JP4488678B2 - 骨のｘ線画像の三次元表示の確立方法 - Google Patents

Description

本発明は請求項１の概念によるＸ線画像からの骨又は骨断片の仮想三次元表示の確立方法に関する。

最小の観血的外科手術を頻繁に行なうために、コンピュータ及び外科用器具、装置及び患者の体部分の位置を測定するための位置測定装置を備えているコンピュータ補助外科システム（ＣＡＳシステム）又は画像案内外科システムが使用される。

このようなコンピュータ補助外科システム（ＣＡＳ−システム）が、例えば、ＥＰ ０ ３５９ ７７３（シュロンドルフ）、米国特許第５，３８３，４５４号（ブチホルツ）及び同第５，６８２，８８６号（デルプ）に開示されている。しばしばこれらのＣＡＳ−システムは医療画像、例えば、Ｘ線、コンピュータ断層写真又はＭＲ画像（磁気共鳴画像）を記憶するのに適した記憶手段を含む。それにより、医療画像が手術前又は手術中に集められる。

現在、コンピュータ補助整形外科システムの三つのクラスがある。
ａ）ＣＴをベースとするシステム、これらは骨又は骨断片の前手術ＣＴ（コンピュータ断層写真）を使用してランドマークをベースとし、又は表面をベースとする位置決め又はマッチングにより手術中の夫々の骨又は骨断片と基準化される三次元解剖学的モデルを確立する；
ｂ）ＣＴをベースとするＸ線検査システム、これらはＣＴをベースとするシステムと同じ方法を使用して三次元解剖学的モデルを確立し、それにより骨又は骨断片の前手術ＣＴが骨又は骨断片の表面モデル及びＸ線検査画像の平面中のその投影を使用することにより手術中の夫々の骨又は骨断片に位置決め又はマッチングされる；
ｃ）Ｘ線検査をベースとするシステム、これらは較正Ｘ線透視装置を使用して骨又は骨断片の歪まない画像及び外科用具の投影の仮想幾何学的表示を生じる。

透過放射線を使用する生体の断層写真画像の作成方法がＥＰ １ ００４ ２７２（リン）により知られている。この既知の方法は
−放射線源を生体の関係する領域に対して複数の位置でサイクルし、その結果、複数の焦点平面（これらは検出器平面に平行であり、かつ関係する領域内にある）の夫々を透過する放射線源からの放射線が互いに重ねられ、ずれている検出器平面に衝突し、
−第一の選ばれた焦点平面について電子図をシフトし、その結果、第一の選ばれた焦点平面の夫々のインクレメント要素を通過する放射線が電子図の共通ピクセルに寄与し、そして
−最後に、電子図を合計し、その結果、第一の選ばれた焦点平面のインクレメント要素に相当する夫々の電子図のピクセルが合計されて第一の選ばれた焦点平面を通って撮られた切片画像を生じる。

この既知の方法はＣＴ走査が患者の体の断面画像を送出し、一方、Ｘ線検査画像が二次元画像を送出し、それ故、多くのＸ線画像が三次元モデルを得るために幾つかの平行面で放射線源の幾つかの異なる角度で必要とされるという欠点を有する。
ヨーロッパ特許出願公開第０ ３５９ ７７３ 米国特許第５，３８３，４５４号 米国特許第５，６８２，８８６号 ヨーロッパ特許出願公開第１ ００４ ２７２

この点について、本発明は治療手段を提供することを意図している。本発明はＸ線検査画像に基づいて骨又は骨断片の仮想三次元表示を確立することを可能にする方法を提供するという目的に基づいている。それにより、
−放射線暴露が低減され、
−投影された二次元画像に代えて三次元画像が使用されてもよく、かつ
−実際の密閉（最小に観血的）外科手術が仮想世界で開放外科手術に変えられる。

本発明は請求項１の特徴を示す方法で課せられた問題を解決する。
本発明の方法はＸ線画像からの仮想三次元表示（３Ｄモデル）の確立に関するものであり、実質的に
Ａ）患者の体の関係する領域がＸ線装置の投影の平面でマッピングされ得るようにＸ線装置を配置し、
Ｂ）投影の平面でマッピングされた関係する領域の少なくとも一つの医療画像を撮り、この第一画像をコンピュータのデータ記憶手段中でデータの組として記憶し（今日、画像データ捕捉が演算され、該画像が現在典型的な１２８^２〜１０２４^２ピクチャー要素のマトリックスとしてデジタル形態で送出される）、
Ｃ）少なくとも一つの医療画像をコンピュータに接続されたディスプレイ手段で表示し（それにより該ディスプレイ手段はコンピュータのディスプレイ又は、例えば、ヘッド取り付けディスプレイであってもよい）、
Ｄ）コンピュータに接続された制御手段を使用することにより骨又は骨断片の三次元仮想表示を作り出し、そして
Ｅ）前記制御手段を使用することにより三次元仮想表示のサイズを骨又は骨断片のサイズに調節することを含む。

