JP5185713B2

JP5185713B2 - 人工関節検索装置

Info

Publication number: JP5185713B2
Application number: JP2008180966A
Authority: JP
Inventors: 浩二廣田
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-07-11
Also published as: JP2010017369A

Description

本発明は、被検者に合った大腿骨遠位端部の人工関節を検索するための装置に関する。

特許文献１には、人工医用材料の置換手術を必要とする患者の疾患部の断層画像をＣＴ(Computed Tomography)やＭＲＩ(Magnetic Resonance Imaging)により求め、得られた断層画像データを３次元形状に再構成することにより、３次元形状データを作成し、その３次元形状データをあらかじめ構築しておいた人工医用材料の３次元形状データを含むデータベース中の人工医用材料の３次元形状データと適合させ、患者の疾患部の人工医用材料を接合すべき組織と形状が適合する人工医用材料を選択する方法が開示されている。

特許文献２には、人工関節等のインプラント部品の選択のために、患者のＣＴ又はＭＲＩ画像から患部の三次元形状モデルを取得し、このモデルと、あらかじめ用意された各員プラント部品の三次元形状モデルとの比較により、適切なインプラント部品を検索するシステムが開示されている。

特開２００５−２８７８１３号公報特開２００６−２６３２４１号公報

ＣＴやＭＲＩは非常に高価なシステムであり、これらを用いたのでは、人工関節の選択のためのコストが高くなる。本発明は、比較的安価に、被検者に適合した大腿骨遠位端部の人工関節を検索することができる装置を提供することを特徴とする。

本発明に係る装置は、被検者の屈曲した膝の正面側の体表面から、超音波ビームを走査することにより、前記被検者の大腿骨の遠位端部を含む断面エコー画像を求める送受波手段であって、前記大腿骨の大転子の凸部と前記大腿骨の外側上顆の凸部とを結ぶ軸と、前記大腿骨の機械軸と、により規定される平面に対して垂直且つ前記大腿骨の機械軸に平行な各断面の断面エコー画像を求める送受波手段と、前記送受波手段が求めた各断面エコー画像について、それぞれ大腿骨の遠位端部の輪郭線を抽出する輪郭抽出手段と、前記輪郭抽出手段で抽出された前記各断面エコー画像についての前記輪郭線の中から、前記大腿骨の機械軸の方向に沿って最も膝の外側寄りに位置する輪郭線を判別する判別手段と、複数の人工関節の形状情報と、前記判別手段が判別した輪郭線と、に基づき、前記複数の人工関節の中から前記輪郭線の形状に適合する人工関節を検索しユーザに提案する提案手段と、を備える。

この態様によれば、超音波ビームの走査により得られた膝内部の画像から、大腿骨遠位端のうち膝の回転運動を規定する断面の輪郭線を求めることができ、その輪郭線に適合した人工関節を検索することができる。

１つの態様では、前記複数の人工関節の形状情報は、それら各人工関節の半径情報を含み、前記提案手段は、前記判別手段が判別した輪郭線のうち前記大腿骨の機械軸の方向に沿って最も膝の外側寄りの部分の半径を計算し、計算した半径に対応する人工関節を前記各人工関節の半径情報に基づき検索してユーザに提案する。

別の態様では、前記送受波手段は、前記大腿骨の遠位端部の内側顆の断面エコー画像を求める。

また、本発明に係る装置は、太股が略水平となるように腰掛けた被検者の屈曲した膝の正面側から、前記太股の延伸方向に向かう超音波ビームを走査することにより、前記被検者の大腿骨の遠位端部を含む断面エコー画像を求める送受波手段であって、前記太股の延伸方向と鉛直方向とにより規定される各断面であって水平位置が異なる各断面の断面エコー画像を求める送受波手段と、前記送受波手段が求めた各断面エコー画像について、それぞれ大腿骨の遠位端部の輪郭線を抽出する輪郭抽出手段と、前記輪郭抽出手段で抽出された前記各断面エコー画像についての前記輪郭線の中から、前記大腿骨の機械軸の方向に沿って最も膝の外側寄りに位置する輪郭線を判別する判別手段と、複数の人工関節の形状情報と、前記判別手段が判別した輪郭線と、に基づき、前記複数の人工関節の中から前記輪郭線の形状に適合する人工関節を検索しユーザに提案する提案手段と、を備える。

