KR101690359B1 - 인공 고관절 치환 수술의 수술전 계획 장치 및 수술 지원용 지그 - Google Patents

Abstract

골반, 대퇴골을 포함하는 하지의 2차원 단층 화상을 복수 입력하는 화상 입력 단계(S101)와, 복수의 2차원 단층 화상으로부터 골반, 대퇴골을 포함하는 3차원 화상을 재구축하는 화상 재구축 단계(S102, S103)와, 골반, 대퇴골의 3차원 화상으로부터, 골반 비구에 설치하는 인공 관절과 설치의 위치 및 방향을 결정하는 인공 관절 결정 단계(S104, S105)와, 골반의 3차원 화상에 대해, 해당 골반의 3점의 참조점에 각각 접하는 3개의 지주를 갖는 베이스 지그의 3차원 화상을 설정하는 베이스 지그 설정 단계(S107~S109)와, 베이스 지그의 3차원 화상에서 골반 비구 바로 근처의 지주 상단을 통해서, 인공 관절의 설치 방향과 평행하게 되는 선의 방향을 파라미터화하여 취득하는 파라미터 취득 단계(S110~S112)를 컴퓨터에게 실행하게 한다.

Description

인공 고관절 치환 수술의 수술전 계획 장치 및 수술 지원용 지그{PREOPERATIVE PLANNING APPARATUS FOR ARTIFICIAL HIP JOINT REPLACEMENT SURGERY AND SURGERY SUPPORT JIG}

본 발명은 퍼스널 컴퓨터 등의 데이터 처리 장치를 이용한 인공 고관절 치환 수술의 수술전 계획용 프로그램 및 수술 지원용 지그에 관한 것이다.

인간의 하지의 일부를 구성하는 슬관절(膝關節) 및 고관절은 일상 생활에서 보행을 위시하여 특히 중요한 관절이다. 그 필요성의 크기만큼이나, 외상을 받기 쉽고, 또한 노화에 따라 관절부의 연골이 변성 파괴되어, 관절증에 이르는 일이 가장 많은 부위이기도 하다.

이 관절증에 대한 외과적 치료로서, 파괴된 연골을 제거하고, 거기에 금속을 끼워넣고, 당해 금속과, 폴리에틸렌 등의 플라스틱의 접촉으로 관절 기능을 재건하는 인공 관절 치환술(Total Arthro-Plasty)이, 가장 안정된 기능의 개선을 도모할 수 있는 방법으로서 현재 전세계에서 행해지고 있다.

이 때, 인공 슬관절에서는, 대퇴골 컴포넌트와 경골 컴포넌트, 인공 고관절에서는, 대퇴골 스템(femur stem)과 비구컵(acetabular cup)의 각 설치 위치, 즉 각각의 뼈의 적출(뼈 절단)의 정확함이 그 후의 인공 관절의 내구성에 크게 영향을 준다.

종래, 이 인공 관절의 설치에 대해서는, 수술전에 정면과 측면에서 촬영한 X선 사진에 대해, 투명한 시트에 인쇄된 인공 관절의 윤곽을 맞추어 상기 컴포넌트나 스템, 컵의 위치나 크기를 결정하고 있었다. 그러나, 이러한 방법에서는 뼈 형상의 파악이 X선 사진의 촬영 방향이나 촬영시의 환자의 위치에 영향을 받아, 정확도가 부족하였다.

이것을 해결하기 위해, 미리 캘리브레이션 프레임으로 필름과 조사점 사이의 위치 결정을 행한 특수 촬영대에서, 기립(起立) 방위의 2 방향의 정면과 60°빗각(斜角)의 X선 촬영을 행하고, 이 촬영 화상에 대해 X선 CT 장치나 MRI 장치로부터 작성한 뼈 형상의 3차원 모델을 각각의 뼈 음영에 위치 맞춤을 행하고(이미지 매칭), 설치 위치의 기준으로 되는 기립 방위의 뼈 형상의 3차원적인 파악을 행하는 컴퓨터 소프트웨어에 의한 방법이 고려되고 있다.

이 컴퓨터 소프트웨어에 의한 방법에서는, 인공 관절의 CAD(Computer Aided Design) 데이터에 의한 3차원 형상 모델을 복수 판독함으로써, 뼈 형상과 하중 환경에 적합한 인공 관절의 크기와 위치를 결정할 수 있다(예컨대, 일본 특허 공개 제2004-008707호 공보(이하, 「특허문헌 1」이라 함)).

그러나, 상기 특허문헌 1에 기재된 기술은, 인공 슬관절 치환 방법에서의 경골측의 뼈 절단면을 수술자가 용이하게 알 수 있도록 된 것에 불과하며, 뼈 형상이나 기능축이 다른 대퇴골측 혹은 다른 관절, 예컨대 마찬가지로 하지에서 중요한 고관절에 그대로 적용할 수 있는 것은 아니다.

이러한 것으로 인해, 인공 고관절 치환 수술에 대해, 수술 전에 환자의 개인차를 적정하게 반영하여, 골반 비구의 리밍 동작을 정확하게 결정할 수 있어, 수술 중에, 수술 전에 결정한 내용을 정확하게 재현한 수술 조작의 관리를 실시할 수 있는 인공 고관절 치환 수술의 수술전 계획용 프로그램 및 수술 지원용 지그를 제공하는 것이 요구된다.

본 발명의 일 형태에 따른 인공 고관절 치환 수술의 수술전 계획용 프로그램은, 골반 및 대퇴골을 포함한 환자 하지의 2차원 단층 화상을 복수 입력하는 화상 입력 단계와, 상기 화상 입력 단계에서 입력한 복수의 2차원 단층 화상으로부터 골반 및 대퇴골을 포함하는 환자 하지의 3차원 화상을 재구축하는 화상 재구축 단계와, 상기 화상 재구축 단계에서 얻은 골반 및 대퇴골의 3차원 화상으로부터, 골반 비구에 설치하는 인공 관절의 설치 위치 및 설치 방향을 결정하는 인공 관절 결정 단계와, 상기 화상 재구축 단계에서 얻은 골반의 3차원 화상에 대해, 해당 골반의 3점 이상의 참조점에 각각 맞닿는 3개 이상의 지주를 갖는 베이스 지그의 3차원 화상을 설정하는 베이스 지그 설정 단계와, 상기 베이스 지그 설정 단계에서 설정한 베이스 지그의 3차원 화상에서 해당 베이스 지그 상의 소정의 위치를 통해, 상기 인공 관절 결정 단계에서 결정한 인공 관절의 설치 방향과 평행하게 되는 인디케이터의 방향을 파라미터화하여 취득하는 파라미터 취득 단계를 컴퓨터에게 실행하게 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일 형태에 따른 수술 지원용 지그는, 1개의 평면을 형성하는 프레임체에 대해, 서로 간격이 조정 가능한 3개 이상의 지주를 구비한 베이스 지그와, 상기 베이스 지그 상의 소정의 위치에 부착되고, 상기 프레임체의 평면을 기준으로 한 임의 방향 각도를 지시하는 인디케이터를 구비한 방향 지시 지그를 갖는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 인공 고관절 치환 수술의 수술전 계획용 프로그램을 인스톨한 퍼스널 컴퓨터의 하드웨어 구성을 나타내는 블럭도.
도 2는 동(同) 실시 형태에 따른 계획용 프로그램의 메인 루틴의 처리 내용을 나타내는 흐름도.
도 3은 동 실시 형태에 따른 도 2의 대퇴골 스템 및 비구컵의 설치 계획의 서브 루틴의 처리 내용을 나타내는 흐름도.
도 4는 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 5는 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 6은 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 7은 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 8은 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 9는 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 10a는 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 10b는 도 10a 중의 화면 우측 부분을 확대하여 나타내는 도면.
도 11은 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 12는 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 13a는 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 13b는 도 13a 중의 화면 우측 부분을 확대하여 나타내는 도면.
도 14는 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 15는 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 16은 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 17은 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 18은 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 19는 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 20은 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 21은 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 22는 동 실시 형태에 따른 수술전 처리 단계를 나타내는 도면.
도 23은 동 실시 형태에 따른 방향 지시 지그의 외관을 나타내는 도면.
도 24는 동 실시 형태에 따른 베이스 지그의 외관 구성을 나타내는 도면.
도 25는 동 실시 형태에 따른 베이스 지그의 외관 구성을 나타내는 도면.
도 26은 동 실시 형태에 따른 깊이 게이지의 구성을 나타내는 도면.
도 27은 동 실시 형태에 따른 베이스 지그의 외관 구성을 나타내는 도면.
도 28은 동 실시 형태에 따른 APP 평면에 대한 오차를 나타내는 도면.
도 29는 동 실시 형태에 따른 컵 법선 벡터의 정의를 나타내는 도면.
도 30은 동 실시 형태에 따른 컵 법선 벡터의 정의를 나타내는 도면.
도 31은 동 실시 형태에 따른 비구컵을 박는 모습을 나타내는 도면.
도 32는 동 실시 형태에 따른 추가 기구의 설치를 나타내는 도면.
도 33은 동 실시 형태에 따른 베이스 지그의 정밀도 검증의 과정을 나타내는 도면.
도 34는 동 실시 형태에 따른 베이스 지그의 정밀도 검증의 과정을 나타내는 도면.
도 35는 동 실시 형태에 따른 베이스 지그의 정밀도 검증의 과정을 나타내는 도면.
도 36은 동 실시 형태에 따른 베이스 지그의 정밀도 검증의 과정을 나타내는 도면.
도 37은 동 실시 형태에 따른 베이스 지그의 정밀도 검증의 변형예를 나타내는 도면.

