专利摘要:
手術の際に骨への変更を計画/誘導するコンピュータ支援手術システムは、骨に固定される追跡可能部材を備える。追跡可能部材は、追跡可能部材の少なくとも2自由度の方向に関する方向ベースのデータを作成する第1慣性センサユニットを有する。位置決めブロックは骨に固定されるよう成され、位置決めブロックが骨に固定されて、骨の変更時にツールを誘導するために位置決めブロックを用いる選択方向に達すると、少なくとも位置決めブロックの方向が調節できる。位置決めブロックは、位置決めブロックの少なくとも2自由度の方向に関する方向ベースのデータを作成する第2慣性センサユニットを有する。骨を追跡可能部材に関連付ける方向基準を提供する処理システムは、方向ベースのデータから追跡可能部材および位置決めブロックの方向を決定する信号インタープリタを備える。パラメータ計算機は、方向基準の関数および位置決めブロックの方向の関数として、骨に対する位置決めブロックの実際の方向に関する修正パラメータを計算する。
公开号:JP2011515163A
申请号:JP2011501075
申请日:2009-03-25
公开日:2011-05-19
发明作者:アラン・リチャード;アンドレ・ジャンセン アルベール;キャサリン・プルー;キャリン・デュバル;ジョエル・ズハース;ベノワ・ペルティエール;ミリアム・ベイリン;ヤンニック・ブーティン;ヨニック・ブルトン;ルイ−フィリップ・アミオ
申请人:オーソソフト インコーポレイテッド;
IPC主号:A61B19-00
专利说明:

[0001] 本特許出願は、2008年3月25日出願の米国仮特許出願第61/039,184号および2008年9月25日出願の米国仮特許出願第61/100,173号に対する優先権を主張する。]
出願の技術分野

[0002] 本出願は、コンピュータ支援手術システムに関し、特に、コンピュータ支援手術中に手術用ツールを追跡または位置決めするために使用される計器に関する。]
背景技術

[0003] 手術器具または手術用ツールの追跡は、コンピュータ支援手術(以下、CASという)の不可欠な要素である。ツールは、体部位に関する情報が取得されるような方法で、位置および/または方向に関して追跡される。この情報は次いで、骨改造、移植片の位置決め、切開など、手術の間に生体に対して施される様々な処置(例えば、整形外科手術、神経外科手術)に用いられる。]
[0004] 追跡システムには、機械的追跡、音響追跡、磁気追跡、光学追跡および無線周波(RF)追跡などの種々の技術を使用できる。使用される技術に応じて、異なる種類の追跡可能基準が、永久的または一時的に、追跡を要する器具に固定される。例えば、人工膝関節置換術(TKR)の間、追跡可能基準は脚および別の手術器具に固定され、これら追跡可能基準は追跡システムによって追跡される。CASシステムは、追跡に関連する位置および方向データを計算し、コンピュータが表示する情報は、肢に対して使われる(複数の)器具の位置を視覚化または数値で表すために、外科医によって使用される。]
[0005] 2種類の追跡システムが一般的に用いられる。能動追跡システムは、追跡すべきツール上に追跡可能基準である送信機を設け、その送信機は、CASシステムのプロセッサが受信する信号を発し、プロセッサは、受信した信号の関数として、ツールの位置および/または方向を計算する。能動追跡システムの送信機は、例えば、CASシステムに配線されるか、または独自の電源を設けることにより作動して、信号を発する。]
[0006] 受動追跡システムは、追跡可能基準である能動発信機をツール上に設けない。受動追跡に関連するCASシステムは、光学センサ装置を有し、ツール上の光学素子を視覚的に検出する。光学素子は受動的であるので、それに関する電源は無い。]
[0007] 位置および/または方向に関する値を求めるためには、光学素子が光学センサ装置の視程内になくてはならない。従って、受動追跡システムを用いる場合、光学センサ装置と光学素子との間に必要な視程関数として、所定の向きで手術が行われる。]
[0008] 能動であれ、受動であれ、現在使用されている追跡可能基準は、その使用技術によっては、かなり大型となる。電磁システムでは、ケーシングがCASシステムに配線され、器具または患者に対して固定される。光学式システムでは、追跡可能基準は、一般に、6自由度(DOF)を提供するために、少なくとも3つの光学素子を備えている。例えば、光学素子は、CASシステムに配線され、不等辺三角形を形成する光源である。光源を、基部上に個々に固定または配置できる。この第2の構成において、組立体は大きく場所をとるものである。]
[0009] また、光源の代わりに受動反射面またはパッチを使用でき、光源は(赤外線スペクトルで)それらを照射するのに用いられる。]
[0010] 追跡システムの種類を選択する際には、幾つかの要素を考慮しなければならない。これら要素には、無菌帯における能動追跡可能基準用の配線の有無、光学追跡を用いる際のナビゲーションに必要な視程、手術中の所要精度を実現するための追跡可能基準のサイズ、外科医が手術中の整合情報をコンピュータスクリーンに視覚化する必要性、座標系を構築するために外科医が骨の標識点をディジタル化する必要性、現行の光学センサまたは無線周波センサの大きさのため、これらを使い捨て器具に統合することの難しさ、が含まれる。電磁追跡装置は、従来の整形外科用器具によって生じる歪みを受けるが、この歪みは検出が困難であり、精度の低下を招くことがある。これら追跡装置は、CAS中に必要とされる平面、2点間の距離、平面角度、平面距離などを算出するために、患者または手術器具上の点をディジタル化する一般的なデータ入力装置として使用される。]
[0011] 現在、6DOF未満の代替的な小型化技術は、整形外科用CASにおいては使用されていないが、整形外科用インプラントの取り付けに要する必須情報を提供している。かかる技術は器具に直接組み込まれるので、外部の追跡システムの必要性を低減し、その結果、使い勝手が向上する。]
出願の概要

[0012] したがって、本出願の目的は、骨への変更を計画/誘導するための方法およびシステムを提供することであり、これらは先行技術に関連する問題に取組んでいる。]
[0013] したがって、第1の実施形態によると、手術中に骨への変更を計画/誘導するコンピュータ支援手術システムが提供され、骨に固定されるよう成される追跡可能部材であって、追跡可能部材の少なくとも2自由度の方向に関する方向ベースのデータを作成する第1慣性センサユニットを有する追跡可能部材と、骨に固定される位置決めブロックであって、位置決めブロックが骨に固定されて、骨への変更においてツールを誘導するために位置決めブロックが用いられる選択方向に達すると、少なくとも位置決めブロックの方向は調節可能であり、位置決めブロックの少なくとも2自由度の方向に関する方向ベースのデータを作成する第2慣性センサユニットを有する位置決めブロックと、骨と追跡可能部材との間の方向基準を提供する処理システムであって、方向ベースのデータから、追跡可能部材および位置決めブロックの方向を決定する信号インタープリタと、方向基準の関数および位置決めブロックの方向の関数として、骨に対する位置決めブロックの実際の方向に関する修正パラメータを計算するパラメータ計算機とを備える処理システムと、を備える。]
[0014] さらに、第1の実施形態によると、方向基準は、骨の機械軸を組み込む面である。]
[0015] さらに、第1の実施形態によると、骨は脛骨であり、システムは、脛骨の前稜に対して方向付けられるよう成される軸ディジタル化部材をさらに備え、軸ディジタル化部材は、軸ディジタル化部材が前稜に押し当てられている際に、少なくとも脛骨の機械軸を画成するために、処理システムが使用する方向ベースのデータを作成する第3慣性センサユニットを有する。]
