JP6633353B2 - Spinal deformity correction and fixation support device, spinal deformity correction and fixation support method, program, and rod manufacturing method used for spinal deformity correction and fixation - Google Patents

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本発明は、変形した脊柱を矯正して固定する手術を支援するための技術に関する。   The present invention relates to a technique for supporting an operation for correcting and fixing a deformed spine.

脊柱は、概ね、複数の椎骨(7個の頸椎、12個の胸椎、5個の腰椎、仙椎、尾骨)、各椎骨の間を接続する椎間板などから構成される。脊柱は、正常な状態では、前方から見ると概ね真っ直ぐであり、側方から見ると頚椎と腰椎とが前弯するとともに胸椎と仙椎とが後弯して概ねS字状をなす。   The spine is generally composed of a plurality of vertebrae (seven cervical vertebrae, twelve thoracic vertebrae, five lumbar vertebrae, sacral vertebrae, coccyx), intervertebral discs connecting the vertebrae, and the like. In a normal state, the spine is generally straight when viewed from the front, and when viewed from the side, the cervical vertebra and the lumbar vertebra are lordotic, and the thoracic and sacral vertebrae are kyphotic, forming a generally S-shape.

脊柱変形矯正固定術は、変形した脊柱を、正常な状態或いはそれに近い状態に矯正して固定する手術であり、脊柱変形症の治療のために一般的に行われている。脊柱変形症は、脊柱が変形した状態となる疾患であり、例えば、脊柱側弯症、脊柱後弯症などがある。脊柱側弯症は、脊柱が側方へ弯曲した状態となったり、脊柱がねじれ状態となったりする疾患である。脊柱後弯症は、胸椎後弯の角度が極端に大きくなった状態となったり、腰椎の前弯が失われて後弯した状態となったりする疾患である。   Spine deformity correction surgery is an operation to correct and fix a deformed spine to a normal state or a state close thereto, and is generally performed for treatment of spinal deformity. Spine deformity is a disease in which the spine is deformed, and examples include scoliosis and kyphosis. Scoliosis is a disease in which the spine is bent laterally or the spine is twisted. Kyphosis is a disease in which the angle of the thoracic kyphosis becomes extremely large, or the lumbar lordosis is lost, resulting in a kyphosis state.

脊柱変形矯正固定術では、チタン、コバルトクロムなどを主たる材料として作られたロッドを、椎骨にねじ込ませたボルトなどで保持することによって、正常な状態或いはそれに近い状態に脊柱を矯正して固定する。ロッドは、通常、手術中に種々の工具を利用して、医師の手によって曲げられる。曲げられたロッドの形状によって、矯正後の脊柱の状態は概ね決定する。そのため、ロッドをどのように曲げるかは、脊柱変形矯正固定術において重要な要素である。   In spinal deformity correction surgery, a rod made mainly of titanium, cobalt chrome, etc. is held by bolts screwed into vertebrae to correct and fix the spine in a normal state or a state close to it. . The rod is usually bent by the physician's hand during surgery using various tools. The shape of the bent rod generally determines the condition of the spine after correction. Therefore, how to bend the rod is an important factor in spinal deformity correction surgery.

例えば、引用文献1に記載のコンピュータは、身体構造体に設置された連結装置取付要素(例えば、ボルト)の空間関係を決定し、ロッドの曲げパラメータなどを決定する。   For example, the computer described in Patent Literature 1 determines a spatial relationship of a connecting device mounting element (for example, a bolt) installed on a body structure, and determines a bending parameter and the like of a rod.

特許第5572898号公報Japanese Patent No. 5572898

しかしながら、引用文献1に記載の技術では、医師が矯正後の脊柱の状態を決定する必要があることに変わりない。   However, the technique described in Patent Document 1 still requires a doctor to determine the state of the spine after correction.

一般的に、患者を側方から見た場合に、その患者の脊柱が正常な状態においてどの程度弯曲しているかは、個々の患者によって異なる。また、患者の脊柱の変形の程度、患者の椎間板の柔軟さなどによって、その患者の健常な状態に脊柱をどの程度近づけることができるかも異なる。これらを考慮しつつ、専門的な知識、経験などに基づいて、医師は手術中に患者ごとの矯正後の脊柱の状態を決定する。そのため、ロッドが各患者に適した形状に曲げられているとは限らない。   Generally, when a patient is viewed from the side, the degree to which the spine of the patient is bent in a normal state varies depending on the individual patient. The degree to which the spine can be brought close to a healthy state of the patient also differs depending on the degree of deformation of the spine of the patient, the flexibility of the patient's disc, and the like. In consideration of these factors, the physician determines the corrected state of the spine for each patient during the operation, based on expert knowledge, experience, and the like. Therefore, the rod is not always bent into a shape suitable for each patient.

また、一般的に、手術における患者の身体への負担を軽減するために、手術時間は短い方が望ましい。脊柱変形矯正固定術においては、矯正後の脊柱の状態を決定するための時間を省く又は短縮することができれば、手術時間を短くすることができる。   In general, it is desirable that the operation time be short in order to reduce the burden on the patient's body during the operation. In spinal deformity correction surgery, if the time for determining the state of the spine after correction can be eliminated or shortened, the operation time can be shortened.

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、短時間で適切な脊柱変形矯正固定術を行うことを可能とする脊柱変形矯正固定術支援装置、脊柱変形矯正固定術支援方法、プログラム、及び脊柱変形矯正固定術に使用するロッド製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and a spinal deformity correction and fixation support apparatus, a spinal deformity correction and fixation support method, and a program that can perform appropriate spinal deformity correction and fixation in a short time. Further, it is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a rod used for spinal deformity correction surgery.

上記目的を達成するため、本発明に係る脊柱変形矯正固定術支援装置は、
自然体における患者の複数の椎骨の位置関係を3次元で特定するための第1画像データを取得する第1取得部と、
前記患者の脊柱に力が加えられた状態における各椎骨間の間隔を特定するための第2画像データを取得する第2取得部と、
前記取得された第1画像データと前記取得された第2画像データとに基づいて、複数の椎骨のそれぞれに対応する複数の剛体と複数の椎間板のそれぞれに対応する複数の弾性体とで構成される3次元の脊柱モデルを生成するモデル生成部と、
前記生成された脊柱モデルに含まれる特定の箇所を移動させた場合の前記複数の剛体の位置関係を決定するシミュレート部とを備える。
In order to achieve the above object, the spinal deformity correction and fixation assisting device according to the present invention,
A first acquisition unit configured to acquire first image data for specifying a positional relationship of a plurality of vertebrae of a patient in a natural body in three dimensions;
A second acquisition unit that acquires second image data for specifying an interval between vertebrae in a state where a force is applied to the spine of the patient;
On the basis of the acquired first image data and the acquired second image data, a plurality of rigid bodies corresponding to a plurality of vertebrae and a plurality of elastic bodies corresponding to a plurality of intervertebral discs are configured. A model generation unit for generating a three-dimensional spine model,
A simulation unit that determines a positional relationship between the plurality of rigid bodies when a specific portion included in the generated spinal column model is moved.

本発明によれば、患者の第1画像データと第2画像データとに基づいて、3次元の脊柱モデルを生成し、脊柱モデルに含まれる特定の箇所を移動させた場合の複数の剛体の位置関係を決定する。これにより、剛体を適宜移動させることによって、矯正後の脊柱の状態をシミュレートし、シミュレーションの結果に基づいて、患者に適した矯正後の脊柱の状態を予め検討し、手術中に矯正後の脊柱の状態を決定するための時間を少なくとも短縮することができる。従って、短時間で適切な脊柱変形矯正固定術を行うことが可能になる。   According to the present invention, a three-dimensional spine model is generated based on the first image data and the second image data of a patient, and the positions of a plurality of rigid bodies when a specific portion included in the spine model is moved Determine the relationship. Thereby, by appropriately moving the rigid body, simulate the state of the spine after correction, based on the result of the simulation, to study in advance the state of the spine after correction suitable for the patient, during surgery, after the correction The time for determining the condition of the spine can be reduced at least. Therefore, it is possible to perform appropriate spinal deformity correction and fixation in a short time.

本発明の一実施の形態に係る脊柱変形矯正固定術支援システムの構成を示す図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the structure of the spine deformity correction | amendment fusion support system which concerns on one Embodiment of this invention. 一実施の形態に係る脊柱変形矯正固定術支援装置の機能的な構成を示す図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the functional structure of the spine deformity correction | amendment fixation assistance apparatus which concerns on one Embodiment. 一実施の形態に係る脊柱変形矯正固定術支援処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the spinal deformity correction and fixation assistance process which concerns on one Embodiment. 図3に示すモデル生成処理S103の流れを示すフローチャートである。4 is a flowchart illustrating a flow of a model generation process S103 illustrated in FIG. 3. 自然体における患者の脊柱の画像の一部から、椎骨を抽出した状態の一例を示す図である。It is a figure showing an example of the state where a vertebra was extracted from a part of a patient's spine image in a natural body. 立体的な形状の剛体によって椎骨をモデル化するためのパラメータを決定する方法を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining a method of determining parameters for modeling a vertebra using a rigid body having a three-dimensional shape. 弾性体によって椎間板をモデル化するための弾性係数を決定する方法を説明するための図である。It is a figure for explaining the method of determining the elasticity coefficient for modeling an intervertebral disc by an elastic body. 引っ張られた状態の脊柱モデルが表示部に表示された例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example in which a spine model in a pulled state is displayed on a display unit. 図8に示す脊柱モデルを構成する椎骨モデルのうち特定の椎骨モデルの位置が変更された場合に、シミュレーションの結果として表示部に表示される脊柱モデルの一例を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a spine model displayed on a display unit as a result of simulation when a position of a specific vertebra model among vertebra models constituting the spine model illustrated in FIG. 8 is changed. 図8に示す脊柱モデルの上端部の位置が変更された場合に、シミュレーションの結果として表示部に表示される脊柱モデルの一例を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a spine model displayed on a display unit as a result of a simulation when the position of the upper end of the spine model illustrated in FIG. 8 is changed. ロッドの製造図面の一例である。It is an example of the manufacturing drawing of a rod. ロッドの製造図面の他の例である。It is another example of the manufacturing drawing of a rod. 製造したロッドの一例の写真である。It is a photograph of an example of the manufactured rod. 一変形例に係る脊柱モデルにおいて、ラーメン構造を有する構造体によって椎間板をモデル化する例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an example of modeling a disc with a structure having a ramen structure in a spinal column model according to a modification.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。全図を通じて同一の要素には同一の符号を付す。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The same reference numerals are given to the same elements throughout the drawings.

本発明の一実施の形態に係る脊柱変形矯正固定術支援装置は、患者の脊柱を、正常な状態或いはそれに近い状態に矯正して固定する手術(脊柱変形矯正固定術)を支援するための装置である。本実施の形態において、患者は、脊柱側弯症、脊柱後弯症などの脊柱が変形した状態となる疾患(脊柱変形症)を患った者が想定される。   An apparatus for supporting spinal deformity correction and fixation according to an embodiment of the present invention is an apparatus for supporting an operation for correcting and fixing a patient's spine to a normal state or a state close to the normal state (spine deformity correction and fixation). It is. In the present embodiment, it is assumed that the patient suffers from a disease (spine deformity) in which the spine is deformed, such as scoliosis and kyphosis.

脊柱変形矯正固定術支援装置100は、図1に示すように、CT装置101、X線撮影装置102及びロッド製造装置103とともに、脊柱変形矯正固定術支援システムを構成する。   As shown in FIG. 1, the spinal deformity correction / surgery support device 100 constitutes a spinal deformity correction / fixation support system together with a CT device 101, an X-ray imaging device 102 and a rod manufacturing device 103.

CT装置101と、X線撮影装置102と、ロッド製造装置103の各々は、脊柱変形矯正固定術支援装置100と有線、無線又はこれらを組合せた通信回線を介して通信可能に接続されている。   Each of the CT apparatus 101, the X-ray imaging apparatus 102, and the rod manufacturing apparatus 103 is communicably connected to the spinal deformity correction / fixation assisting apparatus 100 via a wired, wireless, or combination communication line.

CT装置101は、放射線などを利用して患者を走査することで得られる情報をコンピュータ処理することによって、患者の断層画像を示すデータを出力する装置である。   The CT apparatus 101 is an apparatus that outputs data indicating a tomographic image of a patient by performing computer processing on information obtained by scanning a patient using radiation or the like.

本実施の形態では、CT装置101は、自然体において患者の複数の椎骨の位置関係を3次元で特定するための第1画像データを脊柱変形矯正固定術支援装置100へ出力する。詳細には、CT装置101は、自然体において患者の脊柱全体を撮影し、撮影された複数の断層画像を含む第1画像データとして出力する。この第1画像データによれば、患者の脊柱の状態を3次元で認識することができる。CT装置101で撮影する際、患者は、例えば、臥位である。   In the present embodiment, the CT apparatus 101 outputs first image data for specifying the positional relationship of a plurality of vertebrae of a patient in a natural body in three dimensions to the spinal deformity correction / fusion assisting apparatus 100. Specifically, the CT apparatus 101 photographs the entire spine of a patient in a natural body and outputs the first image data including a plurality of photographed tomographic images. According to the first image data, the state of the spine of the patient can be recognized in three dimensions. When imaging with the CT apparatus 101, the patient is, for example, in a supine position.

ここで、一般的に、椎骨は、7個の頸椎、12個の胸椎、5個の腰椎、仙骨及び尾骨から構成されるが、脊柱変形症において尾骨が、脊柱の変形に関わることは、稀である。そのため、本実施の形態では、椎骨は、尾骨以外のもの、すなわち、7個の頸椎と12個の胸椎と5個の腰椎と仙骨との全部又は一部を指すこととする。   Here, the vertebrae are generally composed of seven cervical vertebrae, twelve thoracic vertebrae, five lumbar vertebrae, sacrum and coccyx, but it is rare that the coccyx is involved in spinal deformity in spinal deformity. It is. Therefore, in the present embodiment, the vertebrae refers to all or a part of the vertebrae other than the coccyx, ie, 7 cervical vertebrae, 12 thoracic vertebrae, 5 lumbar vertebrae, and the sacrum.