이하, 본 발명의 일 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 인공 고관절 치환 방법의 수술전 계획용 프로그램을 인스톨한 퍼스널 컴퓨터(이하 「PC」)(10)의 하드웨어 구성을 나타낸다. 각종 처리 제어를 맡는 CPU(11)가 프론트 사이드 버스 FSB를 거쳐서 노스 브릿지(12)와 접속된다.

이 노스 브릿지(12)는, 메모리 버스 MB를 거쳐서 메인 메모리(13)와, 또한 그래픽 인터페이스 AGP를 거쳐서 그래픽 콘트롤러(14) 및 그래픽 메모리(15)와 더 접속되는 외에, 사우스 브릿지(16)와도 접속되며, 주로 이들 사이에서의 입출력 제어를 실행한다.

사우스 브릿지(16)는, PCI-Express 버스(17), 키보드/마우스(18), 비디오 인코더(19), 하드디스크 장치(HDD)(20), 네트워크 인터페이스(I/F)(21), 및 멀티 디스크 드라이버(22)와 접속되고, 주로 이들 주변 회로와 노스 브릿지(12) 사이의 입출력 제어를 행한다.

상기 하드디스크 장치(20) 내에, OS(operating system)와 각종 애플리케이션 프로그램, 각종 데이터 파일 등에 부가하여, 인공 고관절 치환 수술의 수술전 계획용 프로그램과 거기에 부수되는 인공 관절이나 후술하는 각종 지그 등의 형상 데이터 등이 미리 인스톨되어 있는 것으로 한다.

또, 상기 비디오 인코더(19)는, 인가된 디지털값의 화상 신호로부터 아날로그값의 화상 신호인 RGB 비디오 신호를 생성하여 출력하고, 여기서는 도시하지 않는 디스플레이부에 보냄으로써, 화상이 표시된다.

또한, 상기 멀티 디스크 드라이버(22)는, 예컨대 CD(Compact Disc) 규격, DVD(Digital Versatile Disc) 규격에 준거한 광디스크 매체의 재생과 기록이 가능하고, 환자의 X선 사진, X선 CT 장치나 MRI 장치의 단층 사진 등을 기록한 광디스크 매체를 재생하여 판독함으로써, 환자의 하지의 2차원 형상 데이터를 복수 입력하여 하드디스크 장치(20)에 기록 가능하게 한다.

또, 이들 PC(10)를 구성하는 개개의 요소는 극히 일반적인 주지의 기술이므로, 그 설명은 생략하는 것으로 한다.

다음으로, 상기 실시 형태의 동작에 대해 설명한다.

도 2 및 도 3은 이 PC(10)의 사용자인 의사가, 하드디스크 장치(20)에 기억되어 있기 전계획용 프로그램을 기동하고, CPU(11)가 실행하는 본 실시 형태의 처리 내용을 나타내는 것이다.

이 도 2 및 도 3에서는, 대퇴골측 인공 관절(이하 「대퇴골 스템」라고도 칭함)의 설치에 필요한 각종 파라미터의 취득에 필요로 하는 처리를 일부 간략화하고, 골반측 인공 관절(이하 「비구컵」이라고도 칭함)의 설치에 필요한 각종 파라미터의 취득에 필요로 하는 처리를 중심으로 하여 설명하는 것으로 한다.

이 수술전 계획용 프로그램을 실행하기에 즈음해서는, X선 CT 장치 혹은 MRI 장치에서 촬상한 2차원 단층 화상 데이터 슬라이스인 환자 하지의 2차원 화상 데이터가 판독되어, 하드디스크 장치(20)에 저장되어 있는 것으로 한다.

또한, 인공 관절과 수술 중에 사용하는 각종 지그의 3차원 형상 데이터를 별도 준비하고, 아울러 하드디스크 장치(20)에 저장해 둔다.

그러나, 도 2 및 도 3의 수술전 계획용 프로그램을 기동하면, 비디오 인코더(19)에 접속한 디스플레이부의 화면 상에서 GUI(graphical user interface)가 표시되고 이 GUI 상에서 표시되고 있는 소망하는 환자의 적어도 좌우 상전장골극을 포함하여, 대퇴골 원위 근위까지를 촬영한 하지의 2차원 화상 데이터가 저장되어 있는 폴더를 선택한다.

선택한 하지의 2차원 화상 데이터를 하드디스크 장치(20)의 폴더로부터 판독하고(스텝 S101), 골반 및 대퇴골의 3차원 형상 데이터를 작성하여 그 화상을 디스플레이 화면 상에 표시한다(스텝 S102).

도 4는 이때 디스플레이 화면 상에 표시되는 골반 PV와 좌우의 대퇴골 FM(L), FM(R)의 3차원 형상 화상의 예를 나타낸다.

3차원 형상 데이터는, 다각형이나 곡면 형상 데이터이더라도 좋고, 형상 데이터를 작성하는 대신에, 볼륨 렌더링을 사용한 3차원 볼륨 표시를 행하는 것으로 하여도 좋다.

다음으로, 도 5에 나타내는 피부의 3차원 형상 데이터를 구축한다(스텝 S103). 동 도면은 골반 PV 및 좌우의 대퇴골 FM(L), FM(R)에 대해, 반투명 형태의 피부 SK를 표시한 예를 나타낸다. 이 피부의 3차원 형상 데이터의 구축은 필수가 아니며, 볼륨 렌더링을 사용하여 3차원 볼륨 표시에서도 대용이 가능하다. 피부의 표시는 와위(臥位)에서의 체내의 골반과 대퇴골의 위치 관계를 3차원적으로 파악하기 위해서 이용한다.

혹은, 직접 CT 단면 화상을 관찰함으로써, 피부 표면으로부터 뼈의 랜드 마크(참조점)인 좌우의 상전장골극 및 치골 결합까지의 거리를 계측하거나, 또는 통계학적으로 피부 표면으로부터 골반의 랜드 마크인 좌우의 상전장골극 및 치골 결합까지의 거리를 파악할 수 있으면, 피부의 3차원 형상 모델은 반드시 필요하지 않다.

다음으로, 골반 및 대퇴골의 참조점(랜드 마크)을 키보드/마우스(18)의 조작을 병용하여 디지타이즈하고, 좌표계를 구축한다(스텝 S104).

도 6은 골반 및 대퇴골에 대한 참조점을 검은 사각형으로 나타내고 있다. 골반 PV측에서는, 좌우의 상전장골극 LM11, L12와 치골 결합 LM13을 참조점으로 하여, 이들을 기준으로 좌표계를 구축한다.