[0016] さらに、第1の実施形態によると、骨は脛骨であり、システムは、脛骨に固定されるよう成される軸ディジタル化部材をさらに備え、軸ディジタル化部材は、脛骨結節中間の第3の前稜、第2中足骨、脛骨プラトーの中心および足間接の中心の少なくとも1つと整合する整合棒を備え、少なくとも脛骨の機械軸を画成するために、処理システムが使用する方向ベースのデータを作成する第3慣性センサユニットを有する。]
[0017] さらに、第1の実施形態によると、骨は大腿骨であり、システムは、機械軸のエントリポイントで大腿骨に固定されるよう成される軸ディジタル化部材をさらに備え、軸ディジタル化部材は、大腿骨の機械軸を画成するために、処理システムが使用する方向ベースのデータを少なくとも作成する第3慣性センサユニットを有しする。]
[0018] さらに、第1の実施形態によると、位置決めブロックは、骨の前後軸と整合するように骨に固定される。]
[0019] さらに、第1の実施形態によると、修正パラメータは、骨が変更される際の内反‐外反位であり、且つ骨が変更される際の屈曲‐伸展位であるように、位置決めブロックは、骨と第2慣性センサユニットとの間に複数の継手を有する。]
[0020] さらに、第1の実施形態によると、修正パラメータの調節のために、位置決めブロックの継手にノブが設けられる。]
[0021] さらに、第1の実施形態によると、処理システムは、追跡可能部材および位置決めブロックのいずれか一方に装着される。]
[0022] さらに、第1の実施形態によると、追跡可能部材は、骨に固定される位置決めブロックの一部分に設けられる。]
[0023] 第2の実施形態によると、骨への変更を計画/誘導する方法が提供され、骨に固定される追跡可能部材を設けることであって、追跡可能部材は、追跡可能部材の少なくとも2自由度の方向に関する方向ベースのデータを作成する第1慣性センサを有することと、骨に固定される位置決めブロックを設けることであって、位置決めブロックは、位置決めブロックの少なくとも2自由度の方向に関する方向ベースのデータを作成する慣性センサユニットを有し、位置決めブロックの方向は、骨に対して調節可能であることと、少なくとも追跡可能部材の方向ベースのデータから、骨の方向基準を決定することと、骨の方向基準に対する位置決めブロックの方向ベースのデータから、骨修正パラメータを計算することと、を含む。]
[0024] さらに、第2の実施形態によると、骨に固定される追跡可能部材を設けることは、骨に固定される位置決めブロックの一部分に追跡可能部材を設けることを含み、これにより、追跡可能部材を設けることと、位置決めブロックを設けることとが同時に行われる。]
[0025] さらに、第2の実施形態によると、骨の方向基準を決定することは、骨の機械軸と整合する座標系をディジタル化することを含む。]
[0026] さらに、第2の実施形態によると、骨は脛骨であり、機械軸を組み込む面をディジタル化することは、追跡可能部材の方向に対して脛骨上のツールの方向を追跡することを含む。]
[0027] さらに、第2の実施形態によると、骨は大腿骨であり、機械軸をディジタル化することは、少なくとも追跡可能部材の方向に対する機械軸のエントリポイントに固定されるツールの方向を追跡することを含む。]
[0028] さらに、第2の実施形態によると、骨に固定される位置決めブロックを設けることは、位置決めブロックを設けることを含み、骨修正パラメータを計算することは、骨の内反‐外反、屈曲‐伸展および面の回転の少なくとも1つを計算することを含む。]
[0029] さらに、第2の実施形態によると、骨に固定される位置決めブロックを設けることは、骨の前後軸と整合する位置決めブロックを設けることを含み、骨修正パラメータを計算することは、骨の内反‐外反、屈曲‐伸展および面の回転の少なくとも1つを計算することを含む。]
[0030] さらに、第2の実施形態によると、本方法は、方向基準の関数として骨の切断面に置かれる、位置決めブロック、および慣性センサユニットを有する器具の少なくとも一方の方向によって、切断面の方向を計算することをさらに含む。]
[0031] さらに、第2の実施形態によると、本方法は、位置決めブロックの追跡および方向基準の関数として、位置決めブロックの方向を調節することをさらに含む。]
[0032] さらに、第2の実施形態によると、方向を調節することは、内反‐外反方向、屈曲‐伸展方向および骨に対する位置決めブロックの回転の少なくとも1つを調節することを含む。]
[0033] 第3の実施形態によると、物体の寸法を決定するキャリパが設けられ、既知の基部長さを有する基部と、基部の端部に枢動可能に装着される複数のアームであって、各々が既知のアーム長さを有し、物体の限界点を特定して測定するのに用いられる自由端を有する複数のアームと、少なくとも複数のアームに固定される慣性センサユニットであって、複数のアームおよび基部が置かれる面において、複数のアームの少なくとも1自由度の方向に関する方向データを作成する慣性センサユニットと、を備え、これにより、限界点の間の寸法を、既知の基部長さおよびアーム長さから、且つアームの方向データから、計算する。]
図面の簡単な説明

[0034] 図1は、一実施形態に記載の、追跡可能なCAS汎用位置決めブロックの分解斜視図である。] 図1
[0035] 図2は、図1の汎用位置決めブロックの正面図である。] 図1 図2
[0036] 図3は、図2の汎用位置決めブロックを骨要素に締結するのに用いられる、多軸装着ネジ要素の側面図である。] 図2 図3
[0037] 図4Aは、大腿骨に装着された図1の汎用位置決めブロックの側面図である。] 図1 図4A
[0038] 図4Bは、大腿骨に装着された図1の汎用位置決めブロックと、大腿骨に当接するよう近傍に移動させ位置決め体の側面図である。] 図1 図4B
[0039] 図5は、本開示の一実施形態に記載の、コンピュータ支援手術において骨への変更を計画/誘導する方法を示すフローチャートである。] 図5
[0040] 図6は、本開示の別の実施形態に記載の、骨への変更を計画/誘導するコンピュータ支援手術システムを示すブロック図である。] 図6
[0041] 図7は、本出願の別の実施形態に記載のキャリパの略図である。] 図7
[0042] 図8は、第1の実施形態に記載の、本出願のコンピュータ支援手術システムに用いられる軸ディジタル化装置の斜視図である。] 図8
[0043] 図9は、本出願の別の実施形態に記載の位置決めブロックの斜視図である。] 図9
[0044] 図10は、骨に装着された図9の位置決めブロックの斜視図である。] 図10 図9
[0045] 図11は、別の実施形態に記載の、本出願のコンピュータ支援手術システムと共に用いられる軸ディジタル化装置の斜視図である。] 図11
[0046] 図12は、脛骨に固定された追跡部材を有する位置決めブロックの斜視図である。] 図12
[0047] 図13は、別の観点からの図12の追跡部材を有する位置決めブロックの斜視図である。] 図12 図13
[0048] 図14は、本出願の別の実施形態に記載の、大腿骨上の追跡部材およびスパイク追跡部材の斜視図である。] 図14
[0049] 図15は、切断ガイドを支持するスパイク追跡部材の斜視図である。] 図15
[0050] 図16は、追跡部材に関連する切断ガイドの斜視図である。] 図16
[0051] 図17は、大腿骨にピン留めされた切断ガイドの斜視図である。] 図17
好ましい実施の形態の説明

[0052] 図5を参照し、骨への変更を計画/誘導する方法全体を1に示す。例えば、大腿骨および/または脛骨への膝関節インプラントの取り付けを考慮して、人工膝関節置換術で後に骨を変更するために、方法1が用いられる。] 図5
