JP4997648B2 - 手術支援システム - Google Patents

Description

本発明は人工股関節置換手術をはじめとする関節手術において術者が手術用器具を操作して手術を行う際に、骨盤等の骨の向きや手術用器具の骨に対する正確な向きなどを術者に示して手術を容易且つ正確に行えるように補助する手術支援システムに関し、特に、手術の精度を保ちつつシステムのコストを抑えられる手術支援システムに関する。

変形性股関節症等に対応する人工股関節置換手術では、大腿骨の骨頭と骨盤の寛骨臼がそれぞれ人工関節を構築する部品に置換えられる。手術は、骨頭や寛骨臼の一部をそれぞれ除去した後、これらに置き換わる部品を埋込むものとなるが、こうした手術は、術後の股関節の可動範囲に関わることから、正確に実施する必要がある。

従来、こうした手術の際には、Ｘ線撮影による写真や透視に基づいて、骨を写し出し、骨の位置関係を確認した上で、インパクタ等の手術用器具の適用位置や操作方向を、医師の目測で患者の体幹を基準としつつ経験と勘による判断に基づいて決定し、手術が進められていた。

しかし、このような手法では、術者の熟練により骨と手術器具との相互の位置関係を高精度に把握して手術用器具を適切に操作することができたとしても、手術台上で患者の体が動く危険性が高く、当初の理想的なセット位置から骨位置がずれた場合、通常は手術用のカバー等の存在により患者の腰部全体を直接見ることができない手術中の状況において、目測に頼った手術ではわずかなずれに対応することができず、手術の正確性が維持できなくなり、術後の股関節の可動範囲が狭くなったり、脱臼が起りやすくなるという危険性があった。

これに対し、近年、手術前にＣＴスキャンやＭＲＩで得た画像から手術対象部位を含む骨の三次元形状データをあらかじめ作成した上で、手術対象部位近傍体表や手術用器具に固定される赤外線マーカとこれに対応する赤外線位置計測装置とを用い、手術中に赤外線マーカ位置を捕捉して骨や手術用器具の空間位置を取得し、得られた骨の空間位置及び向きと骨の三次元形状データとを照らし合せて、関節部分などの手術対象部位の正確な位置と向きを割出し、術者に対してレーザポインタや表示画面等でこの手術対象部位に対する手術用器具の操作方向等を正確にナビゲーションする手術ナビゲーションシステムが提案されている。
このような従来の手術支援システムの例として、特開２００２−８５４２１号公報や特開２００５−３０９１１号公報に記載されるものがある。

前記従来の手術ナビゲーションシステムは、手術用器具を向わせるべき位置や手術用器具の向きを表示画面等で提示することで、手術対象部位の動き等に関わりなく正確に手術を行える仕組みを提供するものとなっている。
特開２００２−８５４２１号公報 特開２００５−３０９１１号公報

従来の手術ナビゲーションシステムは、前記各特許文献に示される構成となっており、視覚的な誘導で術者の関節部品設置等の作業を効率よく支援できるものの、赤外線マーカなど光学的な検知を要するものを用いているために、患者の体表と手術用器具に取付けるマーカと共に、手術室内に光学的にマーカ位置を捕捉する位置計測装置も必要となり、システムを設置、運用するために莫大なコストが必要になるという課題を有していた。さらに、術者やその補助者の手術中における立ち位置によってはマーカが位置計測装置から直視できない状態となってマーカ位置を正確に捕捉できない場合もあり、位置検出精度が悪化するという課題を有していた。

本発明は前記課題を解消するためになされたもので、独立して位置情報取得が可能なセンサを手術対象部位近傍に取付けることで周囲の影響を受けにくく、手術対象部位の状態を正確に把握して手術用器具を適切に操作でき、骨の関節部分に対する手術を容易且つ正確に行えると共に、センサを用いた手術対象部位や手術用器具の位置検出の仕組みを簡略化して、手術の精度を保ちつつシステム全体のコストを抑えられる手術支援システムを提供することを目的とする。

本発明に係る手術支援システムは、位置固定状態とされた手術台に所定の手術用姿勢で固定される患者における手術対象となる骨の近傍で且つ当該骨との相対位置関係が変化しない複数の体表部分にそれぞれ取付けられ、互いの位置関係が固定されてなる複数のＸ線不透過性マーカと、当該各マーカに対し位置関係固定状態とされて前記患者の所定体表部分に取付けられ、あらかじめ手術前に複数方向からのＸ線撮影により前記骨と各マーカとの位置関係が取得されるのに伴って骨との位置関係を取得され、前記手術台と共に固定状態にある仮想の基準面に対する傾き状態を少なくとも検出するセンサと、当該センサと接続され、骨との位置関係を取得済となったセンサのセンサ出力を受取り、検出したセンサの傾き状態、及びセンサと骨との位置関係から、前記骨の前記基準面に対する傾きを取得すると共に、骨の手術対象部位に対する手術において本来骨が前記基準面に対してとるべき傾きと骨の前記基準面に対する現実の傾きとのずれ状態を求め、当該ずれ状態を表す指示用画像を生成する演算制御部と、前記指示用画像を表示する表示装置とを備えるものである。

このように本発明によれば、固定された仮想の基準面に対する傾きを取得可能なセンサを、骨との位置関係が固定された状態で骨近傍の体表に固定し、基準面に対する手術中の骨の傾きを適切に捕捉することにより、骨の手術対象部位に対し正確に手術用器具を到達させる必要がある手術に際し、骨位置を理想的な状態に補正することができ、手術用器具を常に一定操作で取扱えることとなり、手術の精度を向上させて手術部位の術後の機能改善を確実なものとすることができる。また、手術中に骨に対する光学的な三次元位置の捕捉等は一切必要なくなり、手術に際し術者やその補助者によって位置計測用の光が遮られて適切な位置計測が行えなくなる様なこともなく、位置計測用の装置が手術中に術者やその補助者の移動の自由度を損うような事態も一切生じず、術者は手術に集中することができ、作業性に優れる。

