JP2000507846A

JP2000507846A - 改訂人工股関節全置換手術のためのコンピュータ援用システム

Info

Publication number: JP2000507846A
Application number: JP9530281A
Authority: JP
Inventors: ウィリアムソン，ウィリー，ジュニア
Original assignee: インテグレイテッドサージカルシステムズ，インコーポレイテッド
Priority date: 1996-02-22
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 2000-06-27
Also published as: US5769092A; EP0955934A1; WO1997030652A1; AU1962097A

Abstract

(57)【要約】骨セメントまたはその他の材料を取り除いて骨プロテーゼを置き換えるための、コンピュータにより実現されるシステムおよび方法が提供される。本発明による、コンピュータを援用した骨プロテーゼ置き換え方法は、骨の画像データを入力として受け取るステップと、画像データにおいて、取り出すための第１の骨プロテーゼを囲む材料の境界輪郭を識別するステップと、境界輪郭からシステム輪郭を生成するステップとを包含し、システム輪郭は、第２の骨プロテーゼを収容するために該骨に切削するべきキャビティを特定する。

Description

【発明の詳細な説明】改訂人工股関節全置換手術のためのコンピュータ援用システム著作権について本明細書の開示の一部分は、著作権保護を受ける事項を含む。著作権所有者は、本明細書または本開示を、米国特許商標庁のファイルまたは記録にある正確な形で複写により複製することは認めるが、その他についてはすべての著作権を保有する。発明の背景１．発明の分野本発明は、コンピュータ援用外科手術用システムおよびその方法の分野に関する。具体的には、本発明は、改訂人工股関節全置換術を行うためのコンピュータ援用システムおよびその方法を提供する。人工股関節全置換（ＴＨＲ）術（主要股関節全形成術（primary total hip ar throplasty）とも呼ばれる）は、外科医が患者の球関節をプロテーゼ装置に置き換える外科手術処置である。プロテーゼ装置は、寛骨臼および大腿骨プロテーゼを含む。大腿骨プロテーゼが球関節の「球」の置き換えを与え、寛骨臼が「ソケット」の置き換えを与える。今日では、人工股関節全置換術により、何千人もの人々が、所望の可動性を保持することができ、痛みを軽減している。図１は、人工股関節全置換術用プロテーゼを示す。骨盤１２には、寛骨臼１４がインプラントされている。対応する大腿骨１６には、大腿骨プロテーゼ１８がインプラントされている。大腿骨プロテーゼは、大腿骨頭２０および大腿骨頸部２２を含む。外科医は、まず骨の大腿骨頭を取り除き、そして、大腿骨頸部が皮質骨２６に隣接する大腿管に配置され得るように、大腿骨を掘削して大腿骨内に大腿管２４を延ばすことによって、大腿骨プロテーゼをインプラントする。大腿骨プロテーゼがインプラントされると、このプロテーゼの大腿骨頭が海綿質２８に隣接した状態になる。外科医は、典型的には、精度の低い方法で大腿骨頸部用のキャビティを作る。外科医により、リーマー（手で持つドリル）およびブローチ（鋸歯状切削工具）が用いられ、大腿骨キャビティが作られる。実験試験では、これらの方法によって作られたキャビティは不規則であり、骨とプロテーゼとの間に比較的大きな間隙ができてしまうことが分かった。これらの間隙は、ブローチが正確な切削を行わずに海綿質の塊を切り裂いてしまう場合に生じ得る。さらに、これらの間隙は、ブローチが緻密な海綿質または皮質骨と接するときに、最も小さい抵抗を有する材料を切削するというブローチの傾向により生じ得る。骨セメント（ポリメチルメタクリレートまたはＰＭＭＡ）は、典型的には、大腿骨と大腿骨プロテーゼとの間の間隙を埋めるために用いられる。ＴＨＲ術に用いられるプロテーゼ装置は、限られた期待寿命を有し、従って、ときどき置き換えが必要とされ得る。プロテーゼ装置の置き換えは、改訂人工股関節全置換（ＲＴＨＲ）術と呼ばれる（改訂人工股関節全形成術とも呼ばれる）。大腿骨プロテーゼを置き換えるとき、古い大腿プロテーゼは取り出さなければならず、大腿管内から、骨セメントのすべてまたはその多くを除去することが望ましい（例えば、骨セメントの構造的な欠陥が存在し得る）。ＲＴＨＲ術の最も困難な局面のうちの１つは、外科医が、外科手術処置の間、大腿骨中にある骨セメントの場所および量に関して、非常に限られた情報しか得られない場合があり得ることである。おそらく、ＲＴＨＲ術中に骨セメントを除去する方法として最もよく用いられる方法は、手工具の使用を伴う方法であろう。この技術には、多種多様な骨刀、セメントスプリッタ、フック、およびねじ切りされたセメントタップが利用可能である。しかし、この技術は単調である上、除去される骨セメントの深さがより深くなるにつれて、外科医の視界が少なくなるため、徐々に困難になる。さらに、外科医は、大腿骨を破損または穿孔しないよう、非常に注意を払わなければならない。視界を増加するために、ドリルまたは切削により、皮質骨に孔または窓が作られ得る。この技術では、より多くの可視化が可能となるが、孔または窓により、大腿骨がさらに弱くなり、大腿骨の破損の危険性がさらに大きくなる。その他の技術としては、超音波またはレーザエネルギーを利用して骨セメントを除去する技術などがあるが、これらの技術では、外科医には、骨セメントについて限られた可視化しか与えられない場合があり得る。改訂人工股関節全置換術は、非常に困難な外科手術処置であり、しばしば、それと同等に困難な１組の問題点を伴う。例えば、骨セメント除去中の合併症のため、皮質壁への貫入または骨破損が起こり得る。さらに、大腿骨内の健全な骨が、新しいプロテーゼに適合するために不必要に犠牲にされ得る。作り出された新しい大腿管は、不規則である場合があり得る。このため、最初のプロテーゼに関連する問題点がより大きくなる。また、骨セメント除去にかかる時間および費用は、かなりのものとなり得る。近年、ロボットにより補助される大腿骨全置換術を行うための革新的なシステムが開発された。カリフォルニア州サクラメント（Sacramento）にある、本願の譲受人であるIntegrated Surgical Systems，Inc.