JP5866346B2 - 運動パターンを使用して関節骨の奇形切除を判定する方法 - Google Patents
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Description
i)関節の取得画像から第1の骨および第2の骨の3D体素モデルを構築するステップと、
ii)第1および第2の骨体素モデルのそれぞれに対して、中心および3つの軸によって画定される座標系を構築するステップと、
iii)第1の骨の座標系に対して第2の骨の座標系上で運動パターンを適用するステップであって、運動パターンが、他方の骨の座標系に対する第1または第2の骨の座標系の1組の連続位置であり、連続位置が、他方の骨に対する一方の骨の運動を画定し、前記運動パターンが、事前定義された運動パターンのデータベースから最初にロードされる、適用するステップと、
iv)前記運動パターンから、運動パターンの各位置に対する第1または第2の骨体素モデルと他方の骨体素モデルとの相互貫入体積の和集合として、切除体積を決定するステップと、
v)前記切除体積を第1および/または第2の骨体素モデルから実質的に除去することによって、最適の補正表面を決定するステップと、を含む。
a.運動パターンのデータベース内で最初の運動パターンを選択するステップと、
b.前記最初の運動パターンを第2の骨体素モデルに適用し、第1の骨体素モデルと第2の骨体素モデルとの間の相互貫入を生成する第1の位置を検出するステップと、
c.前記第1の位置から所与の方向に運動パターンを拡大させて所望の位置に到達する軌道を決定し、少なくとも所望の位置を含む軌道の位置を、更新される運動パターンに追加するステップと、に従って更新することができる。
a.運動パターンの位置を適用して第2の体素骨モデルの各体素要素を変換し、第1の体素骨モデルの座標系内で変換された体素要素にするステップと、
b.第2の体素骨モデルの変換された有効な体素要素に一致する第1の体素骨モデルの有効な体素要素の集合として、相互貫入体積を決定するステップとを含む。
[a]YPベクトルの周りの上部方向の回転によって、屈曲FLXが実行される。
[b]YPベクトルの周りの下部方向の回転によって、伸展EXTが実行される。
[c]YPの周りの屈曲伸展の角度をαyと示す。
[d]ZPベクトルの周りの外側方向の回転によって、外転ABDが実行される。
[e]ZPベクトルの周りの内側方向の回転によって、内転ADDが実行される。
[f]ZPの周りの外転内転の角度をαzと示す。
[g]XPベクトルの周りの内部方向の回転によって、内旋IRが実行される。
[h]XPベクトルの周りの外部方向の回転によって、外旋ERが実行される。
[i]XPの周りの内旋外旋の角度をαxと示す。
a)運動パターンの位置を適用して第2の体素骨モデルの各体素要素を変換し、第1の体素骨モデルの座標系内で変換された体素要素にするステップと、
b)第2の体素骨モデルの変換された有効な体素要素に一致する第1の体素骨モデルの有効な体素要素の集合として、相互貫入体積を決定するステップとを含む方法を使用して、リアルタイムで決定される。
[a]回転角度の3重項AAA(0)に対応する最初の位置から始まり、回転角度の3重項AAA(T)が対応する標的位置の方向に、1組の連続する角度の3重項AAA(1)、AAA(2)、...AAA(T)によって画定される軌道TJに沿って、最初の運動パターンが適用される。一例では、位置(0°,0°,0°)から始まり、軌道TJは単に、(0°,0°,0.5°)、(0°,0°,1°)、(0,0,1.5°)など、Z軸の周りの回転の値を0.5度ずつ増分することからなる。
[b]軌道TJに沿って各中間位置AAA(n)に対して、コンピュータプログラムは、2つの骨同士の間に相互貫入が存在するか否かを試験する。2つの骨同士の間の相互貫入体積の試験は、特殊なコンピュータグラフィックスによる上記の方法を使用して計算される。相互貫入が検出される軌道TJ上の第1の位置をAAA(I)と呼ぶ。選択された例では、第1の相互貫入は(0°,0°,αzi)で生じる。