대퇴골 FM측에서는, 고관절측의 골두구(骨頭球)의 중심 LM21 및 원주 LM22와, 슬관절측의 내외측 상과 돌기 LM23, LM24를 참조점으로 하여, 이들을 기준으로 좌표계를 구축한다.

도 6에서는, 왼쪽의 대퇴골 FM만 참조점을 나타내고 있지만, 우측의 대퇴골 FM에 대해서도 마찬가지로 참조점을 디지타이즈한다.

참조점은 좌표계의 구축 이외에도 이용한다. 구체적으로는, 대전자점 및 대퇴골 내외측 후방 접점을 디지타이즈한다.

좌표계는, 편의상 설정하는 것이며, 다른 참조점을 이용한 좌표계를 이용하더라도 좋다.

도 7은 골반 PV의 좌표계를 나타낸다. 좌우 상전장골극 LM11, LM12와 치골 결합 LM13의 3점을 연결하는 삼각형으로 구성되는 평면(이하 「APP 평면」이라고 칭함)을 기초로 좌표계를 구성한다. 구체적으로는, 치골 결합 LM13을 원점으로 하여, 좌우 상전장골극 LM11, LM12를 연결하는 선과 평행한 선을 X축으로 한다. 편의상, 몸측의 우측을 ＋(플러스)로 한다. 또, APP 평면을 따라 상기 X축과 직교 하는 축을 Z축, APP 평면과 직교하는 축을 Y축으로 한다. 또, 대퇴골측의 좌표계의 구축에 관해서는, 그 설명을 생략한다.

상기와 같이 좌표계를 구축한 후, CT 화상 또는 그것을 기초로 한 MPR(Multiple Planner Reconstruction: 다단면 재구축) 화상을 이용하여 대퇴골 스템 및 비구컵의 설치 계획을 세운다(스텝 S105).

도 3은 상기 스텝 S105의 설치 계획의 상세한 처리 내용을 나타내는 서브 루틴이다. 그 당초에는, 화면을 스템 좌표계의 표시로 전환한다(스텝 S301). 대퇴골 스템의 CAD 데이터를 HDD(20)로부터 판독하고(스텝 S302), 설치 대상의 대퇴골 FM의 3차원 모델을 스템의 모델과 함께 표시시킨다.

도 8은 대퇴골 FM과 대퇴골 스템 ST를 디스플레이 화면에 표시시킨 상태를 나타낸다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 대퇴골 스템 ST는 정해진 초기 위치에 자동적으로 설치한다(스텝 S303). 이 경우의 초기 위치란, 예컨대 학회에서 추장(推奬)되고, 또한 대퇴골 스템 ST의 제조 회사가 추장하는 설치 위치를 기초로, 설치 대상의 대퇴골 FM측의 참조점과 형상 데이터, 및 대퇴골 스템 ST에 설정되어 있는 참조점으로부터 결정되는 것이다.

예컨대, 대퇴골 FM의 근위 골축(骨軸)에 대퇴골 스템 ST의 축을 일치시키고, 대퇴골 스템 ST의 골두 중심을 대퇴골 FM의 대전자점의 높이에 일치시키고, 선회 방향을 대퇴골 FM의 내외측 후과(後顆) 최후방점을 연결하는 선으로부터 40°앞쪽으로 기울인 위치를 초기 위치로 할 수 있다.

또한, 대퇴골 스템 ST의 설치 위치 시뮬레이션에 있어서, 대퇴골 FM의 3차원 형상 모델에서의 골두구 부분을, 수술 중과 동일한 위치에서 절단하는 시뮬레이션을 실시한다(스텝 S304).

이 절단 시뮬레이션은 도 8에 나타내는 2개의 평면을 조합하여 행한다. 1번째의 평면 PL11의 초기 위치는 대퇴골 스템 ST의 YZ 평면에 평행하고 스템축을 통과하는 위치에 표시된다. 2번째의 평면은, 대퇴골 스템 ST의 넥 축에 거의 직교하는 평면으로 되지만, 대퇴골 스템 ST의 종류에 따라 최적인 방향을 미리 정의해 두는 것으로 한다.

이러한 2 평면 PL11, PL12는 키보드/마우스(18)에서의 조작에 따라 임의로 평행 이동 및 회전시킬 수 있다.

절단 동작은 이들 2 평면을 이용하여 골두구측을 절제하는 것에 의해 행한다.

정해진 초기 위치에 자동적으로 설치된 대퇴골 스템 ST에 관해서, 대퇴골 FM에 대한 그 전경각, 내외반각, 굴곡 신장각, 설치 깊이 등의 파라미터를 산출하여 화면에 표시한다(스텝 S305).

이렇게 해서 표시된 설치 상태에 대해, 대퇴골 스템 ST의 좌표계를 기준으로 한 위치와 방향에 관해서, 키보드/마우스(18)를 조작하는 것에 의해 내외측, 전후방, 상하방, 굴곡 신장, 내외반, 및 전후경을 자유롭게 이동, 변경함으로써, 사용자인 의사가 최적의 위치에 설치시킬 수 있다.

즉, 키보드/마우스(18)에 의해 어떠한 조작이 있었던 경우, 그 조작이 그 시점에서 설치되어 있는 위치를 최종적인 설치 위치로서 결정하기 위한 것인지 여부를 판단한다(스텝 S306).

최종적인 결정을 지시하는 조작이 아니라고 판단한 경우에는, 또 설치 위치를 변경할 수 있도록 조작에 따른 임의 파라미터를 변경하면(스텝 S307), 그 변경에 따라 상기 스텝 S304로부터의 처리로 되돌아가, 뼈 절단을 행하는 2 평면의 조정과 그 후의 각 파라미터의 재조정을 실행한다.

이렇게 해서 스텝 S304~S307의 처리를 반복 실행한다. 그리고, 최적이라고 생각되는 설치 위치에 대퇴골 스템 ST를 이동시킬 수 있었다고 판단한 시점에서, 사용자가 설치 위치의 결정을 키보드/마우스(18)의 조작에 의해 지시하면, 상기 스텝 S306에서 그것을 판단하고, 그 시점의 각 파라미터값을 대퇴골의 절단면 형상의 3차원적인 위치 정보로서 보존함과 아울러, 필요에 따라 화상 데이터도 보존한다(스텝 S308).

도 9는 대퇴골 FM의 골두를 절단하여 대퇴골 스템 ST를 설치한 화상의 예를 나타낸다. 이들의 보존을 행함으로써, 수술 중에 대퇴골두의 절단에서의 위치와 단면 형상의 참고로 할 수 있다. 또한, 단면 형상에 대한 대퇴골 스템 ST의 전경각을 관찰함으로써, 정확한 대퇴골 스템 ST의 전경각을 실현할 수 있다.

이상으로 대퇴골 FM측의 처리를 끝내고, 다음으로 골반 PV측의 처리로 이행한다.

우선, 화면을 골반 좌표계의 표시로 전환한다(스텝 S309). 비구컵의 CAD 데이터와 골반의 3차원 모델을 HDD(20)로부터 판독하고(스텝 S310), 모두 디스플레이에 표시시킨다.

도 10a는 골반 PV와 비구컵 CP를 디스플레이 화면에 표시시킨 상태의 예를 나타내고 있다. 도 10b는 도 10a 중의 화면 우측 부분을 확대하여 나타내고 있다. 이들 도면에 나타내는 바와 같이, 비구컵 CP는 정해진 초기 위치에 자동적으로 설치된다(스텝 S311). 이 경우의 초기 위치란, 예컨대 학회에서 추장되고, 또한 비구컵 CP의 제조 회사가 추장하는 설치 위치를 기초로, 설치 대상의 대퇴골 FM측의 참조점과 형상 데이터, 및 대퇴골 스템 ST에 설정되어 있는 참조점으로부터 결정되는 것이다.

예컨대, 골반 PV의 비구 와(窩)의 최안쪽점을 참조점으로서 디지타이즈하고, 골반 좌표계에서 전경각 20°, 외부 열림각 40°을 초기 위치로 할 수 있다.