によって開発されたORTHODOC^T ^M 手術前プラニングワークステーションにより、外科医は、大腿骨の画像、典型的には、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャン画像を用いて、ワークステーション上で大腿骨プロテーゼの配置を計画することができるようになる。インプラントの配置が計画されると、ワークステーションは、同様にIntegrated Surgica l Systems，Inc.によって開発されたROBODOC^TM外科手術用ロボットシステムなどの、手術を行うように意図されたコンピュータ制御式ロボットシステムによって使用されるデータを生成する。改訂人工股関節全置換術を行うための改良されたシステムおよび方法を提供することが望ましいであろう。罹患率および外科的合併症発現率を低下させ、できるだけ多くの大腿骨を保持し、手術時間および入院期間を短縮し、総コストを削減する、改訂人工股関節全置換術を行うためのシステムおよび方法を提供することが特に望ましいであろう。２．背景技術の説明改訂人工股関節全置換手術における骨セメント除去の従来の技術は、（１）Lo mbardi，Jr.，A．：「Cement Removal in Revision Total Hip Arthroplasty」、 Seminars in Arthroplasty、Volume 3、No．4、pp．264-272、1992年10月に記載されている。 ORTHODOC^TM手術前プラニングワークステーションおよびROBODOC^TMロボット外科手術用システムは、以下の文献を含む多数の文献に記載されている。（２）Ka zanzides，P.、Zuhars，J.、Mittelstadt，B.D.、Taylor，R.H.：「Force Sensi ng and Control for a Surgical Robot」、Proc．IEEE Conference．on Robotic s & Automation、pp．612-616、フランス、ニース（Nice）、1992年5月；（３） Kazanzides，P.、Zuhars，J.、Mittelstadt，B.D.、Williamson，B.、Cain，P. 、Smith，F.、Rose，L.、Mustis，B.：「Architecture of a Surgical Robot」、Proc．IEEE Conference．on Systems，Man，and Cybernetics、イリノイ州、シカゴ（Chicago）、pp.1624-1629、1992年10月；（４）Paul，H.A.、Bargar，W .L.、Mittelstadt，B.、Musits，B.、Taylor，R.H.、Kazanzides，P.、Zuhars， J.、Williamson，B.、Hanson，W.：「Development of a Surgical Robot For Ce mentless Total Hip Arthroplasty」、Clinical Orthopaedics、Volume 285、pp ．57-66、1992年12月；（５）Kazanzides，P.、Mittelstadt，B.D.、Zuhars，J. 、Cain，P.、Paul，H.A.、「Surgical and Industrial Robots:Comparison and Case Study」、Proc．International Robots and Vision Automation Conferenc e、pp．1019-1026、ミシガン州、デトロイト（Detroit）、1993年4月；（６）Mi ttelstadt，B.、Kazanzides，P.、Zuhars，J.、Williamson，B.、Pettit，R.、C ain，P.、Kloth，D.、Rose，L.、Musits，B.：「Development of a surgical ro bot for cementless total hip replacement」、Robotica,．Volume 11、pp．55 3-560、1993；（７）Mittelstadt B.、Kazanzides，P.、Zuhars，J.、Cain，P. 、Williamson，B.：「Roboticsurgery:Achieving predictable results in an u npredictable environment」、Proc．Sjxth International Conference on Adva nced Robotics．pp．367-372、東京、1993年11月；（８）Cain，P.、Kazanzides ，P.、Zuhars，J.、Mittelstadt，B.、Paul，H.：「Safety Considerations in a Surgical Robot」、Biomedical Sciences Instrumentation、Volume 29、pp． 291-294、テキサス州、サンアントニオ（San Antonio）、1993年4月；（９）Mit telstadt，B.D.、Kazanzides，P.、Zuhars，J.、Williamson，B.、Cain，P.、Sm ith, F.、Bargar，W.：「The Evolution of A Surgical Robot From Prototype to Hu man Clinical Use」、Proc．First International Symposium on Medical Robot ics and Computer Assisted Surgery、Volume I、pp．36-41、ペンシルバニア州、ピッツバーグ（Pittsburgh）、1994年9月。ロボット手術における画像登録およびその他の手順を記載する他の刊行物には、 W.M.、Ettinger，G.J.、White，S.J.、Kikinis，R.：「Automated Registration for Enhanced Reality Visualization in Surgery」、Proceedings of the Fir st International Symposium on Medical Robotics and Computer Assisted Sur gery、Volume I、Sessions I-III，pp．