また、本発明に係る手術支援システムは必要に応じて、術者による操作で前記手術対象部位に対し近接させて使用される手術用器具の所定箇所に一体に固定され、前記基準面に対する傾き状態を少なくとも検出する第二のセンサを備え、前記演算制御部が、前記第二センサのセンサ出力を受取り、検出したセンサの傾き状態から、前記手術用器具の前記基準面に対する傾きを取得すると共に、前記手術対象部位に対する手術において手術用器具が本来前記骨に対してとるべき傾きと手術用器具の骨に対する現実の傾きとのずれ状態を求め、当該ずれ状態を表す第二の指示用画像を生成し、前記表示装置又は別の表示手段が、前記第二の指示用画像を表示するものである。

このように本発明によれば、手術用器具に第二のセンサを取付け、そのセンサ出力から手術用器具の基準面に対する傾きを取得し、骨側に取付けたセンサの出力から導いた骨の基準面に対する傾きと共に演算制御部でデータを解析して、手術用器具の骨に対し本来とるべき傾きに対する実際の手術用器具の傾きのずれ状態を表示できることにより、表示を見ながら術者がずれを少なくするように手術用器具を操作すれば、手術用器具を手術対象部位へ正確に到達させられ、手術用器具の適切な誘導による手術の正確化が簡略な仕組みで実現し、手術ナビゲーションのためのシステムをより低コストで構築できる。

また、本発明に係る手術支援システムは必要に応じて、前記請求項１又は２に記載の手術支援システムにおいて、前記骨と関節を隔てて隣合う他の骨に対し位置関係固定とされて当該他の骨近傍の体表に取付けられ、前記基準面に対する傾き状態を少なくとも検出する第三のセンサを備え、前記演算制御部が、前記第三のセンサのセンサ出力を受取り、検出したセンサの傾き状態から、前記他の骨の前記基準面に対する傾きを取得し、前記骨に対する他の骨の傾きを求めると共に、他の骨の前記骨に対する所定傾き方向における限界傾き角度に達した際の角度値を傾き方向と共に入力されて前記傾き方向における限界傾き角度を記録し、全ての傾き得る傾き方向の限界傾き角度を蓄積して関節の可動範囲を導き、当該可動範囲を表す画像を生成し、前記表示装置又は別の表示手段が、前記可動範囲の画像を表示するものである。

このように本発明によれば、前記骨と関節を挟んで隣合う他の骨に第三のセンサを取付けて各骨にそれぞれセンサを配置した状態とし、第三のセンサ出力から他の骨の基準面に対する傾きを取得し、さらに演算制御部で骨に取付けたセンサの出力及び第三センサのセンサ出力を解析して骨同士の傾きを取得すると共に、傾きの限界を各傾き方向について記録、蓄積して他の骨の前記骨に対する可動範囲を取得することにより、手術前の場合は手術前時点での可動範囲を求めて適切な術前診断と手術計画の構築が実現する一方、手術中には関節の可動範囲を正確に把握して手術後の患者への関節機能説明に有効に活用できることとなる。

また、本発明に係る手術支援システムは必要に応じて、前記他の骨の前記骨に対する傾きが限界傾き角度に達したことを所定の操作者が前記演算制御部に指示入力する入力手段を備え、前記演算制御部が、関節手術中の前記骨及び他の骨への人工関節部品装着並びに関節部品同士の係合後に、術者又は補助者による患者の他の骨を備える身体部位の関節位置を基準とする曲げ行為による、他の骨の前記骨に対する所定傾き方向における傾きが、人工関節の仕様に基づく限界角度まで至らずに傾きの限界に達した場合、限界到達を識別した操作者の前記入力手段による指示入力に基づいて、前記限界の角度を所定傾き方向における限界傾き角度として記録する一方、前記傾きが人工関節の仕様に基づく限界角度までスムーズに傾く傾き方向については、人工関節の限界角度値をそのまま限界傾き角度とし、各傾き方向の限界傾き角度を蓄積して他の骨と前記骨との関節における可動範囲を導き、当該可動範囲を表す画像を生成して出力し、前記表示装置又は別の表示手段が、前記可動範囲の画像を表示するものである。

このように本発明によれば、手術中における人工関節部品装着並びに関節係合後に、関節を挟む各骨に取付けたセンサからの出力に基づいて演算制御部で骨同士のなす角度を取得可能とする一方、実際に患者の骨のある身体部分に対し他の骨のある身体部分を動かした際の、各方向での限界位置での指示入力を経て限界傾き角度を取得し、データを蓄積処理して関節の可動範囲を導くことにより、関節が脱臼等を起さない安全な可動域を手術中の段階で把握でき、手術後の処置や関節可動範囲に関する患者へのアドバイス等を適切に行うことができる。

また、本発明に係る手術支援システムは必要に応じて、前記演算制御部が、手術後における所定の介助者による患者の前記他の骨を備える身体部位の関節位置を基準とする曲げ行為又は当該部位の患者本人の意思による運動動作による、他の骨の前記骨に対する所定傾き方向における傾きが、置換え済の人工関節における既知の可動範囲データから少なくとも導かれた前記傾き方向における限界傾き角度に達すると、所定の報知用信号を出力し、当該報知用信号を受取って前記介助者及び／又は患者に対する報知を実行する報知手段を備えるものである。

