JP2021087665A - Surgery support system and method for acquiring surface information thereof - Google Patents

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JP2021087665A JP2019220238A JP2019220238A JP2021087665A JP 2021087665 A JP2021087665 A JP 2021087665A JP 2019220238 A JP2019220238 A JP 2019220238A JP 2019220238 A JP2019220238 A JP 2019220238A JP 2021087665 A JP2021087665 A JP 2021087665A
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Abstract

To provide a surgical instrument for controlling and detecting a contact angle of a positioning probe on an anatomical surface.SOLUTION: A surgery support system includes: an instrument having a tool and a manipulator connected to the tool; a space sensor system for detecting space information on the tool; and a computer system for operating a motion state of the manipulator. A method for acquiring surface information by the surgery support system includes: a process for defining a target area and a plurality of reference points on a virtual anatomical model of an object; a process for urging a user to generate sampling information by sampling a plurality of sampling points on the object corresponding to the reference points by using the instrument; and a process for designating the sampling information as surface information on the sampling points. Each piece of the sampling information includes coordinates of the sampling points, a contact angle of the tool in the sampling points, and parameters related to the contact.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は手術支援システムに関する。より詳細には、手術支援システムによって実行されるコンピュータ支援手術の正確性および精度を向上させる位置合わせの方法に関する。 The present invention relates to a surgical support system. More specifically, it relates to a method of alignment that improves the accuracy and accuracy of computer-assisted surgery performed by a surgical assistance system.

多くの外科手術は、外科医の側で高い手動精度を必要とする。例えば、整形外科手術は外科医が所定のインプラントを骨に適合させるために、または骨を成形して所望の幾何学的プロファイルを作成するために、正確な位置および正確な角度で、対象の骨をミル加工、ドリル加工、または鋸引きすることを必要とする。このような手術は通常、外科医が特定の手術用器具を保持し、解剖学的目印に基づいた軌跡をたどることにより、フリーハンドで行われる。したがって、外科手術の正確性は、ハンドヘルド手術用器具を用いて所定の手術計画に従う際の外科医の技能に依存する。 Many surgeries require high manual accuracy on the part of the surgeon. For example, orthopedic surgery involves the surgeon placing the bone of interest at the correct location and angle in order for the surgeon to fit a given implant into the bone or to shape the bone to create the desired geometric profile. Requires milling, drilling, or sawing. Such surgery is usually performed freehand by the surgeon holding a particular surgical instrument and following an anatomical locus. Therefore, the accuracy of surgery depends on the skill of the surgeon in following a given surgical plan with handheld surgical instruments.

情報技術およびロボット工学の利点を利用して、コンピュータ支援手術は、外科手術の正確性および精度を改善する際に信頼できる選択肢を提供した。コンピュータ支援手術はコンピュータ技術を利用し、手術前仮想環境において術野を視覚化し、より正確な手術前診断および明確な手術計画を可能にする手術概念を表す。コンピュータ支援手術でおいて、患者の位置合わせは、コンピュータ医用イメージング(例えば、コンピュータ断層撮影法(CT)または磁気共鳴画像法(MRI))などのコンピュータ医用イメージングによって収集された仮想3次元(3D)データセットの位置を、患者の位置と相関させる重要な術前処置である。患者の位置合わせは、術前スキャンおよび手術中に患者を同じ厳密な位置に維持する必要性を排除し、外科手術の幾何学的正確性を確保する。 Taking advantage of information technology and robotics, computer-assisted surgery has provided a reliable option in improving the accuracy and accuracy of surgery. Computer-assisted surgery utilizes computer technology to visualize the surgical field in a preoperative virtual environment and represent a surgical concept that enables more accurate preoperative diagnosis and clear surgical planning. In computer-assisted surgery, patient alignment is a virtual three-dimensional (3D) image collected by computer medical imaging such as computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging (MRI). It is an important preoperative procedure that correlates the location of the dataset with the location of the patient. Patient alignment eliminates the need to keep the patient in the same exact position during preoperative scans and surgery, ensuring the geometric accuracy of surgery.

従来の位置合わせ方法は主に、基準の位置合わせおよび表面マッチングの位置合わせを含む。基準の位置合わせは、解剖学的ランドマークに取り付けられた複数の基準マーカーを検出し、解剖学的領域を画定することによって、特定の解剖学的領域をコンピュータ支援ナビゲーションシステムに登録する。表面マッチングの位置合わせは、機械または超音波プローブを利用し、術野の解剖学的表面構造上の一組の点の座標を特定することによって実行する。したがって、空間認識においてより高い正確性を提供し、基準の位置合わせにわたる外科的侵襲性を低減する。 Traditional alignment methods primarily include reference alignment and surface matching alignment. Reference alignment registers a particular anatomical region with a computer-assisted navigation system by detecting multiple reference markers attached to anatomical landmarks and defining the anatomical region. Surface matching alignment is performed by using a mechanical or ultrasonic probe to identify the coordinates of a set of points on the anatomical surface structure of the surgical field. Therefore, it provides higher accuracy in spatial perception and reduces surgical invasiveness over reference alignment.

従来の表面マッチングの位置合わせにおいては、プローブをセンサに連結して、プローブと解剖学的表面との機械的接触を検出する。例えば、Shenらは米国特許第8615286号において、患者の骨表面の位置を見つける装置および方法を開示する。この装置および方法は、薄いプローブの基部に設置された力センサを利用して、プローブが遭遇する材料の抵抗を検出し、プローブと骨または軟組織との係合、またはプローブと異なる硬度を有する異なるタイプの組織との係合を識別する。 In conventional surface matching alignment, the probe is connected to a sensor to detect mechanical contact between the probe and the anatomical surface. For example, Shen et al. Disclose in US Pat. No. 8,615,286 a device and method for locating a patient's bone surface. This device and method utilizes a force sensor installed at the base of a thin probe to detect the resistance of the material encountered by the probe and engage the probe with bone or soft tissue, or have a different hardness than the probe. Identify the type of tissue engagement.

しかし、実際の外科手術では、従来の薄いプローブの正確な接触角に対する制御の欠如、または組織の異なる層間の硬度の変化のために、プローブが意図された接触面から滑り落ちる傾向がある。したがって、位置合わせの正確性の著しい低下をもたらす。既存の技術のいずれも、解剖学的表面上のプローブの接触角を制御することができ、またはプローブと表面との間の機械的接触の有効性を判断することができる手段を提供していない。 However, in actual surgery, the probe tends to slide off the intended contact surface due to lack of control over the precise contact angle of conventional thin probes, or changes in hardness between different layers of tissue. Therefore, the accuracy of alignment is significantly reduced. None of the existing techniques provide a means by which the contact angle of the probe on the anatomical surface can be controlled or the effectiveness of mechanical contact between the probe and the surface can be determined. ..

本発明の目的は、解剖学的表面上の位置合わせプローブの接触角を制御および検出する手術用器具を提供することである。 An object of the present invention is to provide a surgical instrument that controls and detects the contact angle of an alignment probe on an anatomical surface.

本発明の別の目的は、位置合わせプローブと解剖学的表面との間の機械的接点を確認する、手術用器具用の位置合わせ方法を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a alignment method for surgical instruments that confirms the mechanical contact between the alignment probe and the anatomical surface.

本発明の実施形態は、手術支援システムを提供する。本システムは、ツールおよびツールに連結されているマニピュレータを有する器具と、ツールの空間情報を検出する空間センサシステムと、器具、空間センサシステムおよびユーザインターフェースに電気的に連結され、空間センサシステムによって検出されるツールの空間情報に従ってマニピュレータの運動状態を操作するコンピュータシステムと、を含む。 Embodiments of the present invention provide a surgical support system. This system is electrically connected to the tool and an instrument with a manipulator connected to the tool, a spatial sensor system that detects the spatial information of the tool, and the instrument, the spatial sensor system, and the user interface, and is detected by the spatial sensor system. Includes a computer system that manipulates the manipulator's motion state according to the spatial information of the tool.

好ましい実施形態において、手術支援システムの器具は、ツールによって維持される力および/またはトルクを検出する力センサをさらに含む。 In a preferred embodiment, the instrument of the surgical assistance system further comprises a force sensor that detects the force and / or torque maintained by the tool.

好ましい実施形態において、力センサは、ツールとマニピュレータとの間、および/または、ツール内に配置されている。 In a preferred embodiment, the force sensor is located between the tool and the manipulator and / or within the tool.

好ましい実施形態において、接触に関連するパラメータは、ツールによって維持される力、ツールによって維持されるトルク、マニピュレータの複数のアクチュエータの出力電力、およびツールと1つのサンプリングポイントとの間の安定した接触の持続時間を含む。 In a preferred embodiment, the contact-related parameters are the force maintained by the tool, the torque maintained by the tool, the output power of multiple actuators of the manipulator, and the stable contact between the tool and one sampling point. Includes duration.

本発明の別の実施形態は、手術支援システムによる、位置合わせ用の表面情報を取得する方法を提供する。本方法は、(S1)コンピュータシステムによって、対象の仮想解剖学的モデル上のターゲット領域およびターゲット領域の複数の基準ポイントを画定する工程;(S2)ユーザインターフェースを介して、器具を使用して基準ポイントに対応する、対象の複数のサンプリングポイントをサンプリングすることによってサンプリング情報を生成するようにユーザを促す工程であって、各サンプリング情報は、1つのサンプリングポイントの座標と、空間センサシステムによって検出される、1つのサンプリングポイントにおけるツールの接触角と、接触に関連するパラメータと、を含む工程;(S3)コンピュータシステムによって、サンプリング情報をサンプリングポイントの表面情報として指定する工程;を含む。 Another embodiment of the present invention provides a method of acquiring surface information for alignment by a surgical support system. The method is (S1) a step of defining a target region on a virtual anatomical model of interest and a plurality of reference points of the target region by a computer system; (S2) reference using an instrument via a user interface. A process that prompts the user to generate sampling information by sampling a plurality of target sampling points corresponding to the points, and each sampling information is detected by the coordinates of one sampling point and a spatial sensor system. A step of including the contact angle of the tool at one sampling point and the parameters related to the contact; (S3) a step of designating the sampling information as the surface information of the sampling point by the computer system;

好ましい実施形態において、コンピュータシステムがマニピュレータの運動状態を操作して、サンプリングポイントを1回に1つずつプローブの先端が接触するように制御することを可能にすることによって、サンプリングポイントがサンプリングされる。 In a preferred embodiment, sampling points are sampled by allowing a computer system to manipulate the manipulator's motion state to control sampling points one at a time so that the tips of the probes come into contact. ..

好ましい実施形態において、工程S1の前に、以下の工程をさらに含む:コンピュータシステムによって、仮想解剖学的モデル上のターゲット領域の複数の概略基準ポイントを画定する工程;ユーザインターフェースを介して、器具を使用して基準ポイントに対応する対象の複数の概略サンプリングポイントをサンプリングすることによって概略空間データを生成するようにユーザを促す工程;コンピュータシステムによって、概略空間データを仮想解剖学的モデルに割り当てる工程。 In a preferred embodiment, prior to step S1, the following steps are further included: the step of defining a plurality of schematic reference points of the target region on the virtual anatomical model by a computer system; the instrument via the user interface. The process of encouraging a user to generate schematic spatial data by using it to sample multiple schematic sampling points of interest corresponding to a reference point; the process of assigning the schematic spatial data to a virtual anatomical model by a computer system.

好ましい実施形態において、コンピュータシステムがマニピュレータの運動状態を操作して、概略サンプリングポイントを1回に1つずつにプローブの先端が接触するように制御することを可能にすることによって、概略サンプリングポイントがサンプリングされる。 In a preferred embodiment, the approximate sampling points are configured by allowing the computer system to manipulate the manipulator's motion state to control the approximate sampling points one at a time so that the tips of the probes come into contact with each other. It will be sampled.