정해진 초기 위치에 자동적으로 설치된 비구컵 CP에 관해서, 골반 PV에 대한 그 내외측, 전후방, 상하방과, 방향에 관한 전경각 및 외부 열림각 등의 파라미터를 산출하여 화면에 표시한다(스텝 S312).

이렇게 해서 표시된 설치 상태에 대해, 골반 좌표계를 사용하여 비구컵 CP의 위치와 방향에 관해서, 키보드/마우스(18)를 조작하는 것에 의해 상기 내외측, 전후방, 상하방과, 전경각 및 외부 열림각을 자유롭게 이동, 변경함으로써, 사용자인 의사가 최적의 위치에 설치시킬 수 있다.

즉, 키보드/마우스(18)에 의해 어떠한 조작이 있었던 경우, 그 조작이 그 시점에서 설치되어 있는 위치를 최종적인 설치 위치로서 결정하기 위한 것인지 여부를 판단한다(스텝 S313).

최종적인 결정을 지시하는 조작이 아니라고 판단한 경우에는, 또한 설치 위치를 변경할 수 있도록 조작에 따른 임의 파라미터를 변경하면(스텝 S314), 그 변경에 따라 상기 스텝 S312로부터의 처리로 되돌아가, 리밍을 행하는 위치 및 방향의 조정과 그 후의 각 파라미터의 재조정을 실행한다.

이 조정 동작시에는, 사용하는 좌표계로서, 상술한 골반 좌표계뿐만 아니라, 대퇴골 좌표계, 스템 좌표계, 컵 좌표계, CT 좌표계를 임의로 사용자인 의사가 자유롭게 전환할 수 있는 것으로 한다.

또, 정복지(整腹肢) 위치를 확인하면서 인공 관절의 설치를 행하는 것도 가능하게 한다. 도 11은 비(非)정복지 위치 모드, 도 12는 정복지 위치 모드에서의 인공 관절의 설치 상태의 예를 나타낸다. 정복지 위치 모드를 선택함으로써, 비구컵 CP와 대퇴골 스템 ST가 중심 위치가 일치하도록 대퇴골 FM과 대퇴골 스템 ST가 함께 이동하고, 다리 길이 인하량이나 상전장골극과 대전자까지의 3차원적인 거리 등이 그것에 따라 변화하여 표시된다.

이렇게 해서 스텝 S312~S314의 처리를 반복 실행한다. 그리고, 최적이라고 생각되는 설치 위치에 비구컵 CP를 이동시킬 수 있었다고 판단한 시점에서, 사용자가 설치 위치의 결정을 키보드/마우스(18)의 조작에 의해 지시하면, 상기 스텝 S313에서 그것을 판단하고, 그 시점의 각 파라미터값을 골반의 리밍의 3차원적인 위치, 방향의 정보로서 보존함과 아울러, 필요에 따라 화상 데이터도 보존한다(스텝 S315).

도 13a는 스템(왼쪽) 좌표계에서 대퇴골 스템 ST와 비구컵 CP의 설치 상태를 화면에 표시하고 있는 예를 나타내고 있다. 도 13b는 도 13a 중의 화면 우측 부분을 확대하여 나타내고 있다.

이상으로 인공 관절의 설치 계획의 처리를 끝내고, 도 3의 서브 루틴을 종료하고 도 2의 메인 루틴으로 복귀한다.

도 2에서는, 골반 PV와 대퇴골 FM의 3차원 화상을 앙와(仰臥)위로 되도록 표시하고, 이에 맞추어 피부의 형상 데이터를 반투명 표시한다(스텝 S106).

도 14는 골반 PV와 좌우의 대퇴골 FM, 비구컵 CP와 대퇴골 스템 ST에 대해 피부 SK를 반투명 표시한 예를 나타낸다.

다음으로, 베이스 지그의 CAD 데이터를 HDD(20)로부터 판독하고, 판독한 베이스 지그의 데이터에 의해, 앙와위의 좌우 상전장골극과 치골 결합으로 구성되는 평면(APP 평면)에 서로 대하는 위치를 기준으로, 베이스 지그를 체표면에 설치한 화상을 표시한다(스텝 S107).

도 15 및 도 16은 당해 위치에 베이스 지그 BS를 설치한 화상의 예를 나타낸다. 베이스 지그 BS는, 역삼각형을 기본으로 한 형상이며, 3개의 점 위치 하부에 각각 상기 면에 거의 수직인 지주를 형성하고 있다. 역삼각형의 외관에 상당하는 2점간의 거리는 좌우 상전장골극의 간격에 맞추어 조정 가능하게 한다.

또한, 좌우 상전장골극에 접하는 지주부의 선단을 예리한 핀으로 하고, 좌우 상전장골극의 피부 부분으로부터 해당 상전장골극에 찔러 고정 가능하게 하거나, 혹은 지주 선단에 예리한 핀 부분을 착탈 가능하게 하여, 해당 핀 부분을 좌우 상전장골극에 찔러 고정한 상태에서, 베이스 지그 BS만을 분리하는 것이 가능하게 한다.

또, 베이스 지그 BS의 또 하나의 정점(頂点)이 되는 원위측의 제 3 점의 지주부의 선단을 치골 결합 상의 체표면에 접하게 한다. 상기 좌우 상전장골극에 접하는 측의 2점을 연결하는 직선에 대해, 이 치골 결합측에 접하는 제 3 점까지의 거리도 조정 가능하게 한다.

즉, 구체적인 베이스 지그 BS의 구조로서는, 예컨대 2개의 레일 형상 부재를 한쪽이 다른쪽의 중앙에 직교하도록 T자형으로 조립하고, 각각 지주부를 마련한 슬라이더 부재가, 상기 레일 형상 부재를 따라 이동 및 고정 가능하게 함으로써, 3점의 위치의 간격을 조정하는 것이 가능해진다.

도 17은 상기 도 16으로부터 피부 SK의 표시를 제거하고, 골반 PV 상에 설치되는 베이스 지그 BS 상태를 나타낸다.

상기 2점의 지주부가 선단의 핀부에서 환자의 좌우 상전장골극에 고정하는데 반해, 치골 결합측의 지주부의 선단은 고정은 하지 않고, 예컨대 도 15~도 17에서 나타내는 바와 같이 적절한 크기의 판을 부착하고, 치골 결합 상의 피부에 넓게 접촉하도록 설치 가능하게 한다.

또한, 치골 결합측의 지주부의 선단은 여러 가지 어태치먼트를 교환 가능한 구조로 하고, 환자의 체형에 따라 적절한 어태치먼트를 선택하여 장착하더라도 좋다.

또, 베이스 지그 BS의 안정을 얻기 위해서, 치골 결합 상에 접하는 상기 어태치먼트는, 점착 테이프 등을 이용하여, 치골 결합부 상의 피부를 덮는 옷감에 접착되더라도 좋다.

상기 도 15~도 17에 나타낸 바와 같이 베이스 지그 BS의 각 지주부 선단을 좌우 상전장골극 및 치골 결합 상에 접하게 한 상태에서, 베이스 지그 BS의 좌우 상전장골극측의 지주부로부터 좌우 상전장골극까지의 깊이 방향의 거리를 산출하여 디스플레이에 표시한다(스텝 S110).

또한, 베이스 지그 BS의 각 지주의 다리 길이를 포함하여, 그 설치 위치로부터 피부의 통과점까지의 거리도 산출해서 표시한다(스텝 S111).

이것에 의해, 베이스 지그 BS의 지주부에 미리 각인 혹은 인쇄하여 눈금을 판독함으로써, 수술 중에서의 핀 고정의 정확도의 표준으로 할 수 있다.

마찬가지로, 베이스 지그 BS의 원위측의 지주부 선단과 치골 결합을 연결하는 선 상에서, 지주부 선단으로부터 피부의 표면까지의 거리를 산출하여 디스플레이에 표시한다(스텝 S112).

또, 상기 원위측의 지주부 선단과 치골 결합을 연결하는 선 상에서, 치골 결합으로부터, 지주부 선단에 장착하는 어태치먼트가 접촉하는 피부의 표면까지의 거리를 산출하여 디스플레이에 표시한다(스텝 S113).

