JP6492075B2 - 骨の病理学的変形を治療するために外科的切除計画を作成する方法 - Google Patents

骨の病理学的変形を治療するために外科的切除計画を作成する方法 Download PDF

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Description

本発明は、骨の実質的に半球状の窩と境界を接する縁を有する骨の病理学的変形を治療するために外科的切除計画を作成する方法に関する。
寛骨臼(acetabulum)は、大腿骨骨頭を受容する実質的に半球状の窩(cavity)を含む骨盤の一部分であり、大腿骨骨頭(femoral head)は、これに対応する実質的に球状の形状を有し、股関節を形成する。
寛骨臼の実質的に半球状の窩は、3D曲線を有する寛骨臼の縁と境界を接している。
場合によっては、寛骨臼は、実質的に半球状の窩に対する寛骨臼の被覆が過剰又は過少になることにより起きる変形に罹患する可能性がある。
寛骨臼の被覆が過剰であると、ピンサー型の損傷(pincer lesion)である大腿寛骨臼インピンジメント(FAI:femoro-acetabular impingement)の原因となり、股関節の可動域に制限が生じ、寛骨臼と大腿骨との衝突を引き起こす。
反対に、寛骨臼の被覆が過少であると、股関節の安定性の欠如をもたらす股関節形成不全の原因となる。
寛骨臼の過少被覆(すなわち、股関節形成不全)、及び過剰被覆(すなわち、大腿寛骨臼インピンジメント(FAI)におけるピンサー型の損傷)を治療する外科的介入は、整形外科分野において益々一般的な手技となった。
特に、ピンサー型の損傷は、関節鏡アプローチ又は開腹的アプローチを用いて、過剰被覆が検出された縁領域内の寛骨臼の一部分を切除することにより治療されうる。
股関節形成不全は、多くの場合、寛骨臼周囲の骨切り術(PAO)又は股関節全置換術により外科的に治療される。
しかし、寛骨臼被覆率を評価する現在の診断法は、従来型の2D X線投射画像又はシングルCT/MRIスライスに主に基づいており、寛骨臼変形に関する3Dの本質をうまく認識できない。
寛骨臼被覆率の最も一般的なX線測定は、横方向の中心端部角(center-edge angle)(CE角)であり、縁R沿いに1箇所、すなわち図1Aに示すように最も外側のポイントについてのみ寛骨臼被覆率を測定する。
またクロスオーバーサインも、臼蓋縁が前方に過剰に被覆している症例を識別するのに用いられる。
図1Bは、寛骨臼の2D X線画像上でのクロスオーバーサインCOの測定の例に例示する。
しかし、クロスオーバーサインは、後方の縁に対する前方の縁の性質的な説明を提供するのみである。
更に、様々なその他の指標、例えば寛骨臼の傾斜等は、寛骨臼の形態評価の見地から用いられてきたが、但しこの指標は、寛骨臼全体にわたり、その周辺の3D病理学的被覆率を決定する客観的方法を提供することができない。
寛骨臼被覆率を評価するのに用いられてきた別の方法は、3D医学画像、例えばCT又はMRI医学画像等から生成した3Dレンダリングに基づく。
かかる方法は、寛骨臼形態の3D表面モデルを作成する画像のセグメンテーションに基づく。
外科医は、次に手術が適するかどうか判断し、もし適する場合には、ピンサー型FAIの症例において、寛骨臼の縁のどこをどのくらい切除するかおよそ見当をつけるために、寛骨臼被覆率について定性的目視評価を実施することができる。
しかし、このような寛骨臼被覆率の目視評価法は極めて主観的であり、外科医の経験及び3D画像解釈に依存する。
したがって、現在のところ、外科医にとって、3D寛骨臼形態を評価する方法、及び寛骨臼の縁に沿って修正する骨の範囲と量の両方を正確に識別することができるような患者固有の術前計画を作成する方法は存在しない。
したがって、術前の3D寛骨臼形態評価技術が不適切であり、その直接的な結果に起因して、多くの患者は、その寛骨臼の病理について不必要な、不十分な、過剰に侵攻的な外科治療を受ける。
類似した問題は、寛骨臼と同様に、縁と境界を接している実質的に半球状の窩を有する骨、例えば肩の関節窩でも発生する可能性がある。
したがって、本発明の目的は、上記問題を克服し、実質的に球状の窩と境界を接する縁を有する骨の病理的変形を治療する外科的切除計画を作成する方法を提供することにある。
(Cobb 2010) Justin Cobb et al, "Cams and Pincer Impingement Are Distinct, Not Mixed: The Acetabular Pathomorphology of Femoroacetabular Impingement", Clinical Orthopaedics and Related Research, vol. 468, no. 8, 30 April 2010
本発明は、骨の実質的に半球状の窩と境界を接する縁を有する骨の病理学的変形を治療する外科的切除計画を作成する方法であって、
- 前記骨の一連の3D医学画像を取得するステップと、
- 前記3D医学画像から、患者参照画像内の前記実質的に半球状の窩の中心、前記中心から延在し、前記実質的に半球状の窩の開口面に対して概して垂直な縁の軸、前記縁及び縁に沿って位置する複数のポイントに割り振られた円周座標系(circumferential coordinate system)を含む、患者の解剖学的ランドマークデータを定義するステップと、
