JP2002524192A - 信頼基準システムを利用しない画像指図式ロボット整形外科処置手順を実施するシステムおよび方法 - Google Patents
信頼基準システムを利用しない画像指図式ロボット整形外科処置手順を実施するシステムおよび方法Info
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Abstract
Description
り具体的に、本発明は、長い骨の少なくとも部分的画像を表示しているデータセ
ットをロボット座標系に変換することにより、ロボットで操作された外科手術器
具の位置を手術前の画像と整合させる方法およびシステムに関連している。
医療処置手順について支援を行うためのロボットシステムが提案されている。特
定の処置手順の詳細は広範にまちまちであるが、多数のかかる処置手順が、手術
を施される領域の手術前画像をまず第一に獲得し、続いて手術前画像についての
情報に基づいて医療器具をロボット制御することに依存している。この処置手順
は、通常は外科手術向けであるが、診断用にもなり得る。このように、手術前の
画像(通常は、従来型の画像化技術により獲得されるディジタルデータセットの
形式である)をロボットにより採用される座標系に変換する必要が存在している
。このように、ロボットは、患者の現実の解剖を表示している画像データセット
に基づいて外科手術器具を操舵することができる。
置換手術は、通常はコンピュータ断層撮影(CT)によって大腿骨をまず画像化
し、大腿骨を表示しているディジタル骨画像データセットを生成することにより
実施される。次に、大腿骨内移植片の選択と位置決めとが、Integrate
d Surgical Systems,Inc.,Sacramento,C
alifornia(本発明の譲受人)が開発したORTHODOCTM術前プラ
ニング用ワークステーションのようなコンピュータワークステーションでプラニ
ングされる。医者がワークステーションで移植片設置のプラニングを完了すると
、画像データ(患者の解剖組織)と移植片の計画上の位置決め処理の両方を含む
ディジタルデータセットが生成される。次いで、Integrated Sur
gical Systemsが開発したROBODOCTM外科手術ロボットシス
テムのような、外科手術を実施することを目的とするコンピュータ制御のロボッ
トシステムにこのデータセットを伝送することが必要である。
には、大腿骨の基端(上端)内に移植片を受容するための空洞を極めて高精度に
作成することに依存する。計画上の空洞設置位置からの逸脱が±1mmより少な
いのが望ましい。かかる精度を達成する際の重要な要件は、骨の画像データセッ
トと外科手術ロボットの座標系との間の厳密な整合である。
における大腿骨などの、手術が施される患者の肉体部位の物理的位置と、肉体特
性を表示するディジタル骨画像セットと、ロボット座標系との間の相関関係を必
要とする。肉体部分に関する或る画像化された特性部にロボットの操作アームの
端部にあるプローブを物理的に接触させることによって骨画像データセットを肉
体特性部の現実の位置とロボット座標空間内で整合させることにより、上述のよ
うな相関関係を達成することができる。従って、ロボット制御装置により得られ
る情報がここで使用されて、画像を固定した大腿骨などの現実の肉体部位とロボ
ットの作動空間内で整合させることができる。
骨の末梢端(下端)の1対の金属ピンと骨の基端の付加的な金属ピンとの外科手
術移植に依存していた。これらのピンは、通常は基準マーカーと称するが、骨の
CT画像では容易に明らかとなり、従って、操作アーム上に搭載されたプローブ
をピンの各々に係合させることにより、骨画像をロボット座標空間と整合させる
のに信頼することができる。かかる整合はTaylorほか著(1994年刊)
のIEEE Trans.Robotics Automat.10:261−
275に詳細に記載されている。
必要性のために患者は相当な手術性外傷を受ける。このため、基準マーカーピン
の移植を一切排除して、骨の画像データセットをロボット座標系と整合させるシ
ステムを設けることが望ましい。基準マーカーピンの排除は処置手順全体の経費
を削減すること、治療の全体的な複雑さを減じること、それにより、患者へのリ
スクを減じることなど、無数の利点を提供する。1つの現行の外科手術処置手順
を排除することにより、手術後の苦痛と不快感が実質的に低減される。
の固定が改善される点である。現在のところ、大腿骨末梢部は膝関節より下の下
肢を固定することにより普通は安定する。基準マーカーを使用している場合には
、外科手術期間中に外科医がマーカーピンに接近する必要があるので、膝関節よ
り下の下肢の固定が必要である。膝関節を固定するこの方法は最適ではなく、と
いうのも、大腿骨が比較的可動性である膝関節の反対側に位置していて、大腿骨
がうまく安定されないからである。基準マーカーピンを排除することによって、
大腿骨末梢部は膝関節を直接固定することにより固着状態にすることができる。
、外科手術の前の都合のよい時に、すなわち、外科手術の数ヶ月前にでも撮像す
ることができる点である。比較すると、基準マーカーピンが使用された場合には
、ピンが装着されてからほんのわずかの後に、コンピュータ断層撮影画像を撮る
ことが必要である。従って、本発明の先行技術では、ピン移植と、骨のコンピュ
ータ断層撮影画像化処理と、ロボット外科手術とを比較的短い時間枠内に全部一
緒に受けることが必要となるのが普通であった。
除された、骨の画像をロボット座標系に整合させるシステムを提供することによ
り、先行技術の無数の欠陥を克服している。
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ータおよび3次元光学定位器を使用した正確な椎弓根横断ねじ固定のための技術
(Computer Assisted Spine Surgery: a
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IV、315頁から321頁、1994年9月22日から24日ペンシルベニア
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めの術中画像化処理ガイダンス(Intra−Operative Imagi
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コンピュータ支援による外科手術についての第1回国際シンポジウム紀要1巻、
セッションIからIII、98頁から104頁、1994年9月22日から24
日ペンシルベニア州ピッツバーグ開催、(13)D. A. Simon、M.