X線撮影装置102は、患者にX線を照射し、その患者を透過したX線を検出することで得られる情報をコンピュータ処理することによって、患者の骨などの画像を示すデータを出力する装置である。   An X-ray imaging apparatus 102 is an apparatus that irradiates a patient with X-rays and outputs data indicating an image of a patient's bone or the like by computer processing information obtained by detecting X-rays transmitted through the patient. It is.

本実施の形態では、X線撮影装置102は、患者の脊柱が予め定められた大きさの力で引っ張られた状態において各椎骨間の間隔(概ね脊柱に沿った椎間板の長さ)を特定するための第2画像データを脊柱変形矯正固定術支援装置100へ出力する。詳細には、X線撮影装置102は、予め定められた大きさの力で引っ張られた状態において患者の脊柱全体を撮影して、撮影された画像を含む第2画像データとして出力する。X線撮影装置102で撮影する際、患者は、例えば、臥位である。また、引っ張られた状態において、患者を引っ張る力(以下、単に「引っ張り力」ともいう。)の大きさは、例えば、20kg〜25kg程度である。   In the present embodiment, the X-ray imaging apparatus 102 specifies the distance between the vertebrae (substantially the length of the intervertebral disc along the spine) when the spine of the patient is pulled with a predetermined magnitude of force. Image data is output to the spinal deformity correction / surgery support device 100 for the purpose. Specifically, the X-ray imaging apparatus 102 captures an image of the entire spine of a patient in a state where the patient is pulled by a force of a predetermined magnitude, and outputs the second image data including the captured image. When imaging with the X-ray imaging apparatus 102, the patient is, for example, in a supine position. In the pulled state, the magnitude of the force for pulling the patient (hereinafter, also simply referred to as “pull force”) is, for example, about 20 kg to 25 kg.

ロッド製造装置103は、立体的な部材を製造する装置であって、例えば金属用3Dプリンタである電子ビーム3次元積層造形装置などである。本実施の形態では、ロッド製造装置103は、ロッドの形状を示すロッド形状データとロッドの剛性を決めるパラメータとを脊柱変形矯正固定術支援装置100から取得すると、そのロッド形状データと剛性を決めるパラメータに基づいて、ロッドを製造する。電子ビーム3次元積層造形装置で使用する電子ビーム積層造形技術は、電子ビームにより金属粉末を溶融・凝固させた層を積層させることで3次元構造物を作製する技術である。ロッド製造装置103は、3D・CADデータを基に電子ビームを走査して、脊柱変形矯正固定術に使用するロッドの製造を行う。具体的に説明すると、電子ビーム3次元積層造形装置は、まず、2層の金属粉末層に選択的に電子ビームを照射することにより、金属粉末層を溶融させてロッドの一部分を製造する。次に、その上に3層目の金属粉末層を形成し、電子ビームを照射することにより、2層目と3層目の金属粉末層を溶融させてロッドの製造を進める。これを繰り返すことにより、3次元のロッドを完成する。この製造方法では、製造過程において、ロッドに曲げ応力を加えない。従って、ロッドに金属疲労を生ぜず、ロッドの製品寿命を長くすることが出来る。   The rod manufacturing apparatus 103 is an apparatus that manufactures a three-dimensional member, and is, for example, an electron beam three-dimensional additive manufacturing apparatus that is a 3D printer for metal. In the present embodiment, when the rod manufacturing apparatus 103 acquires the rod shape data indicating the shape of the rod and the parameter for determining the rigidity of the rod from the spinal deformity correction / fixation assisting apparatus 100, the rod shape data and the parameter for determining the rigidity are obtained. The rod is manufactured based on. The electron beam additive manufacturing technology used in the electron beam three-dimensional additive manufacturing apparatus is a technique for manufacturing a three-dimensional structure by stacking layers obtained by melting and solidifying metal powder by an electron beam. The rod manufacturing apparatus 103 scans an electron beam based on the 3D CAD data to manufacture a rod used for spinal deformity correction and fusion. More specifically, the electron beam three-dimensional additive manufacturing apparatus first selectively irradiates two metal powder layers with an electron beam, thereby melting the metal powder layers and manufacturing a part of the rod. Next, a third metal powder layer is formed thereon, and the second and third metal powder layers are melted by irradiating an electron beam to manufacture a rod. By repeating this, a three-dimensional rod is completed. In this manufacturing method, no bending stress is applied to the rod during the manufacturing process. Therefore, the product life of the rod can be extended without causing metal fatigue on the rod.

ロッド形状データのデータ形式は、例えば、3DCAD(Three−Dimensional Computer Aided Design)ソフトウェア、3DCG(Three−Dimensional Computer Graphics)ソフトウェア、DICOM(Digital Imaging and COmmunication in Medicine)規格などに従ったものである。   The data format of the rod shape data is, for example, 3DCAD (Three-Dimensional Computer Aided Design) software, 3DCG (Three-Dimensional Computer Graphics) software, DICOM (Digital Imaging and Communication in accordance with the Digital Imaging and Communication) standard.

ここで、ロッドは、患者の脊柱変形矯正固定術において利用される棒状の部材であって、例えばチタン、コバルトクロムなどを主たる材料として作られる。ロッドは、患者の椎骨に埋め込まれたボルトなどによって保持され、これによって、患者の脊柱は、正常な状態或いはそれに近い状態に矯正されて固定される。   Here, the rod is a rod-shaped member used in a patient's spinal deformity correction surgery, and is made of, for example, titanium, cobalt chrome, or the like as a main material. The rod is held by a bolt or the like embedded in the vertebra of the patient, whereby the spine of the patient is corrected and fixed to a normal state or a state close to the normal state.

脊柱変形矯正固定術支援装置100は、患者の第1画像データと第2画像データとに基づいて、その患者の脊柱モデルを生成する。脊柱モデルでは、椎骨は、剛体によってモデル化され、椎間板は、弾性体によってモデル化される。そのため、脊柱モデルは、複数の椎骨のそれぞれに対応する複数の剛体と、複数の椎間板のそれぞれに対応する複数の弾性体とで構成される。   Based on the first image data and the second image data of a patient, the spinal deformity correction / surgery support device 100 generates a spine model of the patient. In the spine model, the vertebrae are modeled by rigid bodies and the discs are modeled by elastic bodies. Therefore, the spine model is composed of a plurality of rigid bodies corresponding to each of the plurality of vertebrae and a plurality of elastic bodies corresponding to each of the plurality of intervertebral discs.

そして、脊柱変形矯正固定術支援装置100は、特定の剛体を移動させた場合の複数の剛体の位置関係を決定する。これにより、ユーザ(典型的には、術者、患者の治療計画を立てる医師など)が剛体を適宜移動させる指示をすることによって、矯正後の脊柱の状態のシミュレーションをすることができる。   Then, the spinal deformity correction / fixation assisting apparatus 100 determines the positional relationship between a plurality of rigid bodies when a specific rigid body is moved. Thus, a user (typically, an operator, a doctor who makes a treatment plan for a patient, or the like) can simulate the state of the corrected spine by giving an instruction to appropriately move the rigid body.

脊柱変形矯正固定術支援装置100は、機能的には図2に示すように、第1取得部104と、第2取得部105と、モデル生成部106と、モデルデータ記憶部107と、シミュレート部108と、ロッド形状特定部109と、表示部110と、指示受付部111とを備える。   As shown in FIG. 2, the spinal deformity correction / fixation assisting apparatus 100 functionally includes a first acquisition unit 104, a second acquisition unit 105, a model generation unit 106, a model data storage unit 107, and a simulation. A unit 108, a rod shape specifying unit 109, a display unit 110, and an instruction receiving unit 111 are provided.

第1取得部104は、第1画像データをCT装置101から取得する。第2取得部105は、第2画像データをX線撮影装置102から取得する。   The first acquisition unit 104 acquires the first image data from the CT device 101. The second acquisition unit 105 acquires the second image data from the X-ray imaging device 102.

モデル生成部106は、第1取得部104によって取得された第1画像データと第2取得部によって取得された第2画像データとに基づいて、患者の脊柱モデルを生成する。   The model generating unit 106 generates a spine model of the patient based on the first image data obtained by the first obtaining unit 104 and the second image data obtained by the second obtaining unit.

モデル生成部106は、詳細には、椎体抽出部112と、位置関係決定部113と、弾性係数決定部114とを有する。   The model generation unit 106 includes a vertebral body extraction unit 112, a positional relationship determination unit 113, and an elastic coefficient determination unit 114 in detail.

椎体抽出部112は、第1取得部104によって取得された第1画像データが示す画像から、自然体の脊柱を構成する複数の椎体の各々を抽出する。椎体抽出部112は、第2取得部105によって取得された第2画像データが示す画像から、引っ張られた状態の脊柱を構成する複数の椎体の各々を抽出する。   The vertebral body extraction unit 112 extracts each of a plurality of vertebral bodies constituting the vertebral column of the natural body from the image indicated by the first image data acquired by the first acquisition unit 104. The vertebral body extraction unit 112 extracts each of the plurality of vertebral bodies constituting the pulled spine from the image indicated by the second image data acquired by the second acquisition unit 105.

位置関係決定部113は、第1取得部104及び第2取得部105のそれぞれによって取得された第1画像データ及び第2画像データに基づいて、自然体と引っ張られた状態との各々における脊柱モデルを構成する複数の剛体の位置関係を決定する。   Based on the first image data and the second image data obtained by each of the first obtaining unit 104 and the second obtaining unit 105, the positional relationship determining unit 113 generates a spine model in each of the natural body and the pulled state. Determine the positional relationship between the constituent rigid bodies.

本実施の形態では、位置関係決定部113は、椎体抽出部112によって第1画像データから抽出された椎体の各々の位置に基づいて、自然体における複数の椎体のそれぞれに応じた複数の剛体の位置関係を決定する。また、位置関係決定部113は、椎体抽出部112によって第2画像データから抽出された椎体の各々の位置に基づいて、引っ張られた状態における複数の椎体のそれぞれに応じた複数の剛体の位置関係を決定する。   In the present embodiment, the positional relationship determining unit 113 determines a plurality of vertebral bodies corresponding to a plurality of vertebral bodies in the natural body based on the positions of the vertebral bodies extracted from the first image data by the vertebral body extracting unit 112. Determine the positional relationship between the rigid bodies. In addition, the positional relationship determination unit 113 determines a plurality of rigid bodies corresponding to each of the plurality of vertebral bodies in the pulled state based on the positions of the vertebral bodies extracted from the second image data by the vertebral body extraction unit 112. Is determined.

弾性係数決定部114は、第1取得部104によって取得された第1画像データと第2取得部105によって取得された第2画像データとに基づいて、各椎間板の変形量を推定する。そして、弾性係数決定部114は、推定した各変形量と引っ張り力の大きさとに基づいて、複数の椎間板のそれぞれに対応する複数の弾性体の各々の弾性係数を決定する。   The elastic modulus determination unit 114 estimates the amount of deformation of each disc based on the first image data acquired by the first acquisition unit 104 and the second image data acquired by the second acquisition unit 105. Then, the elastic modulus determination unit 114 determines the elastic modulus of each of the plurality of elastic bodies corresponding to each of the plurality of intervertebral discs based on the estimated amount of deformation and the magnitude of the tensile force.

ここで、椎間板は概ね椎体を接続するものであるので、例えば、位置関係決定部113により決定された、自然体及び引っ張られた状態の各々での各剛体の位置関係に基づいて、各椎間板の変形量を推定することができる。なお、これに代えて、各椎間板の変形量は、椎体抽出部112により抽出された、自然体及び引っ張られた状態の各々での各椎体の位置関係に基づいて、推定されてもよい。   Here, since the intervertebral discs generally connect the vertebral bodies, for example, based on the positional relationship of each rigid body in each of the natural body and the stretched state determined by the positional relationship determining unit 113, the The amount of deformation can be estimated. Alternatively, the amount of deformation of each intervertebral disc may be estimated based on the positional relationship of each vertebral body in each of the natural state and the pulled state extracted by the vertebral body extraction unit 112.

モデルデータ記憶部107は、患者の脊柱モデルを特定するためのモデルデータを記憶する。モデルデータは、例えば、モデル生成部106によって決定された複数の剛体の位置関係、各弾性体の弾性係数を含む。   The model data storage unit 107 stores model data for specifying a spine model of a patient. The model data includes, for example, a positional relationship between a plurality of rigid bodies determined by the model generation unit 106 and an elastic coefficient of each elastic body.

詳細には、例えば、モデルデータでは、椎体を識別するための情報とその椎体に対応する剛体の位置、姿勢(向き)及び大きさを示す情報とが対応付けられている。また例えば、モデルデータでは、椎間板を識別するための情報と、その椎間板に対応する弾性体の弾性係数とが対応付けられている。   Specifically, for example, in the model data, information for identifying a vertebral body is associated with information indicating the position, posture (direction), and size of a rigid body corresponding to the vertebral body. For example, in the model data, information for identifying an intervertebral disc is associated with an elastic coefficient of an elastic body corresponding to the intervertebral disc.

シミュレート部108は、モデル生成部106によって生成された脊柱モデルに含まれる特定の箇所を移動させた場合の複数の剛体の位置関係を決定する。また、シミュレート部108は、特定の箇所を移動させた場合に各弾性体に蓄えられるエネルギを算出する。また、シミュレート部108は、各弾性体に蓄えられるエネルギに応じて、ロッドの剛性を決めるパラメータを決定する。   The simulating unit 108 determines a positional relationship between a plurality of rigid bodies when a specific part included in the spine model generated by the model generating unit 106 is moved. Further, the simulation unit 108 calculates the energy stored in each elastic body when a specific part is moved. Further, the simulating unit 108 determines a parameter for determining the rigidity of the rod according to the energy stored in each elastic body.

