JP5898186B2 - 少数のパラメータから変形した骨表面上の骨の切除を決定する方法 - Google Patents
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Description
i)前記3D骨表面モデルの頭部部分上の3D球形補正表面パッチと、
ii)前記3D球形補正表面パッチまで連続する、前記3D骨表面モデルの頸部部分上の3D平滑遷移補正表面パッチとを含み、前記補正表面パッチが、
iii)前記3D球形補正表面パッチの球形範囲値を表す少なくとも1つの第1のパラメータ(α*)と、
iv)前記第1のパラメータに加えて、1組の少なくとも1つの第2のパラメータとを含む1組のパラメータによって画定され、前記1組のパラメータは、
前記補正表面パッチが前記境界に沿って前記3D骨表面モデルと連続し、また前記境界に沿った前記補正表面パッチに対する接平面が前記境界の外側で前記3D骨表面モデルに対する接平面と連続するように、前記補正表面パッチの3D補正境界を決定する。
i)前記3D骨表面モデル、および骨の解剖学的構造を特徴付ける前記幾何学的要素から、頸部軸の周りを回転する骨の頭部部分上のクロック面基準を決定するステップと、
ii)クロック面基準の周りで骨の頭部-頸部接合部を特徴付ける3D骨表面モデル上で、3D頭部-頸部接合部曲線を決定するステップと、
iii)前記3D頭部-頸部接合部曲線から、前記3D頭部-頸部接合部曲線のうち、骨の頭部の球形部分の頂点に最も近い点である、隆起変形の最大を特徴付ける頂上点を決定するステップとをさらに含むことができ、
3D補正境界は、前記頂上点まで近位方向に延びる。
i)適合球の緯度α*の緯線を決定するステップと、
ii)頸部軸を含み、それぞれ前記緯度α*の緯線と3D頭部-頸部接合部曲線との交差を通る、2つの放射状の半面を決定するステップであって、前記クロック面基準上のこれらの2つの半面のクロック指標が補正クロック間隔を決定する、決定するステップと、
iii)3D骨表面モデル上で、3D頭部-頸部接合部曲線の前記頂上点の周りの閉輪郭を決定するステップであって、その輪郭が、緯度α*の緯線まで少なくとも遠位方向に延びて補正クロック間隔を少なくとも放射状に覆い、前記閉輪郭が3D補正境界である、決定するステップとをさらに含むことができる。
i)3D骨表面モデルと、頸部軸に直交し、補正間隔内に含まれる3D頭部-頸部接合部曲線の頂上点を通過する平面との交差の一部分によって画定される近位限界と、
ii)3D骨表面モデルと補正クロック間隔を決定する2つの半面との交差としてそれぞれ画定される2つの骨の輪郭によって画定される2つの放射状の限界と、
iii)3D表面モデルと頸部軸に直交する平面との交差として画定される3D頸部曲線によって画定される遠位限界とを含む4つの限界によって区切られる幾何学的構造であり、頸部軸に沿った座標位置が、少なくとも1つの第2のパラメータである近位点を画定し、この位置は、頸部方向にさらに下に、適合球中心から少なくとも適合球半径の距離のところに位置し、
3D補正境界は、これらの2つのパラメータ(α*、近位点)から完全に決定される。
i)頸部軸および3D頭部-頸部接合部曲線の前記頂上点を通過する頂上の放射状の半面を決定するステップと、
ii)前記頂上の放射状の半面と緯度α*の緯線との交差を通る適合球の半径線を決定するステップと、
iii)画定された半径線に縦軸が沿うように、円柱を位置決めするステップと、
iv)円柱の外壁と3D表面モデルとの交差曲線がクロック間隔および頂上点を覆うように延びるように、円柱の直径を決定するステップとによって構築される。
i)頸部軸および3D頭部-頸部接合部曲線の前記頂上点を通過する頂上の放射状の半面を決定するステップと、
ii)前記放射状の半面と緯度α*の緯線との交差を通る適合球の半径線を決定するステップと、
