JP4132009B2 - フィデューシャルネジを用いたフィデューシャルマッチング - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、独立請求項１および５の上位概念に基づく、骨に移植されたフィデューシャルネジに設けられた２つの参照点を参照づけする装置、および独立請求項１１の上位概念に基づく、参照点の位置規定された割当てを創出する方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
コンピュータ支援外科の分野では、たとえば治療されるべき骨や身体部位のコンピュータ断層撮影像を、外科処置のために利用するという課題がしばしば生じている。この場合、外科器具用の位置検出装置を用いて骨や身体部位の特定の点を同定し、コンピュータ断層撮影像で同定されている点と位置に関して比較することが必要になる可能性がある。
【０００３】
骨周辺の軟部のできるだけ少ない損傷を達成するため、骨またはたとえば脊柱分節は、治療されるべき部位を広範囲に切開することなく手術するのが望ましい（最小浸襲技術）。そのためにはコンピュータ支援外科が適している。位置検出システムの動的な参照ベースが与えられている手術室で患者の座標系を記録するために、およびあらかじめ検出しておいた断層画像データの座標系を記録するために、マッチングと呼ばれる座標変換を行う必要がある。
【０００４】
前述した座標変換に適したマッチングアルゴリズムの記載を含む、コンピュータ支援外科に関する詳しい説明は次の文献に見られる：
L.-P.Nolte等の「Clinical evaluation of a system for precision enhancement in spine surgery」（脊柱手術におけるシステムの精度増大に関する臨床評価）、Clinical Biomechanics,1995,Vol.10,No.6, pp293-303。
【０００５】
手術室にいる患者の座標系と、患者の画像上での座標系とを比較する一つの可能性は、たとえばＵＳ５，３８３，４５４ブーフホルツ(BUCHHOLZ)に記載されているような機械的なスキャニング装置を使用することにある。しかしこの公知の方法はきわめて時間がかかり、精度の点でも現在では時代遅れとなっている。
【０００６】
手術室の患者の座標系と画像の座標系とをマッチングさせる別の可能性は、解剖学的な参照点を用いて、事前に規定された点を同定することにある。この方法も、身体部位が少ししか切開されていない場合には見通しが悪いので困難である。しばしば内視鏡も必要になる。
中間関節を形成する骨に関して中間関節の幾つかの内部人工器官の幾つかの箇所の位置データを、手術前に決定する装置がＤＥ２９７０４３９３アエツクラプ(AESCULAP)に開示されている。この既知の装置は、座標の三次元系内で幾つかのマーキング要素の位置決定をする計測装置、データ処理装置およびそれぞれ関節を形成する２つの骨に関するマーキング要素、を包含している。これらマーキング要素は、それぞれ骨にねじ込み可能な骨ネジ形状の基底部とＴ形状頭の主部とからなり、互いに離れて存在する４つのマーカーを有している。
【０００７】
座標系を記録する別の方法では、参照点を一義的に同定するためにいわゆるフィデューシャル（基準）移植片が用いられる。このような方法、およびこれに適した装置はＵＳ４，９４５，９１４アレン(ALLEN)に記載されている。この方法は、１つの空間的観点で少なくとも４つのフィデューシャル（基準物）を移植することを内容としている。
こうした公知の方法は、どれも時間的コストが比較的かかるという欠点がある。
【０００８】
（発明の開示）
本発明はこの点で対策を講じようとするものである。本発明の課題は、フィデューシャルネジに設けられた参照点の位置規定された割当ての創出を、実際の身体の座標系における当該参照点の位置と、画像の座標系における同一の参照点の位置との間で行うことを可能にするとともに、その際に１つまたは複数の骨の周囲にある軟部のわずかな損傷しか必要としない（参照浸襲技術）装置および方法を提供することである。本装置の要点はフィデューシャルネジの２つの参照点を定義することであり、それによって本方法は、移植される２つのフィデューシャルネジしか必要としない。画像はＸ線画像や、デジタル式に記憶されたコンピュータ断層撮影像であってもよい。
