特開 2024-59507 機能軸推定装置，その方法，手術具姿勢調整装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024059507

(43)【公開日】2024-05-01

(54)【発明の名称】機能軸推定装置，その方法，手術具姿勢調整装置

(51)【国際特許分類】

   A61B 17/15 20060101AFI20240423BHJP

【ＦＩ】

A61B17/15

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022167217

(22)【出願日】2022-10-18

(71)【出願人】

【識別番号】591267855

【氏名又は名称】埼玉県

(71)【出願人】

【識別番号】510183475

【氏名又は名称】アルスロデザイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090413

【弁理士】

【氏名又は名称】梶原 康稔

(72)【発明者】

【氏名】半田 隆志

(72)【発明者】

【氏名】鬼頭 縁

【テーマコード（参考）】

4C160

【Ｆターム（参考）】

4C160LL01

4C160LL12

4C160LL27

4C160LL70

(57)【要約】

【課題】 簡略化された装置構成でありながら、術中で簡便に機能軸を推定することができる非侵襲の機能軸推定方法及びその装置を提供する。
【解決手段】 骨切ガイド器具１００に三軸慣性センサ２００を取り付けるとともに、患者の膝を動かしてセンサ座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）の各軸周りの角度を検知し、その結果から機能軸座標系（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）との差を演算することとしたので、簡便な構成でありながら、患者の機能軸の方向を良好に推定することができる。これにより、骨切ブロック１１０の鋸挿入スリット１１６の方向が機能軸に対して良好に所望の方向となり、人工膝関節の埋入手術における大腿骨遠位端の切除を、機能軸に対して所望の角度で行うことができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

患者の大腿骨における機能軸の方向を推定するための機能軸推定装置であって、
大腿骨遠位端に取り付けられる慣性センサ，
この慣性センサを取り付けた患者の膝を動かしたときの前記慣性センサの出力から、前記機能軸の方向を推定する演算手段，
を備えたことを特徴とする機能軸推定装置。

【請求項2】

前記大腿骨骨頭中心において、軸Ｘｍの方向が機能軸を表す機能軸座標系の各軸をＸｍ，Ｙｍ，Ｚｍとし、
前記慣性センサのセンサ座標系の各軸をＸｓ，Ｙｓ，Ｚｓとしたとき、
前記慣性センサを、内側顆と外側顆を結ぶ直線と同一平面となるように位置決めすることで、前記軸Ｙｍ，Ｙｓが同一平面上となるようにしたことを特徴とする請求項１記載の機能軸推定装置。

【請求項3】

前記演算手段は、前記慣性センサから出力される軸Ｘｓ周りのロール角と、軸Ｙｓ周りのピッチ角の角度差から、前記軸Ｘｍ・Ｘｓの角度差を演算することを特徴とする請求項２記載の機能軸推定装置。

【請求項4】

患者の膝を動かしたときに、前記慣性センサが鉛直方向に正確に移動したかどうかを判断するセンサ位置判断手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の機能軸推定装置。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか一項に記載の機能軸推定装置を備えており、
該機能軸推定装置によって推定された機能軸の方向に対して所望の角度となるように、手術具の姿勢を調整する調整手段を備えたことを特徴とする手術具姿勢調整装置。

【請求項6】

前記手術具が、人工膝関節の埋入手術において大腿骨遠位端を切断する骨切ブロックであることを特徴とする請求項５記載の手術具姿勢調整装置。

【請求項7】

前記大腿骨の皮質骨表面及び顆間窩にそれぞれ当接して位置決めする位置決め手段を備えており、
前記調整手段は、前記慣性センサ及び骨切ブロックを、前記位置決め手段に対して変位可能に保持したことを特徴とする請求項６記載の手術具姿勢調整装置。

【請求項8】

患者の大腿骨における機能軸の方向を推定する機能軸推定方法であって、
大腿骨遠位端に慣性センサを取り付けるとともに、この慣性センサを取り付けた患者の膝を動かしたときの前記慣性センサの出力から、前記機能軸の方向を推定することを特徴とする機能軸推定方法。

【請求項9】

前記大腿骨骨頭中心に、軸Ｘｍの方向が機能軸を表す機能軸座標系の各軸をＸｍ，Ｙｍ，Ｚｍとし、前記慣性センサのセンサ座標系の各軸をＸｓ，Ｙｓ，Ｚｓとしたとき、
前記慣性センサを、内側顆と外側顆を結ぶ直線と同一平面となるように位置決めすることで、前記軸Ｙｍ，Ｙｓが同一平面上となるようにしたことを特徴とする請求項８記載の機能軸推定方法。