iii)回転軸が前記半径線に沿って適合球の中心から始まるように、円錐を位置決めするステップと、
iv)円錐の外壁と3D表面モデルとの交差曲線がクロック間隔および頂上点を覆うように延びるように、円錐の開口角を決定するステップとによって構築される。
i)3D補正境界を緯度α*の緯線によって2つの連続領域に分割するステップであって、1つの遠位領域が頸部側に位置し、1つの近位領域が頭部側に位置し、緯度α*の緯線の一部分が前記2つの連続領域間で共通の境界を形成する、分割するステップと、
ii)近位領域の内側の3D球形補正表面パッチを、適合球の純粋な球形部分として決定するステップと、
iii)共通の境界に沿って近位領域の内側の3D球形補正表面パッチと連続し、また他方の境界に沿って3D骨表面モデルと連続する3D遷移表面スプラインによって、遠位領域の内側の3D平滑遷移補正表面パッチを決定するステップとを含み、
3D球形補正表面パッチと3D平滑遷移補正表面パッチとの和集合は、3D補正境界の内側に3D補正表面を構成する。
i)共通の境界と、
ii)遠位領域の境界から共通の境界を引いた外部遠位境界との2つの部分から構成することができ、
3D遷移表面スプラインは、クロック補正間隔上に規則的なクロック間隔で位置する少なくとも3度の1組の放射状の3Dベジエ曲線間の表面補間から構築される。
[a]上部-下部方向は、頭部中心Hから膝中心Kへ垂直の向きである。
[b]近位-遠位方向は、頭部中心Hから下に頸部の方へ頸部軸に沿った向きである。
[a]近位平面PN1は、頸部軸AXに直交し、頂上点Mmaxを通過する平面として決定される。
[b]遠位平面PN0は、頸部軸AXに直交し、頸部軸上のパラメータN0の座標値を通る平面として決定される。
[c]2つの放射状の半面PiおよびPjは、頸部軸の周りで、上記で画定したクロック指標iおよびjを通る。
これらの4つの平面と3D骨表面モデルとの交差が3D補正境界を決定し、3D補正境界内で補正表面パッチSP1およびSP2が決定される。
[a]近位平面PN1の位置は、頸部軸上の座標点N1の調整可能な位置に従って調整可能である。
[b]遠位平面PN0の位置は、頸部軸上の座標点N0の調整可能な位置に従って調整可能である。
[c]2つの放射状の半面Pi0およびPi1の位置は、それぞれクロック面基準上のクロック指標i0およびi1の調整可能な位置に従って調整可能である。
[A]平面Pi0と大腿骨表面との間の交差曲線Si0は、第1のクロック範囲縁部である。
[B]平面Pi1と大腿骨表面との間の交差曲線Si1は、第2のクロック範囲縁部である。
[C]平面PN0と大腿骨表面との間の交差曲線SN0は、遠位縁部である。
[D]平面PN1と大腿骨表面との間の交差曲線SN1は、近位縁部である。
[E]境界曲線LBは、ターゲットα角α*に対応する緯線L*から画定される。
[a]近位端制御点C1は、緯度α*の緯線L*によって画定される共通の境界LB上に位置決めされる。
[b]近位接線制御点C2は、C1とともに、球形部分SP1の接ベクトルV1xと平行で反対方向のベクトルV2xを形成するように位置決めされる。
[c]遠位端点C4は、遠位境界に沿って3D骨表面モデル上に位置決めされる。
[d]遠位接線制御点C3は、端点C4の位置でベジエ曲線BZiの接平面ベクトルV3xが3D骨表面モデルの接平面ベクトルV4xと平行で反対方向になるように、3D骨表面モデル上で、C4の位置から頸部軸方向に沿って事前定義された係数だけ近位方向にシフトしたところに位置決めされる。
本発明は、変形した骨表面の骨の切除を容易に、正確に、かつ再現可能に決定する方法を提供する。提案する方法は、最適の切除を決定するためのパラメータ値の自動決定に基づいている。この方法は、切除すべき骨領域の境界を自動的に決定する。この方法はまた、骨の頭部の球形性の増大および骨の頸部での平滑な遷移を考慮して、補正表面に対する形状を自動的に決定する。制限された数のパラメータを介した簡単な使用者の対話により、骨の切除に対する提案を微調整またはカスタマイズすることが可能である。
