JP2020036944A - 位置決めの精度 - Google Patents
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Abstract
【課題】基準マーカ配列が固定された骨の画像データへシステムがアクセスする、位置決めの精度の技術を提供する。【解決手段】このシステムは、骨の3次元表現と基準マーカとを生成し、3次元表現のための座標系を定義し、座標系に対する基準マーカの場所を決定する。このシステムは、骨と、外科処置において使用される器具へ取り付けられた移動マーカ配列とを含む術中画像データにアクセスする。このシステムは、術中画像データに含まれる基準マーカを、基準マーカの場所に一致させることによって、術中画像データを、3次元表現と共同位置合わせする。このシステムは、共同位置合わせされた画像における移動マーカの場所を決定し、骨に対する器具の3次元空間位置および方位を決定する。【選択図】図１
Description
関連出願の相互参照
本願は、2014年7月7日に出願され、発明の名称を「ALIGNMENT PRECISION」とする米国仮特許出願第62/021,551号への米国特許法第119条(e)の下での優先権を主張し、その内容全体が参照によりここに組み込まれる。
本願は、2014年7月7日に出願され、発明の名称を「ALIGNMENT PRECISION」とする米国仮特許出願第62/021,551号への米国特許法第119条(e)の下での優先権を主張し、その内容全体が参照によりここに組み込まれる。
本開示は位置決めの精度に関する。
コンピュータ支援手術(CAS)ツールは、受動的な反射基点マーカの3次元(3D)場所を、ユーザが選択した解剖目印点に対する外科器具の3D姿勢へ変換するために、光学的な動きキャプチャを使用して開発された。CASは、位置決め性能を評価するための定量的な術中測定システムとして使用され得る。しかしながら、CASシステムは、術中性能を検証するために必要とされる厳格な分析のために設計されていなかった。たとえば、CAS読み出しは、一般に、1mmおよび0.5度の精度の増分に制限されており、解剖目印への絶対的な正確度を検証することは困難である。また、CAS位置決めは、解剖目印点を矛盾なく識別するオペレータの能力によって制限されていた。CAS解剖目印は、生きている患者に物理的に、安全かつ迅速にアクセスされ得るものに限定されている。CASシステムは、主に、研究ツールとしてはではなく、臨床処置における支援のためのツールとして意図されていた。CASシステムの精度のレベルは、事情に通じた術中決定を行う外科医のために役立ち得るが、位置決め方法間の微妙な相違を区別するのには十分ではないことがあり得る。
1つの態様では、システムは、少なくとも1つのプロセッサと、少なくとも1つのプロセッサによって実行されたとき、少なくとも1つのプロセッサに動作を実行させる命令を記憶している、少なくとも1つのプロセッサに結合された少なくとも1つのコンピュータ可読媒体とを備える。動作は、外科処置に先立って、基準基点マーカ配列が固定された骨の少なくとも一部の第1の画像データにアクセスするステップを含む。基準基点マーカ配列は、少なくとも3つの基準基点マーカを含み、第1の画像データは、基準基点マーカと、骨の一部に関する3次元解剖目印データとを画像化するように構成された第1の画像化方式を使用してキャプチャされる。動作はまた、第1の画像データに基づいて、骨の一部と、基準基点マーカとの3次元表現を生成するステップと、骨の一部の3次元表現のための座標系を定義するステップと、定義された座標系に対する基準基点マーカの場所を決定するステップとを含む。動作はさらに、基準基点マーカ配列が固定された骨の一部と、骨の一部に対する外科処置において使用される器具に取り付けられた移動基点マーカ配列とを含む術中画像データにアクセスするステップを含む。移動基点マーカ配列は、少なくとも3つの移動基点マーカを含み、術中画像データは、第1の画像化方式とは異なる、基準基点マーカと移動基点マーカとを画像化するように構成された第2の画像化方式を使用してキャプチャされる。それに加えて、動作は、術中画像データに含まれる基準基点マーカを、定義された座標系に対する基準基点マーカの決定された場所へ一致させることによって、術中画像データを、骨の一部の3次元表現と共同位置合わせするステップを含む。動作はまた、共同位置合わせされた術中画像データと、骨の一部の3次元表現とにおける移動基点マーカの場所を決定するステップと、移動基点マーカの決定された場所に基づいて、骨の一部に対する器具の3次元空間位置および方位を決定するステップとを含む。動作はさらに、骨の一部に対する器具の3次元空間位置および方位を、骨の一部に対する器具の設計された位置決めと比較するステップと、比較結果に基づいて、骨の一部への器具の設計された位置決めに対する、骨の一部に対する外科処置における器具の位置決めの精度の表示度数を決定するステップとを含む。動作はまた、器具の設計された位置決めに対する、外科処置における器具の位置決めの精度の決定された表示度数に基づいて出力を提供するステップを含む。
実施は、以下の特性のうちの1つまたは複数を含み得る。たとえば、動作は、骨の一部と基準基点マーカのコンピュータ断層撮影(CT)画像データにアクセスするステップと、基準基点マーカ配列が固定された骨の一部と、骨の一部に対する外科処置において使用される器具に取り付けられた移動基点マーカ配列とを含む術中動きキャプチャデータにアクセスするステップとを含む。それに加えて、動作は、骨の一部および基準基点マーカ配列を含む3次元立体を生成するステップを含み得る。
いくつかの実施では、動作は、移動基点マーカ配列が取り付けられた器具のコンピュータ支援設計(CAD)モデルを使用して決定された移動基点マーカに対する器具の3次元空間位置および方位を定義するデータにアクセスするステップを含み得る。これらの実施では、動作は、移動基点マーカに対する器具の3次元空間位置および方位を、移動基点マーカの決定された場所へマップすることによって、骨の一部に対する器具の3次元空間位置および方位を決定するステップを含み得る。
また、動作は、移動基点マーカ配列が取り付けられた器具の座標測定器(CMM)評価を使用して決定された移動基点マーカに対する器具の3次元空間位置および方位を定義するデータにアクセスするステップを含み得る。動作はさらに、移動基点マーカに対する器具の3次元空間位置および方位を、移動基点マーカの決定された場所へマップすることによって、骨の一部に対する器具の3次元空間位置および方位を決定するステップを含み得る。
いくつかの例では、動作は、基準基点マーカ配列に関するCMMデータにアクセスするステップと、基準基点マーカ配列に関するアクセスされたCMMデータを使用して、基準基点マーカの決定された場所を検証するステップとを含み得る。これらの例では、動作は、移動基点マーカ配列に関するCMMデータにアクセスするステップと、移動基点マーカ配列に関するアクセスされたCMMデータを使用して、移動基点マーカの決定された場所を検証するステップとを含み得る。
いくつかの実施では、基準基点マーカと移動基点マーカとは、放射線不透過性の赤外線反射式の球状マーカであり得る。これらの実施では、基準基点マーカ配列は、少なくとも5つの基準球状マーカを含み得、移動基点マーカ配列は、少なくとも5つの移動球状マーカを含み得る。また、これらの実施では、動作は、基準球状マーカの中心を決定するステップと、基準基点マーカの場所を、基準球状マーカの決定された中心として決定するステップとを含み得る。さらに、これら実施では、動作は、移動球状マーカの中心を決定するステップと、移動基点マーカの場所を、移動球状マーカの決定された中心として決定するステップとを含み得る。
いくつかの例では、動作は、基準球状マーカを識別するステップと、識別された基準球状マーカの各々を、理想的な球形状を用いて回帰フィッティングするステップと、回帰フィッティングされた基準球状マーカを使用して、基準球状マーカの場所を決定するステップとを含み得る。これら例では、動作は、移動球状マーカを識別するステップと、識別された移動球状マーカの各々を、理想的な球形状を用いて回帰フィッティングするステップと、回帰フィッティングされた基準球状マーカを使用して、移動球状マーカの場所を決定するステップとを含み得る。
いくつかの実施では、動作は、骨の一部に関連する軟骨についての測定を識別するステップと、骨の一部に関連する軟骨についての識別された測定を考慮するために、3次元表現および座標系を調節するステップとを含み得る。これらの実施では、動作は、骨の一部の核磁気共鳴映像(MRI)にアクセスするステップと、骨の一部のMRIに基づいて軟骨の測定を決定するステップとを含み得る。
いくつかの例では、外科処置において使用される器具は、人工膝関節全置換術(TKA)において使用される切断ブロックであり得る。これらの例では、移動基点マーカ配列は、切断ブロックの切断スロットと、切断ブロックの少なくとも1つの他の部分とを通って、切断ブロックへ取り付けられ得る。また、これらの例では、移動基点マーカ配列は、切断ブロックの切断スロットと、切断ブロックの少なくとも1つのピンホールとを通って、切断ブロックへ取り付けられ得る。さらに、これらの例では、移動基点マーカ配列は、切断スロットを通って挿入されるように設計された外科用メスと、切断スロット内に外科用メスを堅固に支持する1つまたは複数の詰め物とを使用して、切断スロットを通じて切断ブロックへ取り付けられ得る。
それに加えて、動作は、外科処置中になされた切断の術後検証を記述するデータにアクセスするステップと、外科処置中になされた切断の術後検証を記述するアクセスされたデータに基づいて、位置決めの精度の決定された表示度数を検証するステップとを含み得る。
いくつかの実施では、動作は、他の類似の外科処置から決定された類似のデータを用いて、器具の設計された位置決めに対する外科処置における器具の位置決めの精度の決定された表示度数を集約するステップを含み得る。これらの実施では、動作は、集約されたデータの統計分析を実行するステップと、集約されたデータの統計分析に基づいて、集約されたデータに含まれる外科処置における全般的な位置決めの精度の表現を決定するステップと、全般的な位置決めの精度の決定された表現を示す出力を提供するステップとを含み得る。
別の態様では、方法は、外科処置に先立って、基準基点マーカ配列が固定された骨の少なくとも一部の第1の画像データにアクセスするステップを含む。基準基点マーカ配列は、少なくとも3つの基準基点マーカを含み、第1の画像データは、基準基点マーカと、骨の一部に関する3次元解剖目印データとを画像化するように構成された第1の画像化方式を使用してキャプチャされる。この方法はまた、第1の画像データに基づいて、骨の一部と、基準基点マーカとの3次元表現を生成するステップと、骨の一部の3次元表現のための座標系を定義するステップと、定義された座標系に対する基準基点マーカの場所を決定するステップとを含む。この方法はさらに、基準基点マーカ配列が固定された骨の一部と、骨の一部に対する外科処置において使用される器具に取り付けられた移動基点マーカ配列とを含む術中画像データにアクセスするステップを含む。移動基点マーカ配列は、少なくとも3つの移動基点マーカを含み、術中画像データは、第1の画像化方式とは異なる、基準基点マーカと移動基点マーカとを画像化するように構成された第2の画像化方式を使用してキャプチャされる。それに加えて、この方法は、術中画像データに含まれる基準基点マーカを、定義された座標系に対する基準基点マーカの決定された場所へ一致させることによって、術中画像データを、骨の一部の3次元表現と共同位置合わせするステップを含む。この方法はまた、共同位置合わせされた術中画像データと、骨の一部の3次元表現とにおける移動基点マーカの場所を決定するステップと、移動基点マーカの決定された場所に基づいて、骨の一部に対する器具の3次元空間位置および方位を決定するステップとを含む。この方法はさらに、骨の一部に対する器具の3次元空間位置および方位を、骨の一部に対する器具の設計された位置決めと比較するステップと、比較結果に基づいて、骨の一部への器具の設計された位置決めに対する、骨の一部に対する外科処置における器具の位置決めの精度の表示度数を決定するステップとを含む。この方法は、器具の設計された位置決めに対する、外科処置における器具の位置決めの精度の決定された表示度数に基づいて出力を提供するステップを含む。