[0053] 図5および図6を同時に参照すると、方法1は、現在の譲受人による米国特許公開第2008/0065084号および米国特許公開第2004/0039396号に定義される位置決めブロックなどの位置決めブロック10(すなわち、ナビゲーション切断ブロック)を使用する。これら両文献の主題は、参照により本明細書に組み込む。これらの両文献では、視覚的に追跡されて、骨への後続変更用ガイドとして機能する光学追跡部材が、位置決めブロックに設けられる。] 図5 図6
[0054] 本出願は、光学追跡部材の代わりに、慣性ベースの追跡回路を有する追跡部材を(すなわち、以下、慣性センサという)特徴とする。追跡回路は、電磁(EM)送信/受信コイルまたは光学的に検出可能な部材の代わりに、微小電気機械センサ(MEMS)、ジャイロスコープ、加速度計または他種のセンサ(電解傾斜センサ、コンパス)を特徴とし、例えば位置決めブロックにおける方向の変化を検出する。一実施形態において、センサは、位置決めブロック上の埋込みプロセッサに接続される。他の候補の中でも、直交または半直交構成の3軸ジャイロセンサならびに直交または半直交構成の3軸加速度センサが考えられる。切断ブロックと骨との間の角度を算出する方法は、平面情報および任意の位置情報を光学追跡データから算出するのではなく、直接MEMS装置から取得する点で、従来の追跡システムとは異なる。つまり、慣性センサは、少なくとも2自由度の方向を提供し、任意で3自由度までの位置を提供する。]
[0055] 例えば、図1を参照すると、汎用位置ブロックアセンブリ10の一実施形態は、通常、切断ツールガイド要素またはガイド体部材12と、装着部材14と、MEMS追跡回路Cとを備える。ガイド本体12は、装着部材14を内部に受け入れる大型の中央開口部18を備える。ガイド体12は、ガイド体12を貫通する2個のドリルガイド孔36など、複数の切断ガイド面を備える。ガイド体12は、切断ガイドへの係合手段も含み、例えば、ガイド体の上部に配設されて、例えば、別のドリル/切断ガイドブロックとの係合を可能にするペグ穴40を有する一対の装着点38を備える。] 図1
[0056] 装着部材14は、装着要素24を受ける締結具を含む並進機構を備え、装着要素24は、装着部材体20の内部に配設された中央ガイド穴22内を摺動する。締結具装着要素24は、底部に貫通孔を有する半球状のボウル26を備える。締結具装着要素と係合し、装着部材体20のネジ孔32を貫通するウォームネジ28によって、締結具装着要素24が、装着部材体20に対して変位する。並進ネジ28はネジ頭30によって作動し、ネジ頭30の回転により、締結具装着要素24が中央ガイドスロット22の内部を平行移動する。これにより、並進または上昇ネジ28は、例えば、大腿骨の遠位端と係合する際に、前後軸に沿って位置決めブロック全体を上昇または下降させることができる。装着部材14全体が、ガイド体12の中央開口部18内をさらに摺動し、位置決めブロックが大腿骨の遠位端と係合する際に、ガイド体が遠位‐近位軸に沿って変位できるようにする。摩擦係止ネジ34は、ガイド体の側部を貫通し、装着部材14と係合することで、ガイド体12に関して選択された位置に保持可能である。]
[0057] 多軸装着ネジ25は、特に図3で分かるように、汎用位置決めブロック10を骨に装着するのに用いられる。多軸ネジ25は、通常、外側にネジ山を有するネジ本体29と、肩部分27と、一体形成された複数の個別花弁要素33を有する球形ネジ頭31とを備える。中央の円錐ネジ35は、ネジ頭の中心に挿入され、その内部と係合する際に花弁要素33を外方に押しやることにより、花弁要素33を締結具装着要素24の半球面26に押し当てる。この結果として、締結具装着要素24は、球形多軸ネジ頭31の所定位置で静止し、そこに固定される。花弁要素33は弾性的に僅かに偏向でき、多軸ネジ頭31は、締結具装着要素が頭上に押し下げられてネジ頭と係合する際に、花弁要素が僅かに径方向内方に押圧されるような大きさである。これにより、一旦所定位置に嵌まると、締結具装着要素24、ひいては位置ブロックアセンブリ全体は、多軸ネジ頭を中心に3自由度で確実に自由に回転できる。位置決めブロックを所望の位置に合わせると、多軸ネジ頭31の中心で円錐ネジ35を締結でき、それにより、ガイドブロックアセンブリを回転させて多軸装着ネジ25上の所定の位置に固定する。本明細書で多軸ネジという用語を使用する際は、多軸ネジが実質的に球形の頭を有するネジを備えることが好ましいことを理解されたい。受け入れソケットを有する要素が多軸ネジのボール頭と係合する際に、球形の頭によってボールソケット型の継手の作製が可能になる。球形の頭は、係止機構を設けるために、中央の円錐ネジによって変位可能な個別の花弁要素を含むことが好ましいが、これは必須ではない。受け入れソケットを有する部材をネジ頭の所定位置に係止するために、他の機構も同様に設けることができる。] 図3
[0058] 以下で説明するように、MEMSを有する位置決めブロック10は、骨Bの動的な追跡を行う別のMEMS追跡部材10’と組み合わせて用いられる。MEMS追跡部材10’は、骨B(または軟組織)に直接固定されて、骨Bと固定関係にある。]
[0059] 例えば図12および図13に示す別の実施形態において、MEMSを有する位置ブロック10は独立した形で使用され、ここで、以下で記述する機械軸の測定値またはその一部分は、本実施形態でその有無が問われない追跡部材10’を使用する代わりに、骨上にピン留めされる位置決めブロックによって直接決定される。追跡回路(追跡部材10’に相当)は、位置決めブロックの固定(すなわち、骨に固定される)部分と、位置決めブロックの可動部分の両方に設けられる。機械軸の測定値が決定されると、位置決めブロックは、次いで、さらに以下で記述するように、計画された骨の切断を行うために用いられる。したがって、位置決めブロック10が骨に固定されると、骨に固定されたMEMSと位置決めブロック10の可動部分のMEMSの両方が設置される。] 図12 図13
[0060] ここで、MEMS位置決めブロック10およびMEMS位置決めブロック10’が定義され、図5を参照して、膝において大腿骨への変更を計画するために用いるよう、方法1を説明する。] 図5
[0061] 方法のステップ2によると、MEMS位置決めブロック10’は大腿骨に固定される。方法のステップ3によると、大腿骨の少なくとも1つの軸がディジタル化される。大腿骨の軸は、例えば、大腿骨頭の中心と膝の顆頭の間の中心点とを通る機械軸である。この軸は、内外側方向または前後方向の何れかを向く、骨の回転軸でもあり得る。]
[0062] 機械軸をディジタル化するために、大腿骨はその機械軸回りを回転し、大腿骨上のMEMS追跡部材10’がその動きを検出する。大腿骨に固定されたMEMS追跡部材10’が収集した検出データによって、コンピュータ支援手術システムは、大腿骨の機械軸をディジタル化し、追跡可能部材10’からの検出データを通して機械軸を追跡する。]
[0063] 大腿骨の機械軸のディジタル化については、様々な方法が考えられる。]
[0064] 第1の実施形態によると、追加の追跡部材は、機械軸のエントリポイントで大腿骨に一時的に固定される。患者の体重により、患者の骨盤は、不動の空間位置および方向にあるものと考えられる。スパイク追跡部材としても公知である、機械軸のエントリポイントにある追跡部材は、6自由度の追跡データを提供する、追跡回路を装備する種類のものである。エントリポイントの追跡部材により、骨盤における大腿骨の回転中心回りで所定の動きが行われる(すなわち、自由裁量で)。]
[0065] この動きは、継続的であってもよく、または安定位置を間に挟む幾つかの動きに分かれてもよい。所定の動きの結果生じる追跡データは、大腿骨の回転中心の位置および方向を計算するのに用いられる。機械軸は、次いで、回転の中心およびエントリポイント(すなわち、スパイク追跡部材)を通過する際に画成される。機械軸の方向は、追跡可能部材10’に送信される。スパイク追加部材は次いで取り除かれ、MEMS追跡部材10’は、大腿骨の機械軸の後続追跡のために大腿骨上に残される。]