82-89、ペンシルバニア州、ピッツバーグ、1995年9月22日〜24日；（１１）Nolte，L.P.、Zamorano，L.J.、Jiang，Z. 、Wang，Q.、Langlotz，F.、Arm，E.、Visarius，H.：「A Novel Approach to C omputer Assisted Spine Surgery」、Proceedings of the First International Symposium on Nedical Robotics and Computer Assisted Surgery、Volume II 、Session IV、pp．323-328、ペンシルバニア州、ピッツバーグ、1994年9月22日〜2 P.：「Computer Assisted Spine Surgery:a technique for accurate transpedi cular screw fixation using CT data and a 3-D optical localizer」、Procee djngs of the First International Symposium on Medical Robotics and Compu ter Assisted Surgery、Volume II、Session IV、pp．315-321、ペンシルバニア州ピッツバーグ、1994年9月22日〜24日；(13)Potamianos，P.、Davies，B.L.、H ibberd，R.D.：「Intra-Operative Imaging Guidance For Keyhole Surgery Met hodology and Calibration」、Proceedings of the First International Sympo sium on Medical Robotics and Computer Assisted Surgery、Volume I、Sessio ns I-III、pp．98-104、ペンシルバニア州、ピッツバーグ、1994年9月22日〜24 日；（１４）Simon，D.A.、Hebert，M.、Kanade，T.：「Techniques for Fast a nd Accurate Intra-Surgical Registration」、Proceedings of the First Inte rnational Symposium on Medical Robotics and Computer Assisted Surgery、V olume I、Sessions I-III，pp．90-97、ペンシルバニア州、ピッツバーグ、 S.、Champleboux，G.、Cinquin，P.、Grand，S.：「Accurate Registration of SPECT and MR brain images of patients suffering from epilepsy or tumor」、Proceedings of the First International Symposium on Medical Robotics a nd Computer Assisted Surgery、Volume II、Session IV、pp．58-62、ペンシルバニア州、ピッツバーグ、1995年9月22日〜24日；（１６）Lea，J.T.、Watkins ，D.、Mills，A.、Peshkin，M.A.、Kienzle III，T.C.、Stulberg，D.S.：「Reg istration and Immobilization for Robot-Assisted Orthopaedic Surgery」、P roceedings of the First International Symposium on Medical Robotics and Computer Assisted Surgery、Volume I，Sessions I-III．pp．63-68、ペンシルバニア州、ピッツバーグ、1995年9月22日〜24日；（１７）Ault，T.、Siegel，M .W.：「Frameless Patient Registration Using Ultrasonic Imaging」、Procee djngs of the First International Symposium on Medical Robotics and Compu ter Assisted Surgery、Volume I、Sessions I-III、pp．74-81．ペンシルバニア S.、Cinquin，P.：「An Optical Conformer for Radiotherapy Treatment Plann ing」、Proceedings of the First International Symposium on Mdical Roboti cs and Computer Assisted Surgery、Volume I、Sessions I-III、pp．69-73、ペンシノレバニア州、ピッツバーグ、1995年9月22日〜24日；ロボットにより援助される手術を行うためのシステムおよび方法は、米国特許第5,086,401号に記載されている。コンピュータにより援助される撮像およびブローブトラッキングシステムは、米国特許第5,383,454号、米国特許第5,198,877 号、および第WO91/07726号に記載されている。発明の要旨本発明は、骨セメントおよびその他の材料を取り除いて骨プロテーゼ、典型的には、股関節置換術、膝置換術などにおいて用いられる骨プロテーゼを置き換えるための、コンピュータにより実現されるシステムおよび方法を提供する。本発明による、コンピュータを援用した骨プロテーゼ置き換え方法は、骨の画像データを入力として受け取るステップと、該画像データにおいて、取り出すための第１の骨プロテーゼを囲む材料の境界輪郭を識別するステップと、該境界輪郭からシステム輪郭を生成するステップとを包含し、該システム輪郭は、第２の骨プロテーゼを収容するために該骨に切削されるべきキャビティを特定する。該キャビテイは、外科手術用ロボットによって切削または機械加工され得る。