JP6311096B2 - 角度計測システム及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、人工関節置換術や骨切り術において、対象患者の患部周辺の角度を正確に計測するための角度計測システム及びプログラムに関する。

楔開き骨切り術では、骨内を通る切り込み面と当該切り込み面に沿って形成される切り込みを終端させるための境界線とを特定するための特定装置を含む、楔状開口を形成するための装置及び方法が提供されている。（例えば、特許文献１）

特開２００８−５２９６０７号公報

上記特許文献では、楔開き骨切り術のために正確な切り込み面を形成するための技術について記載しているが、切り込みを形成した後、計画した通りの正確な楔開き角度をどのように再現してから楔形インプラントを挿入するか、あるいはプレート等の内固定材料を固定する技術については何ら記載されていない。

一方で、人工関節置換術などの施術においては、術前、術中、及び術後のいずれにおいても、患者の関節部を形成する２つの骨の関節部の相対的な角度、及び骨に対する人工関節の設置角度を正確に把握することが非常に重要となるが、関節の部位や患者の姿勢により、実際に正確な計測を行なうのは難しい。

例えば、股関節の可動域の角度をゴニオメータなどを用いて計測する場合、通常は屈曲角度、内外転角度、及び内外旋角度の３種類について、正確を期してそれぞれ複数回の計測を行なうのが常であり、患者及び医師の双方にとって大変煩雑で負担が大きい。

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、関節部分の角度をより正確、且つ簡易に計測することが可能な角度計測システム及びプログラムを提供することにある。

本発明の一態様は、３次元空間中での姿勢角度をそれぞれ独立して検出する第１及び第２の角度計測装置と、上記第１及び第２の角度計測装置が検出した姿勢角度を取得する取得手段、上記取得手段で取得した上記第１及び第２の角度計測装置の各姿勢角度から相対的な角度を算出する算出手段、及び上記算出手段で算出する時系列上の複数の相対的角度を出力する出力手段を備えた演算出力装置と、上記第１及び第２の角度計測装置間を伸縮自在に接続し、且つその一方との取付け角度を回動自在に可変して、両角度計測装置間の距離を検出する距離計測装置とを具備し、上記演算出力装置では、上記取得手段は、上記距離計測装置が検出した距離を合わせて取得し、上記出力手段は、上記算出手段で算出する時系列上の複数の相対的角度を上記距離計測装置が検出した距離と合わせて出力することを特徴とする。

本発明によれば、関節部分の角度をより正確、且つ簡易に計測することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る股関節の可動域の角度を計測する場合の角度計測システムの使用環境を示す図。 同実施形態に係る姿勢センサの回路構成を示すブロック図。 同実施形態に係る姿勢センサで検出する３軸方向の姿勢角度を説明する図。 同実施形態に係るＰＣが実行する角度検出動作の処理内容を示すフローチャート。 同実施形態の変形例に係る姿勢センサと距離センサの外観構成を示す斜視図。 同実施形態の変形例に係るＰＣが実行する角度と距離の検出動作の処理内容を示すフローチャート。 同実施形態の変形例に係る楔開き骨切り術での適用例を示す図。

（一実施形態）
以下、本発明を角度計測システムに適用した一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

［構成］
図１は、股関節の可動域の角度を計測する場合の同システムの使用環境を示す図である。ここでは、側臥位となる患者ＣＬの骨盤の背面側、仙骨に相当する位置に沿って外面より姿勢センサ１１を粘着テープ等により貼付すると共に、右大腿部の前側略中央に、大腿骨に沿ってもう一方の姿勢センサ１２を同じく粘着テープ等により貼付する。

ここで、姿勢センサ１１，１２がそれぞれ図示する如く直方体状のケーシングを有し、且つその長手方向に沿ったガイドロッド１１ａ，１２ａを突出した構成とする。姿勢センサ１１のガイドロッド１１ａを、患者ＣＬの仙骨の軸方向と略一致するように姿勢センサ１１を位置させる。一方、姿勢センサ１２のガイドロッド１２ａを、患者ＣＬの大腿骨の軸方向と略一致するように位置させる。

