WO2008044679A1 - Système de soutien chirurgical - Google Patents

Description

明 細 書

手術支援システム

技術分野

[0001] 本発明は人工股関節置換手術をはじめとする関節手術において術者が手術用器 具を操作して手術を行う際に、骨盤等の骨の向きや手術用器具の骨に対する正確な 向きなどを術者に示して手術を容易且つ正確に行えるように補助する手術支援シス テムに関し、特に、手術の精度を保ちつつシステムのコストを抑えられる手術支援シ ステムに関する。

背景技術

[0002] 変形性股関節症等に対応する人工股関節置換手術では、大腿骨の骨頭と骨盤の 寛骨臼がそれぞれ人工関節を構築する部品に置換えられる。手術は、骨頭や寛骨 臼の一部をそれぞれ除去した後、これらに置き換わる部品を埋込むものとなる力 こう した手術は、術後の股関節の可動範囲に関わることから、正確に実施する必要があ

[0003] 従来、こうした手術の際には、 X線撮影による写真や透視に基づいて、骨を写し出 し、骨の位置関係を確認した上で、インパクタ等の手術用器具の適用位置や操作方 向を、医師の目測で患者の体幹を基準としつつ経験と勘による判断に基づいて決定 し、手術が進められていた。

[0004] しかし、このような手法では、術者の熟練により骨と手術器具との相互の位置関係を 高精度に把握して手術用器具を適切に操作することができたとしても、手術台上で 患者の体が動く危険性が高ぐ当初の理想的なセット位置から骨位置がずれた場合

、通常は手術用のカバー等の存在により患者の腰部全体を直接見ることができない 手術中の状況において、 目測に頼った手術ではわずかなずれに対応することができ ず、手術の正確性が維持できなくなり、術後の股関節の可動範囲が狭くなつたり、脱 臼が起りやすくなるという危険性があった。

[0005] これに対し、近年、手術前に CTスキャンや MRIで得た画像から手術対象部位を含 む骨の三次元形状データをあらかじめ作成した上で、手術対象部位近傍体表や手 術用器具に固定される赤外線マーカとこれに対応する赤外線位置計測装置とを用 い、手術中に赤外線マーカ位置を捕捉して骨や手術用器具の空間位置を取得し、 得られた骨の空間位置及び向きと骨の三次元形状データとを照らし合せて、関節部 分などの手術対象部位の正確な位置と向きを割出し、術者に対してレーザポインタ や表示画面等でこの手術対象部位に対する手術用器具の操作方向等を正確にナビ ゲーシヨンする手術ナビゲーシヨンシステムが提案されている。

このような従来の手術支援システムの例として、特開 2002— 85421号公報ゃ特開 2005— 30911号公幸 に記載されるもの力ぁる。

[0006] 前記従来の手術ナビゲーシヨンシステムは、手術用器具を向わせるべき位置や手 術用器具の向きを表示画面等で提示することで、手術対象部位の動き等に関わりな く正確に手術を行える仕組みを提供するものとなっている。

特許文献 1 :特開 2002— 85421号公報

特許文献 2：特開 2005— 30911号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] 従来の手術ナビゲーシヨンシステムは、前記各特許文献に示される構成となってお り、視覚的な誘導で術者の関節部品設置等の作業を効率よく支援できるものの、赤 外線マーカなど光学的な検知を要するものを用いているために、患者の体表と手術 用器具に取付けるマーカと共に、手術室内に光学的にマーカ位置を捕捉する位置 計測装置も必要となり、システムを設置、運用するために莫大なコストが必要になると いう課題を有していた。さらに、術者やその補助者の手術中における立ち位置によつ てはマーカが位置計測装置から直視できない状態となってマーカ位置を正確に捕捉 できな!/、場合もあり、位置検出精度が悪化するとレ、う課題を有して!/、た。

[0008] 本発明は前記課題を解消するためになされたもので、独立して位置情報取得が可 能なセンサを手術対象部位近傍に取付けることで周囲の影響を受けにくぐ手術対 象部位の状態を正確に把握して手術用器具を適切に操作でき、骨の関節部分に対 する手術を容易且つ正確に行えると共に、センサを用いた手術対象部位や手術用 器具の位置検出の仕組みを簡略化して、手術の精度を保ちつつシステム全体のコス トを抑えられる手術支援システムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009] 本発明に係る手術支援システムは、位置固定状態とされた手術台に所定の手術用 姿勢で固定される患者における手術対象となる骨の近傍で且つ当該骨との相対位 置関係が変化しない体表部分に取付けられ、互いの位置関係が固定されてなる複 数の X線不透過性マーカと、当該各マーカに対し位置関係固定状態とされて前記患 者の所定体表部分に取付けられ、あらかじめ X線撮影により前記骨と各マーカとの位 置関係が取得されるのに伴って骨との位置関係を取得され、前記手術台と共に固定 状態にある仮想の基準面に対する傾き状態を少なくとも検出するセンサと、当該セン サのセンサ出力を受取り、検出したセンサの傾き状態及び骨との位置関係から、前 記骨の前記基準面に対する傾きを取得すると共に、骨の手術対象部位に対する手 術において本来骨が前記基準面に対してとるべき傾きと骨の前記基準面に対する現 実の傾きとのずれ状態を求め、当該ずれ状態を表す指示用画像を生成する演算制 御部と、前記指示用画像を表示する表示装置とを備えるものである。

[0010] このように本発明によれば、固定された仮想の基準面に対する傾きを取得可能なセ ンサを、骨との位置関係が固定された状態で骨近傍の体表に固定し、基準面に対す る手術中の骨の傾きを適切に捕捉することにより、骨の手術対象部位に対し正確に 手術用器具を到達させる必要がある手術に際し、骨位置を理想的な状態に補正する ことができ、手術用器具を常に一定操作で取扱えることとなり、手術の精度を向上さ せて手術部位の術後の機能改善を確実なものとすることができる。また、手術中に骨 に対する光学的な三次元位置の捕捉等は一切必要なくなり、手術に際し術者やその 補助者によって位置計測用の光が遮られて適切な位置計測が行えなくなる様なこと もなく、位置計測用の装置が手術中に術者やその補助者の移動の自由度を損うよう な事態も一切生じず、術者は手術に集中することができ、作業性に優れる。