Hebert、T. Kanade共著、「迅速で正確な内部外科手術用整合
のための技術(Techniques for Fast and Accur
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ロボット工学とコンピュータ支援による外科手術についての第1回国際シンポジ
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、セッションIV、58頁から62頁、1995年9月22日から24日ペンシ
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aedic Surgery)」医療用ロボット工学とコンピュータ支援による
外科手術についての第1回国際シンポジウムの紀要1巻、セッションIからII
I、63頁から68頁、1995年9月22日から24日ペンシルベニア州ピッ
ツバーグ開催、(16)T. Ault、M. W. Siegel共著、「超
音波画像化処理を利用した枠の無い患者整合(Frameless Patie
nt Registration Using Ultrasonic Ima
ging)」、医療用ロボット工学とコンピュータ支援による外科手術について
の第1回国際シンポジウム紀要1巻、セッションIからIII、74頁から81
頁、1995年9月22日から24日ペンシルベニア州ピッツバーグ開催、(1
7)G. Champleboux、S. Lavallee、P. Cinq
uin共著、「X線セラピー治療プラニングのための光学成形挿入物(An O
ptical Conformer for Radiotherapy Tr
eatment Planning)」、医療用ロボット工学とコンピュータ支
援による外科手術についての第1回国際シンポジウム1巻、セッションIからI
II、69頁から73頁、1995年9月22日から24日ペンシルベニア州ピ
ッツバーグ開催。
Allen)に付与された米国特許に記載されている。すなわち、米国特許第4
,991,579号、第4,945,914号、第5,094,241号、第5
,119,817号、第5,097,839号、第5,142,930号、第5
,211,164号、第5,230,338号、第5,222,499号、第5
,397,329号である。
米国特許第5,086,401号に記載されている。コンピュータ支援による画
像処理とプローブ追跡システムが米国特許第5,383,454号、第5,19
8,877号、WO91/07726号に記載されている。本件出願と同一譲受
人に譲渡された同時係属中の最近特許を認可された出願連続番号第08/526
,826号は、大腿骨の骨髄管内部でロボットプローブを整列させることにより
、骨の画像をロボット座標系に変換する方法およびシステムを記載している。特
許出願連続番号第09/022,643号は、これも本件出願の譲受人に譲渡さ
れたのだが、ロボット座標系と、画像データセット、すなわち、(1)骨に沿っ
て軸線方向に間隔を設けた2つの位置座標および(2)2つの位置座標のうちの
少なくとも一方を通過する方向ベクトルとの間の整合処理に基づいて、骨の画像
をロボット座標系に変換する方法およびシステムを記載している。
テム、および、装置が提供されるが、ここでは、骨自体は座標系で固定され、座
標系は通常は、股関節置換外科手術、膝関節置換外科手術、長骨切断術などのよ
うな外科手術処置手順を実施するために使用されるタイプのロボット座標系であ
る。改良した発明は基準マーカーピンの使用を回避するとともに、骨の画像デー
タセットを以下のようなロボット座標系と整合させる工程を含んでいる。第1に
、骨の画像データセットは、コンピュータ断層撮影(CT)スキャナーなどの従
来型スキャナーにより得られる、骨の画像などに多様な画像処理アルゴリズムを
適用することによって生成される。次いで連接可動ディジタイザーアームを使用
して、骨の上の複数の表面定位位置を表示する座標を含んでいるディジタル化さ
れた骨のデータセットを生成する(ディジタル化された骨のデータセットは、後
述のように、ロボット座標系で生成される)。代替例として、ディジタル化され
たデータセットは、ロボットアーム自体により生成することができる。次に、骨
の画像データセットの座標をディジタル化された骨のデータセットの対応する座
標と適合させることによって、好ましくは、最小自乗最適適合技術によって、骨
の画像データセットがロボット座標系に変換される。ディジタイザーアームがデ
ィジタル化された骨のデータセットをロボット座標系に生成するには、骨ディジ
タイザーアームの座標系が、後述のような多様な技術を利用して、ロボット座標
系と予備整合されるのが好ましい。
除去することである。
より得られる。次に、骨のデータ画像データセットが既に獲得された骨の画像か
ら生成されて、骨の表面の幾何学的座標モデルを表示する。多様な画像処理法は
、ファセット図示表示など、一般化された骨の表面モデルを生成することができ
る。可能な限り最良の精度を得るには、骨の画像データセットが極めて高い分解
能(すなわち、極めて小さいファセット)を有していなければならないのが好ま
しい。しかし、かかる高分解能を達成することは実施面での困難さをもたらし、
というのも、骨の表面全体が高分解能へとモデル化された場合には、モデル自体
が極端に大きくなり、この骨の画像モデルをロボット座標系に変換する時に、扱
いにくい計算を生じことになる。このような計算は外科手術期間中に完了されね
ばならないので、モデルを最小限に抑えるのが望ましい。従って、興味の対象で
ある十分に規定された領域内に在る(特に、骨の末梢端と基端に在る)骨の表面
がより高度な分解能までモデル化されるのが好ましい。
ているデータを含んでいるのが好ましい。これは、モデルデータセットの寸法を
減じるのに役立てるためと、変換計算の粗性(robustness)を増大さ
せるのを助けるためと、両方の目的で達成される。その代わりに骨の内側表面と
外側表面の両方が骨の画像データセットに含まれている場合にはまた、骨の画像
データセットのロボット座標系への最適変換を判定する際に不正確さを発生する
ことがある。従って、コンピュータ断層撮影の骨の画像から骨の画像データセッ
トを生成する時には、データセットに含まれるべき骨の組織とデータセットに含
まれるべきではない周囲の軟組織との間で容易に区別立てすることができるよう