また別の態様では、少なくとも1つのプロセッサによって実行されたとき、少なくとも1つのプロセッサに動作を実行させる実行可能な命令でエンコードされた少なくとも1つのコンピュータ可読記憶媒体。動作は、外科処置に先立って、基準基点マーカ配列が固定された骨の少なくとも一部の第1の画像データにアクセスするステップを含む。基準基点マーカ配列は、少なくとも3つの基準基点マーカを含み、第1の画像データは、基準基点マーカと、骨の一部に関する3次元解剖目印データとを画像化するように構成された第1の画像化方式を使用してキャプチャされる。これら動作はまた、第1の画像データに基づいて、骨の一部と、基準基点マーカとの3次元表現を生成するステップと、骨の一部の3次元表現のための座標系を定義するステップと、定義された座標系に対する基準基点マーカの場所を決定するステップとを含む。これら動作はさらに、基準基点マーカ配列が固定された骨の一部と、骨の一部に対する外科処置において使用される器具に取り付けられた移動基点マーカ配列とを含む術中画像データにアクセスするステップを含む。移動基点マーカ配列は、少なくとも3つの移動基点マーカを含み、術中画像データは、第1の画像化方式とは異なる、基準基点マーカと移動基点マーカとを画像化するように構成された第2の画像化方式を使用してキャプチャされる。それに加えて、動作は、術中画像データに含まれる基準基点マーカを、定義された座標系に対する基準基点マーカの決定された場所へ一致させることによって、術中画像データを、骨の一部の3次元表現と共同位置合わせするステップを含む。これら動作はまた、共同位置合わせされた術中画像データと、骨の一部の3次元表現とにおける移動基点マーカの場所を決定するステップと、移動基点マーカの決定された場所に基づいて、骨の一部に対する器具の3次元空間位置および方位を決定するステップとを含む。これら動作はさらに、骨の一部に対する器具の3次元空間位置および方位を、骨の一部への器具の設計された位置決めと比較するステップと、比較結果に基づいて、骨の一部への器具の設計された位置決めに対する、骨の一部に対する外科処置における器具の位置決めの精度の表示度数を決定するステップとを含む。これら動作はまた、器具の設計された位置決めに対する、外科処置における器具の位置決めの精度の決定された表示度数に基づいて出力を提供するステップを含む。
また別の態様では、方法は、死体患者の膝を含む死体患者の脚の少なくとも一部のMRI画像にアクセスするステップと、アクセスされたMRI画像に基づいて、死体患者の膝に関する軟骨の厚みを決定するステップとを含む。この方法はまた、TKA処置に先立って、基準基点マーカ配列が固定された大腿骨の少なくとも一部のCT画像化と、脛骨の少なくとも一部のCT画像化とを含む死体患者の脚の少なくとも一部のCT画像にアクセスするステップを含む。基準基点マーカ配列は、CT画像化と動きキャプチャ画像化においてキャプチャされる少なくとも3つの基準基点マーカを含む。この方法はさらに、アクセスされたCT画像上において、決定された軟骨の厚みを考慮して、大腿骨のための第1の座標系と、脛骨のための第2の座標系とを定義するステップと、大腿骨のための第1の座標系と脛骨のための第2の座標系とが定義されたCT画像と、CT画像によって測定されたような基準基点マーカ配列のパターンとの間の3次元変換を計算することによって、処理されたCT画像を生成するステップとを含む。それに加えて、この方法は、基準基点マーカ配列が固定された大腿骨の少なくとも一部の動きキャプチャ画像化と、脛骨の少なくとも一部の動きキャプチャ画像化とを含む死体患者の脚の少なくとも一部の術中動きキャプチャデータにアクセスするステップを含む。術中動きキャプチャデータは、死体患者の脚に対するTKA処置中にキャプチャされ、死体患者の脚に対するTKA処置において使用される切断ブロックに取り付けられた移動基点マーカ配列の動きキャプチャ画像化を含む。移動基点マーカ配列は、動きキャプチャ画像化においてキャプチャされる少なくとも3つの移動基点マーカを含む。この方法はまた、術中動きキャプチャデータに含まれる基準基点マーカを、処理されたCT画像に含まれる基準基点マーカへ回帰フィッティングすることによって、術中動きキャプチャデータを、処理されたCT画像と共同位置合わせするステップを含む。この方法はさらに、共同位置合わせされた術中動きキャプチャデータおよび処理されたCT画像と、術中動きキャプチャデータによって測定されたような移動基点マーカ配列のパターンとの間の3次元変換を計算することによって、処理された動きキャプチャ画像を生成するステップを含む。また、この方法は、移動基点マーカ配列の第1のCADモデルにアクセスするステップと、移動基点マーカ配列の第1のCADモデルに含まれる移動基点マーカを、処理された動きキャプチャ画像に含まれる移動基点マーカへ回帰フィッティングすることによって、移動基点マーカ配列の第1のCADモデルを、処理された動きキャプチャ画像と共同位置合わせするステップとを含む。この方法は、切断ブロックに取り付けられた移動基点マーカ配列に基づいて、移動基点マーカ配列に対する切断ブロックの位置決めを表す第2のCADモデルにアクセスするステップと、共同位置合わせされた移動基点マーカ配列の第1のCADモデルおよび処理された動きキャプチャ画像と、移動基点マーカ配列に対する切断ブロックの位置決めを表す第2のCADモデルとの間の3次元変換を計算することによって、TKA処置中、大腿骨に対する切断ブロックの位置決めを表す位置決め画像を生成するステップとを含む。この方法は、TKA処置において、大腿骨に対する切断ブロックの設計された位置決めを表すTKA処置のための設計にアクセスするステップと、TKA処置中、大腿骨に対する切断ブロックの位置決めを表す位置決め画像を、TKA処置のための設計と比較するステップと、比較結果に基づいて、TKA処置における大腿骨に対する切断ブロックの設計された位置決めに対する、TKA処置中の大腿骨に対する切断ブロックの位置決めの精度の表示度数を決定するステップとを含む。それに加えて、この方法は、TKA処置における大腿骨への切断ブロックの設計された位置決めに対する、TKA処置中の大腿骨に対する切断ブロックの位置決めの精度の決定された表示度数に基づいて、出力を提供するステップを含む。
1つまたは複数の実施の詳細が、添付図面および以下の詳細な説明に記載される。本開示の他の潜在的な特性は、詳細な説明および図面から、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
人工膝関節全置換術(TKA)器具の術中位置決め性能を、位置決めターゲットを術前に決定する技術と比較するために使用される組み合わされた高精度画像化方法のシステムのための技術が説明される。これら画像化方法は、2つのタイプ、すなわち術前解剖目印データと術中動きデータの3次元(3D)データを獲得し処理する。前者は、被験骨の術前位置決め軸を確立するために使用され、後者は、術前位置決めに対する、使用中の被験器具の3D空間位置および方位(たとえば、姿勢)を確立するために使用される。各画像化方法は、各試験設定のために、術前座標測定器(CMM)ゲージデータへ、非破壊的に検証され得る。CMMデータは、接触測定または非接触スキャンによって取得され得る。2つの画像化方法のシステムはまた、各試験設定のためのTKA切除面の術中測定と術後測定とを比較することによって破壊的に検証され得る。
いくつかの実施では、少数のツールしか、目印と動きデータとの両方を同時に獲得できないので、このタイプの分析は、チャレンジであり得る。さらに、わずかな性能差を検出するために、ハイレベルの精度および正確度が要求され得る。解剖目印と3D姿勢データとの両方を術中にキャプチャするコンピュータ支援手術(CAS)マシンのような単一の方法が使用され得る。CASはデータ獲得を合理化するが、CASは、検証試験用の不十分な精度および正確度を有し得る。いくつかの例では、精度および正確度を向上するために、2つの異なる高精度画像化の方式が使用され、共同位置合わせされ、位置決め性能が評価され得る。たとえば、システムは、2つの専用の高精度測定方法を共同位置合わせするために、複数方式基点マーカ配列を使用し得る。このシステムは、術前解剖目印データのためのコンピュータ断層撮影(CT)画像化と、3D術中器具姿勢データのための光学的動きキャプチャ(たとえば、Qualisys ABによって提供されるProReflex動きキャプチャ技術)とを含み得る。ProReflexは、Qualisys ABの登録商標である。
本開示を通じて説明される技術を使用して、TKA処置のための患者にマッチした設計処理の精度が、検証され向上され得る。いくつかの実施では、本開示を通じて説明される技術は、患者にマッチした設計処理の精度を検証および向上するために、死体研究において使用され得る。これらの実施では、膝関節における類似の解剖特性を有する多くの死体が選択され得る。その後、各死体について、外科チームは、TKA処置における位置決めの精度を評価するために、患者にマッチした処理を実行する。
TKA処置における位置決めの精度を評価するための患者にマッチした処理では、外科チームは、死体のための移植設計を生成するために、患者にマッチした設計処理を使用する。次に、外科チームは、基準基点マーカ配列を用いて、骨装備を、死体の骨(たとえば、大腿骨および/または脛骨)に組み立て、TKA処置前に、基準基点マーカ配列に対する死体の骨の表現を生成するために、術前画像化(たとえば、MRI、CT等)を実行する。
術前画像化の後、外科チームは死体を外科センタへ搬送し、TKA処置の動きキャプチャ画像をキャプチャしながら、死体に対してTKA処置を実行する。動きキャプチャ画像化は、基準基点マーカ配列と、TKA処置において使用される器具(たとえば、切断ブロック)に取り付けられた移動基点マーカ配列とをキャプチャする。動きキャプチャ画像化は、基準基点マーカ配列を使用して術前画像化と共同位置合わせされ、器具に対する移動基点マーカ配列の既知の位置決めを使用して、TKA処置中、骨への器具の位置決めが決定される。
その後、TKA処置中、骨への器具の決定された位置決めが、死体のための移植設計に含まれる設計された位置決めと比較される。この比較は、実際の位置決めが、設計された位置決めをどれくらい正確に満足するのかの測定を提供する。多くの死体が試験のために選択されたので、患者にマッチした設計処理の精度が、統計分析を使用して検証され得る。それに加えて、外科チームは、どのようにして患者にマッチした設計処理を改善し、位置決めにおける誤差をもたらす場所を特定するのかに関する提案を行い得る。
図1は、術間処理制御100の例を例示する。例示的な処理制御100では、システムは、術前データ110にアクセスする。術前データは、骨または骨セグメントの画像データ(たとえば、CT画像データ、MRI画像データ、および/または、他のタイプの画像データ)を含み得る。システムは、アクセスされた術前データに基づいて、術前デバイス設計処理120を実行する。たとえば、システムは、アクセスされた術前データに基づいて、患者特有の器具設計を開発し得る。この例では、システムは、患者特有の移植と、患者の骨の特有の解剖に適合された患者特有の切断ブロックとを開発し得る。他の例では、システムは、患者の解剖と最も良く一致する器具設計を、利用可能な設計のライブラリから選択するために、アクセスされた術前データを使用する。
それに加えて、システムは、術間測定システム140を使用して、デバイス130の術中使用をモニタする。たとえば、システムは、外科処置中、設計されたデバイスの外科手術配置をモニタする。システムは、外科処置中、設計されたデバイスの姿勢をモニタするために動きキャプチャデータを使用し得る。システムは、設計されたデバイスの最終的な位置決めを決定するために、設計されたデバイスの最終的な位置決めに注目し得る。
システムはまた、外科処置の正確度および精度に関連する術後データ150にアクセスし得る。術後データ150は、最終的な切除カットおよび/または移植配置に対して、画像化技術を使用した非破壊的な検証測定を含み得る。術後データ150はまた、最終的な切除カットおよび/または移植配置に対して、物理的な測定技術(たとえば、カリパス測定)を使用した破壊的な検証測定を含み得る。破壊的な検証測定は、デバイスを設計する際に使用される位置決め技術の位置決めの精度を調査し、外科処置を実行する目的のために、死体に対して外科処置が実行されるときに使用され得る。