[0011] また、本発明に係る手術支援システムは必要に応じて、術者による操作で前記手 術対象部位に対し近接させて使用される手術用器具の所定箇所に一体に固定され 、前記基準面に対する傾き状態を少なくとも検出する第二のセンサを備え、前記演 算制御部が、前記第二センサのセンサ出力を受取り、検出したセンサの傾き状態か ら、前記手術用器具の前記基準面に対する傾きを取得すると共に、前記手術対象部 位に対する手術において手術用器具が本来前記骨に対してとるべき傾きと手術用器 具の骨に対する現実の傾きとのずれ状態を求め、当該ずれ状態を表す第二の指示 用画像を生成し、前記表示装置又は別の表示手段が、前記第二の指示用画像を表 示するものである。

[0012] このように本発明によれば、手術用器具に第二のセンサを取付け、そのセンサ出力 力、ら手術用器具の基準面に対する傾きを取得し、骨側に取付けたセンサの出力から 導いた骨の基準面に対する傾きと共に演算制御部でデータを解析して、手術用器具 の骨に対し本来とるべき傾きに対する実際の手術用器具の傾きのずれ状態を表示で きることにより、表示を見ながら術者がずれを少なくするように手術用器具を操作すれ ば、手術用器具を手術対象部位へ正確に到達させられ、手術用器具の適切な誘導 による手術の正確化が簡略な仕組みで実現し、手術ナビゲーシヨンのためのシステ ムをより低コストで構築できる。

[0013] また、本発明に係る手術支援システムは必要に応じて、前記請求項 1又は 2に記載 の手術支援システムにおレ、て、前記骨と関節を隔てて隣合う他の骨に対し位置関係 固定とされて当該他の骨近傍の体表に取付けられ、前記基準面に対する傾き状態を 少なくとも検出する第三のセンサを備え、前記演算制御部が、前記第三のセンサの センサ出力を受取り、検出したセンサの傾き状態から、前記他の骨の前記基準面に 対する傾きを取得し、前記骨に対する他の骨の傾きを求めると共に、他の骨の前記 骨に対する所定傾き方向における限界傾き角度に達した際の角度値を傾き方向と共 に入力されて前記傾き方向における限界傾き角度を記録し、全ての傾き得る傾き方 向の限界傾き角度を蓄積して関節の可動範囲を導き、当該可動範囲を表す画像を 生成し、前記表示装置又は別の表示手段が、前記可動範囲の画像を表示するもの である。

[0014] このように本発明によれば、前記骨と関節を挟んで隣合う他の骨に第三のセンサを 取付けて各骨にそれぞれセンサを配置した状態とし、第三のセンサ出力から他の骨 の基準面に対する傾きを取得し、さらに演算制御部で骨に取付けたセンサの出力及 び第三センサのセンサ出力を解析して骨同士の傾きを取得すると共に、傾きの限界 を各傾き方向について記録、蓄積して他の骨の前記骨に対する可動範囲を取得す ることにより、手術前の場合は手術前時点での可動範囲を求めて適切な術前診断と 手術計画の構築が実現する一方、手術中には関節の可動範囲を正確に把握して手 術後の患者への関節機能説明に有効に活用できることとなる。

[0015] また、本発明に係る手術支援システムは必要に応じて、前記他の骨の前記骨に対 する傾きが限界傾き角度に達したことを所定の操作者が前記演算制御部に指示入 力する入力手段を備え、前記演算制御部が、関節手術中の前記骨及び他の骨への 人工関節部品装着並びに関節部品同士の係合後に、術者又は補助者による患者の 他の骨を備える身体部位の関節位置を基準とする曲げ行為による、他の骨の前記骨 に対する所定傾き方向における傾きが、人工関節の仕様に基づく限界角度まで至ら ずに傾きの限界に達した場合、限界到達を識別した操作者の前記入力手段による 指示入力に基づいて、前記限界の角度を所定傾き方向における限界傾き角度として 記録する一方、前記傾きが人工関節の仕様に基づく限界角度までスムーズに傾く傾 き方向については、人工関節の限界角度値をそのまま限界傾き角度とし、各傾き方 向の限界傾き角度を蓄積して他の骨と前記骨との関節における可動範囲を導き、当 該可動範囲を表す画像を生成して出力し、前記表示装置又は別の表示手段が、前 記可動範囲の画像を表示するものである。

[0016] このように本発明によれば、手術中における人工関節部品装着並びに関節係合後 に、関節を挟む各骨に取付けたセンサからの出力に基づいて演算制御部で骨同士 のなす角度を取得可能とする一方、実際に患者の骨のある身体部分に対し他の骨 のある身体部分を動かした際の、各方向での限界位置での指示入力を経て限界傾 き角度を取得し、データを蓄積処理して関節の可動範囲を導くことにより、関節が脱 臼等を起さない安全な可動域を手術中の段階で把握でき、手術後の処置や関節可 動範囲に関する患者へのアドバイス等を適切に行うことができる。

[0017] また、本発明に係る手術支援システムは必要に応じて、前記演算制御部が、手術 後における所定の介助者による患者の前記他の骨を備える身体部位の関節位置を 基準とする曲げ行為又は当該部位の患者本人の意思による運動動作による、他の 骨の前記骨に対する所定傾き方向における傾きが、置換え済の人工関節における 既知の可動範囲データから少なくとも導かれた前記傾き方向における限界傾き角度 に達すると、所定の報知用信号を出力し、当該報知用信号を受取って前記介助者 及び/又は患者に対する報知を実行する報知手段を備えるものである。

