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WO2014025051A1 - 関節置換術用ナビゲーション装置及び手術支援装置 - Google Patents

関節置換術用ナビゲーション装置及び手術支援装置 Download PDF

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WO2014025051A1
WO2014025051A1 PCT/JP2013/071740 JP2013071740W WO2014025051A1 WO 2014025051 A1 WO2014025051 A1 WO 2014025051A1 JP 2013071740 W JP2013071740 W JP 2013071740W WO 2014025051 A1 WO2014025051 A1 WO 2014025051A1
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WO
WIPO (PCT)
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guide
installation position
instrument
dimensional
bone shape
Prior art date
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Ceased
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PCT/JP2013/071740
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English (en)
French (fr)
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俊隆 若山
縁 鬼頭
則雄 清徳
隆志 半田
徹 吉澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ARTHRODESIGN Ltd
Saitama Medical University
Lexi Co Ltd
Original Assignee
ARTHRODESIGN Ltd
Saitama Medical University
Lexi Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by ARTHRODESIGN Ltd, Saitama Medical University, Lexi Co Ltd filed Critical ARTHRODESIGN Ltd
Priority to US14/410,437 priority Critical patent/US10213319B2/en
Publication of WO2014025051A1 publication Critical patent/WO2014025051A1/ja
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Definitions

  • the present invention relates to a joint replacement navigation device and a surgery support device that perform support or navigation by a computer when, for example, an artificial hip joint component is installed.
  • Patent Document 1 In order to perform artificial joint replacement of knees and hips, computer-aided support or navigation is used to accurately place artificial joint components (parts).
  • Patent Document 1 A method of performing navigation using motion information obtained by moving a joint without using image information of a joint part by CT (computer tomography) or the like.
  • (2) A method of performing navigation by creating a three-dimensional (3D) bone shape model using image information obtained by CT or the like and aligning with a bone shape during surgery.
  • the method (1) does not require processing for image acquisition before surgery, but is not satisfactory in navigation accuracy.
  • the method (2) a highly accurate three-dimensional bone shape model can be created by CT or MRI (magnetic resonance image), and navigation accuracy can be improved.
  • “Surgery support device, method and program” in Patent Document 1 below generates a three-dimensional model in advance based on a patient's MRI image taken before surgery, and the surface of the patient is treated with laser light during surgery.
  • the three-dimensional coordinates of each part of the surface are measured by detecting the laser beam scanned and reflected in step 1, and are associated with the preoperative MRI image of each part of the surface.
  • the conventional navigation method has the following problems. (1) Since the surface shape is measured by applying laser light, xenon light, or infrared rays to the patient from the outside, the apparatus configuration is large and expensive. (2) The risk of surgical invasion is high, such as placing a marker on the bone to acquire the position of the surgical instrument, and the burden on the patient is large. (3) High skill is required for the operation, and the operation time becomes longer and the burden on the operator is heavy.
  • the present invention pays attention to the above points, and its purpose is to reduce the cost by reducing the size and simplifying the device configuration. Another object is to reduce the burden on the patient and the operator and perform artificial joint replacement well.
  • the navigation device for joint replacement is a navigation device for joint replacement that uses a guide device that guides the position of a surgical device when performing joint replacement, and is based on image data of a patient before surgery.
  • a bone shape calculating means for calculating a virtual three-dimensional bone shape of a joint part to be operated; a guide for calculating an ideal installation position of the guide instrument based on the virtual three-dimensional bone shape before the operation;
  • Installation position calculation means bone shape acquisition means for acquiring the actual three-dimensional bone shape of the joint part to be operated with the shape measuring instrument provided in the guide instrument actually installed during the operation, actually installed during the operation
  • Guide installation position acquisition means for acquiring an actual installation position of the guide instrument by means of a shape measuring instrument provided in the guide instrument, a virtual three-dimensional bone shape in each means, By comparing the ideal installation position, the actual three-dimensional bone shape, and the actual installation position of the guide device, the virtual three-dimensional bone shape and the actual three-dimensional bone shape are shifted, thereby the guide device
  • an error detecting means for
  • the bone shape calculation means calculates a virtual three-dimensional bone shape based on CT image data or MRI image data of a patient.
  • the bone shape acquisition means irradiates a laser beam to the joint part of the surgical target with the shape measuring instrument and uses the reflected light to actually 3D the joint part of the surgical target.
  • a bone shape is acquired.
  • the guide installation position acquisition means irradiates the joint site to be operated with the shape measuring instrument with a laser beam, and uses the reflected light to detect the actual installation position of the guide instrument. It is characterized by acquiring.
  • the error detection means uses the premise that the bone shape of the patient obtained by the calculation and the bone shape of the actually measured patient match, and the virtual three-dimensional bone shape and the The actual three-dimensional bone shape image is rotated / moved to make them coincide with each other to detect an error between the actual installation position and the ideal installation position of the guide device.
  • the surgical operation support device of the present invention is a surgical operation support device that uses the joint replacement navigation device, wherein the guide instrument and posture detection means provided in the surgical instrument, the actual installation position of the guide instrument, Based on the detection result by the means for detecting an error from the ideal installation position and the detection result from the posture detection means, the installation position of the surgical instrument during the operation becomes the ideal installation position of the surgical instrument before the operation. It is characterized by having a guiding means for guiding it closer.
  • One of the main forms is characterized in that it outputs at least one of a guide sound or a guide light corresponding to an error between an installation position of the surgical instrument during the operation and an ideal installation position of the surgical instrument before the operation.
  • the outline is as follows.
  • the present invention can be applied to various types of artificial joint replacement.
  • a pelvic acetabulum will be described as an example.
  • the outline of the overall operation is as follows. (1) CT or MRI images near the pelvis are acquired before surgery, and a three-dimensional model of the pelvis is created on a computer. (2) Using the virtual three-dimensional bone model, the installation position of the guide instrument is planned, and a virtual three-dimensional surgical part model including the guide instrument is constructed. (3) During the operation, a guide instrument is installed, a three-dimensional image of the surgical part is acquired, and an actually measured three-dimensional surgical part model including the guide instrument is acquired.
  • the virtual three-dimensional surgical part model is compared with the actually measured three-dimensional surgical part model, and an error between the ideal guide instrument installation position and the actual guide instrument installation position is detected. (5) The operator is guided so that the installation position error of the detected guide instrument is reduced.
  • Example 1 of the present invention will be described.
  • a guide device for artificial joint replacement (hereinafter simply referred to as “guide device”) used in this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4 are filed as Japanese Patent Application No. 2012-36256.
  • FIG. 1 shows a perspective view of the guide device 10
  • FIG. 2 shows a side view of the guide device 10 viewed from the direction of the arrow F2.
  • the guide device 10 is roughly divided into: a, a fixed support PA for fixing and supporting the device itself to the pelvis, b, operation part PB for attaching a shape measuring instrument or a drill, c, an imaging unit PC for detecting a signal from the shape measuring instrument, d, a position adjustment arm part PD for adjusting the positions of the operation part PB and the imaging part PC with respect to the fixed support part PA. It is constituted by.
  • the fixed support part PA has a ball chuck 19B held at the tip of a guide pole 19 via a chuck holder 19A.
  • An anchor bit 20 is attached to the tip of the ball chuck 19B.
  • the anchor bit 20 is a screw that is fixed above the outer edge of the acetabulum of the pelvis. That is, by loosening or tightening the ball chuck 19B, the angle of the guide pole 19 and further the guide device 10 with respect to the anchor bit 20 can be arbitrarily adjusted and fixed.
  • the other end of the guide pole 19 is slidably sandwiched by the position adjustment arm portion PD, and a handle 19C is provided at the tip of the guide pole 19 via a rail holding portion 18.
  • the rail holding unit 18 slidably holds the rail 14A of the imaging unit PC, and thereby holds the imaging unit PC slidable with respect to the fixed support unit PA.
  • a pair of guide pin holes 18A are formed in the rail holding portion 18, and a pair of guide pin holes 19H are formed in the chuck holder 19A.
  • the guide pin holes 18A and 19H have the same axial direction, and a guide pin (not shown) is inserted through the position adjustment arm portion PD. These guide pins prevent the handle side from being twisted with respect to the anchor bit side.