本発明によれば、超音波ビームの走査により得られた膝内部の画像から、その膝に適合した人工関節を検索することができる。

この実施形態では、超音波画像により大腿骨遠位端部の代替となる人工関節の選択を支援する装置を提供する。

実施形態の装置構成例を説明する前に、当該装置が対象とする膝関節（特に人間の）の内部構造について、図１を参照して簡単に説明する。図１は、立位での右足の膝関節の、体の正面側から見たときの模式的な断面図である。

図１に示すように、膝関節は、大腿骨１００の遠位端部と、脛骨１２０の近位端部と、膝蓋骨１３０とから構成される。大腿骨１００の遠位端の表面は軟骨１０５で覆われ、脛骨１２０の近位端の表面は軟骨１２５で覆われている。骨（例えば大腿骨１００）の表面のうち軟骨で覆われた部分は、軟骨下骨と呼ばれる。大腿骨１００の軟骨１０５と脛骨１２０の軟骨１２５との間には半月板１１０が存在している。大腿骨１００の遠位端は、立位の身体の正面方向から見た場合、図示のように二股に分かれて突起（それぞれ内側顆、外側顆と呼ばれる）しており、内側顆及び外側顆の軟骨１０５は、内側及び外側の半月板１１０にそれぞれ空いた穴を介して、脛骨１２０の近位端の軟骨１２５と接している。なお、以上に説明した膝関節部分は滑膜及び関節包１４０により覆われている。

大腿骨１００の遠位端の軟骨１０５は、当該遠位端部の表面を広く覆っているが、そのうち立位の際に脛骨１２０の近位端の軟骨１２５と接する部分は、上半身の荷重を強く受ける部分である。この部分は、軟骨荷重部と呼ばれる。軟骨荷重部は摩耗しやすく、摩耗が著しくなると変形性膝関節症を引き起こす。変形性膝関節症の診断には軟骨荷重部の軟骨厚みが重要な判断指標となる。

人間の大腿骨１００の遠位端の軟骨１０５の厚みは健常者で２〜３ｍｍ程度と薄いものである。

重度の変形性膝関節症に対する治療法として、人工関節置換術が知られている。膝関節の人工関節置換術では、患部である大腿骨遠位端部及び脛骨近位端部を、それぞれ対応する人工関節（大腿骨コンポーネント及び脛骨コンポーネント）の形状に合わせて切り取って表面を整える。そして、切り取って整えた部分に対し骨セメントやネジにより人工関節を固定する。ここで、人工関節の大腿骨コンポーネントの表面形状は、元来の膝の回転動作を再現するために、被検者の元の大腿骨遠位端の表面形状に近いことが望ましい。特に膝の主たる回転方向の回転動作をできるだけ忠実に再現するには、大腿骨遠位端の内側顆部及び外側顆部の各々の荷重部（立位の時に最も下に位置する部分。立位の時に最も荷重がかかる部分）を通り、身体の正中面に平行な面における内側顆部及び外側顆部の断面輪郭形状、特に荷重部近傍での輪郭の半径、が重要である。ところが、この半径には個人差があるため、人工関節にはこの部分の半径が異なる複数の種類のものが用意されている。そして、患者に適合したものを選択して用いている。なお、内側顆部の輪郭半径と外側顆部の輪郭半径との間には相関があることが知られており、大腿骨コンポーネントは、どちらかの半径をパラメータとして整理されている。

この実施形態の装置は、超音波画像から大腿骨遠位端の内側顆部における上述の輪郭半径を求め、この半径に適合した大腿骨コンポーネントを検索して提案する。

ところで、立位では、大腿骨１００の遠位端部は脛骨１２０の近位端部と接しているので、この状態では大腿骨遠位端の荷重部に超音波ビームを当てようとすれば、脛骨側から上に向けて超音波ビームを当てる必要がある。しかし、そのような位置に超音波プローブを当てることは不可能である。また、仮にそのような位置に超音波プローブを配置できたとしても、大腿骨遠位端部は脛骨の影になるので、超音波は軟骨には届きにくく、大腿骨遠位端部の輪郭を画像化することは困難である。