術間測定システム140は、外科処置中、位置決めの精度を評価するために、術前デバイス設計処理120および術後データ150からの術前設計データを使用する。たとえば、術間測定システム140は、外科処置における設計されたデバイスの実際の位置決めが、設計された位置決めにどれくらい近いのかを決定するために、術前設計および術後データ150を比較する。術間測定システム140は、位置決めの精度を評価するために、本開示を通じて説明された技術のうちのいずれか(たとえば、図4に関して以下に説明された処理400)を使用し得る。
術間測定システム140は、外科処置のすべての局面を連続的に改善するために、精度分析の結果のみならず、他の利用可能なデータをも使用する。たとえば、術間測定システム140の出力は、キャプチャされる術前データ110を改善するために、術前デバイス設計処理120を改善するために、および/または、デバイス130の術中使用を改善するために使用され得る。この例では、術間測定システム140は、処理全体における位置決めを改善するために、多くの調査処置にわたってデータをモニタし、位置決め性能にインパクトを与える要因を特定し、特定された要因を使用し得る。
術間測定システム140は、データ結果を生成し、顧客へ出力160し得る。顧客へのデータ結果160は、単一の処置のための位置決めにおける正確度精度、および/または、特定の位置決め処理の全般的な位置決めの精度を示す多くの処置の統計分析を含み得る。統計分析は、多くのサンプル処置にわたる位置決め性能を定量的に示すF試験および/またはT試験を含み得る。
図2Aおよび2Bは、術間位置決め処理制御200の例を例示する。術間位置決め処理制御200は、術間処理制御100に類似しているが、追加の詳細を提供する。例示的な位置決め処理制御200では、システムは、術前データ210にアクセスする。術前データは、術前膝MRI、脚全体冠状X線、および膝矢状X線を含み得る。
術間位置決め処理制御200は、術前デバイス設計処理120において実行された追加の動作を図示する。図示されるように、システムは、MRIおよびX線における目印を確立220し、X線を、位置決めされていない術前MRI骨へ位置合わせ222し、骨位置決めを確立224する。その後、システムは、外科医位置決めオフセットを位置決め軸/点へ適用226し、術間測定システム140によって連続的に改善される設計ルール228にアクセスする。システムは、移植変数および外科医が位置決めした解剖を、アクセスされたブロック設計ルールへ入力230し、切除デバイス製造(MFG)ファイルを生成232し、位置決め術前計画を生成233する。
生成された切除デバイスMFGファイル232は、デバイス130の術中使用を実施するために使用される。デバイス130の術中使用の一部として、システムは、デバイスを製造234し、製造されたデバイスを手術のために搬送236させる。外科医は、製造されたデバイスを用いた外科技術238を適用し、このデバイスを使用して外科処置における切除を位置決め240する。
外科処置の後、システムは、術後データ242を取得する。術後データ242は、脚全体冠状X線、および膝矢状X線を含み得る。
術間測定システム140は、比較のために、位置決め術前計画233および術後データ242を受け取る。システムは、X線における目印を確立244し、術後X線を移植モデルへ位置合わせ246するために、確立された目印を使用し、X線を、位置決めされた術前MRI骨へ位置合わせ248するために、確立された目印を使用する。システム140は、その後、術前計画と術後結果とを比較250するために、移植モデルへ位置合わせされた術後X線と、位置決めされた術前MRI骨へ位置合わせされたX線とを使用する。術前計画と術後結果との比較250の結果、データは、外科処置における位置決めの精度を示す。データは、各切除カットにおける、および/または、位置決めされたデバイスの様々な点における位置決めの精度を示し得る。それに加えて、システム140は、図1に関して上記に説明されたように、多くの試験ケースにおいて統計分析を実行し得る。システム140は、位置決め設計および処理のすべての局面を連続的に改善するために、この比較の結果を使用し得る。
システム140は、この比較に基づいて、データ結果を提供し、顧客へ出力252する。システム140は、データ結果を提供し、顧客へ出力252するために、図1に関して上記に説明されたものに類似した技術を使用し得る。図1および図2Aおよび2Bにおける議論は、位置決め処理制御に注目しているが、図1および図2Aおよび2Bにおいて(および全体を通じて)説明された技術は、他の処理制御へ適用され得る。
図3は、図1および図2Aおよび2Bに関して上記で参照されたシステムとして使用され得る例示的な位置決め測定システム300を例示する。システム300は、入力モジュール310、データストア320、1つまたは複数のプロセッサ330、1つまたは複数のI/O(入力/出力)デバイス340、およびメモリ350を含む。入力モジュール310は、位置決め測定および処理制御において使用される任意のタイプの情報を入力するために使用され得る。たとえば、入力モジュール310は、術前および術後の両方である、骨データと、骨セグメントの画像とを受け取るために使用され得る。いくつかの実施では、入力モジュール310からのデータは、データストア320に記憶される。データストア320に含まれるデータは、たとえば、任意のタイプの位置決めまたは処理制御関連データ(たとえば、骨画像、骨の3次元モデル、器具設計に関連するパラメータ等)を含み得る。
いくつかの例では、データストア320は、データを一連のデータベーステーブルへ論理的に体系化するリレーショナルデータベースであり得る。データストア320における各データベーステーブルは、一連の列(各列は、データベースに記憶されたデータの属性を表す)および行(各行は、属性値を表す)にデータを配置し得る。いくつかの実施では、データストア320は、データを一連のオブジェクトへ論理的または物理的に体系化するオブジェクト指向データベースであり得る。各オブジェクトは、一連の属性値に関連付けられ得る。いくつかの例では、データストア320は、必ずしもリレーショナルまたはオブジェクト指向のデータベースである必要はないタイプのデータベース管理システムであり得る。たとえば、一連のXML(Extensible Mark-up Language)ファイルまたはドキュメントが使用され得る。各XMLファイルまたはドキュメントは、属性および属性値を含む。データストア320に含まれるデータは、特定の処理に関連するデータがデータストア320から検索され得るように、ユニークな識別子によって識別され得る。
プロセッサ330は、汎用または専用のマイクロプロセッサのようなコンピュータプログラムの実行のために適切なプロセッサ、および、任意の種類のデジタルコンピュータの任意の1つまたは複数のプロセッサであり得る。いくつかの実施では、システム300は、1つよりも多くのプロセッサ330を含む。プロセッサ330は、メモリ350から命令およびデータを受け取り得る。メモリ350は、システム300の構成要素のうちのいずれかまたはすべてに対応する命令およびデータを記憶し得る。メモリ350は、リードオンリメモリ、ランダムアクセスメモリ、または両方を含み得る。
I/Oデバイス340は、システム300への入力、および、システム300からの出力を提供するように構成される。たとえば、I/Oデバイス340は、マウス、キーボード、スタイラス、カメラ、またはデータの入力を可能にする任意の他のデバイスを含み得る。I/Oデバイス340はまた、ディスプレイ、プリンタ、またはデータを出力する他の任意のデバイスを含み得る。
図4は、位置決め精密測定において使用される処理400を例示する。処理400の動作は、システム300によって実行されるとして一般に説明される。いくつかの実施では、処理400の動作は、1つまたは複数の電子デバイスに含まれる1つまたは複数のプロセッサによって実行され得る。
いくつかの実施では、処理400は、外科処置を実行する際に使用された患者にマッチした設計処理における位置決めの精度を評価するために、死体患者に対して実行される。これらの実施では、処理400によって提供される結果および出力は、死体患者における患者にマッチした設計処理の精度を検証し、将来、生きている患者において使用される患者にマッチした設計処理を改善するために使用され、ここでは、複数の画像化方式における画像位置合わせを可能にするために骨装備を組み立てるステップは実行されないであろう。
基準基点マーカ配列が固定された骨の少なくとも一部の術前画像データにアクセスする(405)システム300。基準基点マーカ配列は、少なくとも3つの基準基点マーカを含み得、術前画像データは、基準基点マーカと、骨の一部に関する3次元解剖目印データとを画像化するために構成された第1の画像化方式を使用してキャプチャされ得る。たとえば、システム300は、骨の一部および基準基点マーカの術前コンピュータ断層撮影(CT)画像データにアクセスする。システム300は、骨の一部と基準基点マーカの画像をキャプチャし、術前画像データとしてCT画像にアクセスするために、CT画像化システムを制御し得る。他のタイプの画像化技術(たとえば、骨の3次元画像をキャプチャすることが可能な3次元画像化技術)が使用され得る。
本開示を通じて説明された技術が膝移植(たとえば、TKA)において使用される実施では、システム300は、大腿骨および/または脛骨の少なくとも一部の術前画像データにアクセスする。たとえば、システム300は、大腿骨または脛骨の全体の術前画像データにアクセスし得るか、または、膝関節に位置する大腿骨または脛骨の一部(たとえば、TKA中に移植を受ける大腿骨または脛骨の一部)の術前画像データにアクセスし得る。それに加えて、本開示を通じて説明される技術は、他のタイプの移植処置(たとえば、腰置換、肩置換等)へ適用され得る。他のタイプの移植処置のために、システム300は、移植処置に関連付けられた関節に位置する骨の一部のように、移植を受ける骨の一部の術前画像データにアクセスし得る。
図5は、被験骨、被験器具、骨装備、器具装備、基準基点マーカ配列、および移動基点マーカ配列の例示的な組立体を例示する。図5に図示されるように、多数の球状基点マーカが、基点マーカ配列を形成するために、小さな長方形フレームへ堅固に取り付けられる。球状マーカの特性(たとえば、放射線不透過性、赤外線反射性)によって、基点マーカ配列は、CT画像化と光学的動きキャプチャ(たとえば、Qualisys ABによって提供されるProReflex動きキャプチャ技術)との両方によって測定可能である。1つの配列が、術前画像化中に、被験骨へ堅固に取り付けられ、被験骨のCT画像と、動きキャプチャが測定した被験器具3D姿勢との間の固定されたデータ基準として役立つために、術中試験中、取り付けられたままを維持する。したがって、この配列は、基準CT-Qualisys-基点マーカ配列(CT-Q-FMA)と称され得る。第2の配列は、術中試験中、被験器具へ堅固に取り付けられ、これによって、基準CT-Q-FMAに関する被験器具の3D姿勢の測定を可能にする。第2の配列は、移動Q-FMAと称され得る。
基準CT-Q-FMAフレームは、CTおよびMR互換オブジェクトデジタルABS Polyjet Photopolymer RGD515/535から構成され得、Objet Connex 500 3D Printerで製造され得る。基準CT-Q-FMAにおいて使用される球状の複数方式マーカは、CTおよびMR互換の、赤外線反射性塗料でコーティングされた放射線不透過性のプラスチックから構成され得る。基準CT-Q-FMAの製造は、基準CT-Q-FMAの形状が、測定システムの使用を通じて不変を維持する限り、測定精度に影響しないことがあり得る。移動Q-FMAの製造は、測定システム結果に偏りを与え得る。
いくつかの例では、基準CT-Q-FMAを被験骨へ堅固に結合するために設計された骨装備が製造される。図5に図示されるように、骨装備は、測定中および測定間において、基準CT-Q-FMAと被験骨との間の安定した関係を提供するように意図される。骨装備は、CTおよびMR互換オブジェクトデジタルABS Polyjet Photopolymer RGD515/535から構成され得、Objet Connex 500 3D Printerで製造され得る。骨装備の製造は、測定システムの使用を通じて、基準CT-Q-FMAと被験骨との間の安定した不変の関係を提供できる限り、測定システムに影響を与えないことがあり得る。
それに加えて、器具装備は、移動Q-FMAおよび被験器具を堅固に結合するために使用され得る。器具装備は、3D空間において被験器具を表すために、被験器具に関するあらかじめ決定された姿勢に従って、移動Q-FMAを配置する。器具装備の製造は、測定システム結果に偏りを与え得る。