前記制御手段を使用する仮想三次元表示の作成及び調節はキーボード又は仮想キーボード、マウス又はポインターを制御手段として使用し、ディスプレイ手段で形状及び寸法を目視で測定することにより目視で行なわれてもよい。

本発明の方法の好ましい適用は
Ｆ）患者の骨又は骨断片の第二の医療画像を第一の医療画像に関して或る角度で撮る工程、
Ｇ）第二の医療画像をコンピュータのデータ記憶手段中でデータの組として記憶する工程、
Ｈ）第一の医療画像及び第二の医療画像をディスプレイ手段で表示する工程、
Ｉ）コンピュータに接続された制御手段を使用することにより骨又は骨断片の三次元仮想表示を作り出す工程、及び
Ｋ）制御手段を使用することにより三次元仮想表示のサイズを骨又は骨断片のサイズに調節する工程
を更に含む。

更に、本発明の方法は
−ディスプレイ手段、例えば、コンピュータのディスプレイに表示された少なくとも一つの医療画像の夫々の点を特定すること（これらの点の特定は、例えば、キーボード又は仮想キーボード、マウス又はポインターで行なわれてもよい。また、演算手段、例えば、チャンファ方法による自動的軸同定が考えられるかもしれない）；
−自動的表面又は体積方法（チャンファ方法）；演算手段、例えば、チャンファ方法による同定が考えられるかもしれない；又は
−解剖学的位置の同定
により軸、例えば、少なくとも一つの骨又は骨断片の中心軸を再構成する工程を含むことが好ましい。

それにより、仮想表示の投影境界サイズが投影画像境界に近似するようになるまで、仮想表示のサイズが調節される。

夫々の仮想表示により表示される骨又は骨断片の軸の再構成は特定の軸の二つの点を再構成することにより達成される。夫々の点は少なくとも二つの獲得画像から投影点を選ぶことにより再構成される。コンピュータは薄いラインによりその他の画像上の夫々の選ばれた点についてＸ線の投影を可能にするアルゴリズムを備えていることが好ましい。これは選ばれた点の確認を可能にし、表示されたラインについて選ばれる必要があるその他の点の同定を促進する。仮想表示の特定及び調節はＣアームＸ線装置で撮られた投影画像から測定された斜視表示において行なわれることが好ましい。仮想表示が特定され、骨又は骨断片の画像に調節された後、骨又は骨断片の投影画像が特定のＣアームＸ線投影モデルにより計算される仮想表示の投影境界によりカバーされるか否かについてチェックが行なわれる。それにより、この投影画像は工程Ｂ）及びＦ）でＣアームＸ線装置により撮られた画像に一致する。仮想表示は投影の異なる軸を有する骨又は骨断片の画像から特定されるので、骨又は骨断片の長さ方向の軸と一致する中心軸を有する三次元表示が確立し得る。それにより、骨又は骨断片の一層正確な処置が可能である。

本発明の方法の更なる開発において、それは夫々の骨又は骨断片の仮想表示と一緒に外科用具及び外科移植片をコンピュータに接続されたディスプレイ手段で表示することを含む。更に、特別なインターフェース装置、例えば、キーボードもしくは仮想キーボード、マウス又はポインターにより手術活動を計画するために、本方法は仮想骨表示、外科用具及び外科移植片をディスプレイ手段で変位させることを可能にする。それ故、外科用具及び移植片（これらはそれらの製造業者により提供される）の幾何学的モデルが使用されてもよい。