도 18(a), 도 18(b)는 좌우 상전장골극으로부터 체표면까지의 거리를 산출하여 디스플레이 화면에 표시시킨 예를 나타낸다.

또한, 도 19(a)는 치골 결합으로부터 피부 표면까지의 거리, 도 19(b)는 상전장골극으로부터 피부 표면까지의 거리를 각각 산출하여 디스플레이 화면에 표시시킨 예를 나타낸다.

이상의 처리에 의해, 상기 APP 평면에 대한 베이스 지그 BS의 평면이 결정되고, 그 평면의 법선 벡터와 비구 법선 벡터의 관계가 결정된다.

따라서, 비구 리밍 방향을 결정하기 위해서, 베이스 지그 BS 평면의 상전장골극측 단점으로부터 비구 법선 벡터와 평행한 벡터를 작성하고, 후술하는 방향 지시 지그의 지시 방향으로서 표시한다(스텝 S114).

도 20은 골반 PV의 비구에 대해 비구 리밍 지그 RM을 부착함과 아울러, 원리적인 방향 지시 지그 DI를 베이스 지그 BS에 부착한 상태의 예를 나타낸다. 당연히 비구 리밍 지그 RM을 비구 법선 벡터를 따라 설치하는 것에 맞추어, 방향 지시 지그 DI를 비구 리밍 지그 RM와 서로의 축 방향이 정확하게 평행하게 되도록 설치한다.

또, 실제로 수술시에 사용하는 구체적인 방향 지시 지그 DI의 구조에 대해서는 그 일례를 후술하지만, 방향 지시 지그 DI는 물리적인 지시봉을 갖는 것이라도 좋고, 레이저 포인터를 이용하여 시각적으로 방향을 나타내는 광학 부재를 사용한 것이라도 좋다.

다음으로, 비구컵 CP의 설치 방향인 비구 방향 벡터의 방향을 수술 중에 정확하게 재현하기 위한, 방향 지시 지그 DI를 이용한 파라미터값을 산출한다(스텝 S115).

도 21(a), 도 21(b), 도 22(a), 및 도 22(b)는 구체적으로 상기 파라미터값을 산출하는 과정을 설명하는 도면이다. 이러한 도면에 있어서, 베이스 지그 BS의 상전장골극 A에 대응하는 단점으로부터, 비구 법선 벡터와 평행한 벡터 v를 작성한다. 비구 법선 벡터에서, 컵 정점 B로부터 일정 거리, 예컨대 30[㎝]의 점 C를 정의하고, 점 C로부터 벡터 v로 내린 수선의 교점 D를 산출한다. 또한, 비구 법선 벡터와 베이스 지그 BS의 평면이 이루는 각도를, 관상면 각도 α및 시장면 각도 β로 정의하고, 파라미터로서, 거리 AD, 거리 CD, 각도 α, 및 각도 β를 산출한다.

이것에 의해, 비구컵 CP의 설치 방향인 비구 법선 벡터의 방향이 베이스 지그 BS를 기준으로 하여 고유하게 구할 수 있어, 비구 법선 벡터에 대응하는 방향 지시 지그 DI의 설치 파라미터를 얻을 수 있다.

이렇게 해서 얻은 각 파라미터값을 HDD(20)에 보존하고, 이상으로 이 도 2의 수술전 처리를 종료한다.

수술 중에는, 이 비구 법선 벡터의 방향을 실현하기 위한 방향 지시 지그 DI를 준비하고, 수술 전의 시뮬레이션으로 계측해 둔 2개의 각도 파라미터, 즉 베이스 지그 BS의 Z축이 이루는 각도 α, 및 방향 지시 지그 DI의 벡터 v와 그 벡터 v를 베이스 지그 BS의 평면에 투영한 선 사이에서 이루는 각도 β를 방향 지시 지그 DI로 설정함으로써, 방향 지시 지그 DI의 방향을 비구 법선 벡터와 정확히 평행하게 설정할 수 있다.

도 23은 방향 지시 지그 DI의 일 구조예를 나타낸다. 동 도면에서 방향 지시 지그 DI는 부채꼴 형상의 α각 설정기(41)의 직경 방향을 따라, 이것도 부채꼴 형상의 β각 설정기(42)가 마련된다. 이 부채꼴 형상의 β각 설정기(42)에 대해, 그 직경 방향을 임의로 가변할 수 있는 방향 지시 로드(43)가 주측면(周側面)으로부터 방사 형상으로 연장되는 것으로, 베이스 지그 BS에 대해 방향 지시 지그 DI의 α각 설정기(41)를 부착한 후, α각 설정기(41)에 대한 β각 설정기(42)의 각도 α와, β각 설정기(42)에 대한 방향 지시 로드(43)의 각도 β를 재현함으로써, 비구 법선 벡터와 평행한 벡터 v의 방향을 재현할 수 있다.

도 24에, 구체적인 베이스 지그 BS의 일 구조예를 나타낸다. 동 도면에서는, 2개의 금속 로드에 의한 레일 부재(61)의 양단측에, 이동 및 고정 자유로운 슬라이더 부재(62, 63)를 배치하고, 이들 슬라이더 부재(62, 63)의 하부에, 좌우 상전장골극에 접하게 하기 위한 지주부(64, 65)를 부착한다. 슬라이더 부재(62)측의 지주부(64)가 환자 좌측의 상전장골극에 접하게 하는 것이며, 한편, 슬라이더 부재(63)측의 지주부(65)가 환자 우측의 상전장골극에 접하게 하는 것이다.

또한, 레일 부재(61)의 대략 중앙으로부터, 각각 2개의 금속 로드에 의한 레일 부재(66, 67)를 레일 부재(61)에 직교하도록 부착한다. 이들 레일 부재(66, 67)에는 이동 및 고정 자유로운 슬라이더(68, 69)를 부착한다. 또, 이들 슬라이더(68, 69)를 연결 접속할 수 있도록 2개의 금속 로드에 의한 레일 부재(70)를 부착한다. 그리고, 이 레일 부재(70)의 슬라이더(68, 69) 사이에서 이동 및 고정 자유로운 슬라이더(71)를 부착한다. 이 슬라이더(71)의 하부에, 치골 결합 상의 피부에 접하게 하기 위한 지주부(72)를 부착한다.

각 레일 부재(61, 66, 67, 70)를 각각 2개의 금속 로드에 의해 구성한 점, 및 레일 부재(61)에 대해 2세트의 레일 부재(66, 67)와 레일 부재(70)를 거쳐서 지주부(72)를 형성한 슬라이더(71)를 마련한 점은, 모두 베이스 지그 BS로서의 평면성과 비틀림에 대한 강성을 확보하기 위해서 이루어진 것이다.

레일 부재(61)를 따라 슬라이더 부재(62, 63)를 이동시킴으로써, 환자의 좌우 상전장골극의 간격에 대응하여 지주부(64, 65)를 설치시킬 수 있다.

또한, 레일 부재(61)에 대해 레일 부재(66, 67)를 따라 슬라이더(68, 69)를 이동시킴으로써, 환자의 좌우 상전장골극을 연결한 선으로부터 치골 결합 상부까지의 거리에 대응하여 슬라이더(71) 하부의 지주부(72)를 설치시킬 수 있다.

또, 슬라이더(71)는 레일 부재(70)를 따라 이동할 수 있기 때문에, 지주부(64, 65)의 중점 위치로부터 내린 수선 상에 환자의 치골 결합이 위치하고 있지 않고, 치골 결합의 위치가 좌우 어느 한쪽에 치우쳐 있는 경우이더라도, 정확하게 치골 결합 상의 피부 표면에 (어태치먼트를 거쳐서) 지주부(72)의 선단을 접하게 할 수 있다.

다음으로, 참고로서 실제의 수술시의 조작에 대해서도 설명해 둔다.

(1) 사전에 간격을 조정한 베이스 지그 BS를 환자의 좌우 상전장골극과 치골 결합부를 기준으로 설치한다.

(2) 좌우 상전장골극에 핀을 끼워, 베이스 지그 BS를 고정한다.

(3) 치골 결합부 상에 원위측의 지주 선단의 어태치먼트를 점착 테이프로 고정한다.

