JP4276175B2 - 前十字靭帯の脛骨側出口点をデータ処理システムによって演算する方法、および前十字靭帯の脛骨側出口点を決定するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、膝関節の前十字靭帯を置換するインプラントの出口点の脛骨上面における位置をデータ処理システムによって演算する方法に関する。本発明は、また、ナビゲーションシステムと、大腿骨及び脛骨に固定的に接続される標識要素と、ナビゲーションを受ける触知要素と、ナビゲーションシステムによって記録される位置データの供給を受けることが出来るデータ処理システムとを有する、膝関節の前十字靭帯を置換するインプラントの出口点の脛骨上面における位置を決定するための装置に関する。

膝関節の前十字靭帯をインプラントで置換する際、インプラントの位置を正確に定めることが非常に重要である。インプラントは、通常、例えば大腿骨及び頚骨に穿たれる穴に挿入することによって、その両端がそれぞれ適宜の方式で大腿骨及び脛骨に接続され、穿たれた穴の端点が大腿骨表面及び脛骨表面におけるインプラントの出口点となる。

ここで重要なことは、膝が運動するときに出口点の間の領域においてインプラントの長さができる限り不変であることである。言い換えると、インプラントの等長性が得られることである。このために、大腿骨面の幾何学的データ（形状データ）を走査して記憶し、この幾何学的データを使って出口点の位置を様々に変えた場合の等長性の変化を演算する方法及び装置によって、大腿骨におけるインプラントの出口点を決定することが公知である（特許文献１）。しかしながら、この方法の場合、大腿骨側の出口点の位置しか最適化することができない。すなわち、この公知の方法は、脛骨側におけるインプラントの出口点の選択には役立たない。

脛骨側における出口点の位置を決定する際の主要な問題となるのは、取り付けられた状態のときに、インプラントが膝のあらゆる姿勢において二つの出口点の間で自由でなければならないことである。したがって、インプラントと骨構造が接触するとインプラントが損傷を受ける可能性があることから、インプラントは骨構造例えば特定の大腿骨表面に接触してはならない。前十字靭帯及びこれを置換するインプラントは、通常、大腿骨関節の表面すなわち大腿顆の間の空間に配置される。この空間は切痕と呼称される。この切痕は、側方において大腿顆の側面を、また上側において上側蓋領域をその境界とし、この蓋領域は大腿骨の前側の突出した前縁を介して大腿骨の外側面まで延びている。前十字靭帯のインプラントの位置決めが適正でない場合、脚のある特定の位置においてこのインプラントと衝突し得るのはこの前縁であり、これはどのような場合にも避けなければならない。

これまで、外科医は、その経験に基づいて前十字靭帯の脛骨出口点の位置を選択してきたが、このような場合には、配置を誤った移植を確実に除外することはできない。

欧州特許第６０３０８９号公報

本発明の目的は、脚のあらゆる位置においてインプラントの自由な経路が保証されるように外科医が脛骨側出口点の位置を定めるのを助ける方法を提供することにある。

この目的は、本発明により、脛骨及び大腿骨の位置データがナビゲーションシステムによって決定され、脛骨上面に面する大腿骨の領域における幾何学的形状データが記録され、膝関節の前十字靭帯を置換するインプラントの出口点の位置データを演算するために前記形状データが前記脛骨及び大腿骨の位置データと共にデータ処理システムにおいて処理される、冒頭に記述したタイプの方法であって、
前記データ処理システムが、脚を曲げた状態での大腿骨における切痕の前縁に沿った複数の点の位置データを記憶するステップと、
前記データ処理システムが、脚を伸ばした状態での脛骨の長手方向軸線に対して直角を成す脛骨の上面領域における投射面に前記位置データとして記憶された点を投射した投射点を求め、該投射点に沿った投射曲線を演算するステップと、
前記データ処理システムが、前記投射曲線によって囲まれる領域内において、前記出口点を前記投射曲線から少なくとも前記インプラントの半径に対応する距離に維持するように前記出口点を選択するステップと、
を含む方法によって達成される。

