JP4461015B2 - インプラント装置を制御するためのグラフィカル・ユーザーインターフェース - Google Patents

インプラント装置を制御するためのグラフィカル・ユーザーインターフェース Download PDF

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Description

本発明は、一般に、コンピュータが支援する整形外科のインプラント処置に関し、より具体的には、エキスパートシステム駆動型グラフィカル・ユーザーインターフェース(expert system drive graphical user interface)により導かれる、コンピュータが支援する整形外科のインプラント処置を実行する、システムおよび方法に関する関するものである。
整形外科は、疾病、負傷、ならびに、骨、筋肉、関節、靱帯、腱および神経を含む筋骨格系(musculoskeletal system)の病気、と同様に考えられている。多くの整形外科手術が、インプラントを用いて骨を強化するために、日々行われている。インプラントを最適かつ効率的に取り付けるためには、プロフェッショナルな整形外科チームに加え、完璧な装置、インプラント処置の計画および実行についての画像的なサポート、ならびに、インプラント処置における各ステップの正確なコントロールが必要となる。これらの要求は、誤った位置にネジを挿入してしまうと、患者の神経血管に損傷を与えてしまうので、茎形ネジ(pedicle screw)を用いる整形外科的なインプラントを実行する場合に特に重要である。今日、ネジ穴の位置は、X線手段およびキューレット触診(curette palpation)によって判断される。キューレットを用い、あるいは、実際にネジを挿入する前に、筋電又はファイバースコープ型のプローブを挿入することにより、ねじ穴を触ることが好ましい。さらに、茎形ネジの取り付けを確認するためには、手術中のX線写真が必要となる。インプラントの取付中、通常、一以上の茎形ネジが取り付けられる。様々なタイプのインプラント処置は、異なる装置と、複数のサイズならびにタイプの茎形ネジを必要とする。しかし、これら全体によって処置が複雑になってしまう。インプラント処置の一部は、処置を簡単にするため、脊柱および他の骨格・関節(skeletal articulations)の三次元画像を用いるコンピュータ化手術支援システムを必要とする。本技術分野で知られているように、茎形ネジの挿入、人工股関節置換、人工膝関節置換、ならびに、他の多くの整形外科、歯科、および神経系の処置を、コンピュータ技術を用いて支援することができる。
コンピュータ化された手術支援システムの一例は、２００２年３月１９日にEdwardsに対して特許された”組織領域と接触するよう配置される電極構造を伴うグラフィカル・ユーザーインターフェース”と題する米国特許番号６、３５８、２４５に記載されている。Edwardsには、胃・小腸(gastroenterological)手術処理を実行するため、組織領域と接触するよう電極構造を配置する方法ならびにシステムが記載されている。かかるシステムおよび方法は、電極構造の簡易化された画像、ならびに、前記簡易化画像の上に、電極構造上のセンサーの位置に対応するインジケーターの画像を生成するインターフェイスを提供する。かかる表示画像は、ディスプレイスクリーン上に前記画像を表示した状態で、執刀医が、組織領域を加熱するためエネルギーを印加することを可能にする。表示された画像は、仮想的な画像であり、対象における手術器具の位置を図示するためだけに用いられる。
他の多くのコンピュータ支援システム、具体的には、整形外科の用途に、特に有益又は積極的に適用されるシステムが、知られ、広く用いられている。かかるシステムの全てが、ユーザーインターフェースを提供するが、手術の手順に関して、それらは、執刀医の技量に依存している。よく知られているように、現在の手術は、タスクを達成するために協力する、スキルを積んだチームによって、できるだけ迅速かつ効率的に行われる。しかし、現在のコンピュータ支援手術システムは、チームメンバーの技量を十分に活かすため適応されるエキスパートシステムという核を欠いている。
従って、整形外科的なインプラント処置の間、インプラント装置の制御を行うグラフィカル・ユーザーインターフェースの要請がある。
米国特許番号６、３５８、２４５
発明の概要
したがって、本発明の目的は、整形外科的なインプラント処置の間、インプラント装置を制御するため適用されるグラフィカル・ユーザーインターフェース（ＧＵＩ）を提供することにある。
本発明のある側面によると、インプラント処置の実行をガイドするためのグラフィカル・ユーザインターフェース（ＧＵＩ）を用いたコンピュータによる表示方法であって、かかる方法は、
コンピュータが、前記インプラント処置を実行するために要求される個別のステップに関する情報を提供するための一連の視覚的なディスプレイ画面を表示し、前記インプラント処置中に前記インプラント処置対象の一部の仮想三次元表示の方向付けされた画像との相対的な位置合わせに用いられる、選択されたインプラント装置の仮想的な画像を表示するステップ、
コンピュータが、前記インプラント処置対象の一部に対する前記選択されたインプラント装置の位置を決定するための手段からデータを受け取るステップ、
コンピュータが、前記対象の一部の画像を取得し、前記対象の一部の仮想三次元表示を生成するために前記画像を処理する手段からデータを受け取るステップ、を備え、
前記処置の個別のステップが完了した旨の入力がなされると、前記ＧＵＩの連続的なサブシリーズで構成された前記一連の視覚的なディスプレイ画面が自動的に先に進められるものが提供される。
本発明の別の側面によると、インプラント処置を実行するためのシステムであって、
インプラント処置の実行をガイドするためのグラフィカル・ユーザーインターフェース（ＧＵＩ）を表示するビデオディスプレイを含むコンピュータ、
前記インプラント処置の対象の一部に対する選択されたインプラント装置の位置を決定するための手段、および
前記対象の一部の画像を取得し、前記対象の前記一部の仮想的な三次元表示を生成するため当該画像を処理する手段、を備え、
