JP2009195490A - 人工股関節置換手術の術前計画用プログラム及び手術支援用治具 - Google Patents

Abstract

【課題】患者の個人差を適正に反映して、骨盤臼蓋のリーミング動作と大腿骨骨頭の切断及び切断面からのリーミング動作を正確に決定する。
【解決手段】臼蓋を含む骨盤の２次元断層画像を複数入力して少なくとも臼蓋を含む骨盤の３次元画像を再構築する画像再構築ステップ(S101)と、画像再構築ステップで得た骨盤の臼蓋の３次元画像から、置換する人工関節と設置位置とを決定する人工関節決定ステップ(S102〜S104)と、人工関節決定ステップで決定した人工関節及びその設置位置と３次元画像中の臼蓋の参照点とに基づき、骨盤臼蓋に人工関節を埋設するためのリーミング動作で使用する各種パラメータを決定するパラメータ決定ステップ(S105,S106)とをコンピュータに実行させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、パーソナルコンピュータ等のデータ処理装置を用いた人工股関節置換手術の術前計画用プログラム及び手術支援用治具に関する。

人間の下肢の一部を構成する膝関節及び股関節は、日常生活で歩行をはじめとして特に重要な関節である。その必要性の大きさから、外傷を受け易く、また加齢に伴って関節部の軟骨が変性破壊され、関節症に至ることが最も多い部位でもある。

この関節症に対する外科的治療として、破壊された軟骨を取り去り、そこに金属を嵌め込み、当該金属と、ポリエチレンなどのプラスチックとの接触で関節機能を再建する人工関節置換術（Ｔｏｔａｌ Ａｒｔｈｒｏ−Ｐｌａｓｔｙ）が、最も安定した機能の改善を図ることができる方法として現在世界中で行なわれている。

この際、人工膝関節においては大腿骨コンポーネントと脛骨コンポーネント、人工股関節においては大腿骨ステムと臼蓋カップの各設置位置、すなわちそれぞれの骨の摘出（骨切り）の正確さがその後の人工関節の耐久性に大きく影響する。

従来、この人工関節の設置については、手術前に正面と側面から撮影したＸ線写真に対し、透明なシートに印刷された人工関節の輪郭を合わせて上記コンポーネントやステム、カップの位置や大きさを決定していた。しかしながら、このような方法では骨形状の把握がＸ線写真の撮影方向や撮影時の患者の位置に影響され、正確さに欠けていた。

これを解決するため、あらかじめキャリブレーションフレームでフィルムと照射点との間の位置決定を行なった特殊撮影台で、起立位の２方向の正面と６０°斜角のＸ線撮影を行ない、この撮影画像に対してＸ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置から作成した骨形状の３次元モデルをそれぞれの骨陰影に位置合わせを行ない（イメージマッチング）、設置位置の基準となる起立位の骨形状の３次元的な把握を行なうコンピュータソフトウェアによる方法が考えられている。このコンピュータソフトウェアによる方法では、人工関節のＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データによる３次元形状モデルを複数読出すことで、骨形状と荷重環境に適合した、人工関節の大きさと位置を決定することができる。（例えば、特許文献１）
特開２００４−００８７０７号公報

しかしながら上記特許文献１に記載された技術は、人工膝関節置換術における脛骨側の骨切り面を手術者が容易に知ることができるようになされたものに過ぎず、骨形状や機能軸の異なる大腿骨側、あるいは他の関節、例えば同様に下肢で重要な股関節にそのまま適用できるものではない。

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、人工股関節置換手術に関し、術前に患者の個人差を適正に反映して、骨盤臼蓋のリーミング動作と大腿骨骨頭の切断及び切断面からのリーミング動作を正確に決定することができ、術中は術前に決定した内容を正確に再現した手術操作の管理が実施できる人工股関節置換手術の術前計画用プログラム及び手術支援用治具を提供することにある。

請求項１記載の発明は、臼蓋を含む骨盤の２次元断層画像を複数入力する画像入力ステップと、上記画像入力ステップで入力した複数の画像から少なくとも臼蓋を含む骨盤の３次元画像を再構築する画像再構築ステップと、上記画像再構築ステップで得た骨盤の臼蓋の３次元画像から、置換する人工関節と設置位置とを決定する人工関節決定ステップと、上記人工関節決定ステップで決定した人工関節及びその設置位置と、上記３次元画像中の臼蓋の参照点とに基づき、骨盤臼蓋に人工関節を埋設するためのリーミング動作で使用する各種パラメータを決定するパラメータ決定ステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、上記パラメータ決定ステップは、臼蓋縁上の３点の位置座標と上記設置位置における人工関節の法線ベクトルとに基づいて、臼蓋縁の３点で形成される円盤からの臼蓋底面まで距離を含む各種パラメータを決定することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、上記請求項２記載の発明において、上記臼蓋縁上の３点は、両前上腸骨棘と恥骨結合中心の３点を含む平面（ＸＺ平面）で恥骨結合中心を原点として設定する骨盤座標系の大腿骨骨頭中心を含むＸＹ平面に位置する臼蓋縁上の２点と、同じく臼蓋縁上で骨盤座標系のＺ軸方向での最近位点の１点とすることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、股関節を含む大腿骨の２次元断層画像を複数入力する画像入力ステップと、上記画像入力ステップで入力した複数の画像から少なくとも股関節の骨頭を含む大腿骨の３次元画像を再構築する画像再構築ステップと、上記画像再構築ステップで得た大腿骨の骨頭を含む３次元画像から、置換する人工関節と設置位置とを決定する人工関節決定ステップと、上記人工関節決定ステップで決定した人工関節及びその設置位置と、上記３次元画像中の骨頭の参照点とに基づき、大腿骨骨頭頸部を切断後に人工関節を埋設するための骨髄リーミング動作で使用する各種パラメータを決定するパラメータ決定ステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする。