出口点が実質的にＵ字形状のコースをとる投射曲線の領域内に位置する限り、どのような膝の運動に対してもインプラントが大腿骨の骨構造、特に切痕の前縁と衝突しないことが保証される。投射面は、この場合、大腿骨から様々な距離に選択することができる。その正確な位置は、この平面が脛骨上面領域内のみにある限り重要ではない。外科医にとって重要なことは、この平面において出口点に適する位置を見つけることだけであり、この情報は、平面を上下に数ミリ移動させれば得られる。

さらに、使用される前記インプラントの直径に対応する直径の円形領域を前記投射面に投影し、前記円形領域が前記投射曲線と交差しないように前記投射曲線によって囲まれる領域内で前記円形領域を移動させ、このようにして得られる前記円形領域の位置のうちの一つにおいて前記円形領域の中心点を前記インプラントの前記出口点として選択することができる。この前提条件によって、インプラントが、投射曲線によって囲まれる投射領域内の脛骨出口点の領域に常に位置することが保証され、大腿骨の骨組織との衝突も防止される。

前記出口点が前記投射曲線によって囲まれる前記領域のできる限り前部に位置し且つ前記投射曲線のできる限り近くに位置するように、前記出口点の位置を選択すれば、特に有利である。その結果、脛骨側出口点は、できる限り膝関節の正面側に、すなわち前側に動かされる。これによって膝関節の安定性を増加させる。しかし、大腿骨の骨組織との接触は防止される。

好ましい実施形態によれば、前記切痕の前記前縁に位置する前記点の位置データを記録するために、ナビゲーション（誘導）を受ける触知要素が使用される。ナビゲーションを受ける触知要素の位置は同様にナビゲーションシステムによって検出されるので、触知要素を切痕の前縁に配置し対応する位置データを記録するだけで、切痕の前縁のコース全体を逐一走査することができる。

さらに、切痕の前縁に沿った点の位置の検出の際に、前記前縁の画像をデータ処理システムの画像表示装置に表示し、位置データが記録されるべき点を前記画像表示装置上に示すことができる。これらの点は、触知要素の接触によって位置データが記録されるべき位置の提案となり得るが、これに代えて又はこれに追加して、外科医がどの領域において充分な位置データが記録されているか、またどの領域においてさらなる位置データを記録する必要があるかを知ることができるように、既に位置データが記録されている点をこの画像表示装置上に示すことも可能である。

前記投射曲線及び該投射曲線によって囲まれる前記領域を画像表示装置に示し、表示要素の移動可能な画像によって所望される前記出口点の位置を前記画像表示装置上で選択し、対応する位置データをデータ処理システムに記録すれば、この方法は外科医にとって特に容易になる。その後は、外科医は、この表示要素を投射曲線によって囲まれる領域内で所望の位置に移動させるだけで、所望される位置を記録することによって、外科医にとって好ましい脛骨出口点の位置を選択することができる。いずれにしても、大腿骨の骨組織と衝突することなく移植を行えることが保証される。

使用される前記インプラントの直径に対応する直径の円を特に前記表示要素として選択してもよい。例えば、手術前にインプラントの直径をデータ処理システムに入力し、これに記憶することができる。

本発明の目的は、脚を曲げた状態で記録される切痕の前縁に沿った複数の点に関する位置データを記憶することができるメモリと、脚を伸ばした状態で前記メモリに記憶される前記位置データと前記切痕の前記前縁のコースとを脛骨の長手方向軸線と直角を成す脛骨の上面領域の投射面に投射するコンピュータユニットとを特徴とする、冒頭に記述したタイプの装置によって達成される。これは、データ処理システムによって自動的に実行される処理であり、この処理によって、投射曲線によって囲まれ所望される出口点が位置する脛骨面上の領域が規定される。

