WO2006030637A1

WO2006030637A1 - 骨追跡装置固定部材

Info

Publication number: WO2006030637A1
Application number: PCT/JP2005/015843
Authority: WO
Inventors: Nobuhiko Sugano
Original assignee: Osaka University
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2006-03-23
Also published as: JP4709996B2; JP2006081569A

Abstract

　術野確保できるとともに、低侵襲により患者の負担を軽減することができる、手術ナビゲーションシステムにおいて骨追跡装置を患者の骨に固定するための骨追跡装置固定部材を提供する。患者の骨の位置を追跡する骨追跡装置（４０）を患者の骨に固定するための骨追跡装置固定部材は、前記患者の骨の表面に少なくとも３点で固定される台座部（１０）と、前記台座部（１０）の表面から突出して設けられ、前記骨追跡装置（４０）が固定される支持部（２０）とを含んでなり、前記台座部（１０）と前記支持部（２０）とが所定の位置で位置決めされて着脱可能に固定されていることを特徴とする。

Description

明細書

骨追跡装置固定部材

技術分野

[0001] 本発明は、手術ナビゲーシヨンシステムにお、て、患者の骨の位置を追跡する骨追跡装置を、患者の骨に固定するための骨追跡装置固定部材に関する。

背景技術

[0002] 正確な手術には、術野の解剖学的所見から 3次元的骨格の位置情報を術者が正確に把握することが必要不可欠である。し力しながら、患者が肥満していたり、解剖的な個体差や関節拘縮の影響で、 3次元的骨格の位置情報を正確に把握することはな力なか困難である。また、手術台上で少な力もずとも患者の体が揺れ動くことから、例えば、骨切り術における骨切り線の方向やその骨切り片の回転角度と移動度、人工股関節の設置角度などは、症例によって術者の経験と勘による判断に頼らざるを得ない場合がある。

[0003] そこで、 3次元的骨格の位置情報を正確に把握するための手術ナビゲーシヨンシステムが数多く提案されている。例えば、赤外線発光ダイオード (赤外線 LED)と赤外線 3次元位置計測カメラシステムを用いる方法では、赤外線 LED又は赤外線反射体などのマーカーをつけた骨格や手術器具の空間位置を 0. 1mmの精度で捉えることができる。そして、これと術前に CTスキャンや MRIより得た 3次元骨位置をコンビユーター上で適合し位置合わせさせることで、骨ノミ、骨鋸、ドリルなどの手術器具の方向や位置を正確にコンピューター上で手術対象となる骨格に対してモニタ計測表示することが可能となる（例えば、特表 2004— 500187号公報などを参照)。

[0004] この技術の確立により、手術前に立てた正確な手術計画をそのまま手術室で実行できるように、視覚的に術者を導くけピゲーシヨン)ことができる。これにより人工関節手術での正確なインプラントの設置、骨切り術での安全で正確な骨切り、脊椎手術での安全で正確なデバイスの設置などがナビゲーシヨンできる。

[0005] このような手術ナビゲーシヨンシステムにお、ては、手術台上で患者の体が少なからずとも動くことから、常に患者の骨の位置を追跡しておく必要がある。そこで、手術の間、患者の骨には、赤外線 LEDや赤外線反射体などのマーカーを取り付けた骨追跡装置が固定されている。この骨追跡装置とカメラとの間が術者の体や手術機器等で遮られると、患者の骨の位置が検出不能になるため、また手術中における術野確保のため、従来、骨追跡装置の固定方法は、手術創から離れた箇所で、先端が骨スクリューとなっているピンを経皮的に骨へ打ち込み、このピンの反対端に骨追跡装置を固定する方法が取られて、る。

[0006] し力しながら、手術創から離れた箇所で経皮的にピンを打ち込むことから、手術ナピゲーシヨンシステムを導入することで手術における侵襲が大きくなり、患者の負担が増大してしまうという問題がある。

特許文献 1：特表 2004— 500187号公報

発明の開示

[0007] そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、術野確保できるとともに、低侵襲により患者の負担を軽減することができる、骨追跡装置を患者の骨に固定するための骨追跡装置固定部材を提供することを目的とする。

[0008] 上記の目的を達成するために、本発明に係る骨追跡装置固定部材は、手術ナビゲーシヨンシステムにおいて患者の骨の位置を追跡する骨追跡装置を患者の骨に固定するための骨追跡装置固定部材であって、前記患者の骨の表面に少なくとも 3点で固定される台座部と、前記台座部の表面力突出して設けられ、前記骨追跡装置が固定される支持部とを含んでなり、前記台座部と前記支持部とは所定の位置で位置決めされて着脱可能に固定されていることを特徴とするものである。