[c]次いで、所望の拡大させた運動パターンの量Δαが選択される。この量は、点AAA(I)でパターンの軌道TJの方向に適用され、新しい所望の位置AAA(D)=AAA(I)+ΔAを生成する。ここでΔAは、前記方向の範囲Δαを特徴付ける3重項である。選択された例では、この量は単に、所望の位置AAA(D)=(0°,0°,αzi+Δαz)に到達するための所望の回転範囲Δαzである。その特定の相対位置に対する2つの骨同士の間の相互貫入体積は、特殊なコンピュータグラフィックスによる上記の方法を使用して計算される。AAA(I)からAAA(D)までの更新された軌道も生成され、AAA(I)からAAA(D)までのすべての中間点が運動パターンに追加される。骨盤骨または大腿骨上で計算した結果得られる相互貫入面積が、更新された相互貫入面積である。更新された相互貫入面積は初期切除体積RV0を提供し、これがこの方法の出力である。切除体積はまた、全大腿骨切除に対する0%から全骨盤切除に対する100%までの範囲の係数で、骨盤上と大腿骨上の2つの部分に分割することができる。多くの状況では、そのステップで処理を停止することができる。
[d]しかし、骨盤上で演算される切除体積RV0は平滑ではない可能性があり、平滑な最適の補正表面が得られないことがある。好ましい実施形態では、軌道TJの方向に直交する2つの方向で小さい範囲内の所望の位置AAA(D)近傍に、追加の1組の位置が決定される。選択された例では、1組の位置(αxn,αym,αzi+Δαz)が生成される。ここでαxnは±2.5°および±5°のようないくつかの値に等しく、αymは±2.5°および±5°のようないくつかの値に等しく、上記すべての位置を組み合わせて、更新される運動パターンに追加し、最終の運動パターンを構成する。最終の運動パターンのこれらの位置のそれぞれに対して、相互貫入体積が計算され、ともに累積される。そのようなすべての相互貫入体積の和集合が最終の切除体積RV1であり、これがこの方法の出力である。RV0と比較すると、RV1には、より平滑であり、より準拠したロバストな形で所望の位置の周りに可能な運動範囲を捕獲し、所望の位置のすぐ近くのいくつかの位置が相互貫入を生成しないようにするという利点がある。
本発明は、変形した関節骨表面の仮想の骨の切除を容易に、正確に、かつ高速で決定する方法を提供する。この方法は、他方に対する関節骨の一方の運動のリアルタイムシミュレーションに基づいており、2つの骨同士の間の相互貫入体積を検出することによってなされる。関節骨のこの動的評価は、非常に有用な術前情報を外科医に提供する。したがって、切除する必要のある骨の体積を、手術時に部分的に評価できるだけでなく、計画することができる。さらに、2つの骨の相対的な運動のシミュレーションに運動パターンを適用することで、予期の手術結果をそれぞれの特有の患者に適合させるためにカスタマイズ可能なツールを外科医に提供する。
2 大腿骨、3D大腿骨表面モデル、骨体素モデル
3 補正領域、相互貫入体積
4 シミュレートされた回転、骨表面モデル
5 位置
6 最終的な最適の補正表面
A 寛骨臼中心点
ABD 外転
ADD 内転
ASIS1 最も高い骨の点
ASIS2 2番目に高い骨の点
ASISL 稜点、骨盤点
ASISR 稜点、骨盤点
AX 大腿骨頸部軸
E1 点
E2 点
ER 外旋
EXT 伸展
FLX 屈曲
H 大腿骨頭中心点
IR 内旋
K 膝中心点
PA 平面
PA’ 平面
PA” 平面
PM 中間-矢状面
S 恥骨結合点、骨盤点
SA 最良適合球
SF 大腿骨頭球
Claims (15)
- 関節をともに形成する第1の骨および/または第2の骨の最適の補正表面をリアルタイムで決定する方法であって、
前記第1および/または第2の骨が過成長変形を呈し、前記補正表面が、前記関節のより大きい運動範囲を提供する方法において、
前記方法が、
i)前記関節の取得画像から前記第1の骨および前記第2の骨の3D表面モデルを構築し、前記骨の3D表面モデルそれぞれの内部表面を多数の体素要素で充填することによって前記第1の骨及び前記第2の骨の3D体素モデルを作成するステップと、
ii)第1および第2の骨体素モデルのそれぞれに対して、中心および3つの軸によって画定される座標系を構築するステップと、
iii)前記第1の骨の前記座標系に対して前記第2の骨の前記座標系上で運動パターンを適用するステップであって、運動パターンが、他方の骨の座標系に対する前記第1または第2の骨の座標系の1組の連続位置であり、前記連続位置が、他方の骨に対する一方の骨の運動を画定し、前記運動パターンが、事前定義された運動パターンのデータベースから最初にロードされる、前記運動パターンを適用するステップと、