この場合、前記コンピュータユニットが、使用される前記インプラントの直径に対応する直径の円形領域を投射面に投射し、前記円形領域が投射曲線と交差しないように前記投射曲線によって囲まれる領域内で前記円形領域を移動し、このようにして得られる前記円形領域の位置のうちの一つにおいて前記円形領域の中心点を前記インプラントの出口点として選択すれば、有利である。

特に、前記コンピュータユニットは、前記出口点が前記投射曲線によって囲まれる領域のできる限り前部に位置し且つ前記投射曲線のできる限り近くに位置する前記出口点の位置を選択することができる。

好ましい実施形態の場合、前記切痕の善意前縁に沿った点の位置の検出の際に、前記データ処理システムが前記データ処理システムの画像表示装置において前記前縁の画像を形成し、位置データが記録されるべき点を画像表示に示す。

コンピュータユニットが投射曲線及び該投射曲線によって囲まれる領域を画像表示装置に表示し、選択される前記出口点の位置に関する表示要素の移動可能な画像を前記画像表示装置に表示して、選択される位置に関する位置データをメモリに記憶すれば、有利である。特に、前記表示要素は、使用される前記インプラントの直径に対応する直径の円の形態を取ることができる。

本発明の好ましい実施形態の以下の記載は、添付図面と共に、より詳細な説明の役に立つ。
図面には、大腿骨１の遠位端部と脛骨２の近位端部とが示されており、これらが一つになって膝関節３を形成している。膝関節の他の部分は明確化のために省略されている。この部位において、大腿骨１は、関節の二つの隣接する領域、すなわち大腿顆４、５を形成し、その間に窩洞を形成している。この窩洞は、通常、切痕と呼称される。この切痕は、側方において、大腿顆４、５の側面を境界とする。上側においては、大腿骨１の長手方向軸線に対して斜めに蓋部８が延びている。正面側、すなわち前側において、切痕６は閉鎖しているのに対して、膝関節の後側においては、切痕は開放している。大腿顆４、５である関節の領域側では、切痕６は略Ｕ字形の前縁９をその境界としている。前縁は骨領域と軟骨領域との間の遷移部を形成し、外科医が触れやすく、したがって、その位置を確認しやすい。

大腿骨１及び脛骨２は、多数の靭帯によって互いに接合されている。本事例にはいわゆる前十字靭帯だけが関係する。前十字靭帯は、顆間窩すなわち切痕６内を延びており、大腿骨側においては切痕６の後端部に位置する点（ポイント）１０において大腿骨１に接続され、脛骨側においては点（ポイント）１０に対して前方向にオフセットされた点（ポイント）（以下、出口点１１と呼称する）において接続されている。図４において、点１０及び出口店１１が概略的に示されている。点１０と出口点１１とを接合する線１２は、膝が伸びている状態（点１０が高い位置にある）と膝が曲げられた状態（点１０が低い位置にある）の前十字靭帯のコース（経路）を示している。

例えば人工インプラント又は体内の他の場所から取られた靭帯片とし得るインプラントによって前十字靭帯を置換するために、点１０及び出口点１１の両方の位置を決定する必要がある。点１０の位置は、実質的に運動中の等長性を維持させることによって、すなわちインプラントの長さの変化を最小限に抑えた状態で、決定される。出口点１１の位置については、インプラントが、移植後に、大腿骨１の骨構造、特に前縁９と接触することのないように注意しなければならない。

このために、大腿骨１及び脛骨２に標識素子１３、１４が固定される。標識素子１３、１４は、例えば赤外線を反射する三つの球体を有しており、それぞれ大腿骨及び脛骨に剛体的に位置変化のないように接続される。このタイプの標識素子１３及び１４は、それ自体は公知のナビゲーションシステム１５の一部であり、ナビゲーションシステム１５は３台のカメラ１６を有したカメラシステムによって標識素子から反射される赤外線を捕捉し、これに基づいて、標識素子１３及び１４の空間的な姿勢及び位置を、したがって大腿骨１及び脛骨２の姿勢及び位置を定める。ナビゲーションシステム１５において、対応する位置データがデータ処理システム１７に送られて、ここに記憶され、その後の演算のために使用することができる。