に、対話型限界機能を利用するのが好ましい。それにより、骨表面上の手術定位
または他の興味の対象となる定位の選択的高分解能表示を容易に生成することが
できる。
データセットの寸法を幾分最小化することが可能である。従って、それゆえに、
骨の画像データセット自体は計算が厄介になる程には大きくならずに、非常に正
確な座標系変換が達成され得る。そのため、非常に高速の応答、すなわち、ほぼ
実時間の応答が外科手術期間中に可能となる。
その後で、本文で後述される多様な技術を利用して、固定した基端と自由運動す
る末梢端とを有しているのが好ましい連接型骨ディジタイザーアームがロボット
座標系と予備整合される。その整合の後で、骨ディジタイザーアームは以下のよ
うなディジタル化された骨のデータセットを生成するために使用される。まず骨
がロボット座標系内で固定されてから、ディジタイザーアームの自由可動末梢端
が骨の上の複数の異なる定位で骨表面に接触するように移動させられる。これら
表面定位の各々の位置がこれにより判定され、記録されることにより、ディジタ
ル化された骨のデータセットを形成する。骨ディジタイザーアームがロボット座
標系と予備整合されるので、ディジタル化された骨のデータセットもロボット座
標系に存在するようになる。
ーム自体を利用して収集することが可能である。本発明のこの局面では、外科手
術ロボットアームの自由可動末梢端が骨の上の複数の異なる定位で骨表面と接触
するように動かされる。それにより、これら表面定位の各々の位置が判定され、
記録されることにより、ディジタル化された骨のデータセットを形成する。
触型ディジタル化装置を使用して、ディジタル化された骨のデータセットを生成
することが可能である。本発明のこの局面では、超音波システムまたはレーザシ
ステムが、骨の表面上の複数の定位の位置を検知および記録するために使用され
る。
多様な定位にディジタイザーアームの自由可動端を接触させることにより生成さ
れるのが好ましいが)、骨の末梢端と基端とにデータ点を有しているように生成
されるのが好ましい。従って、骨の末梢端と基端とにおいて、ディジタル化され
た骨のデータセットが選択的により詳細にされる。骨の両端におけるディジタル
化された骨データセットのかかるより高いデータ分解能は、骨の中央部に沿った
点と比較して、骨の両端付近のより多数の点における骨の表面とディジタイザー
アームを接触させることにより達成される。
データセットの高分解能領域に対応し、これにより、最適変換計算を確実にする
。骨の両端のみにおけるデータ点を含むようにディジタル化された骨のデータセ
ットを生成することの付加的な利点は、それが故に、表面データ点を得るために
骨の中間各部に外科手術上の接近を行う必要がなくなる点である。こうして、患
者に対する外科手術的外傷が実質的に低減される。
置センサーを有している連接連結装置を備えている。ディジタイザーアームの基
端は、ロボット座標系の分かっている定位に固定状態のまま留まる。埋設型プロ
セッサおよび適切なソフトウエアを利用すると、ディジタイザーアームが、その
基部と相対的にその末梢先端部の位置の正確な測定値を生成することが可能とな
る。ディジタル化された骨のデータセットを生成する時に、ディジタイザーアー
ムの末梢端に無菌プローブが先端に取付けられるのも同様に好ましい。しかしな
がら、本発明のディジタル化された骨のデータセットを生成するためのシステム
は連接連結装置には限定されないものと理解するべきである。例えば、連接ディ
ジタイザーアームと比較すると、ディジタル化された骨のデータセットは光学セ
ンサー(Northern Degital of Waterloo(Ont
ario,Canada)により製造されているOPTOTRACKTMなどの)
、超音波、または、レーザーにより生成することができる。
ムにより判定されたように、ロボット座標系における骨の表面上の複数の点の定
位を表示している。大腿骨の事例では、ディジタル化された骨データセットは、
大腿骨の末梢端上の内横面定位、前面定位、外横面定位と、大腿骨の頚部付近の
点などの、大腿骨の基端の複数の表面定位点と、大腿骨の頂部基端の点とを含ん
でいるのが好ましい。このような多様は表面定位点から、末梢端座標と基端座標
とが大腿骨について算出され得る。
との比較により検証され得る。特に、骨の画像データセットの多様な表面定位を
表示する座標は標準の骨画像座標モデル(すなわち、標準の骨形状モデル)と比
較されて、かかる表面定位の間の空間関係の変化が予測された公差の範囲内にあ
るかどうかを判定することができる。ディジタル化された骨のデータセットの座
標が標準の骨モデル形状から予測された公差を超過している場合には(従って、
奇妙な形状の骨を表示するデータを示している場合は)、これはディジタル化さ
れた骨のデータセットの座標点の初期収集の誤差を暗示するものと受け取られ、
ユーザはディジタイザーアームの末梢端を骨の表面上の多様な好ましい定位に再
度接触することによって、ディジタル化された骨のデータセットを生成し直すよ
うに促されるようにする。
、ディジタル化された骨のデータセット(ロボット座標系に存在している)を生
成した後で、本発明は、骨の画像データセットの座標とディジタル化された骨の
データセットの対応する座標との間の最適適合計算を実施することにより、骨の
画像データセットをロボット座標系に変換するためのシステムを提供する。特に
、ディジタイザーアームデータセットの多様な表面定位座標が使用されて、骨の
画像データセットの座標とディジタル化された骨のデータセットの対応する座標
との間の距離の二乗の和を最小限にすることを含んでいるのが好ましい最適適合
計算により、骨の画像をロボット座標システムに変換する。特に、骨の画像デー
タセット(剛性体として処理される)の座標とディジタル化された骨のデータセ
ット(同様に剛性体として処理される)の座標との間の距離が最小限にされる。
最適適合処置手順は、骨の端部の相対位置と、ディジタル化された骨のデータセ
ットから算出されるようなものと比較して骨の画像データセットから算出される
ような骨の末梢部重心および基部重心の相対位置との最初の比較を利用し得るよ
うにするのが好ましい対話型計算として実施されるのが好ましい。次に、外科手
術ロボットアームで粉砕除去されるべき骨の領域を表す「切除空洞」座標システ
ムの位置および配向は、変換された骨の画像データセット上に重畳することが可
能であり、それにより、骨に相対的な外科手術用ロボットアームの位置を確立し
、制御できるようにしている。