  • FIG. 3 shows a state in which the anchor bit 20 is fixed to the pelvis PV.
  • the anchor bit 20 has a ball 20A on the upper side of the flange 20B and a screw 20C on the lower side, and is fixed to the pelvis PV by screwing the screw 20C near the upper end of the outer edge of the acetabulum in the pelvis PV. Thereafter, the ball chuck 19B is attached to the ball 20A. The angle of the guide pole 19 can be adjusted by the mounting angle of the ball chuck 19B at that time.
  • the operation unit PB is configured around the jig holder 12.
  • the jig holder 12 includes a small-diameter cylindrical moving portion 12B that can move within the large-diameter cylindrical base portion 12A. That is, the jig holder 12 forms a double cylinder structure by the cylinder of the base 12A and the cylinder of the moving part 12B.
  • a part of the base 12A is extended and functions as an extension guide 12D for guiding the movement of the moving part 12B.
  • a part of the moving part 12B is also extended and functions as an extension guide 12E for guiding the movement of the shape measuring instrument 11 or a drill (not shown).
  • a ring-shaped contact portion 12C is formed at the tip of the moving portion 12B. The ring-shaped contact portion 12C is movable from the acetabular opening surface to the acetabular bottom.
  • a surgical instrument such as a shape measuring instrument 11 and a drill (not shown) can be inserted and removed, and a ring-shaped contact part along the extension guide 12E. It can move in the direction of 12C.
  • the base portion 12A is joined to the position adjustment arm portion PD, whereby the angle between the axial direction of the guide pole 19 of the fixed support portion PA and the shape measuring instrument 11 can be adjusted.
  • the shape measuring instrument 11 is a, the shape of the patient's acetabulum, b, the position of the guide device 10 (specifically, the fixed position of the anchor bit 20 and the inclination of the guide pole 19)
  • an inner surface shape measuring device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2007-285891 can be used.
  • JP-A-63-055441, JP-A-2006-064690, JP-A-2004-101190, JP-A-2005-233925, JP-A-2005-195936, JP-A-5-107037, and the like can be similarly applied.
  • a first laser oscillation part 11A made of a semiconductor laser element, a first reflection part 11B formed by a conical mirror, a second laser oscillation part 11C, and a second reflection part 11D.
  • a first laser oscillation part 11A made of a semiconductor laser element
  • a first reflection part 11B formed by a conical mirror
  • a second laser oscillation part 11C formed by a conical mirror
  • a second reflection part 11D are provided coaxially along the longitudinal direction of the cylinder.
  • the laser beam oscillated and output from the first laser oscillation unit 11A is reflected by the first reflection unit 11B.
  • the laser beam is emitted as a disk-shaped laser beam C ⁇ b> 1 that spreads in the entire circumferential direction of a plane orthogonal to the axial direction of the shape measuring instrument 11.
  • the laser beam oscillated and output from the second laser oscillation unit 11C is reflected by the second reflection unit 11D.
  • the laser beam is emitted as a disk-shaped laser beam C ⁇ b> 2 that spreads in the entire circumferential direction of a plane orthogonal to the axial direction of the shape measuring instrument 11.
  • the laser beams C1 and C2 are partially blocked by the extension guides 12D and 12E, they have a fan shape instead of a disk shape.
  • the wall surface may absorb the laser beam.
  • a cruciform slit may be provided between the second reflecting portion 11D or the laser light C2 may be a laser beam spreading in a cruciform shape instead of a conical shape due to the prism shape of the second reflecting portion 11D. Good.
  • the shape measuring instrument 11 is moved from the base 12A side to the ring-shaped contact portion 12C side by the moving portion 12B. And the three-dimensional (three-dimensional) shape of the acetabulum and the position of the anchor bit 20 are measured by detecting the reflected light from the acetabulum and the anchor bit 20 of the laser beams C1 and C2 obtained at that time by the imaging unit PC. It has become so.
  • the shape measuring instrument 11 detects the posture angle and outputs a posture detection signal, and transmits the image signal obtained by the imaging unit PC and the posture detection signal to a navigation device described later.
  • the transmission unit 11F is provided.
  • the posture detection sensor 11E is constituted by, for example, a gyro sensor and a three-axis acceleration sensor.
  • As the transmitter 11F for example, a short-range wireless communication standard such as a wireless LAN is used.
  • a driving battery is also built in the shape measuring instrument 11.
  • Imaging unit PC Next, the imaging unit PC will be described.
  • the imaging element 15 to which the reflected light of the laser beams C1 and C2 reflected by the mortar cover or the like is incident is slidable along the position adjustment arm unit PD. Are attached so as to face the irradiation direction of the laser beams C1 and C2.
  • a pair of rails 14A extends from the slider 14 in the tangential direction of the position adjustment arm portion PD, and the rail holding portion 18 of the fixed support portion PA can slide along the rail 14A. ing.
  • the slider 14 is provided with a heel holding portion 16 outside the position adjusting arm portion PD, and the heel holding portion 16 holds a holding rod 17.
  • the holding bar 17 is provided in a direction toward the center of the arc of the position adjusting arm portion PD (a direction orthogonal to the arc), and a curved portion 17A is formed at the tip (see FIG. 4).
  • the position adjustment arm part PD has an arc centered on the tip of the extension guide 12D of the base part 12A in the operation part PB described above (see FIG. 2).
  • a pair of arc arms 13 provided in an arc shape are provided.
  • One end of the arc arm 13 is connected and fixed to the jig holder 12 of the operation portion PB.
  • An arc-shaped slit 13 ⁇ / b> A is formed on the side surface of the arc arm 13.
  • a pin 16B protruding from the side surface of the slider 14 of the imaging unit PC described above is inserted into the slit 13A (see FIG. 2).
  • the pin 16B slides in contact with the slit 13A, so that the slider 14 has a circular arc. It is slidably held along the arm 13.
  • the above points are summarized as follows.
  • a The fixed support part PA can be translated along the rail 14A with respect to the image pickup part PC.
  • the imaging unit PC is movable in an arc along the position adjustment arm unit PD. Thereby, the imaging unit PC can capture the tip of the operation unit PB at any position.
  • c The angle of the fixed support portion PA can be changed with respect to the anchor bit 20 at the tip. Thereby, when the anchor bit 20 is considered as a center, the overall inclination of the guide device 10 can be adjusted.
  • the fixtures with the following screws etc. are provided as needed. a, The position of the slider 14 with respect to the arc arm 13 is fixed. b, The distance between the slider 14 and the holding rod 17 is fixed. c. Fix the position of the rail holding portion 18 with respect to the rail 14A.
  • FIG. 2 shows an example of the positional relationship of each part when OP is the opening plane of the acetabulum that is recessed in a substantially hemispherical shape.
  • the anchor bit 20 of the fixed support portion PA is positioned at the opening plane OP
  • the ring-shaped contact portion 12C at the tip of the operation portion PB is positioned in the acetabulum below the opening plane OP.
  • the image pickup device 15 of the image pickup unit PC has the tip portion of the shape measuring instrument 11 in the field of view, and the tip of the curved portion 17A of the presser bar 17 is located at the opening plane OP, so Secured.
  • FIG. 4 shows a state where the guide instrument 10 is installed on the pelvis PV.
  • the surgery support apparatus 100 is mainly configured by a computer apparatus 110 such as a personal computer.
  • a computer apparatus 110 such as a personal computer.
  • the program memory 120 and the data memory 130 for example, a hard disk is used.
  • the computer device 110 includes d, an input device 150 such as a keyboard or a mouse, e, a monitor 152 for displaying images and data, f, speaker 154 that outputs a guide sound (alarm) during operation g, a receiving unit 156 for receiving a signal transmitted from the above-described guide instrument 10 or surgical instrument 200 such as a drill.
  • an input device 150 such as a keyboard or a mouse
  • e a monitor 152 for displaying images and data
  • f for displaying images and data
  • speaker 154 that outputs a guide sound (alarm) during operation g
  • a receiving unit 156 for receiving a signal transmitted from the above-described guide instrument 10 or surgical instrument 200 such as a drill.