[0009] このように、患者の骨の表面に固定される台座部と、骨追跡装置が固定される支持部とは、所定の位置で位置決めされて着脱可能に固定されていることから、手術において術野確保が必要な場合には、骨追跡装置が固定されている支持部を台座部から取り外すことができるので、台座部を手術創内の患者の骨に固定することができる。よって、従来のように手術創から離れた箇所で経皮的にピンを打ち込む必要がなくなることから、侵襲が少なくなり患者の負担を軽減することができる。

[0010] また、骨追跡装置で患者の骨の位置を追跡する必要がある場合には、取り外した支持部（これには骨追跡装置が固定されている）を、当初に取り付けた位置に再び正確に取り付けることができるので、骨と骨追跡装置との位置関係の再現性は確保される。よって、患者が動いて骨の位置が移動しても、骨追跡装置の位置を計測することで、患者の骨の位置を追跡することができる。

[0011] なお、骨追跡装置は、骨追跡装置の位置を計測するためのマーカーを備えており

、このようなマーカーとしては、赤外線発光ダイオードや赤外線反射体などが好ましい。骨追跡装置の 3次元位置を正確に測定するために、骨追跡装置には複数の（例えば 3〜5個の）マーカーが配置されている。

[0012] さらに、台座部を患者の骨の表面に対して少なくとも 3点で固定することから、骨の表面がどのような形状であっても、骨の表面上に台座部を安定して固定することができる。なお、患者の骨と台座部とは、ネジなどを介して固定することが好ましい。

[0013] 前記台座部は、平面三角形の各頂点に骨との固定に用いられるネジ穴を備えており、この三角形の内側から前記支持部が突出して設けられていることが好ましい。

[0014] このように、平面三角形の各頂点でネジを介して台座部を骨に固定し、この平面三角形の内側 (好ましくは重心）に支持部を設けることで、前記三角形の面積が小さい台座部であっても骨追跡装置を安定して支えることができる。なお、台座部の形状は、前記三角形を含む平面略三角形状とすることで、台座部の寸法を小型化でき、皮膚の切開が短い最小侵襲手術にも対応させることができる。

[0015] 前記支持部は、少なくとも 2本の棒状部材と、これら棒状部材を連結するとともに棒状部材間の角度が調節可能である連結手段とを含むものが好ましぐ前記棒状部材の 1つは、前記台座部の表面に所定の位置で位置決めされて着脱可能に固定されており、前記棒状部材の他の 1つに前記骨追跡装置が固定されることが好ましい。

[0016] このように、台座部に固定されている棒状部材と、骨追跡装置が固定されている棒状部材とは、連結手段によって、棒状部材間の角度が自由に調節できるように連結されていることから、骨追跡装置を、患者の骨の位置を追跡するための最良の位置に調節することができる。

[0017] 上記したように、本発明によれば、術野確保できるとともに、低侵襲により患者の負担を軽減することができる、骨追跡装置を患者の骨に固定するための骨追跡装置固定部材が提供される。図面の簡単な説明

[0018] [図 1]図 1は、本発明に係る骨追跡装置固定部材の台座部の一実施の形態であって、（A)はその平面図、（B)はその側面図、（C)はその底面図である。

[図 2]図 2は、本発明に係る骨追跡装置固定部材の支持部の一実施の形態を示す側面図である。

[図 3]図 3は、本発明に係る骨追跡装置固定部材の支持部の別の実施の形態を示す側面図である。

[図 4]図 4は、図 1に示す骨追跡装置固定部材の台座部を、患者の大腿骨の大転子外側部に固定した状態を示す斜視図である。

[図 5]図 5は、本発明に係る骨追跡装置固定部材に骨追跡装置を設置した一実施の形態を示す斜視図である。

[0019] 図面中、 10は台座部、 11はプレート、 12は貫通穴、 13はコネクタ、 14は連結穴、 1 5は先端側外周部、 16は案内溝、 17は開口面、 19はスパイク、 20は支持部、 21は先端部、 22は突起、 23は鍔部、 25はロッド、 27は固定ネジ、 28は固定穴、 29は摺動穴、 30はクランプ、 31は挟持部、 32は固定部、 40は骨追跡装置、 42は赤外線発光ダイオード、 44はアーム部、 45は固定手段、 50は大腿骨、 51は大転子、 60はネジを示す。