AX 大腿骨頸部軸
BB 3D境界ボックス
BC 3D境界曲線
BZi 3Dベジエ曲線
C1 近位端制御点
C2 近位接線制御点
C3 遠位接線制御点
C4 制御点、遠位端点
CBk 表面点
DB 遠位境界
DBj 点
Dc 円柱底面
E1 点
E2 点
ES 外部の3D骨表面モデル
H 大腿骨頭中心点
i クロック指標
i0 クロック指標
i1 クロック指標
iMax クロック指標
j クロック指標
K 膝中心点
L* 緯線
LB 共通部分、境界曲線、共通の境界、縁部曲線
Mi 点
Mi1 候補点
Mi2 候補点
Mi3 候補点
Mij 候補点
Mmax 点、頂上、頂上点
N0 第2のパラメータ、位置、座標点
N1 座標点
N2 座標
P12h 平面
PB 近位境界
PBi 点
Pi 放射状の半面
Pi0 放射状の半面
Pi1 放射状の半面
Pj 放射状の半面
PN0 遠位平面
PN1 近位平面
SF 3D大腿骨頭球
Si0 交差曲線、縁部曲線
Si1 交差曲線、縁部曲線
SN1 交差曲線、縁部曲線
SN0 交差曲線、縁部曲線
SP1 純粋な球形の表面部分、3D球形補正表面パッチ、近位表面パッチ
SP2 3D平滑遷移補正表面パッチ、遠位表面パッチ
TD 閾値
V* 放射状のベクトル場
V1x 接平面ベクトル
V1y 接平面ベクトル
V2x 接平面ベクトル
V2y 接平面ベクトル
V3x 接平面ベクトル
V4x 接平面ベクトル
α* 第1のパラメータ、緯度、ターゲットα角
αi 角
αmax α角
β 立体角
Claims (22)
- 変形を有する骨の3D医用画像から構築される3D骨表面モデル上で補正表面を非侵襲的に再現可能に決定する方法であって、前記骨が頸部部分まで連続する頭部部分を含み、前記骨の変形が前記頭部-頸部接合部における隆起過成長からなり、前記方法は、前記3D骨表面モデルから、前記骨の解剖学的構造を特徴付ける幾何学的要素を決定するステップを含み、前記幾何学的要素が、前記頭部の球形部分に対する適合球と、頸部軸とを含み、前記補正表面が、
i)前記3D骨表面モデルの前記頭部部分上の3D球形補正表面パッチと、
ii)前記3D球形補正表面パッチまで連続する、前記3D骨表面モデルの前記頸部部分上の3D平滑遷移補正表面パッチとを含み、
前記3D球形および平滑遷移補正表面パッチが、
iii)前記3D球形補正表面パッチの球形範囲値を表す少なくとも1つの第1のパラメータ(α*)であって、前記第1のパラメータ(α * )が、前記適合球の中心から前記頸部軸に沿って遠位方向の半線と、前記適合球の半径との間で放射状に測定される、手術後に実現されると予期されるターゲット角である、前記第1のパラメータ(α * )と、
iv)前記第1のパラメータに加えて、1組の少なくとも1つの第2のパラメータと
を含む1組のパラメータによって画定され、前記1組のパラメータが、
前記少なくとも1つの第2のパラメータが、3D補正境界の前記3D骨表面モデル上の範囲を画定し、前記3D平滑遷移補正表面パッチが前記境界に沿って前記3D骨表面モデルと連続し、また前記境界に沿った前記3D平滑遷移補正表面パッチに対する接平面が前記境界の外側で前記3D骨表面モデルに対する接平面と連続するように、前記補正表面パッチの前記3D補正境界を決定する、方法。 - 前記1組のパラメータが、前記第1および第2のパラメータからなる、請求項1に記載の方法。
- i)前記3D骨表面モデル、および前記骨の前記解剖学的構造を特徴付ける前記幾何学的要素から、前記頸部軸の周りを回転する前記骨の前記頭部部分上のクロック面基準を決定するステップと、
ii)前記クロック面基準の周りで前記骨の前記頭部-頸部接合部を特徴付ける前記3D骨表面モデル上で、3D頭部-頸部接合部曲線を決定するステップと、