(4) 방향 지시 지그 DI를 베이스 지그 BS에 부착하고, 수술전 시뮬레이션으로 얻은 파라미터 α와 β를 이용하여 방향 지시 로드(43)가 비구 방선(放線) 벡터와 병행하게 되도록 설치한다.

(5) 비구를 리밍하기 위한 비구 리머의 로드를 상기 (4)에서 설치한 방향 지시 지그 DI의 방향 지시 로드(43)에 평행하게 되도록 파지(把持)하고, 비구의 리밍을 실시한다.

(5-1) 비구 리머의 로드를 방향 지시 지그 DI의 방향 지시 로드(43)와 평행하게 되도록 파지하기 위해서, 별도 기계적으로 리머의 파지구를 준비하여, 수술자인 의사를 기계적으로 지원하는 것도 가능하다.

(5-2) 또한, 방향 지시 지그 DI를 레이저 포인터와 같은 광학적인 기구로 구성하거나 혹은 병용함으로써, 비구 리머의 기계적인 파지구를 컴퓨터와 연동하여 디지털 제어로 하는 것도 가능하다.

(5-3) 또한, 방향 지시 지그 DI에 비구 삽입 깊이를 측정하기 위한 거리계를 마련하고, 리머 로드 상에 붙인 눈금이 대응하는 깊이만큼 진행되도록 리밍하는 것도 가능하다. 이 경우도, 상기 (5-2)에서 설명한 바와 같은 기계 장치와 연동하여 디지털 제어하는 것도 가능해진다.

이상 상술한 바와 같이 본 실시 형태에 의하면, 수술 전에 환자의 개인차를 적정하게 반영하여, 골반 비구의 리밍 동작을 정확하게 결정할 수 있어, 수술 동안에 수술 전에 결정한 내용을 정확하게 재현한 집도를 실시할 수 있다.

또, 상기 실시 형태에서 나타낸 베이스 지그 BS 및 방향 지시 지그 DI의 구조에 관해서, 본 발명은 그것들에 한정되는 것은 아니다.

또, 본 명세서에서는, 베이스 지그를 「디바이스」라고 창하는 경우가 있다. 또한, 방향 지시 지그의 방향 지시 로드를 「인디케이터」라고 칭하는 경우가 있다.

<베이스 지그의 예에 대해>

전술한 도 20~도 24 및 대응하는 설명에서는, 베이스 지그 BS(및 이것에 부착되는 방향 지시 로드(43) 부착의 방향 지시 지그 DI)의 예를 나타냈지만, 구체적으로는, 이것을 예컨대 도 25에 나타내는 바와 같이 구성하더라도 좋다. 이 경우, 수술전 계획 프로그램에서도 해당 베이스 지그 BS의 사용을 전제로 한 수술전 계획을 행한다.

도 25(a)는 베이스 지그 BS의 예를 나타내는 사시도이다. 도 25(b)는 다른 방향에서 본 베이스 지그 BS의 예를 나타내는 사시도이다. 도 25(c)는 베이스 지그 BS의 지주(치골 결합 상의 체표면에 접하게 하는 지주)의 길이를 바꾸는 것에 의해 방향 지시 지그 DI의 프레임체의 표면(지그 평면)이 수평으로 되도록 수평기를 이용하여 조정하는 모습을 나타내는 도면이다.

또, 방향 지시 지그 DI는 프레임체의 표면 상의 임의의 위치에 부착 가능하다. 즉, 방향 지시 지그 DI는 왼쪽 상전장골극 또는 오른쪽 상전장골극 상의 체표면에 접하는 지주의 상단 근방에 부착하는 경우에 한정하지 않고, 도 25에 나타내는 바와 같이 좌우 상전장골극 상의 체표면에 각각 접하는 각 지주의 상단끼리를 연결하는 선의 중점 근방에 부착하더라도 좋다. 방향 지시 로드(43)는, 전술한 바와 같이, 비구 법선 벡터와 평행한 방향을 재현하기 위해서 사용된다.

<연부 조직 두께의 계측의 예에 대해>

전술한 도 2의 스텝 S110~S113, 도 15~도 17, 및 대응하는 설명에서는, 좌우 상전장골극과 피부 표면간의 거리, 및 치골 결합과 피부 표면간의 거리(연부 조직 두께)를 산출하는 순서를 나타냈지만, 정밀도를 높이기 위해서, 그들의 거리를 예컨대 도 26에 나타내는 깊이 게이지 DG를 이용하여 계측하고, 이 실측에서 얻어진 값을 감안해서 베이스 지그의 3차원 화상을 설정하도록 하더라도 좋다.

깊이 게이지 DG는, 도 26(a)에 나타내는 바와 같이, 중공 구조 단부로부터 키르쉬너 와이어가 비어져 나오는 길이를 나타내는 눈금이 구비되어 있다. 사용 시에는, 도 26(b)에 나타내는 바와 같이, 수동적으로 깊이 게이지 DG의 중공 구조 단부를 피부에 꽉 누른 상태에서, 키르쉬너 와이어를 피부로부터 삽입시켜, 뼈까지 도달시킨다. 이것에 의해, 피부 표면으로부터 뼈까지의 거리가 눈금으로 나타난다. 또, 이때에 꽉 누르는 힘은, 피부에 비가역적 손상이 일어나지 않을 정도로 하고, 예컨대, 실제로 베이스 지그 BS의 지주부를 꽉 누를 때의 힘과 동등하게 한다.

이와 같이 깊이 게이지 DG로 연부 조직 두께를 계측한 실측값을 이용하여 베이스 지그의 3차원 화상을 설정하는 것에 의해, 오차를 저감하여, 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, CT 촬영을 행하여 연부 조직 두께를 얻는 방법보다, 저비용으로 정밀도 좋게 연부 조직 두께를 얻을 수 있다.

<연부 조직 두께의 차이에 기인하는 오차의 대책>

베이스 지그 BS는, 도 27에 나타내는 바와 같이, 회전시키는 것에 의해 축 방향의 길이를 바꿀 수 있는 지주 S(치골 결합 상의 체표면에 접하는 지주)를 갖고 있으며, 이 지주 S의 길이를 바꾸는 것에 의해 방향 지시 지그 DI의 프레임체의 표면(지그 평면)의 기울기를 바꿀 수 있다. 여기서는, 방향 지시 지그 DI의 3개의 지주의 길이를 동일하게 하는 것에 의해, 프레임체의 표면이 수평으로 되도록 하고 있다.

그런데, 방향 지시 지그 DI의 지그 평면은, 전술한 APP 평면(도 7의 좌우 상전장골극 LM11, LM12와 치골 결합 LM13의 3점을 연결하는 삼각형으로 구성되는 평면)을 재현하는 것이지만, 지주가 접하는 좌우 상전장골극 상의 연부 조직의 두께(ASIS 연부 두께)와 치골 결합상 의 연부 조직의 두께(치골부 연부 두께)가 다르므로, 아무런 대책을 세우지 않으면, 베이스 지그 BS의 3차원 화상에서 오차가 생긴다. 예컨대, 도 28에 나타내는 바와 같이, 좌우 상전장골극과 치골 결합에 접하는 APP 평면과, 각 지주의 선단에 접하는 평면 사이에 각도 λ가 생긴다.

이 문제의 대책법으로서, 다음의 2개를 들 수 있다.

(ⅰ) 베이스 지그 BS의 3차원 화상에서, 지그 평면이 APP 평면과 평행하게 되도록, 지주 S(치골 결합 상의 체표면에 접하는 지주)의 길이를 보정한다. 즉, 각도 λ를 상쇄하도록 지그 평면을 기울인다.

(ⅱ) 베이스 지그의 3차원 화상에서, 각 지주의 길이를 동일하게 한 채, 각도 λ에 따라 방향 지시 로드(43)의 방향을 보정한다. 즉, 지그 평면을 기준으로 한 방향 지시 로드(43)의 각도(컵 법선 벡터의 각도)를 산출한다. 이 경우의 구체적인 산출 방법을 이하에 나타낸다.