好ましい実施形態において、工程S2の後に、以下の工程をさらに含む:(S21)現在のサンプリング情報を検証する工程;(S22)サンプリング状態をチェックする工程;(S23)サンプリング情報をフィルタリングする工程。 In a preferred embodiment, after step S2, the following steps are further included: (S21) a step of verifying the current sampling information; (S22) a step of checking the sampling state; (S23) a step of filtering the sampling information.

好ましい実施形態において、工程(S21)は、以下の工程をさらに含む:(S211)現在のサンプリング情報に含まれるパラメータが少なくとも1つのサンプリング基準を満たすかを判断する工程;(S212)パラメータがサンプリング基準を満たす場合は現在のサンプリング情報を第1の印で示し、パラメータがサンプリング基準を満たさない場合は現在のサンプリング情報を第2の印で示す工程;(S213)現在のサンプリング情報を第1の印で示す場合は工程S22に進み、現在のサンプリング情報を第2の印で示す場合は工程S2に進む工程。 In a preferred embodiment, step (S21) further comprises: (S211) determining whether the parameters contained in the current sampling information meet at least one sampling criterion; (S212) parameter is sampling criterion. If the condition is satisfied, the current sampling information is indicated by the first mark, and if the parameters do not meet the sampling criteria, the current sampling information is indicated by the second mark; (S213) The current sampling information is indicated by the first mark. When indicated by, the process proceeds to step S22, and when the current sampling information is indicated by the second mark, the process proceeds to step S2.

好ましい実施形態において、サンプリング基準は、ツールによって維持される力が力の閾値以上であること、ツールによって維持される横方向の力が横方向の力の閾値以下であること、ツールによって維持されるトルクがトルク閾値以下であること、マニピュレータの複数のアクチュエータの出力電力が電力閾値以上であること、および/または、ツールと1つのサンプリングポイントとの安定した接触の持続時間が時間閾値以上であることを含む。 In a preferred embodiment, the sampling criteria are that the force maintained by the tool is greater than or equal to the force threshold, that the lateral force maintained by the tool is less than or equal to the lateral force threshold, and that the tool is maintained. The torque is less than or equal to the torque threshold, the output power of multiple actuators of the manipulator is greater than or equal to the power threshold, and / or the duration of stable contact between the tool and one sampling point is greater than or equal to the time threshold. including.

好ましい実施形態において、工程(S22)は、以下の工程を含む:(S221)すべてのサンプリングポイントのサンプリング情報が第1の印で示されているかを判断する工程;(S222)すべてのサンプリングポイントのサンプリング情報がサンプリングされているときは工程S23に進み、すべてのサンプリングポイントのサンプリング情報が少なくとも1つサンプリングされていないときは工程S2に進む工程。 In a preferred embodiment, step (S22) includes: (S221) determining whether sampling information for all sampling points is indicated by the first mark; (S222) for all sampling points. When the sampling information is sampled, the process proceeds to step S23, and when at least one sampling information of all sampling points is not sampled, the process proceeds to step S2.

好ましい実施形態において、工程S23は、第1の印で示されるサンプリング情報から第2の印で示されるサンプリング情報をスクリーニングすることによって実行される。 In a preferred embodiment, step S23 is performed by screening the sampling information indicated by the second mark from the sampling information indicated by the first mark.

好ましい実施形態において、工程S3の後に、以下の工程をさらに含む:(S4)表面情報を仮想解剖学的モデルに割り当てて、仮想解剖学的モデルを座標系の位置と合わせる工程;(S5)表面情報に従って仮想解剖学的モデルを精密にする工程;および、(S6)表面情報および精密にした仮想解剖学的モデルに従って手術計画を更新する工程。 In a preferred embodiment, after step S3, the following steps are further included: (S4) the step of assigning surface information to the virtual anatomical model and aligning the virtual anatomical model with the position of the coordinate system; (S5) surface. The step of refining the virtual anatomical model according to the information; and (S6) the step of updating the operation plan according to the surface information and the refined virtual anatomical model.

本発明の様々な実施形態によれば、手術支援システムは、位置合わせ用の正確および効率的な方法を提供する。本方法は、対象の表面上のターゲット領域と、表面の複数の表面特徴をカバーするターゲット領域内に分布する1組の基準ポイントとを画定し、手術用器具のプローブと表面との間の機械的接触を検証し、コンピュータ支援手術の正確性および精度を効果的に改善する。 According to various embodiments of the invention, the surgical assistance system provides an accurate and efficient method for alignment. The method defines a target area on the surface of the subject and a set of reference points distributed within the target area that covers multiple surface features of the surface and is a machine between the probe and the surface of the surgical instrument. Verify target contact and effectively improve the accuracy and accuracy of computer-assisted surgery.

添付の図面は1つ以上の本発明の実施形態を示し、本明細書とともに、本発明の原理を説明する。できる限り、実施形態の同じまたは同様の要素を示すために、図面全体にわたって同じ符号が使用される。 The accompanying drawings show one or more embodiments of the invention and, together with the present specification, illustrate the principles of the invention. Wherever possible, the same reference numerals are used throughout the drawing to indicate the same or similar elements of the embodiment.

一般的な慣行に従い、様々な説明した特徴は、一定の縮尺で描かれておらず、本開示に関連する特徴を強調するために描いている。同様の参照符号は、図面および本文全体を通して同様の要素を示す。 According to common practice, the various described features are not drawn to a certain scale and are drawn to emphasize the features related to this disclosure. Similar reference numerals indicate similar elements throughout the drawings and text.

本発明の実施形態である手術支援システムのブロック図である。It is a block diagram of the operation support system which is an embodiment of this invention. 本発明の実施形態である手術支援システムの概略図である。It is the schematic of the operation support system which is an embodiment of this invention. 本発明の実施形態である手術支援システムのハンドヘルド器具の斜視図である。It is a perspective view of the handheld instrument of the operation support system which is an embodiment of this invention. 本発明の実施形態である手術支援システムのハンドヘルド器具の側面図である。It is a side view of the handheld instrument of the operation support system which is an embodiment of this invention. 本発明の実施形態である手術支援システムのハンドヘルド器具のマニピュレータの側面図である。It is a side view of the manipulator of the handheld instrument of the operation support system which is an embodiment of this invention. 本発明の実施形態である手術支援システムのハンドヘルド器具の別のマニピュレータの側面図である。It is a side view of another manipulator of the handheld instrument of the operation support system which is an embodiment of this invention. 本発明の実施形態である手術支援システムの動作状態の概略図である。It is the schematic of the operation state of the operation support system which is an embodiment of this invention. 本発明の実施形態である手術支援システムの空間センサシステムの動作状態の概略図である。It is the schematic of the operation state of the space sensor system of the operation support system which is an embodiment of this invention. 本発明の実施形態である手術支援システムの手術方法のフローチャートである。It is a flowchart of the operation method of the operation support system which is an embodiment of this invention. 本発明の実施形態である手術支援システムの位置合わせプロセスのスナップの概略図である。It is the schematic of the snap of the alignment process of the operation support system which is an embodiment of this invention. 本発明の実施形態である手術支援システムの位置合わせ用である表面情報を取得する工程のフローチャートである。It is a flowchart of the process of acquiring the surface information for the alignment of the operation support system which is an embodiment of this invention. 本発明の実施形態である手術支援システムによって生成されたターゲット領域および基準ポイントの概略図である。It is the schematic of the target area and the reference point generated by the operation support system which is an embodiment of this invention. 本発明の実施形態である手術支援システムの位置合わせプロセスのスナップの概略図である。It is the schematic of the snap of the alignment process of the operation support system which is an embodiment of this invention. 本発明の実施形態である手術支援システムの位置合わせ用である表面情報を取得する工程のフローチャートである。It is a flowchart of the process of acquiring the surface information for the alignment of the operation support system which is an embodiment of this invention. 本発明の実施形態である手術支援システムの位置合わせ用であるサンプリング情報を検証する工程のフローチャートである。It is a flowchart of the process of verifying the sampling information for the alignment of the operation support system which is an embodiment of this invention. サンプリング情報をフィルタリングし、本発明の実施形態である手術支援システムの位置合わせ用である表面情報を取得する一例である。This is an example of filtering sampling information and acquiring surface information for positioning the surgical support system according to the embodiment of the present invention.

以下、本発明の様々な例示的な実施形態を示す添付の図面を参照しながら、本発明をより完全に説明する。しかしながら、本発明は多くの様々な形態で実施することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は本開示が徹底的かつ完全であり、本開示の範囲を当業者に完全に伝えるように提供される。全体を通して、同様の参照番号は同様の要素を示す。 Hereinafter, the present invention will be described more fully with reference to the accompanying drawings showing various exemplary embodiments of the invention. However, the present invention can be implemented in many different embodiments and should not be construed as limited to the embodiments described herein. Rather, these embodiments are provided so that the present disclosure is thorough and complete and the scope of the present disclosure is fully communicated to those skilled in the art. Throughout, similar reference numbers indicate similar elements.

本明細書で使用する用語は特定の実施形態のみを説明するためのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用するように、単数形「a」、「an」および「the」は文脈が明確にそわないことを示さない限り、複数形も含むことが意図される。用語「含む(comprises)」および/もしくは「含む(comprising)」、または「含む(includes)」および/もしくは「含む(including)」、または「有する(has)」および/もしくは「有する(having)」を本明細書で使用する場合、説明した特徴、領域、整数、工程、動作、要素、および/または構成要素の存在を特定するが、1つ以上の他の特徴、領域、整数、工程、動作、要素、構成要素、および/またはその群の存在または追加を排除しないことがさらに理解されるのであろう。 The terms used herein are for the purposes of describing only certain embodiments and are not intended to limit the invention. As used herein, the singular forms "a," "an," and "the" are intended to include the plural unless the context clearly indicates that they are not. The terms "comprises" and / or "comprising", or "includes" and / or "including", or "has" and / or "having" Is used herein to identify the presence of the features, regions, integers, processes, behaviors, elements, and / or components described, but one or more other features, regions, integers, processes, behaviors. It will be further understood that it does not preclude the existence or addition of, elements, components, and / or groups thereof.

用語「および/または」および「少なくとも1つ」は、関連する列挙された項目のうちの1つ以上の任意の組合せおよびすべての組合せを含むことが理解されるのであろう。第1、第2、第3などの用語は様々な要素、構成要素、領域、部品および/または部分を説明するために本明細書で使用され得るが、これらの要素、構成要素、領域、部品および/または部分はこれらの用語によって限定されるべきではないことも理解されるのであろう。これらの用語は、1つの要素、構成要素、領域、部品または部分を、別の要素、構成要素、領域、層または部分と区別するためにのみ使用される。したがって、以下で説明する第1の要素、構成要素、領域、部品または部分は、本開示の教示から逸脱することなく、第2の要素、構成要素、領域、層、または部分と呼ぶことができる。 It will be understood that the terms "and / or" and "at least one" include any combination and all combinations of one or more of the related listed items. Terms such as first, second, and third may be used herein to describe various elements, components, areas, parts, and / or parts, but these elements, components, areas, parts, etc. It will also be understood that and / or parts should not be limited by these terms. These terms are used only to distinguish one element, component, area, part or part from another element, component, area, layer or part. Thus, the first element, component, region, part or part described below may be referred to as a second element, component, area, layer, or part without departing from the teachings of the present disclosure. ..