前記ＧＵＩは、前記インプラント処置を実行するために要求される個別のステップに関する情報を提供するための一連の視覚的なディスプレイ画面を含み、前記インプラント処置中に前記インプラント処置対象の一部の仮想三次元表示の方向付けされた画像との相対的な位置合わせに用いられる、選択されたインプラント装置の仮想的な画像を表示するものであり、
前記処置の個別のステップが完了した旨の入力がなされると、前記ＧＵＩの連続的なサブシリーズで構成された前記一連の視覚的なディスプレイ画面が自動的に先に進められることを特徴とするものが提供される。
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明は、インプラント処置中にインプラント装置を制御し、整形外科チームを導くための、エキスパートシステム駆動型のグラフィック・ユーザーインターフェース（ＧＵＩ）を用いる方法ならびにシステムを提供する。
図１は、本発明に基づいて、インプラント処置を実行するシステム１００の実施形態の一例である。かかるシステム１００は、手術室１０８内のコンピュータ１０２を含んでいる。かかるコンピュータ１０２は、制御アプリケーションならびにディスプレイモニタ１０６を制御するプロセッサ１０４を有している。ディスプレイモニタ１０６は、インプラント処置を実行する為に要求される各ステップに対応する一連の視覚的な表示スクリーンを表すグラフィック・ユーザーインターフェース１１２（ＧＵＩ）を用い、整形外科チーム１１０に対して、情報を表示する。グラフィック表示スクリーンは、インプラント処置中に用いられる選択されたインプラント装置１１８の視覚的な画像、ならびに、インプラント処置の対象となる対象１２０の一部の三次元画像を表示する。手動入力装置１１４は、ＧＵＩ１１２の一連の視覚的な画像を通じ、整形外科チーム１１０が、制御アプリケーションに命令を入力することを可能にするためコンピュータ１０２に接続されることが好ましい。かかる手動入力装置１１４は、容易に消毒可能で、耐液体汚染性を有することが好ましい。同様に構成された足踏み式入力装置１２２をコンピュータ１０２に接続してもよい。整形外科チーム１１０は、必要に応じ、手動入力装置１１４又は足踏み式入力装置１２のいずれかを選ぶようにしてもよい。コンピュータ１０２は、以下で詳細を説明するように、手術装置１１８の動きおよび方向を見つけ、追跡するための、双眼画像システム(binocular video system)１１６を含む、画像システムに接続されている。
Ｘ線透視装置１１７等のＸ線画像システムは、インプラント処置の対象となる対象１２０の一部の画像を取り込む。本発明によると、目前にあるタスクを実行するのに十分な数の画像を取り込むことが可能である。かかる画像は、以下でその詳細を説明するように、インプラント処置中、整形外科チーム１１０を誘導するために用いられる仮想的な三次元画像を提供するため、制御アプリケーションによって処理される。コンピュータ１０２は、エキスパートシステム、又は、手術室１０８の外部に記録されたアプリケーション１２６にアクセスするための、インターネット１２４あるいはローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）等のデータネットワークであるデータネットワークと接続してもよい。
本発明は、ＧＵＩ１１２を用いて、整形外科チーム１１０が、インプラント処置を実行するよう導く方法も提供する。かかる方法の全体的な説明を、図２に示されたフローチャート１５０を参照しつつ説明する。かかる方法は、整形外科チーム１１０に対し、ＧＵＩ１１２を用いてインプラント処置を実行するために要求されるそれぞれのステップに関する、情報を提供する。整形外科チーム１１０は、インプラント処置中に用いられる、選択されたインプラント装置の仮想的な画像、ならびに、インプラント処置の対象１２０の一部の画像、を見ることができる。また、ＧＵＩ１１２により表示された一連のディスプレイスクリーンは、対応する各ステップを完了するよう、インプラント処置中、整形外科チーム１１０を導く。ＧＵＩ１１２のある実施形態は、装置の調節、対象の画像化、インプラント箇所の計画、インプラント箇所の準備、および、インプラントの設置に関する視覚および音声情報を提供する。
かかる方法は、装置１０２を手術室１０８に置く（ステップ１５４）ことにより開始される（ステップ１５２）。次に、対象のデータ、インプラントのタイプおよび他の情報がコンピュータ１０４に入力される（ステップ１５６）。次に、インプラント装置１１８が調節される（ステップ１５８）。調節プロセス中、整形外科チーム１１０は、調節されるインプラント装置を認識するとともに、三次元装置ロケーター１１９（図１）を認識装置１１８に接続するよう促される。接続されたロケーター１１９を伴う認識済みの装置１１８が、装置ロケーターの画像を取り込むために用いられるカメラ１１６の視野内に移動した場合、制御アプリケーションは、前記装置を調節する。次に、整形外科チーム１１０は、インプラント処置の対象の一部について少なくとも２のＸ線透視装置の画像を取り込むよう促され、導かれる（ステップ１６０）。次に、かかる画像が、認証される（ステップ１６２）。
整形外科チーム１１０が、ＧＵＩ１１２により示された画像を、回転、反転(flip)、あるいは、復元する、というオプションを選択することにより画像を変換することを可能にするため、メニューオプションが提供される。画像に満足しない場合、ＧＵＩ１１２は、新たな画像を取り込むことを可能にするため、ステップ１６０に戻る（１６４）。そうでない場合、ＧＵＩ１１２は、ステップ１６６からステップ１６８に続く。次に、画像が調節される（ステップ１６８）。インプラント処置のため、さらに画像が必要な場合（ステップ１７０において判断されるように）、ＧＵＩ１１２は、ステップ１６０に戻り（ステップ１７２）、画像が必要でない場合、ＧＵＩ１１２は、ステップ１７４からステップ１７６に続く。各画像を認証するための手順を通じて、整形外科チーム１１０に認証が要求され、導かれることによって、かかる画像が認証される（ステップ１７６）。ＧＵＩ１１２は、チームメンバーに対し、インプラント処置の対象の一部の上に、調節済み装置のいずれかを置くとともに、実際の装置１１８の位置と、ＧＵＩ１１２によって表示された前記対象の一部に対する装置の、仮想的な表示とを比較することを要求する。次に、整形外科チーム１１０は、インプラント設置の計画プロセスへと導かれる（ステップ１７８）。インプラントが挿入されることになっており、挿入されるインプラントのタイプおよびサイズが選択され、対象の一部の少なくとも２の画像、選択されたインプラントの仮想的な画像が表示される場合、ＧＵＩ１１２は、整形外科チーム１１０に、対象の一部上に調節済み装置を置くよう要求する。整形外科チームが、計画されたインプラント箇所および選択されたインプラントのタイプならびにサイズを評価することを可能にするため、装置およびインプラントの位置ならびに方向は、対象の画像と位置決めされる。