このように本発明によれば、手術後に、関節を挟む各骨に取付けたセンサからの出力に基づいて演算制御部で骨同士のなす角度を取得可能とする一方、介助者又は患者本人が実際に患者の前記骨のある身体部分に対し他の骨のある身体部分を動かす際に、あらかじめ蓄積した関節の可動範囲データを用いて、各方向での可動限界角度に達した時点で報知手段での報知を実行することにより、手術後のリハビリテーション等で患者自身に問題なく関節を動かせる範囲を適切に認識させられることとなり、患者にあらかじめ安全な可動域を把握させることで人工関節に対し無理のある動作を控えさせて脱臼等の危険性を小さくするなど、回復後の関節使用にあたって患者に適切に対応させることができる。

また、本発明に係る手術支援システムは必要に応じて、前記骨が骨盤であり、前記マーカが、骨盤の仙骨背面側の体表部分に所定の三角形の各頂点をなす配置でそれぞれ取付けられた状態とされ、前記センサが、骨盤の仙骨背面側における前記マーカを頂点とする三角形の範囲内となる体表に配置されるものである。

このように本発明によれば、骨盤の所定箇所を手術対象部位とする場合に、センサを三つのマーカと共に骨盤に対する動きの少ない仙骨背面側の体表に取付ける構造とすることにより、センサを骨盤に対して確実に位置決めして固定でき、骨盤にセンサを一体化させられることとなり、骨盤の動きをセンサに確実に反映させて正確に骨盤の傾きを検出できる。

本発明の第１の実施形態に係る手術支援システムの概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る手術支援システムにおける第一センサ取付位置説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る手術支援システムにおける支援動作のフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る手術支援システムにおける表示装置の表示画面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る手術支援システムの概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る手術支援システムにおける支援動作のフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る手術支援システムにおける表示装置の表示画面説明図である。 本発明の他の実施形態に係る手術支援システムにおける表示装置の表示画面説明図である。

符号の説明

１、２ 手術支援システム
１０、２０ マーカ
１１、２１ 第一センサ
１２、２３ 第三センサ
１３、２４ 演算制御部
１４、２５ 表示装置
１４ａ、２５ａ 基準点
１４ｂ、２５ｂ 点
２２ 第二センサ
５０ 手術用器具
６０ 手術台
８０ 骨盤
８１ 仙骨
９０ 大腿骨

（本発明の第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る手術支援システムを図１ないし図４に基づいて説明する。本実施形態においては、人工股関節置換手術に適用した例について説明する。
前記各図において本実施形態に係る手術支援システム１は、手術中の位置が不変である手術台６０に側臥位で固定される患者の腰部背面側体表に取付けられ、互いの位置関係が固定されてなる三つのマーカ１０と、これら各マーカ１０に対し位置関係固定状態で前記患者の体表に取付けられ、所定の基準面Ａに対する傾き状態を検出する第一センサ１１と、前記患者の大腿部体表に取付けられ、前記基準面Ａに対する傾き状態を検出する第三センサ１２と、前記第一センサ１１及び第三センサ１２の各センサ出力を受取り、各センサの向きから、骨盤８０や大腿骨８０の前記基準面Ａに対する向きをそれぞれ求めると共に、大腿骨９０の骨盤８０に対する各傾き方向への傾き角度を取得する演算制御部１３と、この演算制御部１３で得られた前記手術用器具５０の手術対象部位に対する向き、及び、前記ずれ状態を表す各指示用画像を生成すると共に、各指示用画像が変化する過程に対し、前記各指示用画像を表示する表示装置１４とを備える構成である。

前記マーカ１０は、Ｘ線不透過性の材質で形成され、手術台６０に側臥位で固定される患者の骨盤８０における手術対象の寛骨臼部位近傍で且つ骨盤８０との相対位置関係が変化しない体表部分である、患者の骨盤８０における仙骨８１の背面側部分に所定の三角形の各頂点をなす配置で三つ取付けられ、互いの位置関係も固定状態として配設される構成である。

前記第一センサ１１は、加速度センサを応用した傾き及び位置検出センサであり、前記手術台６０と共に固定状態にある仮想の基準面Ａ（手術台上面に垂直で且つ手術台長手方向と平行をなす面）に対する傾き状態を検出可能とされ、前記マーカ１０のなす三角形の略中心に配置されて各マーカ１０及び骨盤８０に対し位置関係固定状態とされつつ前記患者の仙骨８１背面側体表部分に取付けられる構成である。この第一センサ１１が、手術前のＸ線撮影による骨盤８０及び各マーカ１０位置取得を経て、骨盤８０との正確な位置関係を取得されることで、センサ出力から骨盤８０の傾きを検出可能となっている。また、第一センサ１１は、ゲル体で超小型の加速度センサを搭載したセンサユニット部分を表裏から挟んで保持した構造とされ、体表への密着性を高めると共に外部からの振動、衝撃等の影響を受けにくくしていると同時に、センサ外形を著しく小型化しており、体表や手術用器具等に固定して被着部分の前記基準面に対する傾きを検出させる場合において、センサの存在が器具の操作性を悪化させたり、手術の障害となるのを防げる。

なお、第一センサ１１は、加速度センサ単体をそのまま用いて、出力される信号に対する全ての処理を演算制御部１３で行うようにしてもよいが、この他、体表に取付けられる大きさを維持できれば、加速度センサと共にＡ／Ｄ変換用のマイコンや信号変換用の素子等を一体に実装してパソコン等で直接取扱える信号として送出すユニットとすることもでき、その場合は演算制御部１３としてパソコンを用いることができる。

前記第三センサ１２は、大腿部体表にベルトにより取付けられて大腿骨９０に対し位置関係固定状態とされる構成である。センサとしての機能は前記第一センサ１１と同じであり、説明を省略する。

