大な量の骨を除去しないようにするために、頭蓋骨の開口と、移植片との比較を頻繁に行う必要があるため、経験又は熟達の少い外科医にあっては、非常に時間のかかる作業である。更に、移植片の適合を容易にするために、頭蓋骨の開口又は移植片の輪郭として、比較的簡単な幾何学的形状が、多くの場合に選択されるが、その結果として、必要とされるより多量の健全な骨組織が頭部から除去されることが多くなり、それによって、より大きな移植片が切除されることになるので、移植片を取出した個所の治癒のプロセスが遅延される。
［発明の課題］
本発明の課題は、上記の状態から出発して、移植片を、その形状と係りなく高精度で、移植個所に適合させることを可能とする、冒頭に述べた形式の方法及び装置を提供することにある。
［課題の解決手段］
この課題は、本発明の装置によれば、手術部位に対して所定のもしくは測定可能な、ある幾何学的な関係に配置され、かつ数値制御されると共に、該手術部位に対し移動可能とされる位置決め装置を有する、外科的な処置の準備及び支援のための装置において、移植片を取外し自在に固定可能な保持部は、前記位置決め装置と着脱自在に結合可能であり、かつ前記手術部位に対し移動可能であること、前記保持部に取外し自在に固定された前記移植片は、その境界面に関し、移植部位を囲む残留組織の予め測定された表面によって求められた幾何学的形状に応じて、加工用工具によって加工可能であること、及び前記保持部に取外し自在に固定された移植片は、前記手術部位の予定された移植部位に対して位置決め可能であることによって解決される（形態１・基本構成）。
更に、上記の課題は、本発明の他の視点の装置によれば、手術部位に対して所定の、もしくは測定可能な、ある幾何学的関係に配置され、数値的制御される位置決めの装置を有し、少くとも、外科用器具、組織もしくは骨を処置（ないし加工）するための処置用工具（ないし器具）又は移植片のための保持部が、位置決め装置に着脱自在にされることによって解決される。本発明の基本的な思想は、移植片を適合のために処置ないし加工し、そして／又は移植片を固定に至るまで移植個所に対して位置決めする上で、数値制御の高精度を利用することにある。
本発明の方法によれば、手術に先立って、所定の手術部位の領域内において個々の解剖学的形態を求め、その際に求められた形態上のデータが処置の計画及び／又はシミュレーションのための、並びに手術部位に対し所与のもしくは測定可能な空間的関係に配される少なくとも１つの位置決め装置の数値制御のための、基礎として処理ないし用意（aufbereiten）される（即ち用いられる）。この位置決め装置に対して外科用器具、組織もしくは骨の加工工具又は移植片のための保持部が、取外し自在に結合可能（着脱自在）となっている。
［発明の実施の形態］
以下に、本発明の好ましい実施の形態を示すが、これらは従属請求項の対象でもある。
（２） 上記の装置において、手術部位のある静止基準系に対する座標を測定するための測定装置を備えることが可能である（形態２）。
（３） 上記の装置において、保持部が選択的に、位置決め装置に結合可能とされるか、又は、基準系に対して静止された固定用装置に着脱可能とされることができる（形態３）。
（４） 上記の装置において、手術部位に対する所定のもしくは予測可能なある幾何学的関係に固定用装置を配設することが好ましい（形態４）。
（５） 上記の装置において、位置決め装置を制御するメモリ付きデータ処理装置を有することが好ましい（形態５）。
（６） 上記の装置において、手術部位の３次元構造像のためのデータ組がデータ処理装置の前記メモリ中に記憶されることが好ましい（形態６）。
（７） 上記の装置において、計画された切骨線の３次元の像のためのデータ組がデータ処理装置の前記メモリ中に記憶されることが好ましい（形態７）。
（８） 上記の装置において、位置決め装置が複数の運動自由度を持つことが好ましい（形態８）。
（９） 上記の装置において、位置決め装置が少なくとも１つのマニピュレータアームを持つことが好ましい（形態９）。
（10） 上記の装置において、マニピュレータアームの一自由端の近傍に配された受入れ部を有することが好ましい（形態10）。
（11） 上記の装置において、位置決め装置に結合された加工用工具をモータ駆動可能とすることができる（形態11）。
（12） 上記の装置において、加工用工具が、切削工具、フライス工具又は穿孔工具であることが好ましい（形態12）。
（13） 上記の装置において、移植片のための保持部が骨接合板の形状とされたことが好ましい（形態13）。
本発明の好ましい実施の形態によれば、保持部は、位置決めの装置に結合可能とされ、保持部上に移植片が取外し自在に固定されている。この位置決め装置は、この場合、固定位置の加工工具例えばフライスヘッドに対して移植片をその加工の際高精度にコンピュータ支援して移動するためにも、また、予加工された移植片を移植部位にそこに固定されるまで位置決めするためにも、保持部を取外さずに使用できる。さらに別の方法として、保持部は、位置決め装置に選択的に固定されたり、基準系に対する所定の、もしくは測定可能な幾何学的関係において固定されたりするように、取外し可能に固定される移植片と共に構成でき、移植片（sie）は、位置決め装置に結合された加工工具によって、ひと先ず静止状態において、所定の形状とされ、次いで加工工具の交換後、位置決め装置によって保持部に対し、位置決めされうるようにしても良い。