- 前記患者の解剖学的ランドマークデータから、縁に割り振られた円周座標系内で、縁に沿った複数のポイントにおいて実質的に半球状の窩に関して、骨の被覆パラメーターを表す複数のポイントを含む3D患者被覆曲線を決定するステップであって、前記縁の複数のポイント毎に、前記被覆パラメーターが、(i)縁の軸と、(ii)実質的に半球状の窩の中心と各縁ポイントをつなぐ半径との間の被覆角度から算出されるステップと、
- 参照縁形態に対応する参照データを取得するステップであって、前記データが3D参照被覆曲線を含むステップと、
- 3D患者被覆曲線と3D参照被覆曲線とを比較するステップと、
- ・前記一連の3D画像から、少なくとも縁を含む骨の部分の3D表面モデル、及び
・3D参照被覆曲線から、3D参照縁形態モデル
を作成するステップと、
- 骨の仮想的切除部分を算出して、これを、過剰に被覆された骨部分の除去をシミュレーションするために、3D表面モデル上に表示するステップと
を含む、方法を提供する。
前記3D参照被覆曲線は、下記のステップ:
- コホートの対象毎に、
・前記骨の一連の3D医学画像を取得し、前記3D医学画像から、患者参照画像内の前記実質的に半球状の窩の中心、縁の軸、前記縁及び縁に沿って位置する複数のポイントに割り振られた円周座標系を含む、患者の解剖学的ランドマークデータを定義し、
・縁に沿った複数のポイントにおいて、実質的に半球状の窩に関して、骨の被覆パラメーターを測定するステップと、
- コホートに関して、前記縁に沿った複数のポイント毎に、測定された被覆パラメーターを平均化するステップと、
- 前記縁に沿った複数のポイントにおいて、平均被覆パラメーターに基づき、縁の円周座標系内で3D参照被覆曲線を構築するステップと
を実施することにより、前記病理を有さない対象のコホートから有利に決定される。
一実施形態によれば、本方法は、当該コホートについて、縁に沿った複数のポイント毎に、被覆パラメーターの標準偏差を計算するステップと、前記縁に沿った複数のポイントにおいて、平均被覆パラメーター及び標準偏差に基づき、縁の円周座標系内で、3D参照被覆曲線を構築するステップとを更に含む。
一実施形態によれば、3D参照被覆曲線が、3D参照被覆曲線のデータベースから選択され、各3D参照被覆曲線は、対象の決められた母集団に割り振られる。
本方法は、3D表面モデル及び前記3D表面モデルに適合させた3D参照縁形態モデルを表示するステップを更に含みうる。更に、本方法は、3D表面モデルに関して、3D参照縁形態モデルの位置及び/又は向きを相互に調整するステップを更に含みうる。
一実施形態によれば、本方法は、3D参照縁形態モデルに関して、過剰に被覆された又は過少に被覆された3D表面モデルの領域を表示するステップを含む。
有利には、本方法は、決められた偏差範囲内に参照被覆率を調整するために、グラフィカルインターフェースのカーソル操作により、前記仮想的切除部分を相互に調整するステップを更に含みうる。
仮想的切除部分の算出は、切除される表面と切除されない表面との間に平滑な移行を作成するステップを有利に含みうる。
一実施形態によれば、本方法は、カラースケールを用いて、前記仮想的切除部分を表示するステップであって、切除部分の異なる深度が異なる色で表されるステップを含む。
好ましくは、本方法は、3D表面モデルに関して、3D参照縁形態モデルの位置及び/又は向きを相互に調整するステップを含む。
一連の3D画像は、CT画像、MR画像、及び/又は超音波画像を含みうる。
有利には、縁に割り振られた円周座標系は、時計文字盤式参照座標系(clock-face referential coordinate system)又は極座標系の角座標である。
一実施形態によれば、縁の軸は、実質的に半球状の窩を含む骨の中央から横方向の解剖学上の軸である。
或いは、縁の軸は、実質的に半球状の窩の開口面に対して垂直である。
好ましい実施形態によれば、骨は寛骨臼であり、また病理は、ピンサー型大腿寛骨臼インピンジメントである。
次に、被覆パラメーターは、縁の軸と、半球状の窩の中心と縁のポイントとを結ぶ半径との間の被覆角度から求められ、縁の軸を含む画像スライスにおいて測定されるのが好ましい。
一実施形態によれば、被覆パラメーターは、被覆角度を180°で割ることにより、百分率として表される。
半球状の窩の中心は、大腿骨骨頭の中心又は寛骨臼中心でありうる;縁の軸は、骨盤の中央から横方向の軸又は寛骨臼の開口面に対して垂直の軸でありうる。
好ましい実施形態によれば、縁の軸は、患者の左側及び右側大腿骨骨頭の中心を結ぶ軸として定義される。
本発明の別の目的は、適するシステムにロードされ実行されると、上記のような外科的切除計画を作成する方法のステップを実施する、コンピューター読み取り可能インストラクションを含むコンピュータープログラム製品である。
前記コンピュータープログラム製品は、任意の物理的サポート、例えばCD-ROMのメモリー等上にあり得る。
本発明のその他の特徴及び利点は、添付の図面に基づく以下の詳細な説明から明らかであろう。
