JP5017114B2 - 患者の肢で得た少数の測定値から当該肢の完全な３次元表現を作成する装置 - Google Patents

Description

本発明は、患者の肢から形態学的データを得ることに関する。

より詳細には、本発明は、患者の肢で得た少数の測定値から当該肢の完全な３次元表現を作成する装置に関する。

本発明は、弾性繊維によって生成される復帰力の作用下で肢の一部に加圧を加えることで肢に確実な加圧を発生させるための加圧装具（compression ortheses）、すなわち、弾性ストッキング、靴下、タイツ等の装具を選択するのに特に有利に適用可能である。このタイプの装具が通常対象とするのは、下肢の静脈不全である。

特に最大の加圧力を有する種類の装具に関連する施術者（一般的には整形外科医又は薬剤師）にとっての困難の１つは、患者の病態に最適な、すなわち肢全体にわたって弱すぎも強すぎもしない加圧を発生させるサイズ及び装具種類を選択することにある。

寸法どおりにストッキングを作る以外では、施術者は、既存の寸法範囲から特定のサイズを選択しなければならず、上記範囲の種々の物品が加える圧力は、標準化された形状及び寸法のテンプレート（「ホーエンスタインモデル」）に基づいて設定される。

実際には、装具のサイズは、種々の高さで患者の脚を測定すること、例えば１つは足首で１つは脹脛又は腿の２つの周径測定、及び地面から膝までの高さ又は股下高さを測定することによって得られる。これらの測定に基づいて、整形外科医又は薬剤師は、表又はスケールを用いて患者に最も適していると考えられるサイズを決定する。

このような手順では、施術者には実際に脚に加えられる圧力プロファイルの明確な概念が得られない。残念ながら、不適切な装具が処方されると、圧縮が過剰であるか又は逆に不十分である特定の領域が局所的に生じるおそれがある。

点メッシュの形態での肢の完全な３次元表現から開始して、所与の装具の寸法特性及び流動学的特性に関する知識に基づいて、その装具が加える可能性の高い加圧圧力値をシミュレートすることを可能にするツールが、実際には存在する。例として、このようなツールの１つは、「Device for providing assistance in selecting a compressive orthesis, and for adapting it to the morphology of a limb」として２００４年９月１７日に公開されたフランス公報ＦＲ／２ ８５２ ４２１号（Laboratoire Innothera）に記載されている。これは、事実を知った上で選択を行うことができるように、所与の患者の脚モルフォロジ(morphology)に対するいずれかのサイズの装具の適合性を施術者が評価することを可能にするソフトウェアによって実施される手段を記載している。これにより、患者にとって最適な治療効果を得ることが可能となる。

それにもかかわらず、このツールは、該当患者の肢の形態学的特徴を表す完全なデータファイルが、利用可能であることを必要とすることが問題となっている。その全ては、肢の表面に分布された数百の点のメッシュの形をとっている。このようなファイルを得るには、例えばフランス公報ＦＲ／２ ７７４ ２７６号及び同ＦＲ／２ ８０４ ５９５号（Innothera Topic International）に記載の種類のレーザプレチスモグラフ設備によって、肢を非常に正確にマッピングすることが必要である。とはいえ、これは、薬剤師又は整形外科医の職場で実施するには適さない実験器具である。より簡単に肢の完全なマップを生成する種々の装置が、実際には提案されているが、これらの単位原価及びこれらの操作に必要な厳しい条件により、これらを用いる可能性がある施術者に広く用いられることができるようになっていない。

本発明の目的の１つは、肢で得た少数の測定値（例えば、高さ測定値及び３つの周径測定値）から、完全な点メッシュの形態で患者の肢の３次元表現を作成することを可能にする装置を提供することである。この表現は、表示、加圧シミュレーション、及び装具の適したサイズ及びタイプの選択の支援の提供を目的として、あらゆる望ましいコンピュータ処理を施すことができ、これらの他の関数は施術者のマイクロコンピュータにロードされる適当なソフトウェアを用いて容易に実施できる。