他に定義されない限り、本明細書で使用するすべての用語(技術用語および科学用語を含む)は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。さらに、一般に使用される辞書で定義される用語などの用語は、関連技術および本開示の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書で明示的に定義されない限り、理想的な意味または過度に正式的な意味で解釈されないことが理解されるのであろう。 Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms such as those defined in commonly used dictionaries should be construed as having meaning consistent with their meaning in the context of the relevant technology and the present disclosure and are expressly herein. Unless defined, it will be understood that it is not interpreted in an ideal or overly formal sense.

図1および図2を参照する。本発明の実施形態において、外科手術前および外科手術における手術支援システム1000は、電子モジュールおよびプロセッサ実行可能命令に連結した手術ハードウェアを含む。手術支援システム1000は、器具システム1100と、空間センサシステム1500と、ユーザインターフェース1800と、器具システム1100、空間センサシステム1500およびユーザインターフェース1800に電気的に接続したコンピュータシステム1700と、を含む。一実施形態において、手術支援システム1000によって、ユーザ(例えば、外科医)は、ユーザインターフェース1800を参照して、器具システム1100によって対象(例えば、患者)に対して手術を行うことが可能になる。少なくとも1つの医療用イメージャ1910は、手術支援システム1000と通信する。医療用イメージャは、対象の医用画像を取得し、その画像を手術支援システム1000に送信するように構成される。空間センサシステム1500は、対象および環境の空間情報を生成するように構成される。コンピュータシステム1700は、医用画像に従って仮想解剖学的モデルを生成し、仮想解剖学的モデルに従って手術計画を生成し、空間センサシステム1500から受信した空間情報に従って手術環境を追跡し、マニピュレータ1210の運動を制御またはマニピュレータの運動状態を変更するように構成される。ユーザインターフェース1800は、解剖学的モデルを視覚化し、ユーザが手術計画に従って術野をナビゲートすることを可能にする。 See FIGS. 1 and 2. In embodiments of the invention, the pre-surgery and surgical support system 1000 in surgery includes surgical hardware linked to electronic modules and processor executable instructions. The surgical support system 1000 includes an instrument system 1100, a space sensor system 1500, a user interface 1800, and a computer system 1700 electrically connected to the instrument system 1100, the space sensor system 1500, and the user interface 1800. In one embodiment, the surgical support system 1000 allows a user (eg, a surgeon) to perform surgery on a subject (eg, a patient) with the instrument system 1100 with reference to the user interface 1800. At least one medical imager 1910 communicates with the surgical support system 1000. The medical imager is configured to acquire a medical image of the subject and transmit the image to the surgical support system 1000. Spatial sensor system 1500 is configured to generate spatial information of objects and environments. The computer system 1700 generates a virtual anatomical model according to the medical image, generates a surgical plan according to the virtual anatomical model, tracks the surgical environment according to the spatial information received from the spatial sensor system 1500, and exercises the manipulator 1210. It is configured to change the state of motion of the control or manipulator. The user interface 1800 visualizes the anatomical model and allows the user to navigate the surgical field according to the surgical plan.

図2に示すように、手術支援システム1000の器具システム1100は、対象に手術を施すハンドヘルド器具1200を含む。一実施形態において、器具システム1100が器具1200に連結した支持アーム1450をさらに含み、ユーザの手にかかる重量負荷を低減し、手術中により多くの動作安定性を任意で提供してもよい。別の実施形態において、器具1200に連結した支持アーム1450は、少なくとも1つのアクチュエータを含む。コンピュータシステム1700によって生成される制御信号に従って、アクチュエータは支持アーム1450の運動状態を変更し、器具1200を指定された位置に移動させてもよい。 As shown in FIG. 2, the instrument system 1100 of the surgery support system 1000 includes a handheld instrument 1200 that performs surgery on a subject. In one embodiment, the instrument system 1100 may further include a support arm 1450 connected to the instrument 1200 to reduce the weight load on the user's hands and optionally provide more operational stability during surgery. In another embodiment, the support arm 1450 coupled to the instrument 1200 comprises at least one actuator. According to the control signal generated by the computer system 1700, the actuator may change the motion state of the support arm 1450 and move the instrument 1200 to a designated position.

図3および図4を参照する。一実施形態によると、ハンドヘルド器具1200は、ツール1250と、ツール設置台1260と、マニピュレータ1210と、器具ハウジング1280と、を含む。ツール1250は、対象の身体部分の解剖学的表面に接触または改変するように構成される。ツール設置台1260にツール1250の一端およびマニピュレータ1210が連結し、ツール1250がマニピュレータ1210に安定して連結される。マニピュレータ1210は、ツール1250の位置および方向を操作するコンピュータシステム1700によって制御される機構である。器具ハウジング1280はマニピュレータ1210に連結し、マニピュレータ1210の少なくとも一部を収容し、手術支援システムの動作中にユーザが器具1200を保持および操作することを可能にする1つ以上のハンドル1284を提供する。 See FIGS. 3 and 4. According to one embodiment, the handheld appliance 1200 includes a tool 1250, a tool stand 1260, a manipulator 1210, and an appliance housing 1280. Tool 1250 is configured to contact or modify the anatomical surface of a body part of interest. One end of the tool 1250 and the manipulator 1210 are connected to the tool installation table 1260, and the tool 1250 is stably connected to the manipulator 1210. The manipulator 1210 is a mechanism controlled by a computer system 1700 that manipulates the position and orientation of the tool 1250. The instrument housing 1280 is coupled to the manipulator 1210 to accommodate at least a portion of the manipulator 1210 and provide one or more handles 1284 that allow the user to hold and operate the instrument 1200 during the operation of the surgical assistance system. ..

一実施形態において、ツール1250は、対象の解剖学的部位に接触するかまたは評価し、解剖学的部位の構造または状態を検出するプローブまたはインジケータであってもよい。ツール1250はドリルビット、バー、キュレット、のこぎり、スクリュードライバ、または、ドリル、ミル加工、切削、またはスクラップによって解剖学的部位の組織の一部を改変または除去する外科医学において一般に使用される他のツールであってもよい。いくつかの実施形態において、ツール1250が表面マッチングの位置合わせを実行する機械的、光学的、または超音波プローブである。ツールは、剛性プローブ、圧力センサ、圧電センサ、エラストマーセンサ、光学カメラ、レーザスキャナ、または超音波スキャナであってもよいが、これらに限定されない。 In one embodiment, the tool 1250 may be a probe or indicator that contacts or evaluates the anatomical site of interest and detects the structure or condition of the anatomical site. The Tool 1250 is a drill bit, bar, curette, saw, screwdriver, or other commonly used in surgery to modify or remove part of the tissue at an anatomical site by drilling, milling, cutting, or scrapping. It may be a tool. In some embodiments, the tool 1250 is a mechanical, optical, or ultrasonic probe that performs surface matching alignment. The tool may be, but is not limited to, a rigid probe, a pressure sensor, a piezoelectric sensor, an elastomer sensor, an optical camera, a laser scanner, or an ultrasonic scanner.

一実施形態において、ツール設置台1260は、ツール1250と、マニピュレータ1210のロボット制御プラットフォーム1230の第1の側面とに連結される。ツール設置台1260は、ツールアダプタ1265と、ツールアダプタ1265に連結したモータ1270と、を含む。ツールアダプタ1265は、クランプ、または、ツール1250の一端を保持し、操作中のツールの転位を回避する他の固定構造であってもよい。モータ1270は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換して直線力(linear force)または回転力を生成し、ツール1250を駆動させる、直流(DC)モータまたは交流(AC)モータであってもよい。代替の実施形態において、モータを器具の後端に配置し、器具の操作中のマニピュレータ1210にかかる負荷を低減し、ユーザのアーゴノミクスを改善するために器具1200の重量を再分配してもよい。さらに、図5および図6に示すように、ツール設置台1260は、プラットフォーム1230の第1の側面に連結され、手術中にツール1250によって維持される力および/またはトルクを検出する、力センサ1235をさらに含んでいてもよい。他の実施形態において、力センサ1235が器具のプローブまたはツールに配置されていてもよい。代替的に、器具1200は、プローブまたはツールに配置されている別の力センサ(図示せず)をさらに含んでいてもよい。力センサは、歪みゲージ、力感応抵抗器、圧力変換器、圧電センサ、電気活性ポリマー、または光ファイバ曲げセンサであってもよいが、これらに限定されない。 In one embodiment, the tool pedestal 1260 is connected to the tool 1250 and a first aspect of the robot control platform 1230 of the manipulator 1210. The tool installation base 1260 includes a tool adapter 1265 and a motor 1270 connected to the tool adapter 1265. The tool adapter 1265 may be a clamp or other fixed structure that holds one end of the tool 1250 and avoids dislocation of the tool during operation. The motor 1270 may be a direct current (DC) motor or an AC (AC) motor that converts electrical energy into mechanical energy to generate linear force or rotational force to drive the tool 1250. In an alternative embodiment, the motor may be placed at the rear end of the appliance to reduce the load on the manipulator 1210 during operation of the appliance and redistribute the weight of the appliance 1200 to improve user argonomics. .. Further, as shown in FIGS. 5 and 6, the tool pedestal 1260 is connected to the first aspect of the platform 1230 and is a force sensor 1235 that detects the force and / or torque maintained by the tool 1250 during surgery. May further be included. In other embodiments, the force sensor 1235 may be located on the probe or tool of the instrument. Alternatively, the instrument 1200 may further include another force sensor (not shown) located on the probe or tool. The force sensor may be, but is not limited to, a strain gauge, a force sensitive resistor, a pressure converter, a piezoelectric sensor, an electroactive polymer, or an optical fiber bending sensor.

一実施形態において、マニピュレータ1210が台1220と、ツール設置台1260に連結されているプラットフォーム1230と、ツール1250から離れたプラットフォーム1230の第2の側面およびプラットフォーム1230に面する台1220の第1の側面に取り付けられた複数のジョイント1245a、1245bと、プラットフォーム1230から離れた台1220の第2の側面上の台1220に連結されている複数のアクチュエータ1240と、を含む。図4に示すように、台1220は、器具ハウジング1280上に固定してもよく、または器具ハウジング内に収容されてもよい。マニピュレータ1210は高空間効率および高操縦性のために、6自由度(DOF)を有するスチュワートマニピュレータなどの平行マニピュレータであってもよい。加えて、好ましくは、マニピュレータがステンレス鋼または炭素繊維で作られ、マニピュレータ1210が手術中に対象に接触するツール1250から生成される力および/またはトルクに対して十分な持続性を有することを可能にする特定の機械的構造にマニピュレータが配置されている。 In one embodiment, the manipulator 1210 is connected to a platform 1220, a platform 1230 connected to a tool installation platform 1260, a second side of the platform 1230 away from the tool 1250, and a first aspect of the platform 1220 facing the platform 1230. Includes a plurality of joints 1245a, 1245b attached to the platform 1230 and a plurality of actuators 1240 connected to a pedestal 1220 on a second side surface of the pedestal 1220 away from the platform 1230. As shown in FIG. 4, the pedestal 1220 may be fixed on or housed in the appliance housing 1280. The manipulator 1210 may be a parallel manipulator such as a Stewart manipulator with 6 degrees of freedom (DOF) for high spatial efficiency and high maneuverability. In addition, preferably the manipulator is made of stainless steel or carbon fiber, allowing the manipulator 1210 to have sufficient durability against the forces and / or torque generated from the tool 1250 in contact with the subject during surgery. The manipulator is placed in a specific mechanical structure.

