JP6053947B2 - 脊柱中の椎骨の空間位置並びに向きを判定するための方法およびデバイス - Google Patents

Description

本発明は、脊椎動物の骨盤および／または肩腕領域の骨構造および／または脊柱の椎骨の空間位置および向きを判定するための方法およびデバイスに関する。そのような方法およびデバイスは、主に、診断目的でヒトおよび動物の身体の内部構造および外部構造を画像化するために使用される。

主に人体の骨構造および骨格系を示すために、Ｘ線画像化システムが使用される。この事例における重要な用途は、様々な記録層において脊柱を示すことでもある。Ｘ線技術に伴う１つの問題は、放射線撮影中の人体によるＸ線吸収であり、それによって、癌の危険性が増大する。脊柱側弯症患者はこれによって特に影響を受けやすい。これは、成長期の間、この疾患が一般的に臨床検査において非常に多数のＸ線写真を必要とするためである。米国におけるＤｏｏｄｙ他による研究（非特許文献１）は、その後のがん罹患率が正常集団と比較して脊柱側弯症患者の間で何倍にも高くなっていることを示している。最新の技術は実際にＸ線量の低減を可能にするが、結局、放射線撮影と関連付けられる癌の危険性は増大したままである。加えて、Ｘ線技法を使用するとき、脊柱の各椎骨の回転（垂直軸を中心とする回転）を判定することができないか、または不十分にしか判定することができない。これは、二次元投影の形態の画像しか存在しないからである。

光学３Ｄ表面測定システムは（医学的な意味で）放射線を用いず、すなわち、イオン化放射線を用いず、特にヒトの姿勢の測定に使用される。ミュンスター大学は、脊柱をモデル的に再構築することを可能にするための、ビデオラスタ立体画法およびこれに基づく方法の両方を開発している（非特許文献２）。このシステムは、放射線を用いない検査のために多くの脊柱側弯症患者に利用可能にされた。参照により本明細書に組み込まれる欧州特許第１７１８２０６号明細書（特許文献１）は、同じく脊柱を機能モデル的に再現することを可能にする最新の展開を記載している。これはまた、放射線を用いない方法を、診断および他の用途における検査に広範に使用することも可能にする。光学的表面測定によって、Ｘ線の使用を低減することができ、同時に、加えられるＸ線量および癌の潜在的な危険性を低減することができる。

放射線を用いない方法を脊柱側弯症患者に使用することに加えて、放射線を用いない方法に対する需要は、たとえば、手術の前後、リハビリテーション、理学療法の間などの検査について増大している。

しかしながら、光学的表面測定方法には、背部および脊柱に重度の変形が存在する場合に脊柱のモデル的な再構築が制限され（非特許文献３）、それによって、患者の脊柱の形状および位置の精度が低減し、したがってその判定が曖昧になる（非特許文献４）という問題がある。

脊柱の変形が中程度である患者の場合、脊柱の再構築を含む、Ｘ線の使用および光学的測定技法による検査が標準的技法となっている。さらに、光学的表面測定の測定結果におけるＸ線の走査を可能にする手技が存在する。記録中に患者の再現可能な位置および姿勢についてＸ線および光学的表面測定を相互に独立して実行することはほぼ不可能である。立ったまま記録する場合、身体は、平均して約５秒のサイクル時間内で発生し、その振幅が最大３０ｍｍになり得る自然な揺らぎを呈する。表面記録の平均Ｘ線記録時間は（患者の脊柱に応じて）最大１秒かかるため、可能性のある揺らぎの振幅は、最大６ｍｍである。さらに、Ｘ線記録の場合、患者の位置は均一に規制または標準化されない。Ｘ線記録はまた、既存のビーム形状に起因して、検出画像の倍率が変動することも特徴とする。それゆえ、２つの測定方法の測定結果の組み合わせまたはマッピングは、一般的に誤差を受けやすい。

それゆえ、重度の脊柱側弯症の場合の検査は、光学的表面測定方法を使用するときは、誤差の危険性なしに実行することはできない。ここで、脊柱側弯症とは、同時に椎骨が回転しながら脊柱が側方に湾曲していることを指し、これは筋肉を用いて補正することができない。したがって、Ｘ線はこの患者群に対しては依然として好適な方法であり、したがって、Ｘ線量は低減されない。

本発明の目的は、従来技術の欠点が最小限に抑えられた方法および装置を提供することである。

本目的は、独立請求項の特徴を有する本発明によって解決される。本発明の有利な展開が、従属請求項において特徴づけられる。ここで、すべての特許請求項の文言が参照により本明細書の内容に組み込まれる。本発明はまた、独立請求項および／または従属請求項のすべての合理的な、特にすべての言及されている組み合わせをも含む。

個々の方法ステップは下記に詳細に記載されている。ステップは提示されている順序で実施される必要はなく、一方で、概説されることになる方法はまた、明記されていないさらなるステップを有してもよい。

