JPH05269155A - 人工骨設計装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】人工骨の設計をコンピュ−タ化し、設計に要す
る時間を短縮する。 【構成】欠損した骨の形状を表示手段４に表示し、標準
骨モデル形状デ−タ保存手段７に保存されている複数種
類の標準骨モデルの形状デ−タから１種類を選択して、
その形状を表示手段４に表示させる。そして、標準骨モ
デルと欠損した骨の形状とを重ね合わせて表示させ、表
示された前記標準骨モデルの形状を所望の形状に変形さ
せることによって、人工骨の設計を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は骨組織の代替物を設計す
る装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、骨に欠損部分が生じた場合、
その欠損部分が生じた骨の代替物を製作し、その骨を代
替物と総取り替えすることが行われている。代替物（す
なわち人工骨）を製作する場合、標準品を基にして製作
する。標準品としては、大きさの違うものが数種類があ
り、患部周囲形状に合わせてどの大きさのものを使うか
決める。患部周囲形状は、レントゲン、ＣＴ等で得るこ
とができる。それらで得た画像を見ながら、技工士が標
準品を削って人工骨を製作する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、人工骨を製作す
るノウハウを持った技工士が減少する傾向にあり、将来
の骨組織代替物の供給不足が懸念されている。また、人
工骨の製作は手作業で行われるため、生産性を向上させ
るのに限界があり、品質のバラつきも大きい。これらの
理由から、骨組織代替物製作のコンピュ−タ化は必須で
あると考えられるが、現在のところ単なる習い加工的な
ものに留まっており、欠損部分の設計という段階までは
達していない。

【０００４】本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされ
たものであり、人工骨の設計をコンピュ−タ化し、設計
に要する時間を短縮することができる人工骨設計装置を
提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記従来の課題を解決す
るために本発明の人工骨設計装置は、欠損した骨とその
周囲の形状を示すデ−タに基づいて、前記欠損した骨と
その周囲の形状を表示する表示手段と、複数種類の標準
骨モデルの形状デ−タがあらかじめ保存されている標準
骨モデル形状デ−タ保存手段と、前記標準骨モデル形状
デ−タ保存手段に保存されている複数種類の標準骨モデ
ルの形状デ−タのうちの少なくとも所望の１種類を選択
して、前記表示手段に表示させる選択手段と、前記標準
骨モデルと前記欠損した骨とその周囲の形状とを重ね合
わせて表示させ、表示された前記標準骨モデルの形状を
所望の形状に変形させる手段とを備えた構成とした。

【０００６】

【作用】上記のような構成により、表示手段に欠損した
骨を表示し、さらに、標準骨モデルを選択して表示手段
に表示する。この標準骨モデルを欠損した骨に重ね合わ
せて表示する。そして、標準骨モデルを所望の形状に変
形させることにより、所望の骨組織の形状デ−タを得る
ことができる。

【０００７】

【実施例】図１は本発明の実施例による人工骨設計装置
の構成を示す概略ブロック図である。図１において、演
算処理部１は、マイクロコンピュ−タにより構成されて
いても良いし、また電気回路を組み合わせて構成されて
いてもよい。この演算処理部１は内部に、デ−タ処理部
６、標準骨デ−タ記憶部７、計測デ−タ記憶部８、外部
フォ−マットデ−タ記憶部９、形状処理部１０、形状評
価部１１およびソリッド処理部１２を備えている。

【０００８】標準骨デ−タ記憶部７は、標準骨モデルの
デ−タベ−スを保存するのに使われる。計測デ−タ記憶
部８は、計測装置２により計測された周囲の骨形状のデ
−タを格納することに使われる。外部フォ−マットデ−
タ記憶部９は、形状処理部１０により標準骨モデルを変
形させることによって得られた所望の人工骨の形状を示
すデ−タであって、加工用に変換したデ−タを格納する
ためのものである。

【０００９】デ−タ処理部６は、計測された骨形状のデ
−タや標準骨モデルのデ−タに基づいて、ディスプレイ
装置４に骨の形状を表示させるためのものである。形状
処理部１１は、ディスプレイ装置４に表示された標準骨
モデルを形成する曲面を変形させるための処理をする。
形状評価部１１は、人工骨の形状の設計完了または設計
途中に、標準骨モデルの表示にシェ−ディング（陰影付
け）を施したり、等高線を表示したりして、形状の把握
を容易にするためのものである。ソリッド処理部１２は
計測デ−タをソリッドモデル化するための処理をするも
のである。標準骨モデルは、ソリッドモデル化されてい
るが、そのソリッドモデラ内部を変更する処理に用い
る。

【００１０】入力装置３は、人工骨の設計のためのデ−
タを入力したり、各種操作を行うためのものである。入
力装置３としては、キ−ボ−ド、ダイヤルボックス、マ
ウス等が備えられ、キ−ボ−ドはファイル名、数値など
を入力するのに用いられ、マウスは図形、メニュ−の選
択（ヒット）を行うのに用いられ、ダイヤルボックスは
図形の移動、回転、スケ−ルなどの所望の変化量を入力
するために用いられる。

