JPH09511418A - プロテーゼ周囲の骨無機質密度の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 放射線透過性複合プロテーゼ周囲の骨密度を評価する本発明の方法では、プロテーゼに埋め込んだ放射線不透過性基準標識に、記憶されているテンプレートを適合することによって移植片境界を確定する。この移植片境界を使用して、移植片境界から骨の方に変位した測定境界を作り、等角対象領域を発生する。対象とするこのような側方および正中面領域における骨密度の整合ヒストグラムを表示して、対象的な応力作用を評価することができる。あるいは、骨密度を正中面側および側方側を横断する軸にそって表示プロットすることも可能である。骨および移植片モルホロジーから基準点を同定すると、次のことを確実に行える。すなわち、いずれかの表示に反復可能な基準を与えることができる。したがって、このような表示を以前の表示と、あるいは以後の表示と直接比較できるので、骨の変化の検出に役立つ。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 プロテーゼ周囲の骨無機質密度の測定方法 本出願は１９９３年６月７日に出願された米国特許出願第０８／０７３，２６ ４号の一部継続出願であり、この一部継続出願は、１９９１年２月１３日に出願 された米国特許出願第０７／６５５，０１１号の継続出願である、１９９２年４ 月２日に出願された米国特許出願第０７／８６２，０９６号の継続出願である。 発明の分野 本発明は、人体の放射線撮影分析の分野に、特に、プロテーゼ骨移植片に隣接 する骨の無機質密度を測定表示する方法に関する。 発明の背景 骨プロテーゼは、通常、骨疾病や骨障害をもつ患者に適用されている。このよ うなプロテーゼは、例えば金属、セラミックスや緻密なプラスチックスなどの耐 久性のある材質から構成され、残存している骨に連結して欠損のある骨や関節、 あるいは失われた骨や関節の機能を代替するものである。例えば、股関節部を交 換する場合、大腿骨の球状骨頭を大腿骨幹内に適合させた骨幹によって大腿骨の 端部に近接した位置に連結することができる。 このような移植片の大きな問題は使用中経時的に弛緩が生じることである。多 数の種々の方法が、このような弛緩を防止するために試みられている。実例を挙 げれば、移植片を骨にセメントにより固定したり、移植片に多孔性の被膜を使用 して、骨が内部に成長することを刺激したり、患者個々に応じて移植片を製作適 合することである。 移植片と骨との適合が良好な場合には、骨に応力パターンが与えられるので、 骨が再発生することがある。移植片に隣接して骨が成長する場合には、弛緩のお それが少なくなる。 ところで、移植片の周囲で骨が失われると、所定部位における骨と移植片との 適合が不良になり、これは、いずれ弛緩が、あるいは移植片の破損が生じる初期 的な徴候である。このため、移植片を外科的に移植した後に、移植された骨を観 察することがしばしば行われている。このような観察は従来からの放射線撮影法 によって実施できるが、骨の密度が３０％も大きく変化しなければ、放射線像に はこのような変化は現れない。デジタル式放射線撮影法を使用して、骨密度を定 量化して測定するのが好ましい。このような方法の中には、骨の無機質密度の測 定値を異なるエネルギー準位におけるＸ線の骨による吸収の変化から誘導する二 重エネルギーＸ線吸収測定法（ＤＥＸＡ）や、同様な測定をラジオアイソトープ を使用して行う二重フォトン吸収測定法（ＤＰＡ）がある。このような密度計を 用いれば、骨の無機質密度（ＢＭＤ）を定量的に生体内で測定できる。コンピュ ータートモグラフィー（ＣＴ）などの他のデジタル式放射線撮影法を使用しても 骨密度を測定することができるが、プロテーゼが金属の場合には、ＣＴ画像に画 像アーチファクトが発生し、プロテーゼ周囲の骨密度の測定に問題を残す。 従来からのＤＥＸＡ又はＤＰＡ装置の場合、骨密度変化の測定に使用すると、 移植片付近の骨の微妙な変化が不明瞭になることがある。このような装置によっ て識別検定する対象領域（ＲＯＩ）には、従って、不適切な骨、組織やその他の アーチファクトが含まれることになる。さらに、この装置の場合、経時的な骨の 損失を判定する能力には、２つの異なる測定期間に得られたデータを整合するの が難しいため制限がある。 最近、現在使用されているセラミックスや金属材質に比べて剛性の低い、例え ば、炭素繊維と各種のマトリックス材料とからなるものなどの複合材料で構成し た移植片に対する関心が高くなってきている。移植片の可撓性が、移植片を移植 する骨のそれに近い場合には、移植片周囲の骨が正常な応力から遮断される「応 力遮断」が減少すると考えられ、骨を再生し、かつ骨を強化する際にこのような 応力の作用を活用できる。剛性のより大きい移植片と異なり、可撓性のある移植 片の場合には、周囲の骨に応力を伝達することが可能である。 移植片に考えられている複合材料は多数あるが、いずれも本質的にはＸ線透過 性であるため、骨と移植片との界面位置を正確に定めて、移植片の適合状態や周 囲の骨の健全性を術後に評価するのが難しい。 発明の概要 本発明は、放射線透過性移植片と周囲の骨との界面に一致する対象領域におけ る骨密度測定値を再現性よく評価する方法を提供するものである。 特に、骨密度データのマトリックスを解析して、移植片に埋め込んだＸ線不透 過性基準標識の位置を同定する。基準標識データを記憶した記憶テンプレートを 基準標識の位置に適合させて、データマトリックス内の移植片境界を演繹するた めに使用するテンプレート縁部を得る。次に、移動軸線に沿って所定の距離だけ 移植片境界から移動させた測定境界を求め、測定境界路に続く複数のセグメント 内の骨無機質密度を算出する。移植片境界に沿う距離に対するセグメント値のプ ロットを次に表示する。 したがって、本発明の目的のひとつは、移植片に直接隣接する骨の状態を正確 に示すことにある。整合ＲＯＩを使用すると、骨が移植片領域の外側から、移植 片付近の骨の測定値に影響を与えたり、あるいは測定値を不明瞭にすることがな くなる。