【０００９】
本発明は、骨に移植されたフィデューシャルネジに設けられた２つの参照点を参照づけする装置であって請求項１および５の構成要件を備えているもの、および、参照点の位置規定された割当てを創出する方法であって請求項１１の構成要件を備えているものによって、課せられた課題を解決する。
【００１０】
本発明による装置の１つの有利な実施形態では、マーキング手段を装備しているポインタが、定置の参照点を備えたフィデューシャルネジに関して空間的に厳密に定義された位置と方向づけを与えられる。一方の参照点はフィデューシャルネジの先端によって規定されるのに対し、第２の参照点はネジ頭部によって規定されている。ポインタの位置決めは、ポインタの前側端部にある見当正しいピンを、フィデューシャルネジのネジ頭部にある相応の開口部の中へ挿入することで行われる。すると、フィデューシャルネジのネジ頭部にある開口部、およびこれに伴ってピンはフィデューシャルネジの長軸に対して同心的に位置することになり、このときピンはやはり同心的にポインタに取り付けられる。したがってポインタとフィデューシャルネジは、フィデューシャルネジに設けられた参照点に関して定義された軸上に位置することになる。ピンに続いているポインタのシャフトがピンよりも大きな断面積を有しており、そのためネジ頭部の上に当接することによって、前記長軸の方向でポインタの定義された位置が得られる。したがって、マーキング手段がある座標系で既知の位置にいれば、フィデューシャルネジに設けられた参照点の位置を同一の座標系で検出することができる。マーキング手段は、電磁波または音響波を放射したりこれを検知するセンサや送信機であってよい。センサまたは送信機の性質に応じて、マーキング手段の位置を相応の位置検出装置で測定することができる。
位置検出装置は、特に画像処理ソフトウェアを備えたコンピュータを包含することのできるコンピュータ支援外科システム(CAS)の一部であってよい。
【００１１】
参照点の位置規定された割当てを創出する本発明の方法は、骨に移植されたフィデューシャルネジが、たとえばコンピュータ断層撮影で作成されたデジタル式の三次元画像で、または骨の通常のＸ線画像で認識可能であることに依拠している。そこでフィデューシャルネジの参照点を画像上で相応の座標系に関して測定し、実際の身体に取り付けられたフィデューシャルネジの参照点を別の座標系に関して本発明の装置で測定すれば、画像上の参照点の位置と、実際の身体での参照点の位置との割当てによって、画像上のどの任意の点でも、座標変換を行うことで実際の骨での対応する位置に割り当てたり、この逆を行うことが可能となる。本発明の装置を適用する本発明の方法では、骨に移植された２つのフィデューシャルネジがあれば座標系の記録またはマッチングをするのに十分である。
【００１２】
フィデューシャルネジに設けられた参照点の位置規定された割当てを、実際の身体の座標系における当該参照点の位置と、画像の座標系における同一の参照点との間で創出することは、通常、フィデューシャルマッチングと呼ばれている。
本発明のその他の有利な構成は従属請求項に記載されている。
【００１３】
本発明によって達成される利点は、基本的には、本発明の装置によって、本発明の方法を適用しながら画像の座標系と実際の座標系をフィデューシャルマッチングするのに２つのフィデューシャルネジを移植すれば十分であり、フィデューシャルネジを移植する骨の分節をわずかな程度にしか切開しなくてすむ（最小浸襲技術）という点に見ることができる。
次に、幾つかの実施例を示す部分的な模式図を参照しながら、本発明および本発明の発展例について詳しく説明する。
【００１４】
（図面の簡単な説明）
図面は次のとおりである：
図１は、本発明による装置の一実施形態を示す外観図である。