【請求項10】

前記慣性センサから出力される軸Ｘｓ周りのロール角と、軸Ｙｓ周りのピッチ角の角度差から、前記軸Ｘｍ・Ｘｓの角度差を演算することを特徴とする請求項９記載の機能軸推定方法。

【請求項11】

前記慣性センサにセンサ位置判断手段を設け、これによって、患者の膝を動かしたときの慣性センサの鉛直方向の位置が正確かどうかを判断することを特徴とする請求項８記載の機能軸推定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、人工膝関節の埋入手術などにおいて患者の大腿骨における機能軸の方向を推定するための機能軸推定装置，その方法，手術具姿勢調整装置に関する。

【背景技術】

【0002】

人工膝関節置換術は、変形性膝関節症や関節リウマチなどにより変形した膝関節の損傷面を切断して、人工膝関節を埋入する手術で、高齢化社会の進展に伴って手術件数も増加傾向にある。人工膝関節置換術を行う際には、患者の膝患部に対する人工膝関節の埋入位置や埋入角度が、術前の手術計画（術前計画）において決定されるが、この決定に当たっては、例えば患者の股関節にある大腿骨頭中心と膝関節の中心を結ぶ機能軸が基準となる。これは、機能軸上に患者の荷重がかかることで、荷重が均等に分散されるためである。従って、人工膝関節置換術では、術式にもよるが、一般には機能軸に対して垂直な面で骨を切り、そこに人工関節を埋入することになる。術前計画通りに人工膝関節を患者の膝に埋入すると、人工膝関節が機能軸に垂直となり、荷重が均等に分散されるようになって、人工膝関節の破損や緩み、及びその周辺の骨の摩耗が生じにくくなり、痛みの再発も防止されるようになる。

【0003】

しかしながら、人工膝関節置換術の実際の手術中において、患者の体表面上で機能軸を推定することは難しく、術前計画により決定した機能軸に対する人工膝関節の埋入角度と、術後の埋入角度に差が生じることがある。そこで、術中に機能軸を推定するためのナビゲーションシステムが開発されているが、侵襲性，高価かつ大型，操作が煩雑等の課題があり、広く普及するには至っていない。

【0004】

これに対し、本出願人は、下記特許文献１の「関節置換術用手術具」を提案している。これは、患者の骨盤に皮膚上から設置する骨盤アタッチメントを使用し、この骨盤アタッチメントによって機能軸を示すようにしたものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開2015-192873号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述した特許文献１の手術具も非常に優れているが、機能軸をワイヤーによって示すようになっており、より安価かつ小型で、簡便に機能軸を推定する手法があれば好都合である。

【0007】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、より簡略化された装置構成でありながら、術中で簡便に機能軸を推定することができる機能軸推定装置，その方法，手術具姿勢調整装置を提供することを、その目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の機能軸推定装置は、患者の大腿骨における機能軸の方向を推定するための機能軸推定装置であって、大腿骨遠位端に取り付けられる慣性センサ，この慣性センサを取り付けた患者の膝を動かしたときの前記慣性センサの出力から、前記機能軸の方向を推定する演算手段，を備えたことを特徴とする。主要な形態の一つは、前記大腿骨骨頭中心に、軸Ｘｍの方向が機能軸を表す機能軸座標系の各軸をＸｍ，Ｙｍ，Ｚｍとし、前記慣性センサのセンサ座標系の各軸をＸｓ，Ｙｓ，Ｚｓとしたとき、前記慣性センサを、内側顆と外側顆を結ぶ直線と同一平面となるように位置決めすることで、前記軸Ｙｍ，Ｙｓが同一平面上となるようにしたことを特徴とする。他の形態によれば、前記演算手段は、前記慣性センサから出力される軸Ｘｓ周りのロール角と、軸Ｙｓ周りのピッチ角の角度差から、前記軸Ｘｍ・Ｘｓの角度差を演算することを特徴とする。主要な形態の一つによれば、患者の膝を動かしたときに、前記慣性センサが鉛直方向に正確に移動したかどうかを判断するセンサ位置判断手段を備えたことを特徴とする。

【0009】

本発明の手術具姿勢調整装置は、前記いずれかの機能軸推定装置を備えており、該機能軸推定装置によって推定された機能軸の方向に対して所望の角度となるように、手術具の姿勢を調整する調整手段を備えたことを特徴とする。主要な形態の一つによれば、前記手術具が、人工膝関節の埋入手術において大腿骨遠位端を切断する骨切ブロックであることを特徴とする。あるいは、前記大腿骨の皮質骨表面及び顆間窩にそれぞれ当接して位置決めする位置決め手段を備えており、前記調整手段は、前記慣性センサ及び骨切ブロックを、前記位置決め手段に対して変位可能に保持したことを特徴とする。