ある実施形態では、本発明による、コンピュータを援用した骨プロテーゼ置き換え方法は、骨を撮像して、画像データを生成するステップと、該画像データにおいて、取り出すための第１の骨プロテーゼを囲む材料の境界輪郭を識別するステップと、該境界輪郭からシステム輪郭を生成するステップとを包含し、該システム輪郭は、第２の骨プロテーゼを収容するために該骨に切削されるべきキャビティを特定し、該システム輪郭によって特定された該キャビティを切削するステップと、該第２の骨プロテーゼを該キャビティにインプラントするステップとをさらに包含する。本発明のその他の特徴および利点は、添付の図面とともに以下の説明を読めば容易に明らかになるであろう。図面の簡単な説明図１は、人工股関節全置換手術プロテーゼを示す。図２は、本発明のソフトウェアを実行することができるコンピュータシステムの実施例を示す。図３は、典型的なコンピュータシステムのシステムブロック図である。図４は、手術前プラニングコンポーネントおよび外科手術用コンポーネントを含むロボット外科手術用システムのアーキテクチヤを示す。図５は、改訂人工股関節全置換手術を行う高レベルフローチャートを示す。図６は、境界輪郭、システム輪郭および３次元（３Ｄ）輪郭モデルの実施例を示す。図７は、骨セメントの除去を特定するプランファイルを生成するプロセスの高レベルフローチャートを示す。図８は、前断面図、側面断面図および横断面図を示すスクリーンディスプレイである。図９は、新しいプロテーゼのために切削されるべきキャビティを規定する改訂プロセスのフローチャートを示す。図１０Ａ〜図１０Ｄは、切削キャビティの規定を示すスクリーンディスプレイである。そして、図１１は、古い大腿骨プロテーゼを新しいプロテーゼと置き換えるためのプロセスのフローチャートを示す。特定の実施形態の詳細な脱明本発明は、改訂人工股関節全置換手術において、骨プロテーゼ、特に、大腿骨プロテーゼを置き換えるための、コンピュータにより実現されるシステムおよび方法を提供する。本発明により、外科医は、対話的作業環境で新しい大腿骨プロテーゼの配置を計画することが可能となる。対話的作業環境では、外科医は、骨セメントを識別し、セメント除去のためのカスタム切削方策を作り、残りの骨の安定性を評価し、除去される骨の量を最小にし、新しいインプラントが新しい大腿骨キャビティに挿入可能であることを確認し得る。図２は、本発明のソフトウェアを実行することができるコンピュータシステムの実施例を示す。図２は、モニター１０２、ディスプレイスクリーン１０４、キャビネット１０６、キーボード１０８およびマウス１１０を含むコンピュータシステム１００を示す。マウス１１０は、マウスボタン１１２のような１つ以上のボタンを有し得る。キャビネット１０６は、本発明を組み込むソフトウェアプログラム、患者情報、骨の画像データ、切削輪郭を規定するファイルなどのコンピュータで読み取り可能なコードを格納し且つ取り出すために用いられ得るフロッピードライブ１１４またはハードドライブ（図示せず）を収容する。フロッピーディスケット１１６は、取り出し可能な媒体として示されているが、ＣＤ−ＲＯＭ、テープおよびフラッシュメモリなどのその他の取り出し可能な有形媒体を用いてもよい。キャビネット１０６はまた、プロセッサ、メモリなどのよく知られたコンピュータコンポーネント（図示せず）を収容する。図３は、コンピュータシステム１００のシステムブロック図を示す。図２に示されるように、コンピュータシステム１００は、モニタ１０２およびキーボード１０８を含む。コンピュータシステム１００は、中央処理装置１５２、システムメモリ１５４、Ｉ／Ｏコントローラ１５６、ディスプレイアダプタ１５８、取り出し可能なディスク１６０、固定ディスク１６２、ネットワークインタフェース１６４、およびスピーカー１６６などのサブシステムをさらに含む。本発明で使用するのに適切なその他のコンピュータシステムは、さらなるサブシステム、またはより少ないサブシステムを含み得る。例えば、別のコンピュータシステムは、２つ以上のプロセッサ１０２（即ち、マルチプロセッサシステム）、またはキャッシュメモリを含み得る。１６８などの矢印は、コンピュータシステム１００のシステムバスアーキテクチャを表す。しかし、これらの矢印は、サブシステムをリンクする役割を果たす任意の相互接続機構を示す。例えば、ローカルバスは、中央処理装置を、システムメモリおよびディスプレイアダプタに接続するために使用され得る。しかし、図３に示されるコンピュータシステム１００は、本発明で使用するのに適切なコンピュータシステムの一実施例にすぎない。本発明で使用するのに適切なサブシステムのその他の構成は、当業者に容易に明らかとなるであろう。好適な実施形態では、本発明は、UNIXオペレーティングシステムを実行するIB M RS/6000コンピュータにおいて動作する。しかし、本発明は、いかなるコンピュータアーキテクチャまたはオペレーティングシステムにも限定されず、以下に示す実施形態の説明は、例示の目的のものであって、本発明を限定する目的のものではない。図４は、本発明の方法を実現することができる手術前プラニングコンポーネントおよび手術用コンポーネントを含むロボット外科手術用システムのアーキテクチャを示す。改訂人工股関節全置換手術用のシステム２００は、手術前プラニングワークステーション２０２および外科手術用ロボットシステム２０４を含み得る。好適な実施形態では、手術前プラニングワークステーションは、IBM RS/600 0コンピュータを含むORTHODOC^TM手術前プラニングワークステーションである。好適な実施形態では、外科手術用ロボットシステムは、ROBODOC^TM外科手術用ロボットシステムである。以下、ORTHODOC^TM手術前プラニングワークステーションおよびROBODOC^TM外科手術用ロボットシステムを用いる好適な実施形態を参照して、本発明を説明する。しかし、その他のシステムを用いてもよく、従って、この説明は例示の目的のものであって、本発明を限定する目的のものではない。大腿骨の整列については、外科手術用ロボットシステムは、大腿骨の遠位（下方）端への一対の金属ピンの外科的インプラント、および骨の近位端への別の金属ピンの外科的インプラントに頼る。これらのピンは、骨のＣＴ画像で容易に明らかとなるため、これらのピンを頼りにして、マニピュレータアームに配置されたプローブをピンの各々に対して係合することによって、骨画像にロボット座標空間を登録することができる。従って、手術前に、ピンの設置２０６が行われ、その後、ＣＴスキャン２０８が行われる。