インプラント箇所を準備するため、調節済みの装置（例えば、ドリル）は、計画されたインプラントの軌道と一致するよう位置する（ステップ１８０）。ＧＵＩ１１２は、整形外科チーム１１０が、インプラント箇所準備オプションを選択することを可能にするよう、メニューオプションを表示することによって、インプラント箇所の計画をガイドし（ステップ１８２）、さらに、整形外科チーム１１０が、計画されたインプラント箇所に、インプラントを挿入可能とするようにインプラント箇所を準備することができるよう、対象の一部の少なくとも２の画像、選ばれた装置の仮想的な画像、ならびに、計画されたインプラント箇所とかかる装置との位置合わせの仮想的な画像を表示する。インプラントサイト１８２の準備中、ＧＵＩ１１２は、整形外科チーム１１０に対し、インプラント箇所を準備するため用いられる装置の移動距離を表すために用いられる視覚的なガイドを表示する。ＧＵＩ１１２は、装置がインプラント箇所を準備するのに用いられると、整形外科チーム１１０に対し、当該装置の移動距離を表示するため、ビジュアル表示を動的に更新する（ステップ１８４）。次に、ＧＵＩ１１２は、整形外科チーム１１０に、インプラントを挿入するよう要求する（ステップ１８６）。当該ＧＵＩ１１２は、整形外科チーム１１０が、インプラント挿入オプションを選び、選択されたインプラントを挿入するのに必要な装置を選択し、少なくとも２の対象の一部の画像、選択されたインプラントが挿入されたそのままの状態の仮想的画像、を表示することを可能とするようメニューオプションを表示する。インプラントを選択されたインプラント箇所に挿入するために用いられる装置の軌道を追跡することより、インプラントの仮想的な軌道が制御アプリケーションによって演算される。本発明によると、インプラントの挿入後にスナップショットが要求される（ステップ１８８）。スナップショットは、所定コマンドを用いる処理の中の、別の機会に撮影することが好ましい。他のインプラントが挿入される場合（ステップ１９０）、ステップ１９２において、ステップ１８０に戻る。他のインプラントが挿入されない場合、ＧＵＩ１１２は、制御アプリケーション終了させるためにメニューオプションを表示し（ステップ１９６）、メニューオプションの表示後、他のインプラント処置用に画像メモリが用いられることを可能にするため、インプラント処置の完了後、整形外科チーム１１０が、イメージバンクをクリアにするためＧＵＩ１１２を操縦することを可能とする。
図３Ａ、３Ｂは、本発明に基づくＧＵＩ１１２のメニューバー２０４の主な表示画面を示している。図３Ａ、３Ｂに示すように、ＧＵＩ１１２は、制御アプリケーションの機能に対してメニュー方式のアクセス(menu-driven)を整形外科チーム１１０に提供するマルチレイヤメニューツリーとして実行するようにしてもよい。
図３Ａ、３Ｂに示す実施形態において、メニューツリーは、整形外科チーム１１０が、３つの一般的な機能カテゴリー、すなわち、インプラント処置中に用いられる、選択された装置の調節に関する機能にアクセスするための”装置の調節”セレクション２０６、画像の取り込み、処理および認証に関する機能にアクセスするための”対象の映像化”セレクション２０８、ならびに、インプラント箇所の計画、インプラント箇所の準備およびインプラントの設置に関する機能にアクセスするための”インプラント箇所の計画、およびインプラントの設置”セレクション２１０、にアクセスすることを可能とする。制御アプリケーションをキャンセルあるいは中止するため”アプリケーション停止(Quit Application)”セレクション２１２が設けられている。例えば、コンテキストに応じたヘルプ等の、制御アプリケーションの他の所望の機能へのアクセスを提供するため、メニューツリー内に他のセレクションを設けるようにしてもよい。機能の各カテゴリー内で、制御アプリケーションの機能に対し、迅速かつ直感的なアクセスを可能にするため、必要に応じてメニューツリー２００を設けるようにしてもよい。
図３Ａ、３Ｂに示すように、整形外科チーム１１０は、制御アプリケーションによりＧＵＩ１１２が選択される前に、”対象識別および処置セレクション”２０２情報を入力しなければならない。その名前が示すとおり、インプラントを受け取る対象は、必要に応じ、他の記録情報に従って識別され、インプラント処置のタイプが特定され、整形外科チームの各メンバーの識別番号が記憶される。インプラント処置のタイプは、整形外科チーム１１０に対して表示されるエキスパートシステム駆動型のＧＵＩ１１２を選択するため、制御アプリケーションによって用いられる。これにより、インプラント処置のタイプは、図３Ａ、３Ｂを参照して説明された例示構成と異なるＧＵＩ １１２の残りの構成を決定する。
図示した実施形態の”装置の調節”セレクション２０６は、本実施形態において、２つのオプション、すなわち、”Ｕハンドルの調節 （ユニバーサルツールハンドル）２２０、および、脊髄の整形外科的な手術に要求される”ドリルガイドの調節”２２２、を含む”装置の調節”メニュー２１９を表している。当業者であれば、臀部あるいは膝置換等の他のインプラント処置のためには、更に多くあるいは別の装置が必要となることを理解する。
上述のように、メニューバー２０２の”対象の映像化”セレクション２０８は、図４を参照しながら以下で詳しく説明するように、インプラント箇所の画像のキャプチャリングおよび処理に関する制御アプリケーションの機能にアクセスするため用いられている。かかる”対象の映像化”セレクション２０８は、”画像セットアップの取り込みメニュー２２４、”画像認証”メニューオプション２２６、”画像変換”メニューオプション２２８ならびに”画像バンク消去”メニューオプション２３０、を含んでいる。