前記演算制御部１３は、前記第一センサ１１及び第三センサ１２、並びに表示装置１４とそれぞれ接続され、前記第一センサ１１及び第三センサ１２の各センサ出力を受取り、検出した第一センサ１１の傾き状態から、骨盤８０の前記基準面に対する傾きを取得すると共に、骨盤８０の寛骨臼部位に対する手術において本来骨盤８０が前記基準面に対してとるべき傾き（既定値）と骨盤８０の前記基準面に対する現実の傾きとのずれ状態を求め、このずれ状態を表す指示用画像を生成するものである。また、演算制御部１３は、第三センサ１２の傾き状態から、大腿骨９０の前記基準面Ａに対する傾きを取得すると共に、この大腿骨９０の骨盤８０に対する傾きを求め、関節における曲げ角度を取得する演算処理も行う。

手術中には、演算制御部１３が手術台６０上で術者の補助者によって位置調整される患者の骨盤８０の基準面Ａに対する向きを取得し、骨盤８０の本来とるべき傾きから実際の傾きがどのようにずれているかを示す指示用画像を生成し、補助者の作業支援を行うこととなる。

前記表示装置１４は、手術用空間における術者や補助者から視認可能な位置で且つ手術中の術者及び補助者との接触が起こり得ない箇所に配置されるものであり、表示機能自体は公知の液晶やＣＲＴ等を用いた画像表示装置同様であり、詳細な説明を省略する。その表示画面では、骨盤８０の本来とるべき正しい傾き状態を示す基準点１４ａと、実際に計測された骨盤８０の傾きから算出された、骨盤８０の正しい傾き状態からのずれを示す点１４ｂがそれぞれ表示される。

次に、本実施形態に係る手術支援システムを用いた手術支援状態について説明する。あらかじめ、人工股関節置換手術を受ける患者が、手術対象部位となる股関節がある側の体側を上向きとし、且つ頭部から脚に至る体軸を手術台長手方向と略平行にした側臥位で手術台上面に固定されているものとする。まず手術前に、患者の骨盤８０における仙骨脊面側の体表に、三つのマーカ１０を骨との位置関係並びに各マーカ１０間の位置関係が変化しないようにそれぞれ取り付けると共に、三つのマーカ１０のちょうど中央となる体表位置に、各マーカ１０との位置関係が変化しないようにして第一センサ１１を取付け、この第一センサ１１を演算制御部１３に接続し、センサ出力を演算制御部１３に入力可能としておく（ステップ１０１）。続いて、手術対象部位とマーカ１０を含む骨盤全体に対し複数方向からＸ線撮影を行う（ステップ１０２）。

得られた複数のＸ線撮像画像から骨盤８０の基準面Ａに対する傾き状態が明確に判別可能となるが、同時に、各マーカ位置と骨盤８０との位置関係も明らかとなり、さらに体表の各マーカ位置と第一センサ１１との固定された位置関係から、骨盤８０と第一センサ１１との位置関係も明らかとなる。この骨盤８０と第一センサ１１との位置関係を用いて、センサでの傾き検出から骨盤８０の基準面に対する実際の傾きを算出、取得することができる仕組みである。

演算制御部１３は、Ｘ線撮像画像からわかる骨盤８０の基準面Ａに対する傾き状態を初期情報として入力され（ステップ１０３）、ここからの骨盤８０の動きを第一センサ１１からの出力により演算制御部１３が傾き変化として取得していく。また、手術の際に骨盤８０が基準面Ａに対し本来とるべき傾き状態も演算制御部１３に目標値として入力され（ステップ１０４）、骨盤の実際の傾きが前記本来とるべき傾きからどれだけずれているかを算出できるようにする。

この手術前の段階で、第一センサ１１に加えて、必要に応じて第三センサ１２を患者の大腿部の所定箇所に取付け、演算制御部１３と接続し、センサ出力を演算制御部１３で処理できるようにすることもできる。第一センサ１１の出力と第三センサ１２の出力から、演算制御部１３で患者の骨盤８０に対する大腿骨９０の傾き角度が求められるが、これを利用して、診断者による患者の大腿部の股関節を基準とした各方向への曲げ行為と合わせて、各傾き方向における大腿骨９０の骨盤８０に対する可動限界角度を演算制御部１３に記録、蓄積することで、手術前における股関節可動範囲を導き出すことができ、術前診断と手術計画作成を的確に行うことができ、手術をより適切に進められることとなる。

続いて、手術中においては、演算制御部１３が体表に取り付けられた第一センサ１１からの出力を処理して、その時点における骨盤８０の基準面Ａに対する傾きを取得する（ステップ１０５）。そして、演算制御部１３は、あらかじめ入力された手術計画に基づく患者の骨盤８０の本来とるべき正しい傾き状態に対し、第一センサ１１の実測された傾きから得られた骨盤８０の実際の傾きがどれだけずれているかを導き（ステップ１０６）、そのずれ状態を示す画像を作成して表示装置１４に出力する（ステップ１０７）。表示装置１４はこのずれ状態を示す画像を表示する（ステップ１０８）。この表示装置１４に表示される画面には、骨盤の正しい向きを基準として示す基準点１４ａと、実際のずれの方向及び大きさを表す点１４ｂが表示される。これにより、患者の動きに伴い手術中に刻々と変化する骨盤８０の状態を適切に把握できる。この演算制御部１３によるずれ状態の導出と表示装置１４による表示は、手術終了まで繰返される。

手術のうち寛骨臼代替部品の取付段階で、術者は手術用器具５０による関節部品の取付けのため、骨盤８０における手術対象の寛骨臼部位近くまで手術用器具５０を移動させる。この時、表示装置１４の画面には、骨盤８０の基準面Ａに対する傾きを取得する処理に基づいて、その時点における骨盤８０の正しい傾きからのずれ状態が基準点１４ａから離れた点１４ｂとして表示されている（図８参照）。手術用のカバー等により患者の腰部全体を直接見ることができず、骨盤８０の向きを確認しにくい手術中の状況において、補助者は表示装置１４の画面を見ながら、ずれを表す点１４ｂが基準点１４ａに一致するよう、すなわち、実際の骨盤８０の傾きが本来とるべき正しい傾き状態となるよう、骨盤８０を直接動かして骨盤位置を微調整する。