[0066] 図14を参照すると、スパイク追跡部材がMEMSユニットを有することの代替案として、スパイク51と追跡部材10’との間に剛性リンク50を設けてもよい。この場合、剛性リンク50の形状は既知であるので、スパイク51の方向は、追跡部材10’からの追跡データの関数として計算できる。大腿骨の機械軸の方向が判明して追跡部材10’に送られると、剛性リンク50およびスパイク51は、大腿骨から取り除かれてもよい。] 図14
[0067] 代替的に、スパイク51を、切断ガイド10が繋止される多軸ネジの代替として使用してもよい。スパイク51/51’の方向および可能であれば位置が既知であるので、切断ガイド10の方向は、追跡部材10’の追跡関数として既知であってもよい。図16を参照すると、切断ガイド10が定位置に残る一方で、スパイク51’は取り除かれてもよい。] 図16
[0068] 第2の実施形態において、スパイク追跡部材は、少なくとも2自由度の追跡データと3本の直交軸に沿う直線加速度とを生成する追跡回路を有する。スパイク追跡部材51’(図15)は、大腿骨上の機械軸のエントリポイントに位置決めされる。回転の中心を探すために、静止した骨盤に対する大腿骨の遠位部の自在または拘束軌跡にしたがって、加速運動が行われる。この軌跡は、球形、直線または他の適切な図形であり得る。機械軸の方向は、次いで、追跡された大腿骨の加速度および/または方向から算出されてもよい。機械軸の方向が判明すると、機械軸の方向は追跡部材10’に送られ、スパイク追跡部材は取り除かれ、追跡部材10’は、大腿骨の機械軸の方向を追従するように追跡される。スパイク追跡部材にMEMSユニットを設ける代替案として、図14に示すように、スパイクと追跡部材10’との間に剛性リンクを設けてもよい。この場合、剛性リンクの形状は既知であるので、スパイクの方向は、追跡部材10’からの追跡データの関数として計算できる。大腿骨の機械軸の方向が判明して追跡部材10’に送られると、剛性リンクおよびスパイクは、大腿骨から取り除かれてもよい。] 図14 図15
[0069] さらに別の実施形態において、3軸の力センサが、大腿骨の機械軸のエントリポイントに位置決めされる。力は3軸の力センサに加わり、その力は3軸の力センサによって測定される。力の測定により、大腿骨の機械軸の方向を計算できる。力センサは次いで取り除かれてもよく、それにより、追跡部材10’は機械軸の方向を追跡する。]
[0070] さらに別の実施形態において、追跡部材10’を用いること、および大腿骨をその大腿回転の中心および機械軸のエントリポイントに固定することによって、機械軸の方向が決定される。次いで、これら2つの固定点回りで回転が行われるが、この回転は、それ故、大腿骨の機械軸を中心とする。追跡部材10’の方向の変動により、追跡部材10’に対する機械軸の方向が追跡データから計算される。]
[0071] 大腿骨の機械軸のエントリポイント上方に、基準が置かれる。機械軸のエントリポイントが膝の顆頭間切痕上方の窪みにあることは、公知である。代替として、膝においてエントリポイントを大腿骨の前後軸の中心と整合させるために、テンプレートの使用が考えられる。]
[0072] 大腿骨の回転軸のディジタル化については、様々な方法が考えられる。]
[0073] 第1の実施形態によると、軸ディジタル化装置を用いて骨の回転軸を決定できる。スパイク追跡部材51/51’は、スパイク追跡部材51/51’が機械軸のエントリポイントに挿入されている間、並行して両方の後顆頭下に設置可能な2つの平面を備えてもよい。軸ディジタル化装置は、視覚的または機械的に骨標識と整合できる。]
[0074] 第2の実施形態において、膝関節は、屈曲および伸展運動で移動する。かかる運動は、連続的でもよく、または安定位置を間に挟む幾つかの動きに分かれてもよい。脛骨および大腿骨の追跡部材10’の追跡された方向から、大腿骨の回転軸の方向を決定できる。]
[0075] さらに別の実施形態において、膝は90度の屈曲状態に位置決めされる。脛骨および大腿骨の追跡部材10’の方向と共に、先にディジタル化された脛骨の機械軸から、大腿骨の回転軸を算出できる。]
[0076] さらに別の実施形態において、脛骨および大腿骨の回転軸が同心となるように、脚は完全な伸展状態に位置決めされる。両骨の追跡された部材の方向および先にディジタル化された脛骨の回転軸から、大腿骨の回転軸を算出できる。]
[0077] 回転軸および機械軸により、機械軸を組み込む面が判明する。このデータは、方向基準値として、後続のパラメータ計算に用いられる。]
[0078] ステップ4によると、米国特許公開第2008/0065084号および米国特許公開第2004/0039396号に記載されているように、位置決めブロック10は次いで、顆頭間の中心点で大腿骨に固定される。位置決めブロック10は、ステップ3の前に大腿骨に取り付けられてもよい。図9および図10、ならびに図12および図13に示すものや以下でさらに詳細に説明するものなど、他の構成の位置決めブロックを使用してもよい。位置決めブロック10の固定部分に追跡部材10’を有することが考えられる。] 図10 図12 図13 図9
[0079] 方法のステップ2および3は、上述したように、位置決めブロックがその固定部分および可動部分の両方にMEMSを有する場合に、ステップ4の一部となることを指摘しておく。具体的には、位置決めブロックが骨に固定される際に、MEMSは骨に固定され(すなわち、ステップ2)、両MEMSは、並行して方向データを提供する。]
[0080] ステップ5によると、位置決めブロック10は、機械軸に対して較正される。具体的に、位置決めブロック10は、骨切除の際に操作者を誘導するのに用いられる面を決定し、これらの面は機械軸と整合する。機械軸の方向が検証されてもよい。検証ツール(図示せず)は、大腿骨遠位の後顆頭に適用することにより、使用してもよい。後顆頭回りの回転は、追跡部材10’に対して追跡され、大腿骨の遠位切断が行われる際に回転情報として用いられる。]
[0081] 図4Aおよび図4Bは、多軸ネジ25によって大腿骨39の遠位端に装着される、汎用位置決めブロックアセンブリ10を示す。汎用位置決めブロック10の可動度により、人工膝関節置換術など、特定の手術で使用される外科的処置を大幅に単純化できる。図4Aおよび図5のステップ4に示すように、位置決めブロック10の骨Bへの締結は、多軸ネジ25を用いて行われるのが好ましく、多軸ネジ25は、まず大腿骨遠位端の機械軸のエントランスポイントと整合し、その肩27が骨に当たるまで、その内部に取り込まれる。汎用位置決めブロック10の締結具装着要素24は、図1および図2から分かるように、多軸ネジの頭31に嵌まる。前述したように、この手順の侵襲性を低減するために、追跡部材10’と位置決めブロック10を相互接続してもよい。追跡部材10’は、位置決めブロック10’の固定部分上にあってもよい。本実施形態によると、多軸ネジは不要であり得る。] 図1 図2 図4A 図4B 図5
[0082] 上述の検証ツールを使用して、位置決めブロックを後顆頭と整合させることが考えられる。位置決めブロック10が大腿骨の前後軸と整合するように、位置決めブロック10を整合させることも考えられる。具体的に、大腿骨の前後軸は、前点および後点、すなわち滑車溝(ホワイトサイド線)によって膝で視覚的に特定でき、または代替的に、前後軸は、両方の後顆頭と直交する面と整合してもよい。したがって、位置決めブロック10が大腿骨に固定され、前後軸が整合される際、大腿骨に対する位置決めブロックの方向の調節は、屈曲‐伸展および内反‐外反に限られ、これらは互いに独立して調節されてもよい。前後軸または後顆頭に対する回転に関して、位置決めブロック10を設置することもできる。]