位置決め及び形状付与に際して、高精度の位置決め及び加工を保証するために、本発明の別の好ましい実施形態によれば、データ組（ないしユニット）を記憶するメモリ（Speicher）を備えたデータ処理装置が設けられ、このメモリには、移植個所の個々の解剖学的形態が、３次元の座標系によって再生されるデータ組が記憶される。この解剖学的形態は、本発明の別の好ましい実施形態によれば、手術に先立って、非侵入的（nichtinvasiv）な検査、例えばコンピュータ断層−、核磁気（スピン）断層−、超音波−、レントゲン−又は、ホログラフィ−検査、の結果の分析によって求める（ermitteln）。これらの検査において、有利には身体内の被検部分を十分な解像度の互いに平行な断面撮影（断層撮影）によって層状に把握し、取得されたデータをデータ処理装置内において評価し、所定の手術部位においての骨又は器官の３次元的な構造像（処置の計画及びシミュレーションの基礎として使用しうる）を、前記データから作成する。手術部位の組織の形態についての知識は、一方で切骨線の計画を容易にすると共に、他方で切骨線が確定された後は、移植片の適切な切出し個所を探知するためにも有用である。それは、データ処理装置による探知によって、チェック可能なオプションの数が著しく増大することによる。
本発明のさらに好ましい実施形態によれば、位置決め装置は、その座標系が位置決め装置の運動の生ずる基準系と、座標の原点（Nullpunkt）、座標軸の数及び相互に対する方向及び尺度について合致させられる３次元のデータ組（データ処理装置に記憶される）に基づいて、データ処理装置によって制御される。これは機械的、音響的もしくは光学式の測定装置によって行うことができる。この測定装置によれば、処置の前もしくは間に、マニピュレータアームの座標中性点に対してある既知の幾何学的関係に立つある基準点に対する手術部位の固定特定点の座標軸が測定される。これは、病変又は損傷した部分を除去した後に残留する健康な骨又は組織の露呈された表面の測定についても同様である。
また、この測定装置により、手術中に、静止状に固定された保持部上に配した移植片の空間的形状を、その加工前に、基準系について測定し、データ処理装置による座標系の相関に従って、位置決め装置に結合された加工工具を、残留する健康な骨の予め測定した表面（移植片に合成的に重畳される）に沿ってガイドすることができる。
本発明のさらに有利な形態によれば、位置決め装置は、これに結合される外科用器具、加工工具又は移植片保持部（具）が任意の空間的配置（ないし姿勢）（Raumlage）を取りうるよう、多くの運動自由度を有する。
本発明のさらに別の有利な実施形態によれば、位置決め装置は、その自由端に受入れ部（ないし取り付け具Aufnahme）を備えたマニピュレータアーム（操作アーム）を有し、この受入れ部には、外科用器具、加工工具又は移植片保持部を装入することができる。
有利には、複数のマニピュレータアームを使用し、これらのアームの受入れ部には、生物学的もしくは物理的パラメータ、例えば筋電流もしくは脳波又は手術部位のpH値を測定するためのセンサ又は外科用補助器具（例えばフック（Haken）等）を結合可能とする。これらの補助器具は、疲労することなく（ermuedungsfrei）、手術部位を開放に保ち、マニピュレータアームの制御によって高精度で移動させることができる。
次に本発明を、図面に示した実施例によって一層詳細に説明する。図には、外科的な処置を支援するための本発明による装置が示されている。
［実施例］
図示した位置決め装置２は、基本的に、数値制御されるマニピュレータアーム４を有し、このマニピュレータアームは、静止した基準系６に対して複数の運動自由度をもって移動されることができる。やはり静止された手術台８上には、予定された手術部位10がマニピュレータアーム４の自由端に配された受入れ部12の運動範囲内にあるように、患者を固定することができる。受入れ部12中には、外科器具、加工工具16又は、移植片14用保持部18を収納することができる。
マニピュレータアーム４の運動、従って、受入れ部12中に収納された器具、加工工具16又は保持部18の運動は、データ処理装置（DVA）20から、直接又は間接に、マニピュレータアーム４自身の数値制御部にデータを転送することによって制御される。
DVA20は、メモリを有し、このメモリには、手術部位10の３次元構造像のための３次元データ組（3D−データセット）が記憶される。この構造像は、固有の座標系中に、移植部位の個別の解剖学的形態を含むものであり、この解剖学的形態は、例えばコンピュータ断層（撮影）、核磁気（スピン）断層（撮影）、超音波検査、レントゲン検査又はホログラフィによる検査による非侵入性検査の評価によって手術前に求められ、切骨線の計画の基礎をなすものであり、やはりDVA20のメモリ中に記憶される。
図示しない光学的もしくは機械的な測定装置は、手術台８上に患者を固定した後、手術部位10の特性点の座標、例えば、静止した基準系６に対する容易に認識可能な骨の特徴、を把握するために用いられる。DVA20において読取られた測定データは、DVA20において、構造像のデータセットと比較され、構造像の座標系は、基準点６と、計算上合致させられることによって、構造像と計算された切骨線とが手術部位10において重畳されうるようにする。これにより、例えば、外科医による切骨術の終了後に、受入れ部12に装着された加工工具16、例えば回転駆動されるフライスヘッドによって、移植片14を囲む骨の表面を、この表面が記憶された切骨線と正確に合致されるように、微細（ないし精密）加工（Feinbearbeitung）することができる。