  • CT (MRI) device 160 are connected via an appropriate interface. If necessary, a printer, disk drive, etc. are connected.
  • angle sensors 19 ⁇ / b> P and 200 ⁇ / b> P are attached at the time of surgery so that detection signals are received by the receiver 156 via the transmitters 19 ⁇ / b> Q and 200 ⁇ / b> Q. It has become.
  • CT image data 131 is CT image data of a patient imaged by the CT apparatus 160, and is data displayed in a coordinate system in the CT apparatus 160, that is, a CT coordinate system.
  • An MRI image may be used.
  • the virtual three-dimensional bone model construction program 121 is a program that virtually constructs the three-dimensional shape of the pelvic part centered on the patient's acetabulum based on the CT image data 131.
  • the calculated three-dimensional shape data is stored in the data memory 130 as virtual three-dimensional bone model data 132.
  • the installation simulation program 122 is based on the virtual three-dimensional bone model data 132, and the installation position of the guide device 10, specifically, the ideal installation position and the guide pole of the anchor bit 20 of the fixed support portion PA. This is a program for determining 19 directions.
  • the determined data of the ideal position of the anchor bit 20 and the direction of the guide pole 19 is added to the virtual three-dimensional bone model data 132 and stored in the data memory 130 as virtual three-dimensional surgical part data 133.
  • the actually measured three-dimensional operation part data 134 is a three-dimensional image of the bone shape imaged by the image sensor 15 using the shape measuring instrument 11 of the guide instrument 10 and the installed guide pole 19 and anchor bit 20 during actual surgery. It is data.
  • the instrument installation error detection program 124 compares the virtual three-dimensional surgical part data 133 obtained on the computer with the actually measured three-dimensional surgical part data 134 obtained at the time of the operation, and thus the installation error of the guide instrument 10, that is, the guide
  • This is a program for detecting the inclination of the pole 19 and the misalignment of the anchor bit 20 and is stored in the data memory 130 as angle and distance error data 135.
  • measured angle data 136 is data indicating the detection results of the angle sensor 19P installed on the guide pole 19 during surgery and the angle sensor 200P installed on the surgical instrument 200 such as a drill.
  • the g and angle difference monitoring program 125 is a program for referring to the measured angle data 136 and outputting a comparison result as an alarm.
  • the shape measuring instrument 11 of the guide instrument 10 described above is provided with an attitude detection sensor 11E, and attitude change information detected thereby is transmitted from the transmission unit 11F together with the imaging signal of the imaging element 15. Then, it is received by the computer device 110 via the receiving unit 156.
  • the guide pole 19 and the surgical instrument 200 such as a drill are provided with angle sensors 19P and 200P, respectively, at the time of surgery, and their detection signals are transmitted to the receiver 156 by the transmitters 19Q and 200Q. 110 is taken in.
  • a CT image near the patient's pelvis is acquired by the CT apparatus 160 and stored as CT image data 131 in the data memory 130 of the computer apparatus 110 (step S10).
  • the virtual three-dimensional bone model construction program 121 is executed by the CPU 112, and a virtual three-dimensional bone model is constructed on the computer based on the CT image data 131 (step S12).
  • the coordinate system representing the virtual three-dimensional bone model is a three-dimensional position coordinate system set on a computer.
  • the constructed virtual three-dimensional bone model data 132 is stored in the data memory 130.
  • an installation simulation program 122 is executed, and an optimal joint position of the guide device 10 is determined by performing an artificial joint installation simulation while referring to the virtual three-dimensional bone model.
  • the procedure for this determination is as follows. a. First, an artificial joint placement simulation is performed using the virtual three-dimensional bone model data 132 to determine an ideal three-dimensional placement position of the artificial joint (step S14). This operation is performed by a practitioner (doctor) referring to the monitor 152 in the virtual space. b, Next, a three-dimensional surgical plan is executed in the operation, and a simulation for installing the guide device 10 is performed so that the ideal three-dimensional installation position of the determined artificial joint can be reproduced at the time of surgery (step S16). .
  • the ideal bone and guide device 10 anchor bit 20 and guide pole 10 reflecting the position obtained in the above step on the three-dimensional bone model constructed in the virtual space on the computer, that is, the three-dimensional surgical plan. 19) is constructed (step S18).
  • Data of the ideal position of the anchor bit 20 and the ideal direction of the guide pole 19 determined in this manner is added to the virtual three-dimensional bone model data 132 and stored in the data memory 130 as virtual three-dimensional surgical part data 133.
  • the virtual three-dimensional bone model construction program 121 and the installation simulation program 122 described above for example, software “HipKnee” manufactured by Lexi Co. can be used.
  • FIG. 7 shows the procedure.
  • the doctor in charge of the surgery opens the affected area and installs the anchor bit 20 and the guide pole 19 of the completely sterilized guide device 10 at the installation position based on the above-described surgical plan and simulation (step S30).
  • FIG. 4 shows the situation. Although the figure shows the pelvis PV part widely, in actual surgery, only the periphery of the acetabulum can be seen from a slight incision part.
  • the anchor bit 20 provided at the tip of the guide pole 19 of the fixed support portion PA of the guide instrument 10 is fixed above the outer edge of the acetabular AC based on the preoperative plan. At this time, it may be ideally fixed at the position determined by the preoperative plan, but the actual installation position includes an error.
  • the laser beams C1 and C2 are output from the shape measuring instrument 11, and the part of the acetabulum AC is imaged to obtain a three-dimensional image (step S32). More specifically, first, in order to obtain a good 3D image of the acetabular AC portion, the operation unit is configured such that the ring-shaped contact portion 12C on the distal end side of the shape measuring instrument 11 is positioned at the center of the acetabular AC. Adjust the position of PB. Next, the laser beam C1 spreading in a disc shape by the first laser oscillation unit 11A and the first reflection unit 11B, and the laser beam C2 spreading in a cone shape (or a cross shape) by the second laser oscillation unit 11C and the second reflection unit 11D.
  • the image sensor 15 is emitted at an interval of 0.1 [second]
  • the acquired captured image data is transmitted together with the attitude signal detected by the attitude detection sensor 11E.
  • the data is continuously transmitted to the computer apparatus 110 by the unit 11F.
  • the image signal from the shape measuring instrument 11 and the posture signal from the posture detection sensor 11E are stored in the data memory 130 as actually measured three-dimensional operation part data 134.
  • “Measurement method of inner surface shape and measurement device using this method” disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-285891. Is preferred.
  • the installation error detection program 124 is executed by the CPU 112, and data matching between the virtual three-dimensional surgical part data 133 and the actually measured three-dimensional surgical part data 134 is performed (step S34). Then, the difference between the ideal installation position of the guide device 10 and the actual installation position of the guide device 10 is recognized (step S36), and parameters are displayed (step S38).
  • FIG. 8 shows the situation.
  • FIG. 2A shows the positions of the fixing instruction portions PA (anchor bit 20 and guide pole 19) of the guide instrument 10 set in the preoperative plan on the virtual three-dimensional bone model.
  • FIG. 5B shows the actual position of the fixed support portion PA during the operation. Since the shape of the acetabular AC should match between the virtual three-dimensional surgical part data 133 and the measured three-dimensional surgical part data 134, the image is rotated and moved so that they match.
  • FIG. 6C shows a state in which the acetabular ACs are made to coincide with each other, and ⁇ L, guide is set as the distance of the anchor bolt 20 between the virtual installation position of the fixing instruction portion PA and the actual installation position.
  • Each angle of the pole 19 is ⁇ R. These distance difference ⁇ L and angle difference ⁇ R are stored in the data memory 130 as error data 135.
  • the angle difference monitoring program 125 is executed by the CPU 112, and the actually measured angle data 136 is referred to.
  • a guide sound is output as auditory information from the speaker 154, and the surgeon adjusts the position of the fixing instruction portion PA (anchor bit 20 and guide pole 19) of the guide device 10 with reference to the guide sound.
  • the position of the rail holding portion 18 with respect to the slider 14 of the guide device 10 the position of the slider 14 with respect to the arc arm 13, the position of the holding rod 17 with respect to the rod holding portion 16, and the position of the rod holding portion 16 with respect to the slider 14.