[0083] ステップ6によると、位置決めブロック10の方向は、大腿骨になされる変更の関数として、手動で調節される。例えば、位置決めブロック10の様々なネジは、ブロックの方向を調節するために用いられ、骨上の位置決めブロック10の先の方向の較正(ステップ5)の結果として、内反/外反および屈曲/伸展は互いに独立して調節される。]
[0084] インプラントの取り付けに必要とされる、骨要素の所定位置にドリル穴または切断部が作製されるよう、位置決めブロック10の最終位置がどのように移動するのかを決定するために、CASシステム自体、ガイドとしてCASシステムを用いる外科医、または外科医独自の判断のいずれかによって、位置決めブロック10、またはガイド体12の基準面45など、その一部の所望位置を決定するステップ6が行われる。ステップ6は、位置決めブロック10、またはガイド体12の基準面45などの位置決めブロック10の一部が所望の方向に位置するまで、位置決めブロック10の方向を調節することを含む。このことは、各回転軸の正しい方向付けを補助するために追跡情報を使用して、骨要素に対して位置決めブロック10を回転可能に調節することを含むことができる。これにより3回転自由度が可能となり、位置決めブロック10全体を、例えば大腿骨になされる遠位切断に平行な所望の面に方向付けることができる。ステップ4は、隣接面45が図4Aに示す位置から図Bに示す位置まで移動して、大腿骨39に当接するよう、位置決めブロック10を方向43に近接して移動させることを含むこともできる。多軸ネジ25の頭31は、大腿骨39の顆頭41から遠位端で相隔しているので、位置決めガイドブロックに固定される遠位部切断ガイドの位置が、遠位部切断によって切除されなければならない骨の量と正確に対応するよう、位置決めブロック10は、骨に対する基準点を必要とする。] 図4A
[0085] 装着部材14に対するガイドブロック体12の近位‐遠位部間の移動により、大腿骨に関するガイドブロックの参照を単純化する。装着部材14は多軸ネジ頭の定位置で係合するので、装着部材14は、骨に対して遠近方向に固定される。ただし、係止ネジ34が外れる際に、ガイドブロック体12は、中央の装着部材14に対して軸方向に摺動できるので、追跡されたガイド体部分12は、装着部材に対して回転可能に固定されたままだが、遠近方向43に平行移動できる。このことは、図4Bに示すように、ガイド体12の遠位面45が顆頭41の最遠位端に直接当接するまで、ガイド体12を近傍に移動できるようにする。係止ネジ34を締めることにより、ガイド体20が中央の装着部材14の定位置に保持される。図3に示すように、円錐ネジ33は、締め付けられると、多軸ネジ25の頭31上の定位置に位置決めブロック10を固定し、それにより基準面45を選択した所望位置に固定する。大腿骨の遠位端は、CASシステムにより位置付けられた、追跡されたガイド体20によって正確に位置付けられて、基準面として用いることができ、そこからの切除深さは容易に測定可能である。切除される骨の量は、使用される種類の移植ラインの機能および患者の骨格の特定構造に応じてしばし変動する。] 図3 図4B
[0086] 本汎用位置決めブロックアセンブリ10により、さらなる調節が可能である。図5のステップ6は、多軸ネジ25に対して、したがって大腿骨に対して、位置決めブロックアセンブリ10全体を前後方向47に移動させるステップを含む。ネジ頭30を回転することにより、図2に示すように、装着部材体20、ひいてはガイドブロック本体12全体は、多軸ネジ頭31に固定された締結具装着要素24に対して変位する。これによって、特定の処置または手術を受ける患者の骨格により必要があれば、位置決めブロックの実質的に縦方向の調節が可能となる。したがって、この位置決めブロックは、5自由度、すなわち3回転軸周りの回転および2本の直交軸に沿う移動、すなわち必要であれば方向43および47への回転で調節可能である。] 図2 図5
[0087] ステップ7によると、内反/外反および屈曲/伸展および回転などの修正パラメータは、位置決めブロック10の方向への調節関数として、CASによって計算されて提供される。CASは、追跡部材10’から機械軸の追跡、ならびに位置決めブロック10のMEMS追跡回路から方向変化を受信する。したがって、CASは、位置決めブロック10の方向変化から大腿骨の動きを差し引いて、移植パラメータを計算する。内反/外反および屈曲/伸展の量は、位置決めブロックでリアルタイムに更新されて、簡素なグラフィック手段により外科医に対して表示される。例えば、角度が適切である際には緑色LEDが点灯し、特定面の方向が不適当である限りは赤色LEDが点灯し続けるように、位置決めブロック上または外科医の視野内に、多数の発光ダイオード(LED)を設置することができる。]
[0088] 所望の方向に設置されると、位置決めブロック10は、米国特許公開第2008/0065084号および米国特許公開第2004/0039396号に記載するように、大腿骨を切除する際に操作者を誘導するように用いられる。]
[0089] 切断処置中に追跡部材10’を用いない場合であっても、後続の処置中に股関節?膝関節?足関節角(すなわち、HKA)を提供するために、切断後に追跡部材10’を取り付けることができる。切断が行われると、追跡部材10’は次いで大腿骨に固定され、全ての座標系情報は、HKAなどのさらなる測定のために、この追跡部材10’に登録される。]
[0090] 大腿骨の切断面を膝にて確認するために、位置決めブロックを用いることが考慮される。具体的に、位置決めブロック10の方向は、全3自由度で既知であるので、単純に位置決めブロック10を膝の様々な表面と接触させて、追跡部材10’に対する切断面の方向を、つまり大腿骨の機械軸の関数として取得してもよい。これにより、切断過程中に生じ得る、如何なる偏向の測定も可能になる。]
[0091] 図15〜図17を参照すると、位置決めブロック10、追跡部材10’およびMEMSを有するスパイク追跡部材51’の異なる構成が示される。図15では、追跡部材51’に接続される位置決めブロック10が示される。この場合、スパイク追跡部材51’は、位置決めブロック10との剛性リンクを形成し、これにより、スパイク追跡部材51’の追跡データから、位置決めブロック10の方向を追跡できる。] 図15 図16 図17
[0092] 図16を参照すると、追跡部材10’と位置決めブロック10との間に、リンク機構53が設けられる。したがって、大腿骨の機械軸または他の基準に対して位置決めブロックの方向が追跡されると、リンク機構53によって大腿骨に対する位置決めブロック10の方向を微調整できる。位置決めブロック10は、位置決めブロック10を用いて切断される骨面を考慮して、内反/外反および屈曲/伸展などの視覚的な標識を特徴とする。] 図16
[0093] 図17を参照すると、適当なパラメータを取得すると(例えば、内反/外反、屈曲/伸展など)、位置決めブロック10は、例えばピン52を使用して大腿骨に繋止される。] 図17
[0094] 膝にて大腿骨への変更を計画するのに用いられるように、方法1をここで説明する。]
[0095] ステップ2によると、MEMS追跡可能部材10’は、頸骨(または軟組織)に固定されて、頸骨と固定関係にある。頸骨への使用にさらに適した形状を有する、別のMEMS追跡可能部材を使用することも可能である。]
[0096] 代替として、上述したように、脛骨または大腿骨は不動であり、全ての追跡はMEMS位置ブロック10を介して行われるので、動的追跡を用いない場合は、追跡可能部材10’を取り除くことができる。]