これら姿勢センサ１１，１２での検出出力を、例えば近距離無線通信規格であるＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）（以下「ブルートゥース」）での無線通信技術で接続されたパーソナルコンピュータ（以下「ＰＣ」）１３が受信して記録する。
このＰＣ１３には、姿勢センサ１１，１２からの検出出力を取得して、その相対的角度を算出し、記録するためのアプリケーションプログラムが予めインストールされている。

図２は、上記姿勢センサ１１，１２の機能回路の構成を示すブロック図である。
同図で姿勢センサ１１（１２）は、制御部２１を中心として、この制御部２１とバス２２を介して３軸加速度センサ部２３、キースイッチ部２４、及びブルートゥース通信部２５を接続して構成される。

なお、上記３軸加速度センサ部２３に代えて、ジャイロセンサや地磁気センサ、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を用いるものとしてもよい。

制御部２１は、ＣＰＵとそのワークメモリとしてのＲＡＭ、及び動作プログラム等を記憶した不揮発性のフラッシュメモリで構成され、この姿勢センサ１１（１２）内の動作全般の制御を司る。

３軸加速度センサ部２３は、この姿勢センサ１１（１２）に加わる、互いに直交する３軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の加速度を、重力加速度も含めて検出し、検出信号をデジタル化して制御部２１へ出力する。

図３に示すように本実施形態では、直方体状の姿勢センサ１１（１２）の筐体長手方向、ガイドロッド１１ａ（１２ａ）に沿った方向をＺ軸、姿勢センサ１１（１２）を患者ＣＬの体表面に沿って設置した際に、同体表平面と平行し、上記Ｚ軸と直交する方向をＸ軸、患者ＣＬの体表面と直交する方向をＹ軸とする。

キースイッチ部２４は、この姿勢センサ１１（１２）の電源をオン／オフするスイッチ機能に加えて、ユーザが意図した計測点で出力データにマーキングするマーカ機能を備える。

ブルートゥース通信部２５は、アンテナ２６を介してＰＣ１３とブルートゥース規格に則ったデータの送受を行なうことで、ＰＣ１３の制御の下にその時点で検出した姿勢角度の情報をＰＣ１３へ送出する。
なお、ＰＣ１３は、後述する角度計測用のアプリケーションプログラムをインストールしている点を除き、ハードウェア構成等はきわめて一般的な周知の技術で実現可能であるため、構成の図示と説明とを省略する。

［動作］
次に上記実施形態の動作について説明する。
計測動作を行なう前には、予めＰＣ１３と姿勢センサ１１，１２とのペアリング設定を完了しておくことにより、ＰＣ１３がマスタ機、姿勢センサ１１，１２が共にスレーブ機として、これらの間で例えばクラス２（１０［ｍ］以内）の範囲内でのデータの送受信が可能となる。

図４は、上記図１で示したように患者ＣＬに姿勢センサ１１，１２を設置した状態で、ＰＣ１３が実行する角度計測用アプリケーションプログラムの処理内容を示すフローチャートである。具体的には、ＰＣ１３内のＣＰＵが、記憶媒体である、例えばハードディスク装置に記憶された当該アプリケーションプログラムを読出してメインメモリ上に展開して、以下の動作を実行する。

処理当初にＰＣ１３のＣＰＵは、計測の終了を指示する操作がなされたか否かを判断する（ステップＳ１０１）。ここでまだ終了を指示する操作がなされていないと判断すると、次に予め設定された計測タイミングとなったか否かを判断し（ステップＳ１０２）、まだ計測タイミングとなっていない場合には、再びステップＳ１０１からの処理に戻る。