更に、本発明の方法は外科活動を行なうために外科ナビゲーションを使用するその後の外科活動のための計画方法として使用されてもよい。

それ故、外科ナビゲーションを使用して外科活動を上記工程で計画されたように行なうために、その方法は
Ａ）基準手段を外科活動に関係する夫々の骨又は骨断片に取り付ける工程、
Ｂ）位置測定装置により座標系に関する夫々の基準手段の位置及び配向を測定する工程、
Ｃ）投影の軸を有するＣアームＸ線装置に固定して取り付けられた第三基準手段の位置及び配向を測定し、それにより第三基準手段により特定された座標系に関する投影の平面の位置及び配向を知る工程、及び
Ｄ）外科用具又は移植片に固定して取り付けられた第四基準手段の位置及び配向を測定する工程
を更に含む。

Ｘ線検査をベースとするシステムは獲得されたＣアームＸ線画像に関して外科用具及び骨断片の投影の重ねられた実時間仮想ライングラフィック視覚化を可能にする。それ故、画像形成特性を特定する全ての物理的パラメーターが測定される場合、複雑な較正操作が適用される必要がある。次いでこれらのパラメーターが検索され、患者の解剖に関するＣアームＸ線装置の現在の空間位置及び配向と組み合わされる。有利なことに、ＣアームＸ線装置の前較正は三つの工程：外的較正、内的較正及び機械的較正に分けられる。この外的較正はＸ線投影を描写する外部幾何学的パラメーター、例えば、初期焦点（Ｘ線エミッター）及び画像平面位置を与える。内的較正は画像増強装置の電子光学装置により生じた歪を定量するパラメーターを抽出する。それは夫々の獲得画像中のこれらの歪についての修正を可能にする。殆どのＣアームＸ線装置はそれらの位置が変化される場合に有意な弾性フレーム変形を受けるので、機械的較正が焦点の関連変化を補償する。ＣアームＸ線装置の変形は運動の全範囲にわたってマッピングされてこれらの値の間に内挿することができる。

基準手段は非共線的に配置される少なくとも三つのマーカーを含むことが好ましい。マーカーだけでなく位置測定装置の検出器は音響又は電磁効果手段、例えば、エネルギー放出手段、受容手段又は反射手段であってもよい。例えば、エネルギー放出手段として、
−光源、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）、
−赤外線放出ダイオード（ＩＲＥＤ）、又は
−音響トランスミッター
が使用されてもよく、又はエネルギー受容手段として、
−フォトダイオード、又は
−マイクロフォン
が使用されてもよい。その他の位置測定装置はエネルギー放出手段としてのコイルを含み、エネルギー受容手段としてのホール効果素子が同様に使用されてもよい。

夫々の基準手段は該基準手段が取り付けられる生体、例えば、骨、骨断片、外科用具又は外科移植片の夫々の位置に対する一定の数学的関係を有する局所座標系を特定する。位置測定装置はコンピュータに接続されてもよい。この位置測定装置により、上記座標系のいずれかの間の座標変換が行ない得る。ＣアームＸ線装置により撮られた医療画像は骨又は骨断片の瞬時位置に反映し、それ故、骨又は骨断片に取り付けられた夫々の基準手段に位置決めされる必要がある。それ故、ＣアームＸ線装置にある基準手段と骨又は骨断片に取り付けられた基準手段の座標系の間の座標変換を可能にするマトリックスが位置測定装置により位置及び配向を測定することにより得られ、次いで夫々の画像の獲得時間にコンピュータのデータ記憶手段中に記憶される。

光電子位置測定の場合、特注の光電子位置測定装置、例えば、ノーザン・デジタル（ウォータールー、Ｏｎ．、カナダにある）のオプトトラック３０２０システムが使用されてもよい。それは
−３個のレンズセルと対にされ、安定化バーに取り付けられた３つの一次元電荷結合装置（ＣＣＤ）からなるオプトトラック３０２０位置センサー（３個のレンズセルの夫々中で、赤外マーカーからの光がＣＣＤに誘導され、測定される。全ての三つの測定は実時間でマーカーの三次元位置を一緒に測定する）；
−システム制御ユニット；
−コンピュータインターフェースカード及びケーブル；
−データ収集及び表示ソフトウェア；及び
−ストロバー及びマーカーキット
を含むことが好ましい。

本発明により得られる利点は、本発明の方法により、骨又は骨断片の三次元表示が二次元ＣアームＸ線画像から確立し得るという事実に実質的に見られる。これは外科活動中に骨又は骨断片を処置する場合にＣアームＸ線装置により生じた二次元画像の現在の使用よりも高い正確さを可能にする。更に、患者の体から撮られるＸ線検査画像の必要量及びそれに伴う放射線の暴露の時間が有意に減少し得る。それは計画された外科活動により患者の体に移植されるべきである外科移植片の形状、例えば、髄内の釘のサイズ及び長さ、プレートの曲げ又はねじの位置の最適の選択を可能にする。

