JP5844213B2 - 骨温度計測装置及び骨加工支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、刃具によって骨が加工される際に、その骨の温度を計測する骨温度計測装置、及び、その骨温度計測装置よって計測された温度に応じて前記刃具による前記骨の加工を支援する骨加工支援装置に関する。

ドリル等の刃具によって骨に穿孔等の加工を施す作業は、外科において人工関節を装着する場合や歯科において歯科インプラントを装着する場合など、種々の場合に行われている。また、これらの作業では、骨が過熱されないように注意する必要があり、４７℃以上の温度に１分間以上曝された場合、骨細胞が死滅することが知られている。

そこで、ドリル・バーの後端から前端まで伸張する透孔を当該ドリル・バーに穿設し、その透孔に二線式熱電対プローブを挿入しておくことで、骨の穿孔部位の温度を監視することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特表平９−５０２９１１号公報

ところが、特許文献１では、直径数ｍｍのドリル・バーに回転軸に沿って透孔を穿設し、その透孔にドリルと一体に回転しないように二線式熱電対プローブを挿入している。このため、特許文献１の装置は実現性が乏しく、仮に可能であったとしても製造コストが高くなってしまう。そこで、本発明は、刃具によって骨が加工される際に、その骨の温度を計測する骨温度計測装置を、容易に構成することを目的としてなされた。

前記目的を達するためになされた本発明の骨温度計測装置では、温度計測手段は、先端が骨内に切り込んで骨を加工する刃具の温度を、生体組織外に露出し、かつ、当該刃具によって加工される前記骨からの距離が異なる少なくとも２点で計測する。すると、温度推定手段は、前記温度計測手段が計測した前記少なくとも２点の温度に基づき、前記刃具によって加工される前記骨の温度または刃具先端温度を推定する。本発明では、生体組織外に露出した刃具の前記少なくとも２点の温度を、温度計測手段によって計測すればよいので、構成が容易になり、その製造コストも低減することができる。

また、本発明の骨加工支援装置では、加工条件出力手段は、前記骨温度計測装置の温度推定手段によって推定された前記骨の温度または刃具先端温度に基づき、前記刃具による前記骨の加工条件を出力する。このため、当該出力された加工条件に基づき、骨の過熱等を容易に防止することができる。

本発明を適用した第１実施形態の骨加工支援装置を表すブロック図である。 その骨加工支援装置の温度計測部について詳細に表す説明図である。 その骨加工支援装置における処理を表すフローチャートである。 その処理で使用される関数の一例を表す説明図である。 第２実施形態の骨加工支援装置における処理を表すフローチャートである。 第３実施形態の骨加工支援装置を表すブロック図である。 その骨加工支援装置における処理を表すフローチャートである。

［第１実施形態］
次に、本発明の実施形態を、図面と共に説明する。図１に示す第１実施形態の骨加工支援装置では、ツールユニット１の先端にドリル３が装着されている。なお、ドリル３は、ツールユニット１の図示省略したホルダに装着されてモータによって回転駆動され、顎骨Ｂに歯科インプラント埋入孔（以下、単に埋入孔ともいう）を穿設するものである。

また、ツールユニット１には、更に、顎骨Ｂに埋入孔を穿設する際にその顎骨Ｂやその顎骨Ｂ表面の粘膜Ｍ等から露出したドリル３を撮影する赤外線カメラ５と、ドリル３及び顎骨Ｂに冷却水を供給する注水ユニット７とが設けられている。そして、赤外線カメラ５が撮影した映像はパーソナルコンピュータ等のコンピュータ１０へ温度情報として送信され、その情報に基づいて、コンピュータ１０は、次のようにして、ドリル３によって加工される顎骨Ｂの温度（ドリル３の先端温度とほぼ同じ）を計測している。