一実施形態において、マニピュレータ1210のジョイントは、回転ジョイント、プリズムジョイント、球形ジョイント、自在ジョイント、シリンダジョイント、または所望のDOFを可能にするこれらの任意の組み合わせであってもよいが、これらに限定されない。図5および図6に例示するように、6つのDOFを有する一般的なスチュワートプラットフォームを有するマニピュレータ1210は、マニピュレータ1210の広範囲の運動および様々な運動状態を可能にするために、自在ジョイント1246および球形ジョイント1247を含んでいてもよい。マニピュレータ1210は複数のコネクタをさらに含んでいてもよい。各コネクタは1つのジョイント1245aおよび1つのジョイント1245bと連結し、ツール1250のより広い範囲の運動を可能にする。 In one embodiment, the joint of the manipulator 1210 may be, but is not limited to, a rotary joint, a prism joint, a spherical joint, a universal joint, a cylinder joint, or any combination thereof that allows for the desired DOF. .. As illustrated in FIGS. 5 and 6, the manipulator 1210 with a common Stewart platform with six DOFs has a universal joint 1246 and a spherical shape to allow a wide range of motion and various motion states of the manipulator 1210. It may include a joint 1247. The manipulator 1210 may further include a plurality of connectors. Each connector connects with one joint 1245a and one joint 1245b, allowing a wider range of movement of the tool 1250.

一実施形態において、ジョイントの反対側の台1220に連結されているマニピュレータ1210のアクチュエータ1240がジョイントを駆動し、コネクタがあれば、コンピュータシステム1700から送信された制御信号に従って移動するように構成される。代替実施形態において、アクチュエータ1240およびジョイントが台1220と同じ側に配置されていてもよい。図6に例示するように、アクチュエータ1240は台1220とプラットフォーム1230との間に配置され、アクチュエータ1240の各々は、自在ジョイント1246および球形ジョイント1247によって接合されている。高精度および強持続性のために、複数のアクチュエータ1240はリニアアクチュエータであってもよい。 In one embodiment, the actuator 1240 of the manipulator 1210 connected to the base 1220 on the opposite side of the joint drives the joint and, if there is a connector, is configured to move according to a control signal transmitted from the computer system 1700. .. In an alternative embodiment, the actuator 1240 and the joint may be located on the same side as the base 1220. As illustrated in FIG. 6, the actuator 1240 is arranged between the base 1220 and the platform 1230, and each of the actuators 1240 is joined by a universal joint 1246 and a spherical joint 1247. For high accuracy and strong sustainability, the plurality of actuators 1240 may be linear actuators.

再び図3および図4を参照する。一実施形態において、マニピュレータ1210を収容し、ハンドルを提供することに加えて、器具ハウジング1280は、ユーザがツール1250の動作を誘導、停止もしくは調整し、または器具1200の他の機能を実行することを可能にするための制御モジュール1282をさらに含んでいてもよい。 See again FIGS. 3 and 4. In one embodiment, in addition to accommodating the manipulator 1210 and providing a handle, the instrument housing 1280 allows the user to guide, stop or adjust the movement of the tool 1250, or perform other functions of the instrument 1200. The control module 1282 for enabling the above may be further included.

一実施形態において、ハンドヘルド器具1200は、器具ハウジング1280に関するマニピュレータ1210の運動状態を校正するように構成された校正装置1300と共に使用して、器具1200の幾何学的正確性を確保してもよい。 In one embodiment, the handheld instrument 1200 may be used with a calibrator 1300 configured to calibrate the motion state of the manipulator 1210 with respect to the instrument housing 1280 to ensure the geometric accuracy of the instrument 1200.

一実施形態において、器具1200は、器具1200の加速度、速度、変位、角速度および/または角加速度を検出する、少なくとも1つの慣性測定ユニットを含んでいてもよい。 In one embodiment, the instrument 1200 may include at least one inertial measuring unit that detects the acceleration, velocity, displacement, angular velocity and / or angular acceleration of the instrument 1200.

図7を参照する。器具1200は、特に最小侵襲手術において、トロカール1400と共に使用して、関心のある解剖学的部位に到達するための、器具1200のツール1250用の身体への入口を提供してもよい。代替の実施形態において、トロカール1400をマニピュレータ1210のプラットフォーム1230に取り外し可能に連結し、トロカール1400およびツール1250を解剖学的部位に同時進入させることを可能にしてもよい。 See FIG. 7. The instrument 1200 may be used in conjunction with the trocar 1400, especially in minimally invasive surgery, to provide an entrance to the body for the instrument 1200's tool 1250 to reach the anatomical site of interest. In an alternative embodiment, the trocar 1400 may be detachably coupled to the platform 1230 of the manipulator 1210 to allow the trocar 1400 and the tool 1250 to enter the anatomical site simultaneously.

ここで、図8を参照する。本発明の実施形態によれば、手術支援システム1000の空間センサシステム1500は、少なくとも1つのターゲット物体の空間情報(例えば、位置および方向)を検出して追跡することを可能にするように構成される。空間センサシステムは、ターゲット物体に取り外し可能に取り付けられた少なくとも1つの空間マーカーフレーム1550と、空間マーカーフレーム1550から送信された信号を受信する少なくとも1つのカメラを有する空間センサ1510と、を含む。 Here, reference is made to FIG. According to embodiments of the present invention, the spatial sensor system 1500 of the surgical support system 1000 is configured to be capable of detecting and tracking spatial information (eg, position and orientation) of at least one target object. To. The spatial sensor system includes at least one spatial marker frame 1550 detachably attached to the target object and a spatial sensor 1510 having at least one camera receiving a signal transmitted from the spatial marker frame 1550.

図7および図8に例示するように、ターゲット物体は、器具1200、トロカール1400、または選択した解剖学的部位であり得る。一実施形態において、空間マーカーフレーム1550は、電磁信号、音波、熱または他の知覚可能な信号を発する複数のマーカー1555と、マーカー1555を保持するターゲット物体に取り外し可能に取り付けられたアダプタ1560と、を含む。アダプタにより、ターゲット物体を空間センサ1510によって追跡可能になる。別の実施形態において、空間センサシステム1500は、空間センサ1510上または所定の位置に配置されている信号生成器(図示せず)をさらに含んでいてもよい。その結果、マーカー1555による信号伝送は能動的または受動的であってもよい。言い換えれば、マーカー1555によって発せられる信号はマーカー球によって生成されてもよく、または、マーカー1555を反射材料で覆い、信号生成器によって生成される信号をマーカー1555によって空間センサ1510に反射させてもよい。 As illustrated in FIGS. 7 and 8, the target object can be an instrument 1200, a trocar 1400, or a selected anatomical site. In one embodiment, the spatial marker frame 1550 comprises a plurality of markers 1555 that emit electromagnetic signals, sound waves, heat or other perceptible signals, and an adapter 1560 that is detachably attached to a target object that holds the markers 1555. including. The adapter allows the target object to be tracked by the spatial sensor 1510. In another embodiment, the spatial sensor system 1500 may further include a signal generator (not shown) located on or in a predetermined position on the spatial sensor 1510. As a result, the signal transmission by the marker 1555 may be active or passive. In other words, the signal emitted by the marker 1555 may be generated by the marker sphere, or the marker 1555 may be covered with a reflective material and the signal generated by the signal generator may be reflected by the marker 1555 on the spatial sensor 1510. ..

一実施形態において、空間センサ1510によって受信された信号はコンピュータシステム1700に送信され、三角測量または他の変換アルゴリズムによって、検出された空間の座標系およびターゲット物体の空間情報に変換される。さらに、図8に例示するように、空間マーカーフレーム1550のマーカー1555は特定のパターンでアダプタ1560上に配置されていてもよい。したがって、コンピュータシステム1770は、それに応じたターゲット物体の方向情報を生成することが可能になる。コンピュータシステム1700は、空間情報および方向情報に従って制御信号を生成し、器具1200のマニピュレータ1210の移動を制御またはマニピュレータの運動状態を変更してもよい。または、コンピュータシステムは、ユーザインターフェース1800上に示される命令を生成し、器具1200を指定された位置または方向に移動させるようにユーザを促してもよい。 In one embodiment, the signal received by the spatial sensor 1510 is transmitted to the computer system 1700 and converted into the detected spatial coordinate system and spatial information of the target object by triangulation or other transformation algorithms. Further, as illustrated in FIG. 8, the markers 1555 of the spatial marker frame 1550 may be arranged on the adapter 1560 in a particular pattern. Therefore, the computer system 1770 can generate the direction information of the target object accordingly. The computer system 1700 may generate control signals according to spatial and directional information to control the movement of the manipulator 1210 of the instrument 1200 or change the motion state of the manipulator. Alternatively, the computer system may generate the instructions shown on the user interface 1800 to prompt the user to move the appliance 1200 to a specified position or direction.

本発明の実施形態によれば、手術支援システム1000のコンピュータシステム1700は、プロセッサおよび記憶ユニットを含む。プロセッサは、汎用プロセッサ、特定用途向け命令セットプロセッサ、またはストレージユニットもしくは他のデータストリームなどのデータソース上で操作を実行する特定用途向け集積回路であってもよい。例えば、プロセッサは、ARMベースプロセッサまたは8086xプロセッサである。いくつかの実施形態において、プロセッサが複数のデジタルまたはアナログ入力/出力をさらに含み、リアルタイムオペレーティングシステム(RTOS)プロセッサであってもよい。記憶ユニットは、コンピュータシステムにおいて即座に使用するために、プロセッサによって割り当てられたデジタルデータを記憶してもよい。記憶ユニットは、フラッシュメモリ、リードオンリメモリ(ROM)、プログラマブルリードオンリメモリ(PROM)、および消去可能プログラマブルリードオンリメモリ(EPROM)などの揮発性、またはダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)およびスタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)などの不揮発性であってもよい。 According to an embodiment of the present invention, the computer system 1700 of the surgical support system 1000 includes a processor and a storage unit. The processor may be a general purpose processor, a special purpose instruction set processor, or a special purpose integrated circuit that performs operations on a data source such as a storage unit or other data stream. For example, the processor is an ARM-based processor or an 8086x processor. In some embodiments, the processor may further include multiple digital or analog inputs / outputs and may be a real-time operating system (RTOS) processor. The storage unit may store digital data allocated by the processor for immediate use in the computer system. Storage units are volatile or dynamic random access memory (DRAM) and static random access memory such as flash memory, read-only memory (ROM), programmable read-only memory (PROM), and erasable programmable read-only memory (EPROM). It may be non-volatile such as (SRAM).

一実施形態によれば、ユーザインターフェース1800は、ユーザに情報を提示する少なくとも1つの出力装置と、少なくとも1つの入力装置と、を含む。ユーザインターフェース1800によって提示される情報は、手術計画、2次元(2D)または3Dの再構成画像、2Dまたは3Dのドリリング状態(例えば、ツールの位置、角度、深さ、または曲げ)、ツールの補償範囲、ユーザガイダンス、警告領域、手術計画からのツール偏向の通知、およびツールの力持続可能限界の通知を含んでいてもよいが、これらに限定されない。出力装置はディスプレイ、光インジケータ、または他の視覚的手段であってもよい。代替的に、出力装置はスピーチシンセサイザもしくは他のオーディオ手段であってもよく、またはスピーチシンセサイザもしくは他のオーディオ手段をさらに含んでもよい。入力装置はユーザによって入力されたコマンドを電気信号に変換することができる。入力装置は、ペダル、キーボード、マウス、タッチパネル、音声認識インターフェース、またはジェスチャ認識インターフェースであってもよい。 According to one embodiment, the user interface 1800 includes at least one output device that presents information to the user and at least one input device. The information presented by the user interface 1800 is a surgical plan, a two-dimensional (2D) or 3D reconstructed image, a 2D or 3D drilling state (eg, tool position, angle, depth, or bend), tool compensation. It may include, but is not limited to, range, user guidance, warning areas, notification of tool bias from the surgical plan, and notification of the tool's power sustainability limit. The output device may be a display, a light indicator, or other visual means. Alternatively, the output device may be a speech synthesizer or other audio means, or may further include a speech synthesizer or other audio means. The input device can convert the command input by the user into an electric signal. The input device may be a pedal, keyboard, mouse, touch panel, voice recognition interface, or gesture recognition interface.