本発明の目的を解決するために、脊椎動物の骨盤および／または肩腕領域の骨構造および／または脊柱の椎骨の空間位置および向きを判定するための方法が提案され、当該方法は、
ａ）脊柱および／または骨盤および／または肩腕領域の骨構造の少なくとも一部の少なくとも１つのＸ線画像、たとえば、正面または背面からの脊柱の平面図、またはさらには側面図を記録するステップと、
ｂ）光学的方法（すなわち、可視光または赤外光による、すなわち、３８０ｎｍから７８０ｎｍ、または７８０ｎｍから１０００ｎｍの間の波長による）または超音波方法（すなわち、飛行時間測定）によって脊椎動物の背部の少なくとも一部の表面データを記録するステップと、
ｃ）ここで、ステップａ）およびステップｂ）は、最大Ｘ線記録時間に対応する１秒、好ましくは０．５秒、より好ましくは０．３秒、さらにより好ましくは０．１秒、または最も好ましくは０．０５秒の最大時間間隔で同時に実施され、時間間隔は各記録の始まりに対して参照され、
ｄ）鮮明なＸ線画像によって、骨または骨の特定の部分もしくは領域もしくは端部、あるいは関節のような、骨構造の要素の位置を判定するステップと、
ｅ）たとえば、椎骨の棘突起の終端部によって生じる隆起のような、表面データにおける表面構造の特徴的な要素の位置を判定するステップと、
ｆ）骨構造の要素の位置を、表面構造の特徴的な要素の位置から推論するステップと、
ｇ１）少なくとも１つのＸ線画像および表面データから骨構造の一致する要素を解剖学的固定点として判定するステップ、または
ｇ２）脊椎動物の背部上のマーカによって解剖学的固定点を判定するステップであって、それによって、マーカは、表面データ内およびＸ線写真上の両方で見えるように選択される、判定するステップと、
ｈ）解剖学的固定点を用いて少なくとも１つの記録されたＸ線画像および表面データを重ね合わせるステップと、
ｉ）表面データおよび少なくとも１つのＸ線画像から骨構造の要素の３次元モデルを計算するステップであって、ここで、モデルは、
ｉ１）椎骨および／もしくは骨盤の位置、すなわち、３つの空間座標、ならびに／または
ｉ２）脊柱および／もしくは棘突起の湾曲、ならびに／または
ｉ３）個々の椎骨および／もしくは骨盤の向き、すなわち、３つの方位角（矢状方向、側方および回転）、ならびに／または
ｉ４）棘突起および脊柱の発達の変位、ならびに／または
ｉ５）肩甲骨および／もしくは肩腕領域の骨構造の位置および向き
を含む、計算するステップと
を含む。

該方法は通常、ヒトに使用するために提供されるが、背部の対応する領域が光学的測定または超音波測定に使用し得る限り、脊柱を有する他の生物に一般的に適用することができる。

少なくとも１つのＸ線画像がＸ線を用いて記録される。これは、２．５×１０−^１１〜０．８×１０−^１１ｍ（８〜２５ｐｍ）の波長に対応する５０〜１５０ｋｅＶの光子エネルギーを有する電磁波を含む。

たとえば、骨構造の選択される要素であってもよい解剖学的固定点は、Ｘ線記録と表面データとを位置合わせする役割を果たす。たとえば、少なくとも１つのＸ線写真と、表面データから得られる骨構造の要素との共通点が、選択基準として使用されてもよい。

椎骨の位置および棘突起の位置に基づいて、各椎骨について３つの方位角が判定される。これによって、個々の椎骨の実際の特性が考慮に入れられる、脊柱全体の正確なモデル化が可能になる。

記録システムにおいて両方の測定方法を統合すること、および、両方の測定を同時に実施することによって、既存の問題が解決される。２つの方法間で発生する可能性がある姿勢の差を、同時記録手順によって除外することができ、それによって、表面パラメータの知識を用いてＸ線画像から拡大−縮小率を再計算することが可能である。開始位置、すなわち、脊柱または骨構造の正確な位置および形状を知ることによって、たとえ深刻な変形があっても、放射線を用いない光学的または超音波表面測定を検査において実施することができる。この事例において、放射線を用いない表面測定による連続したショットが各々、それぞれ出力画像または出力データおよびそれぞれのずれに関係付けられる。

これまで、ビデオ歩行分析などの動的および／または機能的測定方法の事例において、マーカポイントは運動中に、手動で個々に皮膚表面に付着されていたに過ぎない。動的光学表面測定（欧州特許第１，７１８，２０６号明細書）を使用することによって、歩行および機能的分析において広範囲の歪み全体を記録および分析することが可能である。運動パターンにおける骨構造の統合において可能な限り現実的であること、したがって、それらを判定することが可能であることも望ましい。骨系の元の形状および位置の正確な知識を得るために、Ｘ線記録を参照してこの知識を判定し、光学表面測定方法を用いてこれを整合させることが望ましい。Ｘ線記録および表面測定を同時に実行することによって、この目的のための手段がもたらされる。

有利には、骨構造の要素、すなわち、ａ）脊柱の椎骨の棘突起および椎弓根、ならびに／または、ｂ）骨盤領域、仙骨、腸骨の上端と上前腸骨棘および／もしくは上後腸骨棘、ならびに／または、ｃ）鎖骨および肩鎖関節、ならびに／または、ｄ）肩甲骨、ならびに／または、ｅ）肩甲骨端部が判定される。

表面データ内の特徴的な要素が表面特性の分析を通じて判定されることも有利であり、この分析によって、
ａ）表面データにおける湾曲および／または対称性が計算され、
ｂ）湾曲および／または対称性の計算は、特定の所定の条件を満たすことを含み、この条件は少なくとも、
ｂ１）表面の湾曲または対称性のいずれかを記述し、
ｂ２）脊柱の椎骨の相対位置、湾曲、ねじれまたは等距離のいずれかを記述する。