【0010】

本発明の機能軸推定方法は、患者の大腿骨における機能軸の方向を推定する機能軸推定方法であって、大腿骨遠位端に慣性センサを取り付けるとともに、この慣性センサを取り付けた患者の膝を動かしたときの前記慣性センサの出力から、前記機能軸の方向を推定することを特徴とする。主要な形態の一つによれば、前記大腿骨骨頭中心に、軸Ｘｍの方向が機能軸を表す機能軸座標系の各軸をＸｍ，Ｙｍ，Ｚｍとし、前記慣性センサのセンサ座標系の各軸をＸｓ，Ｙｓ，Ｚｓとしたとき、前記慣性センサを、内側顆と外側顆を結ぶ直線と同一平面となるように位置決めすることで、前記軸Ｙｍ，Ｙｓが同一平面上となるようにしたことを特徴とする。更には、前記慣性センサから出力される軸Ｘｓ周りのロール角と、軸Ｙｓ周りのピッチ角の角度差から、前記軸Ｘｍ・Ｘｓの角度差を演算することを特徴とする。主要な形態の一つによれば、前記慣性センサにセンサ位置判断手段を設け、これによって、患者の膝を動かしたときの慣性センサの鉛直方向の位置が正確かどうかを判断することを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、大腿骨遠位端に慣性センサを取り付けるとともに、この慣性センサを取り付けた患者の膝を動かしたときの前記慣性センサの出力から、前記機能軸の方向を推定することとしたので、簡便な構成でありながら、患者の機能軸の方向を良好に推定することができ、更には、機能軸に対して所望の角度となるように骨切ブロックの姿勢を調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施例１の骨切ガイド器具を示す図である。

【図2】機能軸座標系の軸Ｘｍとセンサ座標系の軸Ｘｓとが一致している状態を示す図である。

【図3】機能軸座標系の軸Ｘｍとセンサ座標系の軸Ｘｓとが一致していない状態を示す図である。

【図4】前記実施例１における骨切ブロックの調整量の演算手法を示す図である。

【図5】本発明の実施例２の主要部を示す図である。

【図6】前記実施例２における基本的な作用を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

【実施例0014】

図１には、本発明を適用した骨切ガイド器具の一実施例が示されている。同図において、骨切ガイド器具１００は、骨切ブロック１１０を大腿骨ＴＢの遠位端ＤＦに固定する際の位置決めを行うためのもので、三軸慣性センサ２００を備えている。三軸慣性センサ２００は、センサ座標系の各軸Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ周りの回転角度であるロール（Roll）角，ピッチ（Pitch）角，ヨー（Yaw）角をそれぞれ検出する機能を備えており、テーブル１２０上に設置されている。三軸慣性センサ２００としては、各種の公知のものを使用してよいが、例えば、多摩川精機株式会社製「ＴＡＧ２５０」を使用する。三軸慣性センサ２００から出力される検知信号は、演算部２１０に入力されており、演算結果が表示部２１２に表示されるようになっている。

【0015】

術者は、図１に示すように、三軸慣性センサ２００を固定した骨切ガイド器具１００を、患者の膝の大腿骨ＴＢの皮質骨表面ＰＳに、骨切ガイド器具１００の支柱１６２の基部１６６を当接させるとともに、大腿骨ＴＢの顆間窩ＩＦにＬ字テーブル１７０を当接させ、バー１８８で顆間窩に固定して用いる。骨切ガイド器具１００の本体であるＬ字テーブル１７０の主柱１１２の内部には、ヨー回りに回転する円筒形の軸があり、この回転軸に、曲折した腕１３０とシリンダ１８０およびピッチ角目盛１７４が接合されている。すなわち、Ｌ字状に曲折した腕１３０，主柱１１２内の回転軸，シリンダ１８０，ピッチ角目盛１７４は、全体としてクランク形状となるように、一体に構成されている。シリンダ１８０およびピッチ角目盛１７４は、同一面上に接合されている。この主柱１１２内部の回転軸の構造によって、シリンダ１８０を通じてバー１８８により骨切ガイド器具１００を大腿骨に固定した後にも、主柱１１２と一体のＬ字テーブル１７０をヨー回りに回転し、ヨー角度の位置補正が可能になっている。