· OA, RA, RI, OI의 정의

수술 장소에서, 컵 법선 벡터가 이루는 각 OA, RA, RI, OI를 도 29 및 도 30에 나타내는 바와 같이 정의한다. 이 경우의 좌표계는 전술한 도 7에 나타낸 골반 PV의 좌표계에 상당한다. 이 경우, 이하의 관계가 성립된다.

이들을 변형하면, RA, OI는 각각 이하와 같이 나타낼 수 있다.

· APP에 대해 지그 평면(APP')이 시상단(矢狀斷) 방향으로 기울인 경우의 보정 APP에 대해 지그 평면(APP')이 시상단 방향으로 각도 λ기울인 경우, 계획값 OA, RA, RI에 대한 지그 평면(APP')으로부터의 각도 OA', RA', RI'는 각각 이하와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, tanλ={(치골부 연부 두께)-(ASIS 연부 두께)}/(골반 높이)

또, 골반 높이란, 도 7에 나타내는 좌우 상전장골극 LM11, LM12를 연결하는 선(양 ASIS 접선)으로부터 치골 결합 LM13까지의 거리를 가리킨다.

또, (6)식의 변형에서는, OI=OI'가 성립하는 것을 이용함과 아울러, (5)식을 이용하고, 또 전술한 (4)식을 이용하고 있다.

또한, (7)식의 변형에서는, (5)식 및 (6)식을 이용하고 있다.

따라서, 이들 (5)~(7)식을 이용하는 것에 의해, 지그 평면을 기준으로 한 계획값을 산출할 수 있다.

<베이스 지그의 정밀도 검증>

도 31은 수술전 계획을 행한 후에, 베이스 지그(디바이스) BS에 구비된 방향 지시 로드(인디케이터)(43)의 방향과 평행하게 비구컵 CP를 골반에 컵 홀더를 이용하여 박는 모습을 나타내는 도면이다.

이때에 사용한 베이스 지그 BS의 정밀도를 검증하는 방법을 이하에 나타낸다.

베이스 지그 BS의 정밀도는, 수기(手技) 상의 오차를 배제한 전방 열림각 RA의 오차 및 외방(外方) 열림각 RI의 오차를 각각 산출함으로써 검증한다.

<전방 열림각 RA 정밀도 검증>

베이스 지그 BS의 전방 열림각 RA 정밀도 검증에 있어서는, 우선, 방향 지시 로드(인디케이터)(43)의 수평면으로부터의 전방 열림각과, 골반 비구에 설치한 비구컵 CP의 법선 벡터(컵 홀더가 나타내는 법선 벡터)의 수평면으로부터의 전방 열림각의 차이를, 수술 부위에서 실측하고, 그 후, 수술전 계획시의 비구컵 CP의 법선의 전방 열림각과 수술후 CT 촬영한 비구컵 CP의 법선의 전방 열림각으로부터 상기 차이를 공제한 값과의 차이를 구한다.

이것을 수식으로 나타내면 이하와 같이 된다.

수술 중 타협 오차 RA=(디바이스의 인디케이터의 수평면으로부터의 전방 열림각)-(컵 홀더의 수평면으로부터의 전방 열림각) … (8)

디바이스의 RA 오차=수술전 계획 RA-{(수술후 CT RA)-(수술 중 타협 오차 RA)} … (9)

또, 수술후 CT RA는 수술 후의 CT 촬영으로부터 취득되는 전방 열림각 RA를 나타낸다.

또한, 수술 중 타협 오차 RA는 디바이스의 순수한 오차로부터 배제해야 할 수술 중의 수기 상의 전방 열림각 RA 오차를 나타낸다.

<외방 열림각 RI 정밀도 검증>

베이스 지그 BS의 외방 열림각 RI 정밀도 검증에서는, 우선, 방향 지시 로드(인디케이터)(43)에 평행한 선과 골반 비구에 설치한 비구컵 CP의 법선을 수평면에 투영하고, 투영 후의 2개의 선 상에 각각 임의의 2점을 마련하고, 합계 4점으로부터 형성되는 2개의 삼각형의 변의 길이 및 내각에 근거하여 상기 2개의 선이 이루는 각도 θ를 구하고, 다음에, 각도 θ에 근거하여, 지그 평면에서의 상기 2개의 선이 이루는 각도 θ'를 구하고, 마지막으로, 수술전 계획시의 비구컵 CP의 법선의 외방 열림각과, 수술후 촬영한 비구컵 CP의 법선의 외방 열림각으로부터 각도 θ'를 뺀 값과의 차이를 구한다.

구체적인 방법을 나타내면, 이하와 같이 된다.

우선, 도 32에 나타내는 바와 같이, 추가 기구 X1을 이용하여, 컵 법선 벡터와 평행한 직선을 방향 지시 로드(인디케이터)(43) 부근에 재현한다.

다음으로, 도 33에 나타내는 바와 같이, 방향 지시 로드(인디케이터)(43)의 직선 상에 2점, 추가 기구 X1을 이용하여 표현한 컵 홀더와 평행한 직선 상에 2점, 합계 4점을 취하고, 또한 사각형 ABCD 및 대각선 E를 취한다.

다음으로, 도 34에 나타내는 바와 같이, 변 A, B, C, D, E의 길이, 및 수술 중 수평이 이루는 각 p, q, r, s, t를 각각 계측한다.

변 A, B, C, D, E를 수술 중 수평면에 투영한 것을 변 A', B', C', D', E'로 하면, 각각의 변의 길이는 다음과 같이 된다.

도 35에 나타내는 바와 같이, 사각형 A'B'C'D'와 대각선 E'에서, α, β, γ를 취하고, A'와 C'가 이루는 각을 θ로 하면, 다음과 같은 관계가 성립된다.

또, 코사인 정리로부터 α, β, γ를 다음과 같이 표현할 수 있다.

이들을 이용하면, θ를 다음과 같이 표현할 수 있다.

이렇게 해서, θ를 산출할 수 있다.

다음으로, 도 36에 나타내는 바와 같이, APP 평면과 수평면이 이루는 각를 (APP)라고 하고, APP 평면에서의 외방 열림각 오차를 θ'로 하고, 수평면에 투영한 수술전 계획 외방 열림각을 (RI')라고 한다. APP 평면과 수평면 사이에는, l=l'·cos(APP), m=m', n=n'이라고 하는 관계가 있다.

이 때, 이하와 같은 식을 통해 θ'을 산출할 수 있다.

마찬가지로,

따라서, 다음의 식에 의해 외방 열림각 RI 오차가 얻어진다.

디바이스의 외방 열림각 RI오차=수술전 계획 RI-{(수술후 CT RI)-θ'} … (27)

이와 같이, 수기 상의 오차를 배제한 순수한 디바이스의 오차를 산출할 수 있기 때문에, 디바이스의 정밀도를 적확하게 검증하는 것이 가능해진다.

또, 전술한 도 32에서는, 추가 기구 X1을 이용하여, 컵 법선 벡터와 평행한 직선을 방향 지시 로드(인디케이터)(43) 부근에 재현하는 경우를 예시했지만, 직선을 재현하는 방법은 이것에 한정되는 것은 아니다. 대신에, 도 37에 나타내는 바와 같이, 컵 홀더 CH에 확장 로드 EX를 회동 가능하게 부착하고, 이 로드 EX에 의해 컵 법선 벡터와 평행한 직선을 방향 지시 로드(인디케이터)(43) 부근에 재현하도록 하더라도 좋다. 이 경우도 도 32의 구성과 동일한 효과가 얻어진다. 또한, 컵 홀더 CH를 이용하여 비구컵 CP를 골반에 박을 때에, 방향 지시 로드(인디케이터)(43)와 이 근처에 위치하는 로드 EX가 평행하게 되도록 의식하면서 박음을 행할 수 있기 때문에, 박음시의 정밀도를 높이는 것도 가능해진다.