ロッド形状特定部109は、シミュレート部108によって決定された複数の剛体の位置関係に沿ったロッドの形状を特定し、特定したロッドの形状を示すロッド形状データを生成してロッド製造装置103へ出力する。また、ロッド形状特定部109は、シミュレート部108が決定したロッドの剛性を決めるパラメータをロッド製造装置103へ出力する。   The rod shape specifying unit 109 specifies a rod shape along the positional relationship of the plurality of rigid bodies determined by the simulation unit 108, generates rod shape data indicating the specified rod shape, and sends the data to the rod manufacturing apparatus 103. Output. Further, the rod shape specifying unit 109 outputs a parameter for determining the rigidity of the rod determined by the simulation unit 108 to the rod manufacturing apparatus 103.

表示部110は、種々の情報を表示する。例えば、表示部110は、シミュレート部108によって決定された複数の剛体の位置関係に応じた画像を表示する。また例えば、表示部110は、シミュレート部108によって算出された各弾性体に蓄えられるエネルギを表示する。   The display unit 110 displays various information. For example, the display unit 110 displays an image corresponding to the positional relationship between the plurality of rigid bodies determined by the simulation unit 108. Further, for example, the display unit 110 displays the energy stored in each elastic body calculated by the simulation unit 108.

指示受付部111は、ユーザからの指示を受け付ける。   The instruction receiving unit 111 receives an instruction from a user.

詳細には例えば、指示受付部111は、脊柱モデルにおいて移動させる箇所、その移動後の位置などの指示を受け付ける。   Specifically, for example, the instruction receiving unit 111 receives an instruction such as a position to be moved in the spinal column model and a position after the movement.

また例えば、指示受付部111は、ロッド製造装置103によってロッドを製造する指示を受け付ける。この指示は、シミュレーションによって得られた脊柱モデルのうち、ユーザが最も望ましいと考えるものを特定するための情報を含んでもよい。この場合、ロッド形状特定部109は、指示受付部111が受け付けた指示に含まれる情報に基づいて、ロッド形状データを生成してロッド製造装置103へ出力する。   Further, for example, the instruction receiving unit 111 receives an instruction to manufacture a rod by the rod manufacturing apparatus 103. This instruction may include information for identifying a spine model obtained by the simulation that the user considers most desirable. In this case, the rod shape specifying unit 109 generates rod shape data based on information included in the instruction received by the instruction receiving unit 111, and outputs the data to the rod manufacturing apparatus 103.

脊柱変形矯正固定術支援装置100は、物理的には、例えば、1つ又は複数のプロセッサ、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、通信インタフェース、キーボード、マウス、タッチパネルなどの一部又は全部を適宜組み合わせて構成される装置であって、汎用のコンピュータ、専用の装置などである。脊柱変形矯正固定術支援装置100の各機能及び脊柱変形矯正固定術支援装置100が実行する処理(詳細後述)は、例えば、上述の物理的な構成を備える装置が、予め組み込まれたソフトウェアプログラムを実行することによって実現される。従って、本発明は、プログラムとして実現されてもよく、そのプログラムが記録された記憶媒体として実現されてもよい。   The spinal deformity correction / fusion assisting apparatus 100 physically includes, for example, one or more processors, a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a flash memory, a communication interface, a keyboard, a mouse, a touch panel, and the like. Is a device configured by appropriately combining some or all of the devices, such as a general-purpose computer and a dedicated device. The functions of the spinal deformity correction / fixation assisting device 100 and the processing executed by the spinal deformity correction / fixation assisting device 100 (details described later) include, for example, a software program in which the device having the above-described physical configuration is installed in advance. It is realized by executing. Therefore, the present invention may be realized as a program, or may be realized as a storage medium on which the program is recorded.

以上、本発明の一実施の形態に係る脊柱変形矯正固定術支援装置100の構成について説明した。ここから、一実施の形態に係る脊柱変形矯正固定術支援装置100が実行する処理について説明する。   The configuration of the spinal deformity correction / fixation assisting device 100 according to one embodiment of the present invention has been described above. The processing executed by the spinal deformity correction and fixation assisting device 100 according to the embodiment will now be described.

脊柱変形矯正固定術支援装置100は、例えば上述の予め組み込まれたソフトウェアプログラム実行中に、脊柱変形矯正固定術を支援するための脊柱変形矯正固定術支援処理(図3参照)を実行する。   The spinal deformity correction / support device 100 executes a spinal deformity correction / fixation assisting process (see FIG. 3) for supporting the spinal deformity correction / fixation, for example, during execution of the above-described pre-installed software program.

第1取得部104は、第1画像データをCT装置101から取得する(ステップS101)。このとき、第1画像データには、患者を識別するための情報が含まれていてもよい。   The first acquisition unit 104 acquires the first image data from the CT device 101 (Step S101). At this time, the first image data may include information for identifying the patient.

第2取得部105は、第2画像データをX線撮影装置102から取得する(ステップS102)。このとき、第2画像データには、患者を識別するための情報が含まれていてもよい。   The second acquisition unit 105 acquires the second image data from the X-ray imaging device 102 (Step S102). At this time, the second image data may include information for identifying the patient.

モデル生成部106は、同一の患者の第1画像データと第2画像データとに基づいて、その患者の脊柱をモデル化した3次元の椎骨モデルを生成する(ステップS103)。   The model generation unit 106 generates a three-dimensional vertebra model that models the spine of the patient based on the first image data and the second image data of the same patient (step S103).

モデル生成処理(ステップS103)の詳細を図4に示す。   FIG. 4 shows details of the model generation process (step S103).

同図に示すように、椎体抽出部112は、ステップS101にて取得された第1画像データが示す画像から、椎体を抽出することによって、患者の自然体での椎体を抽出する(ステップS201)。これにより、患者の自然体における椎体の3次元的な位置関係を推定することができる。   As shown in the figure, the vertebral body extraction unit 112 extracts a vertebral body in a patient's natural body by extracting the vertebral body from the image indicated by the first image data acquired in step S101 (step S101). S201). Thereby, the three-dimensional positional relationship of the vertebral body in the natural body of the patient can be estimated.

ここで、CT装置101で撮影された画像(CT画像)では、一般的に、骨は通常白く表される。そのため、第1画像データが示す画像から椎体を抽出する場合、例えば画素値と予め設定した閾値とを比較し、比較した結果に基づいて、白い部分を椎骨として抽出するとよい。そして、椎体抽出部112は、抽出した各椎骨を識別するための情報として、例えば上から順に番号を付与する。   Here, in an image (CT image) captured by the CT apparatus 101, bones are generally displayed in white. Therefore, when extracting a vertebral body from the image indicated by the first image data, for example, a pixel value may be compared with a preset threshold value, and a white portion may be extracted as a vertebra based on the comparison result. Then, the vertebral body extraction unit 112 assigns, for example, a number in order from the top as information for identifying the extracted vertebrae.

このようにして、各椎骨を抽出した例を図5に示す。同図では、脊柱の一部を示している。同図の「N」は、椎骨に付与された番号である。例えば、患者の椎骨が25個である場合(本実施の形態では、上述の通り尾骨を除いて考えており、仙骨は1個としている。)、同図に示す「N」は、1以上22以下の整数である。   FIG. 5 shows an example of extracting each vertebra in this manner. In the figure, a part of the spine is shown. “N” in the figure is a number assigned to the vertebra. For example, when the patient has 25 vertebrae (this embodiment excludes the coccyx as described above, and has one sacrum), “N” shown in FIG. It is the following integer.

また、椎骨は、椎体以外に、棘突起、上関節突起、下関節突起といった突起部などを有する。突起部を含めてモデル化すると、脊柱モデルの形状が複雑になる。そこで、脊柱モデルを生成するために、脊椎から突起部を除去して、椎体のみを抽出する。   In addition, the vertebra has a projection such as a spinous process, an upper joint process, and a lower joint process in addition to a vertebral body. When the model is formed including the protrusions, the shape of the spine model becomes complicated. Therefore, in order to generate a spine model, the protrusions are removed from the spine, and only the vertebral body is extracted.

突起部は概ね上下の椎骨同士で当接するため、例えばCT画像では連続的に白い領域となる。この連続した白い領域を画像から取り除くことによって、画像に含まれる突起部を概ね除去することができる。   Since the protruding portions abut generally between the upper and lower vertebrae, for example, in a CT image, the protruding portions are continuously white regions. By removing the continuous white area from the image, the protrusions included in the image can be substantially removed.

位置関係決定部113は、ステップS201にて抽出された椎体の各々に、予め定められた形状の剛体を対応付けることによって、自然体での剛体の位置関係を決定する(ステップS202)。   The positional relationship determining unit 113 determines the positional relationship of the rigid body in the natural body by associating each of the vertebral bodies extracted in step S201 with a rigid body having a predetermined shape (step S202).

本実施の形態では、椎体の各々は、予め定められた形状の剛体によりモデル化される。詳細には、図6に点線で示すように、幅WD、高さHG、奥行きDPの比が予め定められた四角柱が、予め定められた形状として採用される。なお、椎体のモデル化に採用される予め定められた形状には、いかなる立体形状が採用されてもよいが、椎体が概ね柱状であるため、例えば、角柱、円柱などの柱状が好適に採用される。   In the present embodiment, each of the vertebral bodies is modeled by a rigid body having a predetermined shape. In detail, as shown by a dotted line in FIG. 6, a square prism having a predetermined ratio of the width WD, the height HG, and the depth DP is adopted as a predetermined shape. The predetermined shape adopted for modeling the vertebral body may have any three-dimensional shape.However, since the vertebral body is generally columnar, for example, a prism such as a prism or a cylinder is preferably used. Adopted.

ここで、位置関係決定部113が、患者の各椎骨の椎体の位置関係(本実施の形態では、姿勢を含む位置及び大きさ)に基づいて、予め定められた柱状の立体である剛体の位置関係を決定する方法について、図6を参照して説明する。   Here, the positional relationship determination unit 113 determines a predetermined columnar solid body based on the positional relationship (in this embodiment, the position and size including the posture) of the vertebral bodies of the vertebrae of the patient. A method for determining the positional relationship will be described with reference to FIG.

本実施の形態では、予め定められる脊柱全体の座標系(脊柱座標系)をXYZ座標系、剛体に対して固定される座標系をUVW座標系とする。XYZ座標系は、X軸、Y軸及びZ軸で構成される直交座標系であり、例えば、人が仰向けに寝た場合に、X軸は水平な軸のうち人体の左から右へ向かう軸、Y軸は水平な軸のうち人体の足から頭へ向かう軸、Z軸は鉛直上方へ向かう軸である。   In the present embodiment, a predetermined coordinate system of the entire spine (spine coordinate system) is an XYZ coordinate system, and a coordinate system fixed to a rigid body is a UVW coordinate system. The XYZ coordinate system is an orthogonal coordinate system composed of an X axis, a Y axis, and a Z axis. For example, when a person lies on his / her back, the X axis is an axis extending from left to right of the human body among horizontal axes. , The Y axis is an axis extending from the foot of the human body to the head of the horizontal axis, and the Z axis is an axis extending vertically upward.

本実施の形態に係るUVW座標系は、図6に示すように、剛体の重心Gを原点とし、U軸とW軸とは、剛体の底面に平行であり、V軸は、U軸とW軸とに垂直な軸である。   As shown in FIG. 6, the UVW coordinate system according to the present embodiment has the center of gravity G of the rigid body as the origin, the U axis and the W axis are parallel to the bottom surface of the rigid body, and the V axis is the U axis and the W axis. The axis is perpendicular to the axis.

また、本実施の形態では、XYZ座標系で表した剛体の重心の位置(重心位置GO)を剛体の位置とする。XYZ座標系をUVW座標系に変換する回転行列を、剛体の姿勢を表す姿勢マトリックスMとする。基準となる幅WD、高さHG、奥行きDPを有する四角柱に対する剛体の大きさをサイズSとする。サイズSは、正の実数であって、剛体が、基準となる幅WD、高さHG、奥行きDPの各々をS倍した大きさの四角柱でモデル化されることを意味する。図6では、サイズSが「1」である例を示している。   Further, in the present embodiment, the position of the center of gravity of the rigid body expressed in the XYZ coordinate system (center of gravity position GO) is defined as the position of the rigid body. The rotation matrix for converting the XYZ coordinate system into the UVW coordinate system is defined as a posture matrix M representing the posture of the rigid body. The size of the rigid body with respect to the square prism having the reference width WD, height HG, and depth DP is defined as size S. The size S is a positive real number, and means that the rigid body is modeled by a square prism having a size obtained by multiplying each of the reference width WD, height HG, and depth DP by S. FIG. 6 shows an example in which the size S is “1”.

位置関係決定部113は、S201で抽出された椎体の1つをモデル化の処理対象として選択する。   The positional relationship determining unit 113 selects one of the vertebral bodies extracted in S201 as a modeling target.

位置関係決定部113は、処理対象の椎体の重心を、重心位置GOとして決定する。位置関係決定部113は、重心位置GOを原点とするUVW座標系を設定する。ここでは、UVW座標系は、初期状態として、U軸がX軸と平行になり、V軸がY軸と平行になり、W軸がZ軸と平行になるように設定される。   The positional relationship determining unit 113 determines the center of gravity of the vertebral body to be processed as the center of gravity position GO. The positional relationship determining unit 113 sets a UVW coordinate system having the center of gravity position GO as the origin. Here, the UVW coordinate system is set such that the U axis is parallel to the X axis, the V axis is parallel to the Y axis, and the W axis is parallel to the Z axis as an initial state.