これに対し、例えば椅子に座るなどして膝を大きく（例えば９０度程度まで）曲げると、図２に示すように、大腿骨１００遠位端部の軟骨１０５の荷重部１０８が脛骨側から外れ、膝頭の正面側を向くようになる。図示の荷重部１０８は内側顆のものであり、外側顆の荷重部は図示を省略している。また、大腿骨１００の遠位端部の荷重部も、軟骨１０５の荷重部とほぼ同じ位置である。したがって、膝頭の正面側からプローブを当てれば、荷重部の表面に対して垂直に近い角度で超音波ビームを当てることができ、大腿骨１００の遠位端の荷重部近傍の良好な輪郭画像を得ることができる。そこで、この実施形態では、椅子に座るなどして膝を大きく曲げた状態で、超音波プローブにより大腿骨遠位端の荷重部を含む部分からのエコー信号を取得し、それらエコー信号に基づき大腿骨遠位端部の形状（特に上述の半径）を求める。

図３に、実施形態の超音波診断装置の機能構成の一例を示す。この例では、膝内部の三次元領域のエコーを取得するための超音波プローブとして、メカニカル三次元プローブ１０を用いる。メカニカル三次元プローブ１０は、振動素子が１次元配列された振動子アレイ１２と、メカ走査機構１４とを備える。

振動子アレイ１２によって超音波ビームが形成され、その超音波ビームは電子走査される。電子走査方式としては電子セクタ走査、電子リニア走査等がよく知られているが、ここでは一例として電子リニア走査を用いる。

メカ走査機構１４は、振動子アレイ１２を、当該アレイ１２の電子走査の走査面と略垂直な方向にメカ（機械）走査する。振動子アレイ１２による電子走査とメカ走査機構１４によるメカ走査の組合せにより、膝内部の三次元領域がカバーされる。すなわち、一回の電子走査により１つの電子走査面の断層画像データ（断面エコー画像）を得ることができ、メカ走査の走査位置ごとに電子走査を行うことで、複数の電子走査面の断層画像データの集まりを得ることができる。メカ走査範囲全体の断層画像データの集まりが、メカニカル三次元プローブ１０の走査範囲についての１つのボリュームデータである。

振動子アレイ１２の電子走査形状は特に限定されず、例えば大腿骨遠位端部の縦幅（被検者が腰掛けた状態での鉛直方向についての幅）をカバーする程度のアレイ長を持つリニア走査の振動子アレイ１２を用いることもできる。また、同程度のアレイ長を持つコンベックス走査、コンケーブ（凹形）走査のプローブを用いてもよい。

図４に示す例では、メカ走査機構１４は、診断用椅子２５０に座った状態で屈曲された膝の（身体から見て）正面側の体表面に沿って、身体の縦方向を素子配列方向（すなわち電子走査方向）とした振動子アレイ１２を内蔵する振動子部４０を、身体の横方向（すなわち水平方向。図の紙面に対して垂直方向）にリニアにメカ走査する。図５は、図４と同じ状態を上から見た場合を模式的に示している。図４及び図５では図示を省略しているが、メカニカル三次元プローブ１０には、振動子部４０を水平方向にメカ走査する機構（図３のメカ走査機構１４）が設けられている。メカ走査機構１４は、モータなどにより振動子部４０を自動的に移動させるものでもよいし、振動子部４０の移動軌跡を規定するガイド機構を備えユーザが手動で振動子部４０をガイドに沿って移動させるものでもよい。なお、メカ走査機構１４は、リニアのメカ走査の経路における振動子部４０の位置を割り出すエンコーダ等の位置検出手段を備えていてもよい。この位置検出手段の出力から、振動子部４０の電子走査面の位置が分かるので、その走査面における各点の三次元的な位置を求めることができ、ひいては各メカ走査位置での電子走査により取得した断層画像データを合成することで、三次元のボリュームデータを構成することもできる。