本発明の別の目的は、上記装置及び統計的要約から、形態型すなわち代表肢モデルのライブラリを作成することである。この形態型のライブラリは、例えば患者の母集団の臨床研究を行うときに、或る製品について様々なサイズの現在範囲が母集団の大多数によく適合しているか、又はその逆で別のサイズ範囲の方が多数の患者のニーズに対応するのにより適しているかを調べることを可能にすることができる。

上記の目的を果たすために、本発明は、高さ測定値及び異なる所定の測定ｚ位置で得られる複数の周径測定値を含む患者の肢の測定値を得る手段を備える装置を提案する。

本発明に特有の方法で、基準肢の形態学的特徴を表す第１の点メッシュの座標を含む第１のデータファイルを記憶する手段が提供される。これらの点は、基準肢に沿った異なる連続的位置で規定される一連のアウトラインに沿って、基準肢の表面上の３次元空間に分布される。また、患者の肢の形態学的特徴を表す第２の点メッシュの座標を含む第２のデータファイルを生成及び記憶するために、上記高さ測定値及び上記周径測定値の関数として第１の点メッシュの座標を再計算するのに適したモルフォロジジェネレータ手段も提供される。

点の座標はｚ位置座標を含み、第１のデータファイルは基準高さを含む。モルフォロジジェネレータ手段は、基準高さ及び測定された高さの両方に基づく変換関数、特に測定された高さと基準高さとの比に基づく比例再分布関数を、上記ｚ位置座標に適用することによって、メッシュの各点のｚ位置座標を再計算するのに適した有利な手段である。

点の座標は、所与のｚ位置に位置するアウトライン上の点の位置を規定する直交座標又は極座標も含む。モルフォロジジェネレータ手段は、上記周径測定値に基づいた変換関数を上記位置座標に適用することによって、メッシュの各点の上記位置座標を再計算するのに適した有利な手段である。

このような状況下で、所定の測定ｚ位置と等しいｚ位置における基準肢のアウトラインに対する、同じｚ位置で測定されたアウトラインの局所変形に基づく変換関数を位置座標に適用することによって、上記ｚ位置に位置するメッシュの各点の上記位置座標を再計算することが特に可能であり、上記局所変形は、特に、上記ｚ位置で測定された周径と当該ｚ位置における基準肢のアウトラインの周径の値との差に基づいて求められる。

所定の測定ｚ位置同士の間の中間のｚ位置に位置するメッシュの点については、これらの位置座標は、上記所定の測定ｚ位置に位置するメッシュの各点について再計算された位置座標同士の間の補間によって、再計算することができる。例えば一次補間又は二次の多項式補間によって、再計算することができる。

本発明の装置の一実施形態を、添付図面を参照して以下で説明する。図中、同じ参照符号は、図ごとに同一又は機能的に同様である要素を示す。

図１は、本発明の実施を可能にする種々の手段の概略図である。

第１のステップは、基準肢の完全な３次元表現を形成するデータファイルを設定することである。

一度きりしか設定されないこの表現は、研究室において標準的な被験者から、又は代わりに基準脚モデル、例えば「ホーエンスタイン脚」を用いて得ることができる。

この目的で、上述のフランス公報ＦＲ／２ ７７４ ２７６号及び同ＦＲ／２ ８０４ ５９５号に開示されている種類の設備１０を用いることが可能である。上記公報は、被験者１４の肢１２の連続断面に沿って、この肢の非常に正確なマップを作成するのに適したレーザプレチスモグラフを説明している。プレチスモグラフ１０は、センサのリング１６を有し、このリングの中心空間に配置された脚の断面の形状を三角測量によって解析する。リングは、異なる断面で繰り返し測定を行うために、連続ステップで肢１２の全長にわたって直線軸１８に沿って平行移動させることができる。測定信号と、円周軸（circular axis）の位置及び直線軸の位置とが装置２０に送られると、肢の３次元表現を上記情報から基準肢のモルフォロジを表すデータファイルの形式で再構成することが可能になる。このファイルは、続いて処方する整形外科医又は薬剤師のマイクロコンピュータ２２にロードすることができる。