この結果、感度が良くなり、測定が容易になる。また、テンプレートを 使用すると、移植片の縁部を正確に決定できるので、骨測定値が、低密度移植片 の移植の影響を受けなくなる。 本発明の別な目的は、他の最近の研究に匹敵する再現が容易な測定法を提供す ることにある。骨および移植に関して基準点を定めて、骨密度のプロットに対す る基準を形成する。移植片縁部および基準点から整合ＲＯＩを基準にできるので 、ＲＯＩを正確にかつ再現性をもって求めることができる。 近位／遠位方向に整合した移植片の正中部および側方部を示す骨密度のプロッ トを同時に表示することができる。 本発明のさらに別な目的は、移植片に関連して生じる可能性がある骨吸収を強 調する表示方法を提供することである。骨の正中部および側方部を同時に測定表 示すると、例えば、移植片からの異常な応力パターンを原因とすることがある対 称的あるいは非対称的な骨の損失を簡単に発見することができる。 上記以外の目的や利点は、当業者ならば、以下の本発明の好ましい実施例の記 載によって明らかになるであろう。明細書の一部を構成し、かつ本発明の一実施 例を図示する添付図面を参考にして本発明を説明するが、この実施例は、本発明 の各種実施態様のすべてを網羅するものではなく、本発明の範囲は後述する請求 の範囲によって定まるものである。 図面の簡単な説明 図１は、本発明に従って一回の走査における骨密度データを収集するのに好適 な二重Ｘ線骨密度計を示す概略図である。 図２は、組織、骨および移植片を分離し、かつ収集データにおける基準点を同 定するステップを示すフローチャートである。 図３は、図２のフローチャートの、「移植片同定」段階のステップを示すフロ ーチャートである。 図４は、図２のフローチャートからの、「骨同定」段階のステップを示すフロ ーチャートである。 図５は、図２のプロセスで使用する大腿骨および移植片内の標識点の位置を示 す図である。 図６は、骨密度ヒストグラムを作成するステップを示すフローチャートである 。 図７は、プロテーゼを横断する骨密度のプロファイルを作成するステップを示 すフローチャートである。 図８は、プロテーゼ周囲のヒストグラムとともに、スクリーン上に表示した骨 密度画像を示す図である。 図９は、プロテーゼ横断ヒストグラムとともに、スクリーン上に表示した骨密 度画像を示す図である。 図１０は、移植片から誘導されるテンプレート縁部、テンプレート縁部を含む テンプレートの記憶された基準マークを形成する放射線不透過性基準標識の位置 、およびテンプレートを適合することができる、測定された基準マーク位置を示 す、大腿骨用複合移植片の前方／後方図である。 図１１は、図１０のテンプレートを使用して、移植片境界を確定するステップ を示すフローチャートである。 図１２は、基準標識の相対間隔への移植片の回転作用を示す、線１２−１２に ついてみた、図１０の移植片の横断面略図である。 好ましい実施態様の詳細な説明 本発明には、患者に移植したプロテーゼの輪郭に整合する一つ以上の対象領域 （ＲＯＩ）内の生体骨無機質密度を分析できる能力がある。この自在に定められ るＲＯＩによって、通常は長方形ではない骨密度の臨界的領域を他の領域や組織 の影響を受けずに検査できる。また、ＲＯＩは基準点に対して基準化することが できるので、同じＲＯＩを長時間にわたって反復走査し、簡単に比較できる値を 発生することによって評価検査することができる。 ＲＯＩにおける骨密度測定から得た値は、移植片にそって一連のセグメント内 で得られた平均的な、あるいは累積的な骨密度値のヒストグラムで表示すること ができる。このヒストグラムをＣＲＴスクリーンに表示すると、臨床医が移植片 全長にわたる骨密度の映像を同時にみることができる。あるいは、個々のセグメ ントに沿う骨密度のプロファイルを検査して、骨に近接する領域での骨吸着、あ るいは骨肥大を定量的に測定することができる。さらに、正中部および側方ヒス トグラムおよびプロファイルを同時に表示すると、応力の発生源または移植片か らの応力の欠如を示す対称的な効果を直ちに確認することができる。 測定装置 図１について説明すると、本発明に使用するのに好適な形式の骨密度計１０は 、患者１８を透過した線１６に沿ってＸ線源１４から二重エネルギーＸ線ビーム １２を対向検出器２０に投射する。往復台２２に取付けられたＸ線源１４および 検出器２０は、ステップモータやサーボモータ（図示せず）によってラスター走 査パターン２４に従って一体的に移動する。ラスター走査パターンは、デカルト 座標系の２つの垂直なｘ、ｙのいずれかひとつの軸にそってＸ線ビーム１２を交 互に照射することによって、患者１８の長方形領域にわたって放射線１６を掃引 する。ただし、Ｘ線ビーム１２は第３の直交ｚ軸に平行な状態にある。 大腿骨移植片を評価する場合には、転子を含む大腿骨２６の骨頚部及び骨幹部 、 およびプロテーゼ移植片２７を含む領域を掃引するように往復台２２を位置決め するのが好ましい。また、大腿骨２６の骨幹部がラスター走査のｙ軸に対して実 質的に平行に位置し、そしてデータがｘ軸に沿って連続走査線で得られるように 、ラスター走査パターン２６の方向を決めるのが好ましい。本明細書で説明する 走査、データ解析やデータ表示に関する方法は人体の他の領域のプロテーゼにつ いても実施可能であり、この場合には、ラスター走査の方向、位置及び長さを適 宜調節すればよい。 往復台２２の移動制御は、コンピュータ３０から信号を受信するモータ制御部 ２８によって行う。Ｘ線源１４は、Ｘ線管、２つの狭いエネルギー準位のＸ線を 発生するＫ−フィルタを備える。検出器２０からの信号を採取し、データ取得シ ステム（ＤＡＳ）３４によってデジタル化し、デジタル化試料をコンピュータ３ ０に伝送し、データをコンピュータメモリー（図示せず）か、あるいは大容量記 憶装置３６に記憶する。操作者は、よく知られているように表示スクリーン４２ 上のカーソル操作を可能とするキーボード３８およびトラックボール４０または マウスによってコンピュータ入力を行えばよい。また、表示スクリーン４２はラ スター走査で得た情報を表示する手段にもなる。 