一方、術者は、骨盤８０の傾きが本来とるべき正しい傾き状態となっている場合に行う通常の手順で手術用器具５０を操作して骨盤８０の寛骨臼部位に正しく相対させることとなる。補助者が表示画面上で基準点１４ａと点１４ｂの位置を合わせた状態を維持するように骨盤８０を支えた状態で、術者は、寛骨臼部位に対しあらかじめ決められた向きで手術用器具５０を動かし、手術用器具５０先端を目標の位置・方向に合わせたら、手術用器具５０の打撃部分を操作して寛骨臼の代替となる関節部品を骨盤８０に打込み配設する。手術中、不意に骨盤位置が動いた場合でも、これに追随して表示画面上の各指示用表示も変化するため、補助者が適切に骨盤８０の位置修正を行え、術者はそのまま続けて手術を行うことができ、手術用器具５０の手術対象部位に対するずれを防ぐことができる。

ここで、表示装置１４の画面上での基準点１４ａと点１４ｂの位置を一致させるように補助者が骨盤８０を動かすようにしているが、これに限らず、表示画面のずれ量表示に対応して、術者が手術用器具５０を正規の操作方向から骨盤８０のずれに対応する分だけずらして作業を行うようにすることもできる。

手術が進行し、術者が関節部品を骨盤側と大腿骨側のいずれにも取付け、且つ部品同士を係合させて、人工関節が可動状態となったら、必要に応じて、患者の大腿部体表に大腿骨９０との位置関係が変化しないようにして第三センサ１２を取付けると共に演算制御部１３と接続し、第三センサ１２の出力を処理できるようにする。これにより、手術中の段階で、第一センサ１１の出力と第三センサ１２の出力から演算制御部１３で患者の骨盤８０に対する大腿骨９０の傾き角度が求められるが、これを利用して、術者又は補助者による患者の大腿部の股関節を基準とした各方向への曲げ試行と合わせて、各傾き方向における大腿骨９０の骨盤８０に対する可動限界角度を演算制御部１３に記録、蓄積することで、人工股関節置換後の股関節可動範囲を導き出すことができ、手術後の股関節可動範囲の目安にでき、人工股関節の可動限界を超えて脱臼等を生じないように術後の患者への動作指示やリハビリテーション計画作成を的確に行うことができる。

さらに手術終了後、必要に応じて、患者の骨盤８０脊面側体表に第一センサ１１を再び取付けると共に、患者の大腿部体表に第三センサ１２を取付け、各センサを演算制御部１３と接続すると、各センサの出力から演算制御部１３でこの手術後の段階での骨盤８０に対する大腿骨９０の傾き角度を求めることができる。これを利用して、介助者による患者の大腿部の股関節を基準とした各方向への曲げ行為と合わせて、各傾き方向における大腿骨９０の骨盤８０に対する可動限界角度を演算制御部１３に記録、蓄積することで、手術後における股関節可動範囲を導き出すことができ、人工関節の仕様に基づく限界以外の理由で発生する限界角度を適切に把握して患者のリハビリテーションを効果的に進めることができる。

また、これとは別に、介助者又は患者本人の意思による患者の大腿部の股関節を基準とした各方向への曲げ行為中、手術中の実測により蓄積された股関節の可動範囲のデータと共に、実際の骨盤８０に対する大腿骨９０の傾き角度を表示装置１４に表示することもでき、可動域を介助者や患者に視覚的にわかりやすく示すことができる。この他、可動範囲のデータに基づき、報知手段を用いて大腿骨が限界角度に達したことを報知するようにしてもよく、大腿部を動かす介助者や患者本人に人工関節の仕様に基づく限界角度を知らせることができ、脱臼等に対する注意を喚起できる。

このように、本実施形態に係る手術支援システムにおいては、固定された仮想の基準面Ａに対する傾きを取得可能な第一センサ１１を、骨盤８０との位置関係が固定された状態で骨盤８０近傍の体表に固定し、基準面に対する手術中の骨盤８０の傾きを適切に捕捉することから、骨盤８０の手術対象部位に対し正確に手術用器具を到達させる必要がある手術に際し、骨盤８０位置を理想的な状態に補正することができ、手術用器具５０を常に一定操作で取扱えることとなり、手術の精度を向上させて手術部位の術後の機能改善を確実なものとすることができる。また、手術中に骨に対する光学的な三次元位置の捕捉等は一切必要なくなり、手術に際し術者やその補助者によって位置計測用の光が遮られて適切な位置計測が行えなくなる様なこともなく、位置計測用の装置が手術中に術者やその補助者の移動の自由度を損うような事態も一切生じず、術者は手術に集中することができ、作業性に優れる。

（本発明の第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る手術支援システムを図５ないし図７に基づいて説明する。
前記各図において本実施形態に係る手術支援システム２は、前記第１の実施形態同様、三つのマーカ２０と、第一センサ２１と、第三センサ２３と、演算制御部２４と、表示装置２５とを備える一方、異なる点として、手術用器具５０の所定箇所に一体に固定され、基準面Ａ（手術台上面に垂直で且つ手術台長手方向と平行をなす面）に対する手術用器具５０の傾きを少なくとも検出する第二センサ２２を備える構成を有するものである。

前記第二センサ２２は、手術用器具５０の所定箇所に一体に取付けられるものであり、患者の体表へ取付けられない分、ゲル体等を省略した構造とすることができる。センサそのものの機能は前記第一センサ２１と同じであり、説明を省略する。