かかる”画像セットアップの取り込み”メニュー２２４は、インプラント箇所の画像をいつでも取り込むことができるよう、制御アプリケーションの画像システムを制御するために用いられる。かかる画像システムの準備が整うと、”Ｘ線透視装置の画像取得”オプション２３２は、整形外科チームが、インプラント箇所の画像を取り込むことを可能にするとともに、次の、”Ｘ線透視装置の画像調節”オプション２３４は、整形外科チームが、取得した画像を調節することを可能にする。調節済みの画像は、インプラント箇所の画像を生成するため、制御アプリケーションによって用いられる。
”画像認証”オプション２２６は、整形外科チームが、画像の仮想的ポイントとインプラント箇所の実際のポイントを比較することによって、生成された画像を認証することを可能にする。”画像認証”オプション２２６を用いる、かかる整形外科チームは、”調節済み画像の認証”オプション２３６を用いて、生成された三次元画像を認証することが可能である。整形外科チームの執刀医が、生成された画像と画面上の実際のポイントとの比較をした後、執刀医は、生成された画像を受け入れても良いし、廃棄してもよい。受け入れられた画像は、インプラント処置のために用意された画像バンク内に自動的に記録される。廃棄された画像は、”非認証画像の削除”オプション２３８を用いて制御アプリケーションから削除してもよい。
生成された画像が認証された後、”画像変換”オプション２２８は、画像を回転させ２４０、画像を水平に反転させ２４２又は垂直に反転させ２４４、あるいは、変換された画像を復元する２４６、オプションを選択することにより、整形外科チームが画像を修正することを可能にする。
”画像バンク消去”オプション２３０は、整形外科チームが、インプラント処置のために取り込んだ全ての画像を削除することを可能にする。ＧＵＩ１１２は、画像バンク内の画像を表示し、整形外科チームが、選択した画像を削除することを可能にすることが好ましい。”全ての画像を消去”オプション２４８は、整形外科チームが、画像バンクから全ての画像を消去することを可能にする。かかる全ての画像を消去オプション２４８は、一般に、対象に固定された基準ツールが不注意でずれてしまった場合、あるいは、アプリケーションが再起動する場合に、画像の取り込みを再起動するために用いられる。装置等の追跡を行う追跡システムのリセットを提供するため、更なるオプションを要求するようにしてもよい。
”インプラント準備および設置”メニュー２１０は、インプラント挿入およびインプラントの方向軸のエントリーポイントを定義する機能にアクセスするための”インプラント箇所計画”オプション２５０を提供する。”インプラント箇所準備”オプション２５２は、整形外科チーム１１０が、インプラントを受け入れるためにインプラント箇所を準備することを可能にする。”インプラント設置”オプション２５４は、整形外科チームが、準備されたインプラント箇所にインプラントを挿入することを可能にする。”インプラント画像の取り込み”オプション２５６は、整形外科チーム１１０が、挿入されたインプラントの画像を一つ以上取り込むことを可能にする。
上述のように、”インプラント箇所計画”オプション２５０を用いると、整形外科チーム１１０は、最初に、”挿入ポイントを定義する”オプション２５８を用いてインプラントの挿入ポイントを定義することによって、インプラント箇所を計画することができる。”方向を確定させる”オプション２６０を用いることにより、インプラント箇所の軸の仮想的な軌道(virtual trajectory)を生成することが可能となる。かかる軸が定義された後、インプラント箇所のあらかじめ定められたパラメーターを保存するために、”計画された軸の受け入れ”オプション２６２が用いられる。
”インプラント箇所準備”メニュー２５２は、インプラント箇所の準備中、整形外科チームを導く。”装置を選択する”オプション２６４は、整形外科チームが、インプラント箇所の準備を行うための装置を選択することを可能にする。”インプラントのタイプ、サイズの選択”オプション２６６は、そのタイプおよびサイズを含む、インプラントの特定の特徴を定義するため選択される。”装置選択”オプション２６４および”インプラントのタイプ、サイズの選択”オプション２６６がうまく完了した後に、”システムが演算した深さを認証”オプション２６８が表示される。図６を参照して以下に説明するように、制御アプリケーション１００は、選択されたインプラントのデータを用いて、インプラント箇所の深さを演算し、演算された深さを、深さチャート上に表示する。演算された深さを受け入れても良いし、選択されたインプラントを変更することにより深さを変更してもよいし、また、特別な場合、前記深さを調節することもできる。また、図６を参照して以下に説明するように、”インプラント箇所を準備”オプション２７０は、縦軸、ならびに、計画されたインプラント箇所と一致する深さを有する穴を穿けることにより、インプラント箇所の準備を可能にする。
”インプラント設置”メニュー２５４は、計画されたインプラント箇所にインプラントを挿入するプロセスを導く。”装置選択”オプション２７２は、計画されたインプラント箇所にインプラントを挿入するために、スクリュードライバー等の装置を選択することを可能にする。”インプラントの挿入”オプション２７４は、インプラント箇所にインプラントを挿入するプロセスを導くために用いられる。ＧＵＩ１１２は、その上に準備されたインプラント箇所の仮想的画像が表示されるインプラント箇所の三次元画像を表示することにより、インプラントを挿入するプロセスをリアルタイムで導く。選択された装置を用いてインプラントが挿入されるにつれ、挿入されたインプラントの実際の軌道の仮想的画像が、準備された箇所の仮想的画像上に表示される。
インプラントの挿入が完了した後、インプラントの画像を取り込むことによってインプラント処置の記録を実行してもよい。設置されたインプラントの画像を取り込む”インプラント画像の取り込み”オプション２５６は、整形外科チーム１１０が、設置されたインプラントを伴うインプラント箇所の画像をキャプチャするため、イメージングユニット１１７を用いることを可能にする”画像取り込み”オプション２７６を含む。整形外科チーム１１０は、インプラント処置を記録するのに有益な画像を取り込むことを要求されることが好ましい。文書化あるいは他の理由のため、必要に応じ、他の時点において、画像を取り込むために同じコマンドを用いることもできる。”画像を記録する”オプション２７８は、制御アプリケーションが、設置されたインプラントの画像を保存することを要求する。”アプリケーション停止”セレクション２１２は、整形外科チーム１１０が、制御アプリケーションを停止させることを可能にする。