図２に示すように、コンピュータ１０は、ドリル３の先端が埋入孔穿設時に達する最大深さＤ_MAX に達したときにも顎骨Ｂの骨組織及び粘膜Ｂ等の外部に露出する２点以上の温度計測部Ｐ１，Ｐ２，…の温度を、赤外線カメラ５が撮影した映像に基づいて非接触で演算する。なお、各温度計測部Ｐ１，Ｐ２，…のドリル３先端からの距離Ｌ１，Ｌ２，…はそれぞれ異なり、Ｄ_MAX ＜Ｌ１＜Ｌ２となっている。ドリル３の先端に近い温度計測部ほど顎骨Ｂの温度に近い温度を示すので、これら複数の温度計測部の温度に基づいて、コンピュータ１０は、顎骨Ｂの温度を検出することができる。

以下、その処理の詳細を、図３のフローチャートを用いて説明する。なお、図３の処理は、術者（歯科医）がツールユニット１に設けられたスイッチ（図示省略）を操作してドリル３を回転させている間繰り返し実行される。図３に示すように、この処理では、先ず、Ｓ１にて、前述のように少なくとも２点の温度計測部の温度が検出される。続くＳ３では、その温度計測部の温度に基づき、ドリル３の先端に接触している顎骨Ｂの温度が演算される。この演算方法としては、例えば図４に示すように、２つの温度計測部Ｐ１，Ｐ２の温度の各種組合せに対応する曲線をマトリックス状に記憶しておき、その曲線に基づいて顎骨Ｂの骨温度を演算する方法が考えられる。なお、顎骨Ｂの骨温度を演算する方法としては、種々のアルゴリズムを採用することができ、３点以上の温度計測部の温度を利用する方法も採用することができる。そして、このように演算された骨温度は、Ｓ５にて、コンピュータ１０に接続された表示器（図示省略）に表示され、処理は前述のＳ１へ移行する。

コンピュータ１０がこのような処理を実行した場合、術者は、前記表示に基づいてドリル３の回転数や送り速度（ドリル３が埋入孔に沿って挿入される速度）を調整し、骨温度が４７℃を上回らないようにすることができる。特に、低侵襲手術で顎骨Ｂ等の骨を削るためには、歯肉や皮膚等をあまり切開しないため、十分な注水を行うことができずより厳格な温度管理が必要となる。歯科インプラント埋入孔を穿設する際は、ドリル３の奥に十分な注水を行うことが一層困難になり、一層厳格な温度管理が必要となる。これに対して、本実施形態では、直接計測することが困難な刃具に隠れて見えない骨の温度が正確に演算できるため、骨細胞の死滅を抑制して予後を改善することができる。

なお、本実施形態において、コンピュータ１０は骨温度を表示する代わりに、ドリル３の回転数や送り速度をもっと上げる余裕があるとかもっと下げる必要があるとかいった指示を表示してもよく、表示の代わりに音声等によってそのような指示を行ってもよい。また、コンピュータ１０は、ドリル３の回転数、ドリル３の送り速度、及び、注水ユニット７の注水量を組み合わせた加工条件を、表示または音声によって指示してもよい。その場合、指示された加工条件に応じて術者が作業を行うことにより、骨温度が４７℃を上回るのを一層良好に抑制することができる。更に、本実施形態において、骨温度を演算するに当たり、１秒当たりの温度計測部の温度上昇率を加味したモデルを用意しておけば、一層正確な骨温度を演算することができる。

［第２実施形態］
図１に示したような構成の骨加工支援装置において、コンピュータ１０からツールユニット１へドリル３の回転数や注水ユニット７からの注水量といった加工条件を指示する信号を送信可能な場合は、コンピュータ１０の制御を次のようにすることができる。

