JP6884416B2 - 個人化された繊維軟骨インプラントを作製するためのシステムおよび方法 - Google Patents
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-
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Description
本出願は参照のため本明細書に援用する2015年12月3日出願の米国特許仮出願第62/262,544号明細書からの優先権を主張する。
ここで、RMSErrorは2乗平均平方根誤差を表し、ANTdesは所望前部幅を表し、ANTactは実際の前部幅を表し、BODdesは所望ボディ幅を表し、BODactは実際のボディ幅を表し、POSdesは所望後部幅を表し、POSactは実際の後部幅を表す。
1つのケースでは、コンピュータ装置はピン配置およびパターン製織を判断するように構成された。この点に関し、第1のコンピュータ装置は次の2つの主要寸法を採った:前部−後部(AP)長さと内側−外側(ML)幅。これらの寸法(X線、MRI、CTまたは予測モデリングから取得される)に基づき、楕円部が、+225度(左側)から−45度(右側)の外周の回りに均等に離間されたn個のノードで構築された。
より解剖学的に精確なインプラントを実現するために、端ノード位置(すなわち、25個のノードのうちのノード1とノード25)はMRI測定結果または平均ヒストリカルデータに基づきより精確に規定された。したがって、n個のノードに関し、θは次の方程式(1)に従って変化する。
ここで、θ(x)はx番目の角度を表し、θ(x−1)は前の隣の角度を表し、θ(n)−θ(1)は、第1のノードから最後のノードまでの角距離の合計を表し、n−1はギャップの数(ノードの数nより1小さい)を表す。
前部、ボディおよび後部幅の差異にも対処するために、ノード間の間隔が変動された。この間隔変動は、第3項を含む方程式(2)として方程式(1)を書き換えることにより実現された。第3項は、ノード(またはピン)間の間隔nが重み係数Wを使用して変更され得るということを保証する。
重み係数Wは0から1までの範囲であり、0は対称性を表し、1は極非対称性を表す。
さらに、MRIまたはヒストリカルデータに基づき所望半月板の特定の前部、ボディおよび後部寸法が与えられれば、インプラント毎の重み係数Wが最適化され得る。文献からの平均前部(ANT)、ボディ(BOD)および後部(POS)幅は典型的にはそれぞれ8.68、9.14、14.26であった。3つの領域における所望インプラント幅と実際のインプラント幅間の2乗平均平方根誤差を最小化する重み係数Wが見出された。これは、患者の前部、ボディ、後部幅が入手可能であれば見出され得る。平方自乗平均計算は次の方程式(3)により定義され得る。
ここで、RMSErrorは2乗平均平方根誤差を表し、ANTdesは所望前部幅を表し、ANTactは実際の前部幅を表し、BODdesは所望ボディ幅を表し、BODactは実際のボディ幅を表し、POSdesは所望後部幅を表し、POSactは実際の後部幅を表す。41.38mmの平均AP、30.63mmの平均ML、上記列挙された典型的前部、ボディ、後および部幅により、0.228の重み係数Wが、3つの領域間の総合誤差を最小化するために見出された。0.228のこの重み係数Wは図14に示すように患者固有半月板を製作するために使用され得る。
上記シミュレーションは、25個のノードと、1つの製織当たり10個のノードをスキップしたベースパターン(パターン10)とを使用して行われた。しかし、ノードの数およびパターン番号(スキップされたノード数)を変動させることが、2乗平均平方根誤差を最小化するための他の選択肢を提供し得る。したがって、パターン番号を8から14までの変動させることにより23〜30個のノードが試行された。組合せ毎に、重み係数最適化に続き、2乗平均平方根誤差が記録された。結果の誤差が図15に示される。次のものが最良ノードパターン組合せであった:23−ノード、パターン9 25−ノード、パターン10 27−ノード、パターン11 29−ノード、パターン12。
統計的手法に基づき、人の身長、体重および性別が、その半月板のAPおよびML寸法を精確に予測するために使用され得る。したがって、3つの死体膝標本およびドナー情報がRobert Wood Johnson Medical School Anatomical Associationから取得された。これらの情報に基づき、0.228の重み係数Wによりノード配置を可能にするAPおよびML寸法が計算された。これらのノードを有するプラットホームが構築され、ドナー固有インプラントが図16の左画像に示すように製作された。30mmの前部テールおよび50mmの後部テールを有する足場が、外科的固定術への我々の手法を支援するために製作された。これらのテール長さは、所望固定技術に対し容易に変更される可能性がある。製作後、寸法はコンピュータプログラムにより取得されたものと同等だった。加えて、5つの寸法(AP、ML、前部、ボディ、後部幅)はすべて、固有半月板値の10%以内であった。
Claims (23)
- 軟組織インプラントを製作する方法において、
少なくとも軟組織寸法および重み係数Wを規定する第1のデータをプロセッサにより受信する工程と、
実際の前部幅、実際の後部幅および実際のボディ幅の少なくとも1つに基づき前記重み係数Wを前記プロセッサにより最適化する工程と、
被験者内の生物学的軟組織を交換するように設計された足場と構造的支持を前記足場へ与えるように設計された強化マトリクスとを含む標的軟組織インプラントを規定する第2のデータを生成するために前記第1のデータを前記プロセッサにより使用する工程と、
前記第1のデータを多次元空間における複数のノード位置座標であって、前記軟組織インプラントを製作するためにその後の製織作業において使用されるベース面のノード構成を規定するノード位置座標へ前記プロセッサにより変換する工程と、
前記標的軟組織インプラントの形状に基づく形状を有するインターレース繊維構造を形成するための計画製織経路を判断するために前記複数のノード位置を前記プロセッサにより使用する工程と、