された骨のデータセットの座標との間の平均距離を判定する等の多数の異なる技
術により検証され得る。代替例として、ディジタル化された骨のデータセットの
対応する座標から離れた限界距離よりも長い変換された骨の画像データセットの
座標の数を判定することにより、検証を達成することができる。最後に、変換さ
れた骨の画像データセットの最も遠い座標からの距離をそれと対応する座標のデ
ィジタル化された骨のデータセットにおける位置と比較することにより、検証を
達成することも可能である。
座標系に予備整合される。ディジタイザーアーム試験データセットが生成される
と、データセットはディジタイザーアームにより測定されたような、試験取付け
具上の複数の試験構造体の位置を含んでいる。次にディジタイザーアームの測定
精度を検証するために、このディジタイザーアーム試験データセットが試験取付
け具上の試験構造体の現実の予備測定された位置と比較される。同様の処置手順
が同一試験取付け具を備えた外科用ロボットアームを利用して実行される。特に
、まず試験取付け具上の複数の試験構造体の各々の位置を含む外科手術用ロボッ
トアーム試験データセットを、ここでロボットアームにより測定されたように生
成することにより、外科用ロボットアームがロボット座標系と整合される。次に
、前と同様に外科手術用ロボットアームの測定精度を検証するために、ロボット
アーム試験データセットが試験取付け具上の試験構造の現実の予備測定された位
置と比較される。
ットアームの両方の測定精度を決定した後では、骨ディジタイザーアームと外科
手術用ロボットアームとの間で変換関係を直接的に生成することが可能となる。
従って、次には、骨ディジタイザーアームにより最初に供与される位置情報に基
づいて、外科手術用ロボットアームが骨に手術を施す時に、該アームを誘導する
ことが可能となるが、この時、ディジタイザーアームと外科手術用ロボットアー
ムの両方が同一ロボット座標系と整合される。
基づいて、外科手術用ロボットアームを位置決めすることにより、股関節置換外
科手術を実施することができる。外科手術用ロボットアームは手術前プランに従
って位置決めされ、そこに装着されたロボットカッターが作動され、操作されて
、股関節補綴を受容するための大腿骨中の空洞を設ける。この股関節補綴は一般
に従来型の態様で空洞内に移植される。
制御装置を備えた改良型ロボットシステムを更に提供する。長い骨の画像を表示
する骨の画像データセットがロボット座標系に変換されて、制御装置が所定の手
術プランに従ってカッターを位置決めできるようにする。
に備えている。制御装置プログラムは、骨の画像データセットの座標とディジタ
ル化された骨のデータセットの対応する座標との間の最適適合計算を実施する触
知できる媒体で具現化された指示アルゴリズムを含んでいる。アルゴリズム自体
は、ディスク、読み出し専用リーメモリ、ランダムアクセスメモリ、フラッシュ
メモリ、テープ、CD−ROMなどの制御装置やコンピュータをプログラミング
するために使用されるタイプの任意の従来型の媒体で具体化することが可能であ
る。
し、それにより、外科手術期間中に骨の運動が継続的に、または、周期的に監視
され、補正され得るようにすることが可能となるが、この時、これら任意の位置
決めマーカーの位置は骨ディジタイザーアームにより経時的に監視されている。
る時には、骨の画像データセットの現実の骨の位置への極めて正確な整合を提供
するので、特に有利である。かかる精微な公差は、非常に良好な初期的な機械的
安定性および卓越した組織内殖性を伴った股関節移植片の位置決めを可能にして
いる。
させることを意図している。画像化され、整合され得る長い骨としては、大腿骨
、脛骨、上腕骨、尺骨、橈骨が挙げられる。かかる長い骨の画像整合は、関節置
換のようなロボット外科手術処置手順と関連して、全股関節置換、膝関節置換、
長い骨切断術などの特殊処置手順と関連して、特に有用となる。全股関節置換外
科手術を実施することを意図したロボットシステム内で大腿骨の画像データセッ
トを変換する具体的な方法、システム、装置が後述されるが、かかる説明は本発
明の範囲を限定することを意図してはいない。
を意図したロボットシステムを典型例とするシステム座標空間に長い骨の幾何学
的形状を表示する骨の画像データセットを変換する方法、システム、装置を提供
する。しかしながら、本発明は、かかるロボット処置手順に限定されず、また、
手動外科手術処置手順、診断処置手順、および、手術空間のような現実の座標空
間内で長い骨の事前獲得された画像を整列させることが必要である前記以外の医
療処置手順においても等しく有用となる。かかる手動システムおよび手動処置手
順は、光学外科手術測定器具、受動電気機械装置などを採用しているコンピュー
タ支援による外科手術処置手順を含んでいる。このような事例では、本発明の使
用は、骨に沿って多数の基準マーカーを事前移植する必要性無しに、かつ/また
は骨の長さに沿った多数の点で骨に外科手術で接近する必要性無しに、固定した
長い骨との高精度の画像整合提供するという点で有利である。
線画像)、磁気共鳴画像化処理(MRI)などの従来の医療画像化技術を利用し
て、骨の画像をまず獲得することに依存している。通常は、CT画像化処理およ
びX線撮影画像化処理は、骨の材料の情報を特に精度よく画像化するので好まし
い。あらゆる事例で、画像はディジタル形式で得られるか、或いは、ディジタル
形式に変換されて、従来のコンピュータ化された画像処理器具およびソフトウエ
アを利用して、ディジタル操作に好適な骨の画像データセットを生成する。普通
は、画像処理器具は、本文後記で一般に制御装置およびプロセッサとして総称さ
れる、特にプログラミングされたコンピュータの形式を呈することになる。特に
、本発明は、画像自体から直接得られる骨の画像データセットを分析し、操作す
るための手術前プラニング用ワークステーション(コンピュータ)を利用する。
モデルを表示している。骨の画像が外科手術の前に得られるのが好ましい場合は
、それに一致する結果として生じる骨の画像のデータセットを外科手術の直前に
ロボット座標系に変換する必要がある。本発明は、外科手術前に骨の上の多様な
位置に骨ディジタイザーアームを接触させることにより生成されるような、ロボ
ット座標系における骨の表面位置座標を含むディジタル化された骨のデータセッ
トをまず獲得することに基づいてこの変換を達成するシステムを提供している。