ラスター走査パターン２４の、連続した一連の離散的データ点では、検出器２ ０からの信号は、Ｘ線源１４により発生され、そしてＫ−フィルタでフィルタ処 理された２つのＸ線エネルギー準位のうちのそれぞれにおいてＤＡＳ３４によっ て採取される。このようにして、それぞれの各位置において、２つのＸ線エネル ギー準位の両者におけるＸ線１２の患者１８による吸収に対応する値を持つ２つ の試料を収集することができる。各対の試料は、試料を取得した位置のｘ、ｙ座 標で同定することができる。ラスター走査パターン全体にわたる試料対が、デー タマトリックスの要素になり、このマトリックス座標は線１６の座標に対応する 。現在利用可能な、図１に示すようなＤＥＸＡ装置の場合、約１２×１４ｃｍ² のラスター走査面積において試料間の空間解像度として０．６ｍｍを得ることが できる。 図２について説明すると、このデータマトリックスの取得は処理ブロックにお いて５０によって表される。よく知られているように、２つのエネルギー準位の それぞれにおいて取られた試料対が線１６にそって骨密度、すなわち骨の無機質 含量を示すことになる。したがって、データマトリックスが、患者の大腿骨２６ の走査領域における組織および骨の密度を表すことになる。なお、当業者ならば 理解できるように、骨密度試料のデータマトリックスは、上記のＤＰＡやＣＴに 基づく密度計などの他の密度計によっても得ることができる。 画像解析 データマトリックスの取得が完了したならば、マトリックスのデータ要素を解 析して、組織および移植片に関連するデータ要素から骨に関連するデータ要素を 識別する。この過程は、画像解析過程を示す図２のフローチャートに示されるよ うに、患者の走査からデータのマトリックスを取得するステップで始まる。図２ に５０で示すこのステップには、各試料の２つの値を合成して、各試料の関連す る線１６に沿う全密度に対応する非較正化値を得ることが含まれる。このように して得られたデータ点はＰＢＭ、すなわち疑似骨無機質含有量と呼ばれる。数値 は疑似値である。というのは、これらは基準化されていないため、無次元だから である。したがって、解析のこの時点では、データ点間の相対的な差のみが意味 を有しており、その絶対値は意味を有しない。この時点で各値に対する較正を実 行できるが、これはコンピュータ資源の浪費であり、この時点では基準化を実行 しないで、ＰＢＭ値を使用する。すなわち、標準物理値に対応する最終値の較正 は最終ステップとして実行する。この方法はよく知られている方法である。 図２のフローチャートにおける残りのステップについては、まず概観してから 、詳しく説明する。ＰＢＭのデータをステップ５２で処理する。すなわち、テン プレートを使用して、移植片を同定する。次に、ステップ５４で、上記の値を解 析して、再度骨を同定する。ステップ５６で、骨の値を再度解析して、骨の標識 点を同定する。この解析に基づき、ステップ５８で骨の対象領域を同定する。こ れら対象領域の解析から、ステップ６０で基線を求める。最後に、結果を計算し 、較正化して、その結果をステップ６２で表示する。 移植片の同定 このプロセスは、物質的な移植片に対応するＰＢＭ値のデータマトリックスの 領域を同定することを意図している。この時点では上記値は無次元なので、これ を解析して、移植片に対応する値を求めることは、むしろ絶対値を基準とするの ではなく、上記値の相対的な比較に基づいて行う必要がある。図３に示す処理過 程を開始するためには、低帯域フィルタによりデータのマトリックスをフィルタ 処理して、ステップ７０で、データから高周波ノイズ成分を除去する。次に、デ ータを解析して、移植片の面積を全体として同定する必要がある。 金属およびびセラミック移植片 人の大腿骨における骨無機質密度の正常な生物学的な値を絶対値で表すと、３ ．０ｇ／ｃｍ²未満である。通常の大腿骨移植片の密度を調べると、大半の金属 およびセラミック移植片の密度は３．０をはるかに上回る。したがって、ＰＢＭ データマトリックスを使用する場合には、比較解析を行って、データマトリック スの他の部分よりも値が異常に高い領域を同定する。このステップは、図２の移 植片同定ステップ６２を示す図３において７２で示す。この解析の結果、しきい 値が得られ、この値を越えるデータ点はいずれも移植片を表すものと定義され、 そしてこれらデータはコンピュータによって移植片を表すものとしてタグが付け られる。 次のステップでは、移植片の表示における間隙や欠陥を埋めることである。あ る種の移植片の場合には、データのマトリックスが、ＰＢＭ値が極端に低い移植 片の領域内部で特殊な値をもつことが認められている。ステップ７４で、定義さ れた距離（５ｍｍ）内の四辺すべてが移植片によって取囲まれたデータ点もすべ て移植片と定義される。このステップはマトリックスの中実な領域を移植片領域 として埋める作用をもつ。次に、ステップ７６で移植片領域の縁部を調節する。 移植片の絶対的な縁部は、隣接値間に最大の差が存在するデータマトリックス点 を求めることによって同定する。これらの最大変化点が移植片の縁部として定義 される。この計算された真の縁部をこのステップで外側にわずかに延長して、鋭 い縁部を原因とする影付け効果、すなわち部分縁部効果を補償する。これは、隣 接データ点値間の変化がほぼゼロになるまで定義された縁部を移動することによ って行う。処理のこのステップで、移植片のおよその輪郭が値のマトリックスに 存在する。 この時点で、得られた移植片のおよその輪郭を平滑化する。図３に７８で示す このステップでは、移植片の同定された縁部を、「ノード」と定義される一連の 小さなセクションに分割する。これらノードは角部などの、移植片周囲の方向に おける変化位置と定義される。現在使用されている移植片はある一定の形状をも つことが知られているので、ある一定のノードはデータに「強制」される。とい うのは、システムが、実際の移植片のある点には不連続性があることを知ってい るからである。次に、このように定義された各組のノード間に最良適合曲線ルー チンを使用して、高次（４次）曲線を求める。