図２は、本発明による装置の一実施形態を示す部分断面側面図である。
【００１５】
（発明を実施するための最良の形態）
図１および図２に描かれている本発明の装置の実施形態は、長軸９を備えたフィデューシャルネジ２、および前側の端部１５と、後側の端部１６と、円筒状のシャフト４と、グリップ５とを備えたポインタ３を包含している。グリップ５と対向するポインタ３の前側の端部１５には円筒状のピン７が取り付けられており、このピンは、フィデューシャルネジ２のネジ頭部２２に穿設された、フィデューシャルネジ２を回して入れたり外したりする役目をする器具を受容するための開口部１２の中へ同心的かつ見当正しく挿入可能である。ピン７はポインタ３のシャフト４よりも小さい断面積を有しているので、挿入されたポインタ３の軸方向の位置は厳密に規定される。なぜなら肩部１７が、有利には長軸９に対して垂直になっているフィデューシャルネジ２の後側の端部１３の上に装着されるからである。このとき、長軸と同心的に延びている、フィデューシャルネジ２のネジ頭部２２にあるこの開口部１２は、雌ネジまたは六角穴を備えていてよい。この開口部１２が雌ネジを備えている場合、ポインタ３のピン７は雄ネジを備えていてよく、それによってポインタ３とフィデューシャルネジ２との脱着可能かつ堅固な連結を創出可能である。ポインタ３とフィデューシャルネジ２をこのように同心的に接合することで、ポインタの長軸９はフィデューシャルネジ２の長軸と一致し、それによって円筒状のポインタ３の方向はフィデューシャルネジ２に関して定義される。ポインタ３の後側の端部には３つの発光ダイオード(LED)６が取り付けられていて、これらの発光ダイオードはポインタ３の後側の端部１６にあってよいとともに、ポインタ３の長軸９に対して垂直な平面１８上に位置するようになっている。これらの発光ダイオード６は一直線上に位置するのではない。
【００１６】
図２によれば、一方の参照点を形成するフィデューシャルネジの前側の端部１４と、第２の参照点を形成するフィデューシャルネジ２のネジ頭部２２との間の長さ（ｘ）、および肩部１７と発光ダイオード６が位置している平面１８との間の長さ（ｙ）は、それぞれ厳密に規定されている。したがって空間内の座標系に関する発光ダイオード６の位置と、ポインタ３とフィデューシャルネジ２の長軸９とが同軸的かつ同心的に方向づけられていることと、ネジ頭部２２に当接する、ポインタ３のシャフト４にある肩部１７によってフィデューシャルネジ２に対してポインタの位置が軸方向で規定されていることが既知であることにより、前側の端部１４およびネジ頭部２２によって定義される参照点の位置を空間内の同一の座標系で求めることができる。
【００１７】
発光ダイオード６は、本発明による装置の図１に示す実施形態によれば、ケーブル８によって電流の供給を受ける。バッテリや蓄電池といった別の種類の電流供給も同じく考えられる。同一直線上でなく配置された、電磁波または音響波を放射する少なくとも３つの手段１９が、図１および図２に示す本発明の装置の実施形態のように発光ダイオード６である場合、座標系に関する発光ダイオード６の空間的な位置測定は、市販されている光学的な位置検出装置を用いて行うことができる。このような光学的な位置検出装置はOptotrak（オプトトラク）（商標）の名称で販売されている。
【００１８】
フィデューシャルネジ２が図１のように骨にねじ込まれているとき、前側の端部１４とネジ頭部２２とによって定義される実際のフィデューシャルネジ２の参照点の位置と、これとは別の時点でたとえばコンピュータ断層撮影法で撮影された三次元画像に結像された同一の参照点の位置とを、それぞれ基準となる両方の座標系においてマッチングないし記録することができる。
【００１９】
本発明による装置の一つの実施形態は追加的に位置検出装置（２４）を包含していてよく、この位置検出装置は、手段（１９）から出される電磁波または音響波を検知する少なくとも２つのセンサ（２３）を空間内に包含している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による装置の一実施形態を示す外観図である。