振動子部４０の振動子アレイ１２側には、水などの音響カップリング剤を封じた柔軟なスタンドオフ４２が設けられている。測定時には、スタンドオフ４２の一方の面が膝頭の形状に密着し、他方の面に沿って振動子アレイ１２がメカ走査方向に移動する。図示は省略したが、これら振動子部４０、スタンドオフ４２、メカ走査機構などは筐体内に収容することができる。その筐体には、例えば、膝を収容するための凹部が形成されており、その凹部にスタンドオフ４２が設けられる。そして、その筐体を膝にかぶせてその凹部に膝頭を収容すると、スタンドオフ４２やその近傍の筐体構造が例えば大腿２００の上部や膝頭、脛等に当接する。筐体の位置決め機構として、筐体の水平状態を保つ機構を採用すれば、振動子アレイ１２の振動素子配列方向が鉛直方向となる状態を維持することができる。位置決め機構は、例えば、筐体を水平に保ったまま上下及び（被検者の身体及び椅子２５０に対して）前後に移動させることで、被検者の膝に対し、振動子部４０を位置決めする。

診断用椅子２５０は、座面２５２の高さが調節可能である。座面２５２の高さを調節することで、被検者の大腿２００（及びその内部の大腿骨１００）の延伸方向がほぼ水平となるようにすることができる。また、図示は省略したが、座面２５２に大腿２００の位置を規制する規制部材を設けてもよい。規制部材は、例えば、内股を当接すると大腿骨遠位端の内側顆部の荷重部が被検者身体から見て正面方向を向くような位置に設ければよい。

このように診断用椅子２５０の高さを調節し、膝頭が正面を向いた状態で、振動子部４０等を収容する筐体を上下又は前後に移動させて、屈曲した膝頭にスタンドオフ４２を当接する。これにより、メカニカル三次元プローブ１０（振動子アレイ１２）の座標系と大腿骨１００（特に遠位端の内側顆部）の向きとの関係が規定される。

また、別の観点から言えば、大腿骨に対する振動子アレイ１２の位置決めは、体表から手で触れて確認可能な大腿骨の特徴部位を基準に行うことができる。

すなわち、図６（ａ）に示すように、大腿骨１００の近位端の骨頭１０２及び大転子凸部１０６，遠位端の膝蓋面１０４及び外側上顆凸部１０９は、膝を屈曲させた状態では、体表から手で触れて確認できる。このうち骨頭１０２と膝蓋面１０４とを結ぶ軸は、大腿骨１００の機械的な動作を規定する機械軸Ｍである。立位では、機械軸Ｍはほぼ鉛直方向を向く。また、大転子凸部１０６と遠位端の外側上顆凸部１０９とを結ぶ軸を軸Ｎと呼ぶことにする。（ｂ）から分かるように、機械軸Ｍと軸Ｎとは、身体の側面から見ると同一の平面上に載る。図４の例で、診断用椅子２５０の座面２５２の高さを適切に調節すれば、機械軸Ｍと軸Ｎとを含む平面は、水平面とほぼ等しくなる。更に座面２５２上の規制部材により大腿の向きをあらかじめ定めた方向に向けることで、機械軸Ｍの向きが身体の正面方向を向くようにするようにできる。

そして、図７に例示するように、機械軸Ｍに沿って大腿骨遠位端から近位端に向かう方向を超音波ビームのビーム方向とし、機械軸Ｍと軸Ｎとを含んだ平面に対して垂直方向を電子走査方向とし、機械軸Ｍと軸Ｎとを含んだ平面内でビーム方向に垂直な方向をメカ走査方向とするようにメカニカル三次元プローブ１０（及びこれが内蔵する振動子部４０）を位置決めする。このように位置決めすると、電子走査面は、機械軸Ｍと軸Ｎとを含んだ平面に対して垂直で、且つ機械軸Ｍに平行な面となる。

このように位置決めした状態で、図８に例示するように、メカニカル三次元プローブ１０の振動子部４０を大腿の内側端部からメカ走査方向（図中で矢印方向。内側から外側に向かう方向）に移動させながら、各メカ走査位置Ａ，Ｂ，Ｃで断層エコー画像を求めたとする。このうち、メカ走査位置Ｂでの断面は、内側顆部の荷重部を通る。この場合、図９の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、内側顆部内では、メカ走査位置Ｂの断面上での大腿骨遠位端部の輪郭線３０２が、他の走査位置Ａ，Ｃ等の断面上での大腿骨遠位端部の輪郭線３０２よりもプローブ１０寄り（すなわち膝の外側寄り）となる。すなわち、上述のようにプローブ１０を膝（大腿骨）に対して位置決めしたことにより、内側顆部の中では荷重部が最もプローブ１０に近い位置に位置することになる。