請求項５記載の記載の発明は、上記請求項４記載の発明において、上記パラメータ決定ステップは、大腿骨骨頭頸部の切断面に対する大腿骨骨髄軸の距離及び方向を示す各種パラメータを決定することを特徴とする。

請求項６記載の発明は、骨盤臼蓋のリーミング軸方向を示す中空軸部と、上記中空軸部を貫通支持する玉軸受け部を回動自在、且つ径方向にスライド自在に支持し、ネジ部の締結により上記玉軸受け部の回動位置及びスライド位置を固定可能な円盤状ホルダ部と、上記円盤状ホルダ部を装着するホルダ装着面、このホルダ装着面を挟んで所定距離の位置に紙面を装着する第１及び第２の紙面装着部を備えた、上記円盤状ホルダの方向決定のためのフレーム体とを具備したことを特徴とする。

請求項７記載の発明は、上記請求項６記載の発明において、上記円盤状ホルダ部は、円周に沿って移動する移動位置、及び円周から径方向に沿って外方に突出する突出量を共に調節可能な３つの指示部材を備えることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、上記大腿骨本体の骨頭頸部近傍に装着する、平板状部を有する第１の装着部と、上記第１の装着部に着脱自在に設けられ、第１の装着部の平板状部と間隔を空けて大腿骨骨頭に装着する平板状部を有する第２の装着部と、上記第１及び第２の装着部の各平板状部の間隙から骨頭頸部を切断した切断面に対するリーミング軸方向を示す、第１及び第２の装着部に着脱自在とした中空軸部と、上記第２の装着部に取付けられ、上記中空軸部を貫通支持する玉軸受け部を回動自在、且つ径方向にスライド自在に支持し、ネジ部の締結により上記玉軸受け部の回動位置及びスライド位置を固定可能な円盤状ホルダ部と、上記切断された大腿骨骨頭の術前計画時の形状に対応した保持部、この保持部に上記円盤状ホルダ部及び上記第２の装着部を装着した大腿骨骨頭を保持し、保持する大腿骨骨頭の切断面の位置及び方向により上記円盤状ホルダ部の玉軸受け部の回動位置及びスライド位置を補正する補正機構を備えたフレーム体とを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、術前に患者の個人差を適正に反映して、骨盤臼蓋のリーミング動作と大腿骨骨頭の切断及び切断面からのリーミング動作を正確に決定することができ、術中は術前に決定した内容を正確に再現した執刀が実施できる。

以下本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
（１．術前計画）
図１は、人工股関節置換術の術前計画用プログラムをインストールしたパーソナルコンピュータ（以下「ＰＣ」）１０のハードウェア構成を示す。各種処理制御を司るＣＰＵ１１とフロントサイドバスＦＳＢを介してノースブリッジ１２が接続される。

このノースブリッジ１２は、さらにメモリバスＭＢを介してメインメモリ１３と、またグラフィクスインタフェースＡＧＰを介してグラフィックコントローラ１４及びグラフィックメモリ１５と接続される他、サウスブリッジ１６とも接続され、主としてこれらの間での入出力制御を実行する。

サウスブリッジ１６は、ＰＣＩバス１７、キーボード／マウス１８、ビデオエンコーダ１９、ハードディスク装置（ＨＤＤ）２０、ネットワークインタフェース（Ｉ／Ｆ）２１、及びマルチディスクドライブ２２と接続され、主としてこれら周辺回路とノースブリッジ１２との間の入出力制御を行なう。

上記ハードディスク装置２０内に、ＯＳ（オペレーティングシステム）と各種のアプリケーションプログラム、各種のデータファイル等に加えて、人工股関節置換手術の術前計画用プログラムとそれに付随する人工関節や各種治具の形状データ等が予めインストールされているものとする。

なお、上記ビデオエンコーダ１９は、与えられたデジタル値の画像信号からアナログ値の画像信号であるＲＧＢビデオ信号を生成して出力し、ここでは図示しないカラーＴＦＴ（薄膜トランジスタ）液晶表示パネルで構成されるディスプレイ部を表示駆動する。

また、上記マルチディスクドライブ２２は、例えばＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）規格、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）規格に則った光ディスク媒体の再生と記録が可能であり、患者のＸ線写真、Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置の断層写真等を記録した光ディスク媒体を再生して読出すことで、患者の下肢の３次元形状データを入力してハードディスク装置２０に記録することができるものとする。

なお、これらＰＣ１０を構成する個々の要素は、きわめて一般的な周知の技術であるのでその説明は省略するものとする。

次に上記術前計画の動作について説明する。
図２は、このＰＣ１０のユーザである医師が、ハードディスク装置２０に記憶されている術前計画用プログラムを起動して、主としてＣＰＵ１１が実行する本発明の処理内容を示すものである。

この術前計画用プログラムを実行するにあたっては、Ｘ線ＣＴ装置あるいはＭＲＩ装置で撮像した２次元断層画像データスライスから作成した患者下肢の３次元骨形状データが読込まれ、ハードディスク装置２０に格納されているものとする。

また、人工関節と術中に使用する各種治具の３次元形状データを別途用意し、併せてハードディスク装置２０に格納しておく。

しかして、図２の術前計画用プログラムを起動すると、ビデオエンコーダ１９に接続したディスプレイ部の画面上でＧＵＩ（グラフィカル・ユーザ・インタフェース）が表示され、このＧＵＩ上で表示されている所望の下肢の立位あるいは臥位における３次元形状データを選択する。