発明を実施するための最良の形態

[0020] 以下、添付図面を参照して、本発明に係る骨追跡装置固定部材の一実施の形態について説明する。本発明に係る骨追跡装置固定部材は、台座部と支持部とから主に構成されており、図 1に台座部の一実施の形態を示し、図 2に支持部の一実施の形態を示す。

[0021] 図 1に示すように、台座部 10は、略三角形状に形成された薄板状のプレート 11と、このプレート 11の表面に突出して設けられた円筒形状のコネクタ 13とから主に構成されている。プレート 11には、平面三角形の各頂点に貫通穴 12が設けられており、この貫通穴 12の内側には特にネジを切る必要はなぐプレートはこの貫通穴 12を通るネジにより、骨に押し付けられるものである。そして、この平面三角形の中心部にコネクタ 13が設けられている。また、プレート 11の裏面には、コネクタ 13から等間隔の位置に、先端が鋭利な 3本のスパイク 19が設けられており、骨に突き刺さることにより横ずれを防ぐ。

[0022] コネクタ 13には、その外径と同心に形成された連結穴 14が設けられており、この連結穴 14はプレート 11側が有底となっている力その反対側の先端側は開口している。コネクタ 13の外周には、プレート 11側力も先端側に向力つて段差が設けられ、先端側が大径に形成されている。この大径の先端側外周部 15の表面には雄ネジが切られている。また、コネクタ 13の先端の開口面 17には、軸方向へと細長く延びる案内溝 16が設けられている。

[0023] 図 2に示すように、支持部 20は、直線状に伸びる断面円形のロッド 25と、このロッド 25に対して摺動する円筒形状の固定ネジ 27とで主に構成されている。ロッド 25の先端部 21の外径は、コネクタ 13の連結穴 14の内径に適合する太さである。また、この先端部 21には、コネクタ 13の案内溝 16に係合する突起 22と、コネクタ 13の開口面 1 7を係止する鍔部 23とが、先端側力も順に設けられている。

[0024] 固定ネジ 27には、ロッド 25の先端部 21側に、コネクタ 13の先端側外周部 15の外径に適合する固定穴 28が、その反対側に、ロッド 25の先端部 21の外径と適合する摺動穴 29が、段差を介して同心に形成されている。固定穴 28の内面には、コネクタ 13の先端側外周部 15の雄ネジと螺合するように、雌ネジが切られている。また、摺動穴 29は、鍔部 23より後端側で先端部 21の外周と摺動し、これにより固定ネジ 27が口ッド 25に対して回転可能および前後に移動可能となっている。

[0025] ロッド 25の本体部分には、骨追跡装置が取り付けられる。なお、支持部 20のロッド 25は 1本に限定されず、図 3に示すように、複数本を用いることもできる。この場合、突起 22および鍔部 23を設けた先端部 21並びに固定ネジ 27は、一本のロッド 25aに配置すればよい。 2本のロッド 25a、 25bは、クランプ 30によって連結する。クランプ 3 0は、 2本のロッド 25a、 25bをそれぞれ挟持する 2つの挟持部 31と、これら 2つの挟持部 31を固定する固定部 32とで構成されている。この 2つの挟持部 31は、ロッド間の角度を自由に調節することができるように互いに回転可能である。

[0026] 本発明に係る骨追跡装置固定部材の台座部 10と支持部 20は、特に限定されない力生体適合性があるとともに強度に優れた材料で作製されていることが好ましい。このような材料としては、例えば、 SUS316Lや TiA16V4等の金属が好ましい。

[0027] 以上の構成の骨追跡装置固定部材を用いて、患者の骨に骨追跡装置を固定する手順を以下に説明する。なお、人工股関節置換手術における場合を以下に説明する力手術ナビゲーシヨンシステムを用いる手術であれば、人工膝関節置換手術や骨折手術、脊椎手術などの整形外科の他の手術や、脳外科、耳鼻科などにおける手術でも、同様にこの骨追跡装置固定部材を使用することができる。

[0028] 患者の股関節を人工股関節に取り替える人工股関節置換手術では、先ず、患者の股関節側面の皮膚を切開する。この開創部内には、図 4に示すように、追跡の対象となる骨の一つである大腿骨 50の大転子 51が見える。よって、この大転子 51の外側部に台座部 10を固定するため、台座部 10の 3箇所の貫通穴 12にそれぞれネジ 60 を螺合させ、さらにこれらネジ 60を回転させて、大転子 51の外側部にネジ 60の先端をねじ込む。この際、台座部 10裏側の 3本のスパイク 19を大転子 51表面に刺入させることで、固定作業中に台座部 10が大転子 51上を滑るのを防止することができる。