[0018] このように本発明によれば、手術後に、関節を挟む各骨に取付けたセンサからの出 力に基づいて演算制御部で骨同士のなす角度を取得可能とする一方、介助者又は 患者本人が実際に患者の前記骨のある身体部分に対し他の骨のある身体部分を動 かす際に、あらかじめ蓄積した関節の可動範囲データを用いて、各方向での可動限 界角度に達した時点で報知手段での報知を実行することにより、手術後のリハビリテ ーシヨン等で患者自身に問題なく関節を動かせる範囲を適切に認識させられることと なり、患者にあらかじめ安全な可動域を把握させることで人工関節に対し無理のある 動作を控えさせて脱臼等の危険性を小さくするなど、回復後の関節使用にあたって 患者に適切に対応させることができる。

[0019] また、本発明に係る手術支援システムは必要に応じて、前記骨が骨盤であり、前記 マーカが、骨盤の仙骨背面側の体表部分に所定の三角形の各頂点をなす配置でそ れぞれ取付けられた状態とされ、前記センサが、骨盤の仙骨背面側における前記マ 一力を頂点とする三角形の範囲内となる体表に配置されるものである。

[0020] このように本発明によれば、骨盤の所定箇所を手術対象部位とする場合に、センサ を三つのマーカと共に骨盤に対する動きの少ない仙骨背面側の体表に取付ける構 造とすることにより、センサを骨盤に対して確実に位置決めして固定でき、骨盤にセン サを一体化させられることとなり、骨盤の動きをセンサに確実に反映させて正確に骨 盤の傾きを検出できる。

図面の簡単な説明

[0021] [図 1]本発明の第 1の実施形態に係る手術支援システムの概略構成図である。

[図 2]本発明の第 1の実施形態に係る手術支援システムにおける第一センサ取付位 置説明図である。

[図 3]本発明の第 1の実施形態に係る手術支援システムにおける支援動作のフロー チャートである。

[図 4]本発明の第 1の実施形態に係る手術支援システムにおける表示装置の表示画 面説明図である。

[図 5]本発明の第 2の実施形態に係る手術支援システムの概略構成図である。

園 6]本発明の第 2の実施形態に係る手術支援システムにおける支援動作のフロー チャートである。

[図 7]本発明の第 2の実施形態に係る手術支援システムにおける表示装置の表示画 面説明図である。

[図 8]本発明の他の実施形態に係る手術支援システムにおける表示装置の表示画面 説明図である。

符号の説明

1、 2 手術支援シ」

10、 20 マーカ

11、 21 第一センサ

12、 23 第三センサ

13、 24 演算制御部

14、 25

14a, 25a 基準点

14b, 25b 点

22 第二センサ

50 手術用器具

60 手術台

80 骨盤

81 仙骨

90 大腿骨

発明を実施するための最良の形態

(本発明の第 1の実施形態）

以下、本発明の第 1の実施形態に係る手術支援システムを図 1ないし図 4に基づレ て説明する。本実施形態においては、人工股関節置換手術に適用した例について 説明する。 前記各図において本実施形態に係る手術支援システム 1は、手術中の位置が不変 である手術台 60に側臥位で固定される患者の腰部背面側体表に取付けられ、互!/、 の位置関係が固定されてなる三つのマーカ 10と、これら各マーカ 10に対し位置関係 固定状態で前記患者の体表に取付けられ、所定の基準面 Aに対する傾き状態を検 出する第一センサ 11と、前記患者の大腿部体表に取付けられ、前記基準面 Aに対 する傾き状態を検出する第三センサ 12と、前記第一センサ 11及び第三センサ 12の 各センサ出力を受取り、各センサの向きから、骨盤 80や大腿骨 80の前記基準面 Aに 対する向きをそれぞれ求めると共に、大腿骨 90の骨盤 80に対する各傾き方向への 傾き角度を取得する演算制御部 13と、この演算制御部 13で得られた前記手術用器 具 50の手術対象部位に対する向き、及び、前記ずれ状態を表す各指示用画像を生 成すると共に、各指示用画像が変化する過程に対し、前記各指示用画像を表示する 表示装置 14とを備える構成である。

[0024] 前記マーカ 10は、 X線不透過性の材質で形成され、手術台 60に側臥位で固定さ れる患者の骨盤 80における手術対象の寛骨臼部位近傍で且つ骨盤 80との相対位 置関係が変化しない体表部分である、患者の骨盤 80における仙骨 81の背面側部分 に所定の三角形の各頂点をなす配置で三つ取付けられ、互いの位置関係も固定状 態として配設される構成である。

[0025] 前記第一センサ 11は、加速度センサを応用した傾き及び位置検出センサであり、 前記手術台 60と共に固定状態にある仮想の基準面 A (手術台上面に垂直で且つ手 術台長手方向と平行をなす面）に対する傾き状態を検出可能とされ、前記マーカ 10 のなす三角形の略中心に配置されて各マーカ 10及び骨盤 80に対し位置関係固定 状態とされつつ前記患者の仙骨 81背面側体表部分に取付けられる構成である。こ の第一センサ 11が、手術前の X線撮影による骨盤 80及び各マーカ 10位置取得を経 て、骨盤 80との正確な位置関係を取得されることで、センサ出力から骨盤 80の傾き を検出可能となっている。また、第一センサ 11は、ゲル体で超小型の加速度センサ を搭載したセンサユニット部分を表裏から挟んで保持した構造とされ、体表への密着 性を高めると共に外部からの振動、衝撃等の影響を受けに《していると同時に、セ ンサ外形を著しく小型化しており、体表や手術用器具等に固定して被着部分の前記 基準面に対する傾きを検出させる場合において、センサの存在が器具の操作性を悪 化させたり、手術の障害となるのを防げる。

[0026] なお、第一センサ 11は、加速度センサ単体をそのまま用いて、出力される信号に 対する全ての処理を演算制御部 13で行うようにしてもよいが、この他、体表に取付け られる大きさを維持できれば、加速度センサと共に A/D変換用のマイコンや信号変 換用の素子等を一体に実装してパソコン等で直接取扱える信号として送出すュニッ トとすることもでき、その場合は演算制御部 13としてパソコンを用いることができる。