[0097] 本方法のステップ3によると、脛骨の軸がディジタル化される。この軸は、例えば、脛骨の機械軸である。第1の実施形態によると、機械軸をディジタル化するために、脛骨は基準点を中心に移動し、その移動が脛骨上のMEMS追跡部材10’によって検出される。脛骨に固定されたMEMS追跡部材10’が収集した検出データから、コンピュータ支援手術システムは、脛骨の機械軸をディジタル化し、追跡可能部材10’からの検出データを通して、機械軸を追跡する。例えば、固定された視覚的な基準点を用いるか、またはステップ3で骨の所定の移動を最小限に抑える操作者の技術に頼ることにより、軸は、大腿骨または脛骨の軸のいずれであっても、操作者によって自由裁量でディジタル化されてもよい。]
[0098] 第2の実施形態において、図8を参照すると、軸ディジタル化装置70が示され、脛骨の機械軸を決定するために、これを用いてもよい。軸ディジタル化装置70は、トラフ71とMEMSユニット72とを有する。トラフ71は、脛骨の前稜、例えば、脛骨の前稜の比較的薄い部分である軟組織に直接設置される。また、自動調心装置によって、脛骨プラトーの中間点(中間から後部まで)を足間接の中間点に接続することができる。ガイドロッドまたはレーザーポインティング装置を介して、脛骨プラトーの中間点を第2中足骨に接続することができる。ステップ3の間、装置70と脛骨との間に相対移動が生じないことを確実にしなければならない。このことは、登録プロセスが比較的迅速におこなわれることにより、容易に達成できる。MEMSユニット72は、2自由度または3自由度の追跡回路を通常装備し、または方向追跡を行うために較正される。] 図8
[0099] 脛骨の回転軸のディジタル化については、様々な方法が考えられる。]
[0100] 第1の実施形態によると、軸ディジタル化装置70(図8)または他の適当な装置などの軸ディジタル化装置を用いて、骨の回転軸を決定できる。軸ディジタル化装置は、視覚的または機械的に骨の測定点と整合できる。] 図8
[0101] 第2の実施形態において、膝関節は屈曲または伸展運動で移動する。かかる運動は、連続的でもよく、または安定位置を間に挟む幾つかの動きに分かれてもよい。脛骨および大腿骨の追跡部材10’の追跡された方向から、脛骨の回転軸の方向を決定できる。]
[0102] さらに別の実施形態において、膝は90度の屈曲位に位置決めされる。脛骨および大腿骨の追跡された部材の方向と共に、先にディジタル化された大腿骨の機械軸から、脛骨の回転軸を算出できる。]
[0103] さらに別の実施形態において、大腿骨および脛骨の回転軸が同心となるように、脚は完全な背屈位に位置決めされる。両骨の追跡された部材の方向および先にディジタル化された大腿骨の回転軸から、脛骨の回転軸を算出できる。回転軸と機械軸は組み合わされて、修正パラメータの計算用の方向基準を作成する。]
[0104] ステップ4によると、米国特許公開第2008/0065084号および米国特許公開第2004/0039396号に記載するように、位置決めブロック10は、次いで、脛骨の所望位置に固定される。ステップ3の前に、位置決めブロック10を脛骨に取り付けてもよいことを指摘しておく。]
[0105] 位置決めブロックの代替的な実施形態を、図9および図10の75で示す。位置決めブロック75を脛骨に固定する際、位置決めブロック75の前後軸は、脛骨の前後軸と整合する。具体的に、脛骨の前後軸を視覚的に特定するのに用いることができる点は、後十字靱帯の接続点および中間の第3結節である。脛骨の前後軸を決定するのに使用可能な他の骨格の測定点を、以下で説明する。脛骨プラトーの最前点を接合する線に直交する軸は、結節‐後十字靱帯(PCL)軸の第1の代替例である。第2に、屈曲‐伸展位で大腿骨と脛骨の間で行われる運動学的な分析は、特異的な屈曲‐伸展軸をもたらし、その直交軸は、前述したAP軸の別の代替例として使用できる。同様に、大腿骨の後顆頭軸に直交する軸は、脛骨上に突出でき、脚が完全な伸展位にある際に、第3のオプションとして再び使用される。別の代替的なAP測定値は、脚が完全な伸展位、すなわち90度である際に、脛骨上の大腿機械軸の突出となる。] 図10 図9
[0106] 位置決めブロック75が脛骨に固定され、脛骨および位置決めブロックの前後軸が整合することにより、位置決めブロック10/75は、屈曲‐伸展方向および内反‐外反方向にのみ移動してもよい。]
[0107] 位置決めブロック75は、骨に固定的に取り付けられる基部76を有する。切断ガイド77は、軸関節によって基部76に枢動可能に装着される。切断ガイド77は、刃が挿入されて脛骨の切断を行う、長穴78を有する。MEMSユニット77は、切断面の方向を追跡するように切断ガイド77と一体化されて、切断ガイド77の方向に関する追跡データを提供するために3DOFの追跡を提供する。位置決めブロック75は、第1ネジ棒80によって骨に固定される。ノブ80A(図10)を使用して、所望の内反‐外反方向に達すると、棒81は、内反‐外反方向で基部76を骨に固定するように用いられる。脛骨の切断面の作製を考慮して、切断ガイド77の所望の方向に達するように、ノブ81Aを使用して、屈曲‐伸展方向が次いで調節される。視覚的な切断面は、位置決めブロック75の長穴78の形状の関数として、追跡され得ることを指摘しておく。具体的に、MEMSユニット75、または処理システム101は、切断面を表すデータを設けてもよく、それにより第2切断面を追跡して、骨上のインプラントの位置決めをシミュレートできる。] 図10
[0108] ステップ5によると、位置決めブロック10は、機械軸に対して較正される。具体的に、位置決めブロック10は、骨を切除する際に操作者を誘導するのに用いられる面を画成し、これらの面は機械軸と整合する。]
[0109] ステップ6によると、位置決めブロック10の方向は、脛骨になされる変更の関数として、手動で調節される。]
[0110] ステップ7によると、内反/外反および屈曲/伸展などの修正パラメータは、位置決めブロック10の方向の手動調節関数として、CASによって計算されて提供される。CASは、追跡部材10’から機械軸の追跡、ならびに位置決めブロック10のMEMS追跡回路から方向の変化を受信する。したがって、CASは、追跡回路の方向変化から脛骨の運動を差し引いて、インプラントパラメータを計算する。内反/外反および屈曲/伸展の量は、位置決めブロックでリアルタイムに更新されて、簡素なグラフィック手段により外科医に対して表示される。例えば、角度が適切である際に緑色LEDが点灯し、特定面の方向が不適当である限りは赤色LEDが点灯し続けるように、位置決めブロック上または外科医の視野内に、多数の発光ダイオード(LED)を設置することができる。]
[0111] 代替として、位置決めブロック10のみに頼って機械軸情報を取得することで、追跡部材10’を本手順から取り除くこともできる。]
[0112] 切断処置中に追跡部材10’を脛骨で使用しない場合であっても、後続の処置中にHKA情報を提供するために、切断後に追跡部材10’を取り付けることができる。]
[0113] 切断が行われると、追跡部材10’は次いで脛骨に固定され、全ての座標系情報は、HKAなどのさらなる測定のために、この追跡部材10’に登録される。脛骨の面が切断されると、位置決めブロックを使用して、切断面の方向を脛骨の機械軸に対してディジタル化してもよい。具体的に、位置決めブロック75の方向はMEMSユニット79によって追跡されるので、位置決めブロック75は単純に切断面上に置かれてもよく、それにより、かかる面の方向を脛骨の機械軸に対してディジタル化する。]
[0114] 所望の方向が設定されると、位置決めブロック10は、米国特許公開第2008/0065084号および米国特許公開第2004/0039396号に記載するように、脛骨を切除する際に操作者を誘導するように用いられる。]