この３次元表現を図２に示す。これは、連続ｚ位置に位置する断面２６の連続について規定される点のメッシュ２４に対応するデータファイルの形態である。例として、このデータは、ｚ位置と、０ｘ、０ｚ基準フレームに対する直交座標（ｘ、ｙ）又は極座標（ｒ、θ）と、によって規定される点２８の位置に対応する。Ｚ方向の基準フレームの原点は、絶対鉛直基準フレームを有するように、地面上のｚ＝０に対応する。

基準肢に対応するデータファイルがこのように作成され、処方する施術者のマイクロコンピュータにロードされると、施術者は診察に訪れる種々の患者の肢の測定を行うことができる。

例として、測定を行うことは、４つの測定値を得ることを含み得る。すなわち測定点の局所解剖学図(topography)を規定する「ホーエンスタイン規格」に従って、１つの高さ測定値Ｈと、所定の測定位置、すなわち足首、脹脛、及び腿の付け根で得られる３つの周径測定値ｂ、ｃ、及びｇと、を得ることを含み得る。任意に、膝及び腿の下部で２つのさらなる測定値ｄ及びｆを得ることも可能である。

有利には、これらの測定値は、国際公開公報ＷＯ／００／４４２８２号（Innothera Topic International）に記載の種類の装置を用いて得ることができる。これは、測定される脚に当てるための凹状部分３４を一方の端に有する、片手で保持しやすく設計された形状のユニット３２を備える装置３０である。テープ３６が、そのテープ及び凹面と協働して肢の様々な外周のアウトラインを形成するための、ロッキング手段３８、４０を有する自動巻取機に、取り付けられる。このループの寸法によって規定される周径測定値は、ユニット３２のエンコーダインジケータ（encoder indicator）によって与えられる。押しボタン４２が、測定値を入力する役割を果たし、マイクロコンピュータ２２にそれを記憶させる。テープ３６を用いて、又は他の任意の手段、例えば超音波遠隔測定システムを用いて測定される股下高さの測定に対応して、押しボタン４４も設けられる。

種々の測定値が得られ、押しボタンを押すことによって入力される。この作業が行われると、施術者のマイクロコンピュータ２２は、最初に基準肢の完全な３次元表現、次に所与の患者の肢で得られた少数の測定値を含むことになる。これらの値は、上記の例では４つの数（Ｈ、ｂ、ｃ、ｇ）である。

以下のステップは、患者の肢を表す新たな完全な３次元表現を得るために、患者の肢で得られる測定値の関数として、基準肢の３次元表現を変換することにある。

この変換を図３及び図４に示す（図４は特定の実施態様に対応する）。

この変換は２段階で行われる。

第１の段階は、測定された高さＨにわたってメッシュの点を比例の方法で再分布させることによって基準肢の点メッシュを変更するために、この高さを考慮する役割を果たす。

基準肢の高さがＨ_０と書かれ、点メッシュの極限寸法がＺ_ｍｉｎと及びＺ_ｍａｘと書かれる場合、変換は以下のようなアルゴリズムによって行われる。

投影比を計算する。
ｄｈ＝Ｈ／Ｈ_０
始点高度及び終点高度を計算する。
Ｚ_ｍｉｎ＝ｄｈＺ_ｍｉｎ
Ｚ_ｍａｘ＝ｄｈＺ_ｍａｘ
モルフォロジを投影する。
ｚについては、Ｚ_ｍｉｎからＺ_ｍａｘ
ｘ座標について、
初期モルフォロジにおける局所範囲ｘ_ｔｏｐ及びｘ_{ｂｏｔｔｏｍ}を探索する。
ｘ_ｔｏｐとｘ_{ｂｏｔｔｏｍ}との間でｘを補間する。
ｙ座標について、
初期モルフォロジにおける局所範囲ｙ_ｔｏｐ及びｙ_{ｂｏｔｔｏｍ}を探索する。
ｙ_ｔｏｐとｙ_{ｂｏｔｔｏｍ}との間でｙを補間する。