こうしてステップＳ１０１，Ｓ１０２の処理を繰返し実行することで、終了を指示する操作がなされるか、計測タイミングとなるのを待機する。

計測タイミングは、ＰＣ１３のユーザが任意に変更して設定することが可能であり、ここでは例えば０．５［秒］周期で行なうことを予め設定しているものとする。

設定した計測タイミングとなったことを上記ステップＳ１０２で判断すると、ＣＰＵはスレーブ機である姿勢センサ１１，１２に対してそれぞれその時点での姿勢角度の情報を検出して送信するように要求し、その要求に応じて姿勢センサ１１，１２から送信されてくる姿勢角度の情報を取得する（ステップＳ１０３）。

ＰＣ１３のＣＰＵは、取得した姿勢センサ１１，１２の各姿勢角度の情報に基づき、姿勢センサ１１の姿勢角度を基準として３次元空間内での姿勢センサ１２の相対的な角度を算出し（ステップＳ１０４）、算出した角度情報をその時点の時刻情報とともに記録した後（ステップＳ１０５）、再び上記ステップＳ１０１からの処理に戻る。

こうして、予め設定した周期の計測タイミング毎に、姿勢センサ１１，１２から取得した姿勢角度情報から、相対的な角度情報を算出して記録し続ける。

そして、計測の終了を指示する操作がなされると、その時点でＰＣ１３がステップＳ１０１により終了を判断し、それまでに記録し続けていた一連の角度情報を１つのデータファイルとして取り纏めて記録し直した後、この図４の処理を終了する。

［作用効果］
このように本実施形態によれば、計測動作時に患者ＣＬの股関節の角度を任意に可変するようガイドするだけで、記録動作自体はＰＣ１３側で自動的に継続して実行されるため、股関節部分の角度を骨盤を基準としてより正確に、且つ簡易に計測することが可能となる。

なお、上記図４で説明した相対的な各角度情報の記録に際し、角度計測中の患者ＣＬの状態に応じて、ユーザがＰＣ１３で同時に所定のキー操作を行なうことにより、角度情報と共にマーカ情報を合わせて記録することができるものとしてもよい。
これにより、患者ＣＬの股関節に対する、屈曲／内外転／内外旋の限界状態あるいは中立状態と思われる時点を記録上でマーキングすることができる。

（一実施形態の変形例）
以下、本発明の一実施形態の変形例についても図面を参照して詳細に説明する。

［構成］
上記図１で説明した姿勢センサ１１，１２に加えて、図５に示す距離センサ３１を用いる。

図５において、距離センサ３１は、第１ベース部３１ａに貫装された円柱状のスライド部３１ｂの軸方向に沿った移動量を距離情報として検出する、テレスコープ機構を有する。第１ベース部３１ａには姿勢センサ１１が固定的に設置される。

また、スライド部３１ｂの先端は、ボールジョイント３１ｃを介して第２ベース部３１ｄと回動自在に接続される。第２ベース部３１ｄには姿勢センサ１２が固定的に設置される。

第１ベース部３１ａと第２ベース部３１ｄの相対向する各端側面には、骨関節部に各ベース部を固定するための中空状の各一対のパラレルガイド３１ｅ，３１ｆが設けられる。これらパラレルガイド３１ｅ，３１ｆは、骨切り面を挟んで第１ベース部３１ａと第２ベース部３１ｄとをそれぞれ骨関節部に固定するべく、図示しないピンを貫通させるために設けられる。

なお、上記距離センサ３１の機能回路の構成については、上記図２における３軸加速度センサ部２３に代えて、距離情報を検出する、上記テレスコープ機構による検出部が設けられる点を除いて、ほぼ同様であるため、その図示と説明とを省略する。

このテレスコープ機構による検出部では、第１ベース部３１ａに内装されたコイル内をスライド部３１ｂが移動することにより変化する電圧値を検出し、デジタル化して距離情報として出力するものである。