iii)前記3D頭部-頸部接合部曲線から、前記3D頭部-頸部接合部曲線のうち、前記骨の前記頭部の前記球形部分の頂点に最も近い点である、前記隆起変形の最大を特徴付ける頂上点を決定するステップとをさらに含み、
前記3D補正境界が、前記頂上点まで近位方向に延びる、
請求項1に記載の方法。 - i)前記適合球の緯度α*の緯線を決定するステップと、
ii)前記頸部軸を含み、それぞれ前記緯度α*の緯線と前記3D頭部-頸部接合部曲線との交差を通る、2つの放射状の半面を決定するステップであって、前記クロック面基準上のこれらの2つの半面のクロック指標が補正クロック間隔を決定する、決定するステップと、
iii)前記3D骨表面モデル上で、前記3D頭部-頸部接合部曲線の前記頂上点の周りの閉輪郭を決定するステップであって、前記輪郭が、前記緯度α*の緯線まで少なくとも遠位方向に延びて前記補正クロック間隔を少なくとも放射状に覆い、前記閉輪郭が前記3D補正境界である、決定するステップと
をさらに含む、請求項3に記載の方法。 - 前記3D補正境界を画定する前記3D骨表面モデル上の前記閉輪郭が、前記3D骨表面モデルと3D境界ボックスとの交差からなり、前記3D境界ボックスが、少なくとも1つの前記第2のパラメータから画定される幾何学的3D構造である、請求項4に記載の方法。
- 前記3D境界ボックスが多面体である、請求項5に記載の方法。
- 前記多面体が、
i)前記3D骨表面モデルと、前記頸部軸に直交し、前記補正間隔内に含まれる前記3D頭部-頸部接合部曲線の前記頂上点を通過する平面との交差の一部分によって画定される近位限界と、
ii)前記3D骨表面モデルと前記補正クロック間隔を決定する前記2つの半面との交差としてそれぞれ画定される前記2つの骨の輪郭によって画定される2つの放射状の限界と、
iii)前記3D表面モデルと前記頸部軸に直交する平面との交差として画定される3D頸部曲線によって画定される遠位限界とを含む4つの限界によって区切られる幾何学的構造であり、前記頸部軸に沿った座標位置が、少なくとも1つの第2のパラメータである遠位点を画定し、この位置が、頸部方向にさらに下に、前記適合球中心から少なくとも前記適合球半径の距離のところに位置し、
前記3D補正境界が、前記2つのパラメータ(α*、遠位点)から完全に決定される、請求項6に記載の方法。 - 前記多面体が、
i)前記3D骨表面モデルと、前記頸部軸に直交し、前記補正間隔内に含まれる前記3D頭部-頸部接合部曲線の前記頂上点を通過する平面との交差の一部分によって画定される近位限界と、
ii)前記3D骨表面モデルと前記補正クロック間隔を決定する前記2つの半面との交差としてそれぞれ画定される前記2つの骨の輪郭によって画定される2つの放射状の限界と、
iii)前記3D表面モデルと前記頸部軸に直交する平面との交差として画定される3D頸部曲線によって画定される遠位限界とを含む4つの限界によって区切られる幾何学的構造であり、前記頸部軸に沿った座標位置が、少なくとも1つの第2のパラメータである遠位点(N0)を画定し、この位置が、頸部方向にさらに下に、前記適合球中心から少なくとも前記適合球半径の距離のところに位置し、かつ
前記1組の少なくとも1つの第2のパラメータが、前記補正クロック間隔の範囲を制御する2つの調整可能なクロック指標を含み、これらの2つの指標に対応する前記2つの放射状の半面が、前記3D表面モデルとの新しい交差輪郭を作成し、前記3D補正境界の前記放射状の限界が、前記新しい交差輪郭によって構成され、前記3D補正境界が、前記4つのパラメータ(α*、遠位点、第1のクロック指標、第2のクロック指標)から完全に決定される、請求項6に記載の方法。 - 前記多面体が、
i)前記3D骨表面モデルと、前記頸部軸に直交し、前記補正間隔内に含まれる前記3D頭部-頸部接合部曲線の前記頂上点を通過する平面との交差の一部分によって画定される近位限界であって、前記頸部軸上の前記近位限界の座標位置が近位点(N1)を画定する、近位限界と、