次に、後述するように、骨の画像データセットをディジタル化された骨のデータ
セットの座標に適合させることにより、骨の画像データセットはロボット座標系
に変換される。
度は骨の上の特定位置において、すなわち、好ましくは、骨の末梢端と基端にお
いては遥かに高いのが好ましい。骨の画像データセットは、骨の上の高分解能の
好ましい領域をユーザが最初に決定することで、生成することが可能である。代
替例として、手術前プラニング用ワークステーションは、特にユーザの介入が無
くても、かかる好適な高分解能位置を識別するようにプログラミングすることが
可能である。いずれの場合にせよ、骨の画像データセットはその後に、手術シス
テム、または、骨が固定されることになる他のシステムに転送される。
ができる具体的なシステム10が図1に例示されている。システム10は、手術
前プラニング用ワークステーション12と、CADモデルデータセット15の形
式の移植設計14のライブラリーの両方を備えている。骨の画像データセット1
6は、CT骨画像を表示するのが典型的であるが、これが獲得されて、手術前プ
ラニング用ワークステーション12に転送される。通常は施療を行う外科医か、
施療を行う外科医と一緒に作業する助手であるユーザーが、好適な移植片設計を
選択し、患者の大腿骨内部に位置決めするように、手術前プラニング用ワークス
テーションで作業することが可能である。かかる手術前プラニングの詳細が、先
に引例に挙げたORTHODOCTM手術前プラニング用システムに関連する文献
にうまく説明されている。
ピュータの形式のディジタルプロセッサであるのが典型的である)と、オンライ
ン表示スクリーン24と、ロボット26とを備えているロボット手術システム2
0を更に有している。ロボット手術システム20の細部が図2に示されている。
ロボットは、少なくとも5本の軸を有し、かつ、高精度設置を行う能力があるの
が好ましい操作自在な外科手術用ロボットアーム28を備えた任意の従来型の産
業用ロボットであり得る。好適な外科手術用ロボットが、SR−5427−IS
Sとモデル指定されたサンキョ−ロボティックス(Sankyo Roboti
cs)から入手可能である。本発明における用途としては、力センサー30はア
ーム28の末梢端に搭載されており、プローブ32または外科手術用切断器具(
例示していない)の形態の作業体が力センサーに装着され得る。
および実時間監視用コンピュータ46を更に備えている。力センサー30、安全
プロセッサ44、実時間モニター46、骨の運動モニター50は各々が、操作自
在アーム28の作動体端の位置、滑り量、および、ブロッケージを監視する補助
を行っている間に、大腿骨60が固定装置アセンブリ52で適所に保持される。
これらのパラメータの実時間監視処理は、ロボットシステムが計画されたとおり
に作動していることを確実にするのに役立つ。これら監視システムの詳細は、R
OBODOCTMロボット外科手術システムを説明している先に引例に挙げた文献
に解説されている。
により測定されるような、骨の上の多数の表面定位の座標位置を含んでいるディ
ジタル化された骨のデータセットを獲得することに依存している。従って、シス
テム10は骨ディジタイザーアーム100を更に供えており、この詳細が図3お
よび図5に最も良好に示されている。後述するように、既に獲得したディジタル
化された骨のデータセット17(ロボット制御装置22への入力として図1に示
されている)は、骨ディジタイザーアーム100により獲得されて、骨の画像デ
ータセット16をロボット座標系に変換するために使用される。
端62を固定する。ロボット26に装着されると、固定装置アセンブリ52はロ
ボット座標系内で大腿骨60を固定する。大腿骨60は、最上部(基部)領域6
2と下部(末梢部)領域64とを備えている。大腿骨骨頭62と皮質骨66とに
隣接して配置されている骨梁骨65は、骨の2つの両端の間にほぼ位置している
。頚部領域68は、骨梁骨より上方の大腿骨骨頭の真下に位置している。
末梢端104とを有している連接構造体であるのが好ましい。ロボット26に装
着されると、その固定基端102がロボット座標系内の分かっている位置で固定
状態になる。ディジタイザーアーム100は、図示のように、接合部106、1
08、110、112、および114で接続されている複数のリンク101、1
03、105、107、および109から構成されているのが好ましい。高分解
能位置センサー111、113、115、117、および119は、図示のよう
に、柔軟な接合部106、108、110、112、および114に配置されて
いる。位置センサー111、113、115、117、および119ならびに適
切なソフトウエアとを利用すると、末梢端104が多様な位置に移動させられた
時に、骨ディジタイザーアーム100が固定基端102に関して、遠位端104
(および、特に、そこに搭載された無菌の、先端に取付けたプローブリンク10
9)の位置の正確な測定値を生成することができる。図3に概略的に見られるよ
うに、柔軟な接合部106、108、110、112、114を中心とした回転
は、多様な接合部が互いに軸線を中心として回転することにより、ディジタイザ
ーアーム100の末梢端104の運動が固定末梢端102に相対的な5種の自由
度のいずれでも達成することができるようにすることで、達成される。
ブリンク109を骨の表面上の複数の表面定位に接触させることにより生成され
る一方で、これらの定位を1セットの位置座標として記録する。(これらの定位
は、後述するように、図4A、図4B、図4C、および図4Dで最も良好に見ら
れるような定位80、81、82、83、84、85、86、87、88、89
、90、91、92、93、94、95、96、および97を含んでいるのが好
ましい)。基端102の位置は最初からロボット座標系の分かっている定位に在
るので、ディジタル化された骨のデータセット17の座標の各々の位置はロボッ
ト座標系でも判定される。
ーム28により生成される。本発明のこの局面では、外科手術用ロボットアーム
の可動末梢端は骨の上の複数の異なる定位で骨表面と接触するように移動させら
れる(ディジタル化された骨のデータセットがディジタイザーアーム100によ
り生成された上述のアプローチと同様に)。これによりこれら表面定位の各々の
位置が判定され、記録されることにより、ディジタル化された骨のデータセット
を形成する。
非接触ディジタル化装置を使用して、ディジタル化された骨のデータセットを生