いくつかの例では、被験器具は、いくつかの仕様に従って製造および検査される。各ケースに含まれる部品番号および量は変動し得る。これらの例では、被験器具の製造は、測定結果の一因となる。術中位置決めにおいて製造処理が有するあらゆる影響は、測定結果内にキャプチャされる。
事前画像化組立体のために、骨装備が、被験骨に組み立てられる。MRおよびCT互換にするために、および、画像化歪みの可能性を低減(たとえば、最小化)するために、骨装備を被験骨に堅固に取り付けるために、アルミニウムハードウェアが使用され得る。たとえば、安定性を増加(たとえば、最大化)させ、被験骨の近傍および末端の骨端における画像化歪みの可能性を低減(たとえば、最小化)させるために、2つの1/4-20スレッドアルミニウムロッドおよびロックナットが、被験骨に位置決定され、間隔を置かれて配置され得る。
いくつかの実施では、組立体は、被験骨との不変の関係を維持するために設計され、特に患者(たとえば、試験のために使用される死体標本)の搬送中、この関係を保持するために、測定システムの使用を通じて対策が講じられる。測定間、または測定中、被験骨に対する骨装備偏移は、測定システム結果に偏りを与え得る。測定システムの使用を通じて、骨装備と被験骨との間のゼロ偏移が仮定され得るが、偏移は、必要に応じて測定を確認および調節するために、術後に測定され得る。
基準CT-Q-FMAを骨装備に組み立てるために、CTおよびMR互換にするために、および、画像歪みを低減(たとえば、回避)するために、ナイロンハードウェアが使用され得る。組立体は、被験骨との不変の関係を維持するために設計され得、特に患者(たとえば、試験のために使用される死体標本)の搬送中、この関係を保持するために、測定方法間および測定方法中に、対策が講じられ得る。測定間または測定中、被験骨に対する基準CT-Q-FMA偏移は、測定システム結果に偏りを与え得る。測定システムの使用を通じて基準CT-Q-FMAと被験骨との間のゼロ偏移が仮定され得るが、偏移は、術後に測定され得、最終測定結果において考慮され得る。
それに加えて、CT術前画像化のために、骨(たとえば、膝エリア)の一部が、脂肪抑制法でMR画像化される。脂肪抑制されたMR画像は、処理されたCT画像には存在しない関節軟骨の厚みの測定を提供することが意図されている。スキャン設定が、使用されているマシンのために(移植設計ツールの画像化プロトコル毎に)適切になるように設定される。脂肪抑制設定がオンされる。脂肪抑制されたMR画像の欠落は、測定システム精度に影響を与え得る。
いくつかの例では、測定された軟骨の厚みの平均値が、文献へ公認される。MR画像の供給者によって定義されたMRIマシン較正記録は、測定変動を考慮するためにアクセスされ得る。
被験骨および基準CT-Q-FMAは、その後、CT画像化され得る。以下のスキャン設定は、処理のための十分な(たとえば、最適化された)CT画像を生成するために使用され得る。-25cm FOV、-0.625mmの螺旋形のスライス厚み、-0.562mmの螺旋形のスライスピッチ、および、骨のために最適化された-135mAの管電流。
システム300は、被験骨のCT画像および基準CT-Q-FMAを、正確なものとして取り扱う。CT画像技術の供給者によって定義されたCTマシン較正記録は、画像化変動を考慮するためにアクセスされ得る。
図5に図示される組立体を用いて、システムは、最も正確な術前および術中画像化方法を活用するハイブリッド測定システムを実施し得る。CTは、骨位置決めにおける使用のための解剖目印を評価するために利用可能な正確な画像化ツールである。CTはまた、術前位置決めターゲットを確立するとき、骨の多い解剖へのアクセスを広げ、高めた。受動的な反射マーカが、術中3D姿勢測定のために、未だに使用されていたが、冗長的なカメラおよびマーカの追加によって、光学的動きキャプチャ測定は、さほどノイズはなかった。使用されるQualisys ProReflex光学的動きカメラは、マイクロメートル精度で測定することができる。各画像化測定方法が物理的な測定へ適切に較正されたことを検証するために、各方法のための基点マーカの残余誤差を見積もるためにCMMデータが使用され得る。
いくつかの実施では、各方法から独立したデータが、CT方法、Qualisys方法、およびCMM測定方法の各々によって検出可能な基点マーカの基準配列を一致させることによって共同位置合わせされる。これらの実施では、基準CT-Q-FMAは、被験骨に堅固に固定され、術前CT測定と術中Qualisys測定との間の基準データとして役立つ。測定システムへの基準CT-Q-FMAの役割によって、物理的なCMM測定に対するCTデータおよびQualisysデータの両方の独立検証が可能となる。それに加えて、術後CT測定された切断面と一致させるために、切断面位置決めの術内Qualisys測定が検証され得る。
このハイブリッド測定システムによって与えられたデータの質および量は、設計による外科切除製造の理解と、究極的には能力とを向上し得る。したがって、本開示を通じて説明された技術は、現在の設計処理の精度を確認するために使用され得、将来における設計処理を改善するために使用され得る。
図4を再び参照して示すように、システム300は、術前画像データに基づいて、骨の一部と、基準基点マーカとの3次元表現を生成する(410)。たとえば、システム300は、骨の一部と、基準基点マーカ配列とを含む3次元立体を生成する。本開示を通じて説明される技術が膝移植(たとえば、TKA)において使用される実施では、システム300は、大腿骨および/または脛骨の少なくとも一部の3次元表現を生成し得る。たとえば、システム300は、大腿骨および/または脛骨の全体の3次元表現を生成し得るか、または、膝関節に位置する大腿骨または脛骨の一部(たとえば、TKA中に移植を受ける大腿骨または脛骨の一部)の3次元表現を生成し得る。それに加えて、本開示を通じて説明される技術は、他のタイプの移植処置(たとえば、腰置換、肩置換等)に適用され得る。他のタイプの移植処置のために、システム300は、移植処置に関連付けられた関節に位置する骨の一部のように、移植を受ける骨の一部の3次元表現を生成し得る。
いくつかの例では、システム300は、骨の一部の3次元表現を生成する際に軟骨を考慮し得る。これらの例では、システム300は、骨の一部に関連する軟骨についての測定を識別し、骨の一部に関連する軟骨についての識別された測定を考慮するために、3次元表現および座標系を調節する。システム300は、過去のデータ(たとえば、問題となっている関節の平均の軟骨の厚みに関する文献)に基づいて、軟骨の厚みを仮定し得る。それに加えて、システム300は、骨の一部の核磁気共鳴映像(MRI)にアクセスし、骨の一部のMRIに基づいて、軟骨の測定を決定することによって、軟骨の厚みを測定する。
3次元表現を生成するために画像を処理する際に、システム300は、適切なソフトウェアアプリケーション(たとえば、MIMICSソフトウェア)を使用して、処理されたCT画像を生成するために、被験骨および基準CT-Q-FMAのCT画像をセグメント化し得る。システム300は、被験骨および基準CT-Q-FMAの処理されたCT画像を、正確なものとして取り扱い得る。被験骨および基準CT-Q-FMAの処理されたCT画像は、基準CT-Q-FMAのCMM測定に対する比較によって検証され得る。
システム300は、骨の一部の3次元表現のための座標系を定義し(415)、定義された座標系に対する基準基点マーカの場所を決定する(420)。システム300は、ユーザ入力および/または自動化された処理に基づいて、座標系を定義し得る。たとえば、システム300は、ユーザが、骨の一部に座標軸フレームワークを配置するユーザ入力を提供することに基づいて、座標系を定義し得る。また、システム300は、骨の一部における1つまたは複数の目印を識別し、1つまたは複数の識別された目印に対する座標系を定義することによって、座標系を自動的に定義し得る。
システム300は、以下により詳細に議論されるように、座標系が、基点マーカの場所の測定と、画像化技術の多数の方式の共同位置合わせとを可能にする限り、骨の任意の位置および方位において座標系を定義し得る。たとえば、TKAでは、近傍および末端の関節の中心によって定義される近傍および末端の機械的な点を使用して、大腿骨の機械的な軸が確立され得る。そして、大腿骨の機械的な軸が、大腿骨座標系のZ軸として定義され得る。この例では、脛骨の機械的な軸が、近傍および末端の関節の中心を定義する近傍および末端の機械的な点を使用して確立され得る。そして、脛骨の機械的な軸が、脛骨座標系のZ軸として定義され得る。
座標系を定義した後、システム300は、定義された座標系に関して基点マーカの場所を決定する。たとえば、基準基点マーカは、放射線不透過性の赤外線反射性の球状マーカであり得、基準基点マーカ配列は、少なくとも5つの基準球状マーカを含み得る。この例では、システム300は、少なくとも5つの基準球状マーカの各々のための場所を決定する。場所を決定する際に、システム300は、基準球状マーカの中心を決定し得、基準基点マーカの場所を、決定された基準球状マーカの中心として決定し得る。それに加えて、システム300は、基準球状マーカを識別し、識別された基準球状マーカの各々を、理想的な球形状を用いて、回帰フィッティングし、回帰フィッティングされた基準球状マーカを使用して、基準球状マーカの場所を決定し得る。
いくつかの実施では、システム300は、基準基点マーカの決定された場所を検証する。これらの実施では、システム300は、基準基点マーカ配列のためのCMMデータにアクセスし、基準基点マーカ配列のためのアクセスされたCMMデータを使用して、基準基点マーカの決定された場所を検証し得る。この検証は、CMMデータにおける基準基点マーカの相対的な場所の、画像データを使用して決定されたような基準基点マーカの相対的な場所に対する比較を含み得る。決定された場所は、期待された場所のしきい値内にあることをこの比較が明らかにするのであれば、システム300は、処理を継続し得る。決定された場所が、期待された場所のしきい値の外にあることを比較が明らかにするのであれば、画像化システムは、再び較正され、画像化が反復され得る。
図6〜図9は、骨セグメントのための例示的な位置決め軸を例示する。図6および図7は、大腿骨のためにシステム300によって定義された解剖位置決め軸の多数の視点を例示する。座標系の基点と骨との間のギャップは、好適な末端顆における軟骨の厚みを表す。図6に図示されるように、3次元表現600は、大腿骨の全体を、大腿骨の機械的な軸と位置合わせされたZ軸を用いて定義された座標系とともに含む。図7は、TKA処理に関連する大腿骨の一部に注目した3次元表現600の多数の視点を例示する。図示されるように、第1の視点710は、骨に対して定義されたZ軸およびX軸を例示し、第2の視点720は、骨に対して定義されたZ軸およびY軸を例示し、第3の視点730は、骨に対して定義されたX軸およびY軸を例示する。
図8および図9は、脛骨のためにシステム300によって定義された解剖位置決め軸の多数の視点を例示する。座標系の始点と骨との間のギャップは、切断基準点における軟骨の厚みを表す。図8に図示されるように、3次元表現800は、脛骨の全体を、脛骨の機械的な軸と位置合わせされたZ軸を用いて定義された座標系とともに含む。図9は、TKA処置に関連する脛骨の一部に注目した3次元表現800の多数の視点を例示する。図示されるように、第1の視点910は、骨に対して定義されたZ軸およびX軸を例示し、第2の視点920および第3の視点930は、骨に対して定義されたZ軸およびY軸を例示し、第4の視点940は、骨に対して定義されたX軸およびY軸を例示する。
図4を再び参照して例示するように、システム300は、基準基点マーカ配列が固定された骨の一部と、骨の一部に対する外科処置において使用される器具に取り付けられた移動基点マーカ配列とを含む術中画像データにアクセスする(425)。移動基点マーカ配列は、少なくとも3つの移動基点マーカを含み得、術中画像データは、第1の画像化方式とは異なる、基準基点マーカと移動基点マーカとを画像化するように構成された第2の画像化方式を使用してキャプチャされ得る。たとえば、システム300は、基準基点マーカ配列が固定された骨の一部と、骨の一部に対する外科処置において使用される器具に取り付けられた移動基点マーカ配列とを含む術中動きキャプチャデータにアクセスし得る。