従来方式の寛骨臼形態評価手順における寛骨臼の2D X線画像上の横方向の中心端部角の測定を示す図である。 従来方式の寛骨臼形態評価手順における寛骨臼の2D X線画像上のクロスオーバーサインの評価を示す図である。 ラジアルCTスライス内で、骨盤の中央から横方向の軸と、大腿骨骨頭中心と縁のポイントを結ぶ半径との間の角度を測定することによる、被覆パラメーターの計算について例示する図である。 寛骨臼の時計文字盤において、3D百分率被覆曲線を例示する図である。 無症候性の対象からなるコホートから求めた、3区間の標準偏差を含む3D平均被覆曲線を例示する図である。 3D参照被覆曲線と局所的過剰被覆を示す3D患者被覆曲線との重ね合わせを示す図である。 患者寛骨臼の3D表面モデルに適合させた3D参照縁形態モデルの可視化を示す図である。 3D平均被覆曲線の異なる調整オプション(平均被覆率と平均被覆率-1SDのそれぞれに基づく)に対応する、シミュレーション後の切除部分の可視化を可能にするグラフィカルユーザーインターフェースについて例示する図である;切除深度は、カラースケールにより例示される。 3D平均被覆曲線の異なる調整オプション(平均被覆率と平均被覆率-1SDのそれぞれに基づく)に対応する、シミュレーション後の切除部分の可視化を可能にするグラフィカルユーザーインターフェースについて例示する図である;切除深度は、カラースケールにより例示される。
寛骨臼の過剰被覆又は過少被覆は、ピンサー型大腿寛骨臼インピンジメント又は股関節形成不全をそれぞれ引き起こすおそれがあるが、以下の詳細な説明では、それらに対する術前計画を評価及び策定する見地から、股関節、より具体的には寛骨臼に重点が置かれている。
しかし、本発明は、実質的に半球状の窩と境界を接する縁を有する骨を含むその他の関節における類似した病理の3D評価にも適用可能である。
例えば、肩の関節窩の被覆率は、寛骨臼について以下に記載するのと同様に決定及び可視化することができる。
したがって、以下の説明は、寛骨臼及び寛骨臼の縁について言及するが、本発明の範囲は、股関節に限定されない。
本方法は、寛骨臼の病理学的変形の3D評価結果を表示するコンピューター及びスクリーンを備えるシステム内で実施される。
いくつかの実施形態では、過剰に被覆された寛骨臼の場合、切除される容積が可視化されうる。
ソフトウェアは、本方法を実施するコンピューター上で履行されうる。
また、本システムは、特に、ユーザーが、患者の形態と参照の形態とを比較するパラメーターを調整できるようにする、及び/又は切除オプションを管理できるようにする、ユーザーとソフトウェアとの間のインタラクションを提供するグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)を備える。
グラフィカルユーザーインターフェースは、上記スクリーン上に表示可能である。
［寛骨臼被覆パラメーターの決定］
寛骨臼の形態パラメーターの定義は、対象の寛骨臼の3D医学画像の処理に基づく。
前記対象は、評価対象として意図された寛骨臼変形に罹患した患者、又は例えば縁の参照形態を定義する見地から無症候性の対象でありうる。
前記3D医学画像は、CT、MRI、及び/又は超音波法により入手可能である。
例えば、3D画像は、両側骨盤3D CTスキャンでありうる。
股関節の解剖学的ランドマークは、自動的に及び/又は手作業で算出されうるが、また寛骨臼の被覆を特徴づける3D測定が実施可能である。
股関節の識別された解剖学的ランドマークは、解剖学的座標系を形成する軸及び基点を定義するのに用いられる。次に、寛骨臼の縁のランドマークが識別され、寛骨臼の被覆パラメーターは、縁に沿った複数の場所において計算可能であり、解剖学的座標系と関連して角度又は百分率として測定可能である。
有利な実施形態によれば、大腿骨骨頭の解剖学的ランドマークを各側において決定するために、最も良くフィットする球面が計算される。
次に、最も良くフィットする球面の中心は、大腿骨骨頭の中心とみなすことができる。
大腿骨骨頭に対して最も良くフィットする球面を算出するいくつかの方法がある。最も良くフィットする球面を決定する方法の一例として、大腿骨骨頭の皮質表面を表す一連の3Dポイントに対して、ロバストな球面の最小二乗フィッティングの適用が挙げられる。
任意選択的に、大腿骨骨頭に対して最も良くフィットする球面は、少なくとも2つの直交する2Dの再フォーマット化された医学画像において、大腿骨骨頭に対して手作業で円をフィッティングすることにより決定可能である。
次に、実質的に半球状の窩の開口面に対して概して垂直の軸である縁の軸を決定する。「概して垂直」とは、本文中では開口面に対して垂直な軸又は窩を含む骨の中央から横方向の解剖学上の軸を意味し、前記中央から横方向の軸は、開口面に対して垂直方向と実質的に同一方向で延在する。
例えば、股関節の場合、骨盤の中央から横方向の軸は、解剖学上、骨盤の中央から横方向に延在する。前記骨盤の中央から横方向の軸は、寛骨臼の開口面に対して概して垂直である。
肩に適用する場合、中央から横方向の軸は、解剖学上、肩甲骨の中央から横方向に延在する。前記肩甲骨の中央から横方向の軸は、関節窩の開口面に対して概して垂直である。
骨盤の中央から横方向の軸を決定するいくつかの方法が存在する。一例では、骨盤の中央から横方向の軸は、大腿骨骨頭中心を結ぶ線として定義される。
任意選択的に、骨盤の中央から横方向の軸は、寛骨臼の中心を結ぶ線により定義されうるが、寛骨臼の中心は、球面を寛骨臼の関節面に適合させることにより、又は寛骨臼の縁を表す一連の3Dポイントについて、そのセントロイドを計算するにことにより定義される。
縁の軸を決定する追加オプションとして、寛骨臼の開口面とも呼ばれる、寛骨臼の縁を表す一連の3Dポイントに適合する面に対して垂直のベクトルの使用が挙げられる。