ＣＴスキャンからの画像データは、磁気テープ２１０に格納される。手術前プラニングワークステーション２０２は、ＣＴスキャンデータを読み取り、そのデータを患者ファイル２１２のデータベースに格納する。以下、本発明を、ＣＴスキャンを使用するものとして説明するが、Ｘ線などのその他の撮像技術を用いてもよい。異なる大腿骨プロテーゼのインプラント設計は、フロッピーディスク２１４に格納され得る。典型的には、インブラント設計は、製造業者から入手可能であり得るコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）モデルの形態である。手術前プラニングワークステーション２０２は、インプラント設計を読み取り、このインプラント設計をインプラントファイル２１６のデータベースに格納する。手術前プラニングワークステーションは、患者ファイルおよびインプラントファイルからのデータを用いて、外科医が、改訂人工股関節全置換の手術プラニング２１８を行うことができるようにする。手術プラニングの細部について、以下により詳細に説明する。手術プラニングは、切削バイナリファイルおよび体積チェックファイル（ch eck volume file）を含み得るプランファイル２２０を生成する。プランファイルは、外科手術用ロボットシステムによる使用のために、デジタルテープ２２２に入れられ得る。外科手術用ロボットシステム２０４は、ロボットコントローラ２２４（典型的には、プログラマブルコンピュータの形態のデジタルプロセッサである）、安全プロセッサ２２６、リアルタイムモニタコンピュータ２２８、およびロボット２３０を含む。ロボットは、操作可能なアーム２３２を有し、好ましくは少なくとも５本の軸を有し、高精度の配置が可能な任意の従来の産業ロボットであり得る。適切なロボットは、Sankyo Roboticsからモデル名SR-5427-ISSで入手可能である。本発明において使用するために、アーム２３２の遠位端には、力センサ２３４が装着され、大腿骨プロテーゼ２３８のためのキャビティを切削するために、力センサには、プローブ２３６の形態の実行部（effector）もしくは、外科用切削工具（図示せず）が取り付けられ得る。外科手術用ロボットシステムは、ディスプレイモニタおよび骨動きモニタ（いずれも図示せず）をさらに含む。力センサ、安全プロセッサ、リアルタイムモニタ、および骨動きモニタの各々は、大腿骨が固定装置アセンブリ（図示せず）において適所に保持されている間、操作可能アーム２３２の実行部端の位置、すべり、および妨害のモニタを助ける。これらのパラメータのリアルタイムモニタリングは、ロボットシステムが計画通りに動作していることを保証する助けとなる。これらのモニタリングシステムの詳細は、ROBODOC^TMロボット外科手術用システムを示している上記文献に記載されている。図５は、改訂人工股関節全置換手術を行う際の高レベルのフローチャートを示す。図５のフローチャートは、読み手に本発明の広い概要を与える高レベルのものである。本発明のより詳細な局面について、以下に図を参照して説明する。ステップ３０２で、システムは、患者の大腿骨の画像データを、入力として受け取る。画像データとしては、ＣＴスキャン、Ｘ線、などがあり得る。この画像データを用いて、システムは、大腿骨の多数の図をディスプレイスクリーンに表示する。これにより、外科医は、この多数の図を用いて、新しい大腿骨プロテーゼを選択し、インプラントの配置を決定することができる。外科医が新しいインプラントの適合および配置に満足すると、セメント除去が計画され得る。ステップ３０４で、外科医は、除去するための骨セメント（またはその他の材料）の境界輪郭を識別する。「境界輪郭」という用語は、骨セメントの境界を示す、ユーザにより選択された（または、コンピュータにより選択された）領域を意味する。境界輪郭は、必ずしも骨セメントの厳密な外形ではなくてもよく、骨セメントの境界を示す領域をより一般的に規定するものである。好適な実施形態では、境界輪郭は、大腿骨の軸を横切る断面上で骨セメントの境界を示す、ユーザにより選択された点によって規定される。しかし、コンピュータを用いて、ユーザに境界輪郭の初期推定値を示してもよい。システムは、ステップ３０６で、境界輪郭からシステム輪郭を生成する。「システム輪郭」という用語は、新しいプロテーゼのための切削キャビティを表す、コンピュータにより生成された領域を意味する。システムは、境界輪郭を分析し、ロボットが境界輪郭によって規定されるキャビティを機械加工または切削することができるかどうかを判定することによって、システム輪郭を生成する。システムが、ロボットがキャビティを機械加工できないと判定すると、システムは、キャビティがロボットによって機械加工され得るように、システム輪郭を変える。上記ステップは、改訂人工股関節全置換手術のための手術前プラニングの一部分である。ステップ３０８で、ロボットにより補助される手術を行い、新しい大腿骨プロテーゼをインプラントする。手術の間、外科医は、最初に大腿骨を露出させ、ロボットを大腿骨に取り付ける。その後、ロボットは、新しいキャビティを機械加工し、骨セメントを除去し、新しいインプラントのための準備をする。キャビティが機械加工されると、外科医は、新しい大腿骨プロテーゼをインプラントし、切開を閉じる。図６は、境界輪郭、システム輪郭、および３Ｄ輪郭モデルの２つの実施例を示す。図６では、キャビティは、上から下に切削され、境界輪郭は、骨セメントの境界を示す異なる深さの領域を規定する。実施例Ａの場合、システムは、境界輪郭を分析し、外科手術用ロボットがキャビティを機械加工することを可能にするためには、第１の深さのシステム輪郭が、対応する境界輪郭よりも大きくなければならないと判定する。３Ｄ輪郭モデルは、切削されるキャビティの３次元表示を示す。実施例Ｂの場合、システムは、境界輪郭を分析し、外科手術用ロボットがキャビティを機械加工することを可能にするためには、システム輪郭を境界輪郭から変える必要がないと判定する。同様に、３Ｄ輪郭モデルは、切削されるキャビテイの３次元表示を示す。システムは、異なるカッター角（cutter angle）を分析して、境界輪郭によって規定されるキャビティを機械加工できるかどうかを判定してもよい。図７は、骨セメントの除去を特定するプランファイルを生成するプロセスの高レベルのフローチャートを示す。ステップ４０２で、システムは、データベースから患者データをロードする。