【0016】

Ｌ字テーブル１７０には、平面にヨー角目盛１７２が設けられており、これと直交する方向に、ピッチ角目盛１７４が設けられている。Ｌ字テーブル１７０上には、大腿骨ＴＢの顆間窩ＩＦに当接して位置決めされるシリンダ１８０が位置しており、針１８２がヨー角目盛１７２方向に延びている。シリンダ１８０には、Ｌ字テーブル１７０を挟んでつまみ１８４が設けられている。このつまみ１８４を緩めることで、シリンダ１８０の針１８２がヨー角目盛１７２上を移動し、これによってヨー角が分かるようになっている。シリンダ１８０は、その中心のピン１８６を引き抜くことで、バー１８８がピッチメモリ１７４内部の長孔にガイドされて、本体Ｌ字テーブル１７０のピッチ角方向への角度補正が可能になっている。

【0017】

腕１３０の水平部分には、スライダ１４０が設けられており、つまみ１４２を緩めることでスライド可能となっている。また、腕１３０には、スライド位置を示す目盛１３６が設けられている。スライダ１４０には、前記腕１３０の延設方向と直交する方向に、弧状のスライド枠１５０が設けられており、これにはロール角目盛１５２が付されている。スライド枠１５０には、つまみ１６０が挿通しており、このつまみ１６０は支柱１６２に螺合している。支柱１６２は、つまみ１６４を回すことで伸縮可能となっており、支柱１６２の基部１６６は、大腿骨ＴＢの皮質骨表面ＰＳに当接して位置決めされている。つまみ１６０の軸中心は、ロール角回転軸であるＸｓ方向となっており、ロール角の変化が、スライド枠１５０のロール角目盛１５２によってわかるようになっている。そして、主柱１１２の側面に設けられたレールに沿ってスライダ１１４が上下方向にスライド可能に設けられている。スライダ１１４には、上述した骨切ブロック１１０が着脱自在に取り付けられている。

【0018】

以上の骨切ガイド器具１００の構造によれば、
ａ，つまみ１６４を緩めて支柱１６２を伸縮させると、主柱１１２がピッチ方向に回転し、ピッチ角の変化がピッチ角目盛１７４で分かる。
ｂ，つまみ１６０を緩めてスライド枠１５０をスライドさせると、主柱１１２がロール方向に回転し、ロール角の変化がロール角目盛１５２で分かる。
ｃ，つまみ１８４を緩めてシリンダ１８０を移動させると、主柱１１２がヨー方向に回転し、ヨー角の変化がヨー角目盛１７２で分かる。
ｄ，骨切ブロック１１０と三軸慣性センサ２００は、主柱１１２に取り付けられている。従って、前記ａ～ｃにより、主柱１１２がロール，ピッチ，ヨーの各方向に回転すると、同様に、骨切ブロック１１０と三軸慣性センサ２００も回転することになる。なお、本実施例では、後述するように、機能軸座標系（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）の軸Ｙｍと、センサ座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）の軸Ｙｓが常に同一平面上にあるという前提であるため、つまみ１６０を緩めて、主柱１１２を動かすことはない。

【0019】

三軸慣性センサ２００の端面２０２は、骨切ブロック１１０の鋸挿入スリット１１６の形成方向と一致しており、センサ座標系の軸Ｘｓと直交する面（軸Ｙｓ方向の面）と一致している。従って、センサ座標系の軸Ｘｓが後述する機能軸座標系の軸Ｘｍと一致したときは、三軸慣性センサ２００の端面２０２及び骨切ブロック１１０の鋸挿入スリット１１６の形成方向が、軸Ｘｍに垂直となり、機能軸と垂直に骨を切断できるようになっている。以上のように、主柱１１２は、大腿骨ＴＢの皮質骨表面ＰＳ及び顆間窩ＩＦにそれぞれ当接して変位可能に位置決めされており、この主柱１１２に骨切ブロック１１０及び三軸慣性センサ２００を取り付けることで、骨切ブロック１１０及び三軸慣性センサ２００を大腿骨遠位端に対して姿勢調整可能に保持している。

【0020】

次に、本実施例では、図２，図３に示すように、上述したセンサ座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）に対して、機能軸座標系（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）を定義する。
Ｘｍ：機能軸と一致する軸，
Ｙｍ：手術を行う術者（医師）が触知できる点である、大腿骨ＴＢの遠位端の内側顆と外側顆を結ぶ直線と同一平面にあり、かつ前記Ｘｍと直交する軸，
Ｚｍ：前記Ｘｍ，Ｙｍと直交する軸，

【0021】

このように、センサ座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ），機能軸座標系（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）を定義したとき、「機能軸を推定する」ということは、機能軸座標系の軸Ｘｍに、センサ座標系の軸Ｘｓを一致させることであると考えることができる。