[0029] このように、 3本のネジ 60を用いて、患者の大腿骨 50と台座部 10とを固定するので、大転子 51外側部の弯曲した表面上にも、台座部 10を安定して固定することができる。また、台座部 10は、手術創内の大腿骨 50に固定できるので、従来の手術創から離れた箇所で経皮的に大腿骨に固定する場合と比べて、侵襲が少なくなり患者の負担を軽減することができる。さらに、貫通穴 12を各頂点とする三角形を、例えば底辺約 21mm、高さ約 30mmと非常に小さくしても、台座部 10で骨追跡装置を安定して支えることができるので、近年の手術創が短、最小侵襲手術にぉ、ても十分に対応することができる。

[0030] 台座部 10を大腿骨 50に固定したら、次に、台座部 10に支持部 20を取り付ける。

先ず、台座部 10のコネクタ 13の連結穴 14に、支持部 20の先端部 21を挿入する。この時、先端部 21に設けられている突起 22が、コネクタ 13の案内溝 16と係合するので、コネクタ 13の連結穴 14内で、支持部 20の先端部 21が円周方向に自由に回転するのを防止することができる。すなわち、台座部 10に対して支持部 20が一定の位置で必ず位置決めされることとなる。なお、案内溝 16と突起 22をコネクタ 13と先端部 21に各 1つ配置した場合を示した力一定の位置に位置決めすることができる配置であれば、それぞれ複数にしてもよい。

[0031] 支持部 20の鍔部 23がコネクタ 13の開口面 17と接触するまで、支持部 20の先端部 21をコネクタ 13の連結穴 14に挿入した後、今度は、固定ネジ 27を先端部 21側に移動させて、固定ネジ 27の固定穴 28にコネクタ 13の先端側外周部 15を挿入し、固定ネジ 27を回転させて固定穴 28の雌ネジと先端側外周部 15の雄ネジとを螺合させる。そして、固定ネジ 27をコネクタ 13に締め付けることで、台座部 10と支持部 20とが固定され、コネクタ 13から先端部 21が抜け外れることを防止することができる。

[0032] 図 5に、台座部 10に支持部 20を取り付け、さらに支持部 20に骨追跡装置を取り付けた状態を示す。なお、図 4に示すように、 2本のロッド 25をクランプ 30で連結した支持部 20を用いる場合は、一方のロッド 25aの先端部に台座部 10を固定するとともに、他方のロッド 25bの一端に骨追跡装置 40を取り付ける。ロッド 25bへの骨追跡装置 40の取り付けは、骨追跡装置 40のアーム部 44に支持部 20のロッド 25bを挟持させた後、アーム部 44の側面に設けられた固定手段 45により、ロッド 25bをアーム部 44 に固定する。

[0033] 骨追跡装置 40には、骨追跡装置 40の位置を 3台の赤外線カメラからなる 3次元位置計測カメラシステム（図示省略)で正確に把握するため、複数の赤外線発光ダイォード（赤外線 LED) 42が設けられている。よって、これら複数の赤外線 LED42の全てが 3台の赤外線カメラで撮影されるように、ロッド 25aを挟持する挟持部 31aに対してロッド 25bを挟持する挟持部 31bを回転させて骨追跡装置 40の位置を調整した後、固定部 32でこれら 2つの挟持部 31a、 31bを固定する。

[0034] このようにして、台座部 10と支持部 20とからなる骨追跡装置固定部材を介して、患者の大腿骨 50の大転子 51外側部に骨追跡装置 40を固定したら、次に、骨追跡装置 40の赤外線 LED42から赤外線を発光させて、これら赤外線を 3台の赤外線カメラ (図示省略）によって撮像する。手術ナビゲーシヨンシステムは、この撮像した 3つの画像から、三角測量の原理により骨追跡装置 40の 3次元位置を計測することができる。また、この時の患者の大腿骨 50の大転子 51の 3次元位置を手術ナビゲーシヨンシステムに入力することで、手術ナビゲーシヨンシステムは、患者の大腿骨 50の大転子 51外側部の 3次元位置に対する骨追跡装置 40の 3次元位置を相対的に認識することがでさる。