그 외, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니며, 실시 단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변형하는 것이 가능하다. 또한, 상술한 실시 형태에서 실행되는 기능은 가능한 한 적절히 조합하여 실시하더라도 좋다. 상술한 실시 형태에는 여러 단계가 포함되어 있으며, 개시되는 복수의 구성 요건에 의한 적당한 조합에 의해 다양한 발명이 추출될 수 있다. 예컨대, 실시 형태에 나타내는 전체 구성 요건으로부터 몇 개의 구성 요건이 삭제되더라도, 효과를 얻을 수 있다면, 이 구성 요건이 삭제된 구성이 발명으로서 추출될 수 있다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 수술 전에 환자의 개인차를 적정하게 반영하고, 골반 비구의 리밍 동작을 정확하게 결정할 수 있어, 수술 중에, 수술 전에 결정한 내용을 정확하게 재현한 집도를 실시할 수 있다.

10: 퍼스널 컴퓨터(PC) 11: CPU
12: 노스 브릿지 13: 메인 메모리
14: 그래픽 콘트롤러 15: 그래픽 메모리
16: 사우스 브릿지 17: PCI-Express 버스
18: 키보드/마우스 19: 비디오 인코더
20: 하드디스크 장치(HDD) 21: 네트워크 인터페이스
22: 멀티 디스크 드라이버 41: α각 설정기
42: β각 설정기 43: 방향 지시 로드
61: 레일 부재 62, 63: 슬라이더 부재
64, 65: 지주부 66, 67: 레일 부재
68, 69: 슬라이더 70: 레일 부재
71: 슬라이더 72: 지주부
AGP: 그래픽 인터페이스 BS: 베이스 지그
CH: 컵 홀더 CP: 비구컵
DI: 방향 지시 지그 EX: 확장 로드
FM: 대퇴골 FSB: 프론트 사이드 버스
MB: 메모리 버스 PV: 골반
RM: 비구 리밍 지그 SK: 피부
ST: 대퇴골 스템

Claims (11)

1. 컴퓨터에 의해 수행되는 인공 고관절 치환 수술의 수술전 계획 방법으로서,
   골반 및 대퇴골을 포함한 환자 하지(下肢)의 2차원 단층 화상을 복수 입력하는 화상 입력 단계와,
   상기 화상 입력 단계에서 입력된 복수의 2차원 단층 화상으로부터 골반 및 대퇴골을 포함하는 환자 하지의 3차원 화상을 재구축하는 화상 재구축 단계와,
   상기 화상 재구축 단계에서 얻은 골반 및 대퇴골의 3차원 화상으로부터, 골반 비구에 설치하는 인공 관절의 설치 위치 및 설치 방향을 결정하는 인공 관절 결정 단계와,
   상기 화상 재구축 단계에서 얻은 골반의 3차원 화상에 대해, 상기 골반의 3점 이상의 참조점에 각각 접하는 3개 이상의 지주를 갖는 베이스 지그(base jig)의 3차원 화상을 설정하는 베이스 지그 설정 단계와,
   상기 베이스 지그 설정 단계에서 설정한 베이스 지그의 3차원 화상에서 상기 베이스 지그 상의 소정의 위치를 통해서, 상기 인공 관절 결정 단계에서 결정한 인공 관절의 설치 방향과 평행하게 되는 인디케이터의 방향을 파라미터화하여 취득하는 파라미터 취득 단계
   를 구비하는 것을 특징으로 하는 인공 고관절 치환 수술의 수술전 계획 방법.
   
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 베이스 지그 설정 단계는 골반의 좌우 상전장골극(上前腸骨棘) 및 치골 결합의 3점을 참조점으로 한 3개의 지주를 갖는 베이스 지그의 3차원 화상을 설정하고,
   상기 파라미터 취득 단계는, 베이스 지그의 3차원 화상에서 왼쪽 상전장골극 또는 오른쪽 상전장골극 상의 체표면에 접하는 지주의 상단 근방, 또는 좌우 상전장골극 상의 체표면에 각각 접하는 각 지주의 상단끼리를 연결하는 선의 중점 근방을 통해서, 상기 인공 관절 결정 단계에서 결정한 인공 관절의 설치 방향과 평행하게 되는 인디케이터의 방향을 파라미터화하여 취득하는 것
   을 특징으로 하는 인공 고관절 치환 수술의 수술전 계획 방법.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 베이스 지그 설정 단계는, 상기 화상 재구축 단계에서 얻은 골반의 3차원 화상에 대해, 골반과 피부 표면간의 거리를 감안하여 베이스 지그의 3차원 화상을 설정하는 것
   을 특징으로 하는 인공 고관절 치환 수술의 수술전 계획 방법.
   
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 골반과 피부 표면간의 거리는 깊이 게이지를 이용하여 계측한 실측치인 것
   을 특징으로 하는 인공 고관절 치환 수술의 수술전 계획 방법.
   
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 베이스 지그 설정 단계는, 상기 베이스 지그의 3차원 화상에서, 각 지주가 지지하는 평면이 상기 골반의 각 참조점을 포함하는 평면과 평행하게 되도록, 각 참조점에서의 골반과 피부 표면간의 거리의 차이에 따라, 적어도 1개의 지주의 길이를 보정하는 것
   을 특징으로 하는 인공 고관절 치환 수술의 수술전 계획 방법.
   
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 베이스 지그 설정 단계는, 상기 베이스 지그의 3차원 화상에서, 각 지주의 길이를 동일하게 한 채, 각 참조점에서의 골반과 피부 표면간의 거리의 차이에 따라, 상기 인디케이터의 방향을 보정하는 것
   을 특징으로 하는 인공 고관절 치환 수술의 수술전 계획 방법.
   
7. 1개의 평면을 형성하는 프레임체에 대해, 서로 간격이 조정 가능한 3개 이상의 지주를 구비한 베이스 지그와,
   상기 프레임체의 표면 상의 소정의 위치에 부착되고, 청구항 1의 수술전 계획 방법의 상기 파라미터 취득 단계에서 취득된 방향을 지시하는 인디케이터를 구비한 방향 지시 지그
   를 갖는 것을 특징으로 하는 수술 지원용 지그.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 베이스 지그는 골반의 좌우 상전장골극 및 치골 결합의 3점에 접하는 3개의 지주를 구비하고,
   상기 방향 지시 지그는 왼쪽 상전장골극 또는 오른쪽 상전장골극 상의 체표면에 접하는 지주의 상단 근방, 또는 좌우 상전장골극 상의 체표면에 각각 접하는 각 지주의 상단끼리를 연결하는 선의 중점 근방에 부착되는 것
   을 특징으로 하는 수술 지원용 지그.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 베이스 지그의 골반의 좌우 상전장골극에 접하는 2개의 지주 선단에는, 상전장골극에 고정하는 고정 부재가 구비되는 것
   을 특징으로 하는 수술 지원용 지그.
   
10. 청구항 7 내지 9 중 어느 한 항에 기재된 수술 지원용 지그의 정밀도 검증 방법으로서,
    상기 인디케이터의 수평면으로부터의 전방(前方) 열림각과, 골반 비구에 설치한 비구컵의 법선의 수평면으로부터의 전방 열림각의 차이를 구하고,
    수술전 계획시의 비구컵의 법선의 전방 열림각과, 수술후 촬영한 비구컵의 법선의 전방 열림각으로부터 상기 차이를 뺀 값의 차이를 구하는 것
    을 특징으로 하는 정밀도 검증 방법.
    
11. 청구항 7 내지 9 중 어느 한 항에 기재된 수술 지원용 지그의 정밀도 검증 방법으로서,
    상기 인디케이터에 평행한 선과 골반 비구에 설치한 비구컵의 법선을 수평면에 투영하고, 투영 후의 2개의 선 상에 각각 임의의 2점을 마련하여, 합계 4점으로 형성되는 2개의 삼각형의 변의 길이 및 내각에 근거하여 상기 2개의 선이 이루는 제 1 각도를 구하고,
    상기 제 1 각도에 근거하여, 상기 프레임체의 평면에서의 상기 2개의 선이 이루는 제 2 각도를 구하고,
    수술전 계획시의 비구컵의 법선의 외방(外方) 열림각과, 수술후 촬영한 비구컵의 법선의 외방 열림각으로부터 상기 제 2 각도를 뺀 값의 차이를 구하는 것
    을 특징으로 하는 정밀도 검증 방법.

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