【0022】

次に、本実施例における機能軸に対する骨切ガイド器具１００の調整方法について説明する。術者は、図１に示すように、三軸慣性センサ２００を固定した骨切ガイド器具１００を、患者の膝に装着する。具体的には、患者の膝の大腿骨ＴＢの皮質骨表面ＰＳに、骨切ガイド器具１００の支柱１６２の基部１６６を当接させるとともに、大腿骨ＴＢの顆間窩ＩＦにＬ字テーブル１７０を当接させる。このとき、術者は、顆間窩ＩＦの内側顆と外側顆に触知し、内側顆と外側顆を結ぶ直線と同一平面となるように、Ｌ字テーブル１７０を当接させる。このようにすることで、主柱１１２が患者の膝に位置決めして取り付けられ、骨切ブロック１１０と三軸慣性センサ２００も位置決めされる。内側顆と外側顆を結ぶ直線と同一平面となるように位置決めすることで、機能軸座標系の軸Ｙｍが、センサ座標系の軸Ｙｓとが、常に同一平面上となる。

【0023】

この状態で、術者がセンサ座標系の軸Ｘｓが機能軸座標系の軸Ｘｍの方向と一致させることは、目視では困難であり、両者の方向には多少のズレが生ずる。また、このセンサ設置時点で、キャリブレーションを行うことで、三軸慣性センサ２００は、自身をいずれの方向にも傾いていない状態、すなわちロール角，ピッチ角，ヨー角のいずれもがゼロであると認識する。

【0024】

次に、術者は、患者の膝を持ち上げて回転させる。人の膝は、大腿骨骨頭ＦＨの中心を支点として動く。従って、センサ座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）と機能軸座標系（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）との一致・不一致にかかわらず、膝に固定された三軸慣性センサ２００は、大腿骨骨頭ＦＨの中心を支点として変位することになる。

【0025】

ここで、図２(A)に示すように、
ａ，機能軸座標系の軸Ｘｍとセンサ座標系の軸Ｘｓとが一致し、
ｂ，機能軸座標系の軸Ｙｍとセンサ座標系の軸Ｙｓとが同一平面上にある，
場合において、術者が膝を動かしたとする。前記条件ａの軸Ｘｍと軸Ｘｓが一致していることから、軸Ｘｓ周りのロール角は変化しない。また、前記条件ｂの軸Ｙｍと軸Ｙｓが同一平面上にあることから、軸Ｙｓ周りのピッチ角も変化しない。一方、患者の膝は、機能軸を中心として回転するので、軸Ｚｍの回転と同様に、軸Ｚｓ周りのヨー角が生ずる。

【0026】

すなわち、座標軸Ｚｍの周りに膝を回転させたとすると、同図(B)に示すように、ロール角，ピッチ角，及びヨー角の変化が観測される。同図(B)の横軸は、膝を動かした角度である。同図によれば、センサ座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）のうち、
ａ，軸Ｘｓ周りのロール角，軸Ｙｓ周りのピッチ角は、まったく変化しない。
ｂ，軸Ｚｓ周りのヨー角は、機能軸座標系の軸Ｚｍ周りの回転角度と同一の変化となる。

【0027】

これに対し、図３(A)に示すように、センサ座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）と機能軸座標系（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）とが一致していない場合において、座標軸Ｚｍの周りに膝を回転させたとすると、例えば同図(B)に一例を示すように、ロール角，ピッチ角，ヨー角の変化が観測される。なお、この場合でも、機能軸座標系の軸Ｙｍとセンサ座標系の軸Ｙｓとは同一平面上にある。

【0028】

図２(B)及び図３(B)のグラフを比較すると、センサ座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）と機能軸座標系（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）との一致，不一致によって角度変化に差が生じている。してみると、その差からセンサ座標系の軸Ｘｓと機能軸座標系の軸Ｘｍとの角度差を知ることができる。この演算は演算部２１０で行われ、結果が表示部２１２に表示される。

【0029】

演算の手法を具体的に示すと、まず、膝を回転させたときの三軸慣性センサ２００におけるロール角，ピッチ角，ヨー角の変化を観測する。膝は、大腿骨骨頭ＦＨの中心を支点として動くので、
ａ，膝を横に動かした場合、機能軸座標系の軸Ｚｍ周りに回転する。
ｂ，膝を縦方向に動かした場合、機能軸座標系の軸Ｙｍ周りに回転する。
ここで、例えば、膝を横に動かしたときの角度を分度器などで実測するとともに、そのときの三軸慣性センサ２００の出力を得てグラフ化すると、図４(A)に示すようになる（前記図３(B)に対応）。このグラフを、上述した図２(B)のグラフと比較すると、図４(A)ではロール角とピッチ角の間に角度差ＲＰがあるのに対し、図２(B)では角度差ＲＰは生じていない。