表面データおよびＸ線データの均一な真幅表現を生成するために、本方法においてＸ線画像がスケーリングされることが有利である。これによって、最小のずれでのデータの共通の分析が可能になる。

本方法の有利な展開において、後の時点において少なくともさらなる光学的または超音波記録が実施され（いわゆる検査）、ここで、これらの測定の結果が先行するデータと複合される。これらの検査は同じまたは別のデバイスを使用して実施されてもよい。データの複合分析を可能にするためには、患者の位置および向きだけが同一であればよい。

後の時点において実施される記録はまったく光学的のみであるか、または超音波を用いてのみ実施されることが特に有利である。したがって、患者のさらなる放射線暴露を避けるために、さらなるＸ線記録は実施されない。

Ｘ線画像化技法と光学または超音波表面測定とを統合することによって、より大きい患者群が、検査において放射線を用いない表面測定から受益することが可能になる。この統合方法は、統計的および機能的画像化技法（歩行分析、走行および運動分析）の両方を通じて、放射線を用いない高度な分析の機会を提供する。

同期または擬似同期測定結果に基づいて、Ｘ線記録の回数が低減され、したがって放射線量および癌の危険性を低減することができる光学または超音波表面測定を使用することによって、深刻な脊髄変形を有する患者の検査が可能である。

脊柱の椎骨の位置および向きに関するデータが脊柱側弯角度を判定するのに使用されることも好ましい。いわゆる脊柱側弯角度とは、Ｃｏｂｂ角の３次元一般化を意味し、これは、脊柱側弯を評価するための手段としての役割を果たすことが多い。Ｃｏｂｂ角の一般的決定の結果として、最初に移行椎が判定される。移行椎は、脊椎の側弯の２つの転換点にある椎骨である。２つの移行椎の蓋板の各々について、接線が与えられる。これらの接線が交差する角度が、Ｃｏｂｂ角である。代替的な方法は、接線の代わりに、上側の移行椎および下側の移行椎に垂直である２つの線を使用する。しかしながら、Ｃｏｂｂ角は常に２次元Ｘ線画像を参照し、したがって、深さ情報を考慮に入れない。一方、脊柱側弯角度は、３つすべての空間寸法を考慮に入れ、それによって、脊柱の側方の曲がりに加えて、任意の存在する矢状方向湾曲および垂直ねじれも考慮に入れ、それゆえ、脊柱側弯の評価のためのはるかにより正確な測度を表す。

好ましくは、表面データの記録は、３Ｄビデオラスタ立体画法、または平均化技法を用いた４Ｄビデオラスタ立体画法、または符号化光手法、または位相シフト法、またはライン走査法、または飛行時間法、または超音波法を使用し、ここで、（光学的）３Ｄビデオラスタ立体画法が特に好適である。

３Ｄビデオラスタ立体画法は、一般的に、投光機およびビデオカメラを備え、三角測量の原理に基づいて動作する３次元光学画像化プロセスである。この事例において、投光機は、平行測定ラインまたは他の投影パターンを、測定装置の正面にある物体に投影する。ビデオカメラはこれを記録紙、コンピュータにデータを送信し、コンピュータは、ラインパターンの変形に基づいて物体のその空間表現を計算する。カメラおよび投影機は、互いから一定距離にある別の２つの固定点を形成する。同様に、カメラおよび投影機レンズの互いに対する角度も分かっている。これらの定数が、他のすべての距離および角度、ならびに投影面上の各点の空間位置が単純に計算されることを可能にする。３Ｄビデオラスタ立体画法は、主に医療環境において、放射線を用いない背部測定システムとして見出されている。

４Ｄビデオラスタ立体画法（たとえば、欧州特許第１ ７１８ ２０６号明細書参照）は、同じく三角測量の原理を使用する、３Ｄビデオラスタ立体画法のさらなる発展型である。事実、第４の次元は時間であり、それによって、３Ｄビデオラスタ立体画法におけるような個々の画像の代わりに、画像シーケンス（「フィルム」）が記録される。コンピュータは、各フレームについて、測定されるべき物体の空間表現を計算する。３Ｄビデオラスタ立体画法の事例と同様に、４Ｄビデオラスタ立体画法は、医療環境において背部を測定するのに使用される。一定期間にわたって記録される画像シーケンスは、平均計算（平均化を用いる４Ｄ）または関数測定のようなさらなる計算が、患者の運動中に実施されることを可能にする。

符号化光手法の事例では、ストライプパターンのシーケンスが投影機を通じて物体上に投影され、ビデオカメラによって記録される。ストライプのシーケンスは、２値化の原理に従う、すなわち、最初はｎ本の平行な測定ライン、次にｎ／２本、次にｎ／４本と続いていく測定ラインが、２本のラインのみが得られるまで投影される。この事例において、画像の記録およびシーケンス内のストライプパターンの変更は同期して行われ、それによって、各画像がシーケンスのストライプパターンを記録する。測定物体の空間表現が、三角測量によってフレームから計算される。