  • the signal output of the angle sensor 19P attached to the guide pole 19 represents the position reference of the guide instrument 10 with respect to the acetabular AC (step S44).
  • a surgical instrument 200 such as a drill, a reamer, a bone resection guide, and an artificial joint driving device is repaired together with the angle sensor 200P and the transmitter 200Q. Attach to tool holder 12. In addition, you may utilize the attitude
  • the output of the angle sensor 19 ⁇ / b> P of the guide pole 19 and the output of the angle sensor 200 ⁇ / b> P of the surgical instrument 200 received by the receiving unit 156 are stored in the data memory 130 as measured angle data 136.
  • the angle difference monitoring program 125 is executed, the angle sensor outputs are compared, and the angle difference between the two is monitored (step S46).
  • a guide sound is output from the speaker 154 so that the surgical instrument 200 reaches the target angle of the preoperative plan, and by performing processing such as bone excavation, excision, and artificial joint installation along the guide sound, the preoperative plan is obtained. Prosthetic joint replacement is performed.
  • the invention of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-295527 “Body tilt angle measuring device and body torsion angle measuring device” can be applied.
  • a navigation apparatus can be reduced in size without requiring a large-scale apparatus such as applying laser light to the patient from the outside.
  • a large-scale apparatus such as applying laser light to the patient from the outside.
  • a high degree of skill is not required for the operation of the instrument, and the burden on the operator can be reduced and the artificial joint replacement can be performed satisfactorily.
  • this invention is not limited to the Example mentioned above, A various change can be added in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, the following are also included.
  • the said Example showed the case where this invention was applied to the artificial joint replacement in a hip joint, it can apply similarly to the artificial joint replacement in another joint site
  • the angle sensor is used, but various sensors for detecting the posture, such as a gyro sensor and an acceleration sensor, can be used.
  • an acceleration sensor can be used in hip joint surgery.
  • a three-dimensional bone model is constructed from a CT or MRI image in a virtual space on a computer.
  • a bone model of a full-size pelvis part can be obtained by, for example, acrylic photocuring resin, ABS resin, gypsum powder. It is possible to make a preoperative plan using this.
  • the signal transmission / reception between each sensor and the computer is performed wirelessly, but this does not prevent the wired operation.
  • a guide sound is output from the speaker 154 and the position of the guide device 10 is adjusted along the guide sound.
  • the guide instrument 10 may be guided by light. Both guide sound and guide light may be used. For example, an LED (light emitting diode) is provided on the guide device 10 to thereby instruct an adjustment direction.
  • the navigation device can be reduced in size, simplified, and reduced in price, and the burden on the patient and the operator can be reduced. Therefore, the navigation device is suitable for various types of artificial joint replacement.

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Abstract

【課題】装置構成の小型化、簡略化を図るとともに、患者及び術者の負担を軽減して、良好に人工関節置換を行う。 【解決手段】骨盤付近のＣＴ画像を術前に取得し、骨盤部分の３次元モデルをコンピュータ上で作成する。前記仮想３次元骨モデルを利用して、ガイド器具の設置位置などを計画し、ガイド器具を含めた仮想３次元元術部モデルを構築する。次に、術中において、ガイド器具を設置し、術部の３次元画像を取得して、ガイド器具を含めた実測３次元術部モデルを取得する。仮想３次元術部モデルと、実測３次元術部モデルを対比し、理想的なガイド器具の設置位置と、実際のガイド器具の設置位置の誤差を検出し、誤差が小さくなるように術者を誘導する。

Description