これは、一般のＰＣプログラムで利用されているところの、下肢の３次元形状データを格納したフォルダを指定することで行なう。また、骨盤の３次元形状データと大腿骨の３次元形状データは、加重状態での立位及び抜重状態での臥位における３次元的な位置関係（３次元アラインメント）が予め正しく配置されているものとする。

（１−１．骨盤臼蓋側）
次いで、上記選択した下肢の骨盤の３次元形状データをハードディスク装置２０のフォルダから読出してメインメモリ１３で展開し、その３次元形状データを適当な視点から見た画像をディスプレイ画面上に表示する（ステップＳ１０１）。この表示においては、透視投影した３次元画像あるいは、３次元形状データを座標軸に平行な平面における断面で２次元表示することも可能であるものとする。

この３次元画像に対し、臼蓋縁上の３点Ａ，Ｂ，Ｃを参照点として指定する（ステップＳ１０２）。
図３は上記参照点３点の指定結果を例示するもので、参照点として例えば、骨盤座標系（両前上腸骨棘と恥骨結合中心の３点を含む平面（ＸＺ平面）で恥骨結合中心を原点とし決定される）で大腿骨骨頭中心を含む骨盤座標ＸＹ平面に位置する臼蓋縁上の２点（Ｂ，Ｃ）と、同じく臼蓋縁上で骨盤座標系のＺ軸方向の最近位点の１点Ａの計３点（Ａ，Ｂ，Ｃ）をデジタイズする。

３縁点は任意の点位置でもよいが、上記のような位置に特定することで、術中に参照し易く、且つ後述する治具の座標系として利用し易くなる。

上記臼蓋縁上の３点（Ａ，Ｂ，Ｃ）を通る円周を臼蓋円と仮定し、その臼蓋円の中心Ｏと、該中心位置Ｏを原点とした放線ベクトルを作成する（ステップＳ１０３）。

図４は、３点（Ａ，Ｂ，Ｃ）を通る臼蓋円の中心Ｏとその中心Ｏを通る臼蓋底側への放線とを例示する図である。上記３点を通過する臼蓋円とその径方向の寸法が算出できる。
この場合、当該ソフトウェアでは、上記臼蓋円平面をＹＺ平面、臼蓋円法線ベクトルをＸ軸として、法線ベクトルの平面通過点が中心でＺ軸方向は骨盤座標系と同様としてジグ座標を定義し、このジグ座標の横断面、矢状面を表示させる。その両断面からカップ法線ベクトル通過位置を臼蓋平面や上下に任意の平面上で決定しその位置を算出する。

こうして得た臼蓋円の径方向の寸法を参照することで、臼蓋縁のサイズから骨盤臼蓋用の人工関節である臼蓋カップ（以下「カップ」と称する）の３次元形状データを選択し、ハードディスク装置２０から当該データを読出してディスプレイ画面に表示する（ステップＳ１０４）。

このカップを臼蓋に最適配置することにより、カップの放線ベクトル、すなわちリーミングの方向を算出する（ステップＳ１０５）。

上記算出したカップ放線ベクトル上のスライスビューで、臼蓋円中心Ｏからカップ底面と臼蓋底面までの距離を算出する（ステップＳ１０６）。

また、このジグ座標においてX軸方向の任意の２ＸＹ平面（先に提示した円盤状ホルダの方向決定のための人工股関節置換手術用調整治具の設計からプラス１００［ｍｍ］とマイナス５０［ｍｍ］の平面でのカップ法線ベクトルの通過点を検出し位置を算出、もしくはその面の印刷を行なう。

この治具の座標系で臼蓋円中心から点Ａ，Ｂ，Ｃの位置までの距離を算出して印刷出力する。

次に、設定したカップの放線ベクトルを表示するもので、この段階で骨形状モデルの治具座標系での断面を併せて表示する。

そのためには、図６に示すように、カップの原点をＣＯ，カップ底点をＣＢとして臼蓋及びカップの座標系の構築が必要であるが、すでにこのカップ座標系と骨盤座標系によって表示された臼蓋位置との位置関係は、３次元の設置位置術前計画で、この術中支援操作管理においてはこの関係は既知である。そのため、単にカップ法線ベクトルを表示させる（ステップＳ１０７）。

図７は、この座標変換によって得られる各項目の臼蓋座標系を臼蓋部での画像と共に示すもので、図７（Ａ）がその画像、図７（Ｂ）が各項目の臼蓋座標系座標値を例示している。同図（Ｂ）に示す如く、臼蓋原点（０，０，０）に対して、臼蓋縁上の各点Ａ〜Ｃの座標を示している。同図（Ａ）中の各ベクトルは、

上記のように臼蓋座標系を求めると、次いで上記臼蓋座標系でのカップ放線ベクトル式を求める。図８（Ａ）に示すようにカップ底点ＣＢからカップ原点ＣＯを通る放線ベクトルを考える。

図８（Ｂ）に示すようにカップ原点及びカップ底点の座標系を算出することで、放線ベクトル式のＸ，ＹをＺの一次方程式で表すと、
Ｘ＝ａＺ＋ｂ，Ｙ＝ａ′Ｚ＋ｂ′ …(2)
となり、係数ａ，ｂ，ａ′，ｂ′は図８（Ｃ）に示すような値となる。

臼蓋円に沿った平面で、上記３縁点（Ａ，Ｂ，Ｃ）の円周中心Ｏを中心とした原寸大の用紙を印刷出力する。この際、ジグ座標系を骨盤座標系のＺ軸を同じとして定義してあるため、常に点Ａは円中心の真上の点に位置する。