測定用器具は、保持部18上に取外し自在に固定された移植片14を測定するためにも用いられる。小さな骨接合板（Osteosyntheseplatte）に似た形状を有する保持部18は、手術台８に対して静置の固定装置22中に、その目的のために固定される。固定装置22も同様に、マニピュレータアーム４の受入れ部12中に装着された加工工具16の運動範囲内に配設されている。次に、移植片14の境界面の座標が定められ、残留する健全な組織又は骨の予め測定された表面の幾何学的な形状を移植片14にコンピュータ的に（rechnerisch）重畳させる。次に、受入れ部12中に装着された加工工具16の切削刃もしくはフライス刃が、前記表面に沿って、DVA2によって、移植片14を囲む組織又は骨の表面に移植片14の境界面を可及的に正確に合致させるように案内される。この際に、マニピュレータアーム４の運動は、移植片14を変位自在に固定するように、骨セメントを充填しうる比較的一様な厚さの（stark）小さな継ぎ目（ないし目地Fuge）が後に移植片14と周囲の組織又は骨との間に局所的に残留されるように制御しうることは言うまでもない。
移植片14を成形した後、この移植片14は、保持部18と共に、受入れ部12中に装着され、手術部位10中の予定された移植部位のところ、適正な配向において位置決めされる。この際に、マニピュレータアーム４の運動は、DVA20によって制御する。
位置決め装置２は、数値制御されるさらに別のマニピュレータアームを備えていてもよい。このマニピュレータアームの受入れ部中には、筋電流又は、脳波の様な生理学的な関連パラメータのその時々の状態を手術部位から生理学的監視系統に伝達したり、手術部位を疲労なしに（絶えず）開放状態に保つようにするため、処置の間センサ又は補助的な外科器具例えばフックを、この別のマニピュレータアーム中に装着してもよい。

Claims (13)

1. 手術部位（10）に対して所定のもしくは測定可能な、ある幾何学的な関係に配置され、かつ数値制御されると共に、該手術部位（10）に対し移動可能とされる位置決め装置（２）を有する、外科的な処置の準備及び支援のための装置において、
   移植片（14）を取外し自在に固定可能な保持部（18）は、前記位置決め装置（２）と着脱自在に結合可能であり、かつ前記手術部位（10）に対し移動可能であること、
   前記保持部（18）に取外し自在に固定された前記移植片（14）は、その境界面に関し、移植部位を囲む残留組織の予め測定された表面によって求められた幾何学的形状に応じて、加工用工具（16）によって加工可能であること、及び
   前記保持部（18）に取外し自在に固定された移植片（14）は、前記手術部位（10）の予定された移植部位に対して位置決め可能であること
   を特徴とする装置。
2. 手術部位（10）のある静止基準系に対する座標を測定するための測定装置を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。
3. 保持部（18）が選択的に、位置決め装置（２）に結合可能とされるか、又は、基準系（６）に対して静止された固定用装置（22）に着脱可能とされたことを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の装置。
4. 手術部位（10）に対する所定のもしくは予測可能なある幾何学的関係に固定用装置（22）を配設することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の装置。
5. 位置決め装置（２）を制御するメモリ付きデータ処理装置（20）を有することを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載の装置。
6. 手術部位（10）の３次元構造像のためのデータ組がデータ処理装置（20）の前記メモリ中に記憶されることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の装置。
7. 計画された切骨線の３次元の像のためのデータ組がデータ処理装置（20）の前記メモリ中に記憶されることを特徴とする請求の範囲第５項又は第６項に記載の装置。
8. 位置決め装置（２）が複数の運動自由度を持つことを特徴とする請求の範囲第１項〜第７項のいずれか１項に記載の装置。
9. 位置決め装置（２）が少なくとも１つのマニピュレータアーム（４）を持つことを特徴とする請求の範囲第１項〜第８項のいずれか１項に記載の装置。
10. マニピュレータアーム（４）の一自由端の近傍に配された受入れ部（12）を有することを特徴とする請求の範囲第９項に記載の装置。
11. 位置決め装置（２）に結合された加工用工具（16）をモータ駆動可能としたことを特徴とする請求の範囲第１項〜第10項のいずれか１項に記載の装置。
12. 加工用工具（16）が、切削工具、フライス工具又は穿孔工具であることを特徴とする請求の範囲第11項に記載の装置。
13. 移植片のための保持部（18）が骨接合板の形状とされたことを特徴とする請求の範囲第１項〜第11項のいずれか１項に記載の装置。

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