そこで、本実施形態では、プローブ１０で内側顆部をメカ走査し、各メカ走査位置での断層画像内の大腿骨の輪郭線のうち、最もプローブ１０に近い輪郭線を、荷重部を通る大腿骨遠位端の輪郭線として抽出する。抽出した輪郭線は、機械軸Ｍと軸Ｎとで規定される平面に垂直で且つ機械軸Ｍに平行な断面、すなわち膝の回転軸に垂直な断面での大腿骨遠位端部の表面形状を表している。用意された各タイプの人工関節の中からその輪郭線の形状に合致した人工関節を検索することで、被検者の元々の膝の回転に近い回転を再現できる人工関節を選ぶことができる。

図４及び図５を参照して説明した、膝に対するメカニカル三次元プローブ１０の位置決め方法は、この大腿骨の特徴部位を基準として用いた位置決め方法とほぼ同等の位置決めを実現することができる。

図３の説明に戻ると、送受信部１６は、振動子アレイ１２及びメカ走査機構１４を駆動・制御して超音波ビームの送受信、電子走査、メカ走査を実現する。送受信部１６は、送信部の機能と受信部の機能を備える。送信部は送信ビームフォーマーとして機能する。すなわち、送信部から複数の送信信号が振動子アレイ１２の複数の振動素子に対して供給される。これによって振動子アレイ１２から超音波ビームパルスが生体内に放射される。生体内からの反射波は、振動子アレイ１２にて受波される。これにより複数の振動素子から複数の受信信号が出力される。それらの受信信号は送受信部１６の受信部に入力される。受信部は受信ビームフォーマーとして機能する。すなわち、複数の受信信号に対して整相加算処理を適用する。また受信部は、対数圧縮処理、フィルタ処理等といった各種の信号処理を行う。そのような処理を経た受信信号が、フレームメモリ１８に入力される。受信信号は、被検体内の各点でのエコーレベル値を表す。

フレームメモリ１８には、１フレーム（１つの電子走査面）の各点のエコー信号（すなわち断層画像）が記憶される。フレームメモリ１８に記憶された１フレームの断層画像は、三次元データメモリ２０に書き込まれる。メカ走査位置ごとの断層画像が順次三次元データメモリ２０に書き込まれることで、三次元データメモリ２０には、膝内部のエコーのボリュームデータが記憶されることになる。

画像形成部２２は、この三次元データメモリ２０に記憶されたボリュームデータから、表示部２４に表示する画像を生成する。例えば、画像形成部２２は、指定された視点からボリュームデータをレンダリングすることで、その視点から見た被検体内部の三次元画像を生成する。また、画像形成部２２は、ボリュームデータの中の指定された１以上の各断面（スライス）の画像を生成する機能を備えていてもよい。また、画像形成部２２は、それら三次元画像や断面画像のうちの複数を１つの画面に配列する機能を持っていてもよい。

また、画像形成部２２は、後述する適合関節検索部３６により検索された人工関節のタイプ識別情報を、例えば文字列などの形で表示画像に合成する機能を備えていてもよい。

この他、画像形成部２２は、超音波診断装置が備える他の機能（例えばドプラ画像生成機能など）により得られる情報から、カラーフローマッピング画像（二次元血流画像）、カラー組織画像（組織運動表示画像）、パワードプラ画像などの各種画像を形成する機能を備えていてもよい。また、それら各種画像を、上述の三次元画像や軟骨の画像と合成して表示する機能を備えていてもよい。

画像形成部２２は、例えばＤＳＣ（デジタルスキャンコンバータ）などにより構成される。画像形成部２２によって生成された画像が、表示部２４に表示される。

更に図３を参照して、人工関節の検索のための構成及び処理について説明する。また、この処理の説明のために、図１０のフローチャートを参照する。

この処理では、上述のようにメカニカル三次元プローブ１０を膝に対して位置決めした後、振動子部４０をメカ走査の初期位置（図８の例では、膝の内側端）に移動させて処理を開始する（Ｓ１）。そして、その位置で振動子部４０により超音波ビームを電子走査する（Ｓ２）。これにより、フレームメモリ１８にはその位置の断層画像が蓄積される。