左側及び右側の大腿骨骨頭の中心、又は寛骨臼の中心を用いて中央から横方向の縁の軸を定義する場合、それは寛骨臼の向き(例えば、寛骨臼の後傾等)の全体的な変動、及び寛骨臼の縁の形状における局所的変動の両方に起因する被覆率の変動を考慮した3D寛骨臼縁被覆パラメーターを作成するための設定基準を提供するので、特に有利である。寛骨臼の開口面に適合する縁の軸のみを用いて3D寛骨臼被覆パラメーターを作成する場合、寛骨臼の縁の形状に生じた局所的変動のみを考慮に入れるが、寛骨臼の向き(例えば、寛骨臼の後傾等)の全体的な変動は考慮しない。
次に、骨盤の各側は、各寛骨臼の解析を目的として個別に処理されうる。
そのために、寛骨臼容積は、3D医学画像内で標準画像処理法を用いて、大腿骨容積から区別可能である。
寛骨臼の各側において、寛骨臼の縁は、自動的に及び/又は手作業で検出可能である。
寛骨臼の縁を検出する例示的方法は、骨盤の中央から横方向の軸の周りを回転させることにより形成されるラジアル画像を用いて、再フォーマット化されたラジアル2D医学画像内の縁のポイントを識別することである。各画像では、縁のポイントは、大腿骨骨頭中心又は寛骨臼中心近傍のその他のポイントの周りを横方向から中央方向に回転する半径の第1の接触ポイントとして定義される。
例えば、前記検出は、縁に沿って7.5°毎に半径方向に分布する一連のポイントを生成する(時計文字盤上の1/4時間に対応する)。
縁の形状に起因して、縁に割り振ることができる好ましい座標系は、円周座標系である。
一実施形態によれば、2D時計文字盤式の円周座標系は、6時の位置が寛骨臼切痕下部に対応するように縁に割り振ることができる。
別の実施形態によれば、2D円周極座標系(polar circumferential coordinate system)は、0°の位置が寛骨臼切痕下部に対応するように縁に割り振ることができる。
次に、3D寛骨臼座標系が構築可能である。
この3D座標系の基点は、実質的に半球状の関節窩の中心、例えば大腿骨骨頭中心ポイント又は寛骨臼中心ポイント等として定義される。3D座標系の直交する軸は、中央から横方向の骨盤の軸(ここでは縁の軸を形成する)、及び縁に割り振られた2D円周座標系を用いて作成される。
例えば、中央から横方向の骨盤の軸と、例えば寛骨臼切痕下部の6時の位置等、基点から寛骨臼上の所定のポイントに作成された一時的な軸とのベクトルの外積が、3D寛骨臼座標系の3つの直交軸を作成するのに使用可能である。
これらの解剖学的要素から、寛骨臼被覆パラメーターが定義されうる。
図2Aに示す通り、骨盤の中央から横方向の軸MLと、大腿骨骨頭中心Cと寛骨臼の縁のポイントRをつなぐ半径との間の被覆角度Aは、骨盤の中央から横方向の軸周囲のラジアルCTスライスにおいて測定される。
この角度は、これを180°で割り算することにより被覆百分率に変換されうる。
被覆百分率は、適する再フォーマット化されたラジアル画像スライス内の、縁周囲の異なる位置で測定可能である。
次に、これらの指標は、図2Bに示すような3D被覆曲線を定義するのに利用可能である。
この3D被覆曲線は、縁に沿った複数のポイントにおいて、対象の縁の円周座標系内で、実質的に半球状の窩に関して寛骨臼の被覆パラメーターを表すポイントから形成される。
好ましい実施形態によれば、被覆パラメーターは上記で定義した被覆百分率である。
或いは、被覆パラメーターは角度そのものでありうる。
代替的実施形態では、大腿骨骨頭中心からの半径に基づく被覆パラメーターを定義する代わりに、半径は、寛骨臼中心から延在しうる。
［参照データ］
一実施形態によれば、参照縁形態に対応する参照データは、対象のコホートの寛骨臼を解析することにより、上記方法に基づき、対象毎に、縁の円周座標系の周囲の各ポイントにおいて被覆パラメーターを決定することにより、そして最終的に、当該コホートについて、縁の円周座標系内の各場所において、被覆パラメーターの平均値及び標準偏差を計算することにより得られてきた。
参照データは、規範的寛骨臼形態を提供するように意図されているので、無症候性の対象からなるコホートが選択される。
正常な股関節母集団を用いるよりはむしろ、異なる対象の群を選択することにより、規範的データを洗練化することが可能であり、またそのような群毎に参照縁形態を定義することが可能である。
例えば、各群は、所与の基準、例えば年齢、性別、民族性、又は身長/体重等に基づき構成されうる。
このような場合、参照データは、特に対象の群毎に決定される。この特徴は、評価対象患者について特別に設計された術前計画の作成を可能にするので有利である。外科手技を計画する担当者は、すべての患者について同一の参照曲線を用いるのではなく、個々の特質に基づき、最も適する参照曲線を選定することができる。
「平均」とは、ここでは、寛骨臼の時計文字盤の周囲のポイント毎に、コホートの各対象の被覆パラメーターを加算し、その合計をコホートの対象の数で割り算することにより得られた結果を意味する。
また、標準偏差(SD)は平均からの分散であり、各時計の位置において、コホート内の被覆率の分布を特徴づけるために、やはり算出されうる。
被覆率の標準偏差を決定することで、患者の被覆曲線を参照曲線と比較できるので、特に有利であるが、同参照曲線は、各時計位置において測定された参照標準偏差に基づき、ある正常限度内での変化が許容され、本来の対象間における被覆率の変動を考慮に入れている。次に、外科手技を計画する担当者は、すべての患者には適しえない母集団平均値に各患者を修正するのではなく、各時計位置において、患者の被覆率を正常範囲の被覆率と比較して評価することができる。