成することが可能である。本発明のこの局面では、骨の表面上の複数の定位の位
置を検知し、記録するために、超音波システムまたはレーザシステムが使用され
る。
た位置を使用して、後述のように、骨の画像データセット16をロボット座標系
に変換する。概略的に例示するために、また、理解を容易にするために、骨の画
像データセット16が固定大腿骨60の上方の空間に浮遊している骨の画像とし
て示されているにすぎない。(これは、変換の前には、骨の画像データセット1
6の厳密な位置がロボット座標系の範囲内で分かっていないからである)。例示
のために、骨の画像データセット16のロボット座標系への変換は、骨の画像デ
ータセット16を移動させて、その座標が大腿骨60の上に重畳された状態にな
るようにする処理に一致していると理解される。
一致するものとして示されている。しかしながら、骨の画像データセット16が
骨の両端16Aおよび16Bに対応する高分解能データ領域を備えていることし
か必要としないのが好ましいことが理解されるべきである。
のデータセット17を含むように選択された好ましい座標を見ることが可能であ
る。これら好ましい座標は、骨の画像データセット16における座標位置に対応
するように選択される。特に、ディジタル化された骨のデータセット17の座標
位置は、図示のように、全部が大腿骨の両端付近に在るのが好ましい。ディジタ
ル化された骨のデータセット17の座標位置は、オペレータが無菌の、先端に取
付けたプローブリンク109を骨60の表面に定位80、81、82、83、8
4、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、9
6、および97の各々で手動で接触させることにより収集されるのが好ましい。
従って、基端102の位置に関連すると、これら定位の各々の位置は、ディジタ
ル化された骨のデータセット17として識別され、記録される。
64の内横面定位80、外横面定位81、前面定位82の座標位置を含んでいる
のが好ましい。定位80、81、および82から、末梢端重心150の位置を計
算することが可能である。ディジタル化された骨のデータセット17は、大腿骨
の基端62の頚部68の周囲とその付近の複数の表面定位83から96の各位置
も含んでいるのが好ましい。表面定位83ないし92からは、基端重心152の
位置を計算することができる。更に、大腿骨の頂部端97の位置もディジタル化
された骨のデータセット17に追加されるのが好ましい。
に取付けたプローブによりリンク109の末梢端で柔組織を経皮的に刺し通して
達成できるのが好ましい。従って、この態様でデータを収集すると、外科手術期
間中に大腿骨の末梢端を露出することは必要ではない。大腿骨の基端62におけ
る定位83から97でデータ点を収集すると、大腿骨の基端62は既に外科手術
期間中に露出されており、従って、大腿骨の頚部68の周囲とそれに隣接した骨
の表面定位83から97にオペレータが容易に直接接触することが可能となる。
大腿骨の末梢端と基端のいずれにおけるデータ点定位の収集期間中にも、図式表
示24が正確な位置にユーザを誘導する支援を行うのが好ましい。
ルファイル19はロボット制御装置22に記憶することも可能であるとともに、
ディジタル化された骨のデータセット17を検証するために使用することも可能
となる。特に、ディジタル化された骨のデータセット17の座標の各々は標準的
骨表面モデルファイル19と比較されて、ディジタル化された骨のデータセット
17が骨の形状の容認できない表示である可能性を判定できるようにしている。
ディジタル化された骨のデータセット17の座標が容認された公差から外れてい
るように思われる場合には、これはデータセットを収集する際の誤差を暗示して
おり、ここでユーザを促して、定位座標80から97の正しい位置を判定し直す
ために骨ディジタイザーアーム100の末梢端104を位置決めし直すことによ
り、データを収集し直すことができる。
加えて、図4Eでわかるように、140、141、142、143、144、お
よび145を含む付加的な骨の表面定位をディジタル化するとともに、図4Aの
点80および81における骨の表面定位をディジタル化し直すことにより、変換
の適正性の視認チェックをユーザが実施することも好ましい。骨の表面定位14
0から145(および、ディジタル化し直された定位80および81)は、6種
の可能な自由度のうちのいずれであれ、変換誤差すなわち回転誤差を識別するた
めに選択されるのが好ましい。追加の定位140から145と80および81の
各々は、ディジタル化されると、ロボット座標系から骨の画像座標系まで変換さ
れて(ディジタル化された骨のデータセットをロボット座標系に変換した、先に
使用された最適適合変換の逆変換を利用する)、定位140から145と80お
よび81が表示装置24上の骨の画像データセットの頂部に表示される。これら
新たにディジタル化された点は骨表面上に物理的に位置しているので、それらに
一致する表示された各点も、スクリーン上の骨画像の骨表面に重畳された状態で
現れるべきである。
適適合計算により見つけ出された対応する座標に骨画像データセット16を適合
させることによって、骨の画像データセット16をロボット座標系に変換する。
かかる最適適合計算は、骨画像データセット16、移植片形状データ、および移
植片設置データを含んでいるデータ転送ファイル70を利用して、ロボット制御
装置22の内部で実行できるのが好ましい。ロボット制御装置22はディジタル
化された骨データセット17と標準的骨表面モデルファイル19とを入力データ
として受信もする。データ転送ファイル70は通常はインターフェイス71を介
してロボット制御装置22に転送されるが、このインターフェイスは、データ送
信ライン、データ転送テープ、または、これら以外の従来型のデータ転送システ
ムを備え得る。
れた骨データセット17の座標との間の距離の二乗の和は最小限にされる。図3
を参照すると、この最適適合計算は、ディジタル化された骨のデータセット17
から算出されたような、骨60の端部97、末梢端重心150、および、基端重
心152の相対位置の、骨の画像データセット16から算出されるような、骨6
0の端部154、末梢端重心151、および、基端重心153との最初の比較か
ら始まる反復解として実行することができる。これに続いて、「切除空洞」座標
系(外科手術用ロボットアーム28上の切除装置により粉砕除去されるべき骨を
表示している)がここで、既に変換された骨の画像データセット16上に重畳さ