この曲線は測定された値に最良適 合して、移植片の縁部を定義するものである。データを最良の形で表す曲線を、 次に、ステップ８０で移植片の最終輪郭に組入れる。 移植片の輪郭を一度求めたならば、このようにして定義された曲線内部のデー タ点マトリックスにおけるすべてのデータ点値が、ステップ８２で、移植片と定 義され、タグが付けられる。これは、本質的には、軟組織や骨の領域から誘導さ れる値から、すべての移植片値を分離するものである。このように移植片と定義 された値を、次にステップ８４において、最終表示のために強調して、処理時間 を節約するために、次のデータ解析から排除する。補助的手動操作によって、必 要ならば、移植片定義手法の誤適用の補正を操作者が実行できるようにする。 複合体移植片 移植片２７が金属やセラミックスではなく、複合材料で構成されている場合に は、ＰＢＭ値のしきい値を確定することによって周囲の骨から移植片２７を識別 する上記の比較解析はうまくいかない。複合体移植片２７のＰＢＭ値は、一般に 、骨それ自体より小さいか等しい程度である。 にもかかわらず、移植片付近の骨の性質を計算するさいには、複合体移植片は 単純には無視できないものである。数多くの理由から、骨の測定から移植片を分 離しておくのは重要である。第１に、移植片縁部は、一連の測定を１年以上続け る場合に、同一対象領域を確実に測定する際の基準になるからである。第２に、 移植片縁部を求めておけば、対象領域が臨界的な骨／移植片界面領域になるから である。対象領域を過渡に広げると、この重要な界面領域における小さな変化を 見逃すことになる。第３に、移植片の縁部を正確に同定しておくと、平均的な骨 密度の計算値がＰＢＭの低い移植片データを過剰に含むことによって希釈化され ることがなくなるからである。 このように、移植片が、骨密度計１０のキーボード３８を通じて操作者によっ て複合材料からなると同定された場合には、移植片境界を求めるために別な方法 を採用する。 図１０について説明すると、放射線不透過性のタンタル製の標識ビーズ３１か 、その他の基準標識を移植片２７の幹部２９に設けると、例えば、移植片２７の 放射線撮影検査で移植片の位置に関するデータを得ることができる。骨および組 織との接触領域に接触しないように、標識ビーズ３１を幹部２９の表面に埋め込 む。 ２つの標識ビーズ３１及び３１’をそれぞれ正中部および側方部において幹部 ２９の近い端部に設けることができる。また、第３のビーズ３１’’を幹部２９ の遠い端部に設けることができる。このように、移植片２７の前方／後方放射線 撮影画像については、３つの基準標識３１、３１’及び３１’’が個別に目視で きる必要がある。 理想的には、遠位基準標識３１’’については、一般に、幹部２９の対称軸線 ３５に沿って設け、一方、基準標識３１及び３１’については、軸線３５を中心 に回転をすることができるように、軸線３５の両側に等しく変位させて設ける。 移植片２７の寸法および幹部２９の正中の縁部３７及び離れた縁部３９の座標 は、コンピュータ３０がアクセス可能な数値テンプレートとして記憶する。この テンプレートは縁部３７および３９を表す一組の座標点で構成し、基準標識３１ 、３１’及び３１’’の中心の座標点について基準化する。したがって、取得デ ータのマトリックス内に基準標識３１、３１’及び３１’’の位置を同定してお けば、正中および離れた縁部３７および３９に沿って存在する特定のマトリック ス要素を直ちに同定することができる。 ここで図２および図１１について説明すると、複合体移植片の場合、移植片２ ７のデータを同定するステップ５２は、処理ブロックの８５として示す基準標識 ３１の同定をもって開始する。基準標識３１の同定は、単に基準標識３１がコン トラストの高い、小さな円として視認することができる移植片２７の画像内でカ ーソルを手動操作するだけで実行することができる。 あるいは、コントラストの高い基準標識３１は、金属製移植片の同定に使用す るのと同じ閾値処理によっても簡単に同定することができる。すなわち、ＰＢＭ データマトリックスについて比較解析を実行して、データマットリックスの他の 部分に比較して値が異常に高い場合には、データの小さなクラスターを同定する 。このような高いＰＢＭ値で４個以上の領域を同定する場合には、基準標識３１ の既知サイズに等しい正確な数のデータをもつ領域を優先的に選択する。 想定データのそれぞれの質量中心を対応する基準標識３１の座標として選択す る。 次に、処理ブロックの８６によって示すように、基準標識３１、３１’および ３１’’に対応し、コンピュータ３０がアクセス可能なテンプレートの一部を構 成する記憶されている基準標識３３、３３’および３３’’を測定された基準標 識３１に適合させる。この適合処理では、測定された基準標識３１、３１’およ び３１’’と記憶されているテンプレート記憶標識３３、３３’および３３’’ との間の累積分離が絶対差の二乗の和によって表された場合に最小になるまで、 記憶された記憶標識３３、３３’および３３’’それぞれの座標を増分処理する か、あるいは減分処理する。この手法は、回転を伴わない最良適合が実現される まで、測定された値についてテンプレートを変位させる作用をもつ。 この移動最良適合手法に続いて、測定されたデータについてテンプレートの軸 線３５を回転させる。この場合、同様に、データマトリックス内で、測定された 基準標識３３、３３’および３３’’と実際の基準標識３１、３１’および３１ ’’との間の距離の大きさの和を小さくするようにする。 この、データマトリックスに関するテンプレートの移動およびデータマトリッ クスに関するテンプレートの回転の過程は、所定の繰り返し数だけ繰り返し、こ の後、テンプレートおよび実際のデータを最良適合の形で正確に整合する。測定 された標識３１、３１’および３１’’とテンプレートの標識３３、３３’およ び３３’’との差が所定の誤差値より大きいに場合には、使用すべき適正なテン プレートの誤同定や、基準標識として誤同定された、画像内のアーチファクトを 原因としてデータ整合に関して問題が発生しているかもしれないことを示す信号 を操作者に発信する。 