人工股関節全置換術3次元手術計画自動立案システム "AutoImPlan" （2011.12.24 SI2011@京都大学）

人工股関節全置換術
3次元⼿術計画自動⽴案システム
AutoImPlan

音丸格a，横田太a ，鍵山善之b，高尾正樹c，中本将彦c，
多田幸生a，菅野伸彦c，富山憲幸c，佐藤嘉伸c

a 神⼾大学， b 山梨大学，c 大阪大学大学院医学系研究科

Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011

はじめに


研究背景と目的 | コンピュータ支援整形外科⼿術

自動 3次元⼿術計画
＋ロボット・ナビゲーション
⼿動 3次元⼿術計画⼿術
＋ロボット・ナビゲーション
2次元⼿術計画⼿術
＋マニュアル⼿術

〜1990年代前半 1990年代後半〜 2011〜

 ⼿術ロボットやナビゲーション⼿術の開発によって，
術前に⽴案する⼿術計画が正確に再現される．
 そのため，適切な⼿術計画を⽴案することの重要性が
増大している．

本発表の内容
 ⼿術計画自動⽴案システム “AutoImPlan”の概要を示し，
性能評価実験結果を報告する．

 “AutoImPlan”システムは，整形外科⼿術の一種である
「人工股関節全置換術」を対象とする．


研究対象 | 人工股関節全置換術
骨盤側インプラント
骨盤 (カップ)

大腿骨大腿骨側
インプラント(ステム)
術前術後

 人工股関節全置換術は，病気で変形した股関節を人工股関節
に置き換える⼿術である．
 人工股関節は，カップと呼ばれる骨盤側インプラントと，
ステムと呼ばれる大腿骨インプラントの2つからなる．

AutoImPlan
による人工股関節3次元⼿術計画
自動⽴案


システム概要 | ⼊出⼒

患者骨格インプラントサイズ・
3次元形状
Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011 位置・角度

システム概要 | 本研究のアプローチ
学習データ …
セット

統計的
⼿術計画 -3 0 3
[mm]
アトラス -3σ Average 3σ

3次元形状

システム概要 | 統計的⼿術計画アトラス
学習データ …
セット

統計的
⼿術計画 -3 0 3
[mm]

関節機能正常度アトラス：
骨格‐インプラント統計アトラス：
外科医計画の解析結果から，関節機能を表す値が
ある骨格形状が与えられたときの，インプラントの
どの程度であれば正常と⾔えるかを表現
統計的な存在可能範囲を表現

3次元形状

システム概要 | 本研究における⼿術計画⽴案
ステップ２：
ステップ１：
学習データ …
セット
解候補の網羅的な組み合わせから，最適な組み合わせを１つ選択
ステム・カップ⼿術計画⽴案を独⽴に⾏ない，複数の解候補を出⼒

統計的
⼿術計画 -3 0 3
[mm]

骨盤カップ⼿術計画
自動⽴案最適
組み合わせ
大腿骨ステムの探索
⼿術計画自動⽴案
3次元形状

システム概要 | 本研究における⼿術計画⽴案
学習データ …
セット

統計的
⼿術計画 -3 0 3
[mm]

カップ⼿術計画
自動⽴案最適
組み合わせ
ステム⼿術計画の探索
自動⽴案
3次元形状

Otomaru et al.
骨盤‐カップ統計アトラス CAOS 2009

統計形状
学習データ
アトラス
セット

カップ⼿術計画
自動⽴案

骨盤3次元形状カップ⼿術計画

• 骨盤の変形バリエーションとカップ位置の統計的位置関係をモデリング．
• アトラスを骨盤形状に当てはめることで，カップ⼿術計画を推定．

Otomaru et al.
大腿骨‐ステム統計アトラス Med. Image Anal. 2011

統計的
学習データ
距離値
セット
マップ
-3 0 3 mm

ステム⼿術計画
自動⽴案

大腿骨3次元形状ステム⼿術計画

• ステム表面における大腿骨との距離値分布をモデリング
• 距離値分布が平均的傾向に近づくように，ステム⼿術計画を推定．

関節機能正常度アトラス | 構築方法
Histogram of ROM

学習データにおける関節可動域解析結果 Low 20 40 60 80 High

 学習データを解析することで，ある関節機能の値がどの程度
あれば，正常と⾔えるかをモデリング．
 学習データから，関節機能のヒストグラムが得られる．

関節機能正常度アトラス |構築方法

Low 20 40 60 80 High High Low
関節可動域の値 [deg.]
70 60 50 40 30 20
関節可動域の値 [deg.]