インプラント処置中、エキスパートシステム駆動型のＧＵＩ１１２が、整形外科チーム１１０をどのように導くかの概要について図示するため、図３Ａ、３Ｂに示したメニューツリーの一般的な構造を述べることで、ＧＵＩ１１２の、図４から図７を参照しつつ、一の実行例の選択された部分を以下に更に説明する。
図４は、装置の調整中、整形外科チーム１１０を導くため、ＧＵＩ１１２によってコンピュータモニタ１０６上に表示された一連のディスプレイスクリーンを示している。図４に示したディスプレイスクリーンは、図３Ａおよび図３Ｂに示すメニューツリーに基づいている。
図４で見られるように、本発明に基づくＧＵＩ１１２のある実施形態において、ディスプレイスクリーン（例えば、３０２）は、各スクリーンの上の部分に、メニューバー３１０を表示するよう構成されている。上の部分において、メニューバー３１０は、図３Ａ、図３Ｂの３つのメニューセレクション、すなわち、装置の調節２０６（アイコン３１８）、対象の映像化２０８（アイコン３２０）およびインプラント箇所の準備およびインプラントの設置２１０（アイコン３２２）を表す、アイコン３１８から３２２を表示する。選択されたアイコン（３１８参照）の周りの強調表示されたボーダーは、メニューセレクションが、選択され、アクセス・キー３４０を動作させることにより、かかる選択が受け入れられたことを示している。かかるアイコンの選択は、ＧＵＩ１１２が、装置の調節サブツリーにおける最初のディスプレイスクリーンである、次のレベルのディスプレイスクリーン３０４を表示することを要求する。この構成は、本実施形態のＧＵＩ１１２を通じて不変であるが、本発明を限定することを意図するものではない。当業者には、明らかであるが、上述の名称の機能を提供するレイアウトであって、ユーザー・フレンドリーでアクセスが容易なものあれば、いずれの数であっても、本発明の実施形態に同等に用いることが可能である。
対象識別および処置の選択２０２（図３Ａ）、ならびに、装置の調節３１８の選択後、ＧＵＩ１２２は、装置調節プロセスの間、整形外科チーム１１０を導くため、整形外科チーム１１０に対し、仮想的なディスプレイスクリーン３０２、３０４、３０６および３０８の連続するサブツリーを表示する。
ＧＵＩ１２２の各仮想的ディスプレイスクリーンはメニューバー３１０、情報枠３１２、および、コマンドバー３１４を含んでいる。かかる情報枠３１２は、実行されるインプラント処置のタイプに基づいてエキスパートシステムにより選択されたアクションを順次表示する。図示された実施形態において、視覚的なディスプレイスクリーン３０２の情報枠３１２は、”Ｕハンドルの調節”３２４、”ドリルガイドの調節”３２６、ならびに、実行スマイルアイコン(to-do smile icon)３２８を含んでいる。
コマンドバー３１４は、多数のアイコンを含んでいる。”戻る”アイコン３３０”、”進む”アイコン３３２、”上へ”アイコン３３４、および”下へ”アイコン３３６は、整形外科チーム１１０が、各ディスプレイスクリーンを、ＧＵＩ１１２を介して前後あるいは、上下に操作することを可能にする。”キャンセル”アイコン３３８、”受け入れ”アイコン３４０は、整形外科チーム１１０が、特定の選択、オプション、あるいは、アクションをキャンセルし、あるいは、受け入れることを可能とする。受け入れアイコン３４０等は、アクテイブ、デイスエーブルド、あるいは、リコメンデッドの３つの状態で表示可能であることが好ましい。アクテイブ状態は、利用可能な場合に表示され、デイスエーブルド状態は、受け入れアイコン３４０が選択出来ない場合を表し；リコメンデッドは、現在の状態において、次に用いられるあろうボタンを表す。”メインメニュー”アイコン３４２は、整形外科チーム１１０を、メニューページ内に構成されたメインアプリケーションメニュー（図示せず）に戻す。
”装置調節”アイコン３１８が選択されると、かかるアイコンは、強調表示され、情報枠３１２は、”Ｕハンドルの調節”３２４、”ドリルガイドの調節”３２６、ならびに、実行スマイルアイコン３２８を表示する。かかる実行スマイルアイコン３２８は、次に実行されるアクション、この制御アプリケーションでは、Ｕハンドルの調節、を表わす。アイコン３３０又は３３２をクリックすることによって、メニューセレクション”Ｕハンドルの調節”３２４および”ドリルガイドの調節”３２６のいずれかを選択することができる。”Ｕハンドルの調節”３２４の選択後、”受け入れ”アイコン３４０をクリックすることにより、ディスプレイスクリーン３０４の情報枠３１２が表示される。ディスプレイスクリーン３０４のメニューバー３１０は、アイコン３１８および”Ｕハンドルの調節”３５０をテキスト表示する。情報枠３１２は、Ｕハンドルの仮想的な画像を表示し、Ｕハンドルを調節するため、整形外科チーム１１０により実行されるステップのアニメーションによるデモンストレーション（図示せず）を再生する。かかるデモンストレーションは、チームのメンバーが、他の前インプラント又は処置タスクが実行されている間に、装置を調節することを可能にする。ＧＵＩ１１２によって表示されたステップに従うことにより、整形外科チームは、ロケーター１１９が取り付けられたＵハンドルを、赤外線源（図示せず）からの放射線であってローケーター１１９により反射されるものを検出する双眼カメラ１１６の視界に示し、制御アプリケーションは、本技術分野で既知の方法によってロケーター１１９のジオメトリと関連づけられている、Ｕハンドルのアイデンティティを記録する。本発明の他の実施形態に基づくと、無論、他の調節方法を用いることもでき、これに限定されるものではないが、電磁気センサーを用いることを含んでもよい。Ｕハンドルが調節された後、ディスプレイスクリーン３０６が表示され、整形外科チーム１１０に、Ｕハンドルがうまく調節されたことを通知するため、音声トーン３５４が生成される。ディスプレイスクリーン３０６の情報枠３１２は、調節された器具３５２の仮想的画像とともに、”Ｕハンドルは調節済み”をテキスト表示する。