[0115] 追加情報として、台の上に脚を平らに横たえることによりHKAを決定するために、大腿骨および脛骨上のMEMS追跡可能部材10’を同時に使用してもよい。代替的に、大腿骨および脛骨は完全な伸展位で保持されてもよく、脚は空間に角度を成して保持される。かかる操作は、脚全体を距骨から支えて持ち上げることによって、容易に達成される。脛骨および大腿骨に取り付けられた追跡部材の超小型回路は、ジャイロセンサなど、少なくとも1個の3DOFセンサを用いて回転情報を提供してもよい。かかる場合、ジャイロセンサは、脛骨に対する大腿骨の整合情報を提供することができる。]
[0116] 図6を参照すると、本出願の一実施形態に記載のMEMS位置決めブロック10およびMEMS追跡可能部材10’の全体が、骨Bなどの生体要素に固定されて示されている。] 図6
[0117] MEMS位置決めブロック10およびMEMS追跡可能部材10’は、追跡CASシステムと共に用いられ、追跡回路および任意で無線送信機(または、同種の通信回路)を備える。ブロック10および部材10’は、CASシステムに配線されてもよい。]
[0118] 本開示の一実施形態において、追跡回路は、2自由度(以下、DOFという)の超小型回路として公知であるが、代替的に3DOFを超えるデータを提供してもよい。MEMS位置決めブロック10およびMEMS追跡可能部材10’の追跡回路は、骨Bに関する方向ベースのデータを出力する。]
[0119] 代替的な実施形態として、追跡回路10の追跡データをCASシステム100の処理システムに送信するように、送信機は、MEMS位置決めブロック10およびMEMS追跡可能部材10’の追跡回路に接続される。RFなど送信機10’で使用される技術は、手術環境で作動するように選択されてもよい。]
[0120] 一例として、Bluetooth(商標)、Zigbee(商標)またはWi−Fi送信機が、その普及率に因って考慮される。MEMSは、単一の使い捨てユニットとして製造でき、可能であれば、位置決めブロック10および追跡可能部材10’に組み込まれる。代替的な実施形態として、複数のセンサは、それらの間で必要な情報を通信するように構成可能である。]
[0121] 図6を参照すると、MEMS位置決めブロック10およびMEMS追跡可能部材10’を組み込む追跡コンピュータ支援手術システム全体が、100で示される。コンピュータ支援手術システム(CASシステム)は、プロセッサを有するコンピュータを典型的に備える処理ユニット101を有する。処理ユニット101には受信機102が設けられ、MEMS位置決めブロック10およびMEMS追跡可能部材10’からの方向ベースのデータ信号を受信する。代替として、MEMS位置決めブロック10およびMEMS追跡可能部材21は、処理システム101に配線される。] 図6
[0122] 制御装置103は、受信機102に接続されるか、またはMEMS位置決めブロック10およびMEMS追跡可能部材10’に配線される。したがって、制御装置103は、受信機102から、またはMEMS位置決めブロック10およびMEMS追跡可能部材10’から、信号データを受信する。]
[0123] 信号インタープリタ104は、受信した信号データをMEMS位置決めブロック10およびMEMS追跡可能部材10’用の方向データに変換するために用いられる。]
[0124] 幾何学的データベース105は、較正データ、および手術中に決定された機械軸などの他の術中データを格納するために設けられる。したがって、較正データは、骨Bと、MEMS位置決めブロック10と、MEMS追跡可能部材10’との間の関係データである。]
[0125] パラメータ計算機106は、制御装置103に関連する。パラメータ計算機106は、信号インタープリタ104から方向データと、幾何学的データベース105から関係データとを受信する。データベース105が提供する関係データにより、パラメータ計算機106は、用途に応じて、内反/外反および屈曲/伸展などの骨Bに対する位置ブロック10の方向の関数として、修正パラメータを計算する。このようにして、制御装置103は、修正パラメータをユーザインターフェース110に対して出力する。]
[0126] 一実施形態において、MEMS位置決めブロック10と、MEMS追跡可能部材10’のいずれか一方は、追跡回路に接続される自己閉鎖型処理ユニットを有する。MEMS位置決めブロック10またはMEMS追跡可能部材10’は、追跡回路と、送信機/受信機と、処理システム101とを有し、これら全てを小型の自己閉鎖ケーシング内に有する。したがって、送信機/受信機10’は、外科手術中に同時に使用されるMEMS位置決めブロック10およびMEMS追跡可能部材10’の他方と情報を共有するように用いられる。]
[0127] かかる実施形態において、修正パラメータは、位置決めブロック10または追跡可能部材10’上に直接表示される。自己閉鎖型ケーシングの大きさを最小限に抑えるために、ユーザインターフェース1として、一連のLEDまたは別の携帯の小型電子ディスプレー(例えば、LCD)の使用が考えられる。]
[0128] 図7を参照すると、別の実施形態に記載のキャリパの全体は、基部L1と、アームL2およびL3とを有して示される。キャリパは、MEMSなどの追跡回路を使用する物体の長さを決定するために用いられる。具体的に、基部L1の長さは既知であり、アームL2およびL3の長さも同様である。] 図7
[0129] アームL2およびL3は、基部L1の端部に枢動可能に装着される。アームL2およびL3の自由端部は、物体の限界点を特定し、測定するのに用いられる。言い換えれば、測定距離は、アームL2およびL3の自由端部の間の距離である。]
[0130] 追跡回路は、アームL2およびL3に固定され、アームと基部L1とが位置する面におけるアームL2およびL3の方向に関する方向データを作成する。方向データは、θ1およびθ2で図示される。したがって、距離は、L1+L2sin(θ1)+L3sin(θ2)を用いて計算される。追跡回路は、CASシステムに接続されるか、またはCASシステムにデータを無線送信する。さらに、基部L1に対するアームL2およびL3の方向変化を取得するように、基部L1に追跡回路を設けることも考えられる。]
[0131] MEMS位置決めブロック10、MEMS追跡可能部材10’(図6)およびキャリパ(図7)は、使い捨てであっても、殺菌後に再利用可能であっても、修理調整および再殺菌のために製造者に返却可能であってもよい。] 図6 図7
[0132] 図11を参照すると、軸ディジタル化装置の全体が85で示されている。軸ディジタル化装置85を、図8の軸ディジタル化装置70の代替として使用してもよい。装置85は、脛骨の前後軸と整合するように、膝で脛骨に繋止される基部86を有し、下方に突出する整合棒87を特徴とする。整合棒87は、脛骨結節中間の第3の前稜と整合する。代替として、棒87を第2中足骨に向けてもよい。装置85はまた、脛骨プラトーの中心および足関節の中心に接続する自動調心機構を両端に装備してもよい。MEMSユニット88は、整合棒87と一体化されるので、整合棒87の如何なる方向の変化も追跡可能である。ノブ89Aおよび89Bは、脛骨に対する整合棒87の方向を調節するのに用いられる。] 図11 図8
[0133] 図12および図13を参照すると、追跡部材10’および位置決めブロック75を脛骨に非侵襲的な方法で固定している状態で、ブラケット90が示されている。位置決めブロック75の膝との縦方向の整合を確実にするために、並進継手91がブラケット90に設けられる。図12において、ブラケット90は、位置決めブロック75の方向を調節するために、2個の回転継手を有する。追跡部材10’に対する位置決めブロック75の回転を測定するために、継手エンコーダの使用が考えられる。継手エンコーダは、位置決めブロック75のMEMSの代替であってもよく、または位置決めブロック75のMEMSからの情報を認証するデータであってもよい。] 図12 図13