れて、外科手術用ロボット切除アームにより骨の粉砕処理を制御することができ
る。
うに、ディジタル化された骨のデータセット17を含む座標データの収集がロボ
ット座標系にも存在するようにする。図5を参照すると、骨ディジタイザーアー
ム100を利用して試験取付け具120上に複数の試験構造体122の位置を表
示しているディジタイザーアーム試験データセットをまず生成することによって
、骨ディジタイザーアーム100はロボット座標系と整合される。続いて、ロボ
ットアーム試験データセットが生成されて、ここではロボットアームにより判定
されたように試験取付け具120上の試験構造体122の位置を表示する、同様
の処置手順がロボットアーム28について反復される。試験取付け具120上の
試験構造体122の各々の厳密な事前測定された定位は既に分かっていることに
なる。
ロボットアーム28のベースは全て、これら構成要素の間の相対運動が阻止され
るように、共通構造(ロボット26など)に堅固に付着される。従って、ディジ
タイザーアームの試験データセットを試験取付け具上の試験構造体の現実の事前
測定された位置と比較することにより、ディジタイザーアームの位置測定精度を
検証することが可能となる。同様に、ロボットアーム試験データセットを試験取
付け具上の試験構造体の現実の事前測定された位置と比較することにより、ロボ
ット試験アームの位置測定精度を検証することができる。ディジタイザーアーム
試験データセットをロボットアーム試験データセットと比較することにより、デ
ィジタイザーアームによって取られた測定値とロボットアームによって取られた
測定値との間で変換関係を算出することが可能となり、それにより、骨ディジタ
イザーアームと外科手術用ロボットアームの両方における運動学的測定の不正確
さを評価し、更にそれにより、ディジタイザーアームをロボット座標系と整合す
ることが可能となる。ここで、外科手術用ロボットアームが骨に作動する時に、
骨ディジタイザーアームにより最初に供与された位置情報に基づいて外科手術用
ロボットアームを誘導することが可能でとなり、この場合、ディジタイザーアー
ムと外科手術用ロボットアームの両方が同一ロボット座標系で作動している。
に取り付けることが可能となる(図示のように、基端62と末梢端64に取り付
けるのが好ましい)。続いて、骨ディジタイザーアーム100を作動させて、無
菌の、先端に取り付けたプローブリンク109をこれらマーカーピンに反復して
接触させることによりピン130および132の位置を継続的に、または、周期
的にディジタル化することによって、外科手術期間中にマーカーピン130およ
び132のどのような運動でも検出できるようにする。従って、ロボット座標系
内のマーカーピン130および132のどのような運動でも骨ディジタイザーア
ーム100により検出されて、外科手術期間中はいかなる望ましくない骨の運動
も検出され、補償され得るようにする。代替例として、別個の可撓性機械アーム
、或いは、レーザシステムまたは超音波システムを備え得る付加的な骨運動検出
装置のような、骨ディジタイザーアーム100以外の装置によりマーカーピン1
30および132の運動を追跡することができる。
3つの相互に直交する軸のうちの1本以上について骨の運動が発生しているか否
かを検出することが可能となる。しかしながら、2つのマーカーピン(130お
よび132)が経時的に同時に追跡されると、3つの相互に直交する軸線を中心
とした回転運動を検出することが可能となって、骨の運動の厳密な方向と量を測
定できるようになる。従って、2つのマーカーピンを使用している場合には、検
出された骨運動の量と方向を使用して、ロボット座標系における骨の位置を更新
することが可能となり、検出された骨運動に基づくロボット座標系内の骨の現在
の位置に基づいて、外科手術用ロボットアームの位置を誘導することができるよ
うにしている。
発明に従ったロボット外科手術用システムの構造を例示する図である。
科手術用ロボットと、それと関与する制御装置、器具、安全相互ロック、無菌の
先端取付けプローブを有する骨ディジタイザーアーム、ロボットに骨を固着保持
するための固定装置、骨の運動検出装置、オンライン表示コンピュータとの人/
マシンインターフェイス、およびロボット制御装置にインターフェイス接続され
る手の平サイズの端末と共に備えているのを例示する図である。
用態様を示す、骨の画像データセットのロボット座標系への変換を例示する概略
図である。
を示す、図3の大腿骨の拡大前後図である。
ている図である。
ト座標系と予備整合するために、試験取付け具を使用しているのを例示している
概略図である。
Claims (26)
- 【請求項1】 長い骨の少なくとも部分画像を表示している骨の画像データ
セットをロボット座標系に変換するための方法であって、 骨の画像に一致する座標を含んでいる骨の画像データセットを供与する工程と
、 骨ディジタイザーアームを該ロボット座標系に整合させる工程と、 該骨の表面上の各点と相対的に該ディジタイザーアームを位置決めして、該各
点に一致する座標を含んでいるディジタル化された骨のデータセットを生成する
工程と、 該骨の画像データセットの座標と、これに対応する、該ディジタル化された骨
のデータセットの座標との間で最適適合計算を実施して、該ロボット座標系に該
骨の画像データセットを変換する工程とを含んでいる、方法。 - 【請求項2】 前記骨の画像をコンピュータ断層撮影により供与する、請求
項1に記載の方法。 - 【請求項3】 前記骨の画像データセットが、該骨の末梢端および基端でよ
り高い分解能を有する、請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】 前記骨の画像データセットが、該骨の外側表面上の座標を表
示している、請求項1に記載の方法。 - 【請求項5】 前記骨の画像データセットが骨の組織しか含んでおらず、柔
組織を排除しているように、閾値の判定を行う、請求項4に記載の方法。 - 【請求項6】 試験取付け具上の試験構造体と相対的に前記ディジタイザー
アームを位置決めして、該試験構造体の定位と一致する座標を含んでいるディジ
タイザーアーム試験データセットを生成し、 該試験取付け具上の試験構造体と相対的にロボットアームを位置決めして、該
試験構造体の定位に一致する座標を含んでいるロボットアーム試験データセット
を生成し、そして、 該ディジタイザーアーム試験データセットと該ロボットアーム試験データセッ