実際に測定された基準標識とテンプレートの基準標識との差が所定の誤差値よ り小さい場合には、プログラムを処理ブロックの８７に進め、データマトリック スのデータに標識を付けて、骨に対してどのデータが移植片２７のものであるか を示す。このステップでは、前記ステップ８４と本質的に同じように、移植片内 部のデータ点のマトリックス内にあるすべてのデータ点にタグを付ける。同様に 、補助手動操作処理を行って、整理手法に対する移植片の誤適用を操作者が補正 することができるようにする。 図１２について説明すると、ここに図示した実施態様では、各移植片２７ごと に、コンピュータ３０によって多重テンプレートを記憶するか、発生することが できる。各テンプレートは移植片軸線３５を中心とする僅かに異なる回転角度で 移植片２７を投影する。回転された移植片２７の投影に基づき、画像面には新し い正中および側方境界３７’および３９’を発生することができる。 処理ブロックの８７の最良適合処理後では、測定された基準標識３１、３１’ および３１’’とテンプレート基準標識３３、３３’および３３’’との間の偏 差は、移植片軸線３５を中心とする移植片２７の回転として説明することができ る。幹部２９が軸線３５に対して本質的に対称である限り、回転方向は重要では ない。回転によって生じる短縮を使用して、回転を演繹するとともに、他の記憶 されたテンプレートに従って境界を有効に伸縮して、テンプレート整合を改善す る。また、演繹された移植片２７の角度を利用して、従来のベンチマークで最初 に測定された角度とはおそらく異なる角度で移植片が撮像されていることを操作 者に知らせることもできる。 骨の同定 使用する移植片の種類に関係なく、この時点で、ＰＢＭ値のマトリックスは、 区別する必要がある骨と組織のみに対応する一組の値をもつ。骨の縁部を定める ためには、直接的なしきい値決定法、例えば移植片の縁部を求めるために使用さ れている決定法は正確でないことがわかっている。これは、特に骨縁において、 そして時には骨中心部において、実際の患者の骨密度のばらつきが大きいからで ある。したがって、縁部検出手法で始めるより洗練された方法が採用されていた 。この処理過程全体を、図２のステップ５４に対応する図４に示す。 ステップ９０において、曲線全体にわたる値の密度分布曲線を発生する。この 曲線は、位置に関係なく、すべてのＰＢＭデータのプロットである。ステップ９ ２で曲線を調べて、骨と軟組織と区別するしきい値の開始点である、曲線の第１ の谷を求める。次に、ステップ９４でこのしきい値を利用して、骨の近似縁部を 求める。次に、ステップ９６において、隣接データ点間のＰＢＭ値の変化が大き く、依然として予想される骨の縁部に隣接する場所を求める過程を通じて、縁部 を詳細化する。骨の縁部は連続していると考えられるので、ステップ９８で正中 値フィルタを使用して、骨縁部を最終的に調整する。このようにして調整された 縁部を利用して、以後の解析において軟組織から骨を区別する。前と同様に、補 助的手動操作を使用して、操作者が異常な事態を補正できるようにする。 標識点の設定 処理ブロックの５６によって示すように、既に説明した骨縁部およびプロテー ゼ移植片縁部から最大６個までの標識点を同定する。図５に示す、同定すべき標 識点は、ａ）より小さい転子１００、ｂ）移植片唇１０２、ｃ）移植片頂部１０ ４、ｄ）移植片幹部の正中面縁部１０６、ｅ）移植片幹部の側方縁部１０８、お よびｆ）移植片幹部の中心１１０である。局所データマトリックス値を比較解析 することによりこれらの標識点を求め、これら標識点の特徴である局所値関係を 同定する。以下に説明するように、これら標識点が基準点になるので、患者の次 の走査を確実に整合することができ、従ってこのような他の走査と直接比較する ことができる。 この処理の好ましい実施態様では、上記の小さな転子１１０の正中最先端を座 標系の原点として使用して、図２の処理ステップの７０に示すように、データマ トリックスの試料を直線座標によって５つの領域に分割する。上記転子の位置は 、上記座標系によって、移植片縁部からの垂直面において移植片から最も離れた 正 中骨の縁部と定義される。これを図５に示すが、図示のように、垂直な直線が移 植片縁部に垂直な転子から描かれている。この転子の参照符号は１００である。 また、図５の場合、転子の走査線上に水平点線を描いている。 移植片唇１０２は、走査の第１直線（ｙ座標）として定義され、ここでは移植 片の正中面側には骨は認められない。これが、移植片の内部縁部が骨から出る点 である。 移植片頂部１０４は、走査の第１直線（ｙ座標）で定義され、ここでは移植片 境界の側方縁部、すなわち外側縁部が突然水平方向に変化する。 移植片の正中面縁部１０６および側方縁部１０８は、転子の水平線（ｙ座標） で定義される。データのマトリックスでは、転子と同じ走査線（図５における水 平な点線）上にある骨の縁部の座標の位置を使用する。幹部の中心線１１０は、 移植片幹部の正中面縁部および側方縁部と中間にある点として定義される。 より小さい転子、正中面縁部、側方縁部、および中心線はいずれも下記の領域 を位置決めするために使用される。また、移植片頂部および移植片の尖端は、既 に説明した移植片分離および曲線適合ルーチンにおける強制ノードに使用される 。 領域の設定 次に、このように誘導した基準点を使用して、図２のステップの５８に示すよ うに、移植片に隣接する骨の密度に関する対象領域を定める。本発明を実現する 本装置では、このような領域は少なくとも４個が同定される。 これらの領域のうち第１の領域は基線領域であり、アーチファクトや骨がなく 、軟組織、Ｘ線強度や検出器感度に変化があっても、走査ごとにＰＢＭ値を標準 化するために使用することができる一組のサンプルを与えるものである。基線領 域の開始点は、定義によれば、上記のより小さな転子である。基線領域の正中面 縁部は、より小さな転子から正中面方向に１．５ｃｍ離れた位置にある垂直線と して定義される。同じ水平位置（同じｙ座標）において、基線領域の側方縁部は 、移植片の側方縁部から１．