本開示を通じて説明された技術が膝移植(たとえば、TKA)において使用される実施では、システム300は、大腿骨および/または脛骨の少なくとも一部の術中画像データにアクセスする。たとえば、システム300は、大腿骨または脛骨の全体の術中画像データにアクセスし得るか、または、膝関節に位置する大腿骨およびまたは脛骨の一部(たとえば、TKA中に移植を受ける大腿骨または脛骨の一部)の術前画像データにアクセスし得る。それに加えて、本開示を通じて説明された技術は、他のタイプの移植処置(たとえば、腰置換、肩置換等)へ適用され得る。他のタイプの移植処置のために、システム300は、移植処置に関連付けられた関節に位置する骨の一部のように、移植を受ける骨の一部の術中画像データにアクセスし得る。
TKA実施では、外科処置において使用される器具は、切断ブロックであり得る。これらの実施では、移動基点マーカ配列は、切断ブロックの切断スロットと、切断ブロックの少なくとも1つの他の部分とを通って、切断ブロックに取り付けられ得る。たとえば、移動基点マーカ配列は、切断ブロックの切断スロットと、切断ブロックの少なくとも1つのピンホールとを通って、切断ブロックへ取り付けられ得る。それに加えて、移動基点マーカ配列は、切断スロットを通って挿入されるように設計された外科用メスと、切断スロット内に外科用メスを堅固に支持する1つまたは複数の詰め物とを使用して、切断スロットを通じて切断ブロックへ取り付けられ得る。
非破壊試験の観点において、移動Q-FMAは、術中動きキャプチャ(たとえば、Qualisys ABによって提供されるProReflex動きキャプチャ技術)測定中、被験器具の3D姿勢を表すために使用され得る。移動Q-FMAは、器具装備とペアとされ、器具装備は、被験器具の位置決め特性とペアとされ得る。器具装備は、移動Q-FMAと被験器具との間のあらかじめ決定された3D姿勢を維持するように意図され得る。移動Q-FMAと被験器具との間のあらかじめ決定された3D姿勢の周囲の組立体変動は、測定システム精度に影響を与え得、結果出力において考慮され得る。
器具装備を、被験器具の位置決め特性とペアとした後、被験器具は、被験骨に物理的に位置決めされ得る。動きキャプチャ(たとえば、Qualisys ABによって提供されるProReflex動きキャプチャ技術)は、基準CT-Q-FMAに関する移動Q-FMAの3D姿勢を測定し得る。たとえば、切開がなされ得、被験骨が露出され得る。基準CT-Q-FMAと、動きキャプチャカメラに見える移動Q-FMAとを用いて、外科医は、被験器具を、被験骨に位置決めする。外科医が、被験器具の位置決めに確信を持つと、動きキャプチャカメラは、基準CT-Q-FMAに関する移動Q-FMAの3D姿勢をキャプチャする。これらのステップは、必要に応じて、追加の器具のために繰り返され得る。被験骨に対する被験器具の術中位置決めの精度は、測定システム結果の構成要素である。
システム300は、術中画像データに含まれる基準基点マーカを、定義された座標系に対する基準基点マーカの決定された場所に一致させることによって、術中画像データを、骨の一部の3次元表現と共同位置合わせする(430)。たとえば、システム300は、参照番号420に関して上記で説明された技術を使用して、術中画像データに含まれる基準基点マーカの場所を決定する。この例では、システム300は、術中画像データにおける基準基点マーカの決定された場所を採用し、術中画像データにおける基準基点マーカの決定された場所を、術前画像データにおける基準基点マーカの決定された場所に一致させ、この一致に基づいて、術前画像データへ、術中画像データを重ね合わせる。術中画像データにおける基準基点マーカの決定された場所が、術前画像データにおける基準基点マーカの決定された場所に正確に一致しない限り、システム300は、最良の一致を評価し、これら場所間の集約の相違を最小化するやり方で、これら場所を一致させる。以下に議論される図12は、TKA実施における共同位置合わせの追加の詳細を説明する。
図10および図11は、共同位置合わせされ重ね合わされた例示的な術前および術後の画像を例示する。図10は、脛骨の例示的な画像1000を例示し、図11は、大腿骨の例示的な画像1100を例示する。画像1000および画像1100の各々では、相違は、陰によって例示されている。
図4を再び参照して示すように、システム300は、共同位置合わせされた術中画像データと骨の一部の3次元表現における移動基点マーカの場所を決定する(435)。システム300は、定義された座標系の観点において基点マーカの場所を決定し得る。たとえば、移動基点マーカは、放射線不透過性の赤外反射性の球状マーカであり得、移動基点マーカ配列は、少なくとも5つの基準球状マーカを含み得る。この例では、システム300は、少なくとも5つの移動球状マーカの各々のための場所を決定する。場所を決定する際に、システム300は、移動球状マーカの中心を決定し得、移動球状マーカの決定された中心として、移動基点マーカの場所を決定し得る。それに加えて、システム300は、移動球状マーカを識別し、識別された移動球状マーカの各々を、理想的な球形状を用いて回帰フィッティングし、回帰フィッティングされた移動球状マーカを使用して、移動球状マーカの場所を決定し得る。
いくつかの実施では、システム300は、移動基点マーカの決定された場所を検証する。これらの実施では、システム300は、移動基点マーカ配列のためのCMMデータにアクセスし、移動基点マーカ配列のためのアクセスされたCMMデータを使用して、移動基点マーカの決定された場所を検証し得る。この検証は、CMMデータにおける移動基点マーカの相対的な場所と、画像データを使用して決定されたような移動基点マーカの相対的な場所との比較を含み得る。決定された場所は、期待された場所のしきい値内にあることをこの比較が明らかにするのであれば、システム300は、処理を継続し得る。決定された場所は、期待された場所のしきい値外にあることをこの比較が明らかにするのであれば、画像化システムは、再較正され得、画像化が反復され得る。
システム300は、移動基点マーカの決定された場所に基づいて、骨の一部に対する器具の3次元空間位置および方位を決定する(440)。たとえば、システム300は、器具と移動基点マーカとの間の既知の関係を決定するために、コンピュータ支援設計(CAD)モデルを使用し得る。この例では、システム300は、移動基点マーカ配列が取り付けられた器具のCADモデルを使用して決定された移動基点マーカに対する器具の3次元空間位置および方位を定義するデータにアクセスし、移動基点マーカに対する器具の3次元空間位置および方位を、移動基点マーカの決定された場所へマップすることによって、骨の一部に対する器具の3次元空間位置および方位を決定する。この点について、システム300は、骨の一部に対する器具の位置および方位を決定するために、移動基点マーカに対する器具の既知の関係を使用する。
別の例では、システム300は、器具と移動基点マーカとの間の既知の関係を決定するために、CMMデータを使用し得る。この例では、システム300は、移動基点マーカ配列が取り付けられた器具のCMM評価を使用して決定された移動基点マーカに対する器具の3次元空間位置および方位を定義するデータにアクセスし、移動基点マーカに対する器具の3次元空間位置および方位を、移動基点マーカの決定された場所へマップすることによって、骨の一部に対する器具の3次元空間位置および方位を決定する。この点について、システム300は、骨の一部に対する器具の位置および方位を決定するために、移動基点マーカに対する器具の既知の関係を使用する。
システム300は、骨の一部に対する器具の3次元空間位置および方位を、骨の一部への器具の設計された位置決めと比較する(445)。たとえば、システム300は、外科処置のための術前位置決め設計から、骨の一部に対する器具の設計された位置決めに、電子ストレージからアクセスする。この例では、システム300は、設計された位置決めにおける器具の3次元空間位置および方位を、共同位置合わせされた画像における器具の3次元空間位置および方位と比較する。この比較に基づいて、システム300は、共同位置合わせされた画像においてキャプチャされた器具の術中位置に対する設計における器具の位置間の相違を決定する。
この比較を実行する際に、システム300は、器具のための術前位置決め設計を、共同位置合わせされた画像に一致させ、この一致に基づいて、器具のための術前位置決め設計を、共同位置合わせされた画像へ重ね合わせ得る。器具のための術前位置決め設計が、共同位置合わせされた画像へ重ね合わせられた後、システム300は、設計された位置決めを、測定された術中位置決めと直接的に比較し、設計された位置決めと測定された術中位置決めとが重なり合うエリアと、設計された位置決めと測定された術中位置決めとが重なり合わないエリアとを識別し得る。
比較結果に基づいて、システム300は、骨の一部への器具の設計された位置決めに対する骨の一部に対する外科処置における器具の位置決めの精度の表示度数を決定する(450)。たとえば、この比較に基づいて、システム300は、測定された術中位置決めと、設計された位置決めとにおける差分を識別する。この例では、システム300は、識別された差分を分析し、この分析に基づいて、外科処置における器具の位置決めの精度の表示度数を決定する。たとえば、システム300は、測定された術中位置決めが、設計された位置決めと重なり合うパーセンテージを決定し得る。それに加えて、システム300は、測定された術中位置決めにおける器具の端部と、設計された位置決めにおける器具の端部との間の間隔を識別し得る。システム300は、この表示度数の一部として、間隔の間の平均距離および/または中央値の距離を決定し得るか、または、これら間隔の間の最大距離および/または最小距離を決定し得る。システム300は、位置決めの精度の任意のタイプの表示度数を使用し得る。本開示を通じて説明された技術が膝移植(たとえば、TKA)において使用される実施では、システム300は、設計された位置決めにおける切除カットの面に対して比較されるような、測定された術中位置決めにおける切除カットの面に対する精度を評価し得る。
システム300は、器具の設計された位置決めに対する外科処置における器具の位置決めの精度の決定された表示度数に基づいて出力を提供する(455)。たとえば、システム300は、外科処置における位置決めの精度を示す出力を提供し得る。この例では、システム300は、位置決めフィッティングのパーセンテージを出力し得るか、および/または、位置決めがどれくらい近く一致するのか(たとえば、2ミリメートル以内で一致する)を示す許容測定を出力し得る。システム300は、外科処置が外科医によってどれくらい良好に実行されたのかを示す出力を記憶し得る。
出力を提供する際に、システム300は、生きている患者に対する手術中ではなく、死体患者を含む外科処置において使用され得る。これらのケースでは、骨装備の設定および使用は、設計処理を改善し、位置決め処理における精度を決定するために使用される。したがって、システム300によって提供される出力は、死体患者に対する患者にマッチした設計処理を検証するために使用され、手術フィードバックを介して生きている患者に対する将来の結果を改善するために、術後画像化が使用される。この点について、システム300は、外科処置中に出力をライブで表示するのではなく、測定および分析の結果を単に記憶することによって、出力を提供し得る。システム300はその後、記憶された出力にアクセスし、アクセスされた出力に対して分析を実行し、アクセスされた出力、および/または、アクセスされた出力に対する分析の結果を表示し得る。
いくつかの実施では、システム300は、外科処置において使用される処理のための全般的な位置決めの精度に関する統計を計算し得る。これらの実施では、システム300は、他の類似の外科処置から決定された類似のデータとの、器具の設計された位置決めに対する外科処置における器具の位置決めの精度の決定された表示度数を集約する。システム300は、その後、集約されたデータの統計分析を実行し、集約されたデータの統計分析に基づいて、集約されたデータに含まれる外科処置における全般的な位置決めの精度の表現を決定し、全般的な位置決めの精度の決定された表現を示す出力を提供する。たとえば、システム300は、平均精度、中央値の精度、または、外科処置において使用される処理のための全般的な位置決めの精度の他の任意の統計的な表示度数を計算し得る。この点において、システム300は、集約されたデータについてT試験および/またはF試験統計分析を実行し、T試験および/またはF試験統計分析の結果を出力し得る。