関節置換術用ナビゲーション装置及び手術支援装置
　本発明は、例えば人工股関節コンポーネントを設置する際にコンピュータによる支援ないしナビゲーションを行う関節置換術用ナビゲーション装置及び手術支援装置に関する。
　膝や股の人工関節置換を行うに当たって、人工関節のコンポーネント（部品）の設置を精度よく行うため、コンピュータによる支援ないしナビゲーションが利用されており、大きく分けて以下のような手法がある（下記非特許文献１参照）。
(1)ＣＴ（コンピュータ断層撮影）などによる関節部位の画像情報を利用せず、関節を動かすことで得られる運動情報等を利用してナビゲーションを行う方法。
(2)ＣＴなどによる画像情報を利用して３次元（３Ｄ）骨形状モデルを作製し、術中の骨形状との位置合わせを行って、ナビゲーションを行う方法。
　これらのうち、前記(1)の方法は、術前における画像取得のための処理を必要としないものの、ナビゲーションの正確さにおいて満足し得るものとはいえない。一方、前記(2)の方法は、ＣＴやＭＲＩ（磁気共鳴画像）などによって精度の高い３次元骨形状モデルを作製することができ、ナビゲーションの精度の向上を図ることができる。
　例えば、下記特許文献１の「手術支援装置、方法及びプログラム」は、術前に撮影した患者のＭＲＩ画像に基づいて３次元モデルを予め生成しておき、術中においては、患者の表面をレーザ光で走査し反射したレーザ光を検出することで、表面の各個所の３次元座標を測定し、表面の各個所の術前ＭＲＩ画像との対応付けを行うようにしている。
特開２００７－２０９５３１号公報
「人工膝関節置換術［ＴＫＡ］のすべて-安全・確実な手術のために」（株式会社メディカルビュー社，１７６－１８３頁，２００７年２月５日刊行，中村卓司著）
　しかしながら、従来のナビゲーション手法には、次のような課題がある。
(1)患者に外部からレーザ光、キセノン光、あるいは赤外線を当ててその表面形状を測定するため、装置構成が大がかりで高価となってしまう。
(2)手術器具の位置を取得するためのマーカを骨に設置するなど、手術侵襲の恐れが高く、患者の負担が大きい。
(3)操作に高度な熟練が必要であり、手術時間も長くなって、術者側の負担も大きい。
　本発明は、以上のような点に着目したもので、その目的は、装置構成の小型化、簡略化を図り、価格の低減を図ることである。他の目的は、患者及び術者の負担を軽減して、良好に人工関節置換を行うことである。
　本発明の関節置換術用ナビゲーション装置は、関節置換術を行う際に手術器具の位置案内を行うガイド器具を使用する関節置換術用ナビゲーション装置であって、術前に、患者の画像データに基づいて、術対象の関節部位の仮想の３次元骨形状を演算する骨形状演算手段，術前に、前記仮想の３次元骨形状に基づいて、前記ガイド器具の理想的な設置位置を演算するガイド設置位置演算手段，術中に、実際に設置した前記ガイド器具に設けた形状測定器具によって、術対象の関節部位の実際の３次元骨形状を取得する骨形状取得手段，術中に、実際に設置した前記ガイド器具に設けた形状測定器具によって、前記ガイド器具の実際の設置位置を取得するガイド設置位置取得手段，前記各手段における仮想の３次元骨形状，前記ガイド器具の理想的な設置位置，前記実際の３次元骨形状，前記ガイド器具の実際の設置位置を比較し、前記仮想の３次元骨形状と前記実際の３次元骨形状を変移させることで、前記ガイド器具の実際の設置位置と理想的な設置位置との誤差を検出する誤差検出手段，を備えたことを特徴とする。
　主要な形態の一つによれば、前記骨形状演算手段において、仮想の３次元骨形状を、患者のＣＴ画像データもしくはＭＲＩ画像データに基づいて演算することを特徴とする。他の形態の一つは、前記骨形状取得手段は、前記形状測定器具によって術対象の関節部位にレーザ光を照射し、その反射光を利用して、術対象の関節部位の実際の３次元骨形状を取得することを特徴とする。更に他の形態の一つは、前記ガイド設置位置取得手段は、前記形状測定器具によって術対象の関節部位にレーザ光を照射し、その反射光を利用して、前記ガイド器具の実際の設置位置を取得することを特徴とする。更に他の形態としては、前記誤差検出手段は、演算で得た患者の骨形状と、実際に計測した患者の骨形状とが一致するとの前提を利用し、前記仮想の３次元骨形状と前記実際の３次元骨形状の画像の回転・移動を行うことで両者を一致させて、前記ガイド器具の実際の設置位置と理想的な設置位置との誤差を検出することを特徴とする。
　本発明の手術支援装置は、前記関節置換術用ナビゲーション装置を使用する手術支援装置であって、前記ガイド器具及び前記手術器具に各々設けられた姿勢検知手段，前記ガイド器具の実際の設置位置と理想的な設置位置との誤差を検出する手段による検出結果と、前記姿勢検知手段からの検知結果とに基づいて、術中における手術器具の設置位置が術前における手術器具の理想的な設置位置に近づくように誘導する誘導手段，を備えたことを特徴とする。
　主要な形態の一つは、前記術中における手術器具の設置位置と、術前における手術器具の理想的な設置位置との誤差に対応する誘導音又は誘導光の少なくとも一方を出力することを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
　本発明によれば、患者及び術者双方の負担を軽減し、術前計画に沿ったガイド器具の設置を行って人工関節置換術を良好に行うことができる。
本発明の実施例で使用するガイド器具を示す斜視図である。 前記ガイド器具を矢印Ｆ２方向から見た側面図である。 前記ガイド器具の固定支持部ＰＡの部分を拡大して示す図である。 前記ガイド器具の臼蓋に対する設置例を示す斜視図である。 本発明の手術支援装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例における術前作業の主要手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例における術中作業の主要手順を示すフローチャートである。 仮想３次元術部モデルと実測３次元術部モデルとの関係を示す図である。
　以下、本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。概略は、次のとおりである。本発明は、各種の人工関節置換術に適用可能であるが、以下、骨盤臼蓋の場合を例として説明する。全体の動作の概要を示すと、次のようになる。
(1)骨盤付近のＣＴないしＭＲＩ画像を術前に取得し、骨盤部分の３次元モデルをコンピュータ上で作成する。
(2)前記仮想３次元骨モデルを利用して、ガイド器具の設置位置などを計画し、ガイド器具を含めた仮想３次元術部モデルを構築する。
(3)術中において、ガイド器具を設置し、術部の３次元画像を取得して、ガイド器具を含めた実測３次元術部モデルを取得する。
(4)仮想３次元術部モデルと、実測３次元術部モデルを対比し、理想的なガイド器具の設置位置と、実際のガイド器具の設置位置の誤差を検出する。
(5)検出したガイド器具の設置位置誤差が小さくなるように術者を誘導する。
　次に、本発明の実施例１について説明する。最初に、本実施例で使用する人工関節置換術用ガイド器具（以下単に「ガイド器具」という）について、図１～図４を参照しながら説明する。なお、図１～図４は、特願2012-36256として出願されたものである。図１には、ガイド器具１０の斜視図が示されており、その矢印Ｆ２方向から見た側面が図２に示されている。これらの図において、ガイド器具１０は、大きく分けて、
ａ，器具自体を骨盤に対して固定支持する固定支持部ＰＡ，
ｂ，形状測定器具やドリルを取り付ける操作部ＰＢ，
ｃ，形状測定器具からの信号を検出する撮像部ＰＣ，
ｄ，前記固定支持部ＰＡに対する前記操作部ＰＢ，撮像部ＰＣの位置を調整するための位置調整アーム部ＰＤ
によって構成されている。
　＜固定支持部ＰＡ＞　これらのうち、固定支持部ＰＡは、ガイドポール１９の先端にチャックホルダ１９Ａを介してボールチャック１９Ｂが保持されている。ボールチャック１９Ｂの先端には、アンカービット２０が取り付けられている。ボールチャック１９Ｂを緩めることで、アンカービット２０が変位可能となり、ガイドポール１９とアンカービット２０との角度が調整可能となっている。アンカービット２０は、骨盤の臼蓋外縁部上方に固定されるネジである。すなわち、ボールチャック１９Ｂを緩めたり締め付けたりすることで、アンカービット２０に対するガイドポール１９，更にはガイド器具１０の角度を任意に調整して固定できるようになっている。