図１１は、あるメカ走査位置での断面画像を模式的に示している。図１１の断面画像例では、大腿骨３００の内部，軟骨３０５の内部，及び音響カップリング剤が封入されたスタンドオフ３６０の内部は、それぞれ音響的にほぼ等質なので、超音波はほぼ反射されず、超音波画像上では暗い画像となる。膝関節を囲む筋肉３５０等の組織は、組織の微細構造による反射により比較的輝度の高いまだらな画像となる。筋肉３５０等の組織と軟骨３０５とは音響インピーダンスの差が大きいので、それら両者の境界すなわち軟骨３０５の表面は、高輝度となる。同様に軟骨３０５と大腿骨３００（軟骨下骨）との境界も高輝度となる。特に、大腿骨３００は、軟骨３０５及び筋肉３５０等と音響インピーダンスが著しく異なるので、大腿骨３００と軟骨３０５との境界、及び大腿骨３００と筋肉３５０との境界は、他の境界や組織からのエコーに比べてエコー強度が著しく高い。

輪郭抽出部３０は、その断層画像を二値化することで、大腿骨の遠位端の輪郭線を抽出する（Ｓ３）。すなわち、大腿骨３００と軟骨３０５との境界、及び大腿骨３００と筋肉３５０との境界のエコー強度と、他の境界や組織のエコー強度とは著しく異なるので、それら両者を分けるしきい値を用いることで、大腿骨３００と軟骨３０５との境界、及び大腿骨３００と筋肉３５０との境界を抽出できる。それら境界は大腿骨３００の遠位端部の輪郭線を表す。なお、輪郭抽出部３０は、抽出した輪郭線を細線化してもよい。細線化には例えばソーベルフィルタやラプラシアンフィルタを用いればよい。

荷重部断面判別部３２は、各メカ走査位置での断層画像から抽出した輪郭線の中から、最もプローブ１０寄りのものを、荷重部を通る輪郭線として抽出する。１つの実施例では、荷重部断面判別部３２は、１断面の断層画像から抽出された輪郭線を記憶するバッファを備える。このバッファは、初期状態では空にされる。そして、ステップＳ３で輪郭線を抽出すると、その輪郭線の位置をバッファに記憶された１断面前の輪郭線の位置と比較し、どちらがよりプローブ１０寄り（膝の外側寄り）であるかを判定する（Ｓ４）。そして、抽出した輪郭線の方がバッファ内の輪郭線よりプローブ１０寄りであれば、前者をバッファに上書きし（Ｓ５）、メカ走査位置を１単位だけメカ走査方向に移動させて（Ｓ６）、ステップＳ２〜Ｓ４の処理を繰り返す。なお、最初のメカ走査位置では、比較対象がないので、ステップＳ４からステップＳ５に自動的に進む。

ステップＳ２〜Ｓ６を繰り返していくと、いずれかの段階で、ステップＳ４の判定結果がＮｏ、すなわち今回の断層画像から抽出した輪郭線の方よりも、バッファ内の前回の輪郭線の方がプローブ１０寄りとなる。このとき、荷重部断面判別部３２は、バッファ内の輪郭線を荷重部断面の輪郭線と判定し（Ｓ７）、この輪郭線を半径計算部３４に渡す。

半径計算部３４は、受け取った輪郭線の荷重部近傍の部位の半径を計算する（Ｓ８）。この半径計算の手法の一例を、図１２を参照して説明する。この例では、輪郭線上で荷重部の点Ｑを特定する。荷重部の点Ｑは、その輪郭線上で最もプローブ寄りの点である。また、その点Ｑの両側にそれぞれあらかじめ定めた画素数（図では１０画素）の間隔を隔てた点Ｐ及びＲを特定する。そして、それら３つの点Ｐ（ｘ1，ｙ1），Ｑ（ｘ2，ｙ2），Ｒ（ｘ3，ｙ3）の座標を、円の方程式（ｘ−ａ）^２＋（ｙ−ｂ）^２＝ｒ^２（ただしａ，ｂは円の中心のｘ，ｙ座標、ｒは半径）に代入し、その結果得られるａ，ｂ，ｒについての三元連立方程式を解くことで、それら３点を通る円の半径を求める。