０ｃｍ側方に離れた位置にあると定義される。また 、基線領域の上方／下方（遠隔位置および近接位置）縁部は、より小さな転子か ら遠隔および近接方向に２ｃｍ離れた位置にあると定義される。すなわち、垂直 距 離の合計は４ｃｍである。図５に実線で描いてある長方形は基線領域の面積を示 す。 第２領域は、転子から２ｃｍだけ近接方向に離れ、しかも移植片縁部に対して 正中面関係にある正中面下方領域であり、ここには骨の領域も含む。従って、こ の領域は基線領域内にあり、かつ移植片に対して正中面関係にある領域すべてを 基線領域内部に、そしてより小さな転子の下方に含むものである。 第３領域は、転子から２ｃｍだけ近接方向に離れ、しかも移植片縁部に対して 正中面関係にある正中面下方領域である。同様に、この領域も基線領域内にあり 、かつ移植片に対して正中面関係にある領域すべてを基線領域内部に、そしてよ り小さな転子の水平線の上方に含むものである。 第４領域は、転子の水平（ｙ座標）準位を起点とし、ここから近接方向に２ｃ ｍ離れた移植片の側方部を終点とする。この領域も、移植片に対して側方関係に ある領域すべてを基線領域内部に、そしてより小さな転子の水平線の上方に含む ものである。 第５領域は第２の側方領域であり、その起点は最後の領域の近接縁部で、終点 は上方に、すなわち近接方向にさらに２ｃｍ延びた点である。この最後の領域は 、基線領域の外側でかつ移植片縁部に対して側方にあり、そして上記の第４領域 から２ｃｍ上方に延長する骨の領域である。 基線値の計算について処理ブロックの６０を参考にして説明する。基線領域全 体のＰＢＭ値の分布曲線を作る。曲線中最も優勢な値、即ち分布ピーク値である 初期値を選択する。反復法によってこの初期値を調節して、対象領域における最 も普通な組織の平均値に収束する。ここにおける対象領域、すなわち基線領域に ついては、骨や移植片ではなく、軟組織が該領域において最も優勢になるように 、大きさや位置を選択した。 表示 骨密度画像はステップ６２で表されるので、データマトリックスを表示するこ とができる。試料の表示を図８および図９に示す。画像表示は画素からなり、こ れら画素の表示上の座標は、データマトリックスの試料対に関連する線１６の座 標に対応する。骨の所定領域の各画素の強度は対応する線１６にそってＰＢＭに 、したがってＢＭＤに比例するようになっている。このように、画素が、大腿骨 ２６の縁部１１２、および異なる骨密度の境界１１４を画素強度によって定性的 に描写する。以下に述べるように、また従来通り、大腿骨２６の長軸、したがっ て走査のｙ軸を骨密度画像１２２内において垂直に向け、そして立っている人を 写すように、大腿骨２６の近接位置を骨密度画像１２２の頂部に向けるとともに 、大腿骨２６の遠隔位置を骨密度画像１２２の底部に向ける。 プロテーゼ移植片に対して同定されたＰＢＭ値にマトリックス要素を関連させ た画素を背景の色と同色に設定して、骨密度画像１２２上にプロテーゼ１６６の 影絵１１６を形成するが、この影絵は大腿骨２６の画像からは簡単に識別可能で ある。プロテーゼ移植片２７と他の組織との間に縁部に沿ってデータマトリック スの要素に対応する画素は、表示装置上に赤線（図８および図９では点線）とし て表示される。これら画素、およびこれらの対応するデータマトリックス要素を 以下において移植片境界１１８と呼ぶことにする。操作者はキーボード３８およ びトラックボール４０によって入力したコマンドを使用して、上記のように自動 的に、移植片境界１１８を補正、あるいは調整することができる。このような調 節が必要な場合には、アルゴリズム的曲線適合処理がうまくいかない、プロテー ゼ移植片２７の鋭い角部付近の移植片境界１１８の領域において実行すればよい 。 上記４個の対象部位それぞれについて骨無機質成分（ＢＭＣ）、骨の全領域お よびＢＭＤを前述のようにして得たＰＢＭ値から計算する。すなわち、正中面領 域、側方領域、および上方／下方領域はすべて基線値について計算する。これら 領域については、患者間の比較に使用することができる骨特性の一般的な尺度に なるように選択する。この計算のためには、部分的にのみ上記領域に該当する試 料のみが基準化されたＰＭＢ値の端数を該領域内の全面積の端数に比例する領域 についての測定値に与える。これら値は、図８および図９の画素について陰影情 報を発生する。 なお、対象部位の定義すべては、患者の骨の固定された基準位置により基準化 したものである。この特徴があるため、一定の上記対象部位における骨密度変化 を測定するために、何度も反復使用できる。 プロテーゼ周囲のヒストグラム 以下に説明するように、プロテーゼ移植片２７周囲のＢＭＤ値はヒストグラム やプロファイルの形で表示することができる。図６のフローチャートについて説 明すると、プロテーゼ移植片２７を移植した大腿骨２６について密度ヒストグラ ムを作ることができる。図８に関連して密度ヒストグラムを説明する。 処理ステップ１１２において、プロテーゼ移植片２７の正中の縁部および側方 縁部から相殺した測定境界１２６（図８に示す）を同定する。測定境界１２６は 、既に定義してある移植片境界１２４のｙ座標に等しくなるように設定し、所定 の水平幅を移植片境界１２４のｘ座標に加える。所望ならば、移植片境界から測 定領域を相殺して、測定領域に、例えば、移植片縁部から３ｍｍ離れた位置と１ ０ｍｍ離れた位置との間の領域を含めることができ、測定起点は移植片境界縁部 、すなわち０ｍｍ〜１０ｍｍのところではない。 図８について説明すると、測定境界１２６は、測定境界１２６のマトリックス 要素のｙ座標に対応する表示座標において赤線（図８では点線）で骨密度画像１ ２２に表示する。移植片境界１２４からの測定境界１２６の幅は２ｍｍと１０ｍ ｍとの間でかえることができ、操作者が選択すればよい。一つの測定境界１２６ は正中および側方移植片境界１２４にそれぞれ関連し、プロテーゼ移植片２７か ら離れる方向に水平に延びる。所望ならば、図８には示していないが、測定領域 を移植片縁部から最大３ｍｍまでの距離を水平にオフセットできる。 