位置関係決定部113は、設定したUVW座標系に従って標準的な形状の椎体を配置する。例えば、人の椎体は概ね断面が横長の柱状の概ね同じ形状であるので、標準的な形状の椎体は、その柱状の軸方向がV軸と一致し、その柱状断面の横方向がU軸と一致し、その柱状断面の縦方向がW軸と一致するように、配置される。   The positional relationship determination unit 113 arranges a vertebral body having a standard shape according to the set UVW coordinate system. For example, since a human vertebral body has a roughly the same shape of a column having a horizontally long cross section, a vertebral body having a standard shape has a columnar axial direction coinciding with the V-axis and a lateral direction of the columnar cross section being U-shaped. They are arranged so that they coincide with the axis and the vertical direction of the columnar cross section coincides with the W axis.

ここで、椎体の標準的な形状には、例えば椎体について適宜定められる複数の特徴点が平均的な位置関係にある形状が採用されるとよい。椎体の標準的な形状を示すデータ(標準椎体外形データ)は、例えば位置関係決定部113によって予め保持される。また、四角柱115の基準となる幅WD、高さHG、奥行きDPは、四角柱115の各面が標準的な形状の椎体に接して、かつ、四角柱115の中に標準的な形状の椎体が包含されるように定められる。なお、仙骨については、他の椎骨(頸椎、胸椎、腰椎の椎体)とは形状が異なることが多いので、仙骨の標準的な形状が、標準椎体外形データに含まれていてもよい。   Here, as the standard shape of the vertebral body, for example, a shape in which a plurality of characteristic points appropriately determined for the vertebral body may have an average positional relationship may be adopted. Data indicating a standard shape of the vertebral body (standard vertebral body outline data) is held in advance by the positional relationship determination unit 113, for example. The width WD, the height HG, and the depth DP, which are the references of the square pillar 115, are such that each surface of the square pillar 115 is in contact with a vertebral body having a standard shape, and the square pillar 115 has a standard shape. Vertebral bodies are defined to be included. Note that the sacrum often has a different shape from other vertebrae (cervical vertebra, thoracic vertebra, and lumbar vertebra), so the standard shape of the sacrum may be included in the standard vertebral body outline data.

位置関係決定部113は、処理対象の椎体と標準椎体外形データにより示される形状との外形マッチングを行うことによって、姿勢マトリックスM及びサイズSを決定する。   The positional relationship determination unit 113 determines the posture matrix M and the size S by performing contour matching between the vertebral body to be processed and the shape indicated by the standard vertebral body contour data.

詳細には例えば、位置関係決定部113は、予め定められた刻みで姿勢マトリックスMに含まれる各変数を変更することによって、UVW座標系とともに標準的な形状の椎体を回転させる。また、位置関係決定部113は、予め定められた範囲(例えば、0.9〜1.1)の値を予め定められた刻みで変更することによってサイズSを決定し、決定したサイズSに従って標準的な形状の椎体の大きさを伸縮する。このように、位置関係決定部113は、向きと大きさとを変更した場合に、一致度が最大となる姿勢マトリックスM及びサイズSを、処理対象の椎体(椎骨)に対応する剛体の姿勢マトリックスM及びサイズSとして決定する。   More specifically, for example, the positional relationship determination unit 113 rotates a vertebral body having a standard shape together with the UVW coordinate system by changing each variable included in the posture matrix M at predetermined intervals. In addition, the positional relationship determination unit 113 determines the size S by changing the value of a predetermined range (for example, 0.9 to 1.1) at predetermined intervals, and determines a standard size according to the determined size S. Expand and contract the size of the vertebral body in a typical shape. As described above, when the orientation and the size are changed, the positional relationship determination unit 113 determines the posture matrix M and the size S that maximize the degree of coincidence with the rigid posture matrix corresponding to the vertebral body (vertebra) to be processed. Determined as M and size S.

一致度とは、2つの形状が一致する程度を示す値であり、ここでは例えば、向きと大きさとが変更された標準的な形状の椎体と、処理対象の椎体とが重なり合う部分の体積である。   The degree of coincidence is a value indicating the degree of coincidence between two shapes. For example, here, the volume of a portion where a vertebral body of a standard shape whose orientation and size are changed and a vertebral body to be processed overlaps It is.

なお、処理対象の椎体に対応する剛体の姿勢マトリックスMを決定する際に、隣接する椎体についての処理が終了している場合、その椎体に対応する剛体の姿勢マトリックスMが初期値として採用されるよい。脊柱は通常、連続しているため、隣接する椎体に対応する剛体の姿勢マトリックスMを初期値に採用することで、姿勢マトリックスMを決定するための演算量を低減することができる。従って、剛体の位置関係を決定するための演算量を低減することが可能になる。   When determining the posture matrix M of the rigid body corresponding to the vertebral body to be processed, if the processing for the adjacent vertebral body has been completed, the posture matrix M of the rigid body corresponding to the vertebral body is set as an initial value. Good to be adopted. Since the spine is usually continuous, the amount of calculation for determining the posture matrix M can be reduced by adopting a rigid posture matrix M corresponding to an adjacent vertebral body as an initial value. Therefore, the amount of calculation for determining the positional relationship between the rigid bodies can be reduced.

各椎体をモデル化した剛体についての重心位置GO、姿勢マトリックスM及びサイズSは、例えばユーザが表示部110に表示された画像を確認しつつ指示受付部111に指示を与えることにより適宜修正されてもよい。   The center of gravity position GO, posture matrix M, and size S of the rigid body obtained by modeling each vertebral body are appropriately corrected by, for example, giving a command to the command receiving unit 111 while checking the image displayed on the display unit 110. You may.

このような処理を、脊柱を構成する椎骨の各々について順に(例えば、各椎骨に付与された番号の順に)行う。その結果、複数の椎骨のそれぞれに対応する複数の剛体の各々について、重心位置GO、姿勢マトリックスM、サイズSを決定することができる。これにより、自然体での剛体の位置関係が決定される。   Such processing is performed for each of the vertebrae constituting the spine in order (for example, in the order of the numbers assigned to the vertebrae). As a result, the center-of-gravity position GO, the posture matrix M, and the size S can be determined for each of the plurality of rigid bodies corresponding to each of the plurality of vertebrae. Thereby, the positional relationship of the rigid body in the natural body is determined.

図4に示すように、椎体抽出部112は、ステップS102にて取得された第2画像データが示す画像から、椎体を抽出することによって、患者が引っ張られた状態での椎体を抽出する(ステップS203)。これにより、患者が引っ張られた状態における椎体の2次元的な位置関係を推定することができる。   As shown in FIG. 4, the vertebral body extracting unit 112 extracts the vertebral body in a state where the patient is pulled by extracting the vertebral body from the image indicated by the second image data acquired in step S102. (Step S203). This makes it possible to estimate the two-dimensional positional relationship of the vertebral body in a state where the patient is pulled.

位置関係決定部113は、ステップS201にて抽出された椎体の各々に、予め定められた形状の剛体を対応付けることによって、患者が引っ張られた状態における剛体の位置関係を決定する(ステップS204)。   The positional relationship determination unit 113 determines the positional relationship of the rigid body in a state where the patient is pulled by associating each of the vertebral bodies extracted in step S201 with a rigid body having a predetermined shape (step S204). .

ここで、本実施の形態に係る第2画像データは、患者が引っ張られた状態での2次元の画像を示す。そのため、ステップS204にて採用される剛体の形状は、例えば、ステップS202にて決定された位置関係の剛体の各々を、第2画像データが示す画像の撮影方向から見た形状である。この形状の剛体の重心と、2次元の画像において対応する椎体の重心と一致させることによって、各椎骨に対応する剛体の位置関係を決定することができる。このとき、剛体の向きは、第2画像データに示される椎体と剛体との一致度が最大となるように、適宜、変更されてもよい。ここでの一致度は、向きが変更された剛体と、処理対象の椎体とが一致する程度を示す値であり、例えば両者が重なり合う部分の面積である。   Here, the second image data according to the present embodiment indicates a two-dimensional image in a state where the patient is pulled. Therefore, the shape of the rigid body adopted in step S204 is, for example, the shape of each of the rigid bodies having the positional relationship determined in step S202 as viewed from the shooting direction of the image indicated by the second image data. By matching the center of gravity of the rigid body having this shape with the center of gravity of the corresponding vertebral body in the two-dimensional image, the positional relationship of the rigid body corresponding to each vertebra can be determined. At this time, the orientation of the rigid body may be appropriately changed such that the degree of coincidence between the vertebral body and the rigid body shown in the second image data is maximized. The degree of matching here is a value indicating the degree to which the rigid body whose orientation has been changed matches the vertebral body to be processed, and is, for example, the area of a portion where both overlap.

弾性係数決定部114は、ステップS202で決定された剛体の位置関係に基づいて、自然体での剛体間の各々の距離L1を推定する。なお、距離L1は、ステップS201にて抽出された椎体の各々の位置に基づいて推定されてもよい。   The elastic modulus determination unit 114 estimates each distance L1 between the rigid bodies in the natural body based on the positional relationship of the rigid bodies determined in step S202. Note that the distance L1 may be estimated based on the position of each of the vertebral bodies extracted in step S201.

詳細には例えば、距離L1は、上下に隣り合う剛体間の距離、すなわち、上方に位置する剛体の下面中央と、その剛体の直ぐ下に位置する剛体の上面中央との距離として決定される。距離L1は、自然体における各椎間板の長さとも言える。   More specifically, for example, the distance L1 is determined as the distance between vertically adjacent rigid bodies, that is, the distance between the center of the lower surface of the rigid body located above and the center of the upper surface of the rigid body located immediately below the rigid body. The distance L1 can be said to be the length of each intervertebral disc in a natural body.

弾性係数決定部114は、ステップS204で決定された剛体の位置関係に基づいて、患者が引っ張られた状態での剛体間の各々の距離L2を推定する。なお、距離L2は、ステップS203にて抽出された椎体の各々の位置に基づいて推定されてもよい。   The elastic coefficient determining unit 114 estimates each distance L2 between the rigid bodies in a state where the patient is pulled, based on the positional relationship of the rigid bodies determined in step S204. Note that the distance L2 may be estimated based on the position of each of the vertebral bodies extracted in step S203.

詳細には、距離L2は、上下に隣り合う剛体間の距離、例えば、上方に位置する剛体の下辺中央と、その剛体の直ぐ下に位置する剛体の上辺中央との距離として決定される。距離L2は、患者が引っ張られた状態における各椎間板の長さとも言える。   Specifically, the distance L2 is determined as the distance between the vertically adjacent rigid bodies, for example, the distance between the center of the lower side of the rigid body located above and the center of the upper side of the rigid body located immediately below the rigid body. The distance L2 can be said to be the length of each disc in a state where the patient is pulled.

弾性係数決定部114は、推定した剛体間の各々の距離L1,L2の差を算出する。これによって、弾性係数決定部114は、剛体間の各々について、患者が自然体である場合と患者が引っ張られた状態である場合との距離の変化を算出する(ステップS205)。   The elastic coefficient determining unit 114 calculates the difference between the estimated distances L1 and L2 between the rigid bodies. Thereby, the elastic coefficient determination unit 114 calculates, for each of the rigid bodies, a change in distance between the case where the patient is a natural body and the case where the patient is in a pulled state (step S205).

弾性係数決定部114は、ステップS205にて算出した剛体間の各々の距離の変化に基づいて、脊椎モデルを構成する弾性体の各々の弾性係数を決定する(ステップS206)。   The elastic coefficient determining unit 114 determines each elastic coefficient of the elastic body constituting the spine model based on the change in each distance between the rigid bodies calculated in step S205 (step S206).

本実施の形態では、椎間板の各々は、剛体間を接続して一次元的に伸縮する部材としてモデル化される。言い換えると、剛体間は、バネ、ゴムなどで接続されたものとして扱われる。   In the present embodiment, each of the intervertebral discs is modeled as a member that connects rigid bodies and expands and contracts in one dimension. In other words, the rigid bodies are treated as being connected by a spring, rubber, or the like.

例えば、図7に示すように、自然体において、椎間板をモデル化した弾性体116a_1,116b_1により、椎骨をモデル化した剛体117a_1,117b_1,117c_1が接続されているとする。そして、患者が予め定められた引っ張り力で引っ張られた状態では、自然体での弾性体116a_1,116b_1が伸びて弾性体116a_2,116b_2となり、剛体117a_1,117b_1,117c_1の位置が、それぞれ、剛体117a_2,117b_2,117c_2の位置へ変化したとする。この場合、弾性体116a_2の長さ(上述の距離L2に相当)から弾性体116a_1の長さ(上述の距離L1に相当)を引いた値を、引っ張り力で除することによって、弾性体116a_1(弾性体116a_2)の弾性係数が算出される。同様に、弾性体116b_1(弾性体116b_2)の弾性係数を算出することができる。   For example, as shown in FIG. 7, it is assumed that, in a natural body, rigid bodies 117a_1, 117b_1, and 117c_1 that model vertebrae are connected by elastic bodies 116a_1 and 116b_1 that model intervertebral discs. Then, in a state where the patient is pulled by a predetermined pulling force, the elastic bodies 116a_1 and 116b_1 in the natural body extend to elastic bodies 116a_2 and 116b_2, and the positions of the rigid bodies 117a_1, 117b_1 and 117c_1 are respectively set to the rigid bodies 117a_2 and 117a_2. It is assumed that the position has been changed to the positions of 117b_2 and 117c_2. In this case, the value obtained by subtracting the length of the elastic body 116a_1 (corresponding to the above-described distance L1) from the length of the elastic body 116a_2 (corresponding to the above-described distance L2) is divided by the pulling force to obtain the elastic body 116a_1 ( The elastic coefficient of the elastic body 116a_2) is calculated. Similarly, the elastic coefficient of the elastic body 116b_1 (elastic body 116b_2) can be calculated.