 ヒストグラムの値を，平均0，分散1の半ガウス関数にマッピング．
 横軸は関節機能の値，縦軸はその値における正常度に相当．

関節機能正常度アトラス | ⼿術計画⽴案方法

関節機能正常度アトラス
（関節可動域）
＋
解候補の組み合わせから
最も適合度が高いものを
選択

（左右脚⻑差）
＋
…

カップ計画・ステム計画関節機能正常度アトラスによる選択された
解候補の全組み合わせ
Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011 適合度計算⼿術計画

性能評価実験結果


実験方法
 変形性股関節症37症例を使用し，leave‐one‐out
交差検定によって，学習データと評価データを分離した．

 比較した⼿法
1. 骨格‐インプラント統計アトラスのみ
2. 骨格‐インプラント統計アトラス＋関節機能正常度アトラス

 比較項目
 熟練外科医計画と比較したときの設置位置誤差
 関節機能度（カップ被覆率・脚⻑差・関節可動域）


実験結果 |カップ位置誤差・カップ被覆率比較
7 100
p = 0.006
6 95

90
5
85
4
80
3
75
2
平均値・標準偏差値が 70
有意に改善
1 ともに改善 65

0 60
最適化なし
Ａ提案⼿法
Ｂ最適化なし
Ａ提案⼿法
Ｂ外科医計画
外科医
カップ位置誤差（外科医計画との差） [mm] カップ被覆率 [%]

Ａ：骨格‐インプラント統計アトラスのみ
Ｂ：骨格‐インプラント統計アトラス＋関節機能正常度アトラス

実験結果 | 脚⻑差・関節可動域比較
p = 0.001
p = 1.0×10-6
9 70
8
60
7
50
6 骨格‐インプラントアトラス・
5 外科医計画よりも 40 全ての条件で同程度の値
4 有意に改善 30
3
20
2
10
1

0 0
Ａ
最適化なしＢ
提案⼿法外科医計画
外科医最適化なし
Ａ提案⼿法
Ｂ外科医
外科医計画

脚⻑差 [mm] 関節可動域 [deg.]
Ａ：骨格‐インプラント統計アトラスのみ
Ｂ：骨格‐インプラント統計アトラス＋関節機能正常度アトラス

実験結果 | 自動計画⽴案結果例
Ａ：骨格‐インプラント
統計アトラスのみ骨格インプラントアトラス・
外科医計画よりも
Ｂ：骨格‐インプラント脚⻑差が改善
統計アトラス＋

脚⻑差 8.3 mm 0.1 mm 2.5 mm

骨格インプラントアトラス
よりも高く，外科医と同程度の
関節可動域を実現

関節可動域 19.4 度 31.9 度 29.4 度
A B 外科医

おわりに


本研究のまとめ
 本研究では，人工股関節全置換術を対象とした
⼿術計画自動⽴案システム “AutoImPlan”の概要を示し，
性能評価を⾏なった．

 本研究の特⻑は，熟練外科医が⽴案した⼿術計画を
学習データセットとして，統計的な⼿術計画⽴案傾向を
モデリングしている点である．
1. 骨格‐インプラント統計アトラス
2. 関節機能正常度アトラス


考察と今後の予定
 骨格‐インプラント統計アトラスのみの場合と，
骨格‐インプラント統計アトラス＋関節機能正常度アトラスの場合
を比較したところ，後者は有意に性能が高かった．

 骨格‐インプラント統計アトラスでは，骨盤側・大腿骨側が独⽴
しているのに対し，関節機能正常度アトラスは，股関節全体の
バランスを考慮しているためと考えられる．

 今後，本研究が出⼒する⼿術計画の熟練外科医による評価を
実施し，臨床的有用性を評価する．


人工股関節全置換術3次元手術計画自動立案システム "AutoImPlan" （2011.12.24 SI2011@京都大学）

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