いくつかの例では、システム300は、術中画像データの使用を通じて決定された位置決めの精度を検証するために、術後データを使用する。これらの例では、システム300は、外科処置中になされた切断の術後検証を記述しているデータにアクセスし、外科処置中になされた切断の術後検証を記述しているアクセスされたデータに基づいて、位置決めの精度の決定された表示度数を検証し得る。術後データは、いずれかの患者の非破壊的な画像化データ、および/または、死体対象のための破壊的な検証データ(たとえば、カリパス測定)のいずれかを含み得る。以下に議論される図13は、術後測定検証を、TKA処置における精度を検証することに関連するとして、より詳細に説明する。
図12は、非破壊測定システム結果を分析するための処理1200の例を例示する。処理1200の動作は、システム300によって実行されるとして一般に説明される。いくつかの実施では、処理1200の動作は、1つまたは複数の電子デバイスに含まれる1つまたは複数のプロセッサによって実行され得る。処理1200は、図5に図示される組立体を使用して、処理400の一部として、または、処理400と連携して実行され得る処理の例を例示する。
図4に関して上記で議論されたように、システム300は、被験骨のMRI画像にアクセスし、軟骨の厚みを決定するために、MRI画像を使用する(1210)。それに加えて、システム300は、被験骨のCT画像(すなわち、CSYS-1-CT)にアクセスし、CT画像のための座標系を決定する(1220)。
システム300は、その後、CSYS-1-CTとCSYS-2-CTとの間の3D変換を計算する(1230)。上述されたように、CSYS-1-CTは、定義された座標系を備えたCT画像として定義される。CSYS-2-CTは、処理されたCT画像によって測定されたような基準CT-Q-FMAの球状パターンによって定義される。
いくつかの例では、処理されたCT画像における基準CT-Q-FMA形状を代表する各面が識別され、理想的な球体を用いて回帰フィッティングされる。これらの例では、回帰フィッティングされた理想的な球体のパターンは、CSYS-2-CTを定義する。基準CT-Q-FMAの処理されたCT画像は、正確であると仮定され得る。また、基準CT-Q-FMAの処理されたCT画像は、基準CT-Q-FMAのCMM測定に対する比較によって検証され得る。
システム300は、CSYS-2-CTをCSYS-2-Qと共同位置合わせする(1240)。CSYS-2-Qは、動きキャプチャ(たとえば、Qualisys ABによって提供されるProReflex動きキャプチャ技術)によって測定されるような基準CT-Q-FMAの球状パターンによって定義される。動きキャプチャによって測定された各[x、y、z]点は、基準CT-Q-FMAの1つの球体の中心を表す。[x、y、z]点のパターンは、回帰フィッティングされた理想的な球体のパターンがCSYS-2-CTを定義するのと同じやり方で、CSYS-2-Qを定義する。CSYS-2-Qを定義する球体パターンは、CSYS-2-CTを定義する球体パターンへ回帰フィッティングされる。残余パターンフィッティング誤差は、測定システム精度に影響を与え得るが、後続する精度測定において本質的にキャプチャされる。
システム300は、CSYS-2-QとCSYS-3-Qとの間の各3D変換を計算する(1250)。CSYS-2-Qは既に、上述されたように定義されている。CSYS-3-Qは、動きキャプチャ(たとえば、Qualisys ABによって提供されるProReflex動きキャプチャ技術)によって測定されるような移動Q-FMAの球体パターンによって定義される。動きキャプチャによって測定された各[x、y、z]点は、移動Q-FMAの1つの球体の中心を表す。[x、y、z]点のパターンは、CSYS-3-Qを定義する。動きキャプチャとともになされた各術中被験器具位置決め測定は、CSYS-2-QとCSYS-3-Qとの間の1つの変換として計算される。
いくつかの実施では、この3D変換は、動きキャプチャ測定ノイズに依存する。なぜなら、動きキャプチャが特定の形状の[x、y、z]を決定し得る精度には、小さいが、限界があるからである。測定精度は、いくつかの物理的な影響を有し、システム300は、これら物理的な原因に対処することによって、測定ノイズを最小化することを試みる。たとえば、システム300は、冗長動きキャプチャカメラ、冗長基点マーカ、測定ボリューム毎に適切にサイズ決めされ間隔を置かれた基点マーカ、および、動きキャプチャ使用に先立つ較正を使用する。
動きキャプチャ精度を測定するために、動きキャプチャは、基準CT-Q-FMAおよび移動Q-FMAからなり、移動Q-FMAは、基準CT-Q-FMAに関して静止している(たとえば、人間の影響なく場所が固定される)として知られている。基準CT-Q-FMAに関する移動Q-FMAの記録された位置決め変動は、動きキャプチャ測定精度として測定され得る。これは、測定システム精度に影響を与え得る。システム300は、出力された結果における動きキャプチャ精度を考慮し得る。
システム300は、CSYS-3-QをCSYS-3-CADと共同位置合わせする(1260)。CSYS-3-Qは、上記で議論されたように定義される。CSYS-3-CADは、移動Q-FMAのコンピュータ支援設計(CAD)モデルの球体パターンによって定義される。CSYS-3-Qを定義する球体パターンは、CSYS-3-CADを定義する球体パターンに回帰フィッティングされる。
これらの例では、残余パターンフィッティング誤差は、測定システム精度に影響し得るが、前の動作の精度測定において本質的にキャプチャされる。移動Q-FMAの製造偏差が、残余パターンフィッティング誤差に寄与し得る。これは、測定システム結果に偏りを与え得る。
システム300は、CSYS-3-CADとCSYS-4-CADとの間の3D変換を計算する(1270)。CSYS-3-CADは、上記で議論されたように定義される。CSYS-4-CADは、切断スロット、ピンホール、基準線等のような被験器具特性に典型的に関連付けられた被験器具位置決めによって定義される。移動Q-FMAを位置決定し、被験器具へ方位付ける器具装備の設計によってあらかじめ決定されたような、CSYS-3-CADとCSYS-4-CADとの間の3D変換が知られている。この点において、器具の位置は、CSYS-4-CADによって定義されるように、移動Q-FMAの基点マーカの画像と、移動Q-FMAの基点マーカに対する器具の既知の関係とに基づいて、被験骨に位置決めされる。
いくつかの例では、器具備品の製造精度が、測定システム結果に偏りを与え得る。移動Q-FMAの組立体変動、器具備品、および被験器具が、測定システム精度に影響を与え得る。それに加えて、被験器具の製造精度が、測定システム結果の構成要素である。したがって、外科処置および非破壊分析の各フェーズの正確度および精度が考慮され、システム300によって提供される出力において使用され得る。
システム300は、CSYS-4-CADとCSYS-1-CTとの間の3D変換を計算する(1280)。CSYS-4-CADとCSYS-1-CTとの間の3D変換は、以前に計算された3D変換または共同位置合わせを使用して計算され得る(1280)。これら3D変換は、測定システムの結果である。
図13は、破壊測定システム検証結果を分析するための処理1300の例を例示する。処理1300の動作は、システム300によって実行されるとして一般に説明される。いくつかの実施では、処理1300の動作は、1つまたは複数の電子デバイスに含まれる1つまたは複数のプロセッサによって実行され得る。処理1300は、図5において図示される組立体を使用して、処理400の一部として、または、処理400と連携して実行され得る処理の例を例示する。
測定システムを使用したすべての非破壊試験の完了後、被験骨は、測定システムの破壊的な検証のために切除される。カリパスは、切除面から、切除深さを決定するために使用される関節軟骨基準への、切除された被験骨断片の厚みを測定するために使用され得る。被験骨断片測定は、のこぎり刃厚みを含まない。したがって、システム300は、被験骨断片カリパス測定を、のこぎり刃カリパス測定と組み合わせて、これらをともに記録する。
システム300は、CSYS-1-CTとCSYS-5-CT-Cutとの間の3D変換を計算する。図12に関して上記で議論されたようなCSYS-1-CT。
CSYS-5-CT-Cutは、術後処理されたCT画像における被験骨の切除面において定義される。切除された対象骨および基準CT-Q-FMAの術後CT画像は、術前CT画像化および処理と同じ方法を使用して取得および処理される。術前および術後に処理されたCT画像は、処理された各画像に存在する基準CT-Q-FMAの球体パターンを回帰フィッティングすることによって互いに共同位置合わせされる。CSYS-1-CTとCSYS-5-CT-Cutとの間の3D変換は、切除面位置決めの独立した術後CT測定であり、これは、測定システムの結果と比較されるであろう。
いくつかの実施では、動きキャプチャ(たとえば、Qualisys ABによって提供されるProReflex動きキャプチャ技術)によって測定される各[x、y、z]点は、基準CT-Q-FMAの1つの球体の中心を表す。球体パターンが、CMM球体パターンへ回帰フィッティングされる。残余パターンフィッティング誤差が、システム300によって記録される。脂肪抑制されたMR画像において測定されるような被験骨の関節の軟骨の厚みが、対応する領域における関節軟骨の文献報告された範囲と比較される。関節軟骨測定および文献報告された範囲は、システム300によって記録される。
処理1300において記録されたデータを用いて、システム300は、測定処理の各フェーズを検証する。システム300はその後、測定処理全体を検証し、システム300が結果の一部として出力し得る測定における精度の程度を決定し得る。
図14は、一般的なコンピュータシステム1400の例を例示する。システム1400は、いくつかの実施に従って、処理100、200、400、1200および1300に関連して説明された動作のために使用され得る。システム1400は、システム400に含まれ得る。
システム1400は、プロセッサ1410、メモリ1420、記憶デバイス1430、および入力/出力デバイス1440を含む。構成要素1410、1420、1430、および1440の各々は、システムバス1450を使用して相互接続される。プロセッサ1410は、システム1400内の実行のための命令を処理することができる。1つの実施では、プロセッサ1410は、シングルスレッドプロセッサである。別の実施では、プロセッサ1410は、マルチスレッドプロセッサである。プロセッサ1410は、入力/出力デバイス1440上のユーザインターフェースのためのグラフィック情報を表示するために、メモリ1420または記憶デバイス1430に記憶された命令を処理することができる。
メモリ1420は、システム1400内の情報を記憶する。1つの実施では、メモリ1420は、コンピュータ可読媒体である。1つの実施では、メモリ1420は、揮発性メモリユニットである。別の実施では、メモリ1420は、不揮発性メモリユニットである。
記憶デバイス1430は、システム1400のための大容量ストレージを提供することができる。1つの実施では、記憶デバイス1430は、コンピュータ可読媒体である。様々な異なる実施では、記憶デバイス1430は、フロッピーディスクデバイス、ハードディスクデバイス、光ディスクデバイス、またはテープデバイスであり得る。
入力/出力デバイス1440は、システム1400のための入力/出力動作を提供する。1つの実施では、入力/出力デバイス1440は、キーボードおよび/またはポインティングデバイスを含む。別の実施では、入力/出力デバイス1440は、グラフィックユーザインターフェースを表示するためのディスプレイユニットを含む。
説明された特性は、デジタル電子回路において、または、コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはこれらの組合せにおいて実施され得る。装置は、プログラマブルプロセッサによる実行のために、たとえば、マシン可読記憶デバイスにおけるように、情報担体において有形的に具現化されたコンピュータプログラム製品において実施され得、方法のステップは、入力データに対して演算し、出力を生成することによって、説明された実施の機能を実行するために命令のプログラムを実行するプログラマブルプロセッサによって実行され得る。説明された特性は、データ記憶システム、少なくとも1つの入力デバイス、および少なくとも1つの出力デバイスからデータおよび命令を受信し、データ記憶システム、少なくとも1つの入力デバイス、および少なくとも1つの出力デバイスへデータおよび命令を送信するために結合された少なくとも1つのプログラマブルプロセッサを含むプログラマブルシステムにおいて実行可能な1つまたは複数のプログラムにおいて好ましくは実施され得る。コンピュータプログラムは、ある動作を実行する、または、ある結果を生成するためにコンピュータにおいて直接的または間接的に使用され得る命令のセットである。コンピュータプログラムは、コンパイルまたはインタプリタされた言語を含む任意のプログラミング言語の形式で書き込まれ得る。そして、スタンドアロンのプログラムとして、または、モジュール、構成要素、サブルーチン、または、コンピューティング環境における使用のために適切な他のユニットを含む任意の形式で展開され得る。