符号化光手法の方法を使用することは、ストライプセンサの解像能力によって制限される。解像度をさらに増大させるために、符号化光手法の原理を、位相シフト法と組み合わせることができる。この目的のために、符号化光手法の各ストライプが、強度変調鋸歯状波信号を使用することによって、その最高解像度で表現される。走査された信号を余弦関数を用いてモデル化し、モニタリング点の位相位置を判定することによって、符号化光手法のストライプをさらに解像することができる。

ライン走査法の事例では、単一の光ストライプが物体上に投影され、ビデオカメラによって記録され、さらなる計算のためにコンピュータに送信される。コンピュータは、三角測量によってストライプの空間位置を計算することができる。物体を完全にまたは部分的に検出するために、ストライプは物体を通り過ぎ、その後コンピュータがフレームを組み立て、物体の空間表現を計算する。ライン走査法は特に、Ｘ線スロット記録技法と良好に組み合わせることができる。

従来の方法に加えて、ＤＬＰ（デジタルライトプロセッシング）投影方法が種々のパターンの投影に使用されてもよい。ＤＬＰは、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（ＴＩ）によって開発され、たとえば、ビデオプロジェクタおよびホームシアタの背面投影型スクリーン、ならびにプレゼンテーションの分野、ならびに、「ＤＬＰ Ｃｉｎｅｍａ」の名称で、デジタル映画の分野について、投射技術の商標として登録されている。

飛行時間法（ＴＯＦ）の事例では、光パルスが物体に向けられ、その後、カメラによって記録される。その後、光が物体に達してから戻るまでに必要とされる時間（ランタイム測定値）がピクセルごとに計算される。測定物体の空間表現が、合計ポイントからもたらされる。

飛行時間測定はまた、超音波法の事例においても行われる。この事例において、超音波が物体に向けられ、その後、受信機によって再び拾われる。超音波が物体に達して戻るまでにかかる時間が測定され、空間表現を計算するのに使用される。

有利には、３次元モデルは、モデルを少なくとも１つのＸ線画像に投影することによって検証される。必要なときには、モデルはこのように反復的に改善することもできる。

本発明の目的は、脊椎動物の骨盤および／または肩腕領域の骨構造および／または脊柱の椎骨の空間位置および向きを判定するためのデバイスによってさらに解決される。デバイスは、
Ｘ線ビーム経路を有するＸ線記録装置と、
表面データを記録するための光学的（すなわち、可視光または赤外光による）記録装置であって、ここで、光学的記録装置は光ビーム経路を有する、光学的記録装置と、
光学経路とＸ線ビーム経路とを重ね合わせるための光学素子とを備える。たとえば、偏光ミラーまたはプリズムの使用が、光学素子として使用されてもよい。

さらに、デバイスは、Ｘ線装置および光学的記録装置の両方を用いた記録を、これら２つの画像が、１秒、好ましくは０．５秒、特に好ましくは０．３、より好ましくは０．１秒、または最も好ましくは０．０５秒の最大Ｘ線記録時間に対応する最大時間間隔だけ分離されるようにトリガするための手段と、
記録されたＸ線画像の少なくとも１つと光学的に得られた表面データとを重ね合わせるための手段と、
光学的に得られた表面データおよび少なくとも１つのＸ線画像から３次元モデルを計算するための手段と
を備える。

記録方法において、両方の測定が、同様または同一の再現可能な幾何学的記録条件、および、したがって正確な姿勢の下で同時に実行されることが極めて重要であり、したがって、正確な姿勢および患者位置が２つの測定結果のために必要とされる。この目的のために、光学測定システムおよびＸ線システムが統合されることが必要である。絶対的に同期的な試験手順が最適であり、両方の測定方法について時間がずれた試験手順は、２つの異なる記録間に患者の位置の感知できるほどの変化がない場合にしか、許容可能でない。表面画像から分かる形状によって、Ｘ線画像の複数の異なる拡大率を計算および補正することができる。２つの画像化技法の技術的に欠陥のない複合（マッチング）はこのようにして可能である。

すべての現行の、従来のＸ線記録システムが、ヒトの骨格の写真を撮影するのに適切である限り、本発明の基礎を形成することができる。Ｘ線装置は、面積が大きい画像記録フォーマットもしくは画像検出器を有するＸ線装置、または、従来のフィルムスクリーン記録技法を使用したＸ線機械、または、線量低減スロット記録技法を使用したＸ線機械であることが好ましい。

画像記録側において、最大４３ｃｍ×４３ｃｍの面積を有する圧倒的に面積が大きい検出器システムが放射線撮影に使用される。これによって、従来のフィルムスクリーン技法は排される。このように、すべての画像結果はデジタル形式で直接利用可能であり、画像処理ソフトウェアが、画像結果の最適化を可能にする。以前は、放射線撮影においてフィルムは露光されていた。患者に対するＸ線量を低減するために、同じく従来通りフィルムを露光させるが、記録あたりのＸ線量は大幅に低減するフィルムシステムが開発された。４３ｃｍ×４３ｃｍの大きな視野が最初に両方の記録技法において露光される。照射される容積に関係する患者の身体の物理状態に応じて散乱放射が形成されるため、必要とされる線量は両方の事例において相対的に高い。この散乱放射は、全放射の最大９０％を表す可能性があり、これは逆に、大きな容積を記録するときは事実上、放射の１０％しか画像化されないことを意味する。