【００１１】以上のような人工骨設計装置には、欠損し
た骨やその周囲の骨の形状を計測するための計測装置２
と、設計された人工骨を加工するための加工装置５等が
接続可能になっている。計測装置２としては、ＣＴ、Ｍ
ＲＩ等が用いられる。また、形状を確かめるだけであれ
ば、レントゲンでもよい。加工装置５としては、切削法
によるもの、鋳造法によるもの等が用いられる。このよ
うに、計測装置２や加工装置５を接続したシステムとす
ることにより、計測装置２から必要なデ−タを演算処理
部１に入力し、演算処理部１において、人工骨の形状を
決める設計を行い、設計された人工骨の形状デ−タを加
工装置５に送り、加工装置３において該形状デ−タに基
づいて人工骨を加工するという、いわゆるＣＡＤ／ＣＡ
Ｍシステムが形成される。

【００１２】図３は、本発明の実施例の人工骨設計装置
の外観図の示す図である。図３において、４はディスプ
レイ装置であり、キ−ボ−ド３ａ，マウス３ｂ，ダイヤ
ルボックス３ｃは、図１における入力装置３を示す。１
ａは、図１における演算処理部１を示しており、ＣＰ
Ｕ、メモリ、記憶ディスク等からなる。異常のような構
成の人工骨設計装置において、人工骨を設計する手順に
ついて説明する。

【００１３】まず、ＣＴ、ＭＲＩ等を用いて計測デ−タ
が得られる場合について説明する。すでに実用化されて
いるＣＴスキャン、ＭＲＩからは、２次元スライスデ−
タが測定値として出力される。デ−タ処理部６の働きに
より、このデ−タをスライス方向に積み重ねることによ
り３次元デ−タを求める。そしてこのデ−タから、患部
形状の特徴を失わないように面を張り、ソリッド処理部
１２に入力する。そして、患部（欠損した骨およびその
周囲の骨）の３次元形状を表すデ−タがソリッド処理部
１２にて作成され、計測デ−タ記憶部８に格納される。

【００１４】次に、上記のようにして得られた形状デ−
タをもとにして、人工骨を設計する。図２は、人工骨の
設計の概念を示す図である。図２（ａ）は、計測された
欠損した骨３１、その周囲の骨３２，３３を表示した状
態を示している。３４は欠損した部分を示している。図
２（ｂ）は、標準骨モデルを表示した状態を示してい
る。図２（ｃ）のように、欠損した骨３１に標準骨モデ
ル３５を重ね合わせて表示し、この標準骨モデル３５を
変形させて、人工骨の形状を決める。図２（ｄ）の３６
が設計された人工骨の形状を示している。

【００１５】なお、形状の表示は、シェ−ディング表
示、ワイヤフレ−ム表示または点表示のいずれかが選択
できる。この設計は、演算処理部１と入力装置３および
ディスプレイ装置４を用いて行う。演算処理部１におい
ては、まず、計測デ−タ記憶部８に格納された形状デ−
タを読み出し、該デ−タに基づいて、ソリッドモデル化
された骨（欠損した骨およびその周囲の骨）をディスプ
レイ装置４に表示する。以下、この表示を「患部の表
示」という。図２（ａ）がこの表示を示す。

【００１６】この状態から、ディスプレイ装置４の表示
画面上で標準骨モデルを選択する。マウスによるメニュ
−のヒットおよびキ−ボ−ドを操作することにより、標
準骨モデル選択画面が表示される。そして、複数の標準
骨モデルの形状が表示される。この標準骨モデル選択画
面は、前述の「患部の表示」がなされた状態のディスプ
レイの表示面の空領域に表示可能であり、両者の表示を
同時に見ることができる。なお、標準骨モデルの３次元
形状を表すデ−タのデ−タベ−スは、あらかじめ標準骨
デ−タ記憶部７に格納されている。

【００１７】キ−ボ−ド操作により標準骨モデル選択画
面の表示要求がされると、標準骨デ−タ記憶部７からデ
−タを読み出し、各標準骨モデルの形状を画面に表示す
る。表示された標準骨モデルの中から、患部に合うもの
を選択する。この選択の操作はマウスを使用して行うこ
とが好ましい。標準骨モデルを選択すると、次に、選択
した標準骨モデルの表示を、「患部の表示」中の欠損し
た骨が表示された部分まで移動させる。この移動させる
操作はダイヤルボックスのダイヤルを回すことによって
行う。そして、標準骨モデルの表示を回転させたり、拡
大、縮小をすることにより、欠損した骨の向き、大きさ
に合うようにする。これもダイヤルボックスのダイヤル
操作によって行うことができる。図２（ｃ）がこのとき
の表示を示す。

【００１８】欠損した骨と標準骨モデルの向き、大きさ
を合わせた後は、標準モデルの表示のうち、欠損した骨
の欠損していない部分の表示と重なり合っている部分は
不要となる。なぜなら、欠損していない部分は、設計す
る必要はなく、その欠損していない部分の形状をそのま
ま使えばよいからである。したがって、標準骨モデルの
上記不要な部分は表示を削除する。