[0027] 前記第三センサ 12は、大腿部体表にベルトにより取付けられて大腿骨 90に対し位 置関係固定状態とされる構成である。センサとしての機能は前記第一センサ 11と同 じであり、説明を省略する。

[0028] 前記演算制御部 13は、前記第一センサ 11及び第三センサ 12、並びに表示装置 1 4とそれぞれ接続され、前記第一センサ 11及び第三センサ 12の各センサ出力を受 取り、検出した第一センサ 11の傾き状態から、骨盤 80の前記基準面に対する傾きを 取得すると共に、骨盤 80の寛骨臼部位に対する手術において本来骨盤 80が前記 基準面に対してとるべき傾き（既定値）と骨盤 80の前記基準面に対する現実の傾きと のずれ状態を求め、このずれ状態を表す指示用画像を生成するものである。また、 演算制御部 13は、第三センサ 12の傾き状態から、大腿骨 90の前記基準面 Aに対す る傾きを取得すると共に、この大腿骨 90の骨盤 80に対する傾きを求め、関節におけ る曲げ角度を取得する演算処理も行う。

[0029] 手術中には、演算制御部 13が手術台 60上で術者の補助者によって位置調整され る患者の骨盤 80の基準面 Aに対する向きを取得し、骨盤 80の本来とるべき傾きから 実際の傾きがどのようにずれているかを示す指示用画像を生成し、補助者の作業支 援を行うこととなる。

[0030] 前記表示装置 14は、手術用空間における術者や補助者から視認可能な位置で且 つ手術中の術者及び補助者との接触が起こり得ない箇所に配置されるものであり、 表示機能自体は公知の液晶や CRT等を用いた画像表示装置同様であり、詳細な説 明を省略する。その表示画面では、骨盤 80の本来とるべき正しい傾き状態を示す基 準点 14aと、実際に計測された骨盤 80の傾きから算出された、骨盤 80の正しい傾き 状態からのずれを示す点 14bがそれぞれ表示される。

[0031] 次に、本実施形態に係る手術支援システムを用いた手術支援状態について説明 する。あらかじめ、人工股関節置換手術を受ける患者が、手術対象部位となる股関 節がある側の体側を上向きとし、且つ頭部から脚に至る体軸を手術台長手方向と略 平行にした側臥位で手術台上面に固定されているものとする。まず手術前に、患者 の骨盤 80における仙骨脊面側の体表に、三つのマーカ 10を骨との位置関係並びに 各マーカ 10間の位置関係が変化しないようにそれぞれ取り付けると共に、三つのマ 一力 10のちようど中央となる体表位置に、各マーカ 10との位置関係が変化しないよう にして第一センサ 11を取付け、この第一センサ 11を演算制御部 13に接続し、セン サ出力を演算制御部 13に入力可能としておく（ステップ 101)。続いて、手術対象部 位とマーカ 10を含む骨盤全体に対し複数方向から X線撮影を行う（ステップ 102)。

[0032] 得られた複数の X線撮像画像から骨盤 80の基準面 Aに対する傾き状態が明確に 判別可能となる力 同時に、各マーカ位置と骨盤 80との位置関係も明らかとなり、さら に体表の各マーカ位置と第一センサ 11との固定された位置関係から、骨盤 80と第 一センサ 11との位置関係も明らかとなる。この骨盤 80と第一センサ 11との位置関係 を用いて、センサでの傾き検出から骨盤 80の基準面に対する実際の傾きを算出、取 得すること力 Sできる仕組みである。

[0033] 演算制御部 13は、 X線撮像画像からわ力、る骨盤 80の基準面 Aに対する傾き状態 を初期情報として入力され (ステップ 103)、ここからの骨盤 80の動きを第一センサ 11 力もの出力により演算制御部 13が傾き変化として取得していく。また、手術の際に骨 盤 80が基準面 Aに対し本来とるべき傾き状態も演算制御部 13に目標値として入力さ れ (ステップ 104)、骨盤の実際の傾きが前記本来とるべき傾きからどれだけずれてい るかを算出できるようにする。

[0034] この手術前の段階で、第一センサ 11に加えて、必要に応じて第三センサ 12を患者 の大腿部の所定箇所に取付け、演算制御部 13と接続し、センサ出力を演算制御部 13で処理できるようにすることもできる。第一センサ 11の出力と第三センサ 12の出力 から、演算制御部 13で患者の骨盤 80に対する大腿骨 90の傾き角度が求められるが 、これを利用して、診断者による患者の大腿部の股関節を基準とした各方向への曲 げ行為と合わせて、各傾き方向における大腿骨 90の骨盤 80に対する可動限界角度 を演算制御部 13に記録、蓄積することで、手術前における股関節可動範囲を導き出 すことができ、術前診断と手術計画作成を的確に行うことができ、手術をより適切に進 められることとなる。

[0035] 続いて、手術中においては、演算制御部 13が体表に取り付けられた第一センサ 11 力もの出力を処理して、その時点における骨盤 80の基準面 Aに対する傾きを取得す る（ステップ 105)。そして、演算制御部 13は、あらかじめ入力された手術計画に基づ く患者の骨盤 80の本来とるべき正しい傾き状態に対し、第一センサ 11の実測された 傾きから得られた骨盤 80の実際の傾きがどれだけずれているかを導き（ステップ 106 )、そのずれ状態を示す画像を作成して表示装置 14に出力する（ステップ 107)。表 示装置 14はこのずれ状態を示す画像を表示する (ステップ 108)。この表示装置 14 に表示される画面には、骨盤の正しい向きを基準として示す基準点 14aと、実際のず れの方向及び大きさを表す点 14bが表示される。これにより、患者の動きに伴い手術 中に刻々と変化する骨盤 80の状態を適切に把握できる。この演算制御部 13による ずれ状態の導出と表示装置 14による表示は、手術終了まで繰返される。