図9を参照する。本発明の実施形態によれば、手術支援システム1000によってコンピュータ支援手術を実行する方法は、(S110)医療用イメージャ1910から複数の医用画像を受信する工程と、(S120)医用画像に従って3次元仮想解剖学的モデルを生成する工程と、(S130)仮想解剖学的モデル上の関心のある位置を示すようにユーザを促す工程と、(S141)医用画像から得られた仮想解剖学的モデル、指示位置、ならびに生理学的および/または病理学的情報に従って手術計画を生成する工程と、(S160)手術計画に従って手術を開始するようにユーザを促す工程と、(S170)手術中にユーザを支援する工程と、を含む。 See FIG. According to an embodiment of the present invention, a method of performing computer-assisted surgery by the surgery support system 1000 includes a step of receiving a plurality of medical images from (S110) medical imager 1910 and (S120) a three-dimensional virtual according to the medical image. A step of generating an anatomical model, (S130) a step of urging the user to indicate a position of interest on the virtual anatomical model, and (S141) a virtual anatomical model obtained from a medical image, instructions. A step of generating a surgical plan according to position and physiological and / or pathological information, a step of encouraging the user to start the operation according to the surgical plan (S160), and a step of assisting the user during the operation (S170). And, including.

工程S110において、医療用イメージャ1910は、コンピュータ断層撮影(CT)スキャナ、磁気共鳴イメージング(MRI)スキャナ、またはスキャンされた対象の連続した断面画像を取得することができる他の一般的に使用される医療用イメージング機器であってもよい。好ましい実施形態において、図10に示すように、マーカーパッチ1600は医用画像が撮影されるときに、意図された外科的部位の近くで対象に取り付けられ、外科的環境の位置決めを容易にする。具体的には、マーカーパッチ1600は、空間センサシステムの空間センサ1510によって検出可能な少なくとも1つのマーカー1555と、医療用イメージャ1910によって撮影された画像上にマーキングを生じさせる複数の基準マーカー1610と、を含んでいてもよい。基準マーカー1610は、鉛、鉄、カルシウム、または他の放射線不透過性金属で作製されていてもよい。したがって、図10に例示するように、医用画像を撮影するときにマーカーパッチ1600が対象に取り付けられる場合、得られる仮想解剖学的モデル2110は、基準マーカー1610に対応する複数の放射線不透過性スポットを含むことになる。 In step S110, the medical imager 1910 is a computed tomography (CT) scanner, a magnetic resonance imaging (MRI) scanner, or any other commonly used image capable of acquiring a continuous cross-sectional image of the scanned object. It may be a medical imaging device. In a preferred embodiment, as shown in FIG. 10, the marker patch 1600 is attached to the subject near the intended surgical site when the medical image is taken, facilitating the positioning of the surgical environment. Specifically, the marker patch 1600 comprises at least one marker 1555 detectable by the spatial sensor 1510 of the spatial sensor system, and a plurality of reference markers 1610 that cause marking on the image captured by the medical imager 1910. May include. The reference marker 1610 may be made of lead, iron, calcium, or other radiation opaque metal. Thus, as illustrated in FIG. 10, if the marker patch 1600 is attached to the subject when taking a medical image, the resulting virtual anatomical model 2110 will have multiple radiation opaque spots corresponding to the reference marker 1610. Will be included.

別の実施形態において、対象の表面輪郭の変化によって引き起こされる信号の不一致を回避するために、マーカーパッチ1600上のマーカー1555を基準マーカー1610と同心円状に配置させてもよい。または、マーカーパッチ1600を、空間センサシステム1510によって光学的に読み取り可能であり、医療用イメージャ装置1910に対して放射線不透過性である材料と共に配置させて、取得した信号間の高一貫性を確保してもよい。 In another embodiment, the markers 1555 on the marker patch 1600 may be placed concentrically with the reference marker 1610 to avoid signal discrepancies caused by changes in the surface contour of the subject. Alternatively, the marker patch 1600 is placed with a material that is optically readable by the spatial sensor system 1510 and is radiation opaque to the medical imager device 1910 to ensure high consistency between the acquired signals. You may.

再び図9を参照する。工程S130において、ユーザインターフェース1800を介して仮想解剖学的モデル2110上の1つ以上の関心部位を示すように、ユーザは促される。関心部位は、意図された手術部位または特定の解剖学的ランドマークまたは表面特徴を含んでもよい。ユーザはまた、仮想解剖学的モデル上の特定のランドマークまたは表面特徴をラベルまたは画定することができる。工程S141において、本方法によって生成された外科手術計画は、ツール1250の進入位置と角度、計画ドリリングの深さと経路、ツールの提案種類、およびスクリューの提案種類などの手術詳細を含んでいてもよい。 See FIG. 9 again. In step S130, the user is prompted to indicate one or more sites of interest on the virtual anatomical model 2110 via user interface 1800. The site of interest may include the intended surgical site or specific anatomical landmarks or surface features. The user can also label or define specific landmarks or surface features on the virtual anatomical model. In step S141, the surgical plan generated by the method may include surgical details such as the approach position and angle of the tool 1250, the depth and path of planned drilling, the proposed type of tool, and the proposed type of screw. ..

工程160において、手術計画が生成された後、コンピュータシステム1700は、手術計画に従って手術を開始するようにユーザを促す。ユーザは、手術が始まる前に手術計画を調整または編集することができる。工程S170において、手術支援システム1000は、空間センサシステム1500によって検出されたツールの空間情報に従ってマニピュレータ1210の運動状態を調整することによって、計画された手術中にユーザを支援し、ユーザインターフェース1800を介してユーザに通知する。さらに、いくつかの実施形態において、外科手術中に医療画像を撮影して、穿孔された経路の位置、角度、および深さを監視して、外科手術計画の遵守を確実にし、新しい外科手術計画を再画定する必要性または器具を再校正する必要性を判断するのを支援する。 In step 160, after the surgery plan is generated, the computer system 1700 prompts the user to start the surgery according to the surgery plan. The user can adjust or edit the surgery plan before the surgery begins. In step S170, the surgical support system 1000 assists the user during the planned surgery by adjusting the motion state of the manipulator 1210 according to the spatial information of the tool detected by the spatial sensor system 1500, via the user interface 1800. Notify the user. In addition, in some embodiments, medical images are taken during surgery to monitor the location, angle, and depth of the perforated path to ensure compliance with the surgical plan and to ensure compliance with the new surgical plan. Helps determine the need to redefine or recalibrate the instrument.

工程S130において、ユーザが仮想解剖学的モデルにおける関心位置を選択した後、一実施形態の方法は、(S151)対象の解剖学的部位上の複数のサンプリングポイントの表面情報を取得する工程と、(S152)仮想解剖学的モデルに表面情報を割り当てて、仮想解剖学的モデルを、空間センサシステム1500によって取得された空間情報を参照することによって確立された座標系の位置と合わせる工程と、をさらに含んでいてもよい。 In step S130, after the user has selected a position of interest in the virtual anatomical model, the method of one embodiment is (S151) a step of acquiring surface information of a plurality of sampling points on the anatomical site of interest. (S152) A step of assigning surface information to the virtual anatomical model and matching the virtual anatomical model with the position of the coordinate system established by referring to the spatial information acquired by the spatial sensor system 1500. It may also be included.

具体的には図11に示すように、一実施形態に係るサンプリングポイントの表面情報を取得する工程S151は、(S251)サンプリングパターンを生成する工程と、(S252)サンプリングポイントのサンプリング情報を生成するようにユーザを促す工程と、(S2521)サンプリングポイントの表面情報としてサンプリング情報を指定する工程と、を含む。 Specifically, as shown in FIG. 11, the step S151 of acquiring the surface information of the sampling points according to one embodiment generates (S251) a step of generating a sampling pattern and (S252) a step of generating sampling information of the sampling points. This includes a step of encouraging the user and a step of designating sampling information as surface information of the sampling point (S2521).

一実施形態において、サンプリングパターンを生成する工程S251は、仮想解剖学的モデル上のターゲット領域および複数の基準ポイントを画定する工程(S2510)を含む。図12に示すように、ユーザがユーザインターフェース1800を介して仮想解剖学的モデル2110上の関心部位を示した後、コンピュータシステム1700は、ターゲット領域2120と、ターゲット領域内の複数の基準ポイント2130と、を画定してもよい。好ましくは、ターゲット領域2120は、特徴的または代表的な表面特徴を有する領域(例えば、脊椎の椎間面または棘突起)、またはトロカールアクセス可能領域である。少なくとも1つの実施形態において、基準ポイント2130がターゲット領域2120内に分布していることによって、複数の表面特徴が基準ポイント2130によってカバーされている。好ましくは、基準ポイント2130の量が50以上であってもよい。基準ポイント2130は直交状、同心円状、螺旋状、または好ましくはかなりの数の表面特徴をカバーする他のパターンで配置されていてもよい。いくつかの実施形態において、基準ポイント2130の目標精度(すなわち、2つの隣接する基準ポイント2130間の距離)は、空間センサ1510の解像度の3〜4倍に設定されてもよい。例えば、空間センサ1510が0.25mmの解像度を有する場合、2つの隣接する基準ポイント間の距離を1mmにデフォルト設定してもよい。好ましい実施形態において、目標精度を約0.3mmに設定する。さらに、基準ポイント2130を、医用画像から計算された骨密度などの局所的な生理学的特徴に従って優先順位付けし、サンプリング経路を画定してもよい。また、ユーザは、ユーザインターフェース1800を介して、ターゲット領域2120と、基準ポイントの量および位置と、を手動で画定または調整してもよい。 In one embodiment, step S251 of generating a sampling pattern includes step (S2510) of defining a target region and a plurality of reference points on a virtual anatomical model. As shown in FIG. 12, after the user has indicated a site of interest on the virtual anatomical model 2110 via user interface 1800, the computer system 1700 has a target region 2120 and a plurality of reference points 2130 within the target region. , May be defined. Preferably, the target region 2120 is a region with characteristic or representative surface features (eg, the facet or spinous process of the spine), or a trocar accessible region. In at least one embodiment, the reference points 2130 are distributed within the target region 2120 so that the plurality of surface features are covered by the reference points 2130. Preferably, the amount of reference point 2130 may be 50 or more. Reference points 2130 may be arranged orthogonally, concentrically, spirally, or preferably in other patterns covering a significant number of surface features. In some embodiments, the target accuracy of the reference point 2130 (ie, the distance between two adjacent reference points 2130) may be set to 3-4 times the resolution of the spatial sensor 1510. For example, if the spatial sensor 1510 has a resolution of 0.25 mm, the distance between two adjacent reference points may default to 1 mm. In a preferred embodiment, the target accuracy is set to about 0.3 mm. In addition, reference points 2130 may be prioritized according to local physiological characteristics such as bone density calculated from medical images to define sampling pathways. The user may also manually define or adjust the target area 2120 and the amount and position of the reference points via the user interface 1800.

好ましくは、工程S2510の前に概略マッチングプロセスを実行して、後続の工程における表面情報の取得を容易にしてもよい。本発明の実施形態によれば、サンプリングパターンを生成する工程S251は、(S2511)仮想解剖学的モデル上のターゲット領域内の複数の概略基準ポイントを画定する工程と、(S2512)基準ポイントに対応する対象上の複数の概略サンプリングポイントをサンプリングすることによって概略空間データを生成するようにユーザを促す工程と、(S2513)概略空間データを仮想解剖学的モデルに割り当てる工程と、をさらに含む。 Preferably, a rough matching process may be performed prior to step S2510 to facilitate acquisition of surface information in subsequent steps. According to an embodiment of the present invention, the step S251 of generating a sampling pattern corresponds to (S2511) a step of defining a plurality of approximate reference points in a target region on a virtual anatomical model and (S2512) a reference point. It further includes a step of encouraging the user to generate the schematic spatial data by sampling a plurality of schematic sampling points on the object to be performed, and (S2513) a step of allocating the schematic spatial data to the virtual anatomical model.