　ガイドポール１９の他端側は、位置調整アーム部ＰＤにスライド可能に挟まれており、その先にはレール保持部１８を介してハンドル１９Ｃが設けられている。レール保持部１８は、撮像部ＰＣのレール１４Ａをスライド可能に保持しており、これにより、固定支持部ＰＡに対して撮像部ＰＣをスライド可能に保持している。前記レール保持部１８には、ガイドピンホール１８Ａが一対形成されており、前記チャックホルダ１９Ａには、ガイドピンホール１９Ｈが一対形成されている。これらのガイドピンホール１８Ａ，１９Ｈは、軸方向が一致しており、位置調整アーム部ＰＤを挟むように、それぞれガイドピン（図示せず）が挿通されている。これらガイドピンにより、アンカービット側に対するハンドル側の捩じれが防止されている。
　図３には、前記アンカービット２０を骨盤ＰＶに固定した状態が示されている。アンカービット２０は、フランジ２０Ｂの上側がボール２０Ａ、下側がネジ２０Ｃとなっており、ネジ２０Ｃを骨盤ＰＶにおける臼蓋外縁の上端付近にねじ込むことで、骨盤ＰＶに固定される。そして、その後ボール２０Ａにボールチャック１９Ｂを取り付ける。そのときのボールチャック１９Ｂの取付角度によって、ガイドポール１９の角度を調整することができる。
　＜操作部ＰＢ＞　次に、操作部ＰＢは、治具ホルダ１２を中心に構成されている。治具ホルダ１２は、大径円筒状の基部１２Ａ内を移動可能な小径円筒状の移動部１２Ｂを備えている。すなわち、治具ホルダ１２は、基部１２Ａの円筒と移動部１２Ｂの円筒によって、二重の筒構造を構成している。基部１２Ａの一部が延長形成されており、移動部１２Ｂの移動をガイドするための延長ガイド１２Ｄとして機能する。また、移動部１２Ｂも一部が延長形成されており、形状測定器具１１ないしドリル（図示せず）の移動をガイドするための延長ガイド１２Ｅとして機能する。移動部１２Ｂの先端には、リング状の当接部１２Ｃが形成されている。リング状当接部１２Ｃは、臼蓋開口面から臼蓋底部まで移動可能となっている。
　前記移動部１２Ｂの円筒部分には、形状測定器具１１や、ドリル（図示せず）などの施術具が挿入可能，着脱可能となっており、更に前記延長ガイド１２Ｅに沿ってリング状当接部１２Ｃの方向に移動可能となっている。一方、基部１２Ａは、位置調整アーム部ＰＤに接合しており、これによって固定支持部ＰＡのガイドポール１９の軸方向と、形状測定器具１１等との角度が調整可能となっている。
　次に、形状測定器具１１は、
ａ，患者の臼蓋の形状，
ｂ，ガイド器具１０の位置（具体的には、アンカービット２０の固定位置及びガイドポール１９の傾き）
を計測するためのレーザ光を使用するセンサであり、例えば、特開2007-285891号公報に開示された内面形状測定装置を利用することができる。他に、特開昭63-055441，特開2006-064690，特開2004-101190，特開2005-233925，特開2005-195936，特開平5-107037，なども、同様に適用可能である。円筒状の形状測定器具１１の先端側には、半導体レーザ素子による第１レーザ発振部１１Ａ，円錐形状のミラーで形成された第１反射部１１Ｂ，第２レーザ発振部１１Ｃ，第２反射部１１Ｄが、円筒の長手方向に沿って同軸上に設けられている。
　第１レーザ発振部１１Ａから発振・出力されたレーザ光は、第１反射部１１Ｂで反射される。これにより、レーザ光は、形状測定器具１１の軸方向と直交する平面の全周方向に広がる円盤状のレーザ光Ｃ１として射出される。一方、第２レーザ発振部１１Ｃから発振・出力されたレーザ光は、第２反射部１１Ｄで反射される。これにより、レーザ光は、形状測定器具１１の軸方向と直交する平面の全周方向に広がる円盤状のレーザ光Ｃ２として射出される。
　前記レーザ光Ｃ１，Ｃ２は、一部が延長ガイド１２Ｄ，１２Ｅで遮られるため、円盤状ではなく扇形状となる。延長ガイド１２Ｄ，１２Ｅ内壁面によるレーザ光の反射による悪影響を避けるため、レーザ光を吸収するような壁面とするとよい。また、前記第２反射部１１Ｄとの間に十字形のスリットを設けるか、あるいは第２反射部１１Ｄのプリズム形状により、前記レーザ光Ｃ２を、円錐形状ではなく、十字形状に広がるレーザ光としてもよい。
　計測時は、形状測定器具１１を、移動部１２Ｂによって基部１２Ａ側からリング状当接部１２Ｃ側に移動する。そして、そのときに得られるレーザ光Ｃ１，Ｃ２の臼蓋及びアンカービット２０による反射光を撮像部ＰＣで検出することで、臼蓋の３次元（立体）形状やアンカービット２０の位置が計測されるようになっている。
　更に、形状測定器具１１は、その姿勢角度を検出して姿勢検出信号を出力する姿勢検出センサ１１Ｅと、撮像部ＰＣで得た画像信号や前記姿勢検出信号を、後述するナビゲーション装置に送信するための送信部１１Ｆを備えている。姿勢検出センサ１１Ｅは、例えば、ジャイロセンサ及び３軸加速度センサによって構成される。送信部１１Ｆとしては、例えば無線ＬＡＮなどの近距離無線通信の規格が利用される。なお、駆動用の電池も、形状測定器具１１に内蔵されている。
　＜撮像部ＰＣ＞　次に、撮像部ＰＣについて説明すると、上述したレーザ光Ｃ１，Ｃ２の臼蓋等による反射光が入射する撮像素子１５は、位置調整アーム部ＰＤに沿ってスライド可能なスライダ１４に、前記レーザ光Ｃ１，Ｃ２の照射方向を向いて取り付けられている。スライダ１４からは、位置調整アーム部ＰＤの接線方向に向かって１対のレール１４Ａが延長形成されており、このレール１４Ａに沿って、前記固定支持部ＰＡのレール保持部１８がスライド可能となっている。
　前記スライダ１４には、前記位置調整アーム部ＰＤの外側に鉤保持部１６が設けられており、この鉤保持部１６によって、抑え鉤１７が保持されている。抑え鉤１７は、前記位置調整アーム部ＰＤの円弧の中心に向かう方向（円弧と直交する方向）に設けられており、先端に湾曲部１７Ａが形成されている（図４参照）。このような抑え鉤１７を、手術時に開創部から臼蓋周縁に挿入することで、患部の視野を確保して、撮像素子１５による撮像を良好に行えるようにしている。前記スライダ１４と鉤保持部１６との間隔は、支持ロッド１６Ａによって調整可能となっている。また、抑え鉤１７の軸方向は、ガイドポール１９の軸方向と同一となっている。
　＜位置調整アーム部ＰＤ＞　次に、位置調整アーム部ＰＤは、上述した操作部ＰＢにおける基部１２Ａの延長ガイド１２Ｄの先端を中心とする円弧となっており（図２参照）、並行して円弧状に設けられた１対の円弧アーム１３を備えている。円弧アーム１３の一方の端部は、前記操作部ＰＢの治具ホルダ１２に接続固定されている。円弧アーム１３の側面には、円弧状のスリット１３Ａが形成されている。このスリット１３Ａには、上述した撮像部ＰＣのスライダ１４の側面から突出したピン１６Ｂが入り込んでおり（図２参照）、このピン１６Ｂがスリット１３Ａに当接してスライドすることで、スライダ１４が円弧アーム１３に沿ってスライド可能に保持されている。
　以上の点をまとめると、次のようになる。
ａ，固定支持部ＰＡは、撮像部ＰＣに対して、レール１４Ａに沿って平行移動可能となっている。
ｂ，撮像部ＰＣは、位置調整アーム部ＰＤに沿って円弧状に移動可能となっている。これにより、撮像部ＰＣは、いずれの位置であっても、操作部ＰＢの先端部分を撮像可能となっている。
ｃ，固定支持部ＰＡは、先端のアンカービット２０に対して角度を変更可能である。これにより、アンカービット２０を中心に考えると、ガイド器具１０の全体の傾きを調整することができる。
　また、各部の位置を固定するため、必要に応じて、以下のようなネジなどによる固定具が設けられる。
ａ，円弧アーム１３に対するスライダ１４の位置を固定する。
ｂ，スライダ１４と抑え鉤１７との間隔を固定する。
ｃ，レール１４Ａに対するレール保持部１８の位置を固定する。
　上述した図２に示す状態は、略半球形状に窪んだ臼蓋の開口平面をＯＰとしたときの各部の位置関係の一例を示している。固定支持部ＰＡのアンカービット２０は開口平面ＯＰの位置となり、操作部ＰＢ先端のリング状の当接部１２Ｃは、開口平面ＯＰより下の臼蓋内に位置する。また、撮像部ＰＣの撮像素子１５は、形状測定器具１１の先端部分を視野に入れており、抑え鉤１７の湾曲部１７Ａの先端は開口平面ＯＰの位置となって、撮像素子１５の視野を確保している。図４には、骨盤ＰＶに対してガイド器具１０を設置した様子が示されている。
　＜ナビゲーション装置＞　次に、図５のブロック図を参照しながら、上述したガイド器具を使用する手術支援装置１００について説明する。図５において、手術支援装置１００は、パソコンなどのコンピュータ装置１１０を中心に構成されている。それらのうち、特に本発明に関係するものとして、
ａ，演算装置としてのＣＰＵ１１２，
ｂ，該ＣＰＵ１１２で実行されるプログラムが格納されたプログラムメモリ１２０，
ｃ，外部から取得したデータや演算後のデータを格納するデータメモリ１３０，
を図示している。プログラムメモリ１２０やデータメモリ１３０としては、例えばハードディスクなどが利用される。また、コンピュータ装置１１０には、