[0035] さらに、手術ナビゲーシヨンシステムには、術前に撮影した患者の CTスキャンや M RIの断層画像から、大転子 51外側部を含む患者の大腿骨 50全体の 3次元位置が予め入力されている。これにより、手術ナビゲーシヨンシステムは、大腿骨 50全体の形状のうち少なくとも 1つの基準点 (ここでは、大転子 51外側部）の 3次元位置がわかれば、大腿骨 50全体の 3次元位置を正確に計算することができる。なお、大腿骨 50 の 3次元位置はモニタ（図示省略）に画像表示されるので、術者に視覚的に示すことができる。

[0036] したがって、患者が動くことによって、大腿骨 50の大転子 51外側部の 3次元位置が当初の位置力移動しても、大転子 51外側部には本発明に係る骨追跡装置固定部材を介して骨追跡装置 40が固定されているので、大転子 51外側部の移動に合わせて骨追跡装置 40の 3次元位置も当初の位置から移動する。よって、患者が動いても、骨追跡装置 40の 3次元位置を 3台の赤外線カメラで計測することで、基準点である大転子 51外側部の 3次元位置を追跡することができるので、患者の大腿骨 50の正確な 3次元位置をモニタに画像表示することができる。

[0037] なお、患者の大腿骨を人口股関節に置換する手術を行う際には、術野確保するため、支持部 20の固定ネジ 27を台座部 10のコネクタ 13から緩めた後、コネクタ 13の連結穴 14力も支持部 20の先端部 21を抜いて、支持部 20を台座部 10から取り外す。よって、手術創内には、平面が略三角形の薄板状のプレート 11に円筒形状のコネクタ 13が若干突出している台座部 10が残るだけなので、置換手術の支障になることがない。

[0038] また、置換手術中に、患者の大腿骨 50の 3次元位置を把握したヽ場合には、手術創内に残っている台座部 10に、取り外した状態のままの支持部 20と骨追跡装置 40 を再び取り付ける。この際、上述したように、コネクタ 13の案内溝 16と先端部 21の突起 22とによって、台座部 10と支持部 20とは一定の位置で必ず位置決めされることから、骨追跡装置 40を最初に取り付けた位置に正確に再現することができる。なお、再現性を確保するためには、支持部 20と骨追跡装置 40との位置関係は当初の状態のままにしておく必要がある。 [0039] そして、再び骨追跡装置 40の赤外線 LED42を発光させて、 3台の赤外線カメラで骨追跡装置 40の 3次元位置を計測する。大転子 51外側部の 3次元位置に対する骨追跡装置 40の 3次元位置の相対的な位置関係は、当初の状態が維持されているから、骨追跡装置 40の 3次元位置を計測することで、基準点である大転子 51の 3次元位置を追跡することができる。よって、骨追跡装置 40が固定されている支持部 20を台座部 10力も取り外しても、必要な時に再び取り付けることで、大腿骨 50の正確な 3 次元位置をモニタに画像表示することができる。

[0040] なお、上記の説明では、骨追跡装置に設けた赤外線発光ダイオードで赤外線を発光させて骨追跡装置の 3次元位置を計測する場合について述べたが、赤外線発光ダイオードに代えて赤外線反射体を設け、所定の位置カゝら発光された赤外線をこの反射体で反射させることでも、骨追跡装置の 3次元位置を同様に計測することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 手術ナビゲーシヨンシステムにお、て患者の骨の位置を追跡する骨追跡装置を患者の骨に固定するための骨追跡装置固定部材であって、

前記患者の骨の表面に少なくとも 3点で固定される台座部と、

前記台座部の表面力突出して設けられ、前記骨追跡装置が固定される支持部とを含んでなり、前記台座部と前記支持部とが所定の位置で位置決めされて着脱可能に固定されている骨追跡装置固定部材。

[2] 前記台座部には、平面三角形の各頂点に骨との固定に用いられるネジ穴が設けられており、この三角形の内側力前記支持部が突出して設けられている請求項 1に記載の骨追跡装置固定部材。

[3] 前記支持部が、少なくとも 2本の棒状部材と、これら棒状部材を連結するとともに棒状部材間の角度が調節可能である連結手段とを含んでおり、前記棒状部材の 1つが前記台座部の表面に所定の位置で位置決めされて着脱可能に固定されており、前記棒状部材の他の 1つに前記骨追跡装置が固定される請求項 1又は 2に記載の骨追跡装置固定部材。