また、上記臼蓋円に沿った平面と平行する上方１００［ｍｍ］と下方５０［ｍｍ］で、上記３縁点（Ａ，Ｂ，Ｃ）の円周中心Ｏに対応する位置を中心とし、且つカップ法線ベクトルの通過点位置をそれぞれ記した原寸大の用紙を印刷出力する。

以上で骨盤臼蓋側の術前処理を終了し、得た変換結果等をハードディスク装置２０に保存設定する（ステップＳ１０８）。

（１−２．大腿骨骨頭側）
次に大腿骨骨頭側の術前処理に移行する。
大腿骨骨頭側では、以下にステムと称する大腿骨骨頭側の人工関節（図１５（Ｂ））を設置するために、ステムの長軸方向をＺ軸として大腿骨の骨髄方向にリーミングする。このステム座標系はその術前設置位置計画において、大腿事座標系に対するステム位置の相対評価をするため、リーミングの方向を示すＺ軸とステム骨頭中心の位置で決定されている。

具体的には、骨髄リーミングする大腿骨近位の点でステム座標のＺ軸方向上に、後述するステム設置治具の取付位置を決定する（ステップＳ１０９）。
ここでは治具座標としてステム長軸方向と一致するステム座標をＺ軸、骨頭中心の高さ位置の上記Ｚ軸と直交するＸＹ平面を表示させる。このステムＺ軸の通過点を治具座標系の原点とし、ここを中心としてここからＹＺ方向に４０［ｍｍ］位置、ＸＹ方向（骨頭中心の方向）に８０［ｍｍ］の、一辺８０［ｍｍ］の立方体形状を設定する。

骨頭中心面において、骨形状の断面（ＸＹ面）から、原点Ｘ方向の骨頭辺縁の位置（最近点）と、この位置から１０［ｍｍ］近位の骨頭辺縁骨輪郭の位置を、設定した立法体の側面、上下面からの距離として算出することで特定する。

さらに、断面から、原点Ｙ軸方向の１０［ｍｍ］近位の骨頭辺縁位置を特定し、上記立方体側面からの距離を算出する。最近位点と違った壁面からの２点の長さの特定を必要とする。

しかし、術前の変形した骨頭において特定が困難な場合も想定し、１０［ｍｍ］と２０［ｍｍ］の断面から算出点を選定できるようにしたもので、これに対応して後述するフレーム体治具７０の該当位置に長さ調整用のネジ穴を配置している。

同様のステム座標による横断面と矢状面表示を、最近点から３０［ｍｍ］位置と４０［ｍｍ］位置で表示する。この表示において、大腿骨頸部の表面形状から原点レベルの１０［ｍｍ］または２０［ｍｍ］下方部で、明確に視認できる同一面上にない最低３点の位置を参照点として算出する。（ステップＳ１１０）。

こうして求めたステムの取付位置及び参照点により、骨髄リーミングの骨髄Ｚ軸に対する方向を決定し（ステップＳ１１１）、決定した結果を上記参照点と共に上記骨盤臼蓋側のデータと対応付けてハードディスク装置２０に保存設定し（ステップＳ１１２）、以上で上記図２の術前計画処理を終了し、当該患者の人工股関節置換手術に備える。

（２．手術用治具）
次に人工股関節置換手術の術中に用いる各種治具について説明する。
（２−１．骨盤臼蓋側）
まず、図９乃至図１３により骨盤臼蓋側で人工関節であるカップ装着のためにリーミング方向及び深さを決定するための治具とその使用過程について説明する。
図９は、臼蓋円面を中心として、その上方に所定距離、例えば１００［ｍｍ］離れた平行な平面、及び下方に所定距離、例えば５０［ｍｍ］離れた平行な平面を再現するフレーム体治具３０の外観構成を示す斜視図である。

同図に示すようにこのフレーム体治具３０は、１２本の角柱フレームによる直方体に対し、１枚の平板３１を上底面３２及び下底面３３と平行に固定配置したものである。平板３１の上面から上記上底面３２、下底面３３までの各距離は上述した通りである。平板３１の中央には例えば直径３０［ｍｍ］の円孔３４を形成する。

図１０は、上記フレーム体治具３０と組み合わせて用いる、円盤状ホルダ４０と中空軸５０の構成を示す。同図（Ａ）は円盤状ホルダ４０と中空軸５０の側面構成を示し、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＸ−Ｘ線方向より見た、主として円盤状ホルダ４０の平面構成を示す。

円盤状ホルダ４０は、一対の円形盤４１，４２の中央に形成した長円孔部に玉軸受け４３を挟持してネジ部４４，４４で螺合し、その一対の円形盤４１，４２の間隔を可変することで、長円孔部に遊嵌される玉軸受け４３の位置及び角度を任意に可変し、必要により固定化することができる。

玉軸受け４３と一体形成される外筒部４５端に形成されたローレットノブ４６の締め付けにより、この玉軸受け４３に対して摺動自在に遊嵌された中空軸５０の位置が固定される。

中空軸５０は、図示する如く端部にＴ字状ハンドル５１を備え、スライダ５２を備えた中心軸５３を同軸的に遊嵌するものであり、中心軸５３に対するスライダ５２の位置を調節することにより、円盤状ホルダ４０側より突出する中心軸５３の量を任意に調整できる。

この中心軸５３の臼蓋底側の先端には接触センサが内蔵されており、臼蓋底への接触の有無が外部で検知可能となっている。

また、上記円盤状ホルダ４０の外周部には、それぞれ円周方向に沿って移動可能なポインタ４７Ａ〜４７Ｃが設けられる。これらポインタ４７Ａ〜４７Ｃは、それぞれ円盤状ホルダ４０の中心角度で略１２０［°］未満の角度範囲内で移動可能であり、一体にして取付けられるネジ部４８Ａ〜４８Ｃの締付けにより移動位置を固定できる。