平均被覆パラメーターは、縁に沿った所与のポイントについて、参照被覆パラメーターとして定義される。
3D参照被覆曲線は、参照座標系では、縁に沿った複数のポイントにおいて、実質的に半球状の窩に関して、骨の参照被覆パラメーターを表す複数のポイントを含む。
3D参照被覆曲線が特徴づけられる前記参照座標系は、3D寛骨臼座標系について上記に記載した方法と同一の方法を用いて定義されるのが好ましい。
一貫して定義された参照座標系内で3D参照被覆曲線を表現すれば、異なる対象間で、及び3D参照被覆曲線間で、3D被覆曲線の直接比較が可能になる。
この3D参照被覆曲線は、次にユーザーの要請に応じてロード可能となるように、及び患者の寛骨臼変形について形態評価するための参照として用いられるように、適する媒体上に保管される。
図3は、対象のコホートから得られた3D参照被覆曲線の例を、時計文字盤式の円周系で示す。
この例では、平均曲線Aを、平均値±標準偏差(A±SDと呼ばれる区間)、平均値±2×標準偏差(A±2SDと呼ばれる区間)、及び平均値±3×標準偏差(A±3SDと呼ばれる区間)にそれぞれ対応する領域と共に示す。
上記のように、所与の母集団ついてより特別な参照曲線を定義することも、この特定母集団について平均寛骨臼被覆率の決定を実施することにより可能である。
いくつかの実施形態では、3D参照寛骨臼被覆曲線が定義されたら、3D参照縁形態モデルを作成するために、半径を規定することができる。
前記半径は、自動的に決定可能である、又はグラフィカルユーザーインターフェース経由でユーザーにより調整可能である。
一実施形態によれば、前記半径が延在する基点は、これまでに決定された大腿骨骨頭中心でありうる。
代替的実施形態によれば、寛骨臼中心は、3D参照縁形態のための基点として決定可能であり、また機能することができる。
以下で説明するように、3D参照縁形態モデルは、次に過剰又は過少被覆範囲を可視化するために、患者の寛骨臼の3D表面モデルに適合させることができる。
［寛骨臼の被覆が過剰又は過少である患者固有領域の決定］
患者固有の3D被覆曲線は、患者の寛骨臼の3D医学画像に基づき、上記方法により決定される。
前記3D医学画像は、これまでは、CT、MRI、及び/又は超音波法により入手可能、及びユーザーの要請に応じてロード可能となるように、適する媒体上に保管可能であった。
次のステップは、3D患者被覆曲線と3D参照被覆曲線との比較、及び過剰に被覆された骨部分の除去をシミュレーションする仮想的切除計画の決定である。
以下に記載するように、前記比較は、異なる方法でも実施可能である。
3D参照被覆曲線及び3D患者被覆曲線は、同一の座標系で定義した同一の方法を用いて生成される限り、したがって、3D参照被覆曲線は、患者の寛骨臼の形態を評価するために、患者の3D被覆曲線と比較可能である。
一実施形態によれば、比較は、3D被覆曲線上で直接実施される。
例えば、3D参照被覆曲線と3D患者被覆曲線とは、重ね合わせることができる。
次に、縁の円周座標系内の各位置において、患者と参照被覆パラメーター間の差異を可視化及び計算することが可能である。
3D患者被覆率が、3D参照被覆率を局所的に上回る場合には、寛骨臼は局所的に過剰に被覆されていると考えることができる。
反対に、3D患者被覆率が、3D参照被覆率を局所的に下回る場合には、寛骨臼は局所的に過少に被覆されていると考えることができる。
更に、3D参照被覆曲線と3D患者被覆曲線のそれぞれは、局所的な被覆率値と関連するので、この比較により、患者の寛骨臼の被覆率が過剰であるか又は過少であるか、その定量的評価が実現する。
かかる定量的評価により、ピンサー型FAIの場合、参照被覆率を得るために切除されるべき寛骨臼の範囲を決定することが可能となる。
図4は、refと示す3D参照曲線(ここでは平均値のみを表示した)、及びpatと示す3D患者曲線の比較の例を、時計文字盤式座標系において示す。
両曲線の重ね合わせから、患者は、1:15〜2:30の間の時計位置において、被覆過剰に罹患していることが理解されうる。
一実施形態によれば、視覚的比較は、図5に示すように、寛骨臼の3D表面モデルB上で、及び3D参照縁形態モデルM上で実施される。
この図では、時計文字盤式円周座標系の3、6、9、及び12時の位置のみを表す。
そのために、患者の寛骨臼の3D表面モデルは、公知の技法、例えばセグメンテーション等により3D画像から作成されうる。
3D参照縁形態モデルは、実質的に半球状の窩の参照中心から縁まで延在する半径を特定することにより、3D参照被覆曲線から作成されうる。
したがって、3D参照縁形態モデルは、患者の寛骨臼の3D表面モデルに適合可能な表面に類似する。
前記適合は、寛骨臼の3D表面モデルと3D参照縁形態モデルに関する3D寛骨臼座標系を整列させるステップを含む。
いくつかの実施形態では、ユーザーは、例えば、被覆平均値±1SDの間の区間に、3D参照縁形態モデルの位置を調整することができる。
このために、グラフィカルユーザーインターフェースは、被覆平均値-1SDと被覆平均値+1SDに対応する位置の間で、ユーザーにより起動されうる1つのカーソルを備える(図6A及び6Bを参照)。