膝関節３の前縁９の位置を確定するために、触知要素１８、例えば単純な触知フックも使用される。触知フックには同じタイプの標識素子１９が取り付けられており、その位置は、同様に、ナビゲーションシステム１５によって決定することができる。その結果、いつでも正確に触知要素１８の姿勢及び位置を確定することができる。

脛骨側出口点１１を確定するためには、まず、図１から図３に示されているように、切痕６の前縁９に自由に触れられるように膝関節３を屈曲させる。触知要素１８を前縁の非常に多数の個々の点に動かし、その位置データをデータ処理システム１７に記憶する。外科医がこれをより容易に行えるようにするために、このような前縁のコース（経路）をデータ処理システム１７の画面２０に概略的に示すことができる。この前縁には、触知要素１８が前縁９のどの位置に配置されるべきかを外科医に示す個々の点（ポイント）に印が付けられている。このような位置で位置データが決定され記憶されると、例えば対応する点（ポイント）の色を変えることによって、画面２０上で外科医にこれを指示することができ、外科医は、測定点を目標にするように前縁９を走査することにより誘導され、この前縁の長さ全体にわたって等間隔で位置データを決定することができる。これら位置データは一緒にメモリに記憶され、大腿骨１における前縁のコース（経路）を記述する。

さらなるステップにおいては、図４に示されているように、脚が伸展位に旋回させる。このとき、大腿骨１及び脛骨２の互いに対する相対的な運動は標識素子１３及び１４によって追跡される。対応する位置データ記録は記憶することができる。

脛骨２の長手方向軸線が適切な方法でデータ処理システム１７に入力される。これは、例えば膝関節３周り及び足首周りに脚を動かして対応する関節の位置を決定することによって、それ自体は公知の方法で行うことができる。これら関節を結ぶ線は脛骨２の長手方向軸線に対応する。同様に、大腿骨１の長手方向軸線は、股関節及び膝関節周りに脚を動かすことによって、それ自体は公知の方法で決定することができる。

その後、脛骨の長手方向軸線に対して直角を成し且つ脛骨２の近位端部領域（例えば、脛骨の近位端部の最も高い点より数ミリ下）に延びる面のコース（経路）を、データ処理システムにおいて演算することができる。例えば図４の断面線５-５によって示される面のようなこの種の面を、以後、投射面２１と呼称する。

次のステップにおいて、脚を伸ばした状態で、データ処理システムは、投射面２１に前縁９の位置データを投射し、それによって略Ｕ字形状の投射線２２を生成するが、そのコース（経路）は、前縁９の性質及び範囲に応じて決まる。投射線２２はそのＵ字形状のコース（経路）によって投射面２１上で領域２３を取り囲む。以下、この領域を許容領域と呼称する。

前十字靭帯を置換するためのインプラントは円形断面を有することが好ましく、例えば、インプラントの直径は６ｍｍから１０ｍｍとすることができ、約８ｍｍであることが好ましい。

選択されるインプラントの直径はキーボードを通じてデータ処理システムに入力され、データ処理システムは、その後、出口点１１の位置を示す円形領域２４を投射面２１に生成する。