一実施形態の工程S2511において、概略基準ポイントを例えば、画像処理アルゴリズムに従ってコンピュータシステム1700によって画定してもよい。または、概略基準ポイントを、ユーザインターフェース1800を介してユーザによって手動で画定してもよい。図10に例示するように、概略基準ポイント2215a〜fは、基準マーカー1610に対応する放射線不透過性スポットの近くに配置することが好ましい。概略基準ポイントの量は変化してもよく、好ましくは1〜10、またはより好ましくは4〜6である。概略基準ポイントを画定した後、ユーザは、器具1200上に設置されているプローブを使用して、概略基準ポイント2215a〜fに対応する対象に取り付けられたマーカーパッチ1600上またはその周りの複数の概略サンプリングポイントをサンプリングするように促される。コンピュータシステム1700がマニピュレータ1210の運動状態を操作して、プローブの先端が概略サンプリングポイントに接触するようにすることによって、または、概略サンプリングポイントによって形成される所定の概略サンプリング経路に沿ってプローブの先端が摺動することを可能にすることによって連続的に、概略サンプリングポイントを1回に1つずつサンプリングしてもよい。一実施形態において、空間マーカーフレーム1550が器具1200に取り付けられて、サンプリング中に空間センサシステム1500によるプローブの座標の追跡を可能にし、概略基準ポイント2215a〜fに対応する概略空間データ2255を取得する。その後、工程S2512において、概略空間データを仮想解剖学的モデルに割り当て、仮想解剖学的モデルをコンピュータシステム1700に記録された座標系に事前にマッチングさせる。 In step S2511 of one embodiment, the approximate reference points may be defined by the computer system 1700 according to, for example, an image processing algorithm. Alternatively, the approximate reference point may be manually defined by the user via user interface 1800. As illustrated in FIG. 10, the approximate reference points 2215a-f are preferably located near the radiation opaque spot corresponding to the reference marker 1610. The amount of approximate reference points may vary, preferably 1-10, or more preferably 4-6. After defining the schematic reference points, the user can use a probe placed on the instrument 1200 to perform multiple schematics on or around the marker patch 1600 attached to the object corresponding to the schematic reference points 2215a-f. You will be prompted to sample the sampling point. The computer system 1700 manipulates the motion state of the manipulator 1210 so that the tip of the probe contacts the approximate sampling point, or the tip of the probe along a predetermined approximate sampling path formed by the approximate sampling point. Approximate sampling points may be sampled one at a time in succession by allowing them to slide. In one embodiment, the spatial marker frame 1550 is attached to the instrument 1200 to allow the spatial sensor system 1500 to track the coordinates of the probe during sampling and acquire the schematic spatial data 2255 corresponding to the schematic reference points 2215a-f. .. Then, in step S2512, the approximate spatial data is assigned to the virtual anatomical model, and the virtual anatomical model is pre-matched to the coordinate system recorded in the computer system 1700.

または、概略マッチング処理が手術支援システム1000によって自動的に実行されてもよい。例えば、空間センサシステム1510によって読み取り可能であり、医療用イメージャ1910に対して放射線不透過性である基準マーカー1610が対象のマーカーパッチ1600上に配置されている本発明の実施形態において、サンプリングパターンを生成する工程S251は、対象上の基準マーカー1610の概略空間データを仮想解剖学的モデル2110に割り当てる工程をさらに含む。 Alternatively, the rough matching process may be automatically performed by the surgical support system 1000. For example, in an embodiment of the invention in which a reference marker 1610, which is readable by the spatial sensor system 1510 and is radiation opaque to the medical imager 1910, is placed on the marker patch 1600 of interest, the sampling pattern. The generating step S251 further includes the step of assigning the schematic spatial data of the reference marker 1610 on the object to the virtual anatomical model 2110.

図13を図11と共に参照する。工程S251においてサンプリングパターンが生成された後、工程S252と同様に、器具1200に設置されている位置合わせプローブを使用して、基準ポイント2130に対応する対象上の複数のサンプリングポイント2140をサンプリングすることによって、サンプリング情報2310を生成するようにユーザは促される。コンピュータシステム1700がマニピュレータ1210の運動状態を操作して、プローブの先端が概略サンプリングポイントに接触するようにすることによって、または、概略サンプリングポイントによって形成される所定の概略サンプリング経路に沿ってプローブの先端が摺動することを可能にすることによって連続的に、概略サンプリングポイントを1回に1つずつサンプリングしてもよい。一実施形態において、サンプリング情報は、サンプリングポイントの座標、空間センサ1510によって検出されるサンプリングポイントにおけるプローブの接触角α、ならびにプローブによって維持される力、アクチュエータの出力電力、および安定した接触の持続時間などの、接触に関連するパラメータを含んでいてもよい。 13 is referred to with FIG. After the sampling pattern is generated in step S251, a plurality of sampling points 2140 on the object corresponding to the reference point 2130 are sampled using the alignment probe installed in the instrument 1200 as in step S252. Prompts the user to generate sampling information 2310. The computer system 1700 manipulates the motion state of the manipulator 1210 so that the tip of the probe contacts the approximate sampling point, or the tip of the probe along a predetermined approximate sampling path formed by the approximate sampling point. Approximate sampling points may be sampled one at a time in succession by allowing them to slide. In one embodiment, the sampling information includes the coordinates of the sampling point, the contact angle α of the probe at the sampling point detected by the spatial sensor 1510, and the force maintained by the probe, the output power of the actuator, and the duration of stable contact. It may include parameters related to contact, such as.

一実施形態において、垂直方向の力(すなわち、プローブの方向に平行な力)および横方向の力(すなわち、プローブの方向に垂直な力)を含むプローブによって維持される力は、器具1200上の力センサ1235によって検出可能である。接触角αは、水平面に対するプローブの角度として画定してもよい。安定した接触の持続時を、器具1200のプラットフォーム1230上の空間マーカーフレーム1550の位置が実質的に不変のままであるか、または器具1200の慣性測定ユニットによって検出される加速度、速度、変位、角速度、および/もしくは角加速度が実質的にゼロのままである時間の持続時間として画定してもよい。さらに、トロカール1400を利用して、表面サンプリング中にプローブをガイドしてもよい。 In one embodiment, the forces maintained by the probe, including vertical forces (ie, forces parallel to the direction of the probe) and lateral forces (ie, forces perpendicular to the direction of the probe), are on instrument 1200. It can be detected by the force sensor 1235. The contact angle α may be defined as the angle of the probe with respect to the horizontal plane. For the duration of stable contact, the position of the spatial marker frame 1550 on the platform 1230 of the instrument 1200 remains substantially unchanged, or the acceleration, velocity, displacement, angular velocity detected by the inertial measuring unit of the instrument 1200. , And / or may be defined as the duration of time for which the angular acceleration remains substantially zero. In addition, Trocar 1400 may be utilized to guide the probe during surface sampling.

工程S2521において、基準ポイント2130に対応する対象上のすべてのサンプリングポイント2140がサンプリングされた後、コンピュータシステム1700は工程S2521と同様に、サンプリング情報をサンプリングポイントの表面情報として指定または画定する。再び図9を参照する。工程S151において表面情報を取得した後、工程S152で生成した仮想解剖学的モデルに表面情報を割り当て、仮想解剖学的モデルを空間センサシステム1500によって確立された座標系の位置と合わせる。一実施形態において、アルゴリズムを使用して、得られた表面情報に最も適合する仮想解剖学的モデル内の表面領域を特定する。アルゴリズムは反復クローゼットポイント(ICP)、コヒーレントポイントドリフト(CPD)、または2つの点群間の差を最小化し、2つのデータセットをマッチングさせる任意のアルゴリズムとしてもよい。 In step S2521, after all sampling points 2140 on the object corresponding to reference point 2130 have been sampled, the computer system 1700 designates or defines sampling information as surface information for the sampling points, similar to step S2521. See FIG. 9 again. After acquiring the surface information in step S151, the surface information is assigned to the virtual anatomical model generated in step S152, and the virtual anatomical model is aligned with the position of the coordinate system established by the spatial sensor system 1500. In one embodiment, an algorithm is used to identify the surface area in the virtual anatomical model that best fits the obtained surface information. The algorithm may be an iterative closet point (ICP), coherent point drift (CPD), or any algorithm that minimizes the difference between two point clouds and matches the two datasets.

より効率的な実施形態では、工程S252において、所定量のサンプリングポイント2140がユーザによってサンプリングされた後、ユーザが次のサンプリングポイントをサンプルし続けている間に、コンピュータシステム1700はサンプリングされたサンプリングポイント2140を仮想解剖学的モデルに割り当ててもよい。割当て結果はユーザインターフェース1800上に表示され、ユーザは仮想解剖学的モデルを座標系の位置に合わせ、それに応じて残りのサンプリングポイントのサンプリングを停止するために、サンプリングされたサンプリングポイントが既に十分であるか否かを判断してもよい。 In a more efficient embodiment, in step S252, after a predetermined amount of sampling points 2140 have been sampled by the user, the computer system 1700 sampled sampling points while the user continues to sample the next sampling point. 2140 may be assigned to a virtual anatomical model. The allocation results are displayed on the user interface 1800, and the sampled sampling points are already sufficient for the user to align the virtual anatomical model to the position of the coordinate system and stop sampling the remaining sampling points accordingly. You may decide whether or not there is.

本発明のいくつかの実施形態において、取得した表面情報を利用し、例えば、仮想解剖学的モデル内の既存の表面特徴を更新することによって、または仮想解剖学的モデルに新しい表面特徴を追加することによって、工程S110において医用画像から生成された仮想解剖学的モデルの解像度を精密または改善してもよい。表面情報はまた、工程S141において生成された手術計画を更新するために使用してもよい。代替的に、表面情報および精密にした仮想解剖学的モデルを一緒に利用して、手術計画の高正確性を確保してもよい。 In some embodiments of the invention, the acquired surface information is utilized, for example, by updating existing surface features in the virtual anatomical model, or by adding new surface features to the virtual anatomical model. Thereby, the resolution of the virtual anatomical model generated from the medical image in step S110 may be refined or improved. The surface information may also be used to update the surgical plan generated in step S141. Alternatively, surface information and a refined virtual anatomical model may be used together to ensure high accuracy of the surgical plan.

図14を参照する。本発明の別の実施形態によれば、サンプリングポイントの表面情報を取得する工程S151は、(S251)サンプリングパターンを生成する工程と、(S252)サンプリングポイントのサンプリング情報を生成するようにユーザを促す工程と、(S253)現在のサンプリング情報を検証する工程と、(S254)サンプリング状態をチェックする工程と、(S255)サンプリング情報をフィルタリングする工程と、(S2521)サンプリングポイントの表面情報としてサンプリング情報を指定する工程と、を含む。 See FIG. According to another embodiment of the present invention, the step S151 of acquiring the surface information of the sampling points prompts the user to generate the (S251) sampling pattern and the (S252) sampling point sampling information. A step, a step of verifying the current sampling information (S253), a step of checking the sampling state (S254), a step of filtering the sampling information (S255), and (S2521) sampling information as surface information of the sampling point. Includes a designated process.