患者データは、患者の大腿骨のＣＴスキャン画像およびその他の情報を含み得る。システムは、ステップ４０４で、前断面図、側面断面図および横断面図をスクリーンディスプレイに表示する。図８は、前断面図、側面断面図および横断面図を示すスクリーンディスプレイである。スクリーンディスプレイ１０４は、前断面図４５２、側面断面図４５４、および横断面図４５６を含む。さらに、スクリーンディスプレイは、３Ｄ図４５８を含む。再び図７を参照して、外科医は、ステップ４０６で、スクリーンディスプレイ上に、大腿骨頭またはインプラントヘッドをマークする。外科医は、古い大腿骨プロテーゼの大腿骨頭をマークしてもよい。その後、マークされた大腿骨頭は、大腿骨の図を整列させるために用いられ得る。さらに、マークされた大腿骨頭は、ユーザに、インプラントを行っている間の適切なインプラント回転についてのガイドを与え得る。外科医またはユーザは、ステップ４０８で、データベースから新しい大腿骨プロテーゼを選択する。新しいプロテーゼを選ぶと、ユーザは、ディスプレイスクリーン上の多数の図を用いて、大腿骨中でのプロテーゼの位置を選択する。１つの図において、ユーザは、プロテーゼを垂直方向もしくは水平方向に移動させるか、またはプロテーゼを回転させ得る。その他の図は、プロテーゼの新しい場所を反映するように更新される。ユーザは、選択されたインプラントおよびこのインプラントの大腿骨中での位置に満足すると、ステップ４１２で、改訂プロセスを開始する。改訂プロセスは、外科手術用ロボットによって機械加工されたキャビティを規定するプロセスであり、図８に示されるようなプルダウンメニューエントリを用いることによって呼び出される。改訂プロセスは図９に示される。以下、図９について説明する。図９は、新しいプロテーゼのために切削されるべきキャビティを規定する改訂プロセスのフローチャートを示す。ステップ５０２で、ユーザは、輪郭の示したい軸方向位置を選択する。ユーザが軸方向位置を選択すると、システムは、大腿骨の軸を横切る断面を表示する。この断面を用いて、ユーザは、この断面で古いインプラントの境界を示す骨セメントの量および場所を見ることができる。ステップ５０４で、ユーザは、この断面における骨セメントの周りの境界輪郭を規定する。ユーザは、大腿骨／骨セメント界面の周りまたはこの界面上の点を選択することによって、境界輪郭を規定する。ユーザは、典型的には、骨セメントの周りの多数の点を選択するが、点の数は、断面に存在する骨セメントの量、骨セメントの場所、この断面の大腿骨軸上での位置、およびユーザの裁量などの多数のファクタによって決定され得る。ある実施形態では、システムはまず、骨／セメント界面を識別し、その後、骨セメントの周りの境界輪郭についての初期推定値を自動的に生成する。ユーザは、その後、これらの境界輪郭を受け入れるか、または境界輪郭を変更し得る。ユーザが、断面について境界輪郭を規定し終わると、ユーザは、ステップ５０６で、より多くの境界輪郭を規定するべきであるかどうかを決定する。より多くの境界輪郭を規定するべきであれば、ユーザは、ステップ５０２で、輪郭を示したい別の軸方向位置を選択する。典型的には、ユーザは、大転子から、上から下の順に軸方向位置を選択する。しかし、ユーザは、任意の方向または順序で境界輪郭を規定することを選択し得る。ユーザが境界輪郭を規定し終わると、システムは、ステップ５０８で、システム輪郭を生成する。システム輪郭は、機械加工されるべき切削キャビティを表す。システムは、境界輪郭を分析し、ロボットが境界輪郭によって規定されるキャビティを機械加工または切削できるかどうか判定することによって、システム輪郭を生成する。システムがロボットがキャビティを機械加工できないと判定すると、システムは、キャビティがロボットによって機械加工され得るようにシステム輪郭を変える。ある実施形態では、システムはまた、新しいインプラントが新しい大腿骨キャビティに挿入可能であることを確認する。ステップ５１０で、システムは、システム輪郭によって規定される切削経路の３Ｄモデルを表示する。システムはまた、ステップ５１２で、ディスプレイスクリーン上に、切削経路のスライスされた３Ｄモデルを断面図で表示する。ステップ５１０および５１２の順序が絶対のものではなく、従って、これらのステップおよびその他のステップの順序は、本発明の範囲から逸脱することなく変更され得ることは、容易に明らかになるはずである。ある実施形態では、システムは、断面図において、境界輪郭を１つの色（例えば、青）で表示し、システム輪郭を別の色（例えば、赤）で表示する。これにより、ユーザは、異なる輪郭領域をより簡単に識別することができるようになる。ユーザは、ステップ５１４で、軸方向位置を問い合わせし得る。ユーザは、境界輪郭または新しい軸方向位置を形成するために用いられた軸方向位置を選択し得る。ユーザが軸方向位置を選択すると、システムは、大腿骨の軸を横切る断面を表示する。この断面を用いて、ユーザは、この断面で古いインプラントの境界を示す骨セメントの量および場所を、関連する境界輪郭（この軸方向位置で規定されている場合）およびシステム輪郭とともに、見ることができる。ユーザは、境界輪郭またはシステム輪郭を変えたければ、ステップ５１６でその選択をすることができる。ユーザは、軸方向位置を問い合わせして、既存の境界輪郭を変更し得る（例えば、境界輪郭を規定する点の調整、追加、または削除）。さらに、ユーザは、軸方向位置を問い合わせして、新しい軸方向位置での新しい境界輪郭を追加し得る。一旦ユーザが境界輪郭を変えると、この変更は、切削キャビティを規定するシステム輪郭に影響を及ぼし得る。再び図７を参照して、改訂プロセスの後、ユーザは、ステップ４１４で、新しいインプラントのための切削キャビティが満足のいくものであるかどうかを示す。切削キャビティまたはインプラントが満足のいくものでなければ、ユーザは、任意の数だけ、前のステップに戻り得る。図７に示されるように、ユーザは、新しい大腿骨プロテーゼの場所が変えられ得るステップ４１０に戻り得る。あるいは、ユーザは、ステップ４０８またはその他のステップで、異なるプロテーゼを選択し得る。切削キャビティおよびインプラントが満足のいくものであれば、ステップ４１６で、システムは、切削バイナリファイルおよび体積チェックファイルを含むプランファイルを生成する。