本発明の方法が部分略図を参照して更に詳しく説明される。
図１は移動Ｘ線装置６（ＣアームＸ線装置）を骨２１に対して異なる位置に配置する工程（その結果、骨２１の関係する領域がＸ線装置６の投影の平面７に異なる視野の角度のもとにマッピング可能である）、第一の画像１１及び第二の画像１３（図２）を撮る工程、該画像１１；１３をコンピュータ１０のデータ記憶手段９にデータの第一及び第二の組として記憶する工程を示す。撮られる画像１１；１３は、例えば、コンピュータ１０のディスプレイ２０であるディスプレイ手段３２で表示し得る。ヘッド取り付けディスプレイの如きその他のディスプレイが同様に使用されてもよい。

必要により、位置測定装置４が適用されてもよい。位置測定装置４により、オンサイト三次元座標系３に関してＸ線装置６の基準手段５に取り付けられたマーカー２９（図３）の位置が測定し得る。この付加的な工程はオンサイト座標系３に関してＸ線装置６の夫々の選ばれた位置における投影の平面７、７’の位置及び配向を測定することを可能にする。選ばれた仮想表示が対称表示、例えば、骨２１の特定軸（図２）に同軸の仮想シリンダーである場合、Ｘ線装置６の位置測定は必要ではない。

図２は破損された骨２１の二つの画像１１；１３における三次元表示の確立を示し、それにより画像１１が前方−後方図で撮られ、画像１３が骨２１の関係する領域の横−中間図で撮られる。マウスをインターフェース手段２６として使用して、第一位置１４’；１４”及び第二位置１５’；１５”が夫々の画像１１；１３中で選ばれるとともに骨２１の特有の軸１６’；１６”を特定する。骨２１の特定軸１６が一旦測定されると、仮想表示が選ばれる。ここで、この仮想表示は仮想シリンダー１７であり、それにより前方−後方投影仮想シリンダー１７”が第一画像１１に表示され、横−中間投影仮想シリンダー１７’が第二画像１３に表示される。インターフェース手段２６としてのマウスにより、仮想シリンダー１７のサイズが投影仮想シリンダー１７’；１７”の一つ又は両方を表示された骨２１に調節することにより骨２１のサイズに調節し得る。

図３は破損された骨２１のコンピュータ補助密閉整復を示す。近位及び遠位の骨断片１８；１９の仮想表示が確立され、例えば、コンピュータ１０のディスプレイ２０で表示された後、外科用具２２、例えば、ドリルドライブの画像データの組がコンピュータ１０のプロセッサー２７（図２）にロードされる。第四基準手段２８がドリルドライブに取り付けられ、その結果、第一基準手段１及び第二基準手段２に対するドリルドライブの相対的位置が位置測定装置４により三次元座標系３に関して基準手段１；２；２８の夫々のマーカー２９の位置を測定することにより測定し得る。

Ｘ線装置６により撮られた画像１１；１３を位置決めするために、外科医はディスプレイ手段で表示された二つの画像１１；１３（図４）の骨断片１８；１９にある解剖ランドマークを手動で同定し、次いで相当する基準ベース１；２に対する解剖ランドマークの関連三次元位置が測定される。この工程は画像に固定された座標系、投影の平面７に固定された座標系、Ｘ線装置６に取り付けられた第三基準手段５に固定された座標系及びオンサイト座標系３の間の座標変換により行なわれる。

その結果、仮想表示は骨断片１８；１９の測定された位置に基づいて仮想表示の位置を直接に手術中に視覚化するのに使用し得る。それにより、外科医は直接の視覚的調節により骨断片１８；１９のアライメントを行ない得る。外科医が骨断片１８；１９を変位させるにつれて、相当する仮想表示がディスプレイ２０で同様に移動される。同様に、外科用具２２又は外科移植片２３、例えば、髄内の釘がディスプレイ２０における直接の視覚的調節で手術中に案内し得る。

コンピュータに接続されたＣアームＸ線装置による本発明の方法の性能を示す。 コンピュータによる仮想三次元表示の確立を示す。 破損された骨のコンピュータ補助密閉整復の性能を示す。 本発明の方法を使用する骨又は骨断片についての仮想三次元表示の調節を示す。

Claims (11)