具体的には、図15に示すように、工程S252においてサンプリング情報が生成された後、工程S253と同様に、コンピュータシステム1700は少なくとも1つの所定のサンプリング基準に従ってパラメータを検査することによって、サンプリング情報を検証する。所定のサンプリング基準は、垂直方向の力の閾値以上であるプローブによって維持される垂直力、横方向の力の閾値以下であるプローブによって維持される横方向の力、トルク閾値以下であるプローブによって維持されるトルク、電力閾値以上であるアクチュエータの出力、時間閾値以上であるプローブと接触表面との間の安定した接触の持続時間を含んでいてもよく、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、垂直方向の力の閾値は5ニュートン(N)であってもよく、横方向の力の閾値は0.5Nであってもよく、またはトルク閾値は0.05(ミリニュートン×メートル)mNmであってもよい。電力閾値は0.3アンペアであってもよく、時間閾値は1秒であってもよい。 Specifically, as shown in FIG. 15, after the sampling information is generated in step S252, the computer system 1700 inspects the parameters according to at least one predetermined sampling criterion, as in step S253, to obtain the sampling information. To verify. A given sampling criterion is maintained by a probe that is above the vertical force threshold, a lateral force that is maintained by a probe that is below the lateral force threshold, and a probe that is below the torque threshold. It may include, but is not limited to, the torque to be applied, the output of the actuator that is greater than or equal to the power threshold, and the duration of stable contact between the probe and the contact surface that is greater than or equal to the time threshold. In some embodiments, the vertical force threshold may be 5 Newtons (N), the lateral force threshold may be 0.5N, or the torque threshold may be 0.05 (millinewton). It may be Newton × meter) mNm. The power threshold may be 0.3 amps and the time threshold may be 1 second.

図15を参照する。本発明の実施形態によれば、現在のサンプリング情報を検証する工程S253は、(S2531)現在のサンプリング情報に含まれる接触に関連するパラメータが、事前画定されたサンプリング基準のうちの少なくとも1つを満たすかどうかを判断する工程と、(S2532)パラメータがサンプリング基準を満たす場合、現在のサンプリング情報を第1の印で示す工程と、(S2533)パラメータがサンプリング基準を満たさない場合、現在のサンプリング情報を第2の印で示す工程と、(S252)現在のサンプリング情報を第2の印で示す場合、サンプリング情報を再び生成する工程または(S254)現在のサンプリング情報を第1の印で示す場合、サンプリング状態をチェックする工程と、を含む。 See FIG. According to an embodiment of the present invention, in step S253 for verifying the current sampling information, (S2531) the contact-related parameters contained in the current sampling information are at least one of the predefined sampling criteria. The step of determining whether or not the parameters are satisfied, the step of indicating the current sampling information by the first mark when the (S2532) parameter meets the sampling criteria, and the current sampling information when the (S2533) parameter does not meet the sampling criteria. When the step of indicating the second mark and (S252) the current sampling information is indicated by the second mark, the step of generating the sampling information again, or (S254) when the current sampling information is indicated by the first mark. It includes a step of checking the sampling state.

図15に示す例示的な実施形態では、工程S252において、仮想解剖学的モデル2110内の基準ポイント2130に対応する対象上のサンプリングポイント2140に一定の角度からユーザが接触させることによって1つのサンプリング情報が生成された後、コンピュータシステム1700は工程S2531において、1つのサンプリング情報に含まれるパラメータがサンプリング基準のうちの少なくとも1つを満たすかどうかを判断する。パラメータがサンプリング基準を満たさない場合、コンピュータシステム1700は、サンプリング情報を「無効」と示し(S2532)、ユーザインターフェース1800を介して、同じサンプリングポイント2140に異なる角度から再び接触させるようにユーザを促す(S252)。いくつかの実施形態において、コンピュータシステム1700がサンプリングポイントをスキップし、そのサンプリングポイントのサンプリングが失敗した(例えば、パラメータがサンプリング基準を満たさない)ときに、所定の時間にわたって連続して次のサンプリングポイントに接触させるようにユーザを促してもよい。 In the exemplary embodiment shown in FIG. 15, in step S252, one sampling information is obtained by the user contacting the sampling point 2140 on the object corresponding to the reference point 2130 in the virtual anatomical model 2110 from a certain angle. Is generated, in step S2531, the computer system 1700 determines whether the parameters contained in one sampling information satisfy at least one of the sampling criteria. If the parameters do not meet the sampling criteria, the computer system 1700 indicates the sampling information as "invalid" (S2532) and prompts the user to re-contact the same sampling point 2140 from different angles via the user interface 1800 (S2532). S252). In some embodiments, when the computer system 1700 skips a sampling point and sampling of that sampling point fails (eg, the parameter does not meet the sampling criteria), the next sampling point is continuous over a predetermined time. You may urge the user to contact you.

また、パラメータがサンプリング基準を満たす場合、コンピュータシステム1700はサンプリング情報に第1の印(例えば、「有効」または「正しい」)を示し(S2533)、現在のサンプリング状態のチェックに進む(S254)。工程S2513において画定された基準ポイント2130に対応するすべてのサンプリングポイントのサンプリング情報がサンプリングされていない場合、コンピュータシステム1700はユーザインターフェース1800を介して、事前画定されたサンプリングルートに従って対象上の次のサンプリングポイントに接触させるようにユーザを促す。コンピュータシステム1700は、すべてのサンプリングポイントが正しくサンプリングされるまで、検証プロセスを繰り返す。すべてのサンプリング情報がサンプリングされた後、コンピュータシステム1700は工程S255に進み、取得したサンプリング情報を、有効なものから無効なものをスクリーニングすることによってフィルタリングする。その後、図16に例示するように、工程S2521を実行して、フィルタリングしたサンプリング情報を表面情報として指定し、サンプリングポイントの表面情報のリストを取得する。 If the parameter meets the sampling criteria, the computer system 1700 indicates the sampling information with a first mark (eg, "valid" or "correct") (S2533) and proceeds to check the current sampling state (S254). If the sampling information of all the sampling points corresponding to the reference point 2130 defined in step S2513 has not been sampled, the computer system 1700 passes through the user interface 1800 and follows the next sampling on the subject according to the predefined sampling route. Encourage the user to touch the point. Computer system 1700 repeats the verification process until all sampling points are sampled correctly. After all the sampling information has been sampled, the computer system 1700 proceeds to step S255 and filters the acquired sampling information by screening from valid to invalid. Then, as illustrated in FIG. 16, step S2521 is executed, the filtered sampling information is designated as surface information, and a list of surface information of sampling points is acquired.

より効率的な実施形態では、工程S254は、サンプリングしたサンプリングポイントに関連付けられた重要な表面特徴に従って、所定のサンプリング経路上の次のサンプリングポイントをサンプリングするようにユーザを促すかどうかをさらに判断することを含む。重要な表面特徴は、サンプリング中にプローブによって維持される力の検出方向および強度に従って判断される、表面上のピークおよび谷を含み得るが、これらに限定されない。コンピュータシステム1700が最初に計画された通りに進行しないと判断した場合、コンピュータシステム1700は例えば、最新のサンプリング情報内のパラメータに従って1つ以上の重要な表面特徴を潜在的に含む方向を決定し、その方向のサンプリングポイントを次のサンプリングポイントとして画定することによって、新しいサンプリングポイントを特定してもよい。または、コンピュータシステム1700が基準ポイントまたはサンプリングルートを再画定し、新たに画定したサンプリングルートに従ってサンプリングを開始してもよい。 In a more efficient embodiment, step S254 further determines whether to prompt the user to sample the next sampling point on a given sampling path according to the important surface features associated with the sampled sampling point. Including that. Important surface features may include, but are not limited to, peaks and valleys on the surface, as determined according to the direction and intensity of force detected by the probe during sampling. If the computer system 1700 determines that it does not proceed as originally planned, the computer system 1700 determines, for example, a direction that potentially contains one or more important surface features according to the parameters in the latest sampling information. A new sampling point may be identified by defining a sampling point in that direction as the next sampling point. Alternatively, the computer system 1700 may redefine the reference point or sampling route and start sampling according to the newly defined sampling route.

要約すると、本発明の様々な実施形態によれば、手術支援システムは、位置合わせのための正確かつ効率的な方法を提供する。本方法は対象の表面上のターゲット領域と、表面の複数の表面特徴をカバーするターゲット領域内に分布する1組の基準ポイントと、を画定し、手術用器具のプローブと表面との間の機械的接点を検証し、コンピュータ支援手術の正確性および精度を効果的に改善する。 In summary, according to various embodiments of the invention, the surgical assistance system provides an accurate and efficient method for alignment. The method defines a target area on the surface of the subject and a set of reference points distributed within the target area that covers multiple surface features of the surface and is a machine between the probe and the surface of the surgical instrument. Verify target contact and effectively improve the accuracy and accuracy of computer-assisted surgery.

以上の説明は、本発明の実施形態にすぎず、本発明の範囲を限定することを意図しない。本発明の特許請求の範囲および明細書による多くの変形および改変は、依然として本発明の範囲内である。さらに、実施形態および特許請求の範囲のそれぞれは、開示された利点または特性のすべてを達成する必要はない。さらに、要約および本発明の名称は特許文献の検索を容易にするためにのみ役立ち、特許請求の範囲を限定することは決して意図されていない。

The above description is merely an embodiment of the present invention and is not intended to limit the scope of the present invention. Many modifications and modifications according to the claims and specification of the present invention are still within the scope of the present invention. Moreover, each of the embodiments and claims need not achieve all of the disclosed advantages or properties. Moreover, the abstract and the title of the invention serve only to facilitate the search of patent documents and are by no means intended to limit the scope of the claims.

Claims (27)