【0030】

一方、前記膝を横に動かしたときの三軸慣性センサ２００の出力から、軸Ｙｓ周りの軸Ｘｍ・Ｘｓの角度差と、同図(A)の横軸のＺｍ角＝６０度における角度差ＲＰとの関係を計測すると、図４(B)に示すような結果が得られる。このグラフを参照すると、
ａ，軸Ｘｍと軸Ｘｓとが一致しているときは、角度差ＲＰは「０」である。上述した図２の場合が該当する。
ｂ，ロール角とピッチ角の間の角度差ＲＰは、軸Ｙｓ周りの軸Ｘｍ・Ｘｓ間の角度差に比例している。

【0031】

軸Ｚｓ周りの軸Ｘｍ・Ｘｓの角度差についても同様である。してみると、図４(A)の三軸慣性センサ２００の出力から角度差ＲＰを求め、これを図４(B)のグラフの縦軸に当てはめると、横軸から軸Ｘｍ・Ｘｓの角度差を知ることができる。例えば、図４(A)の横軸のＺｍ角＝６０度におけるＲＰ角度差は１５度であり、図４(B)において縦軸のＲＰ角度差１５度は、横軸の軸Ｘｍ・Ｘｓの角度差１０度が該当するという具合である。軸Ｚｓ周りの軸Ｘｍ・Ｘｓの角度差についても同様である。このような演算が演算部２１０で行われ、演算結果である軸Ｘｍ・Ｘｓの角度差が表示部２１２に表示される。

【0032】

術者は、この表示を見ながら、骨切ブロック１１０の鋸挿入スリット１１６の方向が機能軸Ｘｍと垂直の方向となるように、つまみ１６４，１８４を緩めて、主柱１１２に取り付けた骨切ブロック１１０及び三軸慣性センサ２００の姿勢を調整する。なお、上述したように、本実施例では、機能軸座標系の軸Ｙｍとセンサ座標系の軸Ｙｓとが同一平面上にあることから、つまみ１６０を動かさない。

【0033】

以上の点を、術者の立場から説明すると、まず、術者は、膝を持ち上げ、横方向に動かす。そして、この場合の三軸慣性センサ２００の出力から、演算部２１０は、軸Ｙｓ周りにおける軸Ｘｍ・Ｘｓの角度差を演算し（前記図４(B)参照）、その結果が表示部２１２に表示される。術者は、表示された角度差の数値に基づいて、つまみ１６４によりＹｓ周り（ピッチ方向）の三軸慣性センサ２００の姿勢調整，すなわち骨切ブロック１１０の鋸挿入スリット１１６の方向の調整を行う。

【0034】

次に、術者は、患者の膝を持ち上げ、今度は縦方向に動かす。そして、この場合の三軸慣性センサ２００の出力から、演算部２１０は、軸Ｚｓ周りにおける軸Ｘｍ・Ｘｓの角度差を演算し、その結果が表示部２１２に表示される。術者は、表示された角度差の数値に基づいて、つまみ１８４により軸Ｚｓ周り（ヨー方向）の三軸慣性センサ２００の姿勢調整，すなわち骨切ブロック１１０の鋸挿入スリット１１６の方向の調整を行う。

【0035】

なお、上述したように、術者は、内側顆と外側顆は触知可能である。このため、術者は、術中において、内側顆と外側顆を結んだ線である機能軸座標系の軸Ｙｍと、センサ座標系の軸Ｙｓを同一面とさせることが可能である。これにより、本実施例では、軸Ｘｓ周りの調整は行われない。

【0036】

以上のような姿勢調整後、術者は、骨切ブロック１１０を大腿骨遠位端にピンにより固定する。そして、図１に示した骨切ガイド器具１００を取り外し、骨切ブロック１１０の鋸挿入スリット１１６に鋸を挿入し、大腿骨遠位端を切除する。

【0037】

以上のように、本実施例によれば、骨切ガイド器具１００に三軸慣性センサ２００を取り付けるとともに、患者の膝を動かしてセンサ座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）の各軸周りの角度変化を検知し、その結果から機能軸座標系（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）との差を演算することとしたので、簡便な構成でありながら、患者の機能軸の方向を良好に推定することができる。これにより、骨切ブロック１１０の鋸挿入スリット１１６の方向が機能軸に対して良好に垂直の方向となるように調整でき、人工膝関節の埋入手術における大腿骨遠位端の切除を機能軸に対して垂直に行うことができる。