位置関係決定部113と弾性係数決定部114とは、ステップS202とステップS206で決定した内容を含むモデルデータをモデルデータ記憶部107に記憶させる(ステップS207)。   The positional relationship determination unit 113 and the elastic modulus determination unit 114 store the model data including the content determined in steps S202 and S206 in the model data storage unit 107 (step S207).

詳細には、位置関係決定部113は、自然体での、すなわち3次元での剛体の各々の重心位置GO、姿勢マトリックスM及びサイズSを含むデータを、第1画像データにより示される画像に対応する患者のモデルデータとしてモデルデータ記憶部107に記憶させる。また、弾性係数決定部114は、弾性体の各々の弾性係数を含むデータを、その患者のモデルデータとしてモデルデータ記憶部107に記憶させる。   More specifically, the positional relationship determination unit 113 converts the data including the center of gravity position GO, the posture matrix M, and the size S of each of the rigid bodies in the natural body, that is, in three dimensions, into the image indicated by the first image data. It is stored in the model data storage unit 107 as patient model data. Further, the elastic coefficient determination unit 114 causes the model data storage unit 107 to store data including the elastic coefficient of each elastic body as model data of the patient.

弾性係数決定部114は、ステップS207にてモデルデータ記憶部107が記憶したモデルデータを参照し、引っ張り力で引っ張られた状態の3次元の脊椎モデルと各椎間板に蓄えられたエネルギとを含むデータを生成する。そして、弾性係数決定部114は、予め定められた角度から脊椎モデルを見た画像と、各椎間板に蓄えられたエネルギとを含む表示データを表示部110へ出力する。表示部110は、弾性係数決定部114から表示データを取得し、その表示データが示す引っ張られた状態の脊柱モデルと各椎間板に蓄えられたエネルギとを表示する(ステップS208)。図8に、ステップS208にて表示された画像の一例を示す。   The elastic modulus determination unit 114 refers to the model data stored in the model data storage unit 107 in step S207, and refers to the data including the three-dimensional spine model in a state of being pulled by the pulling force and the energy stored in each disc. Generate Then, the elastic modulus determination unit 114 outputs to the display unit 110 display data including an image of the spine model viewed from a predetermined angle and the energy stored in each intervertebral disc. The display unit 110 acquires display data from the elastic modulus determination unit 114, and displays the spine model in a pulled state indicated by the display data and the energy stored in each intervertebral disc (step S208). FIG. 8 shows an example of the image displayed in step S208.

なお、同図に示す例では、各椎間板に蓄えられたエネルギが数字で表示されているが、各エネルギは、対応する椎間板の領域に、大きさに応じて予め定められた色で表示部110に表示されてもよい。また、例えば、脊柱モデルは、上述の通り3次元で作成されるので、ユーザが指示受付部111を介して指示することによって、所望の角度から見た画像を表示部110に表示させることができる。これらのことは、後述するシミュレーションの結果を表示する場合(図9,図10参照)においても、同様である。   In the example shown in the figure, the energy stored in each intervertebral disc is displayed by a numeral, but each energy is displayed in a corresponding color of the intervertebral disc area in a predetermined color in accordance with the size. May be displayed. Further, for example, since the spine model is created in three dimensions as described above, an image viewed from a desired angle can be displayed on the display unit 110 when the user gives an instruction through the instruction receiving unit 111. . The same applies to the case where the result of a simulation described later is displayed (see FIGS. 9 and 10).

これにより、モデル生成処理(ステップS103)が終了する。   Thus, the model generation processing (Step S103) ends.

再び図3を参照し、シミュレート部108は、指示受付部111が脊柱モデルに含まれる特定の箇所を移動させる指示を受け付けたか否かを判定する(ステップS104)。   Referring to FIG. 3 again, simulation section 108 determines whether or not instruction receiving section 111 has received an instruction to move a specific portion included in the spinal column model (step S104).

特定の箇所を移動させる指示を受け付けたと判定した場合(ステップS104;Yes)、シミュレート部108は、シミュレーション処理を行う(ステップS105)。   If it is determined that an instruction to move a specific part has been received (step S104; Yes), the simulation unit 108 performs a simulation process (step S105).

このシミュレーション処理は、ステップS103にて生成された脊柱モデルに含まれる特定の箇所を移動させた場合の複数の剛体の位置関係を決定するものである。これにより、特定の箇所を移動させた場合の3次元の脊椎モデルが決定され、その脊柱モデルを示すデータが生成される。   This simulation processing is for determining the positional relationship between a plurality of rigid bodies when a specific part included in the spine model generated in step S103 is moved. As a result, a three-dimensional spine model when a specific part is moved is determined, and data indicating the spine model is generated.

詳細には、シミュレート部108は、モデルデータ記憶部107が記憶しているモデルデータを参照する。そして、シミュレート部108は、モデルデータに含まれる各弾性体の弾性係数に基づいて、特定の箇所を移動させた場合の複数の剛体の位置関係を決定する。このとき、複数の剛体の位置関係は、脊柱モデルの特定の箇所を移動させた場合に脊柱モデルの全体に含まれる各弾性体に蓄えられるエネルギの総和が最小となるように決定される。この決定のための境界条件などは、適宜定められてよく、本実施の形態では例えば、少なくとも脊柱モデルの下端を固定とする。シミュレート部108は、このようにして決定した複数の剛体の位置関係を示すデータを、特定の箇所を移動させた場合の脊柱モデルを示すデータとしてモデルデータ記憶部107に記憶される。   Specifically, the simulation unit 108 refers to the model data stored in the model data storage unit 107. Then, the simulating unit 108 determines a positional relationship between a plurality of rigid bodies when a specific part is moved based on the elastic modulus of each elastic body included in the model data. At this time, the positional relationship between the plurality of rigid bodies is determined so that the total sum of the energy stored in each elastic body included in the entire spinal column model when a specific portion of the spinal column model is moved. Boundary conditions and the like for this determination may be determined as appropriate. In the present embodiment, for example, at least the lower end of the spine model is fixed. The simulation unit 108 stores the data indicating the positional relationship of the plurality of rigid bodies determined as described above in the model data storage unit 107 as data indicating the spine model when a specific part is moved.

また、シミュレート部108は、モデルデータに含まれる各弾性体の弾性係数に基づいて、脊柱モデルの特定の箇所を移動させた場合に各弾性体に蓄えられるエネルギを算出する。これにより算出されたエネルギの各々は、対応する弾性体を識別するための情報とともに、特定の箇所を移動させた場合の脊柱モデルを示すデータに含められる。   Further, the simulation unit 108 calculates the energy stored in each elastic body when a specific part of the spine model is moved, based on the elastic coefficient of each elastic body included in the model data. Each of the calculated energies is included in the data indicating the spine model when a specific part is moved, together with information for identifying the corresponding elastic body.

また、シミュレート部108は、各弾性体に蓄えられるエネルギに応じて、ロッドの剛性を決めるパラメータを決定する。ロッドの剛性を決めるパラメータは、脊柱モデルの全体に含まれる各弾性体に蓄えられるエネルギの総和に基づいてロッド全体の統一パラメータとして生成しても良い。また、それぞれの弾性体に蓄えられるエネルギに応じて、それぞれの弾性体に対応するロッドの部分ごとにパラメータを決めるようにしても良い。具体的には、必要とする強度に応じてロッドの太さを変えるようにしても良い。   Further, the simulating unit 108 determines a parameter for determining the rigidity of the rod according to the energy stored in each elastic body. The parameter that determines the rigidity of the rod may be generated as a unified parameter for the entire rod based on the total energy stored in each elastic body included in the entire spinal column model. Further, the parameters may be determined for each rod portion corresponding to each elastic body according to the energy stored in each elastic body. Specifically, the thickness of the rod may be changed according to the required strength.

パラメータの具体例としては、例えば、金属材料の種類、金属材料層の厚さ、金属粒子の密度、電子ビームの電力量、電子ビームの照射時間などがある。弾性体に蓄えられるエネルギに応じてどのパラメータをどのように設定するかは、予め実験等で求めてシミュレート部108に記憶しておく。そして、シミュレート部108は、シミュレーション結果に基づいて、テーブル引きでロッドの剛性を決めるパラメータを求める。また、パラメータには、ロッドの太さを決めるパラメータも含まれる。   Specific examples of the parameters include, for example, the type of the metal material, the thickness of the metal material layer, the density of the metal particles, the electric energy of the electron beam, and the irradiation time of the electron beam. Which parameter and how to set according to the energy stored in the elastic body is obtained in advance through experiments or the like and stored in the simulation unit 108. Then, the simulating unit 108 obtains a parameter for determining the rigidity of the rod by pulling the table based on the simulation result. The parameters also include parameters for determining the thickness of the rod.

シミュレート部108は、ステップS105にて生成されたデータに基づいて、予め定められた角度から脊椎モデルを見た画像と、各椎間板に蓄えられたエネルギとを含む表示データを表示部110へ出力する。表示部110は、シミュレート部108から表示データを取得し、表示データが示す脊柱モデルと各椎間板に蓄えられたエネルギとを表示する(ステップS106)。その後、ステップS104の処理が再び実行される。   The simulation unit 108 outputs, to the display unit 110, display data including an image of the spine model viewed from a predetermined angle and the energy stored in each disc based on the data generated in step S105. I do. The display unit 110 acquires the display data from the simulation unit 108, and displays the spine model indicated by the display data and the energy stored in each intervertebral disc (step S106). Then, the process of step S104 is performed again.

図9に、図8に示す脊柱モデルの特定の箇所を図9の矢印で示すように移動した場合に、ステップS106にて表示部110に表示される画面の例を示す。図9に例示する画面は、脊柱モデルの両端部以外の特定の箇所を移動させた脊椎モデル(図9の実線)と、特定の箇所を移動させる前の脊柱モデル、すなわち、図8に示す脊柱モデル(図9の点線)と、特定の箇所を移動させた場合に各椎間板に蓄えられるエネルギとを含む。   FIG. 9 shows an example of a screen displayed on the display unit 110 in step S106 when a specific portion of the spinal column model shown in FIG. 8 is moved as indicated by an arrow in FIG. The screen illustrated in FIG. 9 includes a spine model (a solid line in FIG. 9) in which a specific part other than both ends of the spine model is moved, and a spine model before the specific part is moved, ie, the spine shown in FIG. It includes the model (dotted line in FIG. 9) and the energy stored in each disc when a particular location is moved.

特定の箇所として端部以外を移動させた場合の脊柱モデルは、上述のように、脊柱モデルの全体に含まれる各弾性体に蓄えられるエネルギの総和が最小となるように決定される。この決定のための条件には、上述のように下端が移動前の位置に固定することに加えて、さらに例えば、上端を移動前の位置に固定することと、特定の箇所を移動後の位置に固定することとが含まれる。   As described above, the spine model when a part other than the end is moved as a specific portion is determined so that the total sum of energy stored in each elastic body included in the entire spine model is minimized. The conditions for this determination include, in addition to fixing the lower end at the position before the movement as described above, further, for example, fixing the upper end to the position before the movement, and the position after the movement at a specific position. And fixing the same.

また、図10に、図8に示す脊柱モデルの上端を特定の箇所として図10の矢印で示すように移動した場合に、ステップS106にて表示部110に表示される画面の例を示す。図10に例示する画面は、上端を移動させた脊椎モデル(図10の実線)と、上端を移動させる前の脊柱モデル、すなわち、図8に示す脊柱モデル(図10の点線)と、上端を移動させた場合に各椎間板に蓄えられるエネルギとを含む。   FIG. 10 illustrates an example of a screen displayed on the display unit 110 in step S106 when the upper end of the spine model illustrated in FIG. 8 is moved as a specific location as indicated by an arrow in FIG. The screen illustrated in FIG. 10 includes a spine model in which the upper end is moved (solid line in FIG. 10), a spine model before moving the upper end, that is, a spine model (dotted line in FIG. 10) shown in FIG. And the energy stored in each disc when moved.

特定の箇所として端部(本実施の形態では、端部が固定であるため、上端部)を移動させた場合の脊柱モデルは、上述のように、脊柱モデルの全体に含まれる各弾性体に蓄えられるエネルギの総和が最小となるように決定される。この決定のための条件には、上述のように下端が移動前の位置に固定することに加えて、さらに例えば、上端を移動後の位置に固定することが含まれる。   As described above, the spine model when the end (in this embodiment, the end is fixed and the upper end is fixed) is moved to each elastic body included in the entire spine model as described above. It is determined that the sum of the stored energy is minimized. Conditions for this determination include, for example, fixing the upper end to the position after the movement in addition to fixing the lower end to the position before the movement as described above.

特定の箇所を移動させる指示を受け付けていないと判定された場合(ステップS104;No)、ロッド形状特定部109は、指示受付部111がロッドを製造する指示を受け付けたか否かを判定する(ステップS107)。   When it is determined that the instruction to move the specific portion has not been received (Step S104; No), the rod shape specifying unit 109 determines whether the instruction receiving unit 111 has received an instruction to manufacture a rod (Step S104). S107).

ロッドを製造する指示を受け付けていないと判定した場合(ステップS107;No)、ステップS104の処理が再び実行される。   When it is determined that the instruction to manufacture the rod has not been received (Step S107; No), the process of Step S104 is executed again.

ロッドを製造する指示を受け付けたと判定した場合(ステップS107;Yes)、ロッド形状特定部109は、表示部110に表示されている脊柱モデルに適合するロッドの形状を特定する(ステップS108)。   When it is determined that an instruction to manufacture a rod has been received (Step S107; Yes), the rod shape specifying unit 109 specifies a rod shape that matches the spine model displayed on the display unit 110 (Step S108).