さらに、上記ポインタ４７Ａ〜４７Ｃの各外周側に突出した先端は、ポインタ４７Ａ〜４７Ｃの本体に対して螺合された先鋭なポイントネジ部４９Ａ〜４９Ｃであり、その回動により突出量を一定範囲、例えば最大１２［ｍｍ］程度までの範囲内で調節可能となる。

加えて、これらポイントネジ部４９Ａ〜４９Ｃは、選択に接触センサが内蔵され、実際の臼蓋縁点当接時に臼蓋縁への接触の有無が外部で検知可能となっている。

しかるに、中空軸５０を装着した円盤状ホルダ４０を、上記フレーム体治具３０の平板３１に形成した円孔３４に嵌合させることで、患者の骨盤臼蓋に対するカップのリーミング軸方向を指示することができる。

（２−１−１．術前の調整）
図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）は、上記術前計画で印刷出力した、フレーム体治具３０の上底面３２、平板３１、及び下底面３３に貼付するガイドペーパーＧＰ１１〜ＧＰ１３を例示するものである。
図１１（Ｂ）は、平板３１に貼付する臼蓋円面を模したガイドペーパーＧＰ１２であり、上記円孔３４と一致するべく円孔が形成され、上記図３〜図５、図７で示した臼蓋縁上の３点Ａ〜Ｃが術前に得られたデータに基づいて×印により正確にポイントされている。

また、図１１（Ａ）は、臼蓋円面の上側に１００［ｍｍ］離れた上記上底面３２に貼付するガイドペーパーＧＰ１１であり、当該空間位置におけるカップ放線ベクトルの通過位置ＵＰが、上記ハードディスク装置２０に記憶される、術前に得られたデータに基づいてポイントされている。

同様に、図１１（Ｃ）は、臼蓋円の下側に５０［ｍｍ］離れた上記下底面３３に貼付するガイドペーパーＧＰ１３であり、当該空間位置におけるカップ放線ベクトルを延長した通過位置ＤＰが、上記ハードディスク装置２０に記憶される、術前に得られたデータに基づいてポイントされている。

上記ガイドペーパーＧＰ１１，ＧＰ１３の通過位置ＬＰ及びＤＰを中心として中空軸５０の太さに対応した円孔を形成した上で、ガイドペーパーＧＰ１１〜ＧＰ１３をフレーム体治具３０の上底面３２、平板３１、及び下底面３３に貼付する。

上記円盤状ホルダ４０のネジ部４４，４４を緩め、円形盤４１，４２に対する玉軸受け４３の位置及び方向を任意に調整可能とした状態で、円盤状ホルダ４０を上記ガイドペーパーＧＰ１２を貼付した平板３１の円孔３４位置に設置し、さらに中空軸５０が上記上底面３２に貼付したガイドペーパーＧＰ１１の通過位置ＬＰの開口及び上記下底面３３に貼付したガイドペーパーＧＰ１３の通過位置ＤＰの開口を通過するように位置させる。

図１２（Ａ）は、上述したようにフレーム体治具３０の対応する位置にガイドペーパーＧＰ１１〜ＧＰ１３を貼付し、中空軸５０を装着した円盤状ホルダ４０を位置させている様子を示すもので、この状態で円盤状ホルダ４０のネジ部４４，４４を締め付けることにより、人工関節であるカップの放線ベクトル方向に沿った中空軸５０の設定を再現できることになる。

こうして中空軸５０をカップの放線ベクトル方向に合わせた後、図１２（Ｂ）で示す如くローレットノブ４６及びスライダ５２を緩めて中空軸５０とその内部の中心軸５３を図中にＸIIで示す該法線ベクトル方向に沿って任意に移動させ、上記平板３１及び上記ガイドペーパーＧＰ１２から下方に突出した中空軸５０と中心軸５３の量を調節することにより、術前に算出しておいたカップの原点ＣＯから臼蓋底部までの距離を再現できる。

この状態でローレットノブ４６とスライダ５２を締め付けることにより、臼蓋円面からカップ放線ベクトルに沿って臼蓋底部まで突出する中空軸５０とその内部の中心軸５３のり突出量を固定できる。

（２−１−２．術中での使用法）
術中では、このように円盤状ホルダ４０及び中空軸５０で臼蓋円に対するカップ放線ベクトルの方向と臼蓋底部までの突出量とを再現したこの円盤状ホルダ４０及び中空軸５０を消毒し、術中に展開された患者の骨盤臼蓋に対して、臼蓋縁上に円盤状ホルダ４０のポインタ４７Ａ〜４７Ｃ先端のポイントネジ部４９Ａ〜４９Ｃが当接するように設置する。

図１３（Ａ）はこのときの位置決めの状態を例示するものである。臼蓋縁上の３点と臼蓋底面の１点の計４点への接触はいずれも各先端の接触センサの出力により容易に確認することができる。

４点の接触が確認できた時点で、術前にモデルで設定したカップ放線ベクトルの方向が中空軸５０の方向として正確に術中でも再現できたことになる。

その後、中心軸５３をドリルに代えてパイロットピンを打ち、中心を決定する。その際に、中空軸５０を固定する半円筒状のリーマーガイドをその支持部が骨盤外縁部に固定用ピンで固定する。

ドリリング終了後、上記円盤状ホルダ４０及び中空軸５０を臼蓋から外す。臼蓋底部の穿孔はリーミング方向を示しているので、これを参考に上記リーマーガイドに沿ってリーミングを進める。最終的にカップを挿入する際までこの穿孔方向が参考となる。
図１２（Ｂ）はリーミング終了後に臼蓋にカップ６０を装着した状態のモデルを示す。