［動作］
次に上記実施形態の変形例の動作について説明する。
計測動作を行なう前には、予めＰＣ１３と姿勢センサ１１，１２、及び距離センサ３１とのペアリング設定を完了しておくことにより、ＰＣ１３がマスタ機、姿勢センサ１１，１２、及び距離センサ３１が共にスレーブ機として、これらの間で例えばクラス２（１０［ｍ］以内）の範囲内でのデータの送受信が可能となる。

また、ここでは脛骨膝関節の楔開き骨切り術を実行する場合を例にとって示す。この手術前の計画において、正確な切り込み面の設定、及び切り込み後の楔開き角、及び距離センサ３１固定状態での姿勢センサ１１，１２間の距離を、予め３次元画像処理プログラムにより患者の骨形状データから算出して記憶しておくものとする。

図６は、脛骨膝関節で術前計画通りに正確に切り込み面を形成し、上記図５で示した、姿勢センサ１１，１２を一体に設けた距離センサ３１を、当該膝関節に設置した状態から開始する、ＰＣ１３が実行する角度計測用アプリケーションプログラムの処理内容を示すフローチャートである。

図７は、距離センサ３１の設置対象である脛骨ＴＢの術中の状態を示す。図中の波線で示す部分が、切り込み面を形成した直後の（楔開きする前の）、膝関節顆間隆起近傍の外形を示す。なお、第１ベース部３１ａ側のパラレルガイド３１ｅの一対の取付け位置と、第２ベース部３１ｄ側のパラレルガイド３１ｆの一対の取付け位置とを図中に示すことで、脛骨ＴＢに対して設置した距離センサ３１自体の記載は説明のために意図的に図示しないものとする。

処理当初にＰＣ１３のＣＰＵは、術前計画で予め決定した姿勢センサ１１，１２の相対的な３次元空間内での角度情報と、姿勢センサ１１，１２間の距離情報とを読出す（ステップＳ２０１）。

次に予め設定された計測タイミングとなるのを待機するし（ステップＳ２０２）。

計測タイミングは、ＰＣ１３のユーザが任意に変更して設定することが可能であり、ここでは例えば１［秒］周期で行なうことを予め設定しているものとする。

設定した計測タイミングとなったことを上記ステップＳ２０２で判断すると、ＣＰＵはスレーブ機である姿勢センサ１１，１２、及び距離センサ３１に対してそれぞれその時点での姿勢角度の情報、及び距離情報を検出して送信するように要求し、その要求に応じて姿勢センサ１１，１２、及び距離センサ３１から送信されてくる姿勢角度の情報、及び距離情報を取得する（ステップＳ２０３）。

ＰＣ１３のＣＰＵは、取得した姿勢センサ１１，１２の各姿勢角度に基づき、姿勢センサ１１の姿勢角度を基準として３次元空間内での姿勢センサ１２の相対的な角度を算出し（ステップＳ２０４）、算出した角度情報と距離情報とを、上記ステップＳ２０１で読出した術前計画での同情報と比較することでその類似度を算出する（ステップＳ２０５）。

そして、算出した類似度に応じた音程及び断続間隔のパルス状のビープ音を拡声出力することで報知した後（ステップＳ２０６）、再び上記ステップＳ２０２からの処理に戻る。

上記ステップＳ２０６で出力するパルス状のビープ音は、例えば類似度が上がる毎に音程を上げ、且つ断続間隔を短縮するように設定しておく。

上記ステップＳ２０２〜Ｓ２０６の処理を繰返しながら、施術者が脛骨ＴＢ膝関節の顆間隆起がある近位側を徐々に開いていく操作を行なうことで、図７中にハッチングで示すような楔状の開口部分ＯＰが徐々に大きくなるので、姿勢センサ１１に対する姿勢センサ１２の相対角度が大きくなり、また合わせて姿勢センサ１１に対する姿勢センサ１２の距離も大きくなる。

したがって、上記ステップＳ２０６での報知により出力されるビープ音の音程は徐々に上がり、且つ断続間隔が短縮されることになる。

そして、類似度が１００［％］となった時点、すなわち術前計画通りの楔開き状態が実現できた状態で、ステップＳ２０６で報知されるビープ音は、設定した最高の音程、且つ連続音となる。