すなわち、図５に示す第２実施形態の処理では、前述のＳ１，Ｓ３，Ｓ５の処理に続いて、Ｓ１３にてドリル３の回転数が検出され、Ｓ１５にて注水ユニット７からの注水量が検出される。続くＳ１７では、顎骨Ｂの骨温度、ドリル３の回転数、及び、注水ユニット７の注水量からなるパラメータの組合せが決定され、骨温度を適切に維持するための前記回転数，注水量が演算される。そして、Ｓ２３にてドリル３の回転数がＳ１７で演算された回転数に変更され、Ｓ２５にて注水ユニット７の注水量がＳ１７で演算された注水量に変更されて、処理は前述のＳ１へ移行する。

本実施形態では、骨温度が４７℃を上回らないように、前記回転数や前記注水量が自動制御されるため、術者は加工精度の向上に集中することができるので、より理想的な埋入孔が形成でき予後を一層改善することができる。なお、本実施形態では、Ｓ５の骨温度の表示は省略してもよく、代わりに、前記回転数や注水量による制御の限界を超えて骨温度が上昇したときなどにＳ５にて警告表示または発声を行ってもよい。また、Ｓ１３とＳ１５と、または、Ｓ２３とＳ２５とは、順序を入れ替えてもよく、時分割または複数のＣＰＵの使用により並行して実行されてもよい。

［第３実施形態］
図６に示す第３実施形態の骨加工支援装置は、ツールユニット１がロボット２０のアーム２１に装着された点において第１，第２実施形態と構成が異なる。アーム２１は、複数の関節を備え、ツールユニット１を少なくとも１方向に電動で移動可能に構成され、全ての関節にブレーキを有している。

本実施形態では、第２実施形態と同様にコンピュータ１０からツールユニット１へ前記加工条件を指示する信号を送信可能であると共に、コンピュータ１０からロボット２０へツールユニット１の送り速度を指示する信号を送信可能である。この場合、コンピュータ１０の処理は、例えば図７に示すようになる。なお、図７の処理は、前述の図５の処理に比べて、Ｓ１１，Ｓ２１，Ｓ２７の処理を加えた点において異なるので、その相違点を中心に説明する。

すなわち、この処理では、前述のＳ１，Ｓ３，Ｓ５の処理に続いて、Ｓ１１にてロボット２０によるツールユニット１の送り速度が検出され、Ｓ１３にてドリル３の回転数が、Ｓ１５にて注水ユニット７からの注水量が、それぞれ検出される。続くＳ１７では、顎骨Ｂの骨温度、ロボット２０による送り速度、ドリル３の回転数、及び、注水ユニット７の注水量からなるパラメータの組合せが決定され、骨温度を適切に維持するための前記送り速度，回転数，注水量が演算される。

そして、Ｓ２１にてロボット２０による送り速度がＳ１７で演算された送り速度に変更され、Ｓ２３にてドリル３の回転数がＳ１７で演算された回転数に変更され、Ｓ２５にて注水ユニット７の注水量がＳ１７で演算された注水量に変更されて、処理はＳ２７へ移行する。Ｓ２７では、Ｓ２１にて変更された送り速度でツールユニット１が変位され、ドリル３による骨加工が実行されて、処理は前述のＳ１へ移行する。

本実施形態では、骨温度が４７℃を上回らないように、前記送り速度，回転数，注水量が自動制御されるため、自動で精度よく最短時間で手術を終えることができ、予後を一層改善することができる。なお、本実施形態では、Ｓ１１，Ｓ１３，Ｓ１５、または、Ｓ２１，Ｓ２３，Ｓ２５は、順序を入れ替えてもよく、時分割または複数のＣＰＵの使用により並行して実行されてもよい。

［他の実施形態］
なお、前記各実施形態において、ドリル３が刃具及び回転ツールに、顎骨Ｂ及び粘膜Ｍが生体組織に、顎骨Ｂが骨に、赤外線カメラ５が温度計測手段に、コンピュータ１０が温度推定手段及び加工条件出力手段に、それぞれ相当し、コンピュータ１０の処理のうち、Ｓ３が温度推定手段に、Ｓ５，Ｓ２１，Ｓ２３，Ｓ２５が加工条件出力手段に、それぞれ相当する。すなわち、前記各実施形態の骨加工支援装置の構成のうち、Ｓ１，Ｓ３に係る構成が本発明の骨温度計測装置の一例に相当する。