図４において、参照符号５６及び５６’が（それぞれ正面図及び斜背面図）、患者で測定した股下高さＨの関数として初期基準要素５４、５４’に対して行ったこの第１の再分布の結果を示す。

第２の段階は、前の変換から得られた中間点メッシュに周径測定値ｂ、ｃ、及びｇを適用することにある。

この段階では、ｆと書かれる変形関数を用いて中間モルフォロジが変更される。これは、測定が行われた位置における局所変形から得られ、以下のようなアルゴリズムを用いて一次補間又は二次の多項式補間によって他の位置に一般化される。

局所変形を計算する。
ｆ（ｇ）＝（ｇ−ｇ_０）／ｇ_０
ｆ（ｃ）＝（ｃ−ｃ_０）／ｃ_０
ｆ（ｂ）＝（ｂ−ｂ_０）／ｂ_０
変形関数を計算する。
ｆ（ｚ）
最終モルフォロジを計算する。
Ｒ（ｚ）＝［１＋ｆ（ｚ）］ｒ_０（ｚ）
ｘ＝ｒ（ｚ）ｃｏｓθ
ｙ＝ｒ（ｘ）ｓｉｎθ

図４において、参照符号５８及び５８’が（それぞれ正面図及び斜背面図）、周径測定値ｂ、ｃ、及びｇの関数として中間表現５６、５６’に対して行ったこの第２の再分布の結果を示す。

これにより、任意所与の患者から得られた非常に少数の測定値のみに基づいて、その患者に対応する現実的且つ完全な３次元表現を与える完全なメッシュが生成される。この完全な３次元表現は、施術者のマイクロコンピュータの画面に容易に表示でき、いずれかのタイプのストッキングによって加えられる加圧圧力をシミュレートするのに、容易に用いることができる。これにより、施術者がストッキングのタイプ及びサイズ等を選択するのに役立つ。

上記の説明では、患者の肢の表現は、基準肢のモルフォロジのみに基づいて生成される。しかしながら、患者間に存在する可能性のある多様性を考慮するために、非常に筋肉質の脚、あまり筋肉が付いていない腿、足首の浮腫等の典型的モルフォロジに対応する複数の異なる基準肢を有することも可能である。施術者は、患者の肢に最も近い典型的モルフォロジを有する肢を基準肢として選択して、残りの作業は同一の方法で行えば十分である。

本発明の実施に寄与する種々の手段を示す概略図である。 患者の脚をモデリングする方法を示す図である。 患者の肢に対する基準肢に関するデータの変換を示す。 基準肢から患者の肢に移行する機能を果たす連続変換の効果を示す具体例であり、肢は、図の上半分では正面から見たものであり、同図の下半分は斜背面図である。

Claims (9)

