JP5710497B2 - 人工股関節置換手術の術前計画用プログラム - Google Patents
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Description
図1は、人工股関節置換術の術前計画用プログラムをインストールしたパーソナルコンピュータ(以下「PC」)10のハードウェア構成を示す。各種処理制御を司るCPU11が、フロントサイドバスFSBを介してノースブリッジ12と接続される。
なお、これらPC10を構成する個々の要素は、きわめて一般的な周知の技術であるのでその説明は省略するものとする。
図2及び図3は、このPC10のユーザである医師が、ハードディスク装置20に記憶されている術前計画用プログラムを起動して、CPU11が実行する本実施形態の処理内容を示すものである。
図6は、骨盤及び大腿骨に対する参照点を黒い矩形で示している。骨盤PV側では、左右の上前腸骨棘LM11,L12と恥骨結合LM13を参照点として、これらを基準に座標系を構築する。
座標系は、便宜上設定するものであり、他の参照点を用いた座標系を利用しても良い。
図8は、大腿骨FMと大腿骨ステムSTとをディスプレイ画面に表示させた状態を示す。同図に示すように、大腿骨ステムSTは定められた初期位置に自動的に設置する(ステップS303)。この場合の初期位置とは、例えば学会において推奨され、また大腿骨ステムSTの製造会社が推奨する設置位置を基に、設置対象の大腿骨FM側の参照点と形状データ、並びに大腿骨ステムSTに設定されている参照点から決められるものである。
これらの2平面PL11,PL12は、キーボード/マウス18での操作に応じて任意に平行移動及び回転させることができる。
切断動作は、これら2平面を用いて骨頭球側を切除することにより行なう。
まず、画面を骨盤座標系の表示に切替える(ステップS309)。臼蓋カップのCADデータと骨盤の3次元モデルとをHDD20から読出し(ステップS310)、共にディスプレイに表示させる。
図10Aは、骨盤PVと臼蓋カップCPとをディスプレイ画面に表示させた状態の例を示している。図10Bは、図10A中の画面右側部分を拡大して示している。これらの図に示すように、臼蓋カップCPは定められた初期位置に自動的に設置する(ステップS311)。この場合の初期位置とは、例えば学会において推奨され、また臼蓋カップCPの製造会社が推奨する設置位置を基に、設置対象の大腿骨FM側の参照点と形状データ、並びに大腿骨ステムSTに設定されている参照点から決められるものである。
図14は、骨盤PVと左右の大腿骨FM、臼蓋カップCPと大腿骨ステムSTに対して皮膚SKを半透明表示した例を示す。
さらに、ベース治具BSの安定を得るために、恥骨結合上に当接する上記アタッチメントは、粘着テープなどを用いて、恥骨結合部上の皮膚を覆う布に接着してもよい。
また、ベース治具BSの各支柱の脚長を含めて、その取付位置から皮膚の通過点までの距離も算出して表示する(ステップS111)。
さらに、上記遠位側の支柱部先端と恥骨結合とを結ぶ線上で、恥骨結合から、支柱部先端に装着するアタッチメントが接触する皮膚の表面までの距離を算出してディスプレイに表示する(ステップS113)。
また、図19(A)は恥骨結合から皮膚表面までの距離、図19(B)は上前腸骨棘から皮膚表面までの距離をそれぞれ算出してディスプレイ画面に表示させた例を示す。
(1) 事前に間隔を調整したベース治具BSを患者の左右上前腸骨棘と恥骨結合部を目安に設置する。
(5−2) また、方向指示治具DIをレーザポインタのような光学的な器具で構成し、あるいは併用することで、臼蓋リーマの機械的な把持具をコンピュータと連動してデジタル制御とすることも可能である。
(5−3) また、方向指示治具DIに臼蓋挿入深さを測るための距離計を設け、リーマロッド上に付けた目盛りが対応する深さだけ進むようにリーミングすることも可能である。この場合も、上記(5−2)で述べたような機械装置と連動してデジタル制御することも可能となる。
前述の図20〜図24及び対応する説明では、ベース治具BS(及びこれに取り付ける方向指示ロッド43付きの方向指示治具DI)の例を示したが、具体的には、これを例えば図25に示すように構成してもよい。この場合、術前計画プログラムにおいても該ベース治具BSの使用を前提とした術前計画を行う。