詳細には例えば、ロッド形状特定部109は、表示部110に表示されている脊柱モデルに含まれる複数の剛体の位置関係に沿ったロッドの形状を特定する。より詳細には例えば、剛体の各々の重心を通る滑らかな近似曲線によりロッドの形状が特定される。近似曲線は、予め定められた、又は、ユーザが指示する次数の高次関数により表される曲線などである。   More specifically, for example, the rod shape specifying unit 109 specifies the rod shape along the positional relationship of a plurality of rigid bodies included in the spine model displayed on the display unit 110. More specifically, for example, the shape of the rod is specified by a smooth approximate curve passing through the center of gravity of each of the rigid bodies. The approximate curve is a curve or the like that is represented by a higher-order function of a predetermined degree or a degree specified by the user.

本実施の形態によれば、ユーザは、ユーザが最も望ましいと考える脊柱モデルが表示部110に表示された場合に、指示受付部111に指示を与えるとよい。これによって、表示部110に表示された脊柱モデルを特定するための情報がロッド形状特定部109に出力されて、その脊柱モデルの形状に適合するロッド形状データが生成される。なお、ロッド形状データは、例えばユーザが指定するロッドの太さなどを含む立体的な形状を示すものであってもよい。   According to the present embodiment, when the spine model that the user considers most desirable is displayed on display unit 110, the user may give an instruction to instruction reception unit 111. As a result, the information for specifying the spine model displayed on the display unit 110 is output to the rod shape specification unit 109, and rod shape data conforming to the shape of the spine model is generated. The rod shape data may indicate a three-dimensional shape including, for example, the thickness of the rod specified by the user.

ロッド形状特定部109は、ステップS108にて特定したロッドの形状を示すロッド形状データを生成してロッド製造装置103へ出力し(ステップS109)、ステップS104の処理が再び実行される。そして、ロッド製造装置103は、ロッド形状データを取得し、取得したロッド形状データが示す形状のロッドを製造する。   The rod shape specifying unit 109 generates rod shape data indicating the shape of the rod specified in step S108 and outputs the data to the rod manufacturing apparatus 103 (step S109), and the process of step S104 is executed again. Then, the rod manufacturing apparatus 103 obtains rod shape data, and manufactures a rod having the shape indicated by the obtained rod shape data.

ロッド形状特定部109が出力したロッド形状データを図面化した例を図11と図12に示す。図11と図12とは、脊柱を矯正するためのロッドの曲率が異なる曲率が小さめの例である。   FIGS. 11 and 12 show examples of drawing the rod shape data output by the rod shape specifying unit 109. FIG. FIGS. 11 and 12 are examples in which the curvatures of the rods for correcting the spine are different and the curvatures are relatively small.

図13は、ロッド形状特定部109が出力した図11、図12に示すロッド形状データに基づいて、ロッド製造装置103で実際に製造したロッドの写真である。製造されたロッドは、ロッド形状特定部109が生成した形状データに忠実なものであることが確認された。また、製造時にはロッドに曲げ応力等が加えられないことが確認された。   FIG. 13 is a photograph of a rod actually manufactured by the rod manufacturing apparatus 103 based on the rod shape data shown in FIGS. 11 and 12 output by the rod shape specifying unit 109. It was confirmed that the manufactured rod was faithful to the shape data generated by the rod shape specifying unit 109. It was also confirmed that no bending stress or the like was applied to the rod during manufacture.

これまで説明したように、本実施の形態によれば、脊柱変形矯正固定術支援装置100は、患者の第1画像データと第2画像データとに基づいて、3次元の脊柱モデルを生成し、脊柱モデルに含まれる特定の箇所を移動させた場合の複数の剛体の位置関係を決定する。これにより、剛体を適宜移動させることによって、矯正後の脊柱の状態をシミュレートし、シミュレーションの結果に基づいて、患者に適した矯正後の脊柱の状態を予め検討し、手術中に矯正後の脊柱の状態を決定するための時間を少なくとも短縮することができる。従って、短時間で適切な脊柱変形矯正固定術を行うことが可能になる。   As described above, according to the present embodiment, the spinal deformity correction / fixation assisting apparatus 100 generates a three-dimensional spine model based on the first image data and the second image data of the patient, The positional relationship between a plurality of rigid bodies when a specific part included in the spinal column model is moved is determined. Thereby, by appropriately moving the rigid body, simulate the state of the spine after correction, based on the result of the simulation, to study in advance the state of the spine after correction suitable for the patient, during surgery, after the correction The time for determining the condition of the spine can be reduced at least. Therefore, it is possible to perform appropriate spinal deformity correction and fixation in a short time.

一般的に、医師が手術中にロッドを曲げる従来の脊柱変形矯正固定術では、ロッドには残留応力が残ることがある。そして、残留応力のために、ロッドが手術後に患者の体内で折れてしまうことがある。また、手術後にロッドが残留応力を低減するように変形して、医師が意図した状態に脊柱が固定されないことがある。   In general, conventional spinal deformity correction where the physician bends the rod during surgery can leave residual stress on the rod. And, the rod may be broken in the patient's body after the operation due to residual stress. Also, the rod may deform after surgery to reduce residual stress, and the spine may not be fixed in the state intended by the physician.

手術後のロッドの折れ、変形などを防ぐには、より強度が強い材質で作られたロッドを予め製造しておくことが望ましい。本実施の形態によれば、シミュレーションの結果に基づいて、適切な矯正後の脊柱の状態に適合するロッドを予め製造しておくことができる。このとき、例えば熱処理をしておくことにより、従来よりも強度が強いロッドを手術前に予め製造しておくこともできる。これにより、適切な脊柱変形矯正固定術が可能になる。   In order to prevent the rod from being bent or deformed after the operation, it is desirable to manufacture a rod made of a material having higher strength in advance. According to the present embodiment, based on the result of the simulation, it is possible to manufacture in advance a rod suitable for the state of the spine after appropriate correction. At this time, for example, by performing a heat treatment, a rod having higher strength than before can be manufactured in advance before the operation. This enables appropriate spinal deformity correction and fusion.

また、手術前に予めロッドを用意しておくことで、手術中にロッドを曲げるための時間を低減又は省くことができ、手術時間を短くすることができる。そのため、短時間で脊柱変形矯正固定術を行うことが可能になる。   In addition, by preparing the rod before the operation, the time for bending the rod during the operation can be reduced or omitted, and the operation time can be shortened. Therefore, it becomes possible to perform spinal deformity correction and fixation in a short time.

さらに、一般的に、医師はある一定の長さのロッドを症例毎に切断して使用しているが、予め長さが決まったロッドを使用することができれば、材料費を抑えることができ、在庫管理も容易になる。   Furthermore, in general, doctors cut and use rods of a certain length for each case, but if rods having a predetermined length can be used, material costs can be reduced, Inventory management becomes easier.

本実施の形態によれば、各弾性体の弾性係数に基づいて、特定の箇所を移動させた場合に各弾性体に蓄えられるエネルギの総和が最小となる複数の剛体の位置関係を決定する。これによって、特定の箇所を移動させた場合の脊椎モデルの状態が決定される。このような方法によれば、各剛体に掛かる力に基づく複雑な計算をしなくても、特定の箇所を移動させた場合の脊椎モデルの状態を比較的容易に求めることができる。従って、脊柱変形矯正固定術支援装置100が演算処理を行う負荷を抑えつつ、適切な脊柱変形矯正固定術を支援することが可能になる。   According to the present embodiment, based on the elastic modulus of each elastic body, the positional relationship between a plurality of rigid bodies that minimizes the total energy stored in each elastic body when a specific part is moved is determined. Thereby, the state of the spine model when a specific part is moved is determined. According to such a method, the state of the spine model when a specific portion is moved can be relatively easily obtained without performing a complicated calculation based on the force applied to each rigid body. Therefore, it is possible to support appropriate spinal deformity correction / fixation while suppressing the load of the spinal deformity correction / support device 100 for performing the arithmetic processing.

本実施の形態によれば、脊柱モデルに含まれる各弾性体に蓄えられるエネルギが表示部110に表示される。これにより、矯正後の脊柱にどの程度の負担が掛かるかを推測することができるので、例えば患者に過度の負担となる矯正を回避することができる。従って、従来よりも安全でかつ適切な脊柱変形矯正固定術を行うことが可能になる。   According to the present embodiment, the energy stored in each elastic body included in the spinal column model is displayed on display unit 110. This makes it possible to estimate how much load will be applied to the spine after the correction, so that it is possible to avoid, for example, correction that causes an excessive load on the patient. Therefore, it is possible to perform safer and more appropriate spinal deformity correction and fixation than before.

本実施の形態によれば、椎間板の各々が、一次元的に伸縮する部材としてモデル化される。これにより、椎間板を比較的単純なモデルとして表現しつつ、矯正された脊柱の状態のシミュレーションをすることができる。従って、脊柱変形矯正固定術支援装置100が演算処理を行う負荷を抑えつつ、適切な脊柱変形矯正固定術を支援することが可能になる。   According to the present embodiment, each of the intervertebral discs is modeled as a member that expands and contracts one-dimensionally. Thereby, it is possible to simulate the state of the corrected spine while expressing the intervertebral disc as a relatively simple model. Therefore, it is possible to support appropriate spinal deformity correction / fixation while suppressing the load of the spinal deformity correction / support device 100 for performing the arithmetic processing.

本実施の形態によれば、椎骨の各々が、予め定められた形状の剛体によりモデル化される。これにより、椎骨を比較的単純なモデルとして表現しつつ、矯正された脊柱の状態のシミュレーションをすることができる。従って、脊柱変形矯正固定術支援装置100が演算処理を行う負荷を抑えつつ、適切な脊柱変形矯正固定術を支援することが可能になる。   According to the present embodiment, each of the vertebrae is modeled by a rigid body having a predetermined shape. Thus, it is possible to simulate the state of the corrected spine while expressing the vertebra as a relatively simple model. Therefore, it is possible to support appropriate spinal deformity correction / fixation while suppressing the load of the spinal deformity correction / support device 100 for performing the arithmetic processing.

本実施の形態によれば、椎骨の各々が、柱状の立体の一例としての四角柱によりモデル化される。そして、その柱状の立体の位置及び大きさは、患者の各椎骨の椎体の位置及び大きさに基づいて決定される。これにより、椎骨を比較的単純なモデルとして表現しつつ、矯正された脊柱の状態のシミュレーションをすることができる。従って、脊柱変形矯正固定術支援装置100が演算処理を行う負荷を抑えつつ、適切な脊柱変形矯正固定術を支援することが可能になる。   According to the present embodiment, each of the vertebrae is modeled by a quadrangular prism as an example of a columnar solid. Then, the position and size of the columnar solid are determined based on the position and size of the vertebral body of each vertebra of the patient. Thus, it is possible to simulate the state of the corrected spine while expressing the vertebra as a relatively simple model. Therefore, it is possible to support appropriate spinal deformity correction / fixation while suppressing the load of the spinal deformity correction / support device 100 for performing the arithmetic processing.

本実施の形態では、シミュレーションにより生成された脊柱モデルに適合したロッドをロッド製造装置103により、ユーザの指示に応じて製造する。これにより、適切な矯正後の脊柱の状態に適合するロッドを容易に製造することが可能になる。   In the present embodiment, a rod suitable for the spine model generated by the simulation is manufactured by the rod manufacturing apparatus 103 in accordance with a user's instruction. This makes it possible to easily manufacture a rod that conforms to the condition of the spine after proper correction.

本実施の形態では、第1画像データは、CT装置101により撮影された画像を示し、第2画像は、X線撮影装置102で撮影された画像を示す。一般的に、CT装置101では、X線撮影装置102よりも患者の被ばく量が多い。本実施の形態によれば、第1画像データと第2画像データとの両方の生成にCT装置101を利用しなくてもよいので、患者の被ばく量を抑制しつつ、3次元の脊柱モデルを構築して矯正後の脊柱の状態のシミュレーションをすることが可能になる。   In the present embodiment, the first image data indicates an image captured by the CT device 101, and the second image indicates an image captured by the X-ray imaging device 102. In general, the CT apparatus 101 has a larger patient dose than the X-ray imaging apparatus 102. According to the present embodiment, it is not necessary to use the CT device 101 for generating both the first image data and the second image data, so that the three-dimensional spine model can be generated while suppressing the exposure dose of the patient. It is possible to simulate the state of the spine after building and correcting it.

実施の形態では、ステップS208にて、引っ張られた状態の3次元の脊椎モデルと各椎間板に蓄えられたエネルギとを表示する。これに代えて、ステップS208にて、自然体での3次元の脊椎モデルと各椎間板に蓄えられたエネルギ(この場合は、例えばゼロである。)とを含むデータが生成され、それらが表示部110に表示されもよい。しかし、実施の形態によれば、ユーザは、ある程度矯正された状態を見て、それを修正してシミュレートすることができる。そのため、実施の形態によれば、シミュレーションを効率的に行うことが可能になる。   In the embodiment, in step S208, the three-dimensional spine model in a pulled state and the energy stored in each disc are displayed. Instead, in step S208, data including a three-dimensional spine model of a natural body and energy (in this case, for example, zero) stored in each disc is generated, and these are displayed on the display unit 110. May be displayed. However, according to the embodiment, the user can see the state corrected to some extent, correct it, and simulate it. Therefore, according to the embodiment, it is possible to efficiently perform the simulation.

以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明は、この実施の形態に限られるものではない。例えば、以下のように変形されてもよい。   As described above, one embodiment of the present invention has been described, but the present invention is not limited to this embodiment. For example, it may be modified as follows.