命令のプログラムの実行のために適切なプロセッサは、例によれば、汎用および専用の両目的のマイクロプロセッサと、任意の種類のコンピュータの単一のプロセッサ、または、多数のプロセッサのうちの1つを含む。一般に、プロセッサは、リードオンリメモリまたはランダムアクセスメモリまたは両方から命令およびデータを受信するであろう。コンピュータの要素は、命令を実行するためのプロセッサと、命令およびデータを記憶するための1つまたは複数のメモリとである。一般に、コンピュータはまた、データファイルを記憶するための1つまたは複数の大容量記憶デバイスを含むか、または、データファイルを記憶するための1つまたは複数の大容量記憶デバイスと通信するために動作可能に結合されるであろう。そのようなデバイスは、内部ハードディスクおよびリムーバブルディスクのような磁気ディスクと、磁気光ディスクと、光ディスクとを含む。コンピュータプログラム命令およびデータを有形的に具現化するために適切な記憶デバイスは、例として、EPROMデバイス、EEPROMデバイス、およびフラッシュメモリデバイスのような例示的な半導体メモリデバイス、内部ハードディスクおよびリムーバブルディスクのような磁気ディスク、磁気光ディスク、およびCD-ROMおよびDVD-ROMディスクによって含むすべての形式の不揮発性メモリを含む。プロセッサおよびメモリは、ASIC(特定用途向け集積回路)によって補強され得るか、またはASIC(特定用途向け集積回路)内に組み込まれ得る。
ユーザとのインタラクションを提供するために、特性は、ユーザへ情報を表示するためのCRT(陰極線管)またはLCD(液晶ディスプレイ)モニタのようなディスプレイデバイスと、ユーザがコンピュータへ入力を提供し得るマウスまたはトラックボールのようなキーボードおよびポインティングデバイスとを有するコンピュータにおいて実施され得る。
特性は、データサーバのようなバックエンド構成要素を含むか、または、アプリケーションサーバまたはインターネットサーバのようなミドルウェア構成要素を含むか、または、グラフィックユーザインターフェースまたはインターネットブラウザを有するクライアントコンピュータのようなフロントエンド構成要素、またはこれらの任意の組合せを含むコンピュータシステムにおいて実施され得る。システムの構成要素は、通信ネットワークのような任意の形式または媒体のデジタルデータ通信によって接続され得る。通信ネットワークの例は、たとえばLAN、WAN、およびコンピュータ、およびインターネットを形成するネットワークを含む。
コンピュータシステムは、クライアントおよびサーバを含み得る。クライアントおよびサーバは一般に、互いに離れ、典型的には、説明された1つのようなネットワークを介してインタラクトする。クライアントとサーバとの関係は、各々のコンピュータにおいて実行し、互いにクライアント-サーバ関係を有している、コンピュータプログラムによって生じる。
本開示を通じて説明された有形的なコンピュータ可読媒体は、非一時的なコンピュータ可読媒体として称され得る。非一時的なコンピュータ可読媒体は、任意のタイプのハードウェア記憶デバイスを含み得、非一時的なという用語は、伝搬信号のような非有形的な情報担体から区別するために使用され得る。
多くの実施が説明された。しかしながら、様々な修正が、本開示の思想および範囲から逸脱することなくなされ得ることが理解されるであろう。したがって、他の実施は、以下の特許請求の範囲の範囲内にある。
100 処理
110 術前データ
120 術前デバイス設計処理
130 デバイスの術中使用
140 術間測定システム
150 術後データ
160 顧客へのデータ結果
300 位置決め測定システム
310 入力モジュール
320 データストア
330 プロセッサ
340 I/Oデバイス
350 メモリ
600 3次元表現
710 第1の視点
720 第2の視点
730 第3の視点
800 3次元表現
910 第1の視点
920 第2の視点
930 第3の視点
940 第4の視点
1000 脛骨の例示的な画像
1100 大腿骨の例示的な画像
1400 コンピュータシステム
1410 プロセッサ
1420 メモリ
1430 記憶デバイス
1440 入力/出力デバイス
1450 システムバス
110 術前データ
120 術前デバイス設計処理
130 デバイスの術中使用
140 術間測定システム
150 術後データ
160 顧客へのデータ結果
300 位置決め測定システム
310 入力モジュール
320 データストア
330 プロセッサ
340 I/Oデバイス
350 メモリ
600 3次元表現
710 第1の視点
720 第2の視点
730 第3の視点
800 3次元表現
910 第1の視点
920 第2の視点
930 第3の視点
940 第4の視点
1000 脛骨の例示的な画像
1100 大腿骨の例示的な画像
1400 コンピュータシステム
1410 プロセッサ
1420 メモリ
1430 記憶デバイス
1440 入力/出力デバイス
1450 システムバス
Claims (21)
- システムであって、
少なくとも1つのプロセッサと、
前記少なくとも1つのプロセッサによって実行されたとき、前記少なくとも1つのプロセッサに動作を実行させる命令を記憶した、前記少なくとも1つのプロセッサに結合された少なくとも1つのコンピュータ可読媒体とを備え、前記動作は、
外科処置に先立って、基準基点マーカ配列が固定された骨の少なくとも一部の第1の画像データにアクセスするステップであって、前記基準基点マーカ配列は、少なくとも3つの基準基点マーカを備え、前記第1の画像データは、前記基準基点マーカと、前記骨の前記一部に関する3次元解剖目印データとを画像化するように構成された第1の画像化方式を使用してキャプチャされる、ステップと、
前記第1の画像データに基づいて、前記骨の前記一部と前記基準基点マーカとの3次元表現を生成するステップと、
前記骨の前記一部の前記3次元表現のための座標系を定義するステップと、
前記定義された座標系に対する前記基準基点マーカの場所を決定するステップと、
前記基準基点マーカ配列が固定された前記骨の前記一部と、前記骨の前記一部に対する前記外科処置において使用される器具に取り付けられた移動基点マーカ配列とを含む術中画像データにアクセスするステップであって、前記移動基点マーカ配列は、少なくとも3つの移動基点マーカを備え、前記術中画像データは、前記第1の画像化方式とは異なる、前記基準基点マーカと前記移動基点マーカとを画像化するように構成された第2の画像化方式を使用してキャプチャされる、ステップと、
前記術中画像データに含まれる前記基準基点マーカを、前記定義された座標系に対する前記基準基点マーカの前記決定された場所に一致させることによって、前記術中画像データを、前記骨の前記一部の前記3次元表現と共同位置合わせするステップと、
前記共同位置合わせされた術中画像データと、前記骨の前記一部の3次元表現とにおける前記移動基点マーカの場所を決定するステップと、
前記移動基点マーカの前記決定された場所に基づいて、前記骨の前記一部に対する前記器具の3次元空間位置および方位を決定するステップと、
前記骨の前記一部に対する前記器具の前記3次元空間位置および方位を、前記骨の前記一部への前記器具の設計された位置決めと比較するステップと、
比較結果に基づいて、前記骨の前記一部への前記器具の前記設計された位置決めに対する、前記骨の前記一部に対する前記外科処置における前記器具の位置決めの精度の表示度数を決定するステップと、
前記器具の前記設計された位置決めに対する、前記外科処置における前記器具の位置決めの精度の前記決定された表示度数に基づいて出力を提供するステップとを備える、システム。 - 前記基準基点マーカ配列が固定された前記骨の前記一部の第1の画像データにアクセスするステップは、前記骨の前記一部と、前記基準基点マーカとのコンピュータ断層撮影(CT)画像データにアクセスするステップを備え、
前記基準基点マーカ配列が固定された前記骨の前記一部と、前記骨の前記一部に対する前記外科処置において使用される前記器具に取り付けられた前記移動基点マーカ配列とを含む術中画像データにアクセスするステップは、前記基準基点マーカ配列が固定された前記骨の前記一部と、前記骨の前記一部に対する前記外科処置において使用される前記器具に取り付けられた前記移動基点マーカ配列とを含む術中動きキャプチャデータにアクセスするステップを備える、請求項1に記載のシステム。 - 前記第1の画像データに基づいて、前記骨の前記一部と前記基準基点マーカとの前記3次元表現を生成するステップは、前記骨の前記一部および前記基準基点マーカ配列を含む3次元立体を生成するステップを備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記移動基点マーカの前記決定された場所に基づいて、前記骨の前記一部に対する前記器具の前記3次元空間位置および方位を決定するステップは、
前記移動基点マーカ配列が取り付けられた前記器具のコンピュータ支援設計(CAD)モデルを使用して決定された前記移動基点マーカに対する前記器具の3次元空間位置および方位を定義するデータにアクセスするステップと、
前記移動基点マーカに対する前記器具の前記3次元空間位置および方位を、前記移動基点マーカの前記決定された場所へマップすることによって、前記骨の前記一部に対する前記器具の前記3次元空間位置および方位を決定するステップとを備える、請求項1に記載のシステム。 - 前記移動基点マーカの前記決定された場所に基づいて、前記骨の前記一部に対する前記器具の前記3次元空間位置および方位を決定するステップは、
前記移動基点マーカ配列が取り付けられた前記器具の座標測定器(CMM)評価を使用して決定された前記移動基点マーカに対する前記器具の3次元空間位置および方位を定義するデータにアクセスするステップと、
前記移動基点マーカに対する前記器具の前記3次元空間位置および方位を、前記移動基点マーカの前記決定された場所へマップすることによって、前記骨の前記一部に対する前記器具の前記3次元空間位置および方位を決定するステップとを備える、請求項1に記載のシステム。 - 前記定義された座標系に対する前記基準基点マーカの場所を決定するステップは、
前記基準基点マーカ配列に関するCMMデータにアクセスするステップと、
前記基準基点マーカ配列に関する前記アクセスされたCMMデータを使用して、前記基準基点マーカの前記決定された場所を検証するステップとを備え、
前記共同位置合わせされた術中画像データと、前記骨の前記一部の3次元表現とにおける前記移動基点マーカの場所を決定するステップは、
前記移動基点マーカ配列に関するCMMデータにアクセスするステップと、
前記移動基点マーカ配列に関する前記アクセスされたCMMデータを使用して、前記移動基点マーカの前記決定された場所を検証するステップとを備える、請求項1に記載のシステム。 - 前記基準基点マーカおよび前記移動基点マーカは、放射線不透過性の、赤外線反射性の球状マーカである、請求項1に記載のシステム。
- 前記基準基点マーカ配列は、少なくとも5つの基準球状マーカを備え、
前記移動基点マーカ配列は、少なくとも5つの移動球状マーカを備える、請求項7に記載のシステム。 - 前記定義された座標系に対する前記基準基点マーカの場所を決定するステップは、
基準球状マーカの中心を決定するステップと、
前記基準基点マーカの場所を、前記基準球状マーカの前記決定された中心として決定するステップとを備え、
前記共同位置合わせされた術中画像データと、前記骨の前記一部の3次元表現とにおける前記移動基点マーカの場所を決定するステップは、
移動球状マーカの中心を決定するステップと、
前記移動基点マーカの場所を、前記移動球状マーカの前記決定された中心として決定するステップとを備える、請求項7に記載のシステム。 - 前記定義された座標系に対する前記基準基点マーカの場所を決定するステップは、