[0036] 手術のうち寛骨臼代替部品の取付段階で、術者は手術用器具 50による関節部品 の取付けのため、骨盤 80における手術対象の寛骨臼部位近くまで手術用器具 50を 移動させる。この時、表示装置 14の画面には、骨盤 80の基準面 Aに対する傾きを取 得する処理に基づいて、その時点における骨盤 80の正しい傾きからのずれ状態が 基準点 14aから離れた点 14bとして表示されている（図 8参照）。手術用のカバー等 により患者の腰部全体を直接見ることができず、骨盤 80の向きを確認しにくい手術中 の状況において、補助者は表示装置 14の画面を見ながら、ずれを表す点 14bが基 準点 14aに一致するよう、すなわち、実際の骨盤 80の傾きが本来とるべき正しい傾き 状態となるよう、骨盤 80を直接動かして骨盤位置を微調整する。

[0037] 一方、術者は、骨盤 80の傾きが本来とるべき正し!/、傾き状態となって!/、る場合に行 う通常の手順で手術用器具 50を操作して骨盤 80の寛骨臼部位に正しく相対させる こととなる。補助者が表示画面上で基準点 14aと点 14bの位置を合わせた状態を維 持するように骨盤 80を支えた状態で、術者は、寛骨臼部位に対しあらかじめ決めら れた向きで手術用器具 50を動かし、手術用器具 50先端を目標の位置 '方向に合わ せたら、手術用器具 50の打撃部分を操作して寛骨臼の代替となる関節部品を骨盤 8 0に打込み配設する。手術中、不意に骨盤位置が動いた場合でも、これに追随して 表示画面上の各指示用表示も変化するため、補助者が適切に骨盤 80の位置修正 を行え、術者はそのまま続けて手術を行うことができ、手術用器具 50の手術対象部 位に対するずれを防ぐことができる。

[0038] ここで、表示装置 14の画面上での基準点 14aと点 14bの位置を一致させるように補 助者が骨盤 80を動かすようにしている力 これに限らず、表示画面のずれ量表示に 対応して、術者が手術用器具 50を正規の操作方向から骨盤 80のずれに対応する 分だけずらして作業を行うようにすることもできる。

[0039] 手術が進行し、術者が関節部品を骨盤側と大腿骨側のいずれにも取付け、且つ部 品同士を係合させて、人工関節が可動状態となったら、必要に応じて、患者の大腿 部体表に大腿骨 90との位置関係が変化しないようにして第三センサ 12を取付けると 共に演算制御部 13と接続し、第三センサ 12の出力を処理できるようにする。これによ り、手術中の段階で、第一センサ 11の出力と第三センサ 12の出力から演算制御部 1 3で患者の骨盤 80に対する大腿骨 90の傾き角度が求められる力 S、これを利用して、 術者又は補助者による患者の大腿部の股関節を基準とした各方向への曲げ試行と 合わせて、各傾き方向における大腿骨 90の骨盤 80に対する可動限界角度を演算 制御部 13に記録、蓄積することで、人工股関節置換後の股関節可動範囲を導き出 すことができ、手術後の股関節可動範囲の目安にでき、人工股関節の可動限界を超 えて脱臼等を生じないように術後の患者への動作指示やリハビリテーション計画作成 を的確に行うことができる。

[0040] さらに手術終了後、必要に応じて、患者の骨盤 80脊面側体表に第一センサ 11を 再び取付けると共に、患者の大腿部体表に第三センサ 12を取付け、各センサを演算 制御部 13と接続すると、各センサの出力から演算制御部 13でこの手術後の段階で の骨盤 80に対する大腿骨 90の傾き角度を求めることができる。これを利用して、介 助者による患者の大腿部の股関節を基準とした各方向への曲げ行為と合わせて、各 傾き方向における大腿骨 90の骨盤 80に対する可動限界角度を演算制御部 13に記 録、蓄積することで、手術後における股関節可動範囲を導き出すことができ、人工関 節の仕様に基づく限界以外の理由で発生する限界角度を適切に把握して患者のリ ハビリテーシヨンを効果的に進めることができる。

[0041] また、これとは別に、介助者又は患者本人の意思による患者の大腿部の股関節を 基準とした各方向への曲げ行為中、手術中の実測により蓄積された股関節の可動範 囲のデータと共に、実際の骨盤 80に対する大腿骨 90の傾き角度を表示装置 14に 表示することもでき、可動域を介助者や患者に視覚的にわ力、りやすく示すことができ る。この他、可動範囲のデータに基づき、報知手段を用いて大腿骨が限界角度に達 したことを報知するようにしてもよぐ大腿部を動かす介助者や患者本人に人工関節 の仕様に基づく限界角度を知らせることができ、脱臼等に対する注意を喚起できる。

[0042] このように、本実施形態に係る手術支援システムにおいては、固定された仮想の基 準面 Aに対する傾きを取得可能な第一センサ 11を、骨盤 80との位置関係が固定さ れた状態で骨盤 80近傍の体表に固定し、基準面に対する手術中の骨盤 80の傾きを 適切に捕捉することから、骨盤 80の手術対象部位に対し正確に手術用器具を到達 させる必要がある手術に際し、骨盤 80位置を理想的な状態に補正することができ、 手術用器具 50を常に一定操作で取扱えることとなり、手術の精度を向上させて手術 部位の術後の機能改善を確実なものとすることができる。また、手術中に骨に対する 光学的な三次元位置の捕捉等は一切必要なくなり、手術に際し術者やその補助者 によって位置計測用の光が遮られて適切な位置計測が行えなくなる様なこともなぐ 位置計測用の装置が手術中に術者やその補助者の移動の自由度を損うような事態 も一切生じず、術者は手術に集中することができ、作業性に優れる。

[0043] (本発明の第 2の実施形態）

本発明の第 2の実施形態に係る手術支援システムを図 5ないし図 7に基づいて説明 する。

前記各図において本実施形態に係る手術支援システム 2は、前記第 1の実施形態 同様、三つのマーカ 20と、第一センサ 21と、第三センサ 23と、演算制御部 24と、表 示装置 25とを備える一方、異なる点として、手術用器具 50の所定箇所に一体に固 定され、基準面 A (手術台上面に垂直で且つ手術台長手方向と平行をなす面）に対 する手術用器具 50の傾きを少なくとも検出する第二センサ 22を備える構成を有する ものである。