グラフィカルユーザーインターフェースを経由して3D参照縁モデルを相互に調整すれば、ユーザーが異なる縁切除オプションを容易且つ迅速に可視化できるようになるので有用である。この特徴は、ユーザーの臨床的判断に基づき個々の患者について、寛骨臼の病理の程度をより理解し、次に最も適する縁切除オプションを選択するために、異なる縁切除オプションを比較するツールをユーザーに提供する。この特徴は、単一の適合させた状態の3D参照縁モデルを用いて、寛骨臼の縁被覆評価のみを実施する代替的オプションにとって好ましい。
もちろん、相互な調整を制御するために、任意のその他の範囲も選択可能である。
図6Aの場合、カーソルは、被覆平均値上にセットされている。
図6Bの場合は、カーソルは、被覆平均値-1SD上にセットされている。
一実施形態によれば、患者に適用される切除部分は、切除部分の深度が異なれば、異なる色により表わされるカラースケールを用いて、仮想的に決定及び可視化されうる。
3D寛骨臼モデル上で実際の仮想的骨切除部分を可視化する、又は計画された切除部分をカラースケール描写すれば、外科医が3D CTデータを一般的に閲覧する方法と一致する3Dビュー、並びに外科医が外科手技期間中に可視化する3Dビュー内で切除計画が提示されるので有利である。これは、外科手技期間中に、患者の実際の3D骨解剖学的構造に可視化及び転換するのが困難な場合がある2D参照被覆曲線と比較して2D患者寛骨臼被覆曲線を表示する場合よりも有利である。
有利には、3D参照縁形態モデル及び後続する仮想的骨切除部分の計算及び表示は、関連する解剖学的ランドマークの自動検出に基づき、自動的に実施可能である。
また、3D参照縁形態モデルを、切除部分を決定するその他の方法、例えばシミュレーション後の動的な衝突量(impingement volume)、又はラジアル画像上における切除形状の局部的な手作業をベースとした方法と組み合わせることも可能である。
好ましくは、計算後の切除領域では、切除されない寛骨臼の縁との平滑な移行が行われるように、その時計文字盤に沿った末端部は平滑である。例えば、平滑な移行は、切除される及び切除されない寛骨臼の縁のポイント間において直線補間法を用いて行われうる。
一実施形態によれば、切除部分の円周上の範囲は、臨床的に重要なエリアに限定されうる、及び/又はユーザーにより調整可能である。
例えば、前記エリアは、時計文字盤式円周系内では、下記の時計位置の間:11時〜3時に含まれる。この領域は、ピンサー型の損傷が多くの場合位置し、また関節鏡下外科学的アプローチ(arthroscopic surgical approach)を用いてアクセス可能な寛骨臼の縁の代表的領域である。
一実施形態によれば、3D参照縁形態モデルは表示されない。
例えば、寛骨臼の過剰又は過少に被覆された領域の識別結果のみが表示される。
確かに、過剰又は過少に被覆された領域を決定するのに必要な主たる情報は、3D患者被覆曲線と3D参照被覆曲線とを比較した結果によるが、それはこれらの曲線は寛骨臼の形態に関する定量的評価をもたらすためである。
3D参照縁形態モデル及び3D患者骨モデルは、むしろ、患者の形態及び/又はシミュレーションされた切除部分の3D可視化を可能にするのに用いられる。
したがって、本発明は、3D画像から3D寛骨臼過剰又は過少被覆部位を決定及び表示する、使い易く正確な方法を提供する。
特に、本方法は、自動化され、また縁の円周全体に渡り、寛骨臼の3D形態について客観的且つ網羅的な評価を実現する。
更に、決定された寛骨臼の過剰又は過少被覆領域は完全に3Dであり、特定の画像面に限定されない。
寛骨臼の縁の軸と関連する時計文字盤上で3D寛骨臼の縁の被覆率を評価するその他の方法が記載されていることも指摘されうる(Cobb、2010年)。しかし、この試験では、手作業でのプロセスを必要とする方法が提示され、病理的な股関節部を対照股関節の小規模な群と比較したにすぎない。更に、寛骨臼の縁の軸は、寛骨臼の開口面に対して垂直の軸として定義されたので、異なる時計文字盤位置において、寛骨臼の傾斜と寛骨臼の縁の被覆部との間の相互作用を評価するのは不可能であった(すなわち、患者の寛骨臼が全体的に後傾し、また寛骨臼の縁の形状が正常であった場合には、この方法では、患者寛骨臼前方の縁の被覆率が過剰であることは検出されない)。最終的に、この試験は、この方法が、仮想的な術前切除計画を作成及び可視化するために、どのように3D寛骨臼骨モデル上で適用されうるか、その教示を、又は患者固有の切除計画を(すべての患者の評価に関して同一の参照縁被覆曲線を用いるのではなく)策定するために、相互に参照縁被覆曲線を調整する手段を一切提供しなかった。
［ソフトウェア及びグラフィカルユーザーインターフェースの操作］
患者の寛骨臼変形を評価する見地から、ユーザーは、ストレージメディアから患者の骨盤の一連の3D医学画像をロードする。
ソフトウェアは、前記3D医学画像内の関連する解剖学的ランドマークを自動的に検出し、骨盤の中央から横方向の軸を決定する。
次に、寛骨臼の縁のポイントを自動的に検出し、上記のように、2D円周(例えば、時計文字盤又は極座標の角)座標系を縁に割り振る。
ソフトウェアは、寛骨臼の円周周辺の各ラジアルスライスにおいて、骨盤の中央から横方向の軸と、大腿骨骨頭中心と寛骨臼の縁のポイントをつなぐ半径との間の角度を算出する。
この角度は、180°で割ることにより百分率に変換される。
各位置において、被覆百分率から、患者座標系内で、3D患者被覆曲線を算出する。
この3D曲線は、スクリーン上に表示されうる。
ソフトウェアは、ストレージメディアから3D参照被覆曲線を更にロードする。