スロット記録技法において、大規模Ｘ線視野の代わりに、細いストライプ画像の形態のスロットを通じてしかＸ線は与えられず、ここで、スロットは身体をトラバースする（走査法）。総記録時間は数秒になる。各走査には小さい身体容積しか含まれず、したがって、望ましくない散乱放射の生成が大いに回避される。これを高感度Ｘ線スロット検出器と組み合わせることによって、Ｘ線量が、従来のプロセスと比較して１０分の１に低減されることが可能になる。スロット記録技法の欠点は、必要とされる記録時間がより長くなること、および、身体のすべての部分に対するシステムの可用性が制限されることにある。

加えて、表面データを記録するための光学的記録デバイスは、好ましくは、３Ｄビデオラスタ立体画法もしくは平均化技法を用いた４Ｄビデオラスタ立体画法、または符号化光手法、または位相シフト法、またはライン走査法、または飛行時間法を使用するものである。

デバイスの特に好適な実施形態において、表面データを記録するための光学的記録デバイスは、３Ｄビデオラスタ立体画法を使用し、以下の追加の構成要素、すなわち、
ａ）光学経路を照明する光源と、
ｂ）光ビーム経路を介して光源によって脊椎動物の背部の脊柱領域上に光ストライプパターンを投影するように適合されているマスクまたはスロットダイヤフラムアレイと、
ｃ）脊椎動物の背部の脊柱領域上のストライプパターンの画像を撮影することができるように、光ビーム経路およびＸ線ビーム経路の共通部分の光軸に垂直に配置される光検出器、たとえば、デジタルカメラと
を備える。

さらに、デバイスが、上述した方法を実行するための手段をさらに備えることが特に好適である。これらはとりわけ、Ｘ線および光学的記録デバイスの測定結果を複合し記録するための手段、Ｘ線画像の拡大率を補正するための手段、少なくとも１つのＸ線画像と光学的に得られた表面データとを重ね合わせ、均一な真幅表現を生成するための手段、および、光学的に得られた表面データおよび少なくとも１つのＸ線画像から骨構造の要素の３次元モデルを計算するための手段を含む。

さらなる詳細および特徴が、従属請求項に関連する好適な実施形態の以下の説明から明らかとなろう。このように、それぞれの特徴は、単独で、またはともに組み合わせて実施されてもよい。本発明の目的を解決するための方法は、これらの実施形態には限定されない。したがって、たとえば、挙げられていないすべての中間値およびすべての想定可能な部分間隔の代わりに、局所的な詳細を含む。

これらの実施形態は図面に概略的に示されている。個々の図面内の同じ参照符号は、同一もしくは機能的に同一の要素、または、互いにそれらの機能に対応する要素を示す。具体的には、図面は以下を示す。

Ｘ線画像における脊柱の骨構造の選択された要素を示す図である。 ヒトの背部の表面データにおける表面構造の特徴的な要素を示す図である。 脊柱の椎骨の向きの判定の図である。 ヒトの背部のデータ面に重ね合わされた、脊柱のモデルを示す図である。 脊柱のモデルの、そのＸ線画像への投影を示す図である。 本発明による方法の一連のさらなる部分の概略図である。 Ｃｏｂｂ角（従来技術）の概略図である。 本発明によるデバイスの一実施形態の概略図である。

本発明によれば、たとえば、人間の脊柱の椎骨の空間位置および向きを判定するために、最初に、脊柱１０の少なくとも一部分の少なくとも１つのＸ線画像が記録される（図１参照）。骨構造の要素の位置が、このＸ線画像において判定される。骨構造のこれらの要素の選択されるもの、特に、背部の表面データを得ることができるものが、本発明に使用される光学的方法または超音波法によって、解剖学的固定点として判定される。そのような選択されるものは、脊柱の椎骨の棘突起２０を含む。可能な場合、脊柱の椎骨の椎弓根が判定される。検出された棘突起２０から棘突起線が形成される。

背部の少なくとも一部分の表面データ３０が、同期的に、すなわち、０．５秒の最大値の一般的な時間間隔で記録される（図２参照）。これは、光学的（可視光または赤外光）方法または超音波法を用いて実施される。好ましくは、３次元ビデオラスタ立体画法がこれに使用される。特徴的な要素、たとえば、脊柱１０の椎骨の棘突起２０の先端によって生じる隆起が、表面データにおいて判定される。この目的のために、表面データの湾曲および対称性が計算され、ヒトの背部の分かっている所定の特性に対して均衡される。表面データ内の特徴的な要素は一般的に、湾曲の極端な値またはゼロ点として見出されるべきである。特徴的な要素の選択されるもの４０は、骨構造のこれらの要素をＸ線写真上で判定することができる限り、根底にある骨構造を推測するために、解剖学的固定点として使用される。

図３において、Ｘ線画像の記録および処理がａ）として指定され、一方、表面データの記録がｂ）として指定される。Ｘ線記録および表面データは解剖学的固定点に基づいて重ね合わされ（図３ｃ）参照）、ここで、均一な真幅表現を得るために、Ｘ線画像は必要に応じて事前にスケーリングされる。白い長方形によって切り抜きが示されており、その拡大図が各切り抜きの直下に示されている。重ね合わせ後、判定された棘突起２０およびＸ線画像からの結果もたらされた棘突起線が３Ｄ表面画像上に画像化され、これは図３においてｃ）として示されている。