一連の、垂直に隣接し、かつ水平に延長するセグメントを、測定境界１２６と 移植片境界１２４との間の領域内に形成してもよい。ただし、従来通り、データ マトリックスのｙ軸は垂直で、ｘ軸は水平である。これらセグメントそれぞれは データマトリックスの１〜１０の試料、すなわち走査線を含むことができ、その 幅は測定境界１２６と移植片境界１２４との間に含まれる試料数と同じである。 処理ブロックの１１４において、各セグメントについて平均ＢＭＤ値を計算する 。また、処理ブロックの１１６において、ＢＭＤの計算値を図８に示すヒストグ ラム１３０に表示する。このヒストグラムの一方の軸は平均ＢＭＤであり、他方 の軸は、プロテーゼ移植片２７とｙ軸との整合の結果として、プロテーゼ移植片 ２ ７に沿う距離にほぼ対応する基準点からの距離である。プロテーゼ移植片２７の 正中側について一つのヒストグラム１３０を作り、またプロテーゼ移植片２７の 側方側についても一つのヒストグラム１３０を作る。これら二つのヒストグラム １３０がｙ軸を共有するようにすると、正中側および側方側の比較が簡単になり 、したがって、対称的な応力作用を視覚的に示すことができ、プロテーゼ周囲の 骨の特性を示すことができる。 操作者が求めた、任意のｙ軸値において骨密度画像１２２に、そしてヒストグ ラム１３０の対応するｙ軸値に重ねた２つの水平標識線１３２を使用して、セグ メント数を同定することができる。このように同定したセグメントの平均骨密度 をコンピュータにより計算し、表示装置４２上に数値表示することができる。ま た、原点からの基準としての標識線１３２間の走査線の索引番号も表示すること ができる。このように、大腿骨２６とプロテーゼ移植片２７と間の界面の所定長 さについての平均骨密度を、操作者が望む任意位置において定量化することがで きる。 プロテーゼを横断するプロファイル 二者択一的に、一つの走査線に沿うデータマトリックスの要素について骨密度 のプロファイルを発生することも可能である。図７のフローチャートおよび図９ のプロファイル表示について説明すると、高さが所定の一本の水平標識線１３２ を使用して、処理ステップ７０において、データマトリックス内のデータの一本 の選択された走査線を同定することができる。処理ステップ７２で、ＢＭＤ対ｘ 軸位置を示す、上記の選択された高さ、すなわち位置においてこのデータをプロ ファイルとしてプロットする。このｘ軸については、既に説明したように、プロ ファイルがプロテーゼを横断する方向け向いている。図９には、移植片それ自体 は図示していない。プロファイル１３４には、走査線の側方側および正中面側の 両方が示される。そして、処理ステップ７４において、プロファイル１３４の垂 直位置を各位置におけるＢＭＤとして求める。処理ステップ７６は、図９の表示 が表示装置４２に発生されることを示すものである。プロファイル１３４のｘ軸 に沿って、かつこれに垂直に一対の標識１３６および１３８を設けると、プロテ ーゼ移植片２７の正中面縁部又は側方縁部からの該標識１３６又は１３８までの 絶対距離を、したがってプロテーゼ１３４の当該部分までの絶対距離を操作者が 測定できる。処理ステップ７８は標識の表示ステップを表す。処理ブロックの８ ０によって、ディスプレイ４２上に標識の絶対位置が数値表示される。この定量 的測定は、移植片に沿う特定位置における骨の再吸収を評価するのに役立つ。従 来、放射線写真およびルーラーで行っていた測定は精度がかなり低かった。 一本の走査線についてプロテーゼ横断プロファイルを上記したが、プロファイ ル領域には二本以上の走査線があってもよいことはいうまでもない。この場合に は、該領域における走査線についての値の平均値を求め、ディスプレー上に平均 値を表示する以外は上記に従えばよい。 上記の説明はいずれも本発明の好ましい実施態様である。当業者にとっては、 本発明の精神及び範囲から逸脱せずに多くの変更が可能なことは自明なはずであ る。例えば、本発明は、移植片の評価を術後に行う必要がある、膝関節の交換に 使用する骨移植片などの他の種類の骨移植片にも同様に適用可能である。本発明 の範囲に含まれる各種実施態様はいずれも以下の請求の範囲に包含されるもので ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マゼス リチャード ビー アメリカ合衆国 ウィスコンシン州 53711 マディソン グレゴリー グレゴ リー ストリート 2526

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも一つの縁部を持ち、かつ放射線撮影法により検出可能な基準標識 を持つ、実質的に放射線透過性のプロテーゼを骨に移植した患者の骨特性を評価 する方法において、 人体を貫通するデジタル撮像装置によって、基準標識を保持するプロテーゼの 部分を含む少なくとも２個の範囲について骨無機質密度データを収集して、マト リックスの各データ要素の値が該範囲内の対応する位置における骨の無機質含有 量に比例するデータのマトリックスを発生するステップと、 コンピュータを使用して、 （ａ）データのマトリックスを解析して、基準標識の位置を同定し、 （ｂ）基準標識データを記憶し、かつ少なくとも一つの縁部を記憶した記憶テ ンプレートの基準標識の位置への最良適合を求め、 （ｃ）最良適合を使用して、記憶されたテンプレート縁部に基づいて、データ のマトリックス内の移植片境界を同定し、 （ｄ）移動軸線にそって所定の距離だけ移植片境界から移動させた測定境界を 確定し、 （ｅ）測定境界路に続く複数のセグメント内の骨無機質密度を計算して、一組 のセグメント値を発生し、そして （ｆ）移植片境界に沿う距離に対してセグメント値のプロットを表示するステ ップとからなる骨特性評価方法。 ２．データのマトリックスを解析して、基準点に対するセグメント値のプロット の原点の基準となる、骨に対する基準点を同定するステップをもつ請求の範囲第 １項に記載の方法。 ３．