そのため、施術者は、ＰＣ１３から報知されるビープ音を聞きながら施術を続行することで、術前計画通りの楔開き状態を実現できることになる。

［作用効果］
このように本実施形態の変形例によれば、相対的な角度のみならず距離の情報も加味して関節部分に対する操作をより正確、且つ簡易に把握することができる。

加えて上記実施形態の変形例では、施術時に術前計画との類似度に応じた報知を行なうことで、術前計画通りの関節部分に対する操作を実現できる。

なお、上記実施形態、及びその変形例において、姿勢センサ１１，１２を用いて股関節や膝関節の角度を計測する場合について説明したが、本発明は関節を限定することなく、人体を構成する他の各種関節についても同様に適用することが可能である。さらに姿勢センサ１２を人工関節用手術器械等の手術器具に装着することで３次元的な手術計画を誘導する手術ナビゲーション装置としての操作を実現できる。

その他、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上述した実施形態で実行される機能は可能な限り適宜組み合わせて実施しても良い。上述した実施形態には種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件による適宜の組み合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、効果が得られるのであれば、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１１，１２…姿勢センサ、１１ａ，１２ａ…ガイドロッド、１３…パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、２１…制御部、２２…バス、２３…３軸加速度センサ部、２４…キースイッチ部、２５…ブルートゥース通信部、２６…アンテナ、３１…距離センサ、３１ａ…第１ベース部、３１ｂ…スライド部、３１ｃ…ボールジョイント、３１ｄ…第２ベース部、３１ｅ，３１ｆ…パラレルガイド、ＴＢ…脛骨膝関節部。

Claims (3)

1. ３次元空間中での姿勢角度をそれぞれ独立して検出する第１及び第２の角度計測装置と、
   上記第１及び第２の角度計測装置が検出した姿勢角度を取得する取得手段、上記取得手段で取得した上記第１及び第２の角度計測装置の各姿勢角度から相対的な角度を算出する算出手段、及び上記算出手段で算出する時系列上の複数の相対的角度を出力する出力手段を備えた演算出力装置と、
   上記第１及び第２の角度計測装置間を伸縮自在に接続し、且つその一方との取付け角度を回動自在に可変して、両角度計測装置間の距離を検出する距離計測装置と
   を具備し、
   上記演算出力装置では、
   上記取得手段は、上記距離計測装置が検出した距離を合わせて取得し、
   上記出力手段は、上記算出手段で算出する時系列上の複数の相対的角度を上記距離計測装置が検出した距離と合わせて出力する
   ことを特徴とする角度計測システム。
2. 上記演算出力装置は、
   術前の計画で得た相対的な角度を記憶する術前計画記憶手段と、
   上記算出手段で算出する相対的な角度を上記術前計画記憶手段で記憶した内容と比較してその類似度を演算する演算手段と、
   上記演算手段で得た類似度に応じた報知を行なう報知手段と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の角度計測システム。
3. ３次元空間中での姿勢角度をそれぞれ独立して検出する第１及び第２の角度計測装置からの検出出力と、上記第１及び第２の角度計測装置間を伸縮自在に接続し、且つその一方との取付け角度を回動自在に可変して、両角度計測装置間の距離を検出する距離計測装置からの検出出力とを入力する装置が内蔵したコンピュータが実行するプログラムであって、
   上記第１及び第２の角度計測装置が検出した姿勢角度と上記距離計測装置が検出した距離とを取得する取得ステップと、
   上記取得ステップで取得した上記第１及び第２の角度計測装置の各姿勢角度から相対的な角度を算出する算出ステップと、
   上記算出ステップで算出する時系列上の複数の相対的角度を上記距離計測装置が検出した距離と合わせて出力する出力ステップと、
   を有したことを特徴とするプログラム。

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