また、本発明は前記各実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。例えば、注水ユニットはツールユニットとは別体に構成されてもよい。また、本発明は、歯科インプラント埋入孔の手術以外にも、人工関節を入れる手術等、種々の分野に応用することができる。更に、刃具としては、ドリル以外にも種々のものが適用できる。例えば、刃具は、骨の表面を削るためのミーリング用刃具や、骨を切断するためのブレードであってもよい。そして、ブレード等のように振動のみして回転しない刃具に対しては、当該刃具の生体組織外に露出する部分に固定された熱電対等によって温度計測手段を構成することもできる。更に、前記各実施形態における温度計測手段としては、赤外線カメラ５の他、例えばサーモパイル素子等を使用することもできる。

１…ツールユニット ３…ドリル ５…赤外線カメラ
７…注水ユニット １０…コンピュータ ２０…ロボット
２１…アーム Ｂ…顎骨 Ｍ…粘膜

Claims (7)

1. 先端が骨内に切り込み、骨（Ｂ）を加工する刃具（３）の温度を、生体組織（Ｂ，Ｍ）外に露出し、かつ、当該刃具によって加工される前記骨からの距離が異なる少なくとも２点で計測する温度計測手段（５）と、
   前記温度計測手段が計測した前記少なくとも２点の温度に基づき、前記刃具によって加工される前記骨の温度または刃具先端温度を推定する温度推定手段（１０，Ｓ３）と、
   を備えたことを特徴とする骨温度計測装置。
2. 前記温度計測手段は、前記刃具を運動可能に保持するツールユニット（１）に相対的に固定されたことを特徴とする請求項１に記載の骨温度計測装置。
3. 前記刃具は、前記ツールユニットに回転可能に保持された回転ツール（３）であり、
   前記温度計測手段は、前記温度を前記回転ツールに非接触で計測することを特徴とする請求項２に記載の骨温度計測装置。
4. 前記回転ツールはドリル（３）であり、
   前記温度計測手段は、当該ドリルにより顎骨（Ｂ）に歯科インプラント埋入孔を穿孔する際の前記温度を計測することを特徴とする請求項３に記載の骨温度計測装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の骨温度計測装置と、
   当該骨温度計測装置の温度推定手段によって推定された前記骨の温度または刃具先端温度に基づき、前記刃具による前記骨の加工条件を出力する加工条件出力手段（１０，Ｓ５，Ｓ２１，Ｓ２３，Ｓ２５）と、
   を備えたことを特徴とする骨加工支援装置。
6. 前記刃具は、当該刃具を運動可能に保持するツールユニット（１）に保持され、当該刃具に冷却水を供給する注水ユニット（７）を前記ツールユニットと一体または別体に備え、
   前記加工条件出力手段（１０，Ｓ２３，Ｓ２５）は、前記刃具の運動条件または前記冷却水の供給量を指示する信号を、前記ツールユニットまたは前記注水ユニットに前記加工条件として出力することを特徴とする請求項５に記載の骨加工支援装置。
7. 前記刃具は、当該刃具を運動可能に保持し、かつ、ロボット（２０）に保持されて位置を調整可能に構成されたツールユニットに保持され、当該刃具に冷却水を供給する注水ユニット（７）を前記ツールユニットと一体または別体に備え、
   前記加工条件出力手段（１０，Ｓ２１，Ｓ２３，Ｓ２５）は、前記刃具の運動条件または前記ツールユニットの位置または前記冷却水の供給量を指示する信号を、前記ツールユニットまたは前記ロボットまたは前記注水ユニットに前記加工条件として出力することを特徴とする請求項５に記載の骨加工支援装置。