投射面１２が投射線２２及び円形領域２４と共にデータ処理システム１７によって画面２０上に提示され、円形領域２４が許容領域内にあるかあるいは一部がその外部にあるかを外科医が正確に知ることができるようにする。画面２０上の表示は図５の表示に対応する。適切な手段例えばジョイスティック又はマウスによって、投射面２１内で円形領域２４を移動させることができる。投射線２２の閉鎖端部は膝の前側に向かう方向を指し、且つ、出口点１１は安定性を増すためにできる限り前方に配置されるべきであることから、外科医は、円形領域２４をできる限り投射線２２の前端部方向に移動させるが、同時に、インプラントの断面に対応する円形領域２４が許容領域内にとどまり且つ投射線と交差しないことを確保するように細心の注意を払う。このようにして円形領域２４の最適位置が決定されると、この円形領域２４の中心点を決定することができる。この中心点が出口点１１に対応する。このようにして、外科医は、例えば円形領域２４に一致する穴を加工し、この穴にインプラントを引き入れてこの穴の中に固定することによって、インプラントを脛骨２に接続できる点を決定する。これで、大腿骨と脛骨が互いに対して相対的に動くときに大腿骨の骨構造にインプラントを接触させることなくインプラントの自由な運動を可能にする脛骨表面の領域においてインプラントが脛骨２から出ることが保証される。

許容領域内における円形領域２４の位置決めは、データ処理システムによって自動的に実行することができるが、一つには最適な出口点１１を決定するために又一つには出口点１１と点１０との間でインプラントが大腿骨に接触するのを回避することを確保するために、外科医が他の最適化基準も使用することができるので、外科医がこの場合に選択権を持っているとすれば有利である。

屈曲位の膝関節と、大腿骨、脛骨及び触知要素の位置を決定するためのナビゲーションシステムとの概略図を示す。 屈曲位の膝関節の断面略図を示す。 図２の屈曲位の膝関節の概略正面図を示す。 伸展位の膝関節についての図２と同様の図を示す。 図４の線５-５に沿った断面図を示す。

Claims (13)