次に、整形外科チーム１１０は、チームが、処置の次のステップに移行する準備ができたことを表すため、コマンドバー３１４から“メニュー”ボタン３１４を選択することにより、次のステップに進むことができる。Ｕハンドルを調節するために行われたのと同じステップが、ドリルガイドを調節するために実行される。ディスプレイスクリーン３０８の情報枠３１２内に表示されている、タスクが完了されると笑うアイコン(task-completed smiley icons)３２９は、Ｕハンドルおよびドリルガイドの両方がうまく調節されたことを表している。ディスプレイスクリーン３０８のメニューバー３１０内に表示されている実行スマイルアイコン３２９は、インプラント処置の次のステージが、対象の画像化段階であることを表している。
図５は、インプラント処置の対象となる対象物の一部の画像を認証するために求められるステップの間、整形外科チーム１１０を導くため、ＧＵＩ１１２により表示される、例示的な、一連のディスプレイスクリーンを示している。処置における画像取り込みステップの間、ＧＵＩによって表示されるかかるスクリーンは図示されていない。
ディスプレイスクリーンの情報枠３１２は、”画像取り込み”オプション４２０、”画像の認証”オプション４２２、”画像変換”オプション４２４、”画像バンク消去”オプション４２６、ならびに、２つのスマイルアイコン３２８、３２９を含んでいる。タスクが完了すると笑うアイコン３２９は、画像が取り込まれたことを表す。実行スマイルアイコン３２８は、実行される次のタスクが、画像認証機能であることを示す。
”対象の映像化”アイコン３２０の選択後、ＧＵＩ１１２は、ディスプレイの一連のサブシリーズを表示する。ディスプレイスクリーン４０２の情報枠３１２内に表示された”対象の映像化”メニューは、上述した対象の画像化オプションを全て表現する。認証された画像オプションが選択されると、ディスプレイスクリーン４０４の情報枠３１２は、整形外科チーム１１０に対し、認証する画像を選択するよう要求する。以下に詳述するように、画像が選択されると、ディスプレイスクリーン４０６は、執刀医に対し、選択された画像が認証されたか否かを示すよう要求する。執刀医により、画像が認証されたと示された場合、可聴トーン４３６が再生され、画像が画像バンクに記録される前に、ディスプレイスクリーン４０８により画像が確認される。
本発明に基づくと、”画像の認証”オプション４２２が選択された場合、ＧＵＩ１１２は、一度に最大２つの取り込まれた画像を表示する情報枠３１２を有するディスプレイスクリーン４０４を表示する。本発明によると、直交するよう方向付けられた画像に対応する前記２の画像の一つを選択するため、整形外科チーム１１０は、左側の矢印３３０、あるいは、右側の矢印３３２を押すことより、認証される画像を選択する。次に、整形外科チーム１１０は、上下の矢印を用いて、選択された画像にわたってスクロールを行うとともに、次のディスプレイスクリーン４０６に移動するため、所望の画像が表示されると、受け入れアイコン３４０を押す。整形外科チーム１１０には、取り込まれた画像４３２ならびにデモンストレーション画像４３２Ｄが提示される。かかるデモンストレーション画像４３２Ｄには、画像４３２を認証するために用いられるエキスパートシステムにより提案されたポイントを示す矢印が表示される。対象物上の対応するポイントに、調節済み装置１１８（図１）が設置される。調節済み装置が、（突き錐(awl tip)等を用いてユニバーサルハンドル（Ｕハンドル）に取り付けられると、制御アプリケーションは、認証画像４３２に対する突き錐の位置を演算し、ＧＵＩ１１２は、認証画像４３２上の装置の仮想的な画像を表示する。次に、執刀医は、調節済み装置の実際の位置と、認証画像４３２上の装置の仮想的な表示とを比較する。複数のポイントにおける調節済み装置１１８の実際の位置が、認証画像４３２上の装置の仮想的な表示とほぼ同じである場合、かかる画像は有効であり、インプラント処置の目的に用いることが可能である。整形外科チーム１１０は、受け入れアイコン３４０を押すことにより、認証画像を受け入れる。音声トーン４３６は、認証画像が保存されたことを示すために、鳴らされる。この処置は、インプラント処置に必要な全ての画像が認証されるまで繰り返される。全ての画像が認証され、メニューボタン３４４が選択された後、認証画像オプションの側にタスク完了スマイルアイコン３２９とともに対象画像メニューが再表示され、実行スマイルアイコン３２８は、インプラント処置の次のステップを示すため、インプラントメニューセレクション３２２上に表示される。
図６は、インプラント処置のインプラント計画の段階中、ＧＵＩ１１２により表示される情報枠３１２を有するディスプレイスクリーンの一例を示している。かかる情報枠３１２は、インプラントを受け入れる対象の一部の、認証された前部位置（ＡＰ）画像５０２および後部（ＬＡＴ）画像５０４を表示する。この例において、複数の脊椎５０６は、第一脊椎５０６Ａ、第二脊椎５０６Ｂ、第三脊椎５０６Ｃおよび第四脊椎５０６Ｄを含んでいる。第一、第二および第三脊椎サポートクランプ５０８は、対象物の一部の相対位置を追跡するため制御アプリケーションによって用いられる独特な形状のロケーター１１９（図示せず）を、順次支持している。
ＧＵＩ１１２は、インプラント箇所計画２５０（図３）のメニューオプションが選択された場合に、この情報枠を表示する。図６に示す情報枠がＧＵＩ１１２により表示される場合、インプラント箇所の計画は、突き錐片(awl tip)を伴うＵハンドル等の調節済みの装置を、選択された脊椎上に置くことにより、インプラントポイントを選択することを可能にする。図６に示すように、計画されたインプラント箇所５１０および５１２は、既に選択されている。インプラント箇所を計画するため、装置が、脊椎上に置かれ、ＡＰ画像１０２に示すエントリーポイントおよび後部画像５０４において示す方向軸が、正確に位置決めされるまで調整される。図６に示された映像のために要求される二次元画像では三次元画像の視覚効果を十分に表示することができないが、インプラント箇所を計画することにより、エントリーポイントの位置および各インプラント箇所の方向を正確なものとすることできる。