手術支援システムによって表面情報を取得する方法であって、
前記手術支援システムは、
ツールおよび前記ツールに連結されているマニピュレータを備える器具;
前記ツールの空間情報を検出する空間センサシステム;
前記器具、前記空間センサシステムおよびユーザインターフェースに電気的に連結され、前記空間センサシステムによって検出される前記ツールの空間情報に従って前記マニピュレータの運動状態を操作するコンピュータシステム;を含み、
当該方法は、
(S1)前記コンピュータシステムによって、対象の仮想解剖学的モデル上のターゲット領域および前記ターゲット領域の複数の基準ポイントを画定する工程;
(S2)前記ユーザインターフェースを介して、前記器具を使用して前記基準ポイントに対応する、前記対象の複数のサンプリングポイントをサンプリングすることによってサンプリング情報を生成するようにユーザを促す工程であって、
前記各サンプリング情報は、1つのサンプリングポイントの座標と、前記空間センサシステムによって検出される、前記1つのサンプリングポイントにおける前記ツールの接触角と、前記接触に関連するパラメータと、を含む、工程;および
(S3)前記コンピュータシステムによって、前記サンプリング情報を前記サンプリングポイントの表面情報として指定する工程;を含む、方法。
It is a method of acquiring surface information by a surgical support system.
The surgery support system
An instrument with a tool and a manipulator connected to the tool;
Spatial sensor system that detects spatial information of the tool;
A computer system that is electrically connected to the instrument, the spatial sensor system, and a user interface and manipulates the motion state of the manipulator according to the spatial information of the tool detected by the spatial sensor system;
The method is
(S1) A step of defining a target region on a virtual anatomical model of a target and a plurality of reference points of the target region by the computer system;
(S2) A step of urging a user to generate sampling information by sampling a plurality of sampling points of the target corresponding to the reference point using the instrument via the user interface.
Each of the sampling information includes the coordinates of one sampling point, the contact angle of the tool at the one sampling point detected by the spatial sensor system, and the parameters associated with the contact. (S3) A method comprising the step of designating the sampling information as surface information of the sampling point by the computer system.
前記コンピュータシステムが前記マニピュレータの運動状態を操作して、前記サンプリングポイントを1回に1つずつプローブの先端が接触するように制御することを可能にすることによって、前記サンプリングポイントがサンプリングされる、請求項1に記載の方法。 The sampling points are sampled by allowing the computer system to manipulate the motion state of the manipulator to control the sampling points so that the tips of the probes come into contact one at a time. The method according to claim 1. 前記工程S1の前に、以下の工程をさらに含む、請求項1に記載の方法:
前記コンピュータシステムによって、前記対象上の複数の基準マーカーの概略空間データを、仮想解剖学的モデルに割り当てる工程であって、
前記基準マーカーは前記空間センサシステムによって読み取り可能であり、前記手術支援システムに関連する医療用イメージャに対して放射線不透過性である、工程。
The method of claim 1, further comprising the following steps prior to step S1:
A step of assigning schematic spatial data of a plurality of reference markers on the object to a virtual anatomical model by the computer system.
A step in which the reference marker is readable by the spatial sensor system and is radiopaque to the medical imager associated with the surgical assistance system.
前記工程S1の前に、以下の工程をさらに含む、請求項1に記載の方法:
前記コンピュータシステムによって、前記仮想解剖学的モデル上の前記ターゲット領域の複数の概略基準ポイントを画定する工程;
前記ユーザインターフェースを介して、前記器具を使用して前記基準ポイントに対応する対象の複数の概略サンプリングポイントをサンプリングすることによって概略空間データを生成するようにユーザを促す工程;および
前記コンピュータシステムによって、前記概略空間データを前記仮想解剖学的モデルに割り当てる工程。
The method of claim 1, further comprising the following steps prior to step S1:
The step of defining a plurality of schematic reference points of the target region on the virtual anatomical model by the computer system;
Through the user interface, the step of encouraging the user to generate schematic spatial data by sampling a plurality of schematic sampling points of interest corresponding to the reference point using the instrument; and by the computer system. The step of assigning the schematic spatial data to the virtual anatomical model.
前記コンピュータシステムが前記マニピュレータの運動状態を操作して、前記概略サンプリングポイントを1回に1つずつプローブの先端が接触するように制御することを可能にすることによって、前記概略サンプリングポイントがサンプリングされる、請求項4に記載の方法。 The approximate sampling points are sampled by allowing the computer system to manipulate the motion state of the manipulator to control the approximate sampling points one at a time so that the tips of the probes come into contact with each other. The method according to claim 4. 前記基準ポイントが前記ターゲット領域に分布していることによって、複数の表面特徴が前記基準ポイントによってカバーされている、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein a plurality of surface features are covered by the reference points by distributing the reference points in the target region. 前記工程S2の後に、以下の工程をさらに含む、請求項1に記載の方法:
(S21)現在のサンプリング情報を検証する工程;
(S22)サンプリング状態をチェックする工程;および
(S23)前記サンプリング情報をフィルタリングする工程。
The method according to claim 1, further comprising the following steps after the step S2:
(S21) Step of verifying current sampling information;
(S22) A step of checking the sampling state; and (S23) A step of filtering the sampling information.
前記工程S21が以下の工程をさらに含む、請求項7に記載の方法:
(S211)前記現在のサンプリング情報に含まれるパラメータが少なくとも1つのサンプリング基準を満たすかを判断する工程;
(S212)前記パラメータがサンプリング基準を満たす場合は前記現在のサンプリング情報を第1の印で示し、前記パラメータがサンプリング基準を満たさない場合は前記現在のサンプリング情報を第2の印で示す工程;および
(S213)前記現在のサンプリング情報を第1の印で示す場合は前記工程S22に進み、前記現在のサンプリング情報を第2の印で示す場合は前記工程S2に進む工程。
The method of claim 7, wherein step S21 further comprises the following steps:
(S211) A step of determining whether the parameters included in the current sampling information satisfy at least one sampling criterion;
(S212) A step of indicating the current sampling information with a first mark when the parameter satisfies the sampling standard, and indicating the current sampling information with a second mark when the parameter does not satisfy the sampling standard; (S213) A step of proceeding to the step S22 when the current sampling information is indicated by the first mark, and proceeding to the step S2 when the current sampling information is indicated by the second mark.
前記サンプリング基準は、前記ツールによって維持される垂直方向の力が垂直方向の力の閾値以上であることを含む、請求項8に記載の方法。 The method of claim 8, wherein the sampling criterion comprises a vertical force maintained by the tool greater than or equal to a vertical force threshold. 前記サンプリング基準は、前記ツールによって維持される横方向の力が横方向の力の閾値以下であることを含む、請求項8に記載の方法。 8. The method of claim 8, wherein the sampling criteria include that the lateral force maintained by the tool is less than or equal to the lateral force threshold. 前記サンプリング基準は、前記ツールによって維持されるトルクがトルク閾値以下であることを含む、請求項8に記載の方法。 8. The method of claim 8, wherein the sampling criteria include that the torque maintained by the tool is less than or equal to the torque threshold. 前記サンプリング基準は、前記マニピュレータの複数のアクチュエータの出力電力が電力閾値以上であることを含む、請求項8に記載の方法。 The method according to claim 8, wherein the sampling reference includes that the output powers of the plurality of actuators of the manipulator are equal to or higher than the power threshold value. 前記サンプリング基準は、前記ツールと1つのサンプリングポイントとの安定した接触の持続時間が時間閾値以上であることを含む、請求項8に記載の方法。 The method of claim 8, wherein the sampling criterion comprises a duration of stable contact between the tool and one sampling point greater than or equal to a time threshold. 前記工程S22が以下の工程を含む、請求項7に記載の方法:
(S221)すべてのサンプリングポイントのサンプリング情報が第1の印で示されているかを判断する工程;および
(S222)前記すべてのサンプリングポイントのサンプリング情報がサンプリングされているときは前記工程S23に進み、前記すべてのサンプリングポイントのサンプリング情報が少なくとも1つサンプリングされていないときは前記工程S2に進む工程。
The method of claim 7, wherein step S22 comprises the following steps:
(S221) A step of determining whether the sampling information of all the sampling points is indicated by the first mark; and (S222) When the sampling information of all the sampling points is sampled, the process proceeds to the step S23. The step of proceeding to the step S2 when at least one sampling information of all the sampling points has not been sampled.
前記工程S23が、第1の印で示されるサンプリング情報から第2の印で示されるサンプリング情報をスクリーニングすることによって実行される、請求項7に記載の方法。 The method according to claim 7, wherein the step S23 is performed by screening the sampling information indicated by the second mark from the sampling information indicated by the first mark. 前記工程S3の後に、以下の工程をさらに含む、請求項1に記載の方法:
(S4)前記表面情報を前記仮想解剖学的モデルに割り当てて、前記仮想解剖学的モデルを座標系の位置と合わせる工程。
The method according to claim 1, further comprising the following steps after the step S3:
(S4) A step of assigning the surface information to the virtual anatomical model and aligning the virtual anatomical model with a position in a coordinate system.
前記工程S4の後に、以下の工程をさらに含む、請求項16に記載の方法:
(S5)前記表面情報に従って前記仮想解剖学的モデルを精密にする工程。
16. The method of claim 16, further comprising the following steps after step S4:
(S5) A step of refining the virtual anatomical model according to the surface information.
前記工程S4の後に、以下の工程をさらに含む、請求項16に記載の方法:
(S6)前記表面情報に従って手術計画を更新する工程。
16. The method of claim 16, further comprising the following steps after step S4:
(S6) A step of updating the operation plan according to the surface information.
手術支援システムであって、
ツールおよび前記ツールに連結されているマニピュレータを備える器具;
前記ツールの空間情報を検出する空間センサシステム;
前記器具、前記空間センサシステムおよびユーザインターフェースに電気的に連結され、前記空間センサシステムによって検出される前記ツールの空間情報に従って前記マニピュレータの運動状態を操作するコンピュータシステム;を含み、
前記コンピュータシステムは、表面情報を取得するプログラムを記憶する非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体を含み、
前記プログラムは前記コンピュータシステムの少なくとも1つのプロセッサによって実行可能であり、
前記プログラムは、前記プロセッサによって実行されるとき、手術支援システムに以下の工程を含む動作を実行させる命令を含む、システム:
(S1)前記コンピュータシステムによって、対象の仮想解剖学的モデル上のターゲット領域および前記ターゲット領域の複数の基準ポイントを画定する工程;
(S2)前記ユーザインターフェースを介して、前記器具を使用して前記基準ポイントに対応する対象の複数のサンプリングポイントをサンプリングすることによってサンプリング情報を生成するようにユーザを促す工程であって、
前記各サンプリング情報は、1つのサンプリングポイントの座標と、前記空間センサシステムによって検出される、前記1つのサンプリングポイントにおけるツールの接触角と、前記接触に関連するパラメータと、を含む、工程;および
(S3)前記コンピュータシステムによって、前記サンプリング情報を前記サンプリングポイントの表面情報として指定する工程。
Surgical support system
An instrument with a tool and a manipulator connected to the tool;
Spatial sensor system that detects spatial information of the tool;
A computer system that is electrically connected to the instrument, the spatial sensor system, and a user interface and manipulates the motion state of the manipulator according to the spatial information of the tool detected by the spatial sensor system;
The computer system includes a non-temporary computer-readable medium that stores a program for acquiring surface information.
The program can be executed by at least one processor of the computer system and
The program, when executed by the processor, comprises instructions that cause the surgical assistance system to perform an operation that includes the following steps:
(S1) A step of defining a target region on a virtual anatomical model of a target and a plurality of reference points of the target region by the computer system;
(S2) A step of urging a user to generate sampling information by sampling a plurality of target sampling points corresponding to the reference point using the instrument via the user interface.
Each of the sampling information includes the coordinates of one sampling point, the contact angle of the tool at the one sampling point detected by the spatial sensor system, and the parameters associated with the contact. S3) A step of designating the sampling information as surface information of the sampling point by the computer system.
前記器具が、ユーザが前記器具を保持し操作することを可能にする、少なくとも1つのハンドルを備える、請求項19に記載のシステム。 19. The system of claim 19, wherein the device comprises at least one handle that allows the user to hold and operate the device. 前記器具が、前記ツールによって維持される力およびトルクのうちの少なくとも1つを検出する力センサをさらに備える、請求項19に記載のシステム。 19. The system of claim 19, wherein the instrument further comprises a force sensor that detects at least one of the forces and torques maintained by the tool. 前記力センサが、前記ツールと前記マニピュレータとの間で連結されている、請求項21に記載のシステム。 21. The system of claim 21, wherein the force sensor is coupled between the tool and the manipulator. 前記力センサが前記ツール内に配置されている、請求項21に記載のシステム。 21. The system of claim 21, wherein the force sensor is located within the tool. 前記接触に関連する前記パラメータが、前記ツールによって維持される力を含む、請求項19に記載のシステム。 19. The system of claim 19, wherein the parameters associated with the contact include forces maintained by the tool. 前記接触に関連する前記パラメータが、前記ツールによって維持されるトルクを含む、請求項19に記載のシステム。 19. The system of claim 19, wherein the parameters associated with the contact include torque maintained by the tool. 前記接触に関連する前記パラメータが、前記マニピュレータの複数のアクチュエータの出力電力を含む、請求項19に記載のシステム。 19. The system of claim 19, wherein the parameters associated with the contact include the output power of a plurality of actuators of the manipulator. 前記接触に関連する前記パラメータが、前記ツールと1つのサンプリングポイントとの間の安定した接触の持続時間を含む、請求項19に記載のシステム。

19. The system of claim 19, wherein the parameters associated with the contact include a duration of stable contact between the tool and one sampling point.

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