1. 患者の肢で得た測定値から該肢の完全な３次元表現を作成する装置であって、
   高さ測定値（Ｈ）と、異なる所定の測定位置（ｚｂ、ｚｃ、ｚｇ）で得られる複数の周径測定値（ｂ、ｃ、ｇ）とを含む、前記患者の肢の測定値を得る手段を備え、
   基準肢の形態学的特徴を表す第１の点メッシュ（２４）の座標（ｘ_０、ｙ_０、ｚ_０）を含む第１のデータファイルを記憶する手段を具備すると共に、前記第１の点メッシュの内の点（２８）が、前記基準肢に沿った異なる連続的位置（Ｚ）で規定される一連のアウトライン（２６）に沿って、前記基準肢の表面上の３次元空間に分布されており、
   前記患者の肢の形態学的特徴を表す第２の点メッシュの座標（ｘ、ｙ、ｚ）を含む第２のデータファイルを生成及び記憶するために、前記高さ測定値（Ｈ）及び前記周径測定値（ｂ、ｃ、ｇ）の関数として前記第１の点メッシュの前記座標を再計算するモルフォロジジェネレータ手段をさらに備えることを特徴とする、患者の肢で得た少数の測定値から該肢の完全な３次元表現を作成する装置。
2. 前記第１の点メッシュの座標はｚ位置座標を含み、前記第１のデータファイルは基準高さ（Ｈ_０）を含み、
   前記モルフォロジジェネレータ手段は、前記基準高さ（Ｈ_０）及び前記測定された高さ（Ｈ）の両方によって求められる変換関数を前記ｚ位置に適用することによって、前記第１の点メッシュの各点の前記ｚ位置を再計算する、請求項１に記載の患者の肢で得た少数の測定値から該肢の完全な３次元表現を作成する装置。
3. 前記モルフォロジジェネレータ手段は、前記測定された高さと前記基準高さとの比（Ｈ／Ｈ_０）に基づいた比例再分布関数を前記ｚ位置座標に適用することによって、前記第１の点メッシュの各点の前記ｚ位置を再計算する、請求項２に記載の患者の肢で得た少数の測定値から該肢の完全な３次元表現を作成する装置。
4. 前記第１の点メッシュの座標は、所与のｚ位置に位置するアウトライン（２６）上の点の位置を規定する直交座標（ｘ、ｙ）又は極座標（ｒ、θ）を含み、
   前記モルフォロジジェネレータ手段は、前記周径測定値（ｂ、ｃ、ｇ）に基づいた変換関数を前記位置を規定する前記直交座標又は極座標に適用することによって、前記第１の点メッシュの各点の前記位置の座標を再計算する、請求項１に記載の患者の肢で得た少数の測定値から該肢の完全な３次元表現を作成する装置。
5. 前記モルフォロジジェネレータ手段は、所定の測定位置（ｚｂ、ｚｃ、ｚｇ）と等しいｚ位置における基準肢のアウトラインに対する、同じｚ位置で測定されたアウトラインの局所変形に基づく変換関数を前記位置の座標に適用することによって、前記ｚ位置に位置する前記第１の点メッシュの各点の前記位置座標を再計算する、請求項４に記載の患者の肢で得た少数の測定値から該肢の完全な３次元表現を作成する装置。
6. 前記モルフォロジジェネレータ手段は、前記ｚ位置における前記周径測定値（ｂ、ｃ、ｇ）と前記ｚ位置における前記基準肢のアウトラインの周径の値（ｂ _０ 、ｃ _０ 、ｇ _０ ）との差（ｂ−ｂ _０ 、ｃ−ｃ _０ 、ｇ−ｇ _０ ）に基づいて、前記局所変形を求める、請求項５に記載の患者の肢で得た少数の測定値から該肢の完全な３次元表現を作成する装置。
7. 前記モルフォロジジェネレータ手段は、前記所定の測定位置に位置する前記メッシュの各点の再計算された位置座標同士の間の補間によって、前記所定の測定位置同士の間の中間のｚ位置に位置する前記第１の点メッシュの各点の位置座標を再計算する、請求項５に記載の患者の肢で得た少数の測定値から該肢の完全な３次元表現を作成する装置。
8. 前記補間は一次補間である、請求項７に記載の患者の肢で得た少数の測定値から該肢の完全な３次元表現を作成する装置。
9. 前記補間は二次の多項式補間である、請求項７に記載の患者の肢で得た少数の測定値から該肢の完全な３次元表現を作成する装置。

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