インプラント箇所が計画段階にある場合、上述のように、インプラントの方向軸が、後部画像５０４に示されているのに対し、カーソル５０３は、ＡＰ画像５０２におけるエントリーポイントを示している。執刀医により、エントリーポイントおよび受け入れ可能な方向軸が設定された後、当該執刀医は、”受け入れ”ボタン３４０を押すことにより、インプラントの設置を確認する。受け入れボタンが選択された場合、制御アプリケーションは、執刀医により入力されたインプラント選択情報を用いて、挿入されるインプラント用の穴の深さを演算する。インプラントを受け入れるために穿けられる穴の深さは、深さゲージ５２０上に、グラフィックにより表示される。演算された深さを受け入れてもよいし、あるいは、必要に応じて調整するようにしてもよい。受け入れられる場合、”受け入れ”ボタン３４４が選択され、インプラント箇所の計画が完了する。インプラント箇所の、この事前計画は、選択された各インプラントを最適位置にすることを可能にし、これにより、インプラントの設置が成功する可能性を向上させる。
必要とされる各インプラント箇所の計画がなされた後、図４を参照して説明されたような調節済みドリルガイドを有する、本技術で既知の電気ドリル等を用いて茎状穴(pedicle holes)が穿けられる。茎状穴が穿けられると、ドリルビットの仮想的な経路が、正反対の色(contrasting colour)により、例えば、計画されたインプラント箇所の上に表示され、同時に、穴が穿けられるにつれて、茎状穴の深さが深さゲージ５２０上に示される。これにより、茎状穴が正確に位置決めされ、ちょうど必要な深さに穿けられることを促進するため、方向軸および穴の深さを同時に監視することが可能となる。
図７は、インプラント設置２５４用のメニューオプション（図３Ｂ）が選択された場合に、ＧＵＩ１１２により表示されたディスプレイスクリーンを示している。他の２つのアイコンは、選択のために利用することはできないが、本発明によるデイスエーブル状態において現わされる。図６に示すように、情報枠３１２の左側は、インプラントを受け入れる対象の一部のＡＰ画像を表示しており、情報枠３１２の右側は、後部画面を表示している。図３Ｂに示すように、インプラントの設置２５４に伴って生じるステップは、装置の選択およびインプラントの選択を含んでいる。インプラントを挿入するため適切な装置（Ｕハンドル上にスクリュードライバー型のビット等）が選択された後、図６を参照して上述のようにして準備された第１の茎状穴に、ネジが位置決めされる。双眼画像システム１１６（図１）は、茎状穴内に挿入されるインプラント６０２および６０４の仮想的画像を生成するため、選択された装置の位置及び方向を検出し、装置の相対位置を解釈する。図７に示すように、第１インプラント６０４が挿入されている。第２インプラント６０２は、挿入プロセスの途中である。インプラントを受け入れるために穿けられた穴の仮想的な表示は、第１の色により表示される。目標位置に対するインプラントの相対位置は、第２の色で表示される。これらの仮想的な画像は、制御アプリケーションによって自動的に生成され、ＧＵＩ１１２により表示され、執刀医は、インプラントと茎状穴との位置決めを追跡することが可能である。このようにして、インプラントの正確な設置を確保することができる。インプラントを全て設置した後、図３Ｂを参照して説明したようにインプラントの画像を取り込むことにより、カルテ(medical record)が文書化される。画像が取り込まれ、記録された後、上述のように、ＧＵＩ１１２は、”アプリケーション停止”オプション２１２（図３Ｂ）を表示する。
従って、本発明は、処置を成功させるために、インプラントの計画、準備および設置に関する重要な情報を提供するとともに、インプラント処置の間、整形外科チーム１１０を導くことによりインプラント処置を促進する、エキスパートシステムにより導かれるグラフィックユーザーインターフェースを提供する。
本発明の上述の実施形態は、例示のみを意図したものである。したがって、本発明の範囲は、添付された特許請求の範囲によってのみ制限されるものである。
本発明の他の特徴、側面およびその効果は、説明ならびに添付した図面を参照することによって、理解がより深まる。
図１は、本発明に基づいて、グラフィック・ユーザーインターフェース（ＧＵＩ）を含む、整形外科的なインプラント処置を実行するシステムを示す図である。 図２は、本発明に基づいて、ＧＵＩを用いて整形外科的なインプラント処置の実行する際に整形外科チームを導く方法の基本的なステップのフローチャートである。 図３Ａは、図１に示すシステムのＧＵＩコンポーネントの基本的なディスプレイスクリーンの構成を図示している。 図３Ｂは、図１に示すシステムのＧＵＩコンポーネントの基本的なディスプレイスクリーンの構成を図示している。 図４は、インプラント処置の準備を行う際、装置を調節するためにＧＵＩにより表示されるディスプレイ画面の順序を示す図である。 図５は、インプラント処置の対象の一部の画像を認証するため用いられるディスプレイ画面の順序を示す図である。 図６は、インプラント箇所を検討する間、整形外科チームをガイドするためＧＵＩにより表示されるディスプレイ画面を示す図である。 図７は、インプラントを挿入するための処置の間、整形外科チームをガイドするためＧＵＩにより表示されるディスプレイ画面を示す図である。 添付した図面において、同じ機能のものには、同じ参照符号が付けられていることに注意すべきである。

Claims (17)

  1. インプラント処置の実行をガイドするためのグラフィカル・ユーザインターフェース（ＧＵＩ）を用いたコンピュータによる表示方法であって、かかる方法は、
    コンピュータが、前記インプラント処置を実行するために要求される個別のステップに関する情報を提供するための一連の視覚的なディスプレイ画面を表示し、前記インプラント処置中に前記インプラント処置対象の一部の仮想三次元表示の方向付けされた画像との相対的な位置合わせに用いられる、選択されたインプラント装置の仮想的な画像を表示するステップ、
    コンピュータが、前記インプラント処置対象の一部に対する前記選択されたインプラント装置の位置を決定するための手段からデータを受け取るステップ、