（２−２．大腿骨骨頭側）
次に、図１４乃至図２０により大腿骨側で人工関節であるステム装着のために骨頭の切断と大腿骨骨髄のリーミング方向を決定するための治具とその使用過程について説明する。

図１４は、頸部で切断した大腿骨骨頭の切断面に対して、大腿骨骨髄のリーミング方向の補正をするフレーム体治具７０の外観構成を示す。このフレーム体治具７０では、底面７０Ａに対して３方の側壁７０Ｂ〜７０Ｄが直立した略立方体構造を採っている。換言すると、一辺の外寸が８０［ｍｍ］の立方体の上部及び１側面を省いた形状を採る。

相対峙した一対の側壁７０Ｂ，７０Ｄには中央部に一辺１０［ｍｍ］の正方形を形成するように各角部に計４つのネジ穴が螺刻形成される。また、上記側壁７０Ｂ，７０Ｄに挟まれた側壁７０Ｃには中央部に１０［ｍｍ］の間隔を空けた計２つのネジ穴が縦方向に螺刻形成される。

骨頭座標のＹＺ面に相当する上記側壁７０Ｂ，７０Ｄの各ネジ穴には各２本、ＸＺ面に相当する側壁７０Ｃのネジ穴には１本、及びＸＹ面に相当する底面７０Ａに１本の計６本の先鋭なネジ部７１ａ〜７１ｆが外面側から内面側に向けて取付けられ、それぞれの突出量が調整可能とされている。

これらネジ部７１ａ〜７１ｆはいずれも、先端部が先鋭で且つ接触センサが内蔵され、後述する接続後の骨頭部の設置に際して該骨頭への接触の有無を正確に検出可能となる。

加えて、底面７０Ａより直立したネジ部７２を有するもので、このネジ部７２は、ボルト７３の回動に伴って骨頭座標のＸ軸方向に相当する図中の矢印ＸＩＶ方向に沿って任意にスライドする。このネジ部７２の軸方向が、大腿骨骨髄軸方向と一致するＺ軸を示している。

図１５（Ａ）は、大腿骨の骨頭切断と大腿骨骨髄方向検出に用いる骨切り治具８０の一部外観構成を示す。同図（Ａ）で骨切り治具８０は、外見上、一対の平板状部８１，８２が、傾斜板部８３を介して一体、且つ所定の間隙を空けるように構成される。平板状部８２は、図中の傾斜板部８３近傍の分離部８２ａで平板状部８１側と分離可能となる。

平板状部８１，８２共に２本のピン孔８１１，８１２，８２１，８２２が形成され、平板状部８１，８２を大腿骨骨頭側側面よりそれぞれピンにて固定することができる。平板状部８１，８２の間隙に沿って骨切り用のソーを挿入し、大腿骨の骨頭頸部を切断する。

上記傾斜板部８３は、平板状部８１，８２とオフセットした位置に円弧状の切欠きが形成され、上記骨盤側の軸として用いた円盤状ホルダ４０とほぼ同等の円盤状ホルダ（図示せず）が装着される。この円盤状ホルダは、上記円盤状ホルダ４０に比して円周部のポインタ４７Ａ〜４７Ｃ、ネジ部４８Ａ〜４８Ｃが存在しない点を除いて、ほぼ同様の構成を有するものであり、中央の玉軸受けはこれも図示しない中空軸を任意の方向で支持し、ネジ部の締め付けにより当該玉軸受けの角度を固定することができる。

図１５（Ｂ）は、大腿骨骨頭切離後に人工関節として設置されるステム９０の外観構成
を示す。図中、下端の先鋭な部分を切離した大腿骨骨頭に対し大腿骨骨髄の軸方向（Ｚ方向）に挿入して固定する。

（２−２−１．術前の調整）
まず、フレーム体治具７０のネジ部７２を、最近位点の位置から算出可能なリーミング方向（Ｚ軸）の位置へボルト７３を回動して移動させる。

併せて、底面７０Ａ及び側壁７０Ｂ〜７０Ｄのネジ部７１ａ〜７１ｆの各突出量を術前計画で得た骨頭形状及び頚部の骨輪郭までの距離に基づいて調整しておく。

この際、予め骨頭部輪郭形状を各角度から原寸大で印刷しておいた用紙を各底面７０Ａ及び側壁７０Ｂ〜７０Ｄの内面側に貼付しておいてその画像に合わせて各ネジ部７１ａ〜７１ｆの突出量を目視しながら調整するものとしてもよい。

（２−２−２．術中での使用法）
以下、術中の大腿骨側の取扱いに関して図１６乃至図２０を用いて説明する。
術中には、図１６にモデルを示すような形状の大腿骨ＴＢ骨頭側に対し、図１７に示す如く上記骨切り治具８０を設置する。

この場合、一体に連結した平板状部８１，８２の間隙が術前に計画した骨頭頸部に位置するようにして各ピン孔８１１，８１２，８２１，８２２に対してピンを打ち込むことで、図１７に示すように骨頭側の前面側に骨切り治具８０を設置する、
上述した如く、一体に連結された平板状部８１，８２の中央の間隙が骨切り面となるもので、骨切りを終えた後、平板状部８１，８２のそれぞれ大腿骨へのピンを固定したままこの平板状部８１，８２を上記分離部８２ａより分離し、大腿骨骨頭側の平板状部８１は円盤状ホルダを付けたまま摘出する。