例えば、実施の形態では、椎間板の各々が、剛体間を接続して一次元的に伸縮する部材としてモデル化されることとした。しかし、椎間板の各々は、図14に示すように、椎体をモデル化した剛体117d,117eの間を接続するラーメン構造を有する構造体118としてモデル化されてもよい。   For example, in the embodiment, each of the intervertebral discs is modeled as a member that connects rigid bodies and expands and contracts one-dimensionally. However, as shown in FIG. 14, each of the intervertebral discs may be modeled as a structure 118 having a rigid frame structure connecting between rigid bodies 117d and 117e that model a vertebral body.

この場合、自然体である場合と引っ張られた状態である場合との実施の形態と同様の脊柱の画像に基づいて、各椎間板の変形量が推定されるとよい。そして、推定された各椎間板の変形量と引っ張り力とに基づいて、椎間板の弾性係数として、縦弾性係数及び横弾性係数が決定されるとよい。   In this case, the amount of deformation of each intervertebral disc may be estimated based on the same image of the vertebral column as in the case of the natural body and the case of the pulled state. Then, the longitudinal elastic modulus and the lateral elastic modulus may be determined as the elastic coefficients of the intervertebral discs based on the estimated deformation amount and the tensile force of each intervertebral disc.

これによれば、シミュレーションの際に、捻じれによって椎間板に蓄えられるエネルギをも考慮することができる。そのため、矯正後の脊柱の状態をより正確に求めること、矯正後の脊柱において椎間板に蓄えられるエネルギをより正確に求めることができるので、適切な脊柱変形矯正固定術を支援することが可能になる。   According to this, at the time of the simulation, the energy stored in the intervertebral disc due to torsion can also be considered. Therefore, it is possible to more accurately obtain the state of the spine after the correction, and more accurately obtain the energy stored in the intervertebral disc in the corrected spine, so that it is possible to support appropriate spinal deformity correction and fusion. .

例えば、脊柱モデルは、変形した部分(変形部分)を含む患者の脊柱の一部についてのみ生成されてもよい。   For example, the spine model may be generated only for a part of the patient's spine including the deformed part (deformed part).

この場合、例えば位置関係決定部113は、脊柱の各部の曲率と正常な曲率に応じて定められる閾値とを比較し、比較した結果、曲率が異常と判断される部分として、変形部分を決定してもよい。そして、位置関係決定部113は、脊柱モデルを生成する部分として、変形部分から上下の各方向に予め定められた範囲に含まれる脊柱と、変形部分とを決定してもよい。ここでの予め定められた範囲は、例えば、長さ、変形部分に対する割合などで定められるとよい。   In this case, for example, the positional relationship determination unit 113 compares the curvature of each part of the spine with a threshold determined according to a normal curvature, and determines a deformed part as a part where the curvature is determined to be abnormal as a result of the comparison. You may. Then, the positional relationship determining unit 113 may determine the spine included in a predetermined range in the up and down directions from the deformed part and the deformed part as the part for generating the spine model. Here, the predetermined range may be determined by, for example, the length, the ratio to the deformed portion, or the like.

また例えば、脊柱をモデル化する部分は、ユーザにより指定されてもよい。これによれば、脊柱全体をモデル化するよりも少ない剛体及び弾性体で構成される脊柱モデルを生成することができる。また、この脊柱モデルによっても、矯正後の脊柱の状態のシミュレーションを行うことができる。従って、脊柱変形矯正固定術支援装置100が演算処理を行う負荷を抑えつつ、適切な脊柱変形矯正固定術を支援することが可能になる。   Also, for example, the part that models the spine may be specified by the user. According to this, it is possible to generate a spine model composed of less rigid and elastic bodies than modeling the entire spine. Also, with this spine model, it is possible to simulate the state of the spine after correction. Therefore, it is possible to support appropriate spinal deformity correction / fixation while suppressing the load of the spinal deformity correction / support device 100 for performing the arithmetic processing.

例えば、第1画像データは、自然体において患者の複数の椎骨の位置関係を3次元で特定することができるものであればよく、例えば、X線撮影装置、MRI(Magnetic Resonance Imaging)装置などにより生成されてもよい。X線撮影装置が採用される場合、第1画像データは、患者の脊柱を異なる角度で撮影した複数のX線画像を含むとよい。このような第1画像データを採用した場合も、実施の形態と同様の効果を奏する。   For example, the first image data only needs to be able to three-dimensionally specify the positional relationship between a plurality of vertebrae of a patient in a natural body, and is generated by, for example, an X-ray imaging device, an MRI (Magnetic Resonance Imaging) device, or the like. May be done. When an X-ray imaging apparatus is employed, the first image data may include a plurality of X-ray images obtained by imaging the patient's spine at different angles. Even when such first image data is adopted, the same effect as that of the embodiment can be obtained.

例えば、第2画像データは、患者の脊柱に力が加えられた状態において各椎骨間の間隔を特定することができるものであればよい。患者の脊柱に力が加えられた状態は、実施の形態で説明した状態、すなわち、患者の脊柱が予め定められた大きさの力で引っ張られた状態に限られず、立位、変形した脊柱の頂点を押した状態などであってもよい。これらの状態を適宜組み合わせた複数の画像を示すデータが、第2画像データに採用されてもよい。立位の場合、患者の体型、体重などに基づいて、各椎間板に掛かる力を推定することができる。変形した脊柱の頂点を押す場合には、その押す力を測定することで、各椎間板に掛かる力を推定することができる。   For example, the second image data may be any data as long as the interval between the vertebrae can be specified when a force is applied to the spine of the patient. The state in which a force is applied to the patient's spine is not limited to the state described in the embodiment, that is, the state in which the patient's spine is pulled by a force of a predetermined magnitude, but the standing, deformed spine The state where the vertex is pressed may be used. Data indicating a plurality of images obtained by appropriately combining these states may be adopted as the second image data. When standing, the force applied to each disc can be estimated based on the patient's body type, weight, and the like. When pushing the apex of the deformed spine, the force applied to each disc can be estimated by measuring the pushing force.

また例えば、第2画像データを生成する装置は、X線撮影装置102に限られない。第2画像データを生成する装置には、患者の脊柱を撮影する状態などに合わせて適宜、CT装置、MRI装置などが採用されてもよい。   Further, for example, the device that generates the second image data is not limited to the X-ray imaging device 102. As a device that generates the second image data, a CT device, an MRI device, or the like may be appropriately used according to a state in which a patient's spine is imaged.

このような第2画像データを採用した場合も、各椎間板の柔軟性を、それに相当する弾性体の弾性係数で表すことができるので、上述のシミュレーションにおいて患者の脊柱が変改した部位の可動性を推定することができる。そのため、このような第2画像データを採用した場合も、実施の形態と同様の効果を奏する。   Even when such second image data is employed, the flexibility of each intervertebral disc can be represented by the elastic modulus of the corresponding elastic body. Can be estimated. Therefore, even when such second image data is adopted, the same effect as that of the embodiment is achieved.

例えば、実施の形態では、剛体の重心の位置(重心位置GO)を剛体の位置に採用する例により説明したが、剛体の位置の表し方は、適宜変更されてよい。また、本実施の形態で採用する座標系は、モデル生成処理(ステップS103)及びシミュレーション処理(ステップS105)にて採用される座標系の一例であって、これらの各処理に採用される座標系は、直交座標系に限らず、極座標系など適宜変更されてよい。このような変形例によっても、実施の形態と同様の効果を奏する。   For example, in the embodiment, the example has been described in which the position of the center of gravity of the rigid body (the center of gravity position GO) is adopted as the position of the rigid body. However, the way of representing the position of the rigid body may be changed as appropriate. The coordinate system used in the present embodiment is an example of a coordinate system used in the model generation process (step S103) and the simulation process (step S105), and is a coordinate system used in each of these processes. Is not limited to a rectangular coordinate system, but may be changed as appropriate, such as a polar coordinate system. According to such a modification, the same effect as that of the embodiment can be obtained.

例えば、実施の形態では、患者の各椎体の形状と標準椎体外形データにより示される形状とに基づいて、重心位置GO、姿勢マトリックスM、サイズSを決定する例により説明した。しかし、重心位置GO、姿勢マトリックスM、サイズSを決定する方法は、これに限られない。例えば、重心位置GO、姿勢マトリックスM、サイズSは、患者の各椎骨と標準椎体外形データにより示される形状とに基づいて、実施の形態で説明した手順と同様の手順で決定されてもよい。このような変形例によっても、実施の形態と同様の効果を奏する。   For example, in the embodiment, an example has been described in which the center of gravity position GO, the posture matrix M, and the size S are determined based on the shape of each vertebral body of the patient and the shape indicated by the standard vertebral body outline data. However, the method of determining the position of the center of gravity GO, the posture matrix M, and the size S is not limited to this. For example, the center of gravity position GO, the posture matrix M, and the size S may be determined based on each vertebra of the patient and the shape indicated by the standard vertebral body outline data in a procedure similar to the procedure described in the embodiment. . According to such a modification, the same effect as that of the embodiment can be obtained.

例えば、実施の形態では、モデル生成処理(ステップS103)において椎体ごとにサイズSが決定される例により説明した。しかし、人の椎体は、概ね大きさが同じであることが多いので、サイズSの決定が省略されてもよい。この場合、椎体は、姿勢のみが異なる予め定められた形状の剛体によってモデル化されることになる。これによって、剛体の位置関係を決定するための演算量を低減することが可能になる。   For example, in the embodiment, the example in which the size S is determined for each vertebral body in the model generation processing (step S103) has been described. However, since the vertebral bodies of humans are generally the same in size, determination of the size S may be omitted. In this case, the vertebral body is modeled by a rigid body having a predetermined shape that differs only in posture. This makes it possible to reduce the amount of calculation for determining the positional relationship between the rigid bodies.

以上の説明では、医師等が、表示部110に表示された脊柱モデルと各弾性体に蓄えられるエネルギを参照して、特定の箇所とその移動方向と移動量を決めていた。この発明は、これに限定されず、脊柱変形矯正固定術支援装置100が、特定の箇所の特定と移動、さらにシミュレーションを自動的に特定するように構成することも可能である。   In the above description, the doctor or the like determines the specific location, the moving direction, and the moving amount with reference to the spine model displayed on the display unit 110 and the energy stored in each elastic body. The present invention is not limited to this, and the spinal deformity correction / fixation assisting device 100 may be configured to specify and move a specific portion, and also to automatically specify a simulation.

この場合、例えば、患者の年齢等を考慮して患者の椎骨に加えても良い許容負荷から、弾性体に蓄えても良いエネルギの閾値を予め設定し、シミュレート部108に登録しておく。シミュレート部108は、ステップS103の処理で脊柱モデルが生成された後、医師等の指示が検出できない場合、ステップS103で得られたモデルと閾値とを比較し、閾値以上のエネルギが蓄えられている弾性体が存在するか否かを判別する。シミュレート部108は、閾値以上のエネルギを蓄積している弾性体が存在すると判別すると、図9を参照して説明した手法により、その弾性体の両側の剛体を、複数の方向と距離との組み合わせで移動させた複数の脊柱モデルを生成し、各脊柱モデルについて、各弾性体に蓄えられるエネルギをシミュレートする(ステップS104,S105)。
続いて、シミュレート部108は、生成した複数の脊柱モデルから、全ての弾性体に蓄えられるエネルギが閾値以下となる移動方向と移動距離との組み合わせとそのときの脊柱モデルを検索する。続いて、シミュレート部108は、例えば、脊柱モデル内の全ての弾性体に蓄えられるエネルギの合計が小さい順に任意の数の脊柱モデルを表示部110に表示する(ステップS106)。
In this case, for example, a threshold of energy that may be stored in the elastic body is set in advance from an allowable load that may be applied to the vertebra of the patient in consideration of the age of the patient and registered in the simulation unit 108. If a physician's instruction cannot be detected after the spine model is generated in the process of step S103, the simulating unit 108 compares the model obtained in step S103 with a threshold, and stores energy equal to or higher than the threshold. It is determined whether or not any elastic body exists. When determining that there is an elastic body storing energy equal to or greater than the threshold, the simulating unit 108 divides the rigid bodies on both sides of the elastic body into a plurality of directions and distances by the method described with reference to FIG. A plurality of spine models moved in combination are generated, and the energy stored in each elastic body is simulated for each spine model (steps S104 and S105).
Subsequently, the simulation unit 108 searches the generated plurality of spine models for a combination of the movement direction and the movement distance at which the energy stored in all the elastic bodies is equal to or less than the threshold value and the spine model at that time. Subsequently, the simulation unit 108 displays an arbitrary number of spine models on the display unit 110 in ascending order of the total energy stored in all the elastic bodies in the spine model (step S106).

医師等は、表示された複数の脊柱モデルのうちから任意のものを選択する。この選択操作が、ステップS104,S107で検出されると、ロッド形状特定部109が、選択された脊柱モデルに対応するロッドの形状データが生成され、ロッド製造装置103に出力される(ステップS108,S109)   The doctor or the like selects an arbitrary one of the displayed spinal column models. When this selection operation is detected in steps S104 and S107, the rod shape specifying unit 109 generates rod shape data corresponding to the selected spine model and outputs the data to the rod manufacturing apparatus 103 (step S108, S109)

このような手法によれば、ステップS103で生成された脊柱モデルに閾値以上のエネルギが蓄積されている弾性体が存在する場合には、自動的に、矯正された脊柱モデルの候補が生成される。従って、医師等は、候補の中から任意の脊柱モデルを選択して、使用することができる。従って、最適な脊柱モデルを求めるシミュレート作業がより容易となる。   According to such a method, when there is an elastic body in which energy equal to or higher than the threshold value is stored in the spine model generated in step S103, a corrected spine model candidate is automatically generated. . Therefore, a doctor or the like can select and use an arbitrary spinal column model from the candidates. Therefore, the simulation work for finding the optimal spine model becomes easier.

