コンピューター支援整形外科手術

コンピュータ支援整形外科手術（略称CAOS [ ^{1 ] ）}は、整形外科手術の結果を改善するために、術前、術中、および/または術後にコンピュータ技術を適用する分野です。 ^{[ 2 ] [ 3 ]}記録によると、1990年代から実施されていますが、^{[ 4 ]} CAOSは、整形外科医と、工学、コンピュータ科学、ロボット工学などの従来型の技術分野を結びつける活発な研究分野です。

CAOSの背後にある主な考え方は、コンピュータ技術の使用によって手術結果が改善されるというものです。関節置換を例にとると、外科医の任務は新しい関節コンポーネントを患者の既存の解剖学的構造に統合することです。CAOS技術により、外科医は次のことが可能になります。^{[ 2 ] [ 4 ]}

• 適切な部品サイズを決定することを含め、部品の配置を事前に計画する。
• 手術中にコンポーネントの配置をリアルタイムで測定し、計画通りに行われていることを確認する。
• 術後の結果を測定する

CAOSは、手術の全体的な結果を改善することを目的としているため、従来の手術手順から大きく逸脱することはありません。画像ベースの手順では、患者は依然として同様の術前スクリーニング（診察、スキャンなど）を受けます。^{[ 2 ]}ただし、CAOSでは、外科医が「患者ジグ」^{[ 4 ]}を作成することもできます。これは、術前計画段階で外科医を支援する、対象となる骨格構造の3Dプリントモデルです。システムとナビゲーションの好みに応じて、さまざまなCAOS手順があります。CAOSは、最初は2つのカテゴリに分けられます。^{[ 2 ]}アクティブシステムでは、手術全体をロボットが完了でき、外科医の助けはほとんど、またはまったく必要ありません。パッシブシステムでは、ロボットまたはコンピュータプログラムが手術の完了を外科医に支援します。パッシブシステムかアクティブシステムかにかかわらず、CAOSは手順を正確に実行するためにナビゲーションモードを必要とします。手術を実行するために使用されるナビゲーション方法は3つあります。^{[ 2 ] [ 4 ]}

• CTベース：CT画像を利用して患者の解剖学的構造の3D*モデルを構築し、手術手順を段階的に案内するか、手術のリアルタイムフィードバックを外科医に提供する。どちらの方法も、外科医が解剖学的ランドマークをより容易に視覚化できるため、人工インプラントの精度と正確性の両方が向上する。 ^{[ 2 ] [ 4 ]}
• 透視法：手術部位の複数の透視画像（異なる角度から）を外科医が撮影することができ、器具や人工装具の配置のためのランドマークが得られます。透視画像は2Dまたは3D*のいずれかであり、静止画像です。手術中に撮影された静止画像を使用する性質上、外科医にビデオのようなフィードバックは提供されませんが、患者への放射線被曝を大幅に低減します。 ^{[ 2 ] [ 4 ]}
• 画像なし：コンピュータが、関節回転角度、屈曲/伸展角度などの患者の整形外科検査の結果を参照して、関心領域のデジタル解剖モデルを構築する。コンピュータによってデジタル画像が構築されるが、術前および術中の両方の段階で画像撮影プロセスがないため、放射線被曝がなくなり、手術時間が短縮される。^{[ 2 ] [ 4 ]}

* 3D画像は、コンピューターが赤外線とゲート検出器を介して身体部位と相互作用するときに生成されます。^{[ 4 ]}

CAOS（コンピュータ支援手術）を用いることで、外科医は小さな切開では見えにくい解剖学的ランドマークをより正確に特定できます。その後、選択されたナビゲーションシステムが、外科医を様々な骨切開箇所へと導き、最終的にインプラントの挿入へと至ります。

CAOSは、手技の正確性と精密性の両方において利点があるものの、さまざまな理由から整形外科コミュニティではまだ広く受け入れられていません。その理由の1つは、患者の医療費が増加することです。 ^{[ 5 ] [ 3 ]}ナビゲーションの選択に関係なく、コンピュータ技術の導入は病院の支出の増加につながり、それが患者に請求されます。CAOSはまだ活発な研究分野であるため、保険プランも手技の費用をカバーする可能性は低いです。^{[ 3 ]}いくつかの研究では、高齢患者に対して大量の手技が行われる状況下では、CAOSは病院にとって費用対効果が高い可能性があることが示唆されています。 ^{[ 5 ]}費用以外にも、各ナビゲーション方法には欠点があります。CTベースのナビゲーションシステムは患者の放射線被曝を増加させます。^{[ 2 ]}透視ベースのナビゲーションは、外科医が適切なテンプレートの画像を撮影するために一時停止するため、手技の所要時間が長くなります。^{[ 2 ]}また、画像なしナビゲーションは、整形外科検査から得られた正確な値を入力する外科医のスキルに大きく依存します。^{[ 2 ]}

コンピューター支援整形外科手術で行われるインプラントや処置は、精度と正確性が著しく高いという証拠がある^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]。}しかし、CAOS技術が手術結果の長期的な大幅な改善につながるという確証はないが、研究ではCAOSが再手術率を低下させる可能性があることが示唆されている^{[ 10 ]} 。さらに、骨の機能的適応性により、コンポーネント配置のエラーは長期的には重要ではなくなる可能性がある^{[ 3 ] [ 11 ]。CAOS} が開発された期間が比較的短いため、長期的な追跡調査はまだ不可能である^{[ 11 ]} 。外科医（または実験室研究の医学生^{[ 12 ] [ 13 ]}）は、コンポーネントの計画配置と実際の配置に関してより良い結果を達成できるが、計画が最適に構築されているかどうかは明らかではない。

現在、コンピュータ支援整形外科手術は、大腿骨と脛骨の骨切りの精度が高いため、主に膝関節インプラント手術で使用されています。 ^{[ 3 ] [ 4 ]}また、正しいカップ傾斜が重要な寛骨臼コンポーネントの配置のナビゲーションにも使用されています。^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} CAOSはまだ多くの整形外科医に広く受け入れられていませんが、手術の解剖学的ランドマークを視覚化するのに役立つ画像を作成するため、新しい外科医のトレーニングを促進する非常に有用なツールであることが示されています。^{[ 12 ] [ 13 ]}超音波画像を介して外科医に正確なガイダンスを提供しながら、コストと放射線被曝の両方を削減するためのさらなる開発が行われています。^{[ 14 ]}このナビゲーション方法は現在もテスト中で、臨床ですぐに使用できるものではありません。^{[ 3 ]}

• 国際コンピュータ支援整形外科学会