トとの間の変換関係を計算することにより、該骨ディジタイザーアームを前記ロ
ボット座標系と整合させる、請求項1に記載の方法。 - 【請求項7】 試験取付け具上の試験構造体と相対的に前記骨ディジタイザ
ーアームを位置決めして、該試験構造体の定位に一致する座標を含んでいるディ
ジタイザーアーム試験データセットを生成し、そして、 該ディジタイザーアーム試験データセットを該試験取付け具上の試験構造体の
現実の位置と比較することにより、該骨ディジタイザーアームの精度を検証する
、請求項1に記載の方法。 - 【請求項8】 試験取付け具上の試験構造体と相対的にロボットアームを位
置決めして、該試験構造体の定位に一致する座標を含んでいるロボットアーム試
験データセットを生成し、そして、 該ロボットアーム試験データセットを該試験取付け具上の試験構造体の現実の
位置と比較することにより、該ロボットアームの精度を検証する、請求項1に記
載の方法。 - 【請求項9】 前記骨の表面データを生成する工程が、 固定した基端と可動末梢端とを備えている連接連結装置を有している骨ディジ
タイザーアームを選択する工程と、 該ディジタイザーアームの末梢端を該骨の外側表面上の複数の点に接触させる
工程と、 該骨ディジタイザーアームの基端と相対的に複数の点の位置を記録する工程と
を含んでいる、請求項1に記載の方法。 - 【請求項10】 前記骨の表面上の前記複数の点が、 大腿骨の末梢端上で内側横面の点、前面の点、外側横面の点を含んでいる、請
求項9に記載の方法。 - 【請求項11】 前記ディジタイザーアームの末梢端に搭載された薄いプロ
ーブを前記大腿骨の表面と経皮的に接触させることにより、前記内側横面の点、
前面の点、および外側横面の点を獲得する、請求項10に記載の方法。 - 【請求項12】 前記骨の表面上の前記複数の点が、 大腿骨の基端の頚部の周囲およびそれに隣接して複数の点を含んでいる、請求
項9に記載の方法。 - 【請求項13】 前記骨の表面上の前記複数の点が、 大腿骨の頂部基端の1点を含んでいる、請求項9に記載の方法。
- 【請求項14】 前記最適適合計算が、前記骨画像データセットの座標と、
これに対応する、前記ディジタル化された骨データセットの座標との間の距離の
二乗の和を最小限にする工程を含んでいる、請求項1に記載の方法。 - 【請求項15】 前記最適適合計算が、前記骨の画像データセットから算出
されるような 骨の端部と、 骨の末梢端重心と、 骨の基端重心との各相対位置の、前記ディジタル化された骨のデータセットか
ら算出されるような位置との最初の比較から始まる反復解である、請求項14に
記載の方法。 - 【請求項16】 前記骨データセットの前記末梢端重心を、骨の末梢端上の
内側横面定位、前面定位、外側横面定位を含んでいる前記ディジタル化された骨
のデータセットの座標から算出する、請求項15に記載の方法。 - 【請求項17】 骨の前記基端重心を、骨の基端の頚部の周囲の前記ディジ
タル化された骨のデータセットの座標から算出する、請求項15に記載の方法。 - 【請求項18】 前記ディジタル化された骨のデータセットの座標の間の空
間関係を、標準の骨の画像データセットにおける対応する座標の間の空間関係と
比較することにより、該ディジタル化された骨のデータセットの適合性を判定す
る、請求項1に記載の方法。 - 【請求項19】 前記ディジタル化された骨のデータセットの対応する座標
に関して、変換された骨の画像データセットの座標の平均距離を判定することに
より、前記最適適合計算を検証する、請求項1に記載の方法。 - 【請求項20】 前記ディジタル化された骨のデータセットの対応する座標
から、限界距離よりも長い前記変換された骨の画像データセットの座標の数を判
定することにより、前記最適適合計算を検証する、請求項1に記載の方法。 - 【請求項21】 前記変換された骨の画像データセットの最も遠い座標から
、前記ディジタル化された骨のデータセットの対応する座標までの距離を判定す
ることにより、前記最適適合計算を検証する、請求項1に記載の方法。 - 【請求項22】 前記骨画像データセットを前記ロボット座標系に引き続き
変換し、骨の表面上の付加的な各点に相対的に前記ディジタイザーアームを位置
決めすることにより、追加のディジタル化された点を獲得する工程と、 該追加のディジタル化された点の座標と前記骨の画像とを互いの上に重ねて視
覚表示する工程とを更に含んでいる、請求項1に記載の方法。 - 【請求項23】 骨に2つの位置決めマーカーを装着する工程と、 別個の時間間隔で、前記ディジタイザーアームを利用して各位置決めマーカー
の位置を判定することにより、経時的に骨の運動を判定する工程とを更に含んで
いる、請求項1に記載の方法。 - 【請求項24】 長い骨の少なくとも部分画像を表示している骨の画像デー
タセットをロボット座標系に変換する方法が、 骨の画像に一致する座標を含んでいる骨の画像データセットを供与する工程と
、 骨の表面上の各点と相対的に外科手術用ロボットアームを位置決めして、各点
に一致する座標を含んでいるディジタル化された骨のデータセットを生成する工
程と、 前記骨の画像データの座標と該ディジタル化された骨のデータセットの対応す
る座標との間で最適適合計算を実施して、該骨の画像データセットをロボット座
標系に変換する工程とを含んでいる、方法。 - 【請求項25】 長い骨の少なくとも部分的画像を表示している骨の画像デ
ータセットをロボット座標系に変換する方法であって、 骨の画像に一致する座標を含んでいる骨の画像データセットを供与する工程と
、 非接触ディジタル化装置を作動させて、骨の表面上の各点を表示しているディ
ジタル化された骨のデータセットを生成する工程と、 該骨の画像データセットの座標と該ディジタル化された骨のデータセットの対
応する座標との間の最適適合計算を実施して、骨の画像データセットを該ロボッ
ト座標系に変換する工程とを含んでいる、方法。 - 【請求項26】 ロボット座標系で作動する外科手術用ロボットアームと骨
ディジタイザーアームとを有しているロボットシステム用の制御装置のプログラ
ムであって、該骨ディジタイザーアームにより生成された表面位置測定値に基づ
いて、プログラムが骨の画像データセットを該ロボット座標系に変換し、骨が該
ロボット座標系で固定される、制御装置のプログラム。
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