ｄ，キーボードやマウスなどの入力装置１５０，
ｅ，画像やデータを表示するモニタ１５２，
ｆ，術時に誘導音（アラーム）を出力するスピーカ１５４，
ｇ，上述したガイド器具１０やドリル等の手術器具２００から送信された信号を受信する受信部１５６，
ｈ，ＣＴ（ＭＲＩ）装置１６０，
が適宜のインターフェースを介して接続されている。必要があれば、プリンタ，ディスクドライブなどが接続される。
　ガイド器具１０のガイドポール１９及びドリルなどの手術器具２００には、手術時に角度センサ１９Ｐ，２００Ｐがそれぞれ取り付けられ、検出信号が送信部１９Ｑ，２００Ｑを介して前記受信部１５６で受信されるようになっている。
　次に、プログラムメモリ１２０に格納されているプログラム及びデータメモリ１３０に格納されているデータについて説明する。
ａ，ＣＴ画像データ１３１は、ＣＴ装置１６０によって撮像された患者のＣＴ画像データであり、ＣＴ装置１６０における座標系，いわばＣＴ座標系で表示されたデータである。ＭＲＩ画像でもよい。
ｂ，仮想３次元骨モデル構築プログラム１２１は、前記ＣＴ画像データ１３１に基づいて、患者の臼蓋を中心とする骨盤部分の３次元形状を演算して仮想的に構築するプログラムである。演算後の３次元形状データは、仮想３次元骨モデルデータ１３２としてデータメモリ１３０に保存される。
ｃ，設置シミュレーションプログラム１２２は、前記仮想３次元骨モデルデータ１３２に基づいて、前記ガイド器具１０の設置位置，具体的には、固定支持部ＰＡのアンカービット２０の理想的な設置位置とガイドポール１９の方向を決定するプログラムである。決定されたアンカービット２０の理想位置及びガイドポール１９の方向のデータは、仮想３次元骨モデルデータ１３２に付加され、仮想３次元術部データ１３３として、データメモリ１３０に保存される。
ｄ，実測３次元術部データ１３４は、実際の手術時に、ガイド器具１０の形状測定器具１１を利用して撮像素子１５により撮像した骨形状及び設置したガイドポール１９及びアンカービット２０の３次元画像データである。
ｅ，器具設置誤差検出プログラム１２４は、コンピュータ上で得た仮想３次元術部データ１３３と、前記手術時に得た実測３次元術部データ１３４とを比較し、ガイド器具１０の設置誤差、すなわちガイドポール１９の傾きとアンカービット２０の位置ずれを検出するプログラムであり、角度及び距離の誤差データ１３５として、データメモリ１３０に格納される。
ｆ，実測角度データ１３６は、手術時にガイドポール１９に設置される角度センサ１９Ｐと、ドリルなどの手術器具２００に設置される角度センサ２００Ｐの検出結果を示すデータである。
ｇ，角度差モニタリングプログラム１２５は、前記実測角度データ１３６を参照し、比較結果をアラーム出力するプログラムである。
　次に、上述したガイド器具１０の形状測定器具１１には、姿勢検出センサ１１Ｅが設けられており、これによって検出される姿勢変化情報は、前記撮像素子１５の撮像信号とともに、送信部１１Ｆから送信され、受信部１５６を介してコンピュータ装置１１０で受信されるようになっている。また、ガイドポール１９と、ドリルなどの手術器具２００には、手術時に、それぞれ角度センサ１９Ｐ，２００Ｐが設けられ、それらの検知信号は送信部１９Ｑ，２００Ｑによって前記受信部１５６に送信され、コンピュータ装置１１０に取り込まれるようになっている。
　＜術前動作＞　次に、上記実施例の動作のうち、術前に行われる動作について、図６も参照しながら説明する。最初に、ＣＴ装置１６０によって患者の骨盤付近のＣＴ画像を取得し、コンピュータ装置１１０のデータメモリ１３０にＣＴ画像データ１３１として保存する（ステップＳ１０）。次に、コンピュータ装置１１０では、仮想３次元骨モデル構築プログラム１２１がＣＰＵ１１２で実行され、前記ＣＴ画像データ１３１に基づいてコンピュータ上に仮想的に３次元の骨モデルを構築する（ステップＳ１２）。仮想３次元骨モデルを表す座標系は、コンピュータ上に設定した３次元位置座標系である。構築した仮想３次元骨モデルデータ１３２は、データメモリ１３０に格納される。
　次に、ＣＰＵ１１２では、設置シミュレーションプログラム１２２が実行され、前記仮想３次元骨モデルを参照しながら、人工関節の設置シミュレーションを行い、ガイド器具１０の最適な設置位置が決定される。この決定の手順は、次の通りである。
ａ，まず、仮想３次元骨モデルデータ１３２を利用して、人工関節の設置シミュレーションを行い、人工関節の理想的な３次元設置位置を決定する（ステップＳ１４）。この操作は、仮想空間上で、施術者（医師）がモニタ１５２を参照しながら行う。
ｂ，次に、３次元手術計画を術中で遂行し、前記決定された人工関節の理想的な３次元設置位置を手術時に再現できるように、ガイド器具１０を設置するシミュレーションを行う（ステップＳ１６）。
ｃ，次に、前記コンピュータ上の仮想空間に構築した３次元骨モデル上の前記ステップで得た位置，すなわち３次元手術計画を反映した理想的な骨とガイド器具１０（アンカービット２０とガイドポール１９）の３次元モデルを構築する（ステップＳ１８）。
　このようにして決定されたアンカービット２０の理想位置及びガイドポール１９の理想方向のデータは、仮想３次元骨モデルデータ１３２に付加され、仮想３次元術部データ１３３として、データメモリ１３０に保存される。以上の仮想３次元骨モデル構築プログラム１２１，設置シミュレーションプログラム１２２としては、例えばレキシー社製のソフトウェア「HipKnee(ヒップ・ニー)」を用いることができる。
　＜術中動作＞　次に、実際の置換術における術中動作について説明する。図７には、その手順が示されている。手術を担当する医師は、患部を開き、上述した手術計画とシミュレーションに基づいた設置位置に、完全滅菌したガイド器具１０のアンカービット２０とガイドポール１９を設置する（ステップＳ３０）。
　図４には、その様子が示されている。なお、同図は骨盤ＰＶの部分を広く示しているが、実際の手術ではわずかな切開部分から臼蓋周辺を見ることができるのみである。ガイド器具１０の固定支持部ＰＡのガイドポール１９の先端に設けられたアンカービット２０は、術前計画に基づいて、臼蓋ＡＣの外縁上方に固定される。このとき、理想的には術前計画で決めた位置に固定されればよいが、実際上の設置位置は誤差を含んでいる。
　次に、形状測定器具１１からレーザ光Ｃ１，Ｃ２を出力し、臼蓋ＡＣの部分を撮像し、３次元画像を得る（ステップＳ３２）。詳述すると、まず、臼蓋ＡＣ部分の３次元画像を良好に得るために、形状測定器具１１の先端側のリング状の当接部１２Ｃが臼蓋ＡＣの中心に位置するように、操作部ＰＢの位置調整を行う。次に、第１レーザ発振部１１Ａ及び第１反射部１１Ｂによる円盤状に広がるレーザ光Ｃ１と、第２レーザ発振部１１Ｃ及び第２反射部１１Ｄによる円錐形状（ないし十字形）に広がるレーザ光Ｃ２とを時分割で交互に射出する。具体的には、撮像素子１５における連続撮影可能速度に合わせて、例えば０．１［秒］間隔で射出し、取得した撮影画像データを、姿勢検出センサ１１Ｅで検出する姿勢信号と合わせて、送信部１１Ｆによりコンピュータ装置１１０に連続して送信する。これら前記形状測定器具１１による画像信号と前記姿勢検出センサ１１Ｅによる姿勢信号は、実測３次元術部データ１３４として、データメモリ１３０に格納される。形状測定器具１１を用いて実測３次元術部データ１３４を得るための具体的な手法としては、例えば特開2007-285891号公報に開示された「内面形状の測定方法とこの方法による測定装置」が好適である。
　コンピュータ装置１１０では、設置誤差検出プログラム１２４がＣＰＵ１１２で実行され、前記仮想３次元術部データ１３３と、実測３次元術部データ１３４とのデータマッチングが行われる（ステップＳ３４）。そして、理想的なガイド器具１０の設置位置と、実際に設置したガイド器具１０の設置位置との差が認識され（ステップＳ３６）、パラメータ表示される（ステップＳ３８）。
　図８には、その様子が示されている。同図(A)は、仮想３次元骨モデル上における術前計画で設定されたガイド器具１０の固定指示部ＰＡ（アンカービット２０とガイドポール１９）の位置を示している。同図(B)は、術中における実際の固定支持部ＰＡの位置を示している。臼蓋ＡＣの形状は、仮想３次元術部データ１３３と実測３次元術部データ１３４とで一致するはずであるから、両者が一致するように画像を回転・移動してゆく。同図(C)は、臼蓋ＡＣを一致させた状態を示しており、固定指示部ＰＡの仮想上の設置位置と実際の設置位置との間に、アンカーボルト２０の距離にしてΔＬ，ガイドポール１９の角度にしてΔＲがそれぞれある。これらの距離差ΔＬ，角度差ΔＲは、誤差データ１３５として、データメモリ１３０に格納される。