【００１９】そして、標準骨モデルを変形させる操作を
し、所望の形状にする。この操作においては、マウスで
変形すべき領域を設定することができ、ダイヤルボック
スのダイヤル操作により、設定された領域の形状を変形
させることができる。このような局部的な形状の変形
は、標準骨モデルを形成している曲面を定義する関数の
パラメ−タを変化させることで行うことができる。

【００２０】上記のような、標準骨モデルの移動や変形
をする際の移動量やパラメ−タ変化量は、数値をキ−ボ
−ドで入力したり、ダイヤルの回転量に応じた値を与え
たりすることで設定する。上記のような操作をする際
に、周囲の骨も表示されているので、標準骨モデルを移
動、変形させる場合の、限界が容易に判定できる。

【００２１】このように、標準骨デ−タ記憶部７に、標
準骨モデルのデ−タを格納しておき、標準骨モデルを表
示させてこれを変形させて所望の形状にするという設計
工程により、設計時間を大幅に短縮できる。設計を完了
したら、デ−タ処理手段６により、設計した人工骨全体
の形状を加工用フォ−マットデ−タに変換し、外部フォ
−マットデ−タ記憶部９に格納する。また、設計した形
状のデ−タを標準骨モデルのデ−タベ−スに保存するこ
ともできる。

【００２２】加工装置５においては、外部フォ−マット
デ−タ記憶部９に格納された加工用フォ−マットデ−タ
に基づき、加工対象物を加工して、人工骨を作成する。
加工の工程としては、加工対象物を直に切削する方法
（切削法）と、ワックスを切削する方法（ロストワック
ス法）などがある。このようにして、人工骨の加工を自
動化することにより、製造効率および品質を向上させる
ことができる。

【００２３】次に、レントゲンで得た画像をもとにして
設計を行う場合について説明する。まず、レントゲンの
フィルムをスキャナでサンプリングし、それによって得
た画像デ−タをコンピュ−タに読み込む。そして、画像
デ−タを解析することにより骨の境界線を抽出し、設計
対象となる骨（欠損した骨）の周囲形状を求める。この
ような処理により、骨のある断面の形状を求めることが
できる。

【００２４】次に、標準骨モデルをデ−タベ−スから読
み込む。その標準骨モデルのある部分での断面が、上記
レントゲンから得られた断面形状と一致するように標準
骨モデルの形状を変形する。この場合、標準骨モデルの
選択や変形等については、前述の「ＣＴ、ＭＲＩ等を用
いて計測デ−タが得られる場合」と同様である。設計完
了した標準骨モデルは、標準骨モデルのデ−タベ−スに
保存したり、加工用デ−タに変換する。加工について
も、前述の「ＣＴ、ＭＲＩ等を用いて計測デ−タが得ら
れる場合」と同様である。

【００２５】なお、本実施例においては、装置内に予め
標準骨モデルの形状デ−タを保存しておき、その標準骨
モデルの形状デ−タをもとにして人工骨の設計を行う構
成としたが、患者自身の欠損する前の骨組織の形状デ−
タを保存しておいてもよい。このような形状デ−タが保
存してあれば、骨が欠損した後で人工骨を設計する際
に、欠損する前の骨の形状と同じ形状を復元すればよい
ので、設計がたいへん楽になる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、人工骨の
設計時間を大幅に短縮することができる。また、従来手
作業で行われていた設計作業をコンピュ−タ等を用いて
行えるので、作業に熟練を要さず、人工骨の品質を高レ
ベルで一定に維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による人工骨設計装置の構成を
示すブロック図である。

【図２】本発明の実施例による人工骨設計装置を用いた
人工骨設計の概念図である。

【図３】本発明の実施例による人工骨設計装置の外観図
である。

【符号の説明】

１ 演算処理部 ３ 入力装置 ４ ディスプレイ装置 ６ デ−タ処理部 ７ 標準骨デ−タ記憶部 ８ 計測デ−タ記憶部 ９ 外部フォ−マットデ−タ記憶部 １０ 形状処理部 １２ ソリッド処理部 ３１ 欠損した骨の形状 ３４ 欠損部分 ３５ 標準骨モデル ３６ 設計された人工骨

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】欠損した骨とその周囲の形状を示すデ−タ
   に基づいて、前記欠損した骨とその周囲の形状を表示す
   る表示手段と、 複数種類の標準骨モデルの形状デ−タがあらかじめ保存
   されている標準骨モデル形状デ−タ保存手段と、 前記標準骨モデル形状デ−タ保存手段に保存されている
   複数種類の標準骨モデルの形状デ−タのうちの少なくと
   も所望の１種類を選択して、前記表示手段に表示させる
   選択手段と、 前記標準骨モデルと前記欠損した骨とその周囲の形状と
   を重ね合わせて表示させ、表示された前記標準骨モデル
   の形状を所望の形状に変形させる手段とを備えたことを
   特徴とする人工骨設計装置。