1. Ａ）患者の骨２１又は骨断片の少なくとも一つの医療画像１１を撮る工程、
   Ｂ）少なくとも一つの医療画像１１をコンピュータ１０のデータ記憶手段９中でデータの組として記憶する工程
   を含むＸ線画像からの骨又は骨断片の仮想三次元表示の確立方法であって、その方法が
   Ｃ）少なくとも一つの医療画像１１をコンピュータ１０に接続されたディスプレイ手段３２で表示する工程、
   Ｄ）コンピュータ１０に接続された制御手段２６を使用することにより骨２１又は骨断片の三次元仮想表示を作り出す工程、及び
   Ｅ）制御手段２６を使用することにより三次元仮想表示のサイズを骨２１又は骨断片のサイズに調節する工程
   を更に含むことを特徴とするＸ線画像からの骨又は骨断片の三次元仮想表示の確立方法。
2. Ｆ）患者の骨２１又は骨断片の第二の医療画像１３を少なくとも一つの医療画像１１に関して或る角度で撮る工程、
   Ｇ）第二の医療画像１３をコンピュータ１０のデータ記憶手段９中でデータの組として記憶する工程、
   Ｈ）第一の医療画像１１及び第二の医療画像１３をディスプレイ手段３２で表示する工程、
   Ｉ）コンピュータ１０に接続された制御手段２６を使用することにより骨２１又は骨断片の三次元仮想表示を作り出す工程、及び
   Ｋ）制御手段２６を使用することにより三次元仮想表示のサイズを骨２１又は骨断片のサイズに調節する工程
   を更に含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 制御手段２６を使用することにより、かつディスプレイ手段３２に表示された画像１１；１３の少なくとも一つで少なくとも二つの夫々の点１４；１５を特定することにより骨２１又は骨断片１８；１９の軸１６をディスプレイ手段３２で再構成する工程を更に含むことを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
4. 骨２１又は骨断片１８；１９の軸１６を自動軸同定により再構成する工程を更に含むことを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
5. 仮想表示が骨２１又は骨断片１８；１９のエンベロープ表面２５を含み、前記エンベロープ表面２５が軸１６に調整されることを特徴とする、請求項３又は４記載の方法。
6. 仮想表示が骨２１又は骨断片１８；１９に相当するボディを含み、前記ボディが軸１６に調整されることを特徴とする、請求項３又は４記載の方法。
7. ａ）外科用具２２の画像データの組をコンピュータ１０のプロセッサー２７にロードする工程、
   ｂ）外科用具２２を夫々の骨２１又は骨断片１８；１９の仮想表示と一緒にディスプレイ手段３２で表示する工程、及び
   ｃ）コンピュータ１０に接続された制御手段２６を使用することにより外科用具２２の仮想表示及び／又は表示をディスプレイ手段３２で変位させる工程
   を更に含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
8. ｄ）外科移植片２３の画像データの組をコンピュータ１０のプロセッサー２７にロードする工程、
   ｅ）外科移植片２３を夫々の骨２１又は骨断片１８；１９の仮想表示と一緒にディスプレイ手段３２で表示する工程、及び
   ｆ）制御手段２６を使用することにより外科移植片２３の仮想表示及び表示をディスプレイ手段３２で変位させる工程
   を更に含むことを特徴とする、請求項１又は７記載の方法。
9. 骨２１又は骨断片１８；１９の関係する領域の斜視図を受け取るために制御手段２６を使用することにより仮想表示をディスプレイ手段３２で回転する工程を更に含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項記載の方法。
10. 仮想表示を調節し、外科移植片２３をその所望の位置に配置することにより手術活動をディスプレイ手段３２で模擬する工程を更に含むことを特徴とする、請求項８又は９記載の方法。
11. ｇ）基準手段１；２を関係する夫々の骨２１又は骨断片１８；１９に取り付ける工程、
    ｈ）位置測定装置４により座標系３に関する夫々の基準手段１；２の位置及び配向を測定する工程、
    ｉ）投影の軸１２及び投影の平面７を有する移動Ｘ線装置６に固定して取り付けられた更なる基準手段５の位置及び配向を測定し、それにより第三基準手段５により特定された座標系８に関する投影の前記平面７の位置及び配向を知る工程、及び
    ｊ）外科用具２２に固定して取り付けられた第四基準手段２８の位置及び配向を測定する工程
    を更に含むことを特徴とする、請求項８から１０のいずれか１項記載の方法。

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