ii)前記3D骨表面モデルと前記補正クロック間隔を決定する前記2つの半面との交差としてそれぞれ画定される前記2つの骨の輪郭によって画定される2つの放射状の限界と、
iii)前記3D表面モデルと前記頸部軸に直交する平面との交差として画定される3D頸部曲線によって画定される遠位限界とを含む4つの限界によって区切られる幾何学的構造であり、前記頸部軸に沿った座標位置が遠位点(N0)を画定し、この位置が、頸部方向にさらに下に、前記適合球中心から少なくとも前記適合球半径の距離のところに位置し、かつ
前記1組の少なくとも1つの第2のパラメータが、前記頸部軸に直交して大腿骨頸部の前記遠位部分上で前記3D表面モデルと交差する調整可能な遠位平面を決定し、それによって新しい遠位限界を作成する、前記頸部軸上の調整可能な遠位点を含み、前記調整可能な遠位点が、前記緯度α*の緯線を通過する平面の前記頸部軸上の座標と、前記頸部軸上の事前定義された最大遠位座標との間に位置決めされ、前記3D補正境界が、前記3つのパラメータ(α*、近位点、遠位点)から完全に決定される、請求項6に記載の方法。 - 前記1組の少なくとも1つの第2のパラメータが、請求項8または9に記載の前記1組の調整可能なパラメータのいずれかを含み、その組合せが前記3D補正境界の範囲を制御し、前記3D補正境界が、(α*、近位点、遠位点、クロック指標1、クロック指標2)という前記1組の5つのパラメータから完全に決定される、請求項7から9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記3D境界ボックスが円柱であり、
i)前記頸部軸および前記3D頭部-頸部接合部曲線の前記頂上点を通過する頂上の放射状の半面を決定するステップと、
ii)前記頂上の放射状の半面と前記緯度α*の緯線との交差を通る前記適合球の半径線を決定するステップと、
iii)前記画定された半径線に縦軸が沿うように、前記円柱を位置決めするステップと、
iv)前記円柱の外壁と前記3D表面モデルとの交差曲線が前記クロック間隔および前記頂上点を覆うように延びるように、前記円柱の直径を決定するステップとによって構築される、請求項5に記載の方法。 - 前記1組の少なくとも1つの第2のパラメータが、前記円柱の向き、位置、および寸法をそれぞれ決定する調整可能な軸ベクトル、調整可能な軸開始点、および調整可能な円柱半径を含み、前記軸ベクトルが、前記適合球の前記中心の周りを事前定義された3D角度変動で回転する最初の前記半径線から調整可能であり、前記軸開始点が、前記適合球の前記中心と、前記緯度α*の緯線を通過する前記直交平面の前記頸部軸上の座標点との間の間隔で、前記頸部軸に沿って調整可能であり、前記3D補正境界が、前記4つのパラメータ(α*、軸ベクトル、軸開始点、円柱半径)から完全に決定される、請求項11に記載の方法。
- 前記3D境界ボックスが円錐であり、
i)前記頸部軸および前記3D頭部-頸部接合部曲線の前記頂上点を通過する頂上の放射状の半面を決定するステップと、
ii)前記放射状の半面と前記緯度α*の緯線との交差を通る前記適合球の半径線を決定するステップと、
iii)回転軸が前記半径線に沿って前記適合球の前記中心から始まるように、前記円錐を位置決めするステップと、
iv)前記円錐の外壁と前記3D表面モデルとの交差曲線が前記クロック間隔および前記頂上点を覆うように延びるように、前記円錐の開口角を決定するステップとによって構築される、請求項5に記載の方法。 - 前記1組の少なくとも1つの第2のパラメータが、前記円錐の向き、位置、および開口をそれぞれ決定する調整可能な軸ベクトル、調整可能な軸開始点、および調整可能な開口角を含み、前記軸ベクトルが、前記適合球の前記中心の周りを事前定義された3D角度変動で回転する最初の前記半径線から調整可能であり、前記軸開始点が、前記適合球の前記中心と、前記緯度α*の緯線を通過する直交平面の前記頸部軸上の座標点との間の間隔で、前記頸部軸に沿って調整可能であり、前記3D補正境界が、前記4つのパラメータ(α*、軸ベクトル、軸開始点、開口角)から完全に決定される、請求項13に記載の方法。