前述の図2のステップS110〜S113、図15〜図17、及び対応する説明では、左右上前腸骨棘と皮膚表面間の距離、及び恥骨結合と皮膚表面間の距離(軟部組織厚)を算出する手順を示したが、精度を高めるために、それらの距離を例えば図26に示すデプスゲージDGを用いて計測し、この実測で得られた値を勘案してベース治具の3次元画像を設定するようにしてもよい。
ベース治具BSは、図27に示すように、回転させることにより軸方向の長さを変えられる支柱S(恥骨結合上の体表面に当接する支柱)を有しており、この支柱Sの長さを変えることにより方向指示治具DIのフレーム体の表面(治具平面)の傾きを変えることができる。ここでは、方向指示治具DIの3本の支柱の長さを同じにすることにより、フレーム体の表面が水平となるようにしている。
術野において、カップ法線ベクトルがなす角OA、RA、RI、OIを、図29及び図30に示すように定義する。この場合の座標系は、前述の図7に示した骨盤PVの座標系に相当する。この場合、以下の関係が成り立つ。
sin(OI)=sin(RI)×cos(RA) …(2)
これらを変形すると、RA、OIは、それぞれ、以下のように表すことができる。
OI=sin−1{sin(RI)×cos(RA)} …(4)
・APPに対して治具平面(APP’)が矢状断方向に傾いた場合の補正
APPに対して治具平面(APP’)が矢状断方向に角度λ傾いた場合、計画値OA、RA、RIに対する治具平面(APP’)からの角度OA’、RA’、RI’は、それぞれ、以下のように表すことができる。
ここで、tanλ={(恥骨部軟部厚)−(ASIS軟部厚)}/(骨盤高)
なお、骨盤高とは、図7に示す左右上前腸骨棘LM11,LM12を結ぶ線(両ASIS接線)から恥骨結合LM13までの距離を指す。
=tan−1[tan(OI)/cos{(OA’)+λ}]
=tan−1[tan[sin−1{sin(RI)×cos(RA)}/cos{OA+λ}]] …(6)
RA’=tan−1{tan(OA’)×cos(RI’)}
=tan−1[tan{(OA)+λ}×cos[tan−1[tan[sin−1{sin(RI)×cos(RA)}/cos{OA+λ}]]]] …(7)
なお、(6)式の変形においては、OI=OI’が成立することを利用するとともに、(5)式を利用し、さらに前述の(4)式を利用している。
図31は、術前計画を行った後に、ベース治具(デバイス)BSに備えられた方向指示ロッド(インジケータ)43の向きと平行に臼蓋カップCPを骨盤にカップホルダを用いて打ち込む様子を示す図である。
ベース治具BSの前方開角RA精度検証においては、まず、方向指示ロッド(インジケータ)43の水平面からの前方開角と、骨盤臼蓋に設置した臼蓋カップCPの法線ベクトル(カップホルダが示す法線ベクトル)の水平面からの前方開角との差を、術野において実測し、その後、術前計画時の臼蓋カップCPの法線の前方開角と、術後CT撮影した臼蓋カップCPの法線の前方開角から上記差を差し引いた値との差を求める。
−(カップホルダの水平面からの前方開角) …(8)
デバイスのRA誤差=術前計画RA
−{(術後CT RA)−(術中妥協誤差RA)} …(9)
なお、術後CT RAは、術後のCT撮影から取得される前方開角RAを示す。
ベース治具BSの外方開角RI精度検証においては、まず、方向指示ロッド(インジケータ)43に平行な線と骨盤臼蓋に設置した臼蓋カップCPの法線とを水平面に投影し、投影後の2本の線上にそれぞれ任意の2点を設け、計4点から形成される2つの三角形の辺の長さおよび内角に基づいて上記2本の線がなす角度θを求め、次に、角度θに基づき、治具平面における上記2本の線がなす角度θ’を求め、最後に、術前計画時の臼蓋カップCPの法線の外方開角と、術後撮影した臼蓋カップCPの法線の外方開角から角度θ’を差し引いた値との差を求める。
B’=B・cos(q) …(11)
C’=C・cos(r) …(12)
D’=D・cos(s) …(13)
E’=E・cos(t) …(14)
図35に示すように、四角形A’B’C’D’と対角線E’において、α,β,γをとり、A’とC’のなす角をθとすると、次のような関係が成り立つ。
また、余弦定理より、α,β,γを次のように表現することができる。
β=cos−1[{(D’)2+(E’)2−(A’)2}/2D’E’] …(17)
γ=cos−1[{(C’)2+(E’)2−(B’)2}/2C’E’] …(18)