　コンピュータ装置１１０では、角度差モニタリングプログラム１２５がＣＰＵ１１２で実行され、実測角度データ１３６が参照される。これにより、スピーカ１５４から誘導音が聴覚情報として出力され、術者は、該誘導音を参考にガイド器具１０の固定指示部ＰＡ（アンカービット２０とガイドポール１９）の位置を調整する。具体的には、ガイド器具１０のスライダ１４に対するレール保持部１８の位置、円弧アーム１３に対するスライダ１４の位置、鉤保持部１６に対する抑え鉤１７の位置、およびスライダ１４に対する鉤保持部１６の位置を調整し、術前計画通りの位置になるようにする。この状態において、ガイドポール１９に取り付けた角度センサ１９Ｐの信号出力が、ガイド器具１０の臼蓋ＡＣに対する位置基準を表すこととなる（ステップＳ４４）。
　次に、上述した形状測定器具１１の代わりに、ドリル，リーマー，骨切除ガイド，人工関節打ち込み器などの手術器具２００（図５参照）を、角度センサ２００Ｐ及び送信部２００Ｑとともにガイド器具１０の治具ホルダ１２に取り付ける。なお、形状測定器具１１に取り付けた姿勢検出センサ１１Ｅや送信部１１Ｆを利用してもよい。一方、コンピュータ装置１１０では、受信部１５６で受信されたガイドポール１９の角度センサ１９Ｐの出力と、手術器具２００の角度センサ２００Ｐの出力とが、実測角度データ１３６としてデータメモリ１３０に格納される。ＣＰＵ１１２では、角度差モニタリングプログラム１２５が実行されており、角度センサ出力が比較されて、両者の角度差がモニタリングされる（ステップＳ４６）。手術器具２００が術前計画の目標角度となるように、スピーカ１５４から誘導音が出力され、この誘導音に沿って骨掘削，切除，人工関節設置などの処理を行うことで、術前計画に沿った人工関節置換術が行われる。二つの角度センサ出力を利用する位置認識の具体的な手法としては、例えば特開2008-295527「身体傾斜角計測器および身体ねじれ角計測器」の発明を適用することができる。
　以上説明したように、本実施例によれば、次のような効果がある。
（１）患者に外部からレーザ光を当てるなどの大がかりな装置を必要とせず、ナビゲーション装置の小型化を図ることができる。
（２）手術器具の位置を取得するためのマーカを骨に設置するといった必要もなく、低侵襲で患者の負担軽減を図ることができる。
（３）器具の操作に当たって高度な熟練は不要で、術者の負担も軽減して、良好に人工関節置換を行うことができる。
　なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。例えば、以下のものも含まれる。
（１）前記実施例は、本発明を股関節における人工関節置換術に適用した場合を示したが、他の関節部位における人工関節置換術にも同様に適用することができる。
（２）前記実施例では、角度センサを利用することとしたが、ジャイロセンサや加速度センサなど、姿勢を検知する各種のセンサを利用することができる。例えば、股関節手術において、加速度センサを用いることができる。
（３）前記実施例では、ＣＴやＭＲＩ画像からコンピュータ上の仮想空間に３次元骨モデルを構築したが、実物大の骨盤部分の骨モデルを、例えばアクリル系光硬化樹脂やＡＢＳ樹脂、石膏パウダー等により作製し、これを用いて術前計画を行うようにしてもよい。
（４）前記実施例では、各センサとコンピュータとの間の信号授受を無線で行うこととしたが、有線で行うことを妨げるものではない。
（５）前記実施例では、スピーカ１５４から誘導音を出力し、この誘導音に沿ってガイド器具１０の位置調整を行うようにしたが、光によって誘導を行うようにしてもよく、更には、誘導音と誘導光の両方を用いるようにしてもよい。例えば、ガイド器具１０にＬＥＤ（発光ダイオード）を設け、これによって調整方向の指示を行うという具合である。
　本発明によれば、ナビゲーション装置の小型化，簡略化，低価格化を図ることができ、患者及び術者の負担を軽減することができるので、各種の人工関節置換術に好適である。
１０：ガイド器具
１１：形状測定器具
１１Ａ：第１レーザ発振部
１１Ｂ：第１反射部
１１Ｃ：第２レーザ発振部
１１Ｄ：第２反射部
１１Ｅ：姿勢検出センサ
１１Ｆ：送信部
１２：治具ホルダ
１２Ａ：基部
１２Ｂ：移動部
１２Ｃ：リング状当接部
１２Ｄ，１２Ｅ：延長ガイド
１３：円弧アーム
１３Ａ：スリット
１４：スライダ
１４Ａ：レール
１５：撮像素子
１６：鉤保持部
１６Ａ：支持ロッド
１６Ｂ：ピン
１７：抑え鉤
１７Ａ：湾曲部
１８：レール保持部
１８Ａ，１９Ｈ：ガイドピンホール
１９：ガイドポール
１９Ａ：チャックホルダ
１９Ｂ：ボールチャック
１９Ｃ：ハンドル
１９Ｈ：ガイドピンホール
１９Ｐ：角度センサ
１９Ｑ：送信部
２０：アンカービット
２０Ａ：ボール
２０Ｂ：フランジ
２０Ｃ：ネジ
４２：ステップ
１００：手術支援装置
１１０：コンピュータ装置
１１２：ＣＰＵ
１２０：プログラムメモリ
１２１：仮想骨モデル構築プログラム
１２２：設置シミュレーションプログラム
１２４：器具設置誤差検出プログラム
１２５：角度差モニタリングプログラム
１３０：データメモリ
１３１：ＣＴ画像データ
１３２：仮想３次元骨モデルデータ
１３３：仮想３次元術部データ
１３４：実測３次元術部データ
１３５：誤差データ
１３６：実測角度データ
１５０：入力装置
１５２：モニタ
１５４：スピーカ
１５６：受信部
１６０：ＣＴ装置
２００：手術器具
２００Ｐ：角度センサ
２００Ｑ：送信部
ＡＣ：臼蓋
Ｃ１，Ｃ２：レーザ光
ＰＡ：固定支持部
ＰＢ：操作部
ＰＣ：撮像部
ＰＤ：位置調整アーム部
ＰＶ：骨盤

Claims (7)

  1. 　関節置換術を行う際に手術器具の位置案内を行うガイド器具を使用する関節置換術用ナビゲーション装置であって、
    　術前に、患者の画像データに基づいて、術対象の関節部位の仮想の３次元骨形状を演算する骨形状演算手段，
    　術前に、前記仮想の３次元骨形状に基づいて、前記ガイド器具の理想的な設置位置を演算するガイド設置位置演算手段，
    　術中に、実際に設置した前記ガイド器具に設けた形状測定器具によって、術対象の関節部位の実際の３次元骨形状を取得する骨形状取得手段，
    　術中に、実際に設置した前記ガイド器具に設けた形状測定器具によって、前記ガイド器具の実際の設置位置を取得するガイド設置位置取得手段，
    　前記各手段における仮想の３次元骨形状，前記ガイド器具の理想的な設置位置，前記実際の３次元骨形状，前記ガイド器具の実際の設置位置を比較し、前記仮想の３次元骨形状と前記実際の３次元骨形状を変移させることで、前記ガイド器具の実際の設置位置と理想的な設置位置との誤差を検出する誤差検出手段，
    を備えたことを特徴とする関節置換術用ナビゲーション装置。
  2. 　前記骨形状演算手段において、仮想の３次元骨形状を、患者のＣＴ画像データもしくはＭＲＩ画像データに基づいて演算することを特徴とする請求項１記載の関節置換術用ナビゲーション装置。
  3. 　前記骨形状取得手段は、前記形状測定器具によって術対象の関節部位にレーザ光を照射し、その反射光を利用して、術対象の関節部位の実際の３次元骨形状を取得することを特徴とする請求項１記載の関節置換術用ナビゲーション装置。
  4. 　前記ガイド設置位置取得手段は、前記形状測定器具によって術対象の関節部位にレーザ光を照射し、その反射光を利用して、前記ガイド器具の実際の設置位置を取得することを特徴とする請求項１記載の関節置換術用ナビゲーション装置。
  5. 　前記誤差検出手段は、演算で得た患者の骨形状と、実際に計測した患者の骨形状とが一致するとの前提を利用し、前記仮想の３次元骨形状と前記実際の３次元骨形状の画像の回転・移動を行うことで両者を一致させて、前記ガイド器具の実際の設置位置と理想的な設置位置との誤差を検出することを特徴とする請求項１記載の関節置換術用ナビゲーション装置。
  6. 　請求項１記載の関節置換術用ナビゲーション装置を使用する手術支援装置であって、
    　前記ガイド器具及び前記手術器具に各々設けられた姿勢検知手段，
    　前記ガイド器具の実際の設置位置と理想的な設置位置との誤差を検出する手段による検出結果と、前記姿勢検知手段からの検知結果とに基づいて、術中における手術器具の設置位置が術前における手術器具の理想的な設置位置に近づくように誘導する誘導手段，
    を備えたことを特徴とする手術支援装置。
  7. 　前記術中における手術器具の設置位置と、術前における手術器具の理想的な設置位置との誤差に対応する誘導音又は誘導光の少なくとも一方を出力することを特徴とする請求項６記載の手術支援装置。
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