基準球状マーカを識別するステップと、
前記識別された基準球状マーカの各々を、理想的な球形状を用いて回帰フィッティングするステップと、
前記回帰フィッティングされた基準球状マーカを使用して、前記基準球状マーカの場所を決定するステップとを備え、
前記共同位置合わせされた術中画像データと、前記骨の前記一部の3次元表現とにおける前記移動基点マーカの場所を決定するステップは、
移動球状マーカを識別するステップと、
前記識別された移動球状マーカの各々を、理想的な球形状を用いて回帰フィッティングするステップと、
前記回帰フィッティングされた基準球状マーカを使用して、前記移動球状マーカの場所を決定するステップとを備える、請求項7に記載のシステム。 - 前記第1の画像データに基づいて、前記骨の前記一部と前記基準基点マーカとの前記3次元表現を生成するステップと、前記骨の前記一部の前記3次元表現のための前記座標系を定義するステップとは、
前記骨の前記一部に関連する軟骨についての測定を識別するステップと、
前記骨の前記一部に関連する軟骨についての前記識別された測定を考慮するために、前記3次元表現および前記座標系を調節するステップとを備える、請求項1に記載のシステム。 - 前記骨の前記一部に関連する軟骨についての前記測定を識別するステップは、
前記骨の前記一部の核磁気共鳴映像(MRI)にアクセスするステップと、
前記骨の前記一部の前記MRIに基づいて、前記軟骨の測定を決定するステップとを備える、請求項11に記載のシステム。 - 前記外科処置において使用される前記器具は、人工膝関節全置換術(TKA)において使用される切断ブロックである、請求項1に記載のシステム。
- 前記移動基点マーカ配列は、前記切断ブロックの切断スロットと、前記切断ブロックの少なくとも1つの他の部分とを通って、前記切断ブロックへ取り付けられた、請求項13に記載のシステム。
- 前記移動基点マーカ配列は、前記切断ブロックの前記切断スロットと、前記切断ブロックの少なくとも1つのピンホールとを通って、前記切断ブロックへ取り付けられた、請求項14に記載のシステム。
- 前記移動基点マーカ配列は、前記切断スロットを通って挿入されるように設計された外科用メスと、前記切断スロット内に前記外科用メスを堅固に支持する1つまたは複数の詰め物とを使用して、前記切断スロットを通じて前記切断ブロックへ取り付けられた、請求項14に記載のシステム。
- 前記動作はさらに、
前記外科処置中になされた切断の術後検証を記述しているデータにアクセスするステップと、
前記外科処置中になされた切断の術後検証を記述している前記アクセスされたデータに基づいて、位置決めの精度の前記決定された表示度数を検証するステップとを備える、請求項1に記載のシステム。 - 前記器具の前記設計された位置決めに対する、前記外科処置における前記器具の位置決めの精度の前記決定された表示度数に基づいて出力を提供するステップは、
他の類似の外科処置から決定された類似のデータを用いて、前記器具の前記設計された位置決めに対する前記外科処置における前記器具の位置決めの精度の前記決定された表示度数を集約するステップと、
前記集約されたデータの統計分析を実行するステップと、
前記集約されたデータの前記統計分析に基づいて、前記集約されたデータに含まれる外科処置における全般的な位置決めの精度の表現を決定するステップと、
全般的な位置決めの精度の前記決定された表現を示す出力を提供するステップとを備える、請求項1に記載のシステム。 - 外科処置に先立って、基準基点マーカ配列が固定された骨の少なくとも一部の第1の画像データにアクセスするステップであって、前記基準基点マーカ配列は、少なくとも3つの基準基点マーカを備え、前記第1の画像データは、前記基準基点マーカと、前記骨の前記一部に関する3次元解剖目印データとを画像化するように構成された第1の画像化方式を使用してキャプチャされる、ステップと、
前記第1の画像データに基づいて、前記骨の前記一部と前記基準基点マーカとの3次元表現を生成するステップと、
前記骨の前記一部の前記3次元表現のための座標系を定義するステップと、
前記定義された座標系に対する前記基準基点マーカの場所を決定するステップと、
前記基準基点マーカ配列が固定された前記骨の前記一部と、前記骨の前記一部に対する前記外科処置において使用される器具に取り付けられた移動基点マーカ配列とを含む術中画像データにアクセスするステップであって、前記移動基点マーカ配列は、少なくとも3つの移動基点マーカを備え、前記術中画像データは、前記第1の画像化方式とは異なる、前記基準基点マーカと前記移動基点マーカとを画像化するように構成された第2の画像化方式を使用してキャプチャされる、ステップと、
前記術中画像データに含まれる前記基準基点マーカを、前記定義された座標系に対する前記基準基点マーカの前記決定された場所に一致させることによって、前記術中画像データを、前記骨の前記一部の前記3次元表現と共同位置合わせするステップと、
前記共同位置合わせされた術中画像データと、前記骨の前記一部の3次元表現とにおける前記移動基点マーカの場所を決定するステップと、
前記移動基点マーカの前記決定された場所に基づいて、前記骨の前記一部に対する前記器具の3次元空間位置および方位を決定するステップと、
前記骨の前記一部に対する前記器具の前記3次元空間位置および方位を、前記骨の前記一部への前記器具の設計された位置決めと比較するステップと、
比較結果に基づいて、前記骨の前記一部への前記器具の前記設計された位置決めに対する、前記骨の前記一部に対する前記外科処置における前記器具の位置決めの精度の表示度数を決定するステップと、
前記器具の前記設計された位置決めに対する、前記外科処置における前記器具の位置決めの精度の前記決定された表示度数に基づいて出力を提供するステップとを備える、方法。 - 少なくとも1つのプロセッサによって実行されたとき、前記少なくとも1つのプロセッサに動作を実行させる実行可能な命令でエンコードされた少なくとも1つのコンピュータ可読記憶媒体であって、前記動作は、
外科処置に先立って、基準基点マーカ配列が固定された骨の少なくとも一部の第1の画像データにアクセスするステップであって、前記基準基点マーカ配列は、少なくとも3つの基準基点マーカを備え、前記第1の画像データは、前記基準基点マーカと、前記骨の前記一部に関する3次元解剖目印データとを画像化するように構成された第1の画像化方式を使用してキャプチャされる、ステップと、
前記第1の画像データに基づいて、前記骨の前記一部と前記基準基点マーカとの3次元表現を生成するステップと、
前記骨の前記一部の前記3次元表現のための座標系を定義するステップと、
前記定義された座標系に対する前記基準基点マーカの場所を決定するステップと、
前記基準基点マーカ配列が固定された前記骨の前記一部と、前記骨の前記一部に対する前記外科処置において使用される器具に取り付けられた移動基点マーカ配列とを含む術中画像データにアクセスするステップであって、前記移動基点マーカ配列は、少なくとも3つの移動基点マーカを備え、前記術中画像データは、前記第1の画像化方式とは異なる、前記基準基点マーカと前記移動基点マーカとを画像化するように構成された第2の画像化方式を使用してキャプチャされる、ステップと、
前記術中画像データに含まれる前記基準基点マーカを、前記定義された座標系に対する前記基準基点マーカの前記決定された場所に一致させることによって、前記術中画像データを、前記骨の前記一部の前記3次元表現と共同位置合わせするステップと、
前記共同位置合わせされた術中画像データと、前記骨の前記一部の3次元表現とにおける前記移動基点マーカの場所を決定するステップと、
前記移動基点マーカの前記決定された場所に基づいて、前記骨の前記一部に対する前記器具の3次元空間位置および方位を決定するステップと、
前記骨の前記一部に対する前記器具の前記3次元空間位置および方位を、前記骨の前記一部への前記器具の設計された位置決めと比較するステップと、
比較結果に基づいて、前記骨の前記一部への前記器具の前記設計された位置決めに対する、前記骨の前記一部に対する前記外科処置における前記器具の位置決めの精度の表示度数を決定するステップと、
前記器具の前記設計された位置決めに対する、前記外科処置における前記器具の位置決めの精度の前記決定された表示度数に基づいて出力を提供するステップとを備える、少なくとも1つのコンピュータ可読記憶媒体。 - 死体患者の膝を含む前記死体患者の脚の少なくとも一部のMRI画像にアクセスするステップと、
前記アクセスされたMRI画像に基づいて、前記死体患者の前記膝に関する軟骨の厚みを決定するステップと、
TKA処置に先立って、基準基点マーカ配列が固定された大腿骨の少なくとも一部のCT画像化と、脛骨の少なくとも一部のCT画像化とを含む前記死体患者の脚の少なくとも一部のCT画像にアクセスするステップであって、前記基準基点マーカ配列は、CT画像化と動きキャプチャ画像化においてキャプチャされる少なくとも3つの基準基点マーカを含む、ステップと、
前記アクセスされたCT画像上において、前記決定された軟骨の厚みを考慮して、前記大腿骨のための第1の座標系と、前記脛骨のための第2の座標系とを定義するステップと、
前記大腿骨のための前記第1の座標系と前記脛骨のための前記第2の座標系とが定義された前記CT画像と、前記CT画像によって測定されたような前記基準基点マーカ配列のパターンとの間の3次元変換を計算することによって、処理されたCT画像を生成するステップと、
前記基準基点マーカ配列が固定された前記大腿骨の少なくとも一部の動きキャプチャ画像化と、前記脛骨の少なくとも一部の動きキャプチャ画像化とを含む前記死体患者の脚の少なくとも一部の術中動きキャプチャデータにアクセスするステップであって、前記術中動きキャプチャデータは、前記死体患者の脚に対する前記TKA処置中にキャプチャされ、前記死体患者の脚に対する前記TKA処置において使用される切断ブロックに取り付けられた移動基点マーカ配列の動きキャプチャ画像化を含み、前記移動基点マーカ配列は、動きキャプチャ画像化においてキャプチャされる少なくとも3つの移動基点マーカを備える、ステップと、
前記術中動きキャプチャデータに含まれる前記基準基点マーカを、前記処理されたCT画像に含まれる前記基準基点マーカへ回帰フィッティングすることによって、前記術中動きキャプチャデータを、前記処理されたCT画像と共同位置合わせするステップと、
前記共同位置合わせされた術中動きキャプチャデータおよび処理されたCT画像と、前記術中動きキャプチャデータによって測定されたような前記移動基点マーカ配列のパターンとの間の3次元変換を計算することによって、処理された動きキャプチャ画像を生成するステップと、
前記移動基点マーカ配列の第1のCADモデルにアクセスするステップと、
前記移動基点マーカ配列の前記第1のCADモデルに含まれる前記移動基点マーカを、前記処理された動きキャプチャ画像に含まれる前記移動基点マーカへ回帰フィッティングすることによって、前記移動基点マーカ配列の前記第1のCADモデルを、前記処理された動きキャプチャ画像と共同位置合わせするステップと、
前記切断ブロックに取り付けられた前記移動基点マーカ配列に基づいて、前記移動基点マーカ配列に対する切断ブロックの位置決めを表す第2のCADモデルにアクセスするステップと、
前記共同位置合わせされた前記移動基点マーカ配列の第1のCADモデルおよび処理された動きキャプチャ画像と、前記移動基点マーカ配列に対する切断ブロックの位置決めを表す前記第2のCADモデルとの間の3次元変換を計算することによって、前記TKA処置中、前記大腿骨に対する前記切断ブロックの位置決めを表す位置決め画像を生成するステップと、
前記TKA処置において、前記大腿骨に対する前記切断ブロックの設計された位置決めを表す前記TKA処置のための設計にアクセスするステップと、
前記TKA処置中、前記大腿骨に対する前記切断ブロックの位置決めを表す前記位置決め画像を、前記TKA処置のための前記設計と比較するステップと、
比較結果に基づいて、前記TKA処置における前記大腿骨に対する前記切断ブロックの設計された位置決めに対する、前記TKA処置中の前記大腿骨に対する前記切断ブロックの位置決めの精度の表示度数を決定するステップと、
前記TKA処置における前記大腿骨への前記切断ブロックの前記設計された位置決めに対する、前記TKA処置中の前記大腿骨に対する前記切断ブロックの位置決めの精度の前記決定された表示度数に基づいて、出力を提供するステップと、を備える方法。
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