- 前記3D補正境界内における前記3D補正表面の決定が、
i)前記3D補正境界を緯度α*の緯線によって2つの連続領域に分割するステップであって、1つの遠位領域が前記頸部側に位置し、1つの近位領域が前記頭部側に位置し、前記緯度α*の緯線の一部分が前記2つの連続領域間で共通の境界を形成する、分割するステップと、
ii)前記近位領域の内側の前記3D球形補正表面パッチを、適合球の純粋な球形部分として決定するステップと、
iii)前記共通の境界に沿って前記近位領域の内側の前記3D球形補正表面パッチと連続し、また他方の境界に沿って前記3D骨表面モデルと連続する3D遷移表面スプラインによって、前記遠位領域の内側の前記3D平滑遷移補正表面パッチを決定するステップとを含み、
前記近位領域と前記遠位領域との和集合が、前記3D補正境界の内側に3D補正表面を構成する、請求項1から14のいずれか1項に記載の方法。 - 前記3D遷移表面スプラインの接平面が、前記共通の境界に沿って前記3D球形補正表面パッチの接平面と連続し、前記3D遷移表面スプラインの前記接平面が、他方の境界に沿って前記3D骨表面モデルの接平面と連続する、請求項15に記載の方法。
- 前記3D球形補正表面パッチが、前記共通の境界に沿って前記3D平滑遷移補正表面パッチと連続し、また他方の境界に沿って前記3D骨表面モデルと連続する3D球形表面スプラインによって、さらに決定され、前記3D球形補正表面パッチの接平面が、前記共通の境界に沿った前記適合球の接平面であり、前記3D球形補正表面パッチの接平面が、他方の境界に沿って前記3D骨表面モデルの接平面と連続する、請求項16に記載の方法。
- 前記共通の境界に沿った前記3D遷移表面スプラインの前記接平面が、前記3D球形補正表面パッチと前記3D平滑遷移補正表面パッチとの接合部での曲率を調整するように、前記共通の境界に沿って前記3D遷移スプライン表面の前記接平面を制御する放射状のベクトル場によってさらに調整可能であり、前記放射状のベクトル場のすべてのベクトルは、前記共通の境界上に位置する規則的な点から始まり、前記適合球の中心から頸部軸上の事前定義された最大遠位点までの間隔に位置する前記頸部軸上の点の方を向き、大腿骨頭の前記中心の方への前記ベクトル場の調整可能な向きの結果、前記共通の境界に沿って前記3D補正表面パッチ内に鋭い縁が出現する、請求項15に記載の方法。
- 前記放射状のベクトル場の長さもまた、前記出現する鋭い縁の高さを制御するように調整することができる、請求項18に記載の方法。
- 前記遠位領域の境界が、
i)前記共通の境界と、
ii)前記遠位領域の境界から前記共通の境界を引いた外部遠位境界との2つの部分から構成され、
前記3D遷移表面スプラインが、前記クロック補正間隔上に規則的なクロック間隔で位置する少なくとも3度の1組の放射状の3Dベジエ曲線間の表面補間から構築される、請求項15から19のいずれか1項に記載の方法。 - 前記放射状の3Dベジエ曲線がそれぞれ、前記外部遠位境界に沿って前記3D骨表面モデル上に位置する遠位端制御点と、前記共通の境界に沿って前記適合球上に位置する近位端制御点とによって決定される、請求項20に記載の方法。
- 前記放射状の3Dベジエ曲線の傾斜がそれぞれ、前記遠位端制御点から前記頸部軸の方向に所定の係数だけ近位方向にシフトした、前記3D骨表面モデル上に位置する遠位傾斜制御点と、対応する放射指標の放射状ベクトルの端部点に位置する近位傾斜制御点とによって決定される、請求項21に記載の方法。
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