【図２】 本発明による装置の一実施形態を示す部分断面側面図である。
【符号の説明】
１：骨
２：フィデューシャルネジ（移植片）
３：ポインタ
４：シャフト
５：グリップ
６：発光ダイオード
７：ピン
８：ケーブル
９：長軸
１０：シャフト
１１：参照点
１２：開口部
１３：フィデューシャルネジの後側端部
１４：参照点
１５：ポインタの前側端部
１６：ポインタの後側端部
１７：肩部
１８：平面
１９：電磁的または音響的に効果のある手段
２０：接合手段、２２：ネジ頭部
２３：センサ若しくは発信機
２４：位置検出装置

Claims (10)

1. 骨に移植されたフィデューシャル移植片（２）に設けられた２つの参照点（１１；１４）を参照づけする装置であって：
   Ａ）該長軸（９）と、シャフト（１０）と、頭部（２２）とを備え、且つ、骨（１）に挿入可能なフィデューシャル移植片（２）と；
   Ｂ）同一直線上に配置されて居らず、電磁波または音響波を放射する少なくとも３つのマーキング手段（１９）を備え、且つ、前側の端部（１５）と、後側の端部（１６）と、長軸（９）とを備えたポインタ（３）と；
   Ｃ）該ポインタ（３）がその前側の端部（１５）に、およびフィデューシャル移植片（２）がその頭部（２２）に、それぞれ、ポインタ（３）とフィデューシャル移植片（２）が長軸（９）に対して同心的に、かつ長軸（９）の方向に沿って形成され、該ポインタ（３）と該フィデューシャル移植片（２）とを長軸（９）に対して同心的に、かつ長軸（９）の方向に沿って相互に組立てる手段（２０）と；
   Ｄ）フィデューシャル移植片（２）の既知の長さ（ｘ）と、ポインタ（３）の既知の長さ（ｙ）と、前記Ｃ）項に記載の手段（２０）とによって、フィデューシャル移植片（２）にある参照点（１１；１４）と、ポインタ（３）にあるマーキング手段（１９）との間に形成される位置的関係と；
   とを含み、下記特徴Ｅ）及びＦ）を有する装置：
   Ｅ）フィデューシャル移植片（２）がフィデューシャルネジであり、該フィデューシャルネジの頭部（２２）が開口部（１２）を有し、該開口部（１２）が雌ねじを有するか、又は六角穴を形成し、該六角穴の中にフィデューシャルネジの取付け・取外し工具が勘合する；
   Ｆ）該ポインタ（３）は、前側の端部（１５）にピン（７）およびこれに続く肩部（１７）を備え、前記ピン（７）は、該開口部（１２）内に勘合可能であり、該ポインタ（３）が該開口部（１２）内に勘合すると、肩部（１７）がネジ頭（１１）に当接する。
2. 前記手段（１９）が電磁波または音響波を放射し、そして前記装置が追加的に位置検出装置（２４）を包含しており、この位置検出装置は、前記手段（１９）から出される電磁波または音響波を検知する少なくとも２つのセンサ（２３）を空間内に包含している、請求項１に記載の装置。
3. 前記手段（１９）が電磁波または音響波を検知し、そして前記装置が追加的に位置検出装置（２４）を包含しており、この位置検出装置は、電磁波または音響波を手段（１９）へ放射する少なくとも２つの発信機（２３）を空間内に包含している、請求項１に記載の装置。
4. 前記手段（１９）が、長軸（９）に対して垂直な平面（１８）上で、肩部（１７）と後側の端部（１６）の間でポインタ（３）に取り付けられている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の装置。
5. 前記手段（１９）が、長軸（９）に対して平行な、長軸（９）を含んでいる平面（１８）上で、肩部（１７）と後側の端部（１６）の間でポインタ（３）に取り付けられている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の装置。
6. フィデューシャル移植片（２）がフィデューシャルネジである、請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
7. 無機質物体における参照点（１１；１４）の位置規定された割当てを創出する方法であって、