いくつかの参照被覆曲線が存在する可能性があり、それぞれは、決められた母集団に割り振られ、またユーザーは、グラフィカルユーザーインターフェースを用いて、患者が属する母集団に関する被覆曲線を、例えば患者の年齢、性別、民族性、又は身長/体重に応じて選択することができる。
そのようなケースでは、グラフィカルユーザーインターフェースにより、利用可能なモデルから患者にとって望ましいモデルを、ユーザーが選択することが可能となる。
次に、ソフトウェアは、縁の円周座標系内の位置毎に、3D患者被覆率及び3D参照被覆率の間の差異を算出する。
切除がふさわしい寛骨臼の領域を決定するのに、標準偏差を考慮することができる。
例えば、患者の被覆率が標準偏差区間内の場合には、切除を実施する必要性は認められないと考えることができる。
ソフトウェアは、一連の3D画像から3D寛骨臼表面モデルを算出することも可能である。
ソフトウェアは、大腿骨骨頭中心から延在する半径を特定することにより、3D参照縁形態モデルを算出することも可能である。
一実施形態によれば、3D寛骨臼表面モデルと3D参照縁形態を重ね合わせて、これを、ピンサー型FAIの場合、病理学的に過剰に被覆された領域を切除すべきか判断するのに役立ちうる可視表現をユーザーに提供するために、スクリーン上に表示することができる。
デフォルト位置及び平均的な縁形態は、ソフトウェアにより自動的に表示される。
しかし、これは、グラフィカルユーザーインターフェース経由で、臨床的判断に基づき、ユーザーにより相互に調整されうる。
更に、3D参照縁形態モデルの表示は、グラフィカルユーザーインターフェース経由で、ユーザーによりオン-オフ可能である。
一実施形態によれば、ユーザーは、被覆率が過剰の場合、寛骨臼を切除する領域及び量を相互に決定するのに、ソフトウェアのグラフィカルユーザーインターフェースを使用することができる。
図5Bは、グラフィカルユーザーインターフェースの非限定的な実施形態について説明する。
この例では、シミュレーション後の切除RRと共に、患者の寛骨臼の3D表面モデルB、及び3D参照縁形態モデルRを示す。
シミュレーション後の切除領域は、カラースケール1を用いて、切除部分の深度に応じて異なる色で可視的に表わされる。
また、グラフィカルユーザーインターフェースは、ズームインとズームアウト、及び3Dモデルの向きの修正を可能にするボタン2も備える。
グラフィカルユーザーインターフェースは、ユーザーが被覆平均値±1SDの間で3D参照縁形態モデルを調整できるようにするカーソル3を更に備える。
グラフィカルユーザーインターフェースは、ユーザーが時計文字盤の周囲で切除する円周範囲を制御するのを可能にする相互ツール4も備える。
例示した例では、前記円周範囲は、11時〜3時の位置に含まれる。
グラフィカルユーザーインターフェースは、ユーザーが可視化したいと欲するモデルの選択を可能にするボタン5、6、7を更に備える。
例えば、ボタン5は、過剰に被覆された領域の可視化を選択できるようにする。
ボタン6は、3D参照縁形態モデルの可視化を選択できるようにする。
ボタン7は、元の寛骨臼、修正後の寛骨臼、及び/又は切除領域について、これらの3D表面モデルの可視化を選択できるようにする。
もちろん、多くのその他のオプションも、本発明の範囲から逸脱せずに、グラフィカルユーザーインターフェースに挿入されうる。

Claims (20)

  1. 骨の実質的に半球状の窩と境界を接する縁を有する骨の病理学的変形を治療する外科的切除計画を作成する方法であって、
    - コンピューターによって、前記骨の一連の3D医学画像を取得するステップと、
    - 前記コンピューターによって、前記3D医学画像から、患者参照画像内の前記実質的に半球状の窩の中心、前記中心から延在し、前記実質的に半球状の窩の開口面に対して概して垂直な縁の軸、前記縁及び前記縁に沿って位置する複数のポイントに割り振られた円周座標系を含む、患者の解剖学的ランドマークデータを定義するステップと、
    - 前記コンピューターによって、前記患者の解剖学的ランドマークデータから、前記縁に割り振られた円周座標系内で、前記縁に沿った複数のポイントにおいて前記実質的に半球状の窩に関して、骨の被覆パラメーターを表す複数のポイントを含む3D患者被覆曲線を決定するステップであって、前記縁の複数のポイント毎に、前記被覆パラメーターが、(i)前記縁の軸と、(ii)前記実質的に半球状の窩の中心と各縁ポイントをつなぐ半径との間の被覆角度から算出される、ステップと、
    - 前記コンピューターによって、参照縁形態に対応する参照データを取得するステップであって、前記参照データが3D参照被覆曲線を含む、ステップと、
    - 前記コンピューターによって、
    ・前記一連の3D医学画像から、少なくとも前記縁を含む骨の部分の3D表面モデル、及び
    ・前記3D参照被覆曲線から、3D参照縁形態モデル
    を作成するステップと、
    - 前記コンピューターによって、前記骨の仮想的切除部分を算出して、これを、過剰に被覆された骨部分の除去をシミュレーションするために、前記3D表面モデル上に表示するステップと
    を含む、方法。
  2. 前記3D参照被覆曲線が、
    - コホートの対象毎に、
    ・前記コンピューターによって、前記骨の一連の3D医学画像を取得し、前記コンピューターによって、前記3D医学画像から、患者参照画像内の前記実質的に半球状の窩の中心、縁の軸、前記縁及び前記縁に沿って位置する複数のポイントに割り振られた円周座標系を含む、患者の解剖学的ランドマークデータを定義し、