【実施例0038】

次に、図５及び図６を参照しながら、本発明の実施例２について説明する。なお、上述した実施例１に相当する構成要素には、同一の符号を用いることとする。上述したように、本発明では慣性センサを使用している。慣性センサは、通常磁気センサを内蔵しており、磁気センサは、近くに磁性体があると，誤差が大きくなる。本発明の骨切ガイド器具を使用する場合でも、手術機器に磁性体が使用されており、その影響が慣性センサにも及ぶようになる。そこで、本発明の主要な形態では、磁気センサが内蔵されていない慣性センサを使用する。これにより、磁性体からの慣性センサへの影響を避けることができるが、一方で、水平面上の絶対的な方向を定めることができなくなるため、そのままでは、慣性センサが鉛直方向に持ち上げられたかどうかを判断することができない。このため、本実施例では、鉛直方向（センサ座標系のＺｓ方向に対応）に三軸慣性センサ２００を移動させたときに、正確に慣性センサが鉛直方向に持ち上げられたかどうかを判断するための手段を設けている。なお、三軸慣性センサ２００には、三軸加速度センサが内蔵されており、重力加速度を検知することができる。このため、水平方向への三軸慣性センサ２００の移動は正確に行われる。

【0039】

図５(A)には、本実施例の骨切ガイド器具５００の主要部が示されており、前記実施例と同様に、三軸慣性センサ２００を備えている。三軸慣性センサ２００は、前記実施例とは異なる構成のテーブル５２０上に設置されている。他の骨切ブロック１１０などの構成は、上述した実施例１と同様である。

【0040】

詳述すると、テーブル５２０は、上述した主柱１１２に取り付けられる固定部５３０を備えており、この固定部５３０から後方（図の右側）に腕５４０，５４２が延設されている。これら腕５４０，５４２の先端側にはヒンジ５５０が設けられており、このヒンジ５５０に、回動テーブル５６０が回動可能に設けられている。前記ヒンジ５５０は、前記腕５４０，５４２の先端に設けられた回動軸５５２と、前記回動テーブル５６０の裏側に設けられた一対の軸受け５５４によって構成されており、回動軸５５２が軸受け５５４を貫通している。これにより、回動テーブル５６０は、回動軸５５２を中心として回動可能となっている。回動テーブル５６０には、上述した三軸慣性センサ２００が取り付けられており、従って、三軸慣性センサ２００も回動可能となる。

【0041】

ここで、理解を容易にするため、前記ヒンジ５５０の回動軸５５２の軸方向，すなわち回動テーブル５６０の回動中心は、上述したセンサ座標系Ｙｓの方向と一致しているものとする。その場合、回動テーブル５６０を回動軸５５２を中心に回動すると、センサ座標系Ｚｓ方向における三軸慣性センサ２００の向きが変動することになる。

【0042】

同図(B)，(C)には、回動時の様子が示されている。同図(B)は、ヒンジ５５０による回動が行われていない状態を示しており、三軸慣性センサ２００は、テーブル５２０上に位置している。この水平方向を向いたセンサ位置を、計測開始時の位置とする。この状態は、上述した実施例１と同じである。同図(C)は、三軸慣性センサ２００がヒンジ５５０の回動軸５５２を中心に、角度Δθ回動した状態を示している。

【0043】

次に、図６も参照しながら、本実施例の作用を説明する。同図は、位置ＰＡにある三軸慣性センサ２００を、位置ＰＢまで移動させる様子を示している。位置ＰＡの三軸慣性センサ２００は、ちょうど水平方向（センサ座標系Ｙｓの方向）を向いているものとする。上述したように、術者は、患者の膝を持ち上げて回転させる。人の膝は、大腿骨骨頭ＦＨの中心を支点として動くので、三軸慣性センサ２００は、大腿骨骨頭ＦＨの中心を支点として変位する。この場合において、鉛直方向（センサ座標系Ｚｓの方向）に着目すると、三軸慣性センサ２００は、位置ＰＡから矢印Ｆ６Ａの方向に回動し、位置ＰＢとなる。ここで、上記の通り、術者は、患者の膝を鉛直方向（機能軸座標系Ｙｍ周り）に持ち上げる必要があるが、本実施例で使用する三軸慣性センサ２００は水平面上の絶対的な方向を定めることができないため、本当に鉛直方向に持ち上げられたかどうかを判断することができない。すなわち、膝は、機能軸座標系Ｙｍ周りにのみ回転させる必要があるのだが、機能軸座標系Ｚｍ周りにも回転されてしまっている可能性を否定できない。なお、機能軸座標系Ｘｍ周りについては、三軸慣性センサ２００内の三軸加速度センサの出力値を確認することにより、機能軸座標系Ｘｍ周りの回転の有無を判断することができるので、問題とはならない。