図１８に示すように摘出した骨頭及び平板状部８１を、上記フレーム体治具７０に支持する。上述した如くフレーム体治具７０の中央には、大腿骨骨髄方向を示すＺ軸を示すネジ部７２が直立しており、フレーム体治具７０の対応する壁面からのネジ先端からのＺ軸を示すネジ部７２までの距離は術前計画において算出したジグ座標で算出した原点から最近位点までの距離に調整しておく。円盤状ホルダの玉軸受けに対して、このネジ部７２を貫通させるように配置する。

このフレーム体治具７０の側壁７０Ｂ〜７０Ｄは治具座標系に対応しており、上述した如く側壁７０Ｂ〜７０Ｄの各面から術前計算された距離に調整してネジ部７１ａ〜７１ｆの突出量が設定されている。

そのため、図１９に示すように、所定の長さに調整したネジ部７１ａ〜７１ｆ先端に、摘出した骨頭部が接するように位置させる。この場合、ネジ部７２に貫通された上記円盤状ホルダの玉軸受けは位置及び角度が固定化されていないため、骨頭の自由な移動が実現できる。

骨頭部と頸部で３方向の壁面から突出した各ネジ部７１ａ〜７１ｆ先端との接触を確認できると、その時点で底面７０Ａ及び側壁７０Ｂ〜７０Ｄから骨頭の骨皮質面までの距離が術前計画を再現できたものとなり、当該位置にある円盤状ホルダの玉軸受けの角度が切断面の位置に関係なくステムのＺ軸方向でステムの原点を通過していることになる。

この参照点は骨頭部で最近位点を含む違った壁面からの２点と、頚部において違った面の３点のネジの調整を行う、それぞれのネジ先端には接触センサーを敷設しておく。

したがって、その状態で円盤状ホルダのネジ部を締め付けて玉軸受けの位置及び角度を固定した後、ピン孔８１１，８１２のピンを抜くことで平板状部８１と円盤状ホルダを骨頭から取り外し、再び大腿骨に取付けられている平板状部８２に連結させる。この時点で、骨切り治具８０の円盤状ホルダの玉軸受けは、正確に大腿骨の骨髄（Ｚ）方向を示しているので、図２０に示す如く該玉軸受けに対してドリリングを行ない、その後にドリル位置にしたがってリーミング（オーバードリル）処理を行なうことで、術前計画と同様の方向を再現することができ、上記図１５（Ｂ）で示したステム９０を設置することができる。

上記のように、Ｘ線ＣＴスキャン装置及びＭＲＩ装置による骨形状モデルを用いた人工股関節の置換手術に関し、術前に患者の個人差を適正に反映して、骨盤臼蓋のリーミング動作と大腿骨骨頭の切断及び切断面からのリーミング動作を正確に決定することができ、術中は術前に決定した内容を正確に再現した執刀が実施できる。

加えて、本実施形態による術前計画のためのパーソナルコンピュータ用ソフトウェア及び術中に用いる各種治具類は、大病院のみならず比較的小規模な一般病院でも充分実用可能なものとして有用である。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上述した実施形態で実行される機能は可能な限り適宜組合わせて実施しても良い。上述した実施形態には種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件により適宜の組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、効果が得られるのであれば、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

本発明の一実施形態に係る人工股関節置換手術の術前計画用プログラムをインストールしたパーソナルコンピュータのハードウェア構成を示すブロック図。 同実施形態に係る術前計画用プログラムの処理内容を示すフローチャート。 同実施形態に係る骨盤臼蓋側の術前処理段階を例示する図。 同実施形態に係る骨盤臼蓋側の術前処理段階を例示する図。 同実施形態に係る骨盤臼蓋側の術前処理段階を例示する図。 同実施形態に係る骨盤臼蓋側の術前処理段階を例示する図。 同実施形態に係る骨盤臼蓋側の術前処理段階を例示する図。 同実施形態に係る骨盤臼蓋側の術前処理段階を例示する図。 同実施形態に係る臼蓋用フレーム体治具の外観構成を示す斜視図。 同実施形態に係る円盤状ホルダ及び中空軸の構成を示す図。 同実施形態に係る臼蓋用フレーム体治具に装着されるガイドペーパーを例示する図。 同実施形態に係る臼蓋用フレーム体治具とガイドペーパーを用いた円盤状ホルダと中空軸の設定を例示する図。 同実施形態に係る術前計画に基づいた術中の円盤状ホルダ及び中空軸の骨盤臼蓋への当接と設置されたカップ（人工関節）とを示す図。 同実施形態に係る大腿骨骨頭用フレーム体治具の外観構成を示す図。 同実施形態に係る大腿骨切断用骨切り治具とステム（人工関節）の外観構成を示す図。 同実施形態に係る大腿骨骨頭の切断からステム装着のための骨髄方向検出までを段階的に示す図。 同実施形態に係る大腿骨骨頭の切断からステム装着のための骨髄方向検出までを段階的に示す図。 同実施形態に係る大腿骨骨頭の切断からステム装着のための骨髄方向検出までを段階的に示す図。 同実施形態に係る大腿骨骨頭の切断からステム装着のための骨髄方向検出までを段階的に示す図。 同実施形態に係る大腿骨骨頭の切断からステム装着のための骨髄方向検出までを段階的に示す図。