前記演算制御部２４は、前記第一センサ２１及び第二センサ２２、並びに表示装置２５とそれぞれ接続され、第一センサ２１及び第二センサ２２の各センサ出力を受取り、検出した第一センサ２１の傾き状態から、骨盤８０の前記基準面Ａに対する傾きを取得する一方、検出した第二センサ２２の傾き状態から、手術用器具５０の基準面Ａに対する傾きを取得し、これらから手術用器具５０の骨盤８０に対する傾きを求めると共に、骨盤８０の寛骨臼部位に対する手術において本来手術用器具５０が骨盤８０に対してとるべき傾き（既定値）と、手術用器具５０の骨盤８０に対する現実の傾きとのずれ状態を求め、このずれ状態を表す指示用画像を生成するものである。

また、演算制御部２４は、第三センサ２２の傾き状態から、大腿骨９０の基準面Ａに対する傾きを取得すると共に、この大腿骨９０の骨盤８０に対する向きを求め、関節における曲げ角度を取得する演算処理も行う。

手術中には、演算制御部２４が術者によって操作される手術用器具５０の患者の骨盤８０に対する向きを取得し、手術用器具５０の骨盤８０に対し本来とるべき傾きから実際の傾きがどのようにずれているかを示す指示用画像を生成し、術者の作業支援を行うこととなる。

前記表示装置２５は、手術用空間における術者から視認可能な位置で且つ手術中の術者及び補助者との接触が起こり得ない箇所に配置されるものであり、表示機能自体は前記第１の実施形態同様であり、詳細な説明を省略する。その表示画面では、骨盤８０の正しい傾き状態からのずれ状態を示す画像部分と共に手術用器具５０の正しい傾き状態からのずれを示す画像部分がそれぞれ表示される。骨盤の正しい傾き状態からのずれ状態を示す画像部分については、前記第１の実施形態同様であり、説明を省略する。一方、手術用器具５０の正しい傾き状態からのずれ状態を示す画像部分では、手術用器具５０の骨盤８０に対し本来とるべき正しい傾き状態を示す基準点２５ａと、実際に計測された手術用器具５０の傾きから算出された、手術用器具５０の正しい傾き状態からのずれを示す点２５ｂがそれぞれ表示される。

次に、本実施形態に係る手術支援システムを用いた手術支援状態について説明する。あらかじめ、人工股関節置換手術を受ける患者が、手術対象部位となる股関節がある側の体側を上向きとし、且つ頭から手術対象でない側の脚先までを手術台長手方向と略平行にした側臥位で手術台上面に固定されているものとする。まず初めに、前記第１の実施形態同様、患者の骨盤８０脊側における仙骨部位の体表に、三つのマーカ２０をそれぞれ取り付けると共に、三つのマーカ２０のちょうど中央となる体表位置に第一センサ２１を取付け、この第一センサ２１を演算制御部２４に接続する（ステップ２０１）。続いて、手術対象部位とマーカ２０を含む骨盤８０全体に対し複数方向からＸ線撮影を行う（ステップ２０２）。

得られた複数のＸ線撮像画像から骨盤８０の基準面Ａに対する傾き状態が明確に判別可能となるが、同時に、各マーカ位置と骨盤との位置関係も明らかとなり、さらに体表の各マーカ２０位置と第一センサ２１との位置関係から、骨盤８０と第一センサ２１との位置関係も明らかとなる。この骨盤８０と第一センサ２１との位置関係を用いて、センサでの傾き検出から骨盤８０の基準面Ａに対する実際の傾きを算出、取得することができる仕組みである。

演算制御部２３は、Ｘ線撮像画像からわかる骨盤８０の基準面Ａに対する傾き状態を初期情報として入力され（ステップ２０３）、ここからの骨盤８０の動きを第一センサ２１からの出力により演算制御部２３が傾き変化として取得していく。また、手術の際に骨盤８０が基準面Ａに対し本来とるべき傾き状態も演算制御部２３に目標値として入力され（ステップ２０４）、骨盤の実際の傾きが前記本来とるべき傾きからどれだけずれているかを算出できるようにする。

一方、寛骨臼側関節部品の取付具である手術用器具５０に対しては、これとの位置関係が変化しないようにして第二センサ２２を所定箇所に取付け、且つ演算制御部２４に接続してセンサ出力を演算制御部２４で処理できるようにしておく（ステップ２０５）。同時に、手術の際に手術用器具５０が骨盤８０に対し本来とるべき傾き状態も演算制御部２３に目標値として入力される（ステップ２０６）。

必要に応じて、前記第１の実施形態同様、手術前の段階で、患者の大腿部体表に、大腿骨９０との位置関係が変化しないようにして第三センサ２３を取付け、演算制御部２４と接続して、第一センサ２１の出力と第三センサ２３の出力から演算制御部２４で患者の骨盤８０に対する大腿骨９０の傾き角度が求められるようにしてもかまわない。

続いて、手術中においては、演算制御部２４が、体表に取り付けられた第一センサ２１からの出力を処理して、その時点における骨盤８０の基準面Ａに対する傾きを取得する（ステップ２０７）。同様に、演算制御部２４は、手術用器具５０側の第二センサ２２からの出力を処理して、手術用器具５０の基準面に対する傾きを取得する（ステップ２０８）。そして、演算制御部２４は、あらかじめ入力された手術計画に基づく手術用器具５０の骨盤８０に対し本来とるべき正しい傾き状態に対し、第二センサ２２の実測された傾きから得られた手術用器具５０の実際の向きがどれだけずれているかを導き（ステップ２０９）、そのずれ状態を示す画像を作成して表示装置２５に出力する（ステップ２１０）。表示装置２５はこのずれ状態を示す画像を表示する（ステップ２１１）。この表示装置２５に表示される画面には、手術用器具５０の正しい向きを基準として示す基準点２５ａと、実際のずれの方向及び大きさを表す点２５ｂが表示される。これにより、患者の動きに伴い手術中に刻々と変化する骨盤８０と、術者の操作により手術中に刻々と変化する手術用器具５０との位置関係を適切に把握できる。この演算制御部２４によるずれ状態の導出と表示装置２５による表示は、手術終了まで繰返される。