なお、それら各点Ｐ，Ｑ，Ｒにつき、それぞれ輪郭線上での当該点の両側のあらかじめ定めた数の点４００（図では左右にそれぞれ５点ずつ）と当該点の座標の平均値を求め、求めた平均値を点Ｐ，Ｑ，Ｒの座標として用いて半径を計算してもよい。これにより点Ｐ，Ｑ，Ｒの座標の誤差を低減することができ、より精度のよい半径を求めることができる。

適合関節検索部３６は、人工関節データベース３８の中から、半径計算部３４が計算した半径に適合する人工関節を検索する（Ｓ９）。人工関節データベース３８には、例えば、各タイプの人工関節の識別番号が、内側顆部の荷重部の半径をキーとして登録されており、適合関節検索部３６は半径に対応する人工関節を検索する。適合関節検索部３６は、検索した人工関節のタイプ識別番号を、画像形成部２２に渡して表示部２４に表示させる（Ｓ１０）。

なお、人工関節データベース３８に各タイプの人工関節の断面形状又は三次元形状を登録しておき、適合関節検索部３６が検索した人工関節の形状を、画像形成部２２にて、膝内部の三次元画像あるいは断層画像に重畳表示することも可能である。この場合、人工関節の荷重部が膝内部の画像の大腿骨遠位端の荷重部に一致するように位置決めすればよい。

以上、実施形態の装置について説明した。実施形態の装置によれば、超音波を用いることにより（ＣＴやＭＲＩを用いる場合に比べて）簡便且つ安価に、被検者に適合した膝関節の人工関節を検索することができる。

上記実施形態では、図４及び図５に例示した振動子部４０（及び電子走査方向、メカ走査方向）の位置決めの仕方は、あくまで一例に過ぎない。プローブ１０の座標系と大腿骨の機械軸Ｍ及び軸Ｎ（図６及び図７参照）との位置関係が分かるように位置決めを行う機構又は方法であれば、どのような機構又は方法を用いてもよい。そのように位置決めすれば、プローブ１０の座標系で得られた断層画像を大腿骨の機械軸Ｍ及び軸Ｎを基準とする座標系に変換することができる。その変換結果を用いれば、図８及び図９を用いて説明した方法を適用することができ、内側顆部の荷重部を通り膝の回転軸に垂直な面での大腿骨遠位端部の輪郭線を求めることができる。

また、上記実施形態では、振動子アレイ１２をリニアにメカ走査したが、これも一例に過ぎない。上述のようにプローブ１０の座標系と大腿骨の機械軸Ｍ及び軸Ｎ（図６及び図７参照）との位置関係が分かるように位置決めを行えば、メカ走査はどのような走査形状でもよい。例えば図１３には、大腿骨３００の遠位端部に回転軸４４を合わせ、その回転軸４４を中心として振動子部４０をアーク走査する例を示す。この例では、振動子アレイの素子配列方向は図の紙面に垂直な方向である。振動子部４０は、回転軸４４から延びるアーム４６により保持され、回転軸４４を中心に回転する。このようにアーク走査を行った場合でも、プローブ１０の座標系と大腿骨の機械軸Ｍ及び軸Ｎとの位置関係は既知なので、得られた各断層画像からボリュームデータを構成し、そのボリュームデータから機械軸Ｍ及び軸Ｎを含む面に垂直で且つ機械軸に平行な各断面の画像を取り出し、上述と同様の方法で荷重部輪郭線の半径を求めることができる。

また、上記実施形態では電子走査の振動子アレイ１２とメカ走査機構１４を組み合わせたプローブ１０を用いたが、この代わりに、電子的に二次元走査を行うプローブを用いてもよい。

また、上記実施形態では、荷重部断面判別部３２が求めた荷重部輪郭線の半径を求め、この半径に適合する人工関節を判別したが、これは一例に過ぎない。この代わりに、実際の大腿骨遠位端の荷重部輪郭線の形状と人工関節の荷重部輪郭線の形状とを比較することで、適合する人工関節を特定してもよい。