符号の説明

１０…パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、１１…ＣＰＵ、１２…ノースブリッジ、１３…メインメモリ、１４…グラフィックコントローラ、１５…グラフィックメモリ、１６…サウスブリッジ、１７…ＰＣＩバス、１８…キーボード／マウス、１９…ビデオエンコーダ、２０…ハードディスク装置（ＨＤＤ）、２１…ネットワークインタフェース（Ｉ／Ｆ）、２２…マルチディスクドライブ、３０…臼蓋用フレーム体治具、３１…平板、３２…上底面、３３…下底面、３４…円孔、３５…、３６…、３７…、３８…、３９…、４０…円盤状ホルダ、４１，４２…円形盤、４３…玉軸受け、４４…ネジ部、４５…外筒部、４６…ローレットノブ、４７Ａ〜４７Ｃ…ポインタ、４８Ａ〜４８Ｃ…ネジ部、４９Ａ〜４９Ｃ…ポイントネジ部、５０…中空軸、５１…Ｔ字状ハンドル、５２…スライダ、５３…中心軸、６０…カップ、７０…フレーム体治具、７０Ａ…底面、７０Ｂ〜７０Ｄ…側壁、７１ａ〜７１ｆ…ネジ部、７２…ネジ部、７３…ボルト、８０…骨切り治具、８１，８２…平板状部、８２ａ…分離部、８３…傾斜板部、９０…ステム、ＡＧＰ…グラフィクスインタフェース、ＦＳＢ…フロントサイドバス、ＭＢ…メモリバス、ＴＢ…大腿骨。

Claims (8)

1. 臼蓋を含む骨盤の２次元断層画像を複数入力する画像入力ステップと、
   上記画像入力ステップで入力した複数の画像から少なくとも臼蓋を含む骨盤の３次元画像を再構築する画像再構築ステップと、
   上記画像再構築ステップで得た骨盤の臼蓋の３次元画像から、置換する人工関節と設置位置とを決定する人工関節決定ステップと、
   上記人工関節決定ステップで決定した人工関節及びその設置位置と、上記３次元画像中の臼蓋の参照点とに基づき、骨盤臼蓋に人工関節を埋設するためのリーミング動作で使用する各種パラメータを決定するパラメータ決定ステップと
   をコンピュータに実行させることを特徴とする人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。
2. 上記パラメータ決定ステップは、臼蓋縁上の３点の位置座標と上記設置位置における人工関節の法線ベクトルとに基づいて、臼蓋縁の３点で形成される円盤からの臼蓋底面まで距離を含む各種パラメータを決定することを特徴とする請求項１記載の人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。
3. 上記臼蓋縁上の３点は、両前上腸骨棘と恥骨結合中心の３点を含む平面（ＸＺ平面）で恥骨結合中心を原点として設定する骨盤座標系の大腿骨骨頭中心を含むＸＹ平面に位置する臼蓋縁上の２点と、同じく臼蓋縁上で骨盤座標系のＺ軸方向での最近位点の１点とすることを特徴とする請求項２記載の人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。
4. 股関節を含む大腿骨の２次元断層画像を複数入力する画像入力ステップと、
   上記画像入力ステップで入力した複数の画像から少なくとも股関節の骨頭を含む大腿骨の３次元画像を再構築する画像再構築ステップと、
   上記画像再構築ステップで得た大腿骨の骨頭を含む３次元画像から、置換する人工関節と設置位置とを決定する人工関節決定ステップと、
   上記人工関節決定ステップで決定した人工関節及びその設置位置と、上記３次元画像中の骨頭の参照点とに基づき、大腿骨骨頭頸部を切断後に人工関節を埋設するための骨髄リーミング動作で使用する各種パラメータを決定するパラメータ決定ステップと
   をコンピュータに実行させることを特徴とする人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。
5. 上記パラメータ決定ステップは、大腿骨骨頭頸部の切断面に対する大腿骨骨髄軸の距離及び方向を示す各種パラメータを決定することを特徴とする請求項４記載の人工股関節置換手術の術前計画用プログラム。
6. 骨盤臼蓋のリーミング軸方向を示す中空軸部と、
   上記中空軸部を貫通支持する玉軸受け部を回動自在、且つ径方向にスライド自在に支持し、ネジ部の締結により上記玉軸受け部の回動位置及びスライド位置を固定可能な円盤状ホルダ部と、
   上記円盤状ホルダ部を装着するホルダ装着面、このホルダ装着面を挟んで所定距離の位置に紙面を装着する第１及び第２の紙面装着部を備えた、上記円盤状ホルダの方向決定のためのフレーム体と
   を具備したことを特徴とする人工股関節置換手術用治具。
7. 上記円盤状ホルダ部は、円周に沿って移動する移動位置、及び円周から径方向に沿って外方に突出する突出量を共に調節可能な３つの指示部材を備えることを特徴とする請求項６記載の人工股関節置換手術用治具。
8. 上記大腿骨本体の骨頭頸部近傍に装着する、平板状部を有する第１の装着部と、
   上記第１の装着部に着脱自在に設けられ、第１の装着部の平板状部と間隔を空けて大腿骨骨頭に装着する平板状部を有する第２の装着部と、
   上記第１及び第２の装着部の各平板状部の間隙から骨頭頸部を切断した切断面に対するリーミング軸方向を示す、第１及び第２の装着部に着脱自在とした中空軸部と、
   上記第２の装着部に取付けられ、上記中空軸部を貫通支持する玉軸受け部を回動自在、且つ径方向にスライド自在に支持し、ネジ部の締結により上記玉軸受け部の回動位置及びスライド位置を固定可能な円盤状ホルダ部と、
   上記切断された大腿骨骨頭の術前計画時の形状に対応した保持部、この保持部に上記円盤状ホルダ部及び上記第２の装着部を装着した大腿骨骨頭を保持し、保持する大腿骨骨頭の切断面の位置及び方向により上記円盤状ホルダ部の玉軸受け部の回動位置及びスライド位置を補正する補正機構を備えたフレーム体と
   を具備したことを特徴とする人工股関節置換手術用治具。

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