[0044] 前記第二センサ 22は、手術用器具 50の所定箇所に一体に取付けられるものであ り、患者の体表へ取付けられない分、ゲル体等を省略した構造とすることができる。セ ンサそのものの機能は前記第一センサ 21と同じであり、説明を省略する。

[0045] 前記演算制御部 24は、前記第一センサ 21及び第二センサ 22、並びに表示装置 2 5とそれぞれ接続され、第一センサ 21及び第二センサ 22の各センサ出力を受取り、 検出した第一センサ 21の傾き状態から、骨盤 80の前記基準面 Aに対する傾きを取 得する一方、検出した第二センサ 22の傾き状態から、手術用器具 50の基準面 Aに 対する傾きを取得し、これらから手術用器具 50の骨盤 80に対する傾きを求めると共 に、骨盤 80の寛骨臼部位に対する手術において本来手術用器具 50が骨盤 80に対 してとるべき傾き (既定値）と、手術用器具 50の骨盤 80に対する現実の傾きとのずれ 状態を求め、このずれ状態を表す指示用画像を生成するものである。

[0046] また、演算制御部 24は、第三センサ 22の傾き状態から、大腿骨 90の基準面 Aに 対する傾きを取得すると共に、この大腿骨 90の骨盤 80に対する向きを求め、関節に おける曲げ角度を取得する演算処理も行う。

[0047] 手術中には、演算制御部 24が術者によって操作される手術用器具 50の患者の骨 盤 80に対する向きを取得し、手術用器具 50の骨盤 80に対し本来とるべき傾きから 実際の傾きがどのようにずれているかを示す指示用画像を生成し、術者の作業支援 を fiうこととなる。

[0048] 前記表示装置 25は、手術用空間における術者から視認可能な位置で且つ手術中 の術者及び補助者との接触が起こり得ない箇所に配置されるものであり、表示機能 自体は前記第 1の実施形態同様であり、詳細な説明を省略する。その表示画面では 、骨盤 80の正しい傾き状態からのずれ状態を示す画像部分と共に手術用器具 50の 正し!/、傾き状態からのずれを示す画像部分がそれぞれ表示される。骨盤の正し!/、傾 き状態からのずれ状態を示す画像部分については、前記第 1の実施形態同様であり 、説明を省略する。一方、手術用器具 50の正しい傾き状態からのずれ状態を示す画 像部分では、手術用器具 50の骨盤 80に対し本来とるべき正しい傾き状態を示す基 準点 25aと、実際に計測された手術用器具 50の傾きから算出された、手術用器具 5 0の正しい傾き状態からのずれを示す点 25bがそれぞれ表示される。

[0049] 次に、本実施形態に係る手術支援システムを用いた手術支援状態について説明 する。あらかじめ、人工股関節置換手術を受ける患者が、手術対象部位となる股関 節がある側の体側を上向きとし、且つ頭から手術対象でな!/、側の脚先までを手術台 長手方向と略平行にした側臥位で手術台上面に固定されているものとする。まず初 めに、前記第 1の実施形態同様、患者の骨盤 80脊側における仙骨部位の体表に、 三つのマーカ 20をそれぞれ取り付けると共に、三つのマーカ 20のちようど中央となる 体表位置に第一センサ 21を取付け、この第一センサ 21を演算制御部 24に接続する (ステップ 201)。続いて、手術対象部位とマーカ 20を含む骨盤 80全体に対し複数 方向から X線撮影を行う（ステップ 202)。

[0050] 得られた複数の X線撮像画像から骨盤 80の基準面 Aに対する傾き状態が明確に 判別可能となる力 同時に、各マーカ位置と骨盤との位置関係も明らかとなり、さらに 体表の各マーカ 20位置と第一センサ 21との位置関係から、骨盤 80と第一センサ 21 との位置関係も明ら力、となる。この骨盤 80と第一センサ 21との位置関係を用いて、セ ンサでの傾き検出から骨盤 80の基準面 Aに対する実際の傾きを算出、取得すること ができる仕糸且みである。

[0051] 演算制御部 23は、 X線撮像画像からわかる骨盤 80の基準面 Aに対する傾き状態 を初期情報として入力され (ステップ 203)、ここからの骨盤 80の動きを第一センサ 21 力もの出力により演算制御部 23が傾き変化として取得していく。また、手術の際に骨 盤 80が基準面 Aに対し本来とるべき傾き状態も演算制御部 23に目標値として入力さ れ (ステップ 204)、骨盤の実際の傾きが前記本来とるべき傾きからどれだけずれてい るかを算出できるようにする。

[0052] 一方、寛骨臼側関節部品の取付具である手術用器具 50に対しては、これとの位置 関係が変化しないようにして第二センサ 22を所定箇所に取付け、且つ演算制御部 2 4に接続してセンサ出力を演算制御部 24で処理できるようにしておく（ステップ 205) 。同時に、手術の際に手術用器具 50が骨盤 80に対し本来とるべき傾き状態も演算 制御部 23に目標値として入力される（ステップ 206)。 [0053] 必要に応じて、前記第 1の実施形態同様、手術前の段階で、患者の大腿部体表に 、大腿骨 90との位置関係が変化しないようにして第三センサ 23を取付け、演算制御 部 24と接続して、第一センサ 21の出力と第三センサ 23の出力から演算制御部 24で 患者の骨盤 80に対する大腿骨 90の傾き角度が求められるようにしても力、まわない。