移植片が対向する正中面縁部および側方縁部を持ち、記憶テンプレートが正 中面縁部および側方縁部を与え、 ステップ（ｃ）において、正中面および側方テンプレート縁部に基づいて正中 面および側方移植片境界を確定し、 ステップ（ｄ）において、正中面および側方移植片境界から移動軸線に沿って 所定の距離だけ移動させた正中面および側方測定境界を確定し、 ステップ（ｅ）において、正中面および側方測定境界路に続く複数のセグメン ト内の骨無機質密度を計算し、そして ステップ（ｆ）において、セグメント値を第１軸に沿ってプロットし、そして 移植片境界に沿う距離を第２軸に沿ってプロットした、正中面および側方測定境 界に沿う距離に対するセグメント値のプロットを表示し、第２軸を整合して、対 応する正中面および側方セグメント値を比較のために整合した、 請求の範囲第１項に記載の方法。 ４．移植片境界に沿う所定数のセグメントの平均骨無機質密度を計算するステッ プ（ｇ）をさらに持つ請求の範囲第１項に記載の方法。 ５．少なくとも一つの縁部を持ち、かつ放射線撮影法により検出可能な基準標識 を持つ、実質的に放射線透過性のプロテーゼを骨に移植した患者の骨特性を評価 する方法において、 人体を貫通するデジタル撮像装置によって、基準標識を保持するプロテーゼの 部分を含む少なくとも２個の範囲について骨無機質密度データを収集して、マト リックスの各データ要素の値が該範囲内の対応する位置における骨の無機質含量 に比例するデータのマトリックスを発生するステップと、 電子コンピューターを使用して、 （ａ）データのマトリックスを解析して、基準標識の位置を同定し、 （ｂ）基準標識データを記憶し、かつ少なくとも一つの縁部を記憶した記憶テ ンプレートの基準標識の位置への最良適合を求め、 （ｃ）最良適合を使用して、記憶されたテンプレート縁部に基づいて、データ のマトリックス内の移植片境界を同定し、 （ｄ）移動軸線にそって所定の距離だけ移植片境界から移動させた測定境界を 確定し、 （ｅ）骨内の基準点のデータ要素のマトリックス内の位置を同定し、 （ｆ）該基準点に対して所定の距離と所定の方向をもち、移植片から測定境界 によって定義された分だけ離された測定境界路に続く複数のセグメント内の骨無 機質密度を計算して、一組のセグメント値を発生し、そして （ｇ）移植片境界に沿う距離に対してセグメント値のプロットを表示するステ ップとからなる骨特性評価方法。 ６．少なくとも一つの縁部を持ち、かつ放射線撮影法により検出可能な基準標識 をもつ、実質的に放射線透過性のプロテーゼを骨に移植した患者の骨特性を評価 する装置において、 基準標識を保持するプロテーゼの部分を含む少なくとも二つの範囲について骨 無機質密度データを収集して、マトリックスの各データ要素の値が該範囲内の対 応する位置における骨の無機質含有量に比例するデータのマトリックスを発生す る放射線源および検出器と、 （ａ）データのマトリックスを解析して、基準標識の位置を同定し、 （ｂ）基準標識データを記憶し、かつ少なくとも一つの縁部を記憶した記憶テ ンプレートの基準標識の位置への最良適合を求め、 （ｃ）最良適合を使用して、記憶されたテンプレート縁部に基づいて、データ のマトリックス内の移植片境界を同定し、 （ｄ）移動軸線に沿って所定の距離だけ移植片境界から移動させた測定境界を 確定し、 （ｅ）測定境界路に続く複数のセグメント内の骨無機質密度を計算して、一組 のセグメント値を発生し、そして （ｆ）移植片境界にそう距離に対してセグメント値のプロットを表示する、記 憶プログラムにしたがって作動するコンピューターとからなる骨特性評価装置。 ７．記憶されたコンピュータープログラムが、データのマトリックスを解析して 、基準点に対するセグメント値のプロットの原点の基準となる、骨に対する基準 点を同定するステップをもつ請求の範囲第６項に記載の装置。 ８．移植片が対向する正中面縁部及び側方縁部をもち、記憶テンプレートが正中 面縁部及び側方縁部を与え、 ステップ（ｃ）において、正中面および側方テンプレート縁部に基づいて正中 面および側方移植片境界を確定し、そして ステップ（ｄ）において、正中面および側方移植片境界から移動軸線に沿って 所定の距離だけ移動させた正中面および側方測定境界を確定し、 ステップ（ｅ）において、正中面および側方測定境界路に続く複数のセグメン ト内の骨無機質密度を計算し、そして ステップ（ｆ）において、セグメント値を第１軸に沿ってプロットし、そして 移植片境界に沿う距離を第２軸に沿ってプロットした、正中面および側方測定境 界に沿う距離に対するセグメント値のプロットを表示し、第２軸を整合して、対 応する正中面および側方セグメント値を比較のために整合するようなプログラム をコンピュータに記憶した請求の範囲第６項に記載の装置。 ９．記憶されたコンピュータプログラムが、（ｇ）移植片境界に沿う所定数のセ グメントの平均骨無機質密度を計算する請求の範囲第６項に記載の装置。 １０．少なくとも一つの縁部をもち、かつ放射線撮影法により検出可能な基準標 識をもつ、実質的に放射線透過性のプロテーゼを骨に移植した患者の骨特性を評 価する装置において、 基準標識を保持するプロテーゼの部分を含む少なくとも二つの範囲について骨 無機質密度データを収集して、マトリックスの各データ要素の値が該領域内の対 応する位置における骨の無機質含有量に比例するデータのマトリックスを発生す る放射線源と検出器と、 （ａ）データのマトリックスを解析して、基準標識の位置を同定し、 （ｂ）基準標識データを記憶し、かつ少なくとも一つの縁部を記憶した記憶テ ンプレートの基準標識の位置への最良適合を求め、 （ｃ）最良適合を使用して、記憶されたテンプレート縁部に基づいて、データ のマトリックス内の移植片境界を同定し、 （ｄ）移動軸線にそって所定の距離だけ移植片境界から移動させた測定境界を 確定し、 （ｅ）骨内の基準点のデータ要素のマトリックス内の位置を同定し、 （ｆ）該基準点に対して所定の距離と所定の方向をもち、移植片から測定境界 によって定義された分だけ離された測定境界路に続く複数のセグメント内の骨無 機質密度を計算して、一組のセグメント値を発生し、そして （ｇ）移植片境界に沿う距離に対してセグメント値のプロットを表示する、記 憶プログラムに従って作動するコンピュータとからなる骨特性評価装置。