脊柱の３次元モデル５０が、骨構造の要素に関する、Ｘ線画像および表面データから得られる情報から計算される（図４参照）。たとえば、椎骨の位置および棘突起の位置から、各椎骨について３つの方位角が判定される。この目的のために、画像化された棘突起を通る断面を観察する（図３ｄ）参照）。図３ｅ）に示すように、この点における法線ベクトルを計算することによって棘突起の向きを計算するために、この断面における表面プロファイルが数学的に判定される。それゆえ、モデルは、椎骨の位置だけでなくそれらの正確な向き（矢状方向、側方、およびそれらの回転、これはＸ線単独からでは不十分にしか判定することができない）を含み、したがって、脊柱および棘突起線５５の全体的な湾曲、ならびに特に、例えば脊柱側弯に関連する変位６０によって生じる脊柱の湾曲を含む。

脊柱１０の計算された３次元モデル５０は、図５に示すように、検証のためにＸ線画像上に投影される。図示されている事例において、投影モデル５０と脊柱１０のＸ線画像との間にずれ７０があるのが分かる。それゆえ、モデルのパラメータに改良を施すべきである。これは通常、脊柱１０のモデル５０の投影が、脊柱のＸ線画像に可能な限り近く一致するまで反復的に行われる。なお残っているずれが、３Ｄ表面測定法による検査の補正係数として使用され得る（すなわち、Ｘ線は用いない）。

そのような補正の判定を図６に示す。Ｘ線記録において、上述のように棘突起線が形成される（図６にａ）として示す）。ここでも、白いボックスが図６ａ）の右に示す拡大した切り抜きを示す。同期して記録された３Ｄ表面データにおいても同様に棘突起線が判定される（図６ｂ）参照）。Ｘ線画像と表面データとの重ね合わせ後、２つの棘突起線が比較され、何らかの差が発生した場合、これは、表面測定法を使用した将来の記録のための補正係数としての役割を果たし得る（ｃ）として示す）。ここでも、白いボックスが図６ｃ）に示す拡大した切り抜きを示す。

とりわけ、脊柱の計算された３次元モデルに基づいて、脊柱側弯角度が計算され得る。これは、その判定が図７に概略的に示されている（Ｓｋｏｌｉｏｓｅ−Ｉｎｆｏ−Ｆｏｒｕｍ．ｄｅによる）有名なＣｏｂｂ角８０の３次元一般化である。最初に、たとえば、脊柱側弯において生じる脊柱の側方湾曲の転換点を形成する２つの移行椎８５が判定される。移行椎の蓋板に与えられる接線９０が交差する角度がＣｏｂｂ角８０である。これは、脊椎側弯を評価するための測度として従来技術において一般的に使用される。脊柱の側方湾曲に加えて、脊柱側弯角度は、存在する可能性のある矢状方向湾曲および垂直方向回転も考慮に入れ、それゆえ、脊柱側弯の評価のより正確な測度である。

本発明によるデバイスの好適な実施形態を図８に示す。図８は、Ｘ線を放出するＸ線管１００を示す。光学経路は鉛絞り１１０によって制限され、それによって、光学経路は画像化角度範囲を越えることができない。さらに、スロットマスク１３０を照明するために光源１２０（一般的にＬＥＤが使用される）が設けられ、それによって、光学フリンジパターンが生成され、光学フリンジパターンは、投影光学素子１４０によってさらに画像化される。偏光ミラー１５０（放射線透過性である）を用いて、光学ビーム経路がＸ線ビーム経路と複合されて、共通のビーム経路１６０が形成される。ストライプパターンが患者１７０の背部上に投影される。光学的記録視野１９０を記録するために、デジタルカメラ１８０がこの共通のビーム経路に垂直に配置され、それによって、三角測量２００が行われる。患者１７０の背後には、大面積Ｘ線検出器２１０がある。ビーム経路の形状のために、光学的データに対してＸ線記録をスケーリングする、またはより正確にはＸ線記録を縮小するための手段も必要とされる（図示せず）。

同様に、身体の他の領域が同じ根拠、すなわち、骨構造の放射線撮影判定を考慮に入れた光学表面測定に基づいて調査されてもよい。この領域は特に、下肢（脚）ならびに肩および腕領域を含む。

１０ 脊柱
２０ 椎骨の棘突起
３０ ヒトの背部の表面データ
４０ 表面データ内の特徴的な要素
５０ 脊柱の３Ｄモデル
５５ 棘突起線
６０ 脊柱側弯による湾曲
７０ モデルと脊柱との間のずれ
８０ Ｃｏｂｂ角
８５ 移行椎
９０ 移行椎に対する接線
１００ Ｘ線管
１１０ 鉛絞り
１２０ 光源
１３０ スロットマスク
１４０ 投影光学素子
１５０ 偏光ミラー
１６０ 共通のビーム経路
１７０ 患者
１８０ デジタルビデオカメラ
１９０ 光学的記録視野
２００ 三角測量
２１０ Ｘ線管