この他、前記第１の実施形態同様、演算制御部２４は、あらかじめ入力された手術計画の情報に基づく患者の骨盤８０の本来とるべき正しい傾き状態に対し、第一センサ２１の実測された傾きから得られた骨盤８０の実際の向きがどれだけずれているかを導き、そのずれ状態を示す画像（骨盤８０の正しい向きを基準として示す基準点と、実際のずれの方向及び大きさを表す点とを含む）を作成して表示装置２５の一部又は別の表示手段に表示させることもでき、手術中に刻々と変化する骨盤８０の状態についても適切に把握可能となる。

手術のうち寛骨臼代替部品の取付段階で、術者は手術用器具５０による関節部品の取付けのため、骨盤８０における手術対象の寛骨臼部位近くまで手術用器具５０を移動させる。この時、表示装置２５の画面には、取得された骨盤８０及び手術用器具５０の基準面Ａに対するそれぞれの傾きから相互の関係を導く処理に基づいて、骨盤８０に対する正しい向きからの手術用器具５０のその時点におけるずれ状態が基準点２５ａから離れた点２５ｂとして表示されている（図７参照）。手術用のカバー等により患者の腰部全体を直接見ることができず、骨盤の向きを確認しにくい手術中の状況において、術者は、骨盤８０の傾きが本来とるべき正しい傾き状態となっている場合に行う通常の手順で手術用器具５０を操作する一方、表示装置２５の画面を時々参照することで、手術用器具５０が手術対象部位に正しく相対しているかを確認することができ、ずれを表す点２５ｂが基準点２５ａに一致するよう、すなわち、実際の手術用器具５０の向きが本来とるべき正しい傾き状態となるよう、手術用器具５０を修正操作する。

術者は、表示装置２５の画面を参照し、画面上のずれを表す点２５ｂを基準点２５ａに一致させつつ、手術用器具５０先端を目標の位置・方向に合わせたら、手術用器具５０の打撃部分を操作して寛骨臼の代替となる関節部品を骨盤８０に打込み配設する。手術中、不意に骨盤位置が動いた場合でも、これに追随して表示画面上の各指示用表示も変化するため、術者は適切に手術用器具５０の位置修正を行いつつそのまま続けて手術を行うことができ、手術用器具５０の手術対象部位に対するずれを防ぐことができる。

前記第１の実施形態同様、手術中の人工関節構築後や手術終了後、必要に応じて、患者の大腿部体表に、大腿骨９０との位置関係が変化しないようにして第三センサ２３を取付け、そのセンサ出力を演算制御部２４で処理して大腿骨９０の骨盤８０に対する傾き角度を表示装置２５に表示させたりしてもかまわない。

このように、本実施形態に係る手術支援システムにおいては、手術用器具５０に第二センサ２２を取付け、そのセンサ出力から手術用器具５０の基準面に対する傾きを取得し、骨盤８０側に取付けた第一センサ２１の出力から導いた骨盤８０の基準面Ａに対する傾きと共に演算制御部２４でデータを解析して、手術用器具５０の骨盤８０に対し本来とるべき傾きに対する実際の手術用器具５０の傾きのずれ状態を表示できることから、表示を見ながら術者がずれを少なくするように手術用器具５０を操作すれば、手術用器具５０を手術対象部位へ正確に到達させられ、手術用器具５０の適切な誘導による手術の正確化が簡略な仕組みで実現し、手術ナビゲーションのためのシステムをより低コストで構築できる。

なお、前記第１及び第２の各実施形態に係る手術支援システムにおいて、表示装置１４、２５の表示画面上で基準点１４ａ、２５ａ及びずれを示す点１４ｂ、２５ｂの二点を表示し、基準点１４ａ、２５ａにずれを示す点１４ｂ、２５ｂを合わせるようにして骨盤８０の傾きや手術用器具５０の向きを修正させる構成としているが、これに限らず、例えば図８に示すような表示画面を採用し、数値やグラフ等、他の表現形式を用いた誘導で骨盤の傾きや手術用器具の向きを正規の状態へ修正可能にする構成とすることもできる。前記図８に示す手術支援システムの表示画面において、表示画面左上部分は、骨盤側の第一センサが屈曲又は伸展、内旋又は外旋、及び、内転又は外転の各方向に回転した角度をそれぞれ指針型の表示部及び数値で表示する領域であり、術者はこれらの角度表示を参照することで、瞬時に骨盤の角度変化を認識して、矯正することが可能である。また、表示画面中央左寄りに表示される三つのグラフは、骨盤に取り付けた第一センサと、手術用器具に取り付けた第二センサから得られる前記三方向における各角度差を図示したものであり、術者は骨盤を基準とした角度を容易に把握し、手術用器具を調整することができる。さらに、表示画面右側は、前記三方向における各角度差の時間変化をそれぞれ示すチャートである。この他、骨盤側の第一センサと大腿側の第三センサから得られる骨盤と大腿骨の角度の時間的変化を計測し、股関節可動域を記録、表示するようにしてもよい。

Claims (6)