[0054] 続いて、手術中においては、演算制御部 24が、体表に取り付けられた第一センサ 21からの出力を処理して、その時点における骨盤 80の基準面 Aに対する傾きを取 得する（ステップ 207)。同様に、演算制御部 24は、手術用器具 50側の第二センサ 2 2からの出力を処理して、手術用器具 50の基準面に対する傾きを取得する（ステップ 208)。そして、演算制御部 24は、あらかじめ入力された手術計画に基づく手術用器 具 50の骨盤 80に対し本来とるべき正しい傾き状態に対し、第二センサ 22の実測さ れた傾きから得られた手術用器具 50の実際の向きがどれだけずれているかを導き（ ステップ 209)、そのずれ状態を示す画像を作成して表示装置 25に出力する (ステツ プ 210)。表示装置 25はこのずれ状態を示す画像を表示する（ステップ 211)。この 表示装置 25に表示される画面には、手術用器具 50の正しい向きを基準として示す 基準点 25aと、実際のずれの方向及び大きさを表す点 25bが表示される。これにより 、患者の動きに伴い手術中に刻々と変化する骨盤 80と、術者の操作により手術中に 刻々と変化する手術用器具 50との位置関係を適切に把握できる。この演算制御部 2 4によるずれ状態の導出と表示装置 25による表示は、手術終了まで繰返される。

[0055] この他、前記第 1の実施形態同様、演算制御部 24は、あらかじめ入力された手術 計画の情報に基づく患者の骨盤 80の本来とるべき正しい傾き状態に対し、第一セン サ 21の実測された傾きから得られた骨盤 80の実際の向きがどれだけずれているかを 導き、そのずれ状態を示す画像 (骨盤 80の正しい向きを基準として示す基準点と、 実際のずれの方向及び大きさを表す点とを含む）を作成して表示装置 25の一部又 は別の表示手段に表示させることもでき、手術中に刻々と変化する骨盤 80の状態に ついても適切に把握可能となる。

[0056] 手術のうち寛骨臼代替部品の取付段階で、術者は手術用器具 50による関節部品 の取付けのため、骨盤 80における手術対象の寛骨臼部位近くまで手術用器具 50を 移動させる。この時、表示装置 25の画面には、取得された骨盤 80及び手術用器具 5 0の基準面 Aに対するそれぞれの傾きから相互の関係を導く処理に基づいて、骨盤 8 0に対する正しい向きからの手術用器具 50のその時点におけるずれ状態が基準点 2 5aから離れた点 25bとして表示されている（図 7参照）。手術用のカバー等により患者 の腰部全体を直接見ることができず、骨盤の向きを確認しにくい手術中の状況にお いて、術者は、骨盤 80の傾きが本来とるべき正しい傾き状態となっている場合に行う 通常の手順で手術用器具 50を操作する一方、表示装置 25の画面を時々参照する ことで、手術用器具 50が手術対象部位に正しく相対して!/、るかを確認することができ 、ずれを表す点 25bが基準点 25aに一致するよう、すなわち、実際の手術用器具 50 の向きが本来とるべき正しい傾き状態となるよう、手術用器具 50を修正操作する。

[0057] 術者は、表示装置 25の画面を参照し、画面上のずれを表す点 25bを基準点 25a に一致させつつ、手術用器具 50先端を目標の位置 ·方向に合わせたら、手術用器 具 50の打撃部分を操作して寛骨臼の代替となる関節部品を骨盤 80に打込み配設 する。手術中、不意に骨盤位置が動いた場合でも、これに追随して表示画面上の各 指示用表示も変化するため、術者は適切に手術用器具 50の位置修正を行いつつそ のまま続けて手術を行うことができ、手術用器具 50の手術対象部位に対するずれを 防ぐこと力 Sできる。

[0058] 前記第 1の実施形態同様、手術中の人工関節構築後や手術終了後、必要に応じ て、患者の大腿部体表に、大腿骨 90との位置関係が変化しないようにして第三セン サ 23を取付け、そのセンサ出力を演算制御部 24で処理して大腿骨 90の骨盤 80に 対する傾き角度を表示装置 25に表示させたりしても力、まわない。

[0059] このように、本実施形態に係る手術支援システムにおいては、手術用器具 50に第 二センサ 22を取付け、そのセンサ出力から手術用器具 50の基準面に対する傾きを 取得し、骨盤 80側に取付けた第一センサ 21の出力から導いた骨盤 80の基準面 Aに 対する傾きと共に演算制御部 24でデータを解析して、手術用器具 50の骨盤 80に対 し本来とるべき傾きに対する実際の手術用器具 50の傾きのずれ状態を表示できるこ とから、表示を見ながら術者がずれを少なくするように手術用器具 50を操作すれば、 手術用器具 50を手術対象部位へ正確に到達させられ、手術用器具 50の適切な誘 導による手術の正確化が簡略な仕組みで実現し、手術ナビゲーシヨンのためのシス テムをより低コストで構築できる。

なお、前記第 1及び第 2の各実施形態に係る手術支援システムにおいて、表示装 置 14、 25の表示画面上で基準点 14a、 25a及びずれを示す点 14b、 25bの二点を 表示し、基準点 14a、 25aにずれを示す点 14b、 25bを合わせるようにして骨盤 80の 傾きや手術用器具 50の向きを修正させる構成としている力 これに限らず、例えば図 8に示すような表示画面を採用し、数値やグラフ等、他の表現形式を用いた誘導で骨 盤の傾きや手術用器具の向きを正規の状態へ修正可能にする構成とすることもでき る。前記図 8に示す手術支援システムの表示画面において、表示画面左上部分は、 骨盤側の第一センサが屈曲又は伸展、内旋又は外旋、及び、内転又は外転の各方 向に回転した角度をそれぞれ指針型の表示部及び数値で表示する領域であり、術 者はこれらの角度表示を参照することで、瞬時に骨盤の角度変化を認識して、矯正 することが可能である。また、表示画面中央左寄りに表示される三つのグラフは、骨 盤に取り付けた第一センサと、手術用器具に取り付けた第二センサ力 得られる前記 三方向における各角度差を図示したものであり、術者は骨盤を基準とした角度を容 易に把握し、手術用器具を調整することができる。さらに、表示画面右側は、前記三 方向における各角度差の時間変化をそれぞれ示すチャートである。この他、骨盤側 の第一センサと大腿側の第三センサから得られる骨盤と大腿骨の角度の時間的変化 を計測し、股関節可動域を記録、表示するようにしてもよい。