iv)前記運動パターンから、前記運動パターンの各位置に対する前記第1または第2の骨体素モデルと他方の骨体素モデルとの相互貫入体積の和集合として、切除体積を決定するステップと、
v)前記切除体積を前記第1および/または第2の骨体素モデルから除去することによって、前記最適の補正表面を決定するステップと、
を含む方法。 - 前記運動パターンが、前記第1の骨体素モデルに対する前記第2の骨体素モデルの運動を画定し、前記第1の骨体素モデルが固定され、前記運動中の前記第2の骨体素モデルの各位置が、前記第1の骨の前記座標系の前記軸の周りの3つの回転角度によって画定される、請求項1に記載の方法。
- 前記運動パターンが、前記第2の骨体素モデルに対する前記第1の骨体素モデルの運動を画定し、前記第2の骨体素モデルが固定され、各位置が、前記第1または第2の骨の前記座標系の前記軸の周りの3つの回転角度によって画定される、請求項1に記載の方法。
- 前記データベースの各運動パターンが、特有の活動に対応する前記関節の前記運動および振幅を表す、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記関節が股関節であり、前記第1の骨が寛骨臼縁を呈する前記骨盤であり、前記第2の骨が前記大腿骨であり、前記骨の過成長が前記寛骨臼縁および/または前記大腿骨上に位置する、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記関節が、球窩関節としてモデル化される、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記関節が、さらなる残余平行移動を伴う球窩関節としてモデル化される、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記切除体積が、前記第1の骨の切除体積と前記第2の骨の切除体積とに分割される、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記運動パターンが、
a.運動パターンの前記データベース内で最初の運動パターンを選択するステップと、
b.前記最初の運動パターンを前記第2の骨体素モデルに適用し、第1の骨体素モデルと第2の骨体素モデルとの間の相互貫入を生成する前記第1の位置を検出するステップと、
c.前記第1の位置から所与の方向に前記運動パターンを拡大させて所望の位置に到達する軌道を決定し、少なくとも前記所望の位置を含む前記軌道の位置を、前記更新される運動パターンに追加するステップと、
に従って更新される、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。 - 前記方向が、対話手段を用いて前記使用者によって手動で生成される、請求項9に記載の方法。
- 前記方向が、前記最初のパターンに対応する前記軌道の連続として自動的に生成される、請求項9に記載の方法。
- 前記所望の位置近傍に新しい位置を生成し、前記新しい位置を前記更新される運動パターンに追加して最終の運動パターンを生成するステップをさらに含む、請求項9から11のいずれか一項に記載の方法。
- 前記近傍が、前記所望の位置から始まり、小さい範囲内で前記運動パターンの前記軌道の方向に直交する2つの方向へ進む1組の追加の位置として決定される、請求項12に記載の方法。
- 前記同じ運動パターンが、前記第2の骨の最適の補正表面を選択するために、前記第2の骨の異なる補正表面に対して数回にわたって適用される、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
- 特殊なハードウェアおよびソフトウェアを有するコンピュータを使用して、前記運動パターンの所与の位置に対する前記第1の骨と前記第2の骨との間の前記相互貫入体積を決定する方法であって、
a.前記運動パターンの前記位置を適用して前記第2の体素骨モデルの各体素要素を変換し、前記第1の体素骨モデルの前記座標系内で変換された体素要素にするステップと、
b.前記第2の体素骨モデルの変換された有効な体素要素に一致する前記第1の体素骨モデルの前記有効な体素要素の集合として、前記相互貫入体積を決定するステップと、
を含む、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
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