これらを利用すると、θを次のように表現することができる。
+cos−1[{(D’)2+(E’)2−(A’)2}/2D’E’]
+cos−1[{(C’)2+(E’)2−(B’)2}/2C’E’]
−180° …(19)
このようにして、θを算出することができる。
=tan(RI)/cos(APP) …(20)
RI’=tan−1{tan(RI)/cos(APP)} …(21)
同様に、
tan(RI’+θ)=tan(RI+θ’)/cos(APP) …(22)
tan(RI+θ’)=tan(RI’+θ)・cos(APP) …(23)
RI+θ’=tan−1{tan(RI’+θ)・cos(APP)} …(24)
θ’=tan−1{tan(RI’+θ)・cos(APP)}−RI …(25)
=[[tan−1{tan(RI)/cos(APP)}+θ]・cos(APP)]−RI …(26)
よって、次の式により外方開角RI誤差が得られる。
=術前計画RI−{(術後CT RI)−θ’} …(27)
このように、手技上の誤差を排除した純粋なデバイスの誤差を算出することができるので、デバイスの精度を的確に検証することが可能となる。
Claims (6)
- 骨盤及び大腿骨を含む患者下肢の2次元断層画像を複数入力する画像入力ステップと、
上記画像入力ステップで入力した複数の2次元断層画像から骨盤及び大腿骨を含む患者下肢の3次元画像を再構築する画像再構築ステップと、
上記画像再構築ステップで得た骨盤及び大腿骨の3次元画像から、骨盤臼蓋に設置する人工関節の設置位置及び設置方向を決定する人工関節決定ステップと、
上記画像再構築ステップで得た骨盤の3次元画像に対し、該骨盤の3点以上の参照点にそれぞれ当接する3本以上の支柱を有するベース治具の3次元画像を設定するベース治具設定ステップと、
上記ベース治具設定ステップで設定したベース治具の3次元画像で該ベース治具上の所定の位置を通り、上記人工関節決定ステップで決定した人工関節の設置方向と平行となるインジケータの方向をパラメータ化して取得するパラメータ取得ステップと
をコンピュータに実行させることを特徴とする人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。 - 上記ベース治具設定ステップは、骨盤の左右上前腸骨棘及び恥骨結合の3点を参照点とした3本の支柱を有するベース治具の3次元画像を設定し、
上記パラメータ取得ステップは、ベース治具の3次元画像で左上前腸骨棘又は右上前腸骨棘上の体表面に当接する支柱の上端近傍、又は左右上前腸骨棘上の体表面にそれぞれ当接する各支柱の上端同士を結ぶ線の中点近傍を通り、上記人工関節決定ステップで決定した人工関節の設置方向と平行となるインジケータの方向をパラメータ化して取得する
ことを特徴とする請求項1記載の人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。 - 上記ベース治具設定ステップは、上記画像再構築ステップで得た骨盤の3次元画像に対し、骨盤と皮膚表面間の距離を勘案してベース治具の3次元画像を設定することを特徴とする請求項1又は2記載の人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。
- 上記骨盤と皮膚表面間の距離は、デプスゲージを用いて計測した実測値であることを特徴とする請求項3記載の人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。
- 上記ベース治具設定ステップは、上記ベース治具の3次元画像において、各支柱が支える平面が上記骨盤の各参照点を含む平面と平行となるように、各参照点における骨盤と皮膚表面間の距離の違いに応じて、少なくとも1本の支柱の長さを補正することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。
- 上記ベース治具設定ステップは、上記ベース治具の3次元画像において、各支柱の長さを同じにしたまま、各参照点における骨盤と皮膚表面間の距離の違いに応じて、上記インジケータの方向を補正することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。
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