欧州特許第１ ７１８ ２０６号明細書「Ｚｅｉｔａｂｈａｅｎｇｉｇｅ ｄｒｅｉｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｅ Ｍｕｓｋｅｌ−Ｓｋｅｌｅｔｔ−Ｍｏｄｅｌｌｉｅｒｕｎｇ ａｕｆ Ｂａｓｉｓ ｖｏｎ ｄｙｎａｍｉｓｃｈｅｎ Ｏｂｅｒｆｌａｅｃｈｅｎｍｅｓｓｕｎｇｅｎ」

Ｄｏｏｄｙ Ｍ． Ｍ．、Ｌｏｎｓｔｅｉｎ Ｊ．Ｅ．、Ｓｔｏｖａｌｌ Ｍ．、Ｈａｃｋｅｒ Ｄ．Ｇ．、Ｌｕｃｋｙａｎｏｖ Ｎ．、Ｌａｎｄ Ｃ． Ｅ．（２０００）「Ｂｒｅａｓｔ Ｃａｎｃｅｒ Ｍｏｒｔａｌｉｔｙ Ａｆｔｅｒ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ， Ｆｉｎｄｉｎｇｓ Ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｕ．Ｓ． Ｓｃｏｌｉｏｓｉｓ Ｃｏｈｏｒｔ Ｓｔｕｄｙ」（Ｓｐｉｎｅ， Ｖｏｌｕｍｅ ２５： ２０５２−２０６３） Ｄｒｅｒｕｐ Ｂ．、Ｈｉｅｒｈｏｌｚｅｒ Ｅ．（１９８７）「Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎａｔｏｍｉｃａｌ ｌａｎｄｍａｒｋｓ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｃｋ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｂｏｄｙ−ｆｉｘｅｄ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ２０， ９６１−９７０） Ｌｉｌｊｅｎｑｖｉｓｔ Ｕ．、Ｈａｌｍ Ｈ．、Ｈｉｅｒｈｏｌｚｅｒ Ｅ．、Ｄｒｅｒｕｐ Ｂ．、Ｗｅｉｌａｎｄ Ｍ．（１９９８）「Ｄｉｅ ｄｒｅｉｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｅ Ｏｂｅｒｆｌａｅｃｈｅｎｖｅｒｍｅｓｓｕｎｇ ｖｏｎ Ｗｉｒｂｅｌｓａｅｕｌｅｎｄｅｆｏｒｍｉｔａｅｔｅｎ ａｎｈａｎｄ ｄｅｒ Ｖｉｄｅｏｒａｓｔｅｒｓｔｅｒｅｏｇｒａｐｈｉｅ」（Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ ｆｕｅｒ Ｏｒｔｈｏｐａｅｄｉｅ ｕｎｄ ｉｈｒｅ Ｇｒｅｎｚｇｅｂｉｅｔｅ， Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ ［ｕ．ａ．］， Ｔｈｉｅｍｅ， Ｖｏｌ． １３６， Ｎｏ． １， ｐ． ５７−６４） Ｈａｃｋｅｎｂｅｒｇ Ｌ．（２００３）「Ｓｔｅｌｌｅｎｗｅｒｔ ｄｅｒ Ｒｕｅｃｋｅｎｆｏｒｍａｎａｌｙｓｅ ｉｎ ｄｅｒ Ｔｈｅｒａｐｉｅ ｖｏｎ Ｗｉｒｂｅｌｓａｅｕｌｅｎｄｅｆｏｒｍｉｔａｅｔｅｎ」（Ｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｓｓｃｈｒｉｆｔ ｚｕｒ Ｅｒｌａｎｇｕｎｇ ｄｅｒ Ｖｅｎｉａ Ｌｅｇｅｎｄｉ ｆｕｅｒ ｄａｓ Ｆａｃｈ Ｏｒｔｈｏｐａｅｄｉｅ ａｎ ｄｅｒ Ｗｅｓｔｆａｅｌｉｓｃｈｅｎ Ｗｉｌｈｅｌｍｓ−Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔａｅｔ Ｍｕｅｎｓｔｅｒ）

Claims (14)