膝関節の構造を説明するための、模式的な断面図である。椅子に座った状態の膝を正面側から見たときの膝関節の状態を説明するための図である。実施形態の装置の機能構成の一例を示す図である。メカニカル三次元プローブのメカ走査方式の一例を説明するための模式的な側面図である。メカニカル三次元プローブのメカ走査方式の一例を説明するための模式的な側面図である。大腿骨の基準となる軸を説明するための図である。大腿骨の基準となる軸に対する振動子部の位置決めの仕方の一例を模式的に示す図である。位置決めされた振動子部の電子走査面と大腿骨との関係を示す図である。横方向について異なる位置の電子走査面における大腿骨遠位端部の輪郭線の位置関係を説明するための図である。実施形態の装置の処理手順の一例を示す図である。超音波ビームの走査により得られる膝内部の断面画像（スライスデータ）を模式的に例示する図である。大腿骨遠位端部の輪郭線の半径を求める方法の一例を説明するための図である。メカニカル三次元プローブのメカ走査方式の別の例を説明するための模式的な側面図である。

符号の説明

１０メカニカル三次元プローブ、１２振動子アレイ、１４メカ走査機構、１６送受信部、１８フレームメモリ、２０三次元データメモリ、２２画像形成部、２４表示部、３０輪郭抽出部、３２荷重部断面判別部、３４半径計算部、３６適合関節検索部、３８人工関節データベース、４０振動子部、４２スタンドオフ、１００大腿骨。

Claims

被検者の屈曲した膝の正面側の体表面から、超音波ビームを走査することにより、前記被検者の大腿骨の遠位端部を含む断面エコー画像を求める送受波手段であって、前記大腿骨の大転子の凸部と前記大腿骨の外側上顆の凸部とを結ぶ軸と、前記大腿骨の機械軸と、により規定される平面に対して垂直且つ前記大腿骨の機械軸に平行な各断面の断面エコー画像を求める送受波手段と、
前記送受波手段が求めた各断面エコー画像について、それぞれ大腿骨の遠位端部の輪郭線を抽出する輪郭抽出手段と、
前記輪郭抽出手段で抽出された前記各断面エコー画像についての前記輪郭線の中から、前記大腿骨の機械軸の方向に沿って最も膝の外側寄りに位置する輪郭線を判別する判別手段と、
複数の人工関節の形状情報と、前記判別手段が判別した輪郭線と、に基づき、前記複数の人工関節の中から前記輪郭線の形状に適合する人工関節を検索しユーザに提案する提案手段と、
を備える人工関節検索装置。
前記複数の人工関節の形状情報は、それら各人工関節の半径情報を含み、
前記提案手段は、前記判別手段が判別した輪郭線のうち前記大腿骨の機械軸の方向に沿って最も膝の外側寄りの部分の半径を計算し、計算した半径に対応する人工関節を前記各人工関節の半径情報に基づき検索してユーザに提案する、
ことを特徴とする請求項１記載の人工関節検索装置。
前記送受波手段は、前記大腿骨の遠位端部の内側顆の断面エコー画像を求めることを特徴とする請求項１記載の人工関節検索装置。
太股が略水平となるように腰掛けた被検者の屈曲した膝の正面側から、前記太股の延伸方向に向かう超音波ビームを走査することにより、前記被検者の大腿骨の遠位端部を含む断面エコー画像を求める送受波手段であって、前記太股の延伸方向と鉛直方向とにより規定される各断面であって水平位置が異なる各断面の断面エコー画像を求める送受波手段と、
前記送受波手段が求めた各断面エコー画像について、それぞれ大腿骨の遠位端部の輪郭線を抽出する輪郭抽出手段と、
前記輪郭抽出手段で抽出された前記各断面エコー画像についての前記輪郭線の中から、前記大腿骨の機械軸の方向に沿って最も膝の外側寄りに位置する輪郭線を判別する判別手段と、
複数の人工関節の形状情報と、前記判別手段が判別した輪郭線と、に基づき、前記複数の人工関節の中から前記輪郭線の形状に適合する人工関節を検索しユーザに提案する提案手段と、
を備える人工関節検索装置。