【0044】

そこで、同図に示すように、位置ＰＢにおいて、三軸慣性センサ２００の姿勢を修正し、回動テーブル５６０の三軸慣性センサ２００を、回動軸５５２を中心に回動して、水平方向を向くように調整する。そして、調整後の位置ＰＣにおける三軸慣性センサ２００の出力値と、位置ＰＡにおける三軸慣性センサ２００の出力値を比較し、これが同一であった場合は、正しく鉛直方向に持ち上げられたと判断することができる。一方、同一ではなかった場合は、機能軸座標系Ｚｍ周りにも回転されてしまっていることを意味するため、術者は、三軸慣性センサ２００を水平に保ったまま機能軸座標系Ｚｍ周りの回転を修正する方向に（三軸慣性センサ２００の出力値が、位置ＰＡにおける三軸慣性センサ２００の出力値と同一になるように）、三軸慣性センサ２００を移動させる。これにより、位置ＰＡの姿勢を保ったまま、鉛直方向に変位した状態となる。矢印Ｆ６Ａ方向の回動角度と、矢印Ｆ６Ｂ方向の回動角度は一致するので、この角度から、鉛直方向に膝を回転させた角度を割り出すことができる。他の動作は、前記実施例と同様である。

【0045】

なお、三軸慣性センサ２００が、上記のように、センサ座標系Ｚｓ軸周りに回転していない場合は、矢印Ｆ６Ａと矢印Ｆ６Ｂの回転角度は一致する。しかし、三軸慣性センサ２００が、センサ座標系Ｚｓ軸周りに回転している場合、矢印Ｆ６Ａと矢印Ｆ６Ｂの回転角度は一致しない。

【0046】

以上のように、本実施例によれば、センサ座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）と機能軸座標系（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）との差を演算するにあたって、三軸慣性センサ２００が鉛直方向に正確に移動したかどうかを判断ないし評価することができるので、より正確に患者の機能軸の方向を推定することができる。その結果、三軸慣性センサ２００が、正確に鉛直方向に移動したと判断されたときは、上述した実施例１の方法によって患者の機能軸の方向が推定される。一方、正確に移動したと判断されなかったときは、図２に矢印Ｆ６Ｐで示すように、膝を左右方向（水平方向）に動かすと同時に、図６に矢印Ｆ６Ｑで示すように上下方向（鉛直方向）に動かすことによって、三軸慣性センサ２００が正確に鉛直方向に移動した位置を見つけ出す。

【0047】

＜他の実施例＞ なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例で示した骨切ガイド器具１００の構成は一例であり、骨切ブロック１１０の姿勢を調整できる構造であれば、どのようなものであってもよい。
(2)前記実施例で示した調整方法も一例であり、センサ座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）と機能軸座標系（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）とが一致する場合と一致しない場合における三軸慣性センサ２００の出力の相違を利用して機能軸に対するずれを調整する手法であれば、いずれであってもよい。例えば、術者が、図３(B)ないし図４(A)に示したグラフを参照しながら、骨切ガイド器具１００の姿勢を調整するといった方法でもよい。
(3)前記実施例では、骨切ブロック１１０の鋸挿入スリット１１６の方向が機能軸に対して垂直の方向となり、人工膝関節の埋入手術における大腿骨遠位端の切除を機能軸に対して、垂直に行う場合を想定したが、術式によっては機能軸に対して所望の角度だけ変位した方向で大腿骨遠位端の切除を行うことがあるが、このような場合にも、本発明は、適用可能である。

【0048】

(4)前記実施例で示した三軸慣性センサも一例であり、同様の機能を有するものであれば、どのようなものを使用してもよい。例えば、スマートホンに内蔵されている三軸慣性センサを使用することも可能である。
(5)図４に示したセンサ座標系の軸Ｘｓと機能軸座標系の軸Ｘｍとの角度差を求める手法は一例であり、演算の手法は適宜変更してよい。
(6)前記実施例は、本発明の機能軸推定装置を、人工膝関節の埋入手術において大腿骨遠位端を切断する骨切ブロックの姿勢調整に適用したものであるが、骨切ブロック以外の各種の手術具の姿勢調整に適用してよい。
(7)前記実施例２で示した三軸慣性センサ２００が鉛直方向に正確に移動したかどうかを判断するセンサ位置判断手段の構成は一例であり、同様の機能を奏するように設計変更可能である。
(8)前記実施例は、本発明を人体の人工膝関節置換術に適用した例であるが、例えば、人型ロボットの四肢角度推定や、多関節アームを有する重機のアーム角度推定にも適用可能である。