前記計画製織経路を規定する情報を前記その後の製織作業を行うための外部出力装置へ前記プロセッサから伝達する工程と、を含むことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、前記軟組織は繊維軟骨組織を含み、前記軟組織寸法は前部−後部(AP)コンパートメント長さおよび内側−外側(ML)コンパートメント幅の少なくとも1つを含むことを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記外部出力装置は前記計画製織経路に従って前記インターレース繊維構造を形成する織機であることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記外部出力装置は、ユーザに前記計画製織経路を提供するように構成されたディスプレイまたはプリンタであることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記重み係数Wは、前部領域、後部領域およびボディ領域における所望インプラント幅と実際のインプラント幅との誤差を最小化する値を識別するために2乗平均平方根誤差アルゴリズムを使用して最適化されることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、模擬関節面を生成するために前記計画製織経路を使用して前記その後の製織操作を前記プロセッサによりシミュレーションする工程をさらに含むことを特徴とする方法。
- 請求項7に記載の方法において、前記プロセッサにより、前記模擬関節面を、前記軟組織インプラントにより交換される軟組織の画像内に重ねる工程をさらに含むことを特徴とする方法。
- 請求項8に記載の方法において、前記プロセッサにより、前記計画製織経路を前記重ねる工程の結果の解析に基づき調整する工程をさらに含むことを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法を使用して製作された軟組織インプラント。
- プロセッサと、前記プロセッサに軟組織インプラントを製作する方法を実施させるように構成されたプログラム命令を含むコンピュータ可読記憶媒体とを含むシステムにおいて、前記プログラム命令は、
少なくとも軟組織寸法および重み係数Wを規定する第1のデータを前記プロセッサに受信させる命令と、
実際の前部幅、実際の後部幅および実際のボディ幅に基づき前記重み係数Wを前記プロセッサに最適化させる命令と、
被験者内の生物学的軟組織を交換するように設計された足場と構造的支持を前記足場へ与えるように設計された強化マトリクスとを含む標的軟組織インプラントを規定する第2のデータを生成するために前記第1のデータを前記プロセッサに使用させる命令と、
前記第1のデータを多次元空間における複数のノード位置座標であって、前記軟組織インプラントを製作するためにその後の製織または印刷作業において使用されるベース面のノード構成を規定するノード位置座標へと前記プロセッサに変換させる命令と、
前記標的軟組織インプラントの形状に基づく形状を有するインターレース繊維構造を形成するための計画製織経路を判断するために前記複数のノード位置を前記プロセッサに使用させる命令と、
前記その後の製織作業を行うための外部出力装置へ前記計画製織経路を規定する情報を前記プロセッサに伝達させる命令とを含むことを特徴とするシステム。 - 請求項11に記載のシステムにおいて、前記軟組織は繊維軟骨組織を含み、前記軟組織寸法は前部−後部(AP)コンパートメント長さおよび内側−外側(ML)コンパートメント幅の少なくとも1つを含むことを特徴とするシステム。
- 請求項11に記載のシステムにおいて、前記外部出力装置は前記計画製織経路に従って前記インターレース繊維構造を形成する織機、またはユーザに前記計画製織経路を提供するように構成されたディスプレイもしくはプリンタであることを特徴とするシステム。
- 請求項11に記載のシステムにおいて、前記重み係数Wは、前部領域、後部領域およびボディ領域における所望インプラント幅と実際のインプラント幅との誤差を最小化する値を識別するために2乗平均平方根誤差アルゴリズムを使用して最適化されることを特徴とするシステム。
- 請求項11に記載のシステムにおいて、前記プログラム命令は模擬関節面を生成するために前記計画製織経路を使用して前記その後の製織操作を前記プロセッサにシミュレーションさせる命令をさらに含むことを特徴とするシステム。
- 請求項16に記載のシステムにおいて、前記プログラム命令は前記軟組織インプラントにより置換される軟組織の画像内に前記模擬関節面を前記プロセッサに重ねさせる命令をさらに含むことを特徴とするシステム。
- 請求項17に記載のシステムにおいて、前記プログラム命令は前記重ねる工程の結果の解析に基づき前記計画製織経路を前記プロセッサに調整させる命令をさらに含むことを特徴とするシステム。
- 請求項1に記載の方法において、前記軟組織インプラントを製作する方法が、第1の生体適合性材料を使用して前記足場を作成する工程と、第2の生体適合性材料を使用して前記強化マトリクスを作成する工程と、を含み、前記第1および第2の生体適合性材料が生体再吸収性であることを特徴とする方法。
- 請求項19に記載の方法において、前記第1および第2の生体適合性材料が、コラーゲン、ポリアリレート、ヒアルロン酸、フィブリン糊、骨髄、キトサン、アルギン、セルローズ、デンプン、絹、エラスチン、ポリ(アルファヒドロキシ酸)、ポリ(ラクチド−コ−グリコリド)(PLGA)、ポリ(L−ラクチド)(PLLA)、ポリラクチド(PLA)、ポリグリコリド(PGA)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリ−p−ジオキサノン(PDO)、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリカプロラクトン(PCL)、およびこれらの組み合わせからなるグループから選択されることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記強化マトリクスが複数の繊維を含み、当該複数の繊維が複数の円周方向繊維と交差して当該円周方向繊維の分離を防止することを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記軟組織インプラントが、膝半月板インプラント、椎間板インプラント、側頭下顎円板インプラント、または手首半月板インプラントであることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記第1のデータが、画像走査装置、手動入力装置、またはこれらの組み合わせから得られることを特徴とする方法。
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