    ・前記コンピューターによって、前記縁に沿った複数のポイントにおいて、前記実質的に半球状の窩に関して、骨の被覆パラメーターを測定するステップと、
    - 前記コンピューターによって、前記コホートに関して、前記縁に沿った複数のポイント毎に、測定された被覆パラメーターを平均化するステップと、
    - 前記コンピューターによって、前記縁に沿った複数のポイントにおいて、平均被覆パラメーターに基づき、縁の円周座標系内で3D参照被覆曲線を構築するステップと
    を実施することにより、前記病理を有さない対象のコホートから決定される、請求項1に記載の方法。
  3. 前記コンピューターによって、前記コホートについて、前記縁に沿った複数のポイント毎に、被覆パラメーターの標準偏差を計算するステップと、前記コンピューターによって、前記縁に沿った複数のポイントにおいて、前記平均被覆パラメーター及び前記標準偏差に基づき、前記縁の円周座標系内で、前記3D参照被覆曲線を構築するステップとを更に含む、請求項2に記載の方法。
  4. 前記3D参照被覆曲線が、3D参照被覆曲線のデータベースから選択され、各3D参照被覆曲線が、対象の決められた母集団に割り振られる、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記コンピューターによって、前記3D表面モデル及び前記3D表面モデルに適合させた前記3D参照縁形態モデルを表示するステップを更に含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. ユーザーが、前記3D表面モデルに対して、前記3D参照縁形態モデルの位置及び/又は向きを調整することを、前記コンピューターによって補助するステップを含む、請求項5に記載の方法。
  7. 前記コンピューターによって、前記3D参照縁形態モデルに関して、過剰に被覆された又は過少に被覆された3D表面モデルの領域を表示するステップを更に含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. ユーザーが、決められた偏差範囲内に参照被覆率を調整するために、グラフィカルインターフェースのカーソル操作により、前記仮想的切除部分を調整することを、前記コンピューターによって補助するステップを含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記仮想的切除部分の算出が、前記コンピューターによって、切除される表面と切除されない表面との間に平滑な移行を作成するステップを含む、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記コンピューターによって、カラースケールを用いて、前記仮想的切除部分を表示するステップであって、切除部分の異なる深度が異なる色で表される、ステップを含む、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記一連の3D医学画像が、CT画像、MR画像、及び/又は超音波画像を含む、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記縁に割り振られた円周座標系が、時計文字盤式参照座標又は極座標系の角座標である、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記縁の軸が、前記実質的に半球状の窩を含む骨の中央側方解剖学的軸である、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記縁の軸が、前記実質的に半球状の窩の開口面に対して垂直である、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記骨が、寛骨臼であり、及び前記病理が、ピンサー型大腿寛骨臼インピンジメントである、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
  16. 前記被覆パラメーターが、骨盤の中央側方軸と、半球状の窩の中心と縁のポイントとを結ぶ半径との間の被覆角度から求められ、前記中央側方軸を含む画像スライス内で測定される、請求項15に記載の方法。
  17. 前記被覆パラメーターが、被覆角度を180°で割ることにより、百分率として表される、請求項16に記載の方法。
  18. 前記半球状の窩の中心が、大腿骨骨頭の中心又は寛骨臼中心である、請求項15から17のいずれか一項に記載の方法。
  19. 前記縁の軸が、患者の左側及び右側大腿骨骨頭の中心を結ぶ軸として定義される、請求項15から18のいずれか一項に記載の方法。
  20. 適するシステムにロードされ実行されると、請求項1から19のいずれか一項に記載の外科的切除計画を作成する方法のステップを実施する、コンピューター読み取り可能インストラクションを含むコンピュータープログラム製品。
JP2016528542A 2013-07-25 2014-07-25 骨の病理学的変形を治療するために外科的切除計画を作成する方法 Active JP6492075B2 (ja)

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