1. 脊椎動物（１７０）の骨盤および／または肩腕領域の骨構造および／または脊柱（１０）の椎骨の空間位置および向きを判定するための方法であって、
   ａ）前記脊柱（１０）および／または前記骨盤および／または前記肩腕領域の少なくとも一部の少なくとも１つのＸ線画像を記録するステップと、
   ｂ）光学的方法または超音波方法によって脊椎動物の背部の少なくとも一部の表面データ（３０）を記録するステップと、
   ｃ）ここで、ステップａ）およびステップｂ）は、１秒の最大間隔で行われ、
   ｄ）前記Ｘ線画像によって、骨構造（２０）の要素の位置を判定するステップと、
   ｅ）前記表面データにおける表面構造の特徴的な要素（４０）の位置を判定するステップと、
   ｆ）前記骨構造の要素の位置を、前記表面構造の前記特徴的な要素の位置から推論するステップと、
   ｇ１）前記少なくとも１つのＸ線画像および前記表面データから前記骨構造の一致する要素を解剖学的固定点として判定するステップ、または
   ｇ２）前記脊椎動物の前記背部上のマーカによって解剖学的固定点を判定するステップであって、前記マーカは、前記表面データ内および放射線写真上の両方で見えるように選択されるものである、ステップと、
   ｈ）前記解剖学的固定点を用いて前記少なくとも１つの記録されたＸ線画像および前記表面データを重ね合わせるステップと、
   ｉ）前記表面データおよび前記少なくとも１つのＸ線画像から前記骨構造の要素の３次元モデル（５０）を計算するステップであって、ここで、前記３次元モデルは、
   ｉ１）前記椎骨および／もしくは前記骨盤の位置、ならびに／または
   ｉ２）前記脊柱および／もしくは棘突起（５５）の湾曲、ならびに／または
   ｉ３）個々の前記椎骨および／もしくは前記骨盤の向き、ならびに／または
   ｉ４）前記肩腕領域の前記骨構造の位置および向き
   を含むものである、ステップと
   を含む、方法。
2. 前記骨構造の要素として、
   ａ）前記脊柱の前記椎骨の棘突起（２０）および椎弓根、ならびに／または
   ｂ）仙骨、腸骨の上端と上前腸骨棘および／もしくは上後腸骨棘、ならびに／または
   ｃ）鎖骨および肩鎖関節、ならびに／または
   ｄ）肩甲骨、ならびに／または
   ｅ）肩甲骨端部が判定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記表面データ内の前記特徴的な要素（４０）は表面特性の分析によって判定され、前記分析は
   ａ）前記表面データにおける湾曲および／または対称性が計算され、
   ｂ）前記湾曲および／または対称性の計算は、特定の所定の条件を満たすことを含み、前記条件は少なくとも、
   ｂ１）前記表面の前記湾曲または前記対称性のいずれかを記述し、
   ｂ２）前記脊柱の前記椎骨の相対位置、湾曲、ねじれまたは等距離のいずれかを記述することを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の方法。
4. ａ）前記少なくとも１つのＸ線画像がスケーリングされ、
   ｂ）前記表面データおよびＸ線データの均一な真幅表現が生成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 少なくとも光学的または超音波記録がさらに実施され、これらの測定の結果は先行するデータと複合されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記記録はまったく光学的のみであるか、または超音波のみを用いて実施されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記脊柱の前記椎骨の位置および向きに関するデータは、脊柱側弯角度を判定するために使用されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記表面データの記録は、
   ａ）３Ｄビデオラスタ立体画法、または
   ｂ）平均化技法を用いた４Ｄビデオラスタ立体画法、または
   ｃ）符号化光手法、または
   ｄ）位相シフト法、または
   ｅ）ライン走査法、または
   ｆ）飛行時間法、または
   ｇ）超音波法によって実施されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記３次元モデルは、前記モデルを前記少なくとも１つのＸ線写真（７０）に投影することによって検証されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 脊椎動物（１７０）の骨盤および／または肩腕領域の骨構造および／または脊柱（１０）の椎骨の空間位置および向きを判定するためのデバイスであって、
    ａ）Ｘ線ビーム経路を有するＸ線記録デバイス（１００および２１０）と、
    ｂ）表面データ（３０）を記録するための光ビーム経路を有する光学的記録デバイス（１２０〜１８０）と、
    ｃ）前記光ビーム経路と前記Ｘ線ビーム経路（１６０）とを重ね合わせるための光学素子（１５０）と、
    ｄ）前記Ｘ線記録デバイスおよび前記光学的記録デバイスの両方の記録を、これら２つの記録が、１秒の最大時間間隔で行われるようにトリガするための手段と、
    ｅ）前記記録された少なくとも１つのＸ線画像と前記光学的に得られた表面データ（３０）とを重ね合わせるための手段と、
    ｆ）前記光学的に得られた表面データ（３０）および前記少なくとも１つのＸ線画像から３次元モデル（５０）を計算するための手段と
    を備える、デバイス。
11. 前記Ｘ線記録デバイスは、
    ａ）大面積検出器（２１０）を有するＸ線装置、または
    ｂ）従来のフィルムスクリーン記録技法を使用したＸ線機械、または
    ｃ）線量低減スロット記録技法を使用したＸ線機械
    を含むことを特徴とする、請求項１０に記載のデバイス。
12. 前記表面データ（３０）を記録するための前記光学的記録デバイスは、
    ａ）３Ｄビデオラスタ立体画法、または
    ｂ）平均化技法を用いた４Ｄビデオラスタ立体画法、または
    ｃ）符号化光手法、または
    ｄ）位相シフト法、または
    ｅ）ライン走査法、または
    ｆ）飛行時間法
    を使用することを特徴とする、請求項１０または１１のいずれか一項に記載のデバイス。
13. 前記表面データ（３０）を記録するための光学的記録デバイスは、３Ｄビデオラスタ立体画法を使用し、以下の追加の構成要素、すなわち、
    ａ）前記光学経路を照明する光源（１２０）と、
    ｂ）前記光学経路を介して前記光源によって脊椎動物の背部の脊柱領域上に光ストライプパターンを投影するように適合されているマスク（１３０）、またはスロットダイヤフラムアレイと、
    ｃ）前記脊椎動物（１７０）の背部の脊柱領域上の前記光ストライプパターンの画像を撮影することができるように、前記光学経路および前記Ｘ線ビーム経路（２００）の共通部分（１６０）の光軸に垂直な光検出器（１８０）と
    を含むことを特徴とする、請求項１０から１２のいずれか一項に記載のデバイス。
14. 請求項１から９のいずれか一項に記載の方法を実施するための手段を含むことを特徴とする、請求項１０から１３のいずれか一項に記載のデバイス。

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