ユーザが切削キャビティおよびインプラントが満足のいくものであるかどうかを判断するのを助けるために、ユーザは、システムに、合成Ｘ線を生成するよう指示し得る。この場合、システムは、古いインプラントを取り除き、新しい切削キャビティおよびインプラントを置く。このようにして、ユーザは、手術後の新しいインプラントのＸ線のシミュレーションを見ることができる。切削バイナリファイルは、新しいプロテーゼのためのキャビティを機械加工する際に、外科手術用ロボットに指示を与えるファイルである。体積チェックファイルは、安全面の支持のために、切削キャビティの体積およびその他の特性（幅、深さ、高さなど）を含み得るファイルである。外科手術用ロボットが、体積チェックファイルの値を越える体積または特性を有するキャビティを機械加工しようとすると、外科手術用ロボットは自動的に停止する。従って、体積チェックファイルは、外科手術用ロボットが、選択されたキャビティとは異なるキャビティを機械加工することを防ぐように意図された特別な安全機構を与える。上記説明は、新しい大腿骨キャビティを作るためのプランファイルを生成するために行われ得るステップの一般的な説明である。これらのステップの幾つかをより明確に示すために、図１０Ａ〜図１０Ｄは、切削キャビティの規定を示すスクリーンディスプレイである。図１０Ａは、前断面図ウィンドウ５５０を有するスクリーンディスプレイ１０４を示す。ウィンドウ５５０では、大腿骨１６は、インプラントされた大腿骨プロテーゼ１８（図１を参照して説明した）を有する。大腿骨プロテーゼの周りには、大腿骨キャビティに大腿骨プロテーゼを固着するための骨セメント５５２が様々な厚さで存在する。ウィンドウ５５０はまた、図示されるようなｘ軸およびｚ軸を含む。これらの異なる図において識別するために、前断面図における水平方向の軸をｘ軸と呼び、断面図（図示せず）に直交する軸をｙ軸と呼び、垂直方向の軸をｚ軸と呼ぶ。横断面図ウィンドウ５５４は、大腿骨の横断面図を示す。横断面図では、大腿骨プロテーゼ１８は、大腿骨１６との界面となる骨セメント５５２によって囲まれる。約１３個の点（小さい円で示された点および矢印のアイコンで示された点）は、この軸方向位置（即ち、ウィンドウ５５０のｘ軸によって規定される軸方向位置）での境界輪郭を規定する。システムは、これらの点に従って境界輪郭を生成する（例えば、点をつなぐことによって行われ得る）。ウィンドウ５５４はまた、ｘ軸およびｙ軸を含む。３Ｄモデル図ウィンドウ５５６は、切削キャビティを３Ｄで示す。現在の位置でのシステム輪郭は、図示されているように、５５８で強調される。図１０Ａでは、ユーザは、選択された軸方向位置での第１の境界輪郭を規定している。図１０Ｂは、ユーザがｘ軸で示される第２の軸方向位置での第２の境界輪郭を規定したスクリーンディスプレイ１０４を示す。スクリーンディスプレイは、前断面図ウィンドウ５５０、横断面図ウィンドウ５５４、および３Ｄモデル図ウィンドウ５５６を示す。ウィンドウ５５４は新しい境界輪郭を示し、ウィンドウ５５６は切削キャビティを３Ｄ透視図で示す。図１０Ｃは、ユーザが５つの境界輪郭を規定した後の前断面図ウィンドウ５５０、横断面図ウィンドウ５５４、および３Ｄモデル図ウィンドウ５５６を有するスクリーンディスプレイ１０４を示す。ウィンドウ５５６は、切削キャビティを３Ｄ透視図で示す。図１０Ｄは、図１０Ｃと同様のスクリーンディスプレイを示している。但し、図１０Ｄのスクリーンディスプレイでは、ユーザは前断面図ウィンドウ５５０および横断面図ウィンドウ５５４を拡大している。さらに、ユーザは、プルダウンメニューを用いて、キャビティを切削するために用いられる切削工具のサイズを選択している。システムは、切削工具のサイズを用いてシステム輪郭を生成する。図１１は、古い大腿骨プロテーゼを新しいプロテーゼと置き換えるプロセスのフローチャートを示す。簡略化のために、以下では、大腿骨プロテーゼを置き換えるプロセスを簡単にしか説明しない。ここでは寛骨臼の置き換えについては説明しないが、この置き換えは、従来の方法によって、または本発明の原理を用いることによって行われ得る。ステップ６０２で、外科手術用ロボットシステムは、切削バイナリファイルおよび体積チェックファイルを含むプランファイルを受け取る。手術前プラニングワークステーション用のコンピュータシステム、および外科手術用ロボットシステムは、同一のコンピュータであってもよいが、好適な実施形態では、これらのシステムは異なるコンピュータであり、１つはORTHODOC^TM手術前プラニングワークステーションにあるコンピュータであり、１つはROBODOC^TM外科手術用ロボットシステムにあるコンピュータである。手術室において、外科医は、ステップ６０４で、従来の手術を行い、大腿骨を露出させる。大腿骨が露出されると、外科医は、ステップ６０６で、古い大腿骨プロテーゼを遊離するまたは取り出す。古いインプラントを取り出すために用いられる方法は、多数のファクタに依存して変わり得る。しかし、１つの方法は、プロテーゼを槌またはハンマーで打ち、骨セメントを外す工程を含む。その後、外科医は、スチールパンチ、バイスグリップ式装置などのような手工具を用いて、プロテーゼを取り出し得る。ステップ６０８で、外科手術用ロボットは、大腿骨に取り付けられ、新しい切削キャビティを作るまたは機械加工する。外科手術用ロボットは、大腿骨上の金属ピンの場所を用いて、大腿骨をＣＴスキャンデータに登録する。外科手術用ロボットが、キャビティの切削のために配置されると、外科医は、バイナリ切削ファイルに規定されたキャビティを切削するよう、外科手術用ロボットに指示し得る。体積チェックファイルは、機械加工されているキャビティが手術前プラニングワークステーションで設計されたキャビティと異なる場合に外科手術用ロボットが非活性化されるような安全機構を与える。外科手術用ロボットを用いて大腿骨にキャビティを切削する一般的な手順は、ROBODOC^TM外科手術用ロボットシステムを記載している上記文献に、より詳細に説明されている。ステップ６１０で、新しい大腿骨プロテーゼがインプラントされる。新しいプロテーゼがインプラントされた後、外科医は、患者の切開を閉じる。上記説明は、本発明の特定の実施形態の完全な説明であるが、様々な改変、別の構成、およびそれと同等のものを用いてもよい。例えば、本発明は、膝置換手術のような骨プロテーゼを置き換えるための、その他の外科手術処置においても用いられ得る。さらに、境界輪郭は、骨セメント以外の材料を除去するために規定され得る。従って、本発明の範囲は、上記説明を参照して判断されるべきではなく、添付の請求の範囲を、それと同等なものの完全な範囲とともに参照して判断されるべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ

Claims

【特許請求の範囲】１．コンピュータシステムにおいて、骨プロテーゼを置き換える方法であって、骨の画像データを入力として受け取るステップと、該画像データにおいて、取り出すための第１の骨プロテーゼを囲む材料の境界輪郭を識別するステップと、該境界輪郭からシステム輪郭を生成するステップとを包含し、該システム輪郭は、第２の骨プロテーゼを収容するために該骨に切削されるべきキャビティを特定する、方法。２．前記境界輪郭は、様々な深さの複数の領域を特定する、請求項１に記載の方法。３．前記境界輪郭から前記システム輪郭を生成するステップは、前記キャビティの切削を可能にするために、ある深さの領域を拡大するステップを包含する、請求項２に記載の方法。４．外科手術用ロボットによって前記骨に前記キャビティを切削するために用いられる切削ファイルを生成するステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。５．前記キャビティの所望の特性を特定するチェックファイルを生成するステップをさらに包含する、請求項４に記載の方法。６．手術中、前記キャビティが前記所望の特性を越えると、前記外科手術用ロボットを自動的に停止させるステップをさらに包含する、請求項５に記載の方法。７．前記第２の骨プロテーゼが前記キャビティに挿入可能であることを確認するステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。８．ユーザから入力を受け取り、複数のプロテーゼから前記第２の骨プロテーゼを選択するステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。９．前記骨の複数の断面図をディスプレイスクリーンに表示するステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。１０．前記複数の断面図に前記境界輪郭および前記システム輪郭を表示するステップをさらに包含する、請求項９に記載の方法。１１．ユーザから入力を受け取り、所望の場所の断面図を生成するステップをさらに包含する、請求項１０に記載の方法。１２．前記キャビティの３次元モデルをディスプレイスクリーンに表示するステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。１３．ユーザから入力を受け取り、前記境界輪郭を変更するステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。１４．骨プロテーゼを置き換えるためのコンピュータプログラム製品であって、骨の画像データを入力として受け取るための、コンピュータで読み取り可能なコードと、該画像データにおいて、取り出すための第１の骨プロテーゼを囲む材料の境界輪郭を識別するための、コンピュータで読み取り可能なコードと、該境界輪郭からシステム輪郭を生成するための、コンピュータで読み取り可能なコードとを含み、該システム輪郭は、第２の骨プロテーゼを収容するために該骨に切削されるべきキャビティを特定し、該コンピュータで読み取り可能なコードを格納するための有形媒体をさらに含む、製品。１５．骨プロテーゼを置き換える方法であって、骨を撮像して、画像データを生成するステップと、該画像データにおいて、取り出すための第１の骨プロテーゼを囲む材料の境界輪郭を識別するステップと、該境界輪郭からシステム輪郭を生成するステップとを包含し、該システム輪郭は、第２の骨プロテーゼを収容するために該骨に切削されるべきキャビティを特定し、該システム輪郭によって特定された該キャビティを切削するステップと、該第２の骨プロテーゼを該キャビティにインプラントするステップとをさらに包含する、方法。１６．前記境界輪郭は、様々な深さの複数の領域を特定する、請求項１５に記載の方法。１７．前記境界輪郭から前記システム輪郭を生成するステップは、前記キャビティの切削を可能にするために、ある深さの領域を拡大するステップを包含する、請求項１６に記載の方法、１８．外科手術用ロボットによって前記骨に前記キャビティを切削するために用いられる切削ファイルを生成するステップをさらに包含する、請求項１５に記載の方法。１９．前記キャビティの所望の特性を特定するチェックファイルを生成するステップをさらに包含する、請求項１８に記載の方法。２０．手術中、前記キャビティが前記所望の特性を越えると、前記外科手術用ロボットを自動的に停止させるステップをさらに包含する、請求項１９に記載の方法。２１．前記第２の骨プロテーゼが前記キャビティに挿入可能であることを確認するステップをさらに包含する、請求項１５に記載の方法。２２．ユーザから入力を受け取り、複数のプロテーゼから前記第２の骨プロテーゼを選択するステップをさらに包含する、請求項１５に記載の方法。２３．前記骨の複数の断面図をディスプレイスクリーンに表示するステップをさらに包含する、請求項１５に記載の方法。２４．前記複数の断面図に前記境界輪郭および前記システム輪郭を表示するステップをさらに包含する、請求項２３に記載の方法。２５．ユーザから入力を受け取り、所望の場所の断面図を生成するステップをさらに包含する、請求項２４に記載の方法。２６．前記キャビティの３次元モデルをディスプレイスクリーンに表示するステップをさらに包含する、請求項１５に記載の方法。２７．ユーザから入力を受け取り、前記境界輪郭を変更するステップをさらに包含する、請求項１５に記載の方法。２８．骨プロテーゼを置き換えるためのシステムであって、骨の画像データを格納するための記憶装置と、該記憶装置に結合され、ユーザが、骨において、取り出すための第１の骨プロテーゼを囲む材料の境界輪郭を識別することを可能にするユーザインタフェースと、該記憶装置および該ユーザインタフェースに結合され、第２の骨プロテーゼを収容するために該骨に切削されるべきキャビティを特定する切削ファイルを生成するためのプロセッサと、該切削ファイルを受け取り、該第２の骨プロテーゼがインプラント可能になるように、該骨に、該切削ファイルによって特定された該キャビティを切削する外科手術用ロボットとを含む、システム。