[0134] さらに別の実施形態として、操作者が自由裁量で位置決めブロック10/75の位置/方向を調節できることを考慮してもよい。かかる場合、位置決めブロック10/75が骨に対して変位する間に修正パラメータが表示され、これにより操作者は、これら修正パラメータに沿って位置/方向を選択できる。適当な位置/方向を選択したら、位置決めブロック10/75を骨にピン留めする。]
权利要求:

請求項1
手術において、骨への変更を計画/誘導するコンピュータ支援手術システムであって、前記骨に固定される追跡可能部材であって、前記追跡可能部材の少なくとも2自由度の方向に関する方向ベースのデータを作成する第1慣性センサユニットを有する追跡可能部材と、前記骨に固定されるよう成される位置決めブロックであって、前記位置決めブロックが前記骨に固定されて、前記位置決めブロックが前記骨の変更時にツールを誘導するのに用いられる選択方向に達すると、少なくとも前記位置決めブロックの方向が調節可能であり、前記位置決めブロックの少なくとも第2自由度の方向に関する方向ベースのデータを作成する第2慣性センサユニットを有する位置決めブロックと、前記骨と前記追跡可能部材との間の方向基準を提供する処理システムであって、前記方向ベースのデータから、前記追跡可能部材および前記位置決めブロックの方向を決定する、信号インタープリタと、前記方向基準の関数および前記位置決めブロックの前記方向の関数として、前記骨に対する前記位置決めブロックの実際の方向に関する修正パラメータを計算するパラメータ計算機と、を備える、処理システムと、を備える、コンピュータ支援手術システム。
請求項2
前記方向基準は、前記骨の機械軸を組み込む面である請求項1に記載のコンピュータ支援手術システム。
請求項3
前記骨は脛骨であり、前記脛骨の前稜に対して方向付けられるよう成される軸ディジタル化部材であって、前記軸ディジタル化部材が前記前稜に押し当てられる際に、少なくとも前記脛骨の前記機械軸を決定するよう、前記処理システムが使用する方向ベースのデータを作成する第3慣性センサユニットを有する軸ディジタル化部材をさらに備える請求項2に記載のコンピュータ支援手術システム。
請求項4
前記骨は脛骨であり、前記脛骨に固定されるよう成される軸ディジタル化部材であって、前記脛骨結節中間の第3の前稜、第2中足骨、前記脛骨プラトーの中心および前記足関節の中心の少なくとも1つと整合する整合棒を備え、少なくとも前記脛骨の前記機械軸を決定するよう、前記処理システムが使用する方向ベースのデータを作成する第3慣性センサユニットを有する軸ディジタル化部材をさらに備える請求項2に記載のコンピュータ支援手術システム。
請求項5
前記骨は大腿骨であり、前記機械軸のエントリポイントで前記大腿骨に固定されるよう成される軸ディジタル化部材であって、前記大腿骨の前記機械軸を決定するよう、前記処理システムが使用する方向ベースのデータを少なくとも作成する第3慣性センサユニットを有する軸ディジタル化部材をさらに備える請求項2に記載のコンピュータ支援手術システム。
請求項6
前記位置決めブロックは、前記骨の前後軸と整合するように前記骨に固定される請求項1に記載のコンピュータ支援手術システム。
請求項7
前記修正パラメータは、前記骨が変更される際の内反‐外反位であり、且つ前記骨が変更される際の屈曲‐伸展位であるように、前記位置決めブロックは、前記骨と前記第2慣性センサユニットとの間に複数の継手を有する請求項6に記載のコンピュータ支援手術システム。
請求項8
前記修正パラメータの前記調節のために、前記位置決めブロックの前記複数の継手に複数のノブが設けられる請求項7に記載のコンピュータ支援手術システム。
請求項9
前記処理システムは、前記追跡可能部材および前記位置決めブロックの何れか一方に装着される請求項1に記載のコンピュータ支援手術システム。
請求項10
前記追跡可能部材は、前記骨に固定される前記位置決めブロックの一部分に設けられる請求項1に記載のコンピュータ支援手術システム。
請求項11
骨への変更を計画/誘導する方法であって、前記骨に固定される追跡可能部材を設けることであって、前記追跡可能部材は、前記追跡可能部材の少なくとも2自由度の方向に関する方向ベースのデータを作成する第1慣性センサユニットを有することと、前記骨に固定される位置決めブロックを設けることであって、前記位置決めブロックは、前記位置決めブロックの少なくとも2自由度の方向に関する方向ベースのデータを作成する慣性センサユニットを有し、前記位置決めブロックの方向は、前記骨に対して調節可能であることと、少なくとも前記追跡可能部材の前記方向ベースのデータから、前記骨の方向基準を決定することと、前記骨の前記方向基準に対する前記位置決めブロックの前記方向ベースのデータから、骨修正パラメータを計算することと、を備える方法。
請求項12
前記骨に固定される前記追跡可能部材を設けることは、前記骨に固定される前記位置決めブロックの一部分に前記追跡可能部材を設けることを含み、これにより、追跡可能部材を設けることと、位置決めブロックを設けることとは同時に実行される請求項11に記載の方法。
請求項13
前記骨の方向基準を決定することは、前記骨の機械軸と整合する座標系をディジタル化することを含む請求項11に記載の方法。
請求項14
前記骨は脛骨であり、前記機械軸を組み込む面をディジタル化することは、前記追跡可能部材の方向に対する前記脛骨上のツールの方向を追跡することを含む請求項13に記載の方法。
請求項15
前記骨は大腿骨であり、前記機械軸をディジタル化することは、少なくとも前記追跡可能部材の方向に対する前記機械軸のエントリポイントに固定されるツールの方向を追跡することを含む請求項13に記載の方法。
請求項16
骨に固定される位置決めブロックを設けることは、位置決めブロックを設けることを含み、骨修正パラメータを計算することは、前記骨の内反‐外反位、屈曲‐伸展位および面の回転の少なくとも1つを計算することを含む請求項11に記載の方法。
請求項17
骨に固定される位置決めブロックを設けることは、前記骨の前後軸と整合する位置決めブロックを設けることを含み、骨修正パラメータを計算することは、前記骨の内反‐外反位、屈曲‐伸展位および面の回転の少なくとも1つを計算することを含む請求項11に記載の方法。
請求項18
前記方向基準の関数として、前記骨の切断面に置かれる、前記位置決めブロック、および慣性センサユニットを有する器具の少なくとも一方の方向によって、切断面の方向を計算することをさらに含む請求項11に記載の方法。
請求項19
前記位置決めブロックの追跡の関数および前記方向基準の関数として、前記位置決めブロックの方向を調節することをさらに含む請求項11に記載の方法。
請求項20
方向を調節することは、内反‐外反方向、屈曲‐伸展方向および前記骨に対する前記位置決めブロックの回転の少なくとも1つを調節することを含む請求項19に記載の方法。
請求項21
物体の寸法を決定するキャリパであって、既知の基部長さを有する基部と、前記基部の端部に枢動可能に装着される複数のアームであって、各々が既知のアーム長さを有し、前記物体の限界点を特定して測定するのに用いられる自由端部を有する複数のアームと、少なくとも前記複数のアームに固定される慣性センサユニットであって、前記慣性センサユニットは、前記複数のアームおよび前記基部が置かれる面において、前記複数のアームの少なくとも1自由度の方向に関する方向データを作成する慣性センサユニットと、を備え、これにより、限界点の間の寸法は、前記既知の基部長さおよびアーム長さから、且つ前記複数のアームの前記方向データから計算されるキャリパ。
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