1. 脛骨（２）及び大腿骨（１）の位置データがナビゲーションシステム（１５）によって決定され、脛骨（２）上面に面する大腿骨（１）の領域における幾何学的形状データが記録され、膝関節の前十字靭帯を置換するインプラントの出口点の位置データを演算するために前記形状データが前記脛骨（２）及び大腿骨（１）の位置データと共にデータ処理システム（１７）において処理される、膝関節の前十字靭帯を置換するインプラントの出口点（１１）の脛骨（２）上面における位置を前記データ処理システム（１７）によって演算する方法であって、
   前記データ処理システム（１７）が、脚を曲げた状態での大腿骨（１）における切痕（６）の前縁（９）に沿った複数の点の位置データを記憶するステップと、
   前記データ処理システム（１７）が、脚を伸ばした状態での脛骨（２）の長手方向軸線に対して直角を成す脛骨（２）の上面領域における投射面（２１）に前記位置データとして記憶された点を投射した投射点を求め、該投射点に沿った投射曲線（２２）を演算するステップと、
   前記データ処理システム（１７）が、前記投射曲線（２２）によって囲まれる領域内において、前記出口点（１１）を前記投射曲線（２２）から少なくとも前記インプラントの半径に対応する距離に維持するように前記出口点（１１）を選択するステップと、
   を含むことを特徴とした方法。
2. 前記出口点（１１）を選択する前記ステップで、前記データ処理システム（１７）の画像表示装置（２０）上で、使用される前記インプラントの直径に対応する直径を有する円形の表示要素（２４）を前記投射面（２１）上に表示し、前記表示要素（２４）が前記投射曲線（２２）と交差しないように前記投射曲線（２２）によって囲まれる領域内で前記表示要素（２４）を移動させ、このようにして得られる前記表示要素（２４）の位置のうちの一つにおいて前記表示要素の中心点を前記インプラントの前記出口点（１１）として選択するようにした、請求項１に記載の方法。
3. 前記出口点（１１）を選択する前記ステップで、前記出口点（１１）が前記投射曲線（２２）によって囲まれる前記領域のできる限り前部に位置し且つ前記投射曲線（２２）のできる限り近くに位置するように、前記出口点（１１）の位置を選択するようにした、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記大腿骨（１）における前記切痕（６）の前記前縁（９）に沿った複数の点の位置データを記憶する前記ステップで、前記切痕（６）の前記前縁（９）に位置する前記点の位置データを記録するために、ナビゲーションを受ける触知要素（１８）の位置を検出するようにした、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記切痕（６）の前記前縁（９）に沿った点の位置データを記憶する前記ステップの際に、前記前縁（９）の画像を前記データ処理システム（１７）の画像表示装置（２０）に表示し、位置データが記録されるべき点を前記画像表示装置（２０）上に示すようにした、請求項１から請求項４の何れか一項に記載の方法。
6. 前記出口点（１１）を選択する前記ステップで、前記投射曲線（２２）及び該投射曲線（２２）によって囲まれる前記領域を画像表示装置（２０）に示し、表示要素（２４）の移動可能な画像によって前記画像表示装置（２０）上で選択された前記出口点（１１）の位置に対応する位置データを前記データ処理システム（１７）に記録するようにした、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記出口点（１１）を選択する前記ステップで、使用される前記インプラントの直径に対応する直径の円を前記表示要素（２４）として選択するようにした、請求項６に記載の方法。
8. ナビゲーションシステム（１５）と、大腿骨（１）及び脛骨（２）に固定的に接続される標識素子（１３、１４）と、ナビゲーションを受ける触知要素（１８）と、メモリとコンピュータユニットとを有し、前記ナビゲーションシステム（１５）によって記録される切痕（６）の前記前縁（９）に沿った複数の点に関する位置データの供給を受けて前記メモリに記憶することができるデータ処理システム（１７）とを有する、脛骨（２）の上面において膝関節（３）の前十字靭帯を置換するインプラントの出口点（１１）の位置を決定するための装置であって、
   前記コンピュータユニットは、該コンピュータユニットが、脚を伸ばした状態で前記メモリに記憶される前記位置データと前記切痕（６）の前記前縁（９）のコースとを脛骨（２）の長手方向軸線と直角を成す脛骨の上面領域の投射面（２１）に投射し、前記出口点（１１）が位置する領域を囲むＵ字形状の投射曲線を生成するように、プログラムされていることを特徴とする装置。
9. 前記コンピュータユニットは、該コンピュータユニットが、使用される前記インプラントの直径に対応する直径の円形の表示要素（２４）を前記投射面（２１）に投射し、前記表示要素（２４）が前記投射曲線（２２）と交差しないように前記投射曲線（２２）によって囲まれる領域（２３）内で前記表示要素を移動し、このようにして得られる前記表示要素の位置のうちの一つにおいて前記コンピュータユニットが前記表示要素の中心点を前記インプラントの出口点（１１）として選択するように、プログラムされている、請求項８に記載の装置。
10. 前記コンピュータユニットは、該コンピュータユニットが、前記出口点が前記投射曲線（２２）によって囲まれる前記領域（２３）のできる限り前部に位置し且つ前記投射曲線（２２）のできる限り近くに位置する前記出口点（１１）の位置を選択するように、プログラムされている、請求項９に記載の装置。
11. 前記コンピュータユニットは、前記切痕（６）の前記前縁（９）に沿った点の位置の検出の際に、前記データ処理システムが前記データ処理システムの画像表示装置（２０）において前記前縁（９）の画像を形成し、位置データが記録されるべき点を表示するようにプログラムされている、請求項８から請求項１０の何れか一項に記載の装置。
12. 前記コンピュータユニットは、該コンピュータユニットが前記投射曲線（２２）及び該投射曲線によって囲まれる領域（２３）を画像表示装置（２０）に表示し、選択される前記出口点（１１）の位置に関する表示要素（２４）の移動可能な画像を前記画像表示装置（２０）に表示して、選択される位置に関する位置データをメモリに記憶するように、プログラムされている、請求項８から請求項１１の何れか一項に記載の装置。
13. 前記表示要素（２４）が使用される前記インプラントの直径に対応する直径の円形領域である、請求項１２に記載の装置。

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