1. 位置固定状態とされた手術台（６０）に所定の手術用姿勢で固定される患者における手術対象となる骨（８０）の近傍で且つ当該骨（８０）との相対位置関係が変化しない複数の体表部分にそれぞれ取付けられ、互いの位置関係が固定されてなる複数のＸ線不透過性マーカ（１０）と、
   当該各マーカ（１０）に対し位置関係固定状態とされて前記患者の所定体表部分に取付けられ、あらかじめ手術前に複数方向からのＸ線撮影により前記骨（８０）と各マーカ（１０）との位置関係が取得されるのに伴って骨（８０）との位置関係を取得され、前記手術台（６０）と共に固定状態にある仮想の基準面（Ａ）に対する傾き状態を少なくとも検出するセンサ（１１、２１）と、
   当該センサ（１１、２１）と接続され、骨（８０）との位置関係を取得済となったセンサ（１１、２１）のセンサ出力を受取り、検出したセンサ（１１、２１）の傾き状態、及びセンサ（１１、２１）と骨（８０）との位置関係から、前記骨（８０）の前記基準面（Ａ）に対する傾きを取得すると共に、骨（８０）の手術対象部位に対する手術において本来骨（８０）が前記基準面（Ａ）に対してとるべき傾きと骨（８０）の前記基準面（Ａ）に対する現実の傾きとのずれ状態を求め、当該ずれ状態を表す指示用画像を生成する演算制御部（１３、２４）と、
   前記指示用画像を表示する表示装置（１４、２５）とを備えることを
   特徴とする手術支援システム。
2. 前記請求項１に記載の手術支援システムにおいて、
   術者による操作で前記手術対象部位に対し近接させて使用される手術用器具（５０）の所定箇所に一体に固定され、前記基準面（Ａ）に対する傾き状態を少なくとも検出する第二のセンサ（２２）を備え、
   前記演算制御部（２４）が、前記第二のセンサ（２２）のセンサ出力を受取り、検出したセンサ（２２）の傾き状態から、前記手術用器具（５０）の前記基準面（Ａ）に対する傾きを取得すると共に、前記手術対象部位に対する手術において手術用器具（５０）が本来前記骨（８０）に対してとるべき傾きと手術用器具（５０）の骨（８０）に対する現実の傾きとのずれ状態を求め、当該ずれ状態を表す第二の指示用画像を生成し、
   前記表示装置（２５）又は別の表示手段が、前記第二の指示用画像を表示することを
   特徴とする手術支援システム。
3. 前記請求項１又は２に記載の手術支援システムにおいて、
   前記骨（８０）と関節を隔てて隣合う他の骨（９０）に対し位置関係固定とされて当該他の骨（９０）近傍の体表に取付けられ、前記基準面（Ａ）に対する傾き状態を少なくとも検出する第三のセンサ（１２、２３）を備え、
   前記演算制御部（１３、２４）が、前記第三のセンサ（１２、２３）のセンサ出力を受取り、検出したセンサ（１２、２３）の傾き状態から、前記他の骨（９０）の前記基準面（Ａ）に対する傾きを取得し、前記骨（８０）に対する他の骨（９０）の傾きを求めると共に、他の骨（９０）の前記骨（８０）に対する所定傾き方向における限界傾き角度に達した際の角度値を傾き方向と共に入力されて前記傾き方向における限界傾き角度を記録し、全ての傾き得る傾き方向の限界傾き角度を蓄積して関節の可動範囲を導き、当該可動範囲を表す画像を生成し、
   前記表示装置（１４、２５）又は別の表示手段が、前記可動範囲の画像を表示することを
   特徴とする手術支援システム。
4. 前記請求項３に記載の手術支援システムにおいて、
   前記他の骨（９０）の前記骨（８０）に対する傾きが限界傾き角度に達したことを所定の操作者が前記演算制御部（１３、２４）に指示入力する入力手段を備え、
   前記演算制御部（１３、２４）が、関節手術中の前記骨（８０）及び他の骨（９０）への人工関節部品装着並びに関節部品同士の係合後に、術者又は補助者による患者の他の骨（９０）を備える身体部位の関節位置を基準とする曲げ行為による、他の骨（９０）の前記骨（８０）に対する所定傾き方向における傾きが、人工関節の仕様に基づく限界角度まで至らずに傾きの限界に達した場合、限界到達を識別した操作者の前記入力手段による指示入力に基づいて、前記限界の角度を所定傾き方向における限界傾き角度として記録する一方、前記傾きが人工関節の仕様に基づく限界角度までスムーズに傾く傾き方向については、人工関節の限界角度値をそのまま限界傾き角度とし、各傾き方向の限界傾き角度を蓄積して他の骨（９０）と前記骨（８０）との関節における可動範囲を導き、当該可動範囲を表す画像を生成して出力し、
   前記表示装置（１４、２５）又は別の表示手段が、前記可動範囲の画像を表示することを
   特徴とする手術支援システム。
5. 前記請求項３又は４に記載の手術支援システムにおいて、
   前記演算制御部（１３、２４）が、手術後における所定の介助者による患者の前記他の骨（９０）を備える身体部位の関節位置を基準とする曲げ行為又は当該部位の患者本人の意思による運動動作による、他の骨（９０）の前記骨（８０）に対する所定傾き方向における傾きが、置換え済の人工関節における既知の可動範囲データから少なくとも導かれた前記傾き方向における限界傾き角度に達すると、所定の報知用信号を出力し、
   当該報知用信号を受取って前記介助者及び／又は患者に対する報知を実行する報知手段を備えることを
   特徴とする手術支援システム。
6. 前記請求項１ないし５のいずれかに記載の手術支援システムにおいて、
   前記骨（８０）が骨盤であり、
   前記マーカ（１０、２０）が、骨盤の仙骨（８１）背面側の体表部分に所定の三角形の各頂点をなす配置でそれぞれ取付けられた状態とされ、
   前記センサ（１１、２１）が、骨盤の仙骨（８１）背面側における前記マーカ（１０、２０）を頂点とする三角形の範囲内となる体表に配置されることを
   特徴とする手術支援システム。

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