Claims

請求の範囲

[1] 位置固定状態とされた手術台 ½0)に所定の手術用姿勢で固定される患者における 手術対象となる骨（80)の近傍で且つ当該骨（80)との相対位置関係が変化しなレヽ 体表部分に取付けられ、互レ、の位置関係が固定されてなる複数の X線不透過性マ 一力（10、 20)と、

当該各マーカ（10、 20)に対し位置関係固定状態とされて前記患者の所定体表部 分に取付けられ、あらかじめ X線撮影により前記骨（80)と各マーカ（10、 20)との位 置関係が取得されるのに伴って骨（80)との位置関係を取得され、前記手術台（60) と共に固定状態にある仮想の基準面 (A)に対する傾き状態を少なくとも検出するセ ンサ（11、 21)と、

当該センサ（11、 21)のセンサ出力を受取り、検出したセンサ（11、 21)の傾き状態 及び骨（80)との位置関係から、前記骨（80)の前記基準面 (A)に対する傾きを取得 すると共に、骨（80)の手術対象部位に対する手術にお!/、て本来骨（80)が前記基 準面 (A)に対してとるべき傾きと骨（80)の前記基準面 (A)に対する現実の傾きとの ずれ状態を求め、当該ずれ状態を表す指示用画像を生成する演算制御部（13、 24 )と、

前記指示用画像を表示する表示装置（14、 25)とを備えることを

特徴とする手術支援システム。

[2] 前記請求項 1に記載の手術支援システムにお!/、て、

術者による操作で前記手術対象部位に対し近接させて使用される手術用器具（50 )の所定箇所に一体に固定され、前記基準面 (A)に対する傾き状態を少なくとも検出 する第二のセンサ（22)を備え、

前記演算制御部（24)が、前記第二のセンサ（22)のセンサ出力を受取り、検出し たセンサ（22)の傾き状態から、前記手術用器具（50)の前記基準面 (A)に対する傾 きを取得すると共に、前記手術対象部位に対する手術において手術用器具（50)が 本来前記骨（80)に対してとるべき傾きと手術用器具（50)の骨（80)に対する現実の 傾きとのずれ状態を求め、当該ずれ状態を表す第二の指示用画像を生成し、 前記表示装置（25)又は別の表示手段が、前記第二の指示用画像を表示すること を

特徴とする手術支援システム。

[3] 前記請求項 1又は 2に記載の手術支援システムにおいて、

前記骨 (80)と関節を隔てて隣合う他の骨 (90)に対し位置関係固定とされて当該 他の骨（90)近傍の体表に取付けられ、前記基準面 (A)に対する傾き状態を少なくと も検出する第三のセンサ（12、 23)を備え、

前記演算制御部（13、 24)が、前記第三のセンサ（12、 23)のセンサ出力を受取り 、検出したセンサ（12、 23)の傾き状態から、前記他の骨（90)の前記基準面 (A)に 対する傾きを取得し、前記骨（80)に対する他の骨（90)の傾きを求めると共に、他の 骨（90)の前記骨（80)に対する所定傾き方向における限界傾き角度に達した際の 角度値を傾き方向と共に入力されて前記傾き方向における限界傾き角度を記録し、 全ての傾き得る傾き方向の限界傾き角度を蓄積して関節の可動範囲を導き、当該可 動範囲を表す画像を生成し、

前記表示装置（14、 25)又は別の表示手段が、前記可動範囲の画像を表示するこ とを

特徴とする手術支援システム。

[4] 前記請求項 3に記載の手術支援システムにお!/、て、

前記他の骨（90)の前記骨（80)に対する傾きが限界傾き角度に達したことを所定 の操作者が前記演算制御部（13、 24)に指示入力する入力手段を備え、

前記演算制御部（13、 24)が、関節手術中の前記骨（80)及び他の骨（90)への人 ェ関節部品装着並びに関節部品同士の係合後に、術者又は補助者による患者の他 の骨（90)を備える身体部位の関節位置を基準とする曲げ行為による、他の骨（90) の前記骨（80)に対する所定傾き方向における傾きが、人工関節の仕様に基づく限 界角度まで至らずに傾きの限界に達した場合、限界到達を識別した操作者の前記 入力手段による指示入力に基づいて、前記限界の角度を所定傾き方向における限 界傾き角度として記録する一方、前記傾きが人工関節の仕様に基づく限界角度まで スムーズに傾く傾き方向については、人工関節の限界角度値をそのまま限界傾き角 度とし、各傾き方向の限界傾き角度を蓄積して他の骨（90)と前記骨（80)との関節に おける可動範囲を導き、当該可動範囲を表す画像を生成して出力し、 前記表示装置（14、 25)又は別の表示手段が、前記可動範囲の画像を表示するこ とを

特徴とする手術支援システム。

[5] 前記請求項 3又は 4に記載の手術支援システムにおいて、

前記演算制御部（13、 24)が、手術後における所定の介助者による患者の前記他 の骨（90)を備える身体部位の関節位置を基準とする曲げ行為又は当該部位の患者 本人の意思による運動動作による、他の骨（90)の前記骨（80)に対する所定傾き方 向における傾きが、置換え済の人工関節における既知の可動範囲データから少なく とも導かれた前記傾き方向における限界傾き角度に達すると、所定の報知用信号を 出力し、

当該報知用信号を受取って前記介助者及び/又は患者に対する報知を実行する 報知手段を備えることを

特徴とする手術支援システム。

[6] 前記請求項 1なレ、し 5の!/、ずれかに記載の手術支援システムにお!/、て、

前記骨（80)が骨盤であり、

前記マーカ（10、 20)が、骨盤の仙骨（81 )背面側の体表部分に所定の三角形の 各頂点をなす配置でそれぞれ取付けられた状態とされ、

前記センサ（1 1、 21 )力 S、骨盤の仙骨（81 )背面側における前記マーカ（10、 20)を 頂点とする三角形の範囲内となる体表に配置されることを

特徴とする手術支援システム。