なお、医師等が表示された複数の候補のうちから任意のものを選択し、選択した脊柱モデルの任意の位置を特定して移動させる指示を受け付けて(ステップS104)、ステップS105,S106のシミュレーション及び表示処理を行うようにしてもよい。   Note that a doctor or the like selects an arbitrary one of the plurality of displayed candidates, receives an instruction to specify and move an arbitrary position of the selected spinal column model (step S104), and simulates steps S105 and S106. And display processing may be performed.

なお、図9を参照して説明した矯正手法を使用する例を説明したが、図10を参照して説明した矯正手法を使用することも可能である。さらに、図9と図10の両方の手法を共にシミュレートするように構成してもよい。   Although the example using the correction method described with reference to FIG. 9 has been described, the correction method described with reference to FIG. 10 may be used. Further, both of the methods shown in FIGS. 9 and 10 may be simulated together.

また、以上の説明では、ロッド製造装置103に電子ビーム積層造形技術を使用した金属用3Dプリンタである電子ビーム3次元積層造形装置を用いた場合について説明したが、電子ビーム積層造形技術を使用した3Dプリンタに限定する必要は無く、他の積層造形技術を用いてもよい。また、ロッド製造装置103には、3Dプリンタを用いることが望ましいが、金属棒を曲げ加工する装置でもよい。   Further, in the above description, the case where the electron beam 3D additive manufacturing apparatus which is the 3D printer for metal using the electron beam additive manufacturing technique is used for the rod manufacturing apparatus 103 has been described, but the electron beam additive manufacturing technique is used. It is not necessary to limit to a 3D printer, and another additive manufacturing technology may be used. Although it is desirable to use a 3D printer for the rod manufacturing apparatus 103, an apparatus for bending a metal rod may be used.

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。   The present invention is capable of various embodiments and modifications without departing from the broad spirit and scope of the invention. Further, the above-described embodiment is for describing the present invention, and does not limit the scope of the present invention. That is, the scope of the present invention is shown not by the embodiments but by the claims. Various modifications made within the scope of the claims and the scope of the invention equivalent thereto are considered to be within the scope of the present invention.

100 脊柱変形矯正固定術支援装置
101 CT装置
102 X線撮影装置
103 ロッド製造装置
104 第1取得部
105 第2取得部
106 モデル生成部
107 モデルデータ記憶部
108 シミュレート部
109 ロッド形状特定部
110 表示部
111 指示受付部
112 椎体抽出部
113 位置関係決定部
114 弾性係数決定部
REFERENCE SIGNS LIST 100 spinal deformity correction / fixation support device 101 CT device 102 X-ray imaging device 103 rod manufacturing device 104 first acquisition unit 105 second acquisition unit 106 model generation unit 107 model data storage unit 108 simulation unit 109 rod shape identification unit 110 display Unit 111 instruction receiving unit 112 vertebral body extracting unit 113 positional relationship determining unit 114 elastic coefficient determining unit

Claims (13)

自然体における患者の複数の椎骨の位置関係を3次元で特定するための第1画像データを取得する第1取得部と、
前記患者の脊柱に力が加えられた状態における各椎骨間の間隔を特定するための第2画像データを取得する第2取得部と、
前記取得された第1画像データと前記取得された第2画像データとに基づいて、複数の椎骨のそれぞれに対応する複数の剛体と複数の椎間板のそれぞれに対応する複数の弾性体とで構成される3次元の脊柱モデルを生成するモデル生成部と、
前記生成された脊柱モデルに含まれる特定の箇所を移動させた場合の前記複数の剛体の位置関係を決定するシミュレート部とを備える脊柱変形矯正固定術支援装置。
A first acquisition unit configured to acquire first image data for specifying a positional relationship of a plurality of vertebrae of a patient in a natural body in three dimensions;
A second acquisition unit that acquires second image data for specifying an interval between vertebrae in a state where a force is applied to the spine of the patient;
On the basis of the obtained first image data and the obtained second image data, a plurality of rigid bodies corresponding to a plurality of vertebrae and a plurality of elastic bodies corresponding to a plurality of intervertebral discs are configured. A model generation unit for generating a three-dimensional spine model,
A spine deformity correction / fixation assisting device, comprising: a simulation unit that determines a positional relationship between the plurality of rigid bodies when a specific part included in the generated spinal column model is moved.
前記モデル生成部は、
前記取得された第1画像データに基づいて、前記複数の剛体の位置関係を決定する位置関係決定部と、
前記取得された第1画像データと前記取得された第2画像データとに基づいて、各椎間板の変形量を推定し、当該推定された各変形量と前記力の大きさとに基づいて、前記各弾性体の弾性係数を決定する弾性係数決定部とを有する
請求項1に記載の脊柱変形矯正固定術支援装置。
The model generation unit includes:
A positional relationship determining unit that determines a positional relationship between the plurality of rigid bodies based on the obtained first image data;
Based on the acquired first image data and the acquired second image data, the amount of deformation of each disc is estimated, and based on the estimated amount of deformation and the magnitude of the force, The spinal deformity correction and fixation assisting device according to claim 1, further comprising: an elastic coefficient determining unit that determines an elastic coefficient of the elastic body.
前記シミュレート部は、前記決定された各弾性体の弾性係数に基づいて、前記特定の箇所を移動させた場合に前記各弾性体に蓄えられるエネルギの総和が最小となる前記複数の剛体の位置関係を決定する
請求項2に記載の脊柱変形矯正固定術支援装置。
The simulating unit is configured to determine, based on the determined elastic modulus of each elastic body, the positions of the plurality of rigid bodies at which the sum of energy stored in each elastic body is minimized when the specific part is moved. The spinal deformity correction and fixation assisting device according to claim 2, wherein the relationship is determined.
前記シミュレート部は、さらに、前記決定された複数の剛体の位置関係と前記決定された各弾性体の弾性係数とに基づいて、前記特定の箇所を移動させた場合に前記各弾性体に蓄えられるエネルギを算出し、
前記脊柱変形矯正固定術支援装置は、前記決定された複数の剛体の位置関係に応じた画像と、前記算出された各弾性体に蓄えられるエネルギとを表示する表示部をさらに備える
請求項2又は3に記載の脊柱変形矯正固定術支援装置。
The simulating unit further stores, in the respective elastic bodies, when the specific location is moved, based on the determined positional relationship between the plurality of rigid bodies and the determined elastic coefficient of each elastic body. Calculated energy,
The spine deformity correction / fixation assisting device further includes a display unit that displays an image corresponding to the determined positional relationship between the plurality of rigid bodies and the calculated energy stored in each elastic body. 4. The spinal deformity correction and fixation assisting device according to 3.
前記椎間板の各々は、前記剛体の間を接続して一次元的に伸縮する部材としてモデル化される
請求項1から4のいずれか1項に記載の脊柱変形矯正固定術支援装置。
The spinal deformity correction and fixation assisting device according to any one of claims 1 to 4, wherein each of the intervertebral discs is modeled as a member that connects between the rigid bodies and expands and contracts one-dimensionally.
前記椎間板の各々は、前記剛体間を接続するラーメン構造を有する構造体としてモデル化される
請求項1から4のいずれか1項に記載の脊柱変形矯正固定術支援装置。
The spinal deformity correction and fixation assisting device according to any one of claims 1 to 4, wherein each of the intervertebral discs is modeled as a structure having a rigid frame structure connecting the rigid bodies.
前記椎骨の各々は、予め定められた形状の剛体によりモデル化される
請求項1から6のいずれか1項に記載の脊柱変形矯正固定術支援装置。
The spine deformity correction and fixation assisting device according to any one of claims 1 to 6, wherein each of the vertebrae is modeled by a rigid body having a predetermined shape.
前記剛体の予め定められた形状は、柱状の立体であり、
前記モデル生成部は、前記患者の各椎骨の椎体の位置及び大きさに基づいて、前記剛体の位置及び大きさを決定する
請求項7に記載の脊柱変形矯正固定術支援装置。
The predetermined shape of the rigid body is a columnar solid,
The spine deformity correction and fixation assisting device according to claim 7, wherein the model generation unit determines the position and size of the rigid body based on the position and size of a vertebral body of each vertebra of the patient.
前記決定された複数の剛体の位置関係に沿ったロッドの形状を特定し、当該特定したロッドの形状を示すロッド形状データをロッド製造装置へ出力するロッド形状特定部をさらに備える
請求項1から8のいずれか1項に記載の脊柱変形矯正固定術支援装置。
9. A rod shape specifying unit that specifies a rod shape according to the determined positional relationship between the plurality of rigid bodies and outputs rod shape data indicating the specified rod shape to a rod manufacturing apparatus. The spinal deformity correction and fixation assisting device according to any one of the above.
第1取得部が、自然体における患者の複数の椎骨の位置関係を3次元で特定するための第1画像データを取得することと、
第2取得部が、前記患者の脊柱に力が加えられた状態における各椎骨間の間隔を特定るための第2画像データを取得することと、
モデル生成部が、前記取得された第1画像データと前記取得された第2画像データとに基づいて、複数の椎骨のそれぞれに対応する複数の剛体と複数の椎間板のそれぞれに対応する複数の弾性体とで構成される3次元の脊柱モデルを生成することと、
シミュレート部が、前記生成された脊柱モデルに含まれる特定の箇所を移動させた場合の前記複数の剛体の位置関係を決定することとを含む脊柱変形矯正固定術支援方法。
A first acquisition unit acquiring first image data for specifying a positional relationship of a plurality of vertebrae of the patient in a natural body in three dimensions;
And the second acquisition unit acquires the second image data in order to identify the distance between the vertebrae in a state in which forces the spinal column of the patient is applied,
A model generator configured to generate a plurality of rigid bodies corresponding to a plurality of vertebrae and a plurality of elastic bodies corresponding to a plurality of intervertebral discs based on the obtained first image data and the obtained second image data, Generating a three-dimensional spine model composed of a body and
A method for assisting spinal deformity correction and fixation, wherein the simulating unit determines a positional relationship between the plurality of rigid bodies when a specific part included in the generated spine model is moved.
コンピュータを、
自然体における患者の複数の椎骨の位置関係を3次元で特定するための第1画像データを取得する第1取得手段、
前記患者の脊柱に力が加えられた状態における各椎骨間の間隔を特定するための第2画像データを取得する第2取得手段、
前記取得された第1画像データと前記取得された第2画像データとに基づいて、複数の椎骨のそれぞれに対応する複数の剛体と複数の椎間板のそれぞれに対応する複数の弾性体とで構成される3次元の脊柱モデルを生成するモデル生成手段、
前記生成された脊柱モデルに含まれる特定の箇所を移動させた場合の前記複数の剛体の位置関係を決定するシミュレート手段、として機能させるためのプログラム。
Computer
First acquisition means for acquiring first image data for specifying a positional relationship of a plurality of vertebrae of a patient in a natural body in three dimensions;
Second acquisition means for acquiring second image data for specifying an interval between vertebrae in a state where a force is applied to the spine of the patient;
On the basis of the obtained first image data and the obtained second image data, a plurality of rigid bodies corresponding to a plurality of vertebrae and a plurality of elastic bodies corresponding to a plurality of intervertebral discs are configured. Model generating means for generating a three-dimensional spine model,
A program for functioning as simulation means for determining a positional relationship between the plurality of rigid bodies when a specific portion included in the generated spinal column model is moved.
自然体における患者の複数の椎骨の位置関係を3次元で特定するための第1画像データを取得する第1取得工程と、
前記患者の脊柱に力が加えられた状態における各椎骨間の間隔を特定するための第2画像データを取得する第2取得工程と、
前記取得された第1画像データと前記取得された第2画像データとに基づいて、複数の椎骨のそれぞれに対応する複数の剛体と複数の椎間板のそれぞれに対応する複数の弾性体とで構成される3次元の脊柱モデルを生成するモデル生成工程と、
前記モデル生成工程で生成した脊柱モデルを構成する複数の剛体の位置関係に沿ったロッドの形状を示すロッド形状データを生成するデータ生成工程と、
前記データ生成工程で生成したロッド形状データに基づいて、電子ビーム積層造形技術を使用して、脊柱変形矯正固定術に使用するロッドを製造する製造工程と、
を含むロッド製造方法。
A first acquisition step of acquiring first image data for specifying a positional relationship of a plurality of vertebrae of a patient in a natural body in three dimensions;
A second acquisition step of acquiring second image data for specifying an interval between vertebrae in a state where a force is applied to the spine of the patient;
On the basis of the obtained first image data and the obtained second image data, a plurality of rigid bodies corresponding to a plurality of vertebrae and a plurality of elastic bodies corresponding to a plurality of intervertebral discs are configured. A model generation step of generating a three-dimensional spine model,
A data generation step of generating rod shape data indicating a rod shape along a positional relationship of a plurality of rigid bodies constituting the spine model generated in the model generation step,
Based on the rod shape data generated in the data generation step, using an electron beam additive manufacturing technology, a manufacturing step of manufacturing a rod used in spinal deformity correction surgery,
A rod manufacturing method including:
前記モデル生成工程で生成された脊柱モデルに含まれる特定の箇所を移動させた場合の前記複数の剛体の位置関係を決定するシミュレート工程をさらに含み、
前記シミュレート工程は、前記決定された複数の剛体の位置関係と前記弾性体の弾性係数とに基づいて、前記脊柱モデルに含まれる各弾性体に蓄えられるエネルギをシミュレーションする工程と、各弾性体に蓄えられるエネルギを表示する工程と、
を含むことを特徴とする請求項12に記載のロッド製造方法。
A simulation step of determining a positional relationship between the plurality of rigid bodies when a specific part included in the spine model generated in the model generation step is moved,
The simulating step is a step of simulating energy stored in each elastic body included in the spinal column model based on the determined positional relationship between the plurality of rigid bodies and an elastic coefficient of the elastic body; Displaying the energy stored in the
The method for manufacturing a rod according to claim 12, comprising:
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