    コンピュータが、前記対象の一部の画像を取得し、前記対象の一部の仮想三次元表示を生成するために前記画像を処理する手段からデータを受け取るステップ、を備え、
    前記処置の個別のステップが完了した旨の入力がなされると、前記ＧＵＩの連続的なサブシリーズで構成された前記一連の視覚的なディスプレイ画面が自動的に先に進められること、
    を特徴とするコンピュータによる表示方法。
  2. 請求項１において請求された方法において、前記連続的なサブシリーズは、装置の調整、対象の画像化、インプラント箇所の計画、インプラント箇所の準備、および、インプラントの取り付けに関する画像を備えること、
    を特徴とする方法。
  3. 請求項１または請求項２において請求された方法であって、さらに、前記インプラント処置を実行するために用いられるインプラント装置を選択し、当該選択されたインプラント装置を調節するためのメニューセレクションおよびディスプレイ画面を表示するステップを備えること、
    を特徴とする方法。
  4. 請求項１〜３のいずれかの請求項において請求された方法であって、さらに、前記インプラント処置の対象の一部の画像を取得し、前記画像を認証し、当該画像を変換し、当該画像を削除するためのメニューセレクションおよびディスプレイ画像を表示するステップを含むこと、
    を特徴とする方法。
  5. 請求項４において請求された方法において、前記画像を変換するための前記メニューセレクションおよびディスプレイ画像は、取り込まれた画像を選択し、回転させ、反転させ、および、削除された画像を復元することのいずれかを補助することを可能にすること、
    を特徴とする方法。
  6. 請求項３において請求された方法であって、さらに、
    前記インプラント処置を実行するために用いられるインプラント装置を選択し、当該選択されたインプラント装置を調節するためのメニューセレクションおよびディスプレイ画面を表示するステップを含み、
    前記ディスプレイ画面は、前記調整済み装置の一つの入力に応答して生成されたインプラント計画位置に重ねて、前記対象の一部の画像を表示するディスプレイ画面を備えること、
    を特徴とする方法。
  7. 請求項４において請求された方法において、前記ディスプレイ画面は、インプラント計画位置と重ねて、前記対象の一部の画像を表示するディスプレイ画面、および、装置が実際のインプラント箇所を用意するために用いられる際に、当該インプラント箇所を用意するために用いられる装置の仮想経路を表示するディスプレイ画面を備えること、
    を特徴とする方法。
  8. 請求項７において請求された方法であって、さらに、インプラントを受け入れるためにドリルされるべき穴の深さを示す、深さゲージを備えること、
    を特徴とする方法。
  9. 請求項４において請求された方法において、前記ディスプレイ画像は、インプラント計画位置と重ねて前記対象の一部の画像、前記インプラント装置の一つを用いて用意された前記インプラント箇所の画像、ならびに、前記インプラントがインプラント計画箇所に取り付けられる際に、前記インプラントの経路の仮想的な画像を表示すること、
    を特徴とする方法。
  10. 請求項９で請求された方法であって、さらに、前記挿入されたインプラントの画像の取り込みを補助するための、メニューセレクションおよびディスプレイ画像を備えること、
    を特徴とする方法。
  11. インプラント処置を実行するためのシステムであって、
    インプラント処置の実行をガイドするためのグラフィカル・ユーザーインターフェース（ＧＵＩ）を表示するビデオディスプレイを含むコンピュータ、
    前記インプラント処置の対象の一部に対する選択されたインプラント装置の位置を決定するための手段、および
    前記対象の一部の画像を取得し、前記対象の前記一部の仮想的な三次元表示を生成するため当該画像を処理する手段、を備え、
    前記ＧＵＩは、前記インプラント処置を実行するために要求される個別のステップに関する情報を提供するための一連の視覚的なディスプレイ画面を含み、前記インプラント処置中に前記インプラント処置対象の一部の仮想三次元表示の方向付けされた画像との相対的な位置合わせに用いられる、選択されたインプラント装置の仮想的な画像を表示するものであり、
    前記処置の個別のステップが完了した旨の入力がなされると、前記ＧＵＩの連続的なサブシリーズで構成された前記一連の視覚的なディスプレイ画面が自動的に先に進められること、
    を特徴とするシステム。
  12. 請求項１１において請求されたシステムにおいて、前記対象の一部の画像を取り込む前記手段は、前記コンピュータに接続されるＸ線透視装置を備えること、
    を特徴とするシステム。
  13. 請求項１１または請求項１２において請求されたシステムにおいて、
    前記インプラント処置の前記対象の一部に対する前記選択されたインプラント装置の位置を決定するための手段は、
    前記コンピュータに接続される双眼視覚システム、および
    手術装置に接続され、前記手術装置の方向ならびに位置を識別するための光反射基準ツールを備えること、
    を特徴とするシステム。
  14. 請求項１１から請求項１３のいずれかにおいて請求されたシステムであって、さらに、リモートデータ源と前記コンピュータを接続するデータネットワークを備えること、
    を特徴とするシステム。
  15. 請求項１４において請求されたシステムにおいて、前記データネットワークは、インターネットであること、
    を特徴とするシステム。
  16. 請求項１１から請求項１５のいずれかにおいて請求されたシステムにおいて、前記処置の個別のステップが完了した旨の入力は、前記コンピュータに接続される手動入力装置を用いて選択可能な視覚的アイコンによって入力されること、
    を特徴とするシステム。
  17. 請求項１１から請求項１５のいずれかにおいて請求されたシステムにおいて、前記処置の個別のステップが完了した旨の入力は、前記コンピュータに接続される足踏み式入力装置を用いて選択可能な視覚的アイコンによって入力されること、
    を特徴とするシステム。
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