   Ａ）少なくとも３つの参照点が、三次元の物体（１）に挿入されたフィデューシャルネジ（２）によって与えられており、
   Ｂ）前記Ａ）項に基づいて挿入されたフィデューシャルネジ（２）とともに、三次元の物体（１）の少なくとも１つの画像を作成し、
   Ｃ）前記Ａ）項に基づく実際の物体（１）と、前記Ｂ）項に基づく当該物体の少なくとも１つの画像の、それぞれ同一の参照点（１１；１４）の間で割当てを行い、
   Ｄ）前記Ｂ）項の画像の測定と、前記Ａ）項の実際の物体（１）の測定によって割当てを行い、
   Ｅ）電磁的または音響的に作動する空間的な測定装置（２４）によって前記Ａ）項の実際の物体（１）の位置的な測定を行う方法において、
   Ｆ）フィデューシャルネジ（２）が参照点（１１；１４）を備えており、この参照点（１１；１４）は特定の軸（９）に沿って既知の長さ（ｘ）を包含しており、
   Ｇ）同一直線上に配置されていない、電磁的にまたは音響的に効果のある少なくとも３つの手段（１９）を備えたポインタ（３）によって、フィデューシャルネジ（２）に設けられたそれぞれ２つの参照点（１１；１４）の位置規定を行い、前記ポインタ（３）はその前側の端部（１５）に、およびフィデューシャルネジ（２）はその頭部（２２）に、それぞれ、ポインタ（３）とフィデューシャルネジ（２）が長軸（９）に対して同心的に、かつ長軸（９）の方向で定義されて接合可能であることを可能にする手段（２０）を備えており、
   Ｈ）フィデューシャルネジ（２）の既知の長さ（ｘ）と、ポインタ（３）の既知の長さ（ｙ）と、前記Ｇ）項に記載の手段（２０）とによって、フィデューシャルネジ（２）にある参照点（１１；１４）と、ポインタ（３）にある手段（１９）との間に定義された位置的関連を創出可能であることを特徴とする前記方法。
8. 参照点（１１；１４）の位置規定された割当てを創出する方法であって、
   Ａ）少なくとも３つの参照点が、三次元の物体（１）に挿入されたフィデューシャル移植片（２）によって与えられており、
   Ｂ）前記Ａ）項に基づいて挿入されたフィデューシャル移植片（２）とともに、三次元の物体（１）の少なくとも１つの画像を作成し、
   Ｃ）前記Ａ）項に基づく実際の物体（１）と、前記Ｂ）項に基づく当該物体の少なくとも１つの画像の、それぞれ同一の参照点（１１；１４）の間で割当てを行い、
   Ｄ）前記Ｂ）項の画像の測定と、前記Ａ）項の実際の物体（１）の測定によって割当てを行い、
   Ｅ）電磁的または音響的に作動する空間的な測定装置（２４）によって前記Ａ）項の実際の物体（１）の位置的な測定を行う方法において、
   Ｆ）フィデューシャル移植片（２）が参照点（１１；１４）を備えており、この参照点（１１；１４）は特定の軸（９）に沿って既知の長さ（ｘ）を包含しており、
   Ｇ）同一直線上に配置されていない、電磁的にまたは音響的に効果のある少なくとも３つの手段（１９）を備えたポインタ（３）によって、フィデューシャル移植片（２）に設けられたそれぞれ２つの参照点（１１；１４）の位置規定を行い、前記ポインタ（３）はその前側の端部（１５）に、およびフィデューシャル移植片（２）はその頭部（２２）に、それぞれ、ポインタ（３）とフィデューシャル移植片（２）が長軸（９）に対して同心的に、かつ長軸（９）の方向で定義されて接合可能であることを可能にする手段（２０）を備えており、
   Ｈ）フィデューシャル移植片（２）の既知の長さ（ｘ）と、ポインタ（３）の既知の長さ（ｙ）と、前記Ｇ）項に記載の手段（２０）とによって、フィデューシャル移植片（２）にある参照点（１１；１４）と、ポインタ（３）にある手段（１９）との間に定義された位置的関連を創出可能である請求項７記載の方法。
9. 画像が、コンピュータでデジタル式に検出される三次元のコンピュータ断層撮影像である、請求項７または８記載の方法。
10. 実際の三次元の物体